Οι κατασκευές των περισσοτέρων τεχνολογικών εφαρμογών υπόκεινται σε σύνθετες θερμικές καταπονήσεις. Παράλληλα, η επεξεργασία σύγχρονων υλικών συνήθως συνδέεται με ειδικές θερμικές κατεργασίες. Η πολυπλοκότητα στη γεωμετρία των κατασκευών αυτών σε συνδυασμό με τις απότομες μεταβολές της θερμοκρασίας και γενικότερα της επιβαλλόμενης θερμικής καταπόνησης, συχνά οδηγεί στη λύση της συνέχειας των υλικών μέσω της δημιουργίας ρωγμών η οποία μειώνει τα επίπεδα αξιοπιστίας και παράλληλα αυξάνει δραματικά το κόστος συντήρησης και παραγωγής τους. Οι θερμικές φορτίσεις των ρηγματωμένων κατασκευών οι οποίες συνδέονται σχεδόν πάντα με απορρόφηση θερμότητας και επομένως ταυτόχρονη διαστολή των υλικών, οδηγούν στο λεγόμενο «κλείσιμο» της ρωγμής κατά το οποίο οι επιφάνειες της ρωγμής έρχονται τμηματικά ή και εξολοκλήρου σε επαφή δηλαδή συμβάλλουν. Εξαιτίας της πολυπλοκότητας και της μη γραμμικής φύσης του προβλήματος της επαφής, o χαρακτηρισμός της θερμικής θραύσης, υπό την παρουσία φαινομένων συμβολής των επιφανειών της, δεν έχει διερευνηθεί διεξοδικά στη βιβλιογραφία. Η επικρατούσα παραδοχή, ότι δηλαδή η ρωγμή παραμένει εντελώς ανοιχτή κατά τη θερμική φόρτιση, οδηγεί σε εσφαλμένα αποτελέσματα και επομένως δεν έχει πρακτική αξία στον κατασκευαστικό σχεδιασμό. Για το λόγο αυτό, η ανάπτυξη ενός αξιόπιστου και οικονομικού από απόψεως υπολογιστικής ισχύος αριθμητικού εργαλείου για την αντιμετώπιση τέτοιων προβλημάτων είναι αναγκαία. Η αριθμητική προσομοίωση και ο χαρακτηρισμός, μέσω της μεθόδου των συνοριακών στοιχείων, της θερμικής θραύσης η οποία επηρεάζεται από το φαινόμενο της επαφής των επιφανειών της ρωγμής είναι ο σκοπός της παρούσας διατριβής. / The structures of most technological applications are subject to complicate thermal loadings. Additionally, the processing of modern materials is usually related with special thermal treatments. The complex geometry of these structures in combination with the rabid changes of the temperature and generally with the imposed thermal load, often leads to the dissolution of continuity of the materials via the creation of cracks, fact that decreases the reliability standards and simultaneously increases dramatically the maintenance and manufacturing cost. The thermal loadings of the cracked structures which are associated with heat absorption and consequently simultaneous dilation of materials, lead to the well known crack closure phenomenon in which the surfaces of the crack come partially or even entirely into contact i.e. they interfering. Due to the complexity and non linear nature of the contact problem, the fracture characterization under crack closure phenomena has not been investigated thoroughly in the literature. The prevalent assumption, that the crack remains completely open during thermal loading, leads to inaccurate results and thus is not of practical importance in structural design. Therefore, the development of a reliable numerical tool offering low computational cost is required for the treatment of such problems. The numerical simulation and characterization, through the boundary element method, of thermal fracture that is influenced by crack closure phenomenon is the aim of the present thesis.

Ένα από τα κύρια προβλήματα που συναντώνται σε κτίρια ή γέφυρες που έχουν κατασκευασθεί πριν από το 1980, είναι η μειωμένη καμπτική αντοχή και πλαστιμότητα, το οποίο αρκετά συχνά οφείλεται στην έλλειψη περίσφιξης και στη παρουσία κοντών αναμονών που είχαν οι κατασκευές αυτές. Ο κύριος σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να παρουσιάσει και να αξιολογήσει πέντε από τα διαθέσιμα στη βιβλιογραφία αναλυτικά μοντέλα προσδιορισμού του απαιτούμενου πάχους του εξωτερικά εφαρμοζόμενου μανδύα για την αποφυγή της αστοχίας των ματιζομένων οπλισμών των υποστυλωμάτων συμπεριλαμβανομένου και του αντίστοιχου μοντέλου το οποίο δίνεται στο Σχέδιο 1 και Σχέδιο 2 του ΚΑΝΕΠΕ. Τα αναλυτικά μοντέλα αξιολογούνται μέσω πειραματικών αποτελεσμάτων από τη βιβλιογραφία. Η αξιολόγηση γίνεται σε δύο επίπεδα. Στο πρώτο επίπεδο αξιολογείται η αξιοπιστία πρόβλεψης του απαιτούμενου πάχους του υλικού ενίσχυσης –χρησιμοποιώντας τις μέσες τιμές των υλικών- ενώ στο δεύτερο επίπεδο εξετάζεται η αντίστοιχη καταλληλότητα κάθε προσομοιώματος για το σχεδιασμό –χρησιμοποιώντας τις αντίστοιχες τιμές σχεδιασμού των υλικών-. Τροποποιημένες εξισώσεις βασιζόμενες στο προσομοίωμα του ΚΑΝΕΠΕ παρουσιάζονται. Η χρήση των τροποποιημένων εξισώσεων ελέγχεται μέσω διαθέσιμων πειραματικών αποτελεσμάτων και προκύπτει ικανοποιητική σύγκλιση με αυτά. / Reinforced concrete frames or bridges constructed in the early 80s or before, were usually designed and detailed to resist lower lateral forces than those required today. Building columns were commonly designed for compression only and as a result they do not have the adequate lateral strength to resist the imposed earthquake loads. One of the main deficiencies in these older structures is the limited flexural strength and ductility often due to short and lightly confined lap splices. The main aim of this thesis is to present and evaluate five of the proposed analytical models in order to rehabilitate reinforced concrete columns with short lap splices by external confinement, including and the confinement model given by the draft version of the Greek Retrofitting Code (GRECO). The above analytical models are validated against experimental results. The validation is performed in two levels. In the first level, the reliability of the prediction for the required jacket thickness given by the models, is examined, by using the average values of the materials. In the second level, the propriety for the design of each model is examined by using the design values of the materials. A modified equation based on the model given by GRECO is presented as well. By using the proposed modified equation a satisfactory agreement with the experimental results was accomplished.

Στο πρώτο μέρος της διατριβής περιγράφεται η "στρατηγική του μιγαδικού επιπέδου" (cxps) και εξηγείται ο λόγος για τον οποίο προκρίνεται αυτή. με την cxps συνεργάζεται στενά η "τεχνική της πολλαπλής διαμερισης" (MTP), η οποία χρησιμοποιείται στους σχετικούς υπολογισμούς. κατασκευάζεται το μοντέλο ενός διαφορικά περιστρεφόμενου πολυτρόπου αστέρα υπό την επίδραση τυροειδούς μαγνητικού πεδίου. εισάγεται η ποσότητα h σαν παράμετρος διαταραχής και u παράμετρος διαφορικής περιστροφής. αναπτύσσεται η θεωρία που περιλαμβάνει όρους μέχρι και πρώτης τάξης στις παραμέτρους διαταραχής u, h και ευρίσκονται οι διαφορικές εξισώσεις, στις οποίες, υπακούουν οι συναρτήσεις του προβλήματος. ακολούθως γίνεται αριθμητική εφαρμογή των προηγούμενων για όλες τις ενδιαφέρουσες καταστάσεις περιστροφής. το δεύτερο μέρος της διατριβής διαπραγματεύεται μοντέλα, στα οποία η διαφορική περιστροφή προκύπτει από το ιξώδες υλικό του αστέρα με επίλυση της λεγόμενης "εξισώσεως ζεύξης", η οποία είναι συνέπεια της εξισώσεως Navier-Stokes για ιξωδοπολυτροπικούς αστέρες. παρουσιάζονται αριθμητικά αποτελέσματα για τη δομή διαφόρων μοντέλων με ασθενές, μέτριο και ισχυρό μαγνητικό πεδίο. δίνεται έμφαση στον υπολογισμό της "ενεργειακής απώλειας" λογω ιξώδους τριβής. ακολουθει σχολιασμός των αριθμητικών αποτελεσμάτων με έμφαση στο γεγονός ότι η ύπαρξη του μαγνητικού πεδίου περιορίζει δραστικά την ενεργειακή απώλεια. στην περίπτωση αυτή το μαγνητικό πεδίο δρα ως "λιπαντικό" και προστατεύει τον αστέρα από την υπερβολική απώλεια ενέργειας λογά ιξώδους τριβής των διαφορικώς περιστρεφόμενων φλοιών του. / In the first part, it has primarily been described the "complex plane strategy"(cxps) and has also been explained the reason of implementing this method in the present investigation. With the cxps collaborates the "multiple partition technique" (MTP) which is involved in the corresponding computations. In particular, the model of a differentially rotating polytropic star is constructed, which is under the cooperating influence of a toroidal magnetic field. To this purpose, perturbation theory is used on the basis of the fundamental magnetic perturbation parameter h. the theory including terms up to the first order in both the perturbation parameters u (rotation) and h (magnetic field),is developed and the corresponding differential equations are set up. Our computation concerns mainly critical rotations. In the second part of the thesis, we consider models with differential rotation owing to the viscous material of the star, on the basis of the so called "coupling equation" that is consequence of the Navier-Stokes equation for viscous polytropic stars. Emphasis is given on the study of dissipative effects due to viscous friction, as they are determined by the combined action of rotation and magnetic field. The computations show that a toroidal magnetic field can play the role of an efficient "lubricant" injected into the material of the particular magnetic model, thus reducing drastically the energy dissipated due to viscous friction.

Τα κριτήρια σχεδιασμού στις σύγχρονες κατασκευές και κυρίως στην αεροναυπηγική και ναυπηγική βιομηχανία, στοχεύουν στην παραγωγή δομικών στοιχείων με μειωμένο βάρος και χαμηλότερο κόστος, ενώ ταυτόχρονα, απαιτείται να παρουσιάζουν υψηλότερες επιδόσεις και ικανοποιητική δομική ασφάλεια. Οι στόχοι αυτοί έχουν διαμορφώσει μια σχεδιαστική τάση η οποία οδηγεί στην αντικατάσταση των ‘παραδοσιακών’ διαφορικών δομών (differential structures) με ‘σύγχρονες’ ολοκληρωμένες δομές (integral structures). Η τάση αυτή βρίσκει εφαρμογή κατά κύριο λόγο στην αεροναυπηγική, όπου η μείωση του βάρους χωρίς υποβάθμιση της ασφαλούς λειτουργίας αποτελεί βασικό και μόνιμο στόχο. Η αυξημένη παραγωγή δομικών στοιχείων ολοκληρωμένων δομών έχει οδηγήσει σε συνεχή αύξηση της εφαρμογής διεργασιών συνένωσης με έμφαση στις προηγμένες διεργασίες συγκόλλησης. Οι διεργασίας συγκόλλησης οι οποίες, λόγω των πλεονεκτημάτων τους, βρίσκονται στην αιχμή της τεχνολογίας είναι η Συγκόλληση με Τριβή και Ανάμιξη (Friction Stir Welding – FSW) και η Συγκόλληση με Ακτίνα Λέιζερ (Laser Beam Welding – LBW). Η εφαρμογή συγκολλήσεων στην παραγωγή ολοκληρωμένων δομών έχει πολλά τεχνολογικά πλεονεκτήματα έναντι των άλλων τύπων σύνδεσης, ωστόσο, συνοδεύονται από την ανάπτυξη Παραμενουσών Τάσεων και στρεβλώσεων στο τελικό προϊόν, κάτι το οποίο, ανάλογα με την εφαρμογή, μπορεί να προκαλέσει σημαντικά προβλήματα. Συγκεκριμένα, οι στρεβλώσεις επηρεάζουν τη λειτουργικότητα του δομικού στοιχείου, αφού μεταβάλλουν την γεωμετρία του, ενώ οι παραμένουσες τάσεις, αναπροσαρμόζοντας το εσωτερικό εντατικό πεδίο, επιδρούν στη δομική τους ακεραιότητα. Όπως είναι γνωστό με κατάλληλη επιλογή των παραμέτρων της διεργασίας (π.χ. ταχύτητα συγκόλλησης, ισχύς κτλ) μπορεί να επιτευχθεί μείωση των αναπτυσσόμενων παραμενουσών τάσεων και στρεβλώσεων. Επίσης, τα τελευταία χρόνια έχει αποδειχθεί ότι η προσομοίωση μιας διεργασίας συγκόλλησης μπορεί να βοηθήσει σημαντικά στην επιλογή του βέλτιστου συνδυασμού των παραμέτρων της. Για το λόγο αυτό, μεγάλο μέρος της ερευνητικής δραστηριότητας στην περιοχή των προηγμένων διεργασιών συγκόλλησης έχει στραφεί προς την ανάπτυξη αξιόπιστων μεθοδολογιών προσομοίωσης, οι οποίες με δεδομένο (input data) τις παραμέτρους της διεργασίας μπορούν να δώσουν σαν αποτέλεσμα (output data) κρίσιμες απαντήσεις όσον αφορά στις τεχνολογικές ιδιότητες της συγκόλλησης. Βάσει των ανωτέρω, σκοπός της παρούσης διατριβής είναι η ανάπτυξη ολοκληρωμένων μεθόδων θερμομηχανικής προσομοίωσης των προηγμένων διεργασιών συγκόλλησης FSW και LBW με κύριο στόχο την πρόβλεψη των παραμενουσών τάσεων και των στρεβλώσεων καθώς και τη μελέτη της επίδρασης τους στη δομική ακεραιότητα των παραγόμενων δομικών στοιχείων. Ένα από τα σημαντικότερα και ίσως το κρισιμότερο στάδιο κατά την προσομοίωση μιας θερμομηχανικής διεργασίας είναι η εξομοίωση της θερμικής πηγής και ο υπολογισμός του θερμικού φορτίου, γιατί μια εσφαλμένη εκτίμηση του θερμικού φορτίου προκαλεί λανθασμένη πρόβλεψη της θερμοκρασιακής κατανομής και κατά συνέπεια εισάγει σφάλματα στον υπολογισμό των παραμενουσών τάσεων και των στρεβλώσεων. Στη βάση αυτή, τόσο για την περίπτωση της FSW όσο και για την LBW αναπτύχθηκαν μεθοδολογίες για τον προσδιορισμό των θερμικών πηγών τους και συνοδεύτηκαν από θερμικά μοντέλα για την πρόβλεψη του θερμοκρασιακού ιστορικού. Ακολούθως, το θερμοκρασιακό ιστορικό ασκείται υπό τη μορφή εξωτερικού φορτίου σε ένα θερμομηχανικό μοντέλο από όπου υπολογίζονται οι παραμένουσες τάσεις και οι στρεβλώσεις της διεργασίας. Τέλος, η εσωτερική εντατική κατάσταση του συγκολλημένου δομικού στοιχείου συνυπολογίζεται στο εντατικό πεδίο λόγω της φόρτισης λειτουργίας της κατασκευής και γίνεται πρόβλεψη των συντελεστών έντασης τάσης (Stress Intensity Factors - SIFs ) έτσι ώστε να εκτιμηθεί η επίδρασης της συγκόλλησης στη δομική ακεραιότητα. Τόσο το θερμομηχανικό όσο και το θραυστομηχανικό μοντέλο μπορούν να προσαρμοσθούν σε πολλούς διαφορετικούς τύπους σύνδεσης και ρηγμάτωσης, αντίστοιχα. / The design criteria in modern structures aim to the production of components with reduced weight and low cost, as well as, with higher performance and increased safety. The above goals lead to a tendency of replacing traditional differential structures with more modern integral structure, mainly in aeronautic sector where the weight and cost reduction, without decrease of safety, comprises the main target of the current research effort. The production of integral structures requires the adaptation of existing forming processes as well as the development and optimization of advanced welding processes. The most promising welding processes in aeronautics and maritime industries currently are the Friction Stir Welding–FSW and Laser Beam Welding-LBW. Despite of the many technological advantages of FSW and LBW process, their application in the production of integral structures leads to the development of Residual Stress (RS) and distortion fields which can cause significant problems. Specifically, distortions can effect on the components assembly, while, RS affect the structural integrity. However, an appropriate selection of process parameters can significantly reduce the RS and distortions levels. The usual way to optimize process parameters is experimental trial and error approach; recently, process simulation has been proven efficient, too. The present work aims to the development of efficient methodologies for the thermomechanical simulation of FSW and LBW processes in order to predict temperature history, as wells as RS and distortion fields. Consequently, the RS field is used for the determination of the welding effects on the structural integrity of the welded component. Generally, the reliability of a simulation methodology of any thermo-mechanical process, such as welding, is seriously affected by many parameters; two of them are very base, namely, the accurate determination of the heat input introduced to the material (thermal load) and the accurate representation of thermal and mechanical boundary conditions. As the boundary conditions determined by the welder and it is usually easy to transfer in a numerical model, one of the most difficult simulation issues is the appropriate determination of the heat input which will lead to an accurate prediction of the material temperature history. For this reason, one of the main objectives of the present work is to develop methodologies for the accurate thermal load calculation in both FSW and LBW processes. After the validation of the developed methodologies with respect to experimental measurements, the defined heat sources are used in global thermal models in order to predict the temperature histories which, thereinafter, are introduced in the thermo-mechanical models to predict the developed RS and distortion fields. Finally, the structural integrity of the welded component, under the effect of both RS field and service loading is studied; different possible ‘fracture scenarios’ are investigated based on the Stress Intensity Factor concept and the Elastic Fracture Mechanics principles.