Η παρούσα εργασία περιλαμβάνει την μελέτη της μη γραμμικής οπτικής απόκρισης διμεταλλικών κραμάτων ευγενών μετάλλων και άλλων μεταλλικών συστημάτων νανοσωματιδίων, είτε περιβεβλημένα με πολυμερή, είτε εγκιβωτισμένα σε μικυλιακά συστήματα συμπολυμερών κατά συστάδες. Τα μέταλλα τα οποία επιλέχθηκαν για την παρασκευή των νανοσωματιδίων ήταν ο χρυσός (Au), ο άργυρος (Ag) και το παλλάδιο (Pd). Τα δύο πρώτα έχουν αποτελέσει τα τελευταία χρόνια αντικείμενο έρευνας σε μορφή κυρίως κολλοειδών διαλυμάτων ή μέσα σε άμορφες μήτρες (π.χ. υάλους) και πολυμερικές μήτρες, καθώς λόγω των εξαιρετικών μη γραμμικοτήτων τους βρίσκουν εφαρμογή σε πληθώρα εφαρμογών της φωτονικής και της οπτο-ηλεκτρονικής. Όσον αφορά τα νανοσωματίδια Pd, οι μη-γραμμικές οπτικές ιδιότητες τους έχουν μελετηθεί ελάχιστα (μόλις μερικές εργασίες στη διεθνή βιβλιογραφία), ενώ είναι η πρώτη φορά που μελετώνται εγκιβωτισμένα σε αμφι-φιλικά συμπολυμερή κατά συστάδες. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, διερευνήθηκε ο ρόλος του επιφανειακού πλασμονίου στην γραμμική και μη-γραμμική οπτική απόκριση νανοσωματιδίων Au, Ag και Pd, όταν αυτά διεγείρονται με ακτινοβολίες λέιζερ γύρω από την συχνότητα συντονισμού του πλασμονίου, καθώς αναμένεται σημαντική ενίσχυση. Στη συνέχεια αυτής της εργασίας, παρουσιάζονται οι μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες άλλων χαμηλοδιάστατων νανοδομών, όπως κβαντικών και ανθρακικών ψηφίδων. Στη περίπτωση αυτών, οι μη γραμμικοί μηχανισμοί που προκαλούν την ενίσχυση της απόκρισης τους είναι διαφορετικοί από αυτούς των μεταλλικών νανοδομών. Η δομή της εργασίας έχει ως ακολούθως: Στα δυο πρώτα κεφάλαια αναφέρονται οι βασικές έννοιες της μη γραμμικής οπτικής και φυσικές διεργασίες που σχετίζονται με αυτή, καθώς και οι πειραματικές τεχνικές Z-scan και Οπτικού Φαινομένου Kerr, που χρησιμοποιήθηκαν για τον χαρακτηρισμό των μη γραμμικών οπτικών ιδιοτήτων των νανοσυστημάτων. Τα επόμενα κεφάλαια είναι αφιερωμένα στα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν από την μελέτη των μεταλλικών, ημιαγώγιμων και ανθρακικών νανοϋλικών. Συγκεκριμένα, στο κεφάλαιο 3 γίνεται αναφορά στα πειραματικά αποτελέσματα των νανοσωματιδίων μεταλλικών κραμάτων, τα οποία παρασκευάσθηκαν στο Πανεπιστήμιο του Μόντρεαλ από την ερευνητική ομάδα του καθηγητή κ. Μ. Μeunier. Τα νανοσωματίδια χρυσού-αργύρου είχαν διαφορετικές περιεκτικότητες των δύο μετάλλων (δηλ. ΑuxAg(1-x)), ενώ ανάλογα με τη σύσταση τους παρουσίασαν μεταβλητές οπτικές ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένου και της θέση του επιφανειακού πλασμονίου. Η μελέτη των διαλυμάτων πραγματοποιήθηκε για μήκος κύματος διέγερσης στην ορατή φασματική περιοχή (δηλ. 532 nm), πολύ κοντά στο επιφανειακό πλασμόνιο του χρυσού. Η επίδραση του επιφανειακού πλασμονίου στην απόκριση των δυο μετάλλων αλλά και των διαφόρων κραμάτων που μελετήθηκαν ήταν εμφανής, προκαλώντας ενίσχυση με αύξηση της περιεκτικότητας σε χρυσό, ενώ ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσίασε η συμπεριφορά των κραμάτων υπό διέγερση ns παλμών, καθώς βρέθηκαν να έχουν θεμελιωδώς διαφορετικές ιδιότητες από αυτές του χρυσού και του αργύρου. Στο κεφάλαιο 4, παρουσιάζονται οι μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες συστημάτων πολυμερών/παλλαδίου. Μελετήθηκαν δυο ειδών συστήματα, τα υβριδικά μικυλιακά CbzEMAx-b-AEMAy/Pd και τα PVP/Pd, τα οποία παρασκευάσθηκαν στο τμήμα Μηχανολικών Μηχανολογίας και Κατασκευαστικής του Πανεπιστημίου Κύπρου υπό την επίβλεψη της Επ. καθηγήτριας κ. Κρασιά-Χριστοφόρου. Όπως αποδείχθηκε από τα αποτελέσματα της μελέτης, η απόκριση των συστημάτων δεν επηρεάζεται από το πολυμερικό περιβάλλον, ενώ καθορίζεται αποκλειστικά από το μέταλλο. Τέλος, σημαντικό ρόλο φάνηκε να παίζει το μέγεθος των σωματιδίων ή του μεταλλικού πυρήνα αντίστοιχα. Έπειτα, στο κεφάλαιο 5 μελετώνται χαμηλοδιάστατα υβριδικά συστήματα ιωδιούχου μολύβδου. Η σύνθεση των δειγμάτων πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο του Επ. καθηγητή του τμήματος Επιστήμης των Υλικών του Πανεπιστημίου της Πάτρας, κ. Κούτσελα. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε για διαλύματα μονοδιάστατων κβαντικών ψηφίδων των οκταεδρικών νανοδομών PbI6 και για αιωρήματα της διδιάστατης δομής (FpAH)2PbI4, η οποία απαρτίζεται από μονοστρωματικά φύλλα των δομικών μονάδων (PbI6)4-. Σε όλες τις πειραματικές συνθήκες, το διδιάστατο σύστημα παρουσίασε μια γιγαντιαία ενίσχυση της μη γραμμικότητας συγκριτικά με το μονοδιάστατο, φτάνοντας τις πέντε τάξεις μεγέθους. Τέλος, στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται η μη γραμμική οπτική απόκριση και ο οπτικός περιορισμός διαφόρων συστημάτων ανθρακικών ψηφίδων, φέροντας διαφορετικές οργανικές αλυσίδες στην επιφάνεια τους. Η σύνθεση των συστημάτων πραγματοποιήθηκε στο τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων από τον Επ. Καθηγητή κ. Μπουρλίνο. Οι διαφορές που εντοπίστηκαν μεταξύ των διαφόρων νανοϋλικών ήταν ουσιώδεις, υποδηλώνοντας τη δυνατότητα προσαρμογής και ελέγχου των μη γραμμικών οπτικών ιδιοτήτων, με κατάλληλη τροποποίηση της επιφάνειας των σωματιδίων. / In the present thesis, the third-order nonlinear optical (NLO) properties of metallic nanoparticles, either encapsulated in polymers or in block copolymers, as well as bimetallic nanoparticles are investigated. Among the purposes of this work is to examine metallic nanostructures based on palladium (Pd), which is one of the least studied metals regarding their nonlinear optical response. In this view, single Pd nanoparticles are compared with another class of recently synthesized Pd-based nanomaterials, i.e., Pd micellar nanohybrids. In addition, gold-silver alloyed nanoparticles are examined and compared with their monometallic counterparts, exhibiting substantial differences and potential application in optoelectronic devices and photonic applications. In all cases, the main motivation of this work is to take advantage of the surface plasmon resonance (SPR), located in the ultraviolet or visible spectral area, to enhance/tailor the NLO properties of the metallic/hybrid nanostructures. As a continuation of the low dimensional metallic structures, the NLO response of some carbon-dots and quantum-dots are investigated, aiming to examine the correlation of their optical nonlinearities with their structure and the origin of the NLO enhancement. Therefore, the structure of this thesis is as follows: Initially the basic concepts of nonlinear optics, the physical processes related with it, as well as the physical mechanisms related to the nonlinear refractive index will be presented. Moreover the equations, which describe the nonlinear optical susceptibilities (linear and nonlinear) will be derived. Then, reference will be made to the optical parameters related to the third order optical nonlinearity and to the experimental techniques which were employed for the determination of the nonlinearity, as well as to the procedure followed to derive the nonlinear optical parameters from the acquired experimental data. Moreover, in the beginning of chapter 3 the theory of SPR in metals will be explicitly presented, followed by the experimental results obtained by the Au-Ag nanoalloys. More in detail, AuxAg(1-x) nanoparticles with varying metallic content and optical properties (i.e., SPR) were excited with resonant irradiation conditions (i.e., close to the SPR maximum) both of ps and ns pulse duration. The results demonstrate a straightforward dependence of the NLO response on the gold molar fraction of the alloys, this being attributed to the different band structures of the systems, thus suggesting a mean of tailoring the NLO properties of bimetallic nanostructures. Also, it is shown that under ns laser excitation the nano-alloys exhibit fundamentally different behavior than pure Au and Ag nanoparticles. The samples were produced by fs laser ablation in the University of Montreal by the research group of Prof. Michel Meunier. In chapter 4, the NLO properties of various polymer/Pd systems will be presented. Two different type of materials were investigated: the hybrid micellar CbzeMAx-bAEMAy/Pd and PVP/Pd, which were synthesized in University of Cyprus under the supervision of Prof. Theodora Krasia-Christoforou. As shown, the polymeric environment does not affect the total NLO response, however it can be effectively used to define the size, shape and SPR properties of the nanohybrids. On the contrary, the size of Pd nanoparticles or the micellar core size was found to be determinative for the NLO behavior of the systems. Then, in chapter 5, some low-dimensional hybrid lead-iodide systems are investigated. Specifically, the PbI6 octahedral quantum dots and the two-dimensional (FpAH)2PbI4 structure, consisting of monolayers of (PbI6)4- corner sharing structural units are synthesized in University of Patras, by Prof. Ioannis Koutselas. Under all excitation conditions, the quantum wells were found to exhibit gigantic NLO response in comparison with the quantum dots, reaching even 5 orders of magnitude. Finally, in the last chapter, the NLO response and optical limiting action of a series of carbon-dots, bearing various organic chains attached on their surfaces, will be presented. The carbon-based materials were prepared in the University of Ioannina, by Prof. Athanasios Bourlinos. By comparing the various studied systems, it is shown that the surface passivation is the key to control the NLO behavior of these nanostructures. In this case, of great importance is the sp2/sp3 ratio and consequently the modification of the band structure of carbon-dots, since it can significantly affect their NLO properties.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής, ήταν η διερεύνηση της διεπιφάνειας ανθρώπινων μεσεγχυματικών κυττάρων (Human Mesenchymal Stem Cells, hMSCs) -Νανοσωλήνων Άνθρακα Πολλαπλού Τοιχώματος (Multi Walled Carbon Nanotubes, MWCNTs) υπό στατικές και δυναμικές συνθήκες. Οι MWCNTs έχει αποδειχθεί ότι, έχουν μοναδικές ηλεκτρικές και φυσικές ιδιότητες, μηχανική αντοχή και χαμηλή πυκνότητα, χαρακτηριστικά που τους καθιστούν εξαιρετικά ελκυστικούς για το σχεδιασμό βιοϋλικών για ορθοπαιδικές εφαρμογές. Αρχικά, μελετήθηκε η βιοσυμβατότητα των hMSCs σε επιφάνειες MWCNTs, ως προς την κυτταροτοξικότητα, τη μορφολογία, τον πολλαπλασιασμό, τη διαφοροποίηση και την οργάνωση του κυτταροσκελετού. Το υπόστρωμα των MWCNTs ευνόησε την εξάπλωση των κυττάρων, προήγαγε τον πολλαπλασιασμό και προώθησε τη διαφοροποίηση των hMSCs σε οστεοβλάστες, όπως έδειξε η έκφραση αλκαλικής φωσφατάσης, οστεοποντίνης και οστεοκαλσίνης. Μελετήθηκε η γονιδιακή έκφραση των ιντεγκρινικών υποδοχέων, υπεύθυνων για την προσκόλληση των κυττάρων στους MWCNTs. Με την τεχνική του περιστρεφόμενου δίσκου, εκτιμήθηκε η δύναμη προσκόλλησης των hMSCs στους MWCNTs και η επίδραση της κάθε ιντεγκρίνης στη μεταβολή της δύναμης προσκόλλησης. Για τη διερεύνηση της απόκρισης των οστεοβλαστών στη μηχανική φόρτιση, τα προσκολλημένα κύτταρα στους MWCNTs καταπονήθηκαν για 3 και 24 ώρες, με σύστημα μηχανικής φόρτισης βασισμένο στην Αρχή Κάμψης Τεσσάρων Σημείων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι, η φόρτιση επηρεάζει θετικά την έκφραση γονιδίων προσκόλλησης και δεικτών διαφοροποίησης. Επιπρόσθετα, μελετήθηκε η συμπεριφορά των hMSCs ως προς την κυτταροτοξικότητα, τον πολλαπλασιασμό, τη διαφοροποίηση, την οργάνωση του κυτταροσκελετού και την έκφραση γονιδίων προσκόλλησης, σε τροποποιημένες επιφάνειες MWCNTs με υδροξυλομάδες, καρβοξυλομάδες και αμινομάδες. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι, η αμινοτροποποιημένη επιφάνεια ευνόησε σημαντικά την κυτταρική συμπεριφορά σε σύγκριση με τις άλλες δύο επιφάνειες. Τέλος, μελετήθηκε η επίδραση της τοπογραφίας με χρήση κάθετα ευθυγραμμισμένων MWCNTs, σε σύγκριση με τυχαία προσανατολισμένους MWCNTs. Η απόκριση των hMSCs στους κάθετα ευθυγραμμισμένους MWCNTs ήταν καλύτερη σε σύγκριση με τους τυχαία προσανατολισμένους, τόσο ως προς τον πολλαπλασιασμό και τη διαφοροποίηση, όσο και ως προς την οργάνωση του κυτταροσκελετού. Τα αποτελέσματα της διατριβής είναι υποσχόμενα για το μελλοντικό σχεδιασμό βιοϋλικών με MWCNTs, με τελικό σκοπό την εφαρμογή σε θεραπείες στις οποίες απαιτείται ανακατασκευή του οστού. / The aim of the present study was the investigation of the interface of human Mesenchymal Stem Cells (hMSCs) – Multiwalled Carbon Nanotubes (MWCNTs), under static and dynamic conditions. MWCNTs have been proven to obtain unique electric and physical properties, mechanical strength and low density, which render them highly attractive for the design of biomaterials for orthopaedic applications. Firstly, the biocompatibility of MWCNTs was studied, in terms of hMSCs cytotoxicity, morphology, proliferation, differentiation, cytoskeleton organization and toxicity. The substrate of MWCNTs favored cell spreading, increased proliferation and promoted cell differentiation, as measured by the expression of alkaline phosphatase, osteopontin and osteocalcin. The gene expression of integrin receptors responsible for cell attachment on MWCNTs was studied. Using the Spinning Disc Technique, the attachment strength of hMSCs on MWCNTs was evaluated, as well as the impact of each integrin to the alteration of attachment strength. In order to investigate the cell response to mechanical loading, the attached cells on MWCNTs were stressed for 3 and 24 hours, using a system for mechanical loading based on the 4-point bending principle. Results showed that loading positively induces the expression of genes associated with attachment and differentiation markers. Additionally, the cell behavior concerning proliferation, differentiation, cytoskeleton organization, apoptosis and gene expression associated with attachment, was studied on MWCNTs after surface modification with hydroxyl-, carboxyl-, and amino- groups. The findings indicated that the amino- modified surface significantly favored the cell behavior, compared to the other two surfaces. Lastly, the topography effect was studied using vertically aligned MWCNTs. Cell response was found better on the vertically compared to the randomly oriented, in terms of proliferation, differentiation and cytoskeleton organization. The findings of the study are promising for the future design of biomaterials of MWCNTs, aiming for application in therapies where bone reconstruction is demanded.

Στην παρούσα εργασία ερευνάται η τρίτης τάξης μη γραμμική απόκριση διαφόρων υλικών τα οποία μελετήθηκαν σε μορφή διαλυμάτων ή λεπτών υμενίων. Αρχικά περιγράφονται βασικές έννοιες της μη γραμμικής οπτικής, μερικών σημαντικών φυσικών διαδικασιών που σχετίζονται με αυτή, καθώς και των διαφόρων μηχανισμών που μπορούν να συνεισφέρουν στο μη γραμμικό δείκτη διάθλασης. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η μη γραμμική οπτική απόκριση νανοδομών Au, Pd και Ag. Με τη βοήθεια πολυμερών αποτρέπεται η συσσωμάτωση και καθίζηση του μετάλλου και επιτυγχάνεται η δημιουργία μεταλλικών νανοσωματιδίων συγκεκριμένω διαστάσεων. Επίσης μελετάται η μη γραμμικότητα TiO2, φουλλερενικών παραγώγων και μοριακών μηχανών. Η μεγάλη απόκριση των συστημάτων αυτών σε συνδυασμό με την έντονη εξάρτησή της από διάφορες μορφολογικές/δομικές παραμέτρους καθιστά τα συστήματα αυτά πολύ χρήσιμα για φωτονικές εφαρμογές. / In this work the third order nonlinear optical response of several photonic materials, has been investigated. These materials were in the form of solutions, colloids or thin films. Initially some basic concepts of nonlinear optics, the physical processes related with it, as well as the physical mechanisms related to the nonlinear refractive index are presented. Then, the nonlinear optical response of Au, Pd and Ag nanoparticles is presented. By using polymers, formation of nanoparticles exhibiting specific sizes can be achieved. Furthermore the polymer does not allow metal aggregation in the system. The nonlinearity of TiO2 films, fullerene derivatives and molecular engines is also investigate. The large response of these systems, combined with the strong dependence on several morphological/structural parameters makes them very promising candidates for several photonic applications.

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται την αποτίμηση της σεισμικής συμπεριφοράς και την ενίσχυση μη-κανονικών σε κάτοψη κτιρίων οπλισμένου σκυροδέματος. Σε μια έντονα σεισμογενή περιοχή όπως η Ελλάδα, η ύπαρξη πολύ μεγάλου ποσοστού (περί το 70%) κατασκευών που δεν διαθέτουν την ασφάλεια έναντι του σεισμού που απαιτούν οι σημερινοί κανονισμοί, αποτελεί μεγάλο πρόβλημα. Επιπλέον, πέραν της έλλειψης αντισεισμικού σχεδιασμού τους, η δομική μορφολογία της πλειοψηφίας των κατασκευών αυτών ευνοεί την ανάπτυξη στρεπτικής απόκρισης κατά το σεισμό, καθιστώντας ακόμα πιο δυσμενή την κατάσταση. Πέραν των τεχνικών και οικονομικών δυσχερειών που παρουσιάζει η ενίσχυση των κατασκευών αυτών, έως τώρα, και πριν τη θεσμοθέτηση στην Ελλάδα του αντίστοιχου μέρους του Ευρωκώδικα 8 (Μέρος 3) ή του Κανονισμού Επεμβάσεων (ΚΑΝΕΠΕ), η ενίσχυση είχε κυρίως εμπειρικό χαρακτήρα. Στη διατριβή αυτή προτείνονται υπολογιστικά εργαλεία και μέθοδοι για τη λεπτομερή αποτίμηση της σεισμικής συμπεριφοράς της προβληματικής αυτής κατηγορίας κατασκευών με στόχο την κατανόηση της απόκρισής τους κατά το σεισμό αλλά και τον προσδιορισμό των «αδύνατων σημείων» τους, έτσι ώστε η ενίσχυση να είναι προσανατολισμένη ακριβώς εκεί, κάτι που είναι ορθολογικότερο όχι μόνο επιστημονικά αλλά και από άποψη κόστους. Ως αντικείμενο μελέτης και εφαρμογής των μεθόδων και διαδικασιών που προτείνονται σε αυτή τη διατριβή χρησιμοποιούνται τέσσερα πραγματικά κτίρια, δύο από τα οποία προϋπήρχαν ενώ τα υπόλοιπα κατασκευάστηκαν με σκοπό τη διεξαγωγή πειραματικών δοκιμών με την ψευδοδυναμική μέθοδο. Τα υφιστάμενα κτίρια είναι η τετραώροφη πολυκατοικία επί των οδών Πίνδου και Γ. Παπανδρέου στη Νέα Φιλαδέλφεια Αττικής η οποία κατέρρευσε κατά τον σεισμό της Αθήνας το 1999, και το Δημοτικό Θέατρο Αργοστολίου «Ο Κέφαλος». Από τα δύο κτίρια που κατασκευάστηκαν εξ’ αρχής, το πρώτο είναι τριώροφο σε φυσική κλίμακα και κατασκευάστηκε για να δοκιμαστεί ψευδο-δυναμικά στο Κοινό Κέντρο Έρευνας της Ευρωπαϊκής Ένωσης στην Ispra της Ιταλίας, και το δεύτερο είναι διώροφο σε κλίμακα 1:0.75 και κατασκευάστηκε για να δοκιμαστεί ψευδο-δυναμικά στο Εργαστήριο Κατασκευών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Και τα τέσσερα κτίρια είναι χαρακτηριστικά της μελετητικής και κατασκευαστικής πρακτικής που ίσχυε στην Ελλάδα αλλά και στην ευρύτερη περιοχή της νότιας Ευρώπης τη δεκαετία του 1970. Στο πρώτο Κεφάλαιο της διατριβής γίνεται αναφορά στο πρόβλημα της ύπαρξης στη χώρα μας μεγάλου ποσοστού υφισταμένων κατασκευών χωρίς επαρκή ή και στοιχειώδη αντισεισμικό σχεδιασμό. Ακολουθεί μια σύντομη ιστορική αναδρομή στην εξέλιξη και βελτίωση των Ελληνικών αντισεισμικών κανονισμών, καθώς και μια αναφορά στις πρακτικές δυσχέρειες της σεισμικής αποτίμησης και ενίσχυσης. Στο δεύτερο Κεφάλαιο γίνεται αναφορά στους στόχους αποτίμησης της φέρουσας ικανότητας και της ενίσχυσης κατά τους σύγχρονους κανονισμούς (Ευρωκώδικα 8 – Μέρος 3 και ΚΑΝΕΠΕ), τις στάθμες επιτελεστικότητας κατά το σεισμό που αυτοί εισάγουν, καθώς και στην ανίσωση ασφαλείας που ισχύει κατά περίπτωση για τη σεισμική «ζήτηση» και τη σεισμική «ικανότητα», με αναλυτική παρουσίαση των κατά περίπτωση συντελεστών ασφαλείας που ισχύουν για τα υλικά, τις μεθόδους ανάλυσης, την αξιοπιστία των διαθέσιμων δεδομένων κλπ. Στο τρίτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται συνοπτικά το υπολογιστικό εργαλείο ANSRuop που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διατριβής και χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή όλων των αναλύσεων, γραμμικών ελαστικών, ιδιομορφικών, δυναμικών φασματικών, μη-γραμμικών στατικών (pushover) και μη-γραμμικών αναλύσεων χρονοϊστορίας. Στη συνέχεια παρατίθενται και αναλύονται οι μαθηματικές σχέσεις που χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση των μελών οπλισμένου σκυροδέματος και την ποσοτικοποίηση των μεγεθών έντασης και παραμόρφωσης που υπεισέρχονται στην διαδικασία της σεισμικής αποτίμησης και ενίσχυσης. Στο τέταρτο Κεφάλαιο γίνεται εφαρμογή των μεθόδων αποτίμησης για τις τέσσερις κατασκευές με τις οποίες ασχολείται η διατριβή. Αυτές περιλαμβάνουν τη διερεύνηση των στατικών εκκεντροτήτων των κατασκευών (οι οποίες δίνουν ένδειξη για την ενδεχόμενη ανάπτυξη δυσμενούς στρεπτικής απόκρισης κατά το σεισμό η οποία οδηγεί σε περαιτέρω αύξηση των παραμορφώσεων), τη διερεύνηση των ιδιομορφικών χαρακτηριστικών τους, (ιδιοπεριόδων και ιδιομορφών), τη διεξαγωγή μη-γραμμικών στατικών αναλύσεων στο χώρο (pushover) για μια πρώτη εκτίμηση της συμπεριφοράς και των αδύνατων σημείων των κατασκευών, και τη διεξαγωγή δεσμών μη-γραμμικών αναλύσεων χρονοϊστορίας για την ακριβή κατανόηση της σεισμικής απόκρισης και το λεπτομερή προσδιορισμό των αδύνατων αυτών σημείων. Στο πέμπτο Κεφάλαιο προτείνονται τρόποι ενίσχυσης για τις τρεις από τις κατασκευές του Κεφαλαίου 4, και διερευνάται η αποδοτικότητα και η επάρκεια της ενίσχυσης με χρήση των υπολογιστικών μεθόδων του Κεφαλαίου 4, ενώ εξετάζεται και το κατά πόσο ο τρόπος της ενίσχυσης πέτυχε το στόχο της μείωσης της στατικής εκκεντρότητας και συνεπώς οδήγησε σε μερική αποτροπή της στρεπτικής απόκρισης. Στο έκτο Κεφάλαιο γίνεται διερεύνηση της σχέσης ανάμεσα στις ανελαστικές και τις ελαστικές παραμορφώσεις που προκύπτουν υπολογιστικά από τη διεξαγωγή μη-γραμμικών αναλύσεων χρονοϊστορίας και ελαστικών αναλύσεων (ισοδύναμης στατικής ή δυναμικής φασματικής) αντίστοιχα, ειδικά για την περίπτωση των μη-κανονικών κτιρίων με τα οποία ασχολείται η παρούσα διατριβή. Η σύγκριση αυτή είναι σημαντική, δεδομένου ότι σε πολύ μεγάλο βαθμό στην πράξη για τον προσδιορισμό των (ανελαστικών) παραμορφώσεων οι κανονισμοί επιτρέπουν χρήση ελαστικών αναλύσεων. Στο έβδομο Κεφάλαιο εισάγεται ένα απλό υπολογιστικό προσομοίωμα, με ένα κατακόρυφο στοιχείο ανά όροφο, με σκοπό την αναπαραγωγή της δυναμικής απόκρισης στο χώρο πλήρων, μη-κανονικών σε κάτοψη κατασκευών, αλλά και την περαιτέρω διερεύνηση της επιρροής της στατικής εκκεντρότητας στην απόκριση. Στο όγδοο Κεφάλαιο αξιοποιούνται τα αποτελέσματα των δεσμών μη-γραμμικών αναλύσεων χρονοϊστορίας για μία από τις κατασκευές της διατριβής, καθώς και τα αποτελέσματα από αναλύσεις σεισμικής επικινδυνότητας για τον Ελλαδικό χώρο που έγιναν στα πλαίσια της διατριβής, για την σεισμική αποτίμηση σε πιθανοτικούς όρους, και συγκεκριμένα με εφαρμογή της μεθοδολογίας Cornell που δίνει το μέσο ετήσιο ρυθμό υπέρβασης μιας συγκεκριμένης Οριακής Κατάστασης σε ένα μέλος ή περιοχή μέλους ενός δομήματος. Τέλος, στο ένατο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα γενικά συμπεράσματα που προκύπτουν από την εφαρμογή των μεθόδων και διαδικασιών σεισμικής αποτίμησης και ενίσχυσης μη-κανονικών σε κάτοψη κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος. / This thesis deals with the problem of seismic performance assessment and strengthening of existing, asymmetric in-plan reinforced concrete buildings. In a highly seismic region such as Greece, the fact that the majority (over 70%) of existing buildings are not designed against earthquake loads constitutes a serious problem. Furthermore, the structural configuration of these buildings often is such that promotes torsional response during the earthquake, thus worsening their already poor performance. In addition to the technical and financial difficulties inherent in the seismic strengthening procedures, until now (i.e. before Eurocode 8 – Part 3 and the Greek Code for Structural Interventions - KANEPE) there was a lack of a framework of codes addressing the issues of the assessment of seismic performance and strengthening of existing buildings. This dissertation suggests computational tools and procedures for a detailed assessment of the seismic performance of this problematic category of structures, aiming to the understanding of their response and the identification of their “weak points” so that the strengthening procedure can focus exactly there. Four real buildings are used as specimens for this study, two of which were designed and constructed to be tested pseudo-dynamically. The four buildings are: the four-story apartment building that collapsed during the 1999 Athens earthquake; the municipal theater of Argostoli “O KEFALOS”; the three-story building that was constructed and pseudo-dynamically tested at the reaction wall facilities of the ELSA laboratory of the European Joint Research Centre in Ispra, Italy, and the two-story building that was constructed and pseudo-dynamically tested at the reaction wall facilities of the Laboratory of Structures of the Department of Civil Engineering of the University of Patras in Greece. The first Chapter of the thesis deals with the definition of the problem that is posed by the existence of a big majority of structures without adequate (or any) resistance to lateral, earthquake loads. Also present are brief references to the historical evolution of the Greek Seismic Codes, and to the practical difficulties of the assessment of seismic performance and strengthening. The second Chapter defines the targets of seismic performance assessment and strengthening according to modern Codes, looks into the Limit States that they induce, and the comparison of deformational capacity and demand, with a reference to the relevant safety factors. The third Chapter presents briefly the computational tool that was developed during the course of this PhD work, namely the computer program ANSRuop that was used to carry out all the analyses, including linear static, modal, multimodal response spectrum, nonlinear static (pushover) and nonlinear time-history analyses. Next are presented the analytical equations that are used for the modeling of reinforced concrete buildings, and the quantification of the terms of forces and deformations that are involved in the assessment and strengthening procedures. The fourth Chapter contains the application of the seismic performance assessment procedures to the four buildings of the thesis, including the identification of their static eccentricities in-plan (which give an indication or whether or not torsional response is to be expected during the earthquake, which leads to a magnification of the deformations), their dynamic characteristics (natural periods and modes of vibration), as well as the carrying out of sets of nonlinear time-history analyses aiming to the understanding of their seismic response and the detailed identification of their “weak points”. In the fifth Chapter, strengthening schemes are proposed for three of the buildings of the thesis, the efficiency and adequacy of which are investigated using the computational methods also used in the fourth Chapter. Special attention is made to whether the strengthening scheme succeeded in reducing the static eccentricities in-plan, which in turn leads to a reduction of the torsional response. The sixth Chapter investigates the relation between inelastic and elastic deformations, which are the results of nonlinear time-history analyses and elastic analyses (equivalent static or multimodal response spectrum), respectively. The seventh Chapter introduces a simple computational model with one vertical element per floor, which aims to the replication of the three-dimensional dynamic response of complex, asymmetric in-plan structures, but also to the further investigation of the effect of static eccentricity to the response. The eighth Chapter utilizes the results of the sets of the nonlinear time-history analyses for one of the buildings of the thesis, as well as the results of seismic risk analyses, which were also conducted within the framework of this PhD work, with an aim to the expression of the assessment of seismic performance in probabilistic terms (specifically with the application of a methodology proposed by Cornell, which leads to the mean annual rate of exceedance of a specific limit state at a structural member). Finally, the ninth Chapter presents the general conclusions that can be extracted from the application of the methods and procedures of seismic performance assessment and strengthening of existing, asymmetric in-plan reinforced concrete buildings.

Ο S. epidermidis αποτελεί κύριο μέλος της χλωρίδας του δέρματος και των βλεννογόνων του ανθρώπου, ενώ συνιστά ένα από τα συχνότερα παθογόνα που προκαλούν νοσοκομειακές λοιμώξεις, ιδιαίτερα σε ανοσοκατασταλμένους ή ασθενείς φέροντες προσθετικά υλικά. Κύριος λοιμογόνος παράγοντας του S. epidermidis είναι ο σχηματισμός βιομεμβράνης. Διάφοροι πολυσακχαρίτες έχουν απομονωθεί από την εξωκυττάρια ουσία του S. epidermidis και έχουν συσχετισθεί με το σχηματισμό βιομεμβράνης καθώς και με την παθογόνο δράση τους. Ο πλέον μελετημένος και εδραιωμένος είναι ο ΡΙΑ, ενώ οι άλλοι πολυσακχαρίτες (PS/A ή PNSG ή PNAG και το SSA) απεδείχθησαν τελικώς ότι είναι ταυτόσημοι ή χημικώς ανάλογοι του ΡΙΑ. Ο ΡΙΑ είναι μία ομογλυκάνη αποτελούμενη από μονάδες Ν-ακετυλογλυκοζαμίνης συνδεδεμένες με β-1,6-γλυκοζιτικό δεσμό και η σύνθεσή του ελέγχεται από ένζυμα που κωδικοποιούνται από τον icaADBC γενετικό τόπο. Η εξωκυττάρια ουσία του S. epidermidis περιέχει επίσης έναν πολυσακχαρίτη, τον 20-kDaPS, ο οποίος απομονώθηκε από ερευνητές του Πανεπιστημίου Πατρών και αποτελείται κυρίως από γλυκόζη, Ν-ακετυλογλυκοζαμίνη, και είναι μερικώς θειωμένος. Ο 20-kDaPS αντιορός αναστέλλει την προσκόλληση του S. epidermidis στα ενδοθηλιακά κύτταρα και την εμφάνιση βακτηριακής κερατίτιδας σε κουνέλια. Με βάση αναλύσεις κλινικών στελεχών, ο 20-kDaPS εκφράζεται σε μεγάλο ποσοστό στελεχών S. epidermidis, ενώ δεν ανευρέθηκε σε στελέχη άλλων πηκτάση αρνητικών σταφυλοκόκκων. Η παρεμβολή αλληλουχιών εισδοχής σε διάφορα σημεία του icaADBC οπερονίου, το οποίο ελέγχει τη σύνθεση του ΡΙΑ, δεν παρεμβάλλεται στην έκφραση του 20-kDaPS. Η κατεργασία βακτηριακών κυττάρων S. epidermidis με το ένζυμο dispersin B, το οποίο διασπά ειδικά τον β-1,6-γλυκοζιτικό δεσμό που συνθέτει το πολυμερές του ΡΙΑ, και με μετα-περιοδικό νάτριο που διασπά το δεσμό μεταξύ των ατόμων άνθρακα C-3 και C-4 των μονομερών Ν-ακετυλογλυκοζαμίνης, οδηγεί σε διάσπαση της βιομεμβράνης, χωρίς όμως να διαφοροποιείται αντιγονικά ο 20-kDaPS. Τα κλάσματα, μετά την έκλουση της εξωκυττάριας ουσίας του S. epidermidis από στήλη Q-Sepharose, που εμφανίζουν τη μεγαλύτερη ανοσοδραστικότητα για τον ΡΙΑ, στερούνται πλήρως 20-kDaPS. Η προεπώαση κλινικού στελέχους που δεν εκφράζει τον 20-kDaPS με τον πολυσακχαρίτη αναστέλλει την ενδοκυττάρωση, ενώ η προεπώαση του πρότυπου στελέχους ATCC35983 που συνθέτει τον 20-kDaPS με ειδικό αντιορό ενισχύει την ενδοκυττάρωση από τα ανθρώπινα μακροφάγα. Κατά συνέπεια, ο icaADBC γενετικός τόπος δεν εμπλέκεται στη σύνθεση του 20-kDaPS. Οι ανοσοχημικές και χρωματογραφικές ιδιότητες του PIA και του 20-kDaPS είναι διακριτές. Ο 20-kDaPS πιθανό να επιδεικνύει αντιφαγοκυτταρική δράση, ενώ τα ειδικά αντισώματα έχουν δράση οψωνίνης. Η οργάνωση των βακτηρίων εντός βιομεμβράνης προστατεύει από τις αντιμικροβιακές ουσίες και το σύστημα ανοσίας. Τα βακτήρια εντός βιομεμβράνης περιέχουν στην εξωκυττάρια ουσία τους μεγαλύτερα ποσά ΡΙΑ από τα ελεύθερα αναπτυσσόμενα, πλαγκτονικά κύτταρα. Τα βακτήρια εντός βιομεμβράνης επιδεικνύουν μεγαλύτερη ικανότητα για προσκόλληση και επιβίωση εντός των ανθρώπινων μακροφάγων από τα πλαγκτονικά κύτταρα. Τα βακτήρια εντός βιομεμβράνης επάγουν την παραγωγή μικρότερων ποσών φλεγμονωδών κυτταροκινών, όπως ο TNFα, καθώς και Th1 κυτταροκινών, όπως οι IL-12p40, IL-12p70 and IFN-γ, ενώ ενισχύουν τις IL-8, GM-CSF και IL-13. Οι συγκεκριμένες παρατηρήσεις αφορούν ζωντανά βακτηριακά κύτταρα καθώς και βακτηριακά κύτταρα μονιμοποιημένα με φορμαλδεΰδη. Τα ανωτέρω δεδομένα συνάδουν με την ήπια συμπτωματολογία των σχετιζόμενων με βιομεμβράνη λοιμώξεων S. epidermidis και τη διαφυγή της επιτήρησης του ανοσολογικού συστήματος. Συμπερασματικά, ο 20-kDaPS αποτελεί κύριο συστατικό της εξωκυττάριας ουσίας του S. epidermidis με αντιφαγοκυτταρικές και ανοσορρυθμιστικές ιδιότητες. Οι ανοσοχημικές και χρωματογραφικές ιδιότητες του 20-kDaPS είναι πλήρως διακριτές του ΡΙΑ, του κύριου πολυσακχαρίτη που σχετίζεται με το σχηματισμό βιομεμβράνης, ενώ ο γενετικός τόπος icaADBC δε ρυθμίζει τη σύνθεση του 20-kDaPS. Η οργάνωση των βακτηρίων εντός βιομεβράνη εξασφαλίζει αντίσταση στην ενδοκυττάρια θανάτωσή τους από τα μακροφάγα και καταστολή της ανοσιακής απόκρισης. / The skin commensal and opportunistic pathogen Staphylococcus epidermidis is a leading cause of hospital-acquired and biomaterial-associated infections. The polysaccharide intercellular adhesin (PIA), a homoglycan composed of β-1,6-linked N-acetylglucosamine residues, synthesized by enzymes encoded by the icaADBC operon is a major functional factor in biofilm accumulation, promoting virulence in experimental biomaterial-associated S. epidermidis infections. Extracellular mucous layer extracts of S. epidermidis contain another major polysaccharide, referred to as 20-kDa polysaccharide (20-kDaPS), composed mainly out of glucose, N-acetylglucosamine, and being partially sulfated. 20-kDaPS antiserum prevents adhesion of S. epidermidis on endothelial cells and development of experimental keratitis in rabbits. Here we provide experimental evidence that 20-kDaPS and PIA represent distinct molecules and that 20-kDaPS is implicated in endocytosis of S. epidermidis bacterial cells by human monocyte-derived macrophages. Analysis of 75 clinical coagulase-negative staphylococci from blood-cultures and central venous catheter tips indicated that 20-kDaPS is expressed exclusively in S. epidermidis but not in other coagulase-negative staphylococcal species. Tn917-insertion in various locations in icaADBC in mutants M10, M22, M23, and M24 of S. epidermidis 1457 are abolished for PIA synthesis, while 20-kDaPS expression appears unaltered as compared to wild-type strains using specific anti-PIA and anti-20-kDaPS antisera. While periodate oxidation and dispersin B treatments abolish immuno-reactivity and intercellular adhesive properties of PIA, no abrogative activity is exerted towards 20-kDaPS immunochemical reactivity following these treatments. PIA polysaccharide I-containing fractions eluted from Q-Sepharose were devoid of detectable 20-kDaPS using specific ELISA. Preincubation of non-20-kDaPS-producing clinical strains with increasing amounts of 20-kDaPS inhibits endocytosis by human macrophages, whereas, preincubation of 20-kDaPS-producing strain ATCC35983 with 20-kDaPS antiserum enhances bacterial endocytosis by human macrophages. In conclusion, icaADBC is not involved in 20-kDaPS synthesis, while the chemical and chromatographic properties of PIA and 20-kDaPS are distinct. 20-kDaPS exhibits anti-phagocytic properties, whereas, 20-kDaPS antiserum may have a beneficial effect on combating infection by 20-kDaPS-producing S. epidermidis. As stated above, biofilm formation is a major virulence factor of S. epidermidis. Biofilm protects bacterial cells from antimicrobial agents and components of the immune system. Interactions of peripheral blood mononuclear cells and monocyte derived macrophages with planktonic or biofilm phase S. epidermidis cells were also studied. Biofilm phase bacteria exhibited higher attachment, as well as, a ten fold higher intracellular survival in monocyte-derived macrophages than their planktonic counterparts. Stimulation of peripheral blood mononuclear cells and monocyte derived macrophages was performed with live or formalin-fixed bacterial cells. Supernatant concentration of selected cytokines was measured by Luminex® xMAP™ technology at different time points. As compared to planktonic phase, biofilm phase bacteria elicited lower amounts of proinflammatory cytokines and Th1 response cytokines, such as TNFα, IL-12p40, IL-12p70 and IFN-γ, whereas, they enhanced production of IL-8, GM-CSF and IL-13. This phenomenon was independent of formalin pretreatment. Taken together, these results may contribute to interpretation of observed silent course of biofilm associated infections. In conclusion, 20-kDaPS represents a major component of S. epidermidis extracellular matrix and data show that 20-kDaPS posseses antiphagocytic and immunomodulatory properties. 20-kDaPS and PIA are immunochemically and chromatographically discrete molecules, whereas icaADBC locus is not involved in 20-kDaPS synthesis. Biofilm mode of growth ensures higher resistance rates to intracellular killing and down regulation of immune responses.

Η πλειονότητα των ερευνητών/ειδικών του αντισεισμικού σχεδιασμού συμφωνεί πως μια υπολογιστική διαδικασία που θα έχει ως βασική παράμετρο της απόκρισης τις σεισμικές μετακινήσεις θα είναι πιο ορθολογική και πιθανότατα πιο οικονομική απ’ τη συμβατική μεθοδολογία σχεδιασμού βάσει δυνάμεων. Η έλλειψη μιας μεθοδολογίας αντισεισμικού σχεδιασμού γεφυρών βάσει μετακινήσεων που να είναι απλή, εφικτή και συμβατή με την εφαρμοζόμενη πρακτική και η απουσία πρότασης σχεδιασμού των περιοχών του φορέα βάσει μετακινήσεων, αποδεικνύει το γνωστικό κενό που υπάρχει σ’ αυτή την περιοχή του αντισεισμικού σχεδιασμού. Η παρούσα εργασία επιχειρεί να συμβάλλει στην πλήρωση αυτού του κενού και προς τούτο προτείνει μια νέα μεθοδολογία. Αναφέρεται σε (μή-μονωμένες) γέφυρες σκυροδέματος και περιλαμβάνει μια απλή διαδικασία για την εκτίμηση των απαιτούμενων ανελαστικών παραμορφώσεων, τόσο των βάθρων, όσο και των περιοχών του φορέα - κάνοντας χρήση ελαστικής φασματικής ανάλυσης και επεκτείνοντας τον κανόνα των "Ίσων Μετακινήσεων" στο τοπικό επίπεδο. Η διαδικασία αναπτύσσεται και βαθμονομείται βάσει (σχεδόν δύο χιλιάδων) μή-γραμμικών δυναμικών αναλύσεων (με εν χρόνω ολοκλήρωση) αντιπροσωπευτικών γεφυρών, τριών έως πέντε ανοιγμάτων. Όμως για την εφαρμογή της απαιτούνται μόνο ελαστικά εργαλεία. Σε αντίθεση με τις έως τώρα ερευνητικές προσπάθειες, όπου γίνεται η απλουστευτική παραδοχή γραμμικής συμπεριφοράς του φορέα, στην παρούσα έρευνα δίνεται έμφαση στην προσομοίωση των περιοχών του φορέα και λαμβάνονται υπ’ όψιν οι μή-γραμμικότητές του. Από την εφαρμογή του διαπιστώνεται ότι ο προτεινόμενος σχεδιασμός βάσει μετακινήσεων προσφέρει πολύ οικονομικότερα ποσοστά όπλισης (από 1/2 έως 1/7 στο διαμήκη οπλισμό και από 1/1 έως 1/3 στον εγκάρσιο οπλισμό), χωρίς να επιβαρύνει ουσιαστικά την επιτελεστικότητα της γέφυρας - η υπεραντοχή των γεφυρών που σχεδιάζονται με την προτεινόμενη μεθοδολογία είναι πρακτικά ισοδύναμη με την υπεραντοχή των συμβατικά σχεδιασμένων γεφυρών. Η παρουσίαση της μεθοδολογίας περιλαμβάνει την περιγραφή της διαδικασίας σχεδιασμού υπό μορφή αλγόριθμου (Κεφ. 2), του τρόπου εφαρμογής της στην πράξη (διαδικασία προσομοίωσης, παραδείγματα σχεδιασμού: Κεφ. 3), του θεωρητικού υποβάθρου βάσει του οποίου αναπτύχθηκε (Κεφ. 4), των προβλημάτων της συμβατικής μεθοδολογίας (παραδείγματα σχεδιασμού βάσει δυνάμεων: Κεφ. 3) και των κενών που διαπιστώνονται στην τεκμηρίωση της συμβατικής μεθοδολογίας (Κεφ. 4). Η αποτίμηση του σχεδιασμού (Κεφ. 3) δεκαέξι αντιπροσωπευτικών γεφυρών (οκτώ σχεδιασμένων βάσει μετακινήσεων και οκτώ συμβατικά σχεδιασμένων), παρουσιάζεται υπό μορφή παράλληλης σύγκρισης της επιτελεστικότητας και συνηγορεί υπέρ των πλεονεκτημάτων της νέας μεθοδολογίας. Στα Παραρτήματα δίνονται πληροφορίες για τα υπολογιστικά εργαλεία που αναπτύχθηκαν για την προσομοίωση και την ανάλυση των γεφυρών (επέκταση προγράμματος ANSRuop). / The majority of seismic design researchers/specialists concludes that displacement-based design methodologies reduce the uncertainty of the design process and probably lead to less expensive structures. The absence of a simple displacement-based seismic design procedure for bridges that will be feasible and compatible with the current design practice and the nonexistence of a proposal for the displacement-based design of the deck indicate the gap of knowledge in this field of earthquake engineering. This thesis attempts to contribute to the reduction of this gap and for this scope proposes a new methodology. The procedure focuses on bridges with concrete piers monolithically connected to a prestressed concrete continuous deck and comprises simple steps for the estimation of the inelastic/nonlinear deformations of both the piers and the deck - through elastic modal response spectrum analysis, extending the applicability of the "equal displacement" rule to the level of member deformations. About two thousands nonlinear dynamic (time-history) analyses of several representative bridges (with deck of three or five spans) are used for the development and the calibration of the procedure. However, for the application of the methodology only elastic modal response spectrum analysis is needed. Contrary to other current researches, which adopt the hypothesis of deck elastic response, the nonlinearities of the deck are modeled. The proposed displacement-based procedure offers lower reinforcement ratios (from 1/2 to 1/7 for the longitudinal reinforcement and from 1/1 to 1/3 for the transverse reinforcement) at no detriment to the expected seismic performance - the global overstrength of the bridges which are designed with the proposed procedure is practically equivalent to the global overstrength of the conventionally designed bridges (current force-based design). The step by step description of the design algorithm (Chap. 2) is followed by the practical application of the methodology (modeling aspects, design examples: Chap. 3), the conceptual justification (Chap. 4), the deficiencies of the conventional design procedure (force-based design examples: Chap. 3) and the fallacies in the justification of the conventional design methodology (Chap. 4). Comparative performance-based design evaluation (Chap. 3) of sixteen representative bridges (eight bridges subjected to alternative seismic design) indicates the benefits of the proposed procedure. The computational capabilities which were developed for the modeling and the analysis of the bridges are described in the appendices (upgrade of program ANSRuop).

Το αντικείμενο της διατριβής αυτής είναι η μελέτη της διαστρωματικής (cross-layer) προσέγγισης ανάπτυξης ασύρματων δικτύων κατανεμημένης λειτουργίας με απαιτήσεις επικοινωνίας πραγματικού χρόνου και περιορισμένους διαθέσιμους πόρους. Επιπλέον βασικό στόχο αποτελεί και η σχεδίαση, πρόταση αντίστοιχης αρχιτεκτονικής η οποία στοχεύει στη βέλτιστη διαχείριση διαθεσίμων δικτυακών πόρων σε καταστάσεις συμφόρησης του δικτύου και κατά συνέπεια στην βελτίωση της απόδοσης αυτού. Μέσα από μελέτες στα πλαίσια της διατριβής αναδεικνύεται η σημασία του φαινομένου συμφόρησης ως κύριου παράγοντα σπατάλης δικτυακών πόρων καθώς και οδήγησης του δικτύου σε κατάσταση κορεσμού με αρνητική επίπτωση σε όλες τις παραμέτρους απόδοσης του δικτύου. Στόχος, λοιπόν, της προτεινόμενης επικοινωνιακής αρχιτεκτονικής είναι η αποφυγή του φαινομένου συμφόρησης έτσι ώστε το δίκτυο να οδηγείται δυναμικά σε ένα σταθερό σημείο απόδοσης (όσο αυτό είναι δυνατό) το οποίο θα επιτρέπει στο δίκτυο να αποδίδει όσο το δυνατόν καλύτερα αποφεύγοντας τη ίδια στιγμή άσκοπη σπατάλη πόρων. Βασική παράμετρος στη σχεδίαση αποτελεί η συμβατότητα τόσο ως προς σημαντικό εύρος διαθέσιμων πρωτοκόλλων σε διάφορα επίπεδα, όσο και ως προς τη δυνατότητα συνύπαρξης κόμβων που ενσωματώνουν την προτεινόμενη αρχιτεκτονική με κόμβους χωρίς αυτήν. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική υλοποιήθηκε στα πλαίσια γνωστού και αξιόπιστου δικτυακού εξομοίωση. Αξιολόγηση της υλοποίησης αυτής μέσα από μεγάλο αριθμό πειραμάτων έδειξε επίτευξη του στόχου καθώς το φαινόμενο της συμφόρησης αντιμετωπίστηκε σε όλες τις περιπτώσεις με σημαντικά οφέλη στην απόδοση του δικτύου και διαχείριση των πόρων. Επιπλέον, λόγω του μεγάλου βαθμού παραμετροποίησης αποτελεί ιδανική βάση για μελλοντικές προεκτάσεις. / This objective of this dissertation is the study of cross-layer approach applied on the development of distributed wireless networks with real-time response demands and scarce available resources. Furthermore, another main goal is the design and proposal of a respective network architecture aiming at optimum resource management under congestion scenarios and therefore maximization of network performance. Through various studies undertaken in the context of this dissertation the importance of the congestion problem is presented as a main factor leading the network to resource waste and saturation conditions negatively affecting all network performance metrics. Consequently, this dissertation aims in proposing a cross-layer architecture able to detect and tackle congestion phenomenon by dynamically retaining network performance at a steady state (as than is possible) where network performs optimally and resource waste in minimized. Among others, a main parameter is retaining compatibility with a wide range of widely used protocols of various layers as well compatibility concerning the coexistence in the same network of stations supporting with stations not supporting the proposed architecture. The proposed architecture is implemented in the context of widely known and used network simulator. Evaluation of this implementation through numerous simulations showed that the objectives are met since congestion phenomenon is tackled in most cases with significant benefits concerning network performance and resource management. Furthermore, due to the high parametrization degree it constitutes a very good base for future expansions.

Ο όρος μη γραμμική οπτική (nonlinear optics) αναφέρεται στον κλάδο της φυσικής που μελετά τις μεταβολές που επέρχονται στις οπτικές ιδιότητες της ύλης, όταν αυτή αλληλεπιδρά με ισχυρά ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Οι δέσμες λέιζερ (laser) αποτελούν το κατ’ εξοχήν ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που χρησιμοποιείται για να προκαλέσει τη μη γραμμική οπτική απόκριση της ύλης, λόγω της ισχυρής ακτινοβολίας. Με την ανακάλυψη του λέιζερ τη δεκαετία του 1960, παράλληλα αναπτύχθηκαν πολλές τεχνικές μέσω των οποίων καθίσταται εφικτός ο προσδιορισμός της μη γραμμικής οπτικής απόκρισης των υλικών. Κίνητρο για αυτή την εκτεταμένη έρευνα αποτελεί το γεγονός ότι υλικά με σημαντική μη γραμμική απόκριση βρίσκουν πολλές εφαρμογές στη φωτονική και την οπτοηλεκτρονική. Ειδικότερα, τέτοια υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως οπτικοί περιοριστές (optical limiters) για την προστασία από υψηλές δέσμες λέιζερ, ως οπτικοί διακόπτες (optical switches), καθώς και ως οπτικές λογικές πύλες (optical logic gates) κ.α. Τα τελευταία χρόνια υπάρχει ιδιαίτερο ερευνητικό ενδιαφέρον στο πεδίο των μοριακών διακοπτών (molecular switches). Ο όρος μοριακός διακόπτης αναφέρεται στην δυνατότητα ύπαρξης ενός μορίου μεταξύ δύο διαφορετικών καταστάσεων, ικανότητα που θα αποτελέσει την αφετηρία για μια λειτουργία “on/off”, σε μοριακό επίπεδο. Υποψήφια μόρια που μπορούν να υποστηρίξουν μια διακοπτική λειτουργία είναι εκείνα που παρουσιάζουν κάτω από ορισμένες συνθήκες αλλαγή σε μια εγγενή ιδιότητά τους, όπως ο φθορισμός, η αγωγιμότητα, η μαγνήτιση, ο στερεο-ισομερισμός, η μη γραμμικότητα κ.α. Σκοπός της παρούσας ειδικής ερευνητικής εργασίας ήταν ο προσδιορισμός της τρίτης τάξης μη γραμμικής οπτικής απόκρισης μοριακών συστημάτων που περιέχουν αζοβενζόλιο, υπό μορφή διαλυμάτων. Τα μόρια αυτά είναι ενδιαφέροντα γιατί αφ’ ενός εμφανίζουν trans/cis ισομερισμό, αφ’ ετέρου παρουσιάζουν μια αλλαγή στη μη γραμμικότητά τους εξαιτίας του φωτο-ισομερισμού του διπλού δεσμού –N=N-. Η δομή της εργασίας έχει ως εξής : Στο πρώτο κεφάλαιο θα γίνει μια περιγραφή της μη γραμμικής αλληλεπίδρασης ύλης-πεδίου, η εξαγωγή της μη γραμμικής κυματικής εξίσωσης, καθώς επίσης και μερικών φυσικών διαδικασιών που περιγράφονται μέσω αυτής. Στο δεύτερο κεφάλαιο θα περιγραφεί η πειραματική τεχνική που ακολουθήθηκε, θα αναφερθούν οι οπτικές παράμετροι που σχετίζονται με τη τρίτης τάξης μη γραμμικότητα και τέλος θα περιγραφεί η διαδικασία ανάλυσης των πειραματικών αποτελεσμάτων. Στο τρίτο κεφάλαιο θα γίνει μια σύντομη περιγραφή της πειραματικής διάταξης καθώς και των κυριότερων οργάνων που την αποτελούν. Στο τέταρτο κεφάλαιο θα παρουσιασθούν τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν από την εργασία. Αρχικά παρουσιάζεται μια σύντομη περιγραφή των μοριακών συστημάτων που μελετήθηκαν. Ακολουθεί η μη γραμμική οπτική απόκριση των συστημάτων για διέγερση με παλμούς χρονικής διάρκειας 35 ps, στα 532 και 1064 nm,και ακολουθεί ο προσδιορισμός της μη μεταβατικής μη γραμμικής απόκρισης για διέγερση με παλμούς διάρκειας 4 ns. Αναφέρονται τα συμπεράσματα από τη μελέτη των συστημάτων και ακολουθεί μια πρόταση για μελλοντική μελέτη. / Extensive research in the field of molecular switches promises a wide variety of switching mechanisms characterized by an eclectic range of intrinsic properties regarding their luminescence, conductivity, magnetic and optical outputs. Because of their controlled alternating properties and the ease of their preparation and modification, molecular switches hold the promise of becoming pivotal components of organic–integrated photonic devices. Among the many available systems, azobenzene dyes represent a particularly promising class of organic switchable materials. The advantage of azobenzene chromophores as molecular switches is based not only on the large geometrical change accompanying the cis–trans isomerization, but also on their photo–stability, and the ease of their preparation and derivatization. In addition, azobenzene chromophores, exhibiting in general large nonlinear optical response, are characterized by an important change in their third-order nonlinear optical response due to the photo-isomerization of the –N=N- double bond. The purpose of this work is hence to describe how the NLO properties of the azobenzene are influenced when surrounded by an always more electron-donating and conjugated environment. In order to do so, we are studying three azobenzene-centered molecules. In two of them, the switch is bonded to two electron-rich groups such as alkylated anilines via either one or two ethynil spacers. In the latter, a Zn-porphyrin was instead linked to the aza-core. The insertion of a porphyrin core was driven by its high polarizability and optical oscillator strength which gives the material remarkable NLO behavior, making it potentially useful for ultra-fast switching technologies. In that view, the nonlinear optical response of these novel azobenzene based molecules dissolved in dichloromethane are studied by means of Z-scan technique using 35 ps laser pulses at 532 and 1064 nm. From the measurements, the nonlinear absorption and refraction and the corresponding third-order susceptibility χ(3) and second hyperpolarizability are determined.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάστηκε στη μελέτη συστημάτων ακουστικής εκπομπής για απευθείας αναπαραγωγή ψηφιακού ήχου. Η ερευνητική διαδικασία βασίστηκε στον προσδιορισμό και βελτίωση των δυνατοτήτων δύο διαφορετικών υλοποιήσεων ακουστικής μετατροπής: i. Ένα υβριδικό πρωτότυπο θερμοακουστικό στοιχείο και ii. Μια συστοιχία 32 ηλεκτροδυναμικών μεγαφώνων σχεδιασμένη, ώστε να αναπαράγει ψηφιακά ηχητικά σήματα. Η θερμοακουστική μετατροπή προσφέρει μια εναλλακτική τεχνική για υλοποιήσεις ακουστικών στοιχείων. Είναι βασισμένη στο μετασχηματισμό των διακυμάνσεων της θερμικής ενέργειας σε ακουστικό κύμα που προκαλούνται από τη ροή του ηλεκτρικού σήματος ήχου σε μια συσκευή στερεάς κατάστασης που λειτουργεί χωρίς τη χρήση οποιουδήποτε κινούμενου τμήματος ή μηχανισμού. Η υλοποίηση αυτής της τεχνικής ηχητικής αναπαραγωγής, μελετάται με τη χρήση ενός πρωτότυπου μετατροπέα ο οποίος αναπτύχθηκε πάνω σε πλακέτα κρυσταλλικού πυριτίου (silicon wafer). H απόδοση της συσκευής αυτής βελτιώνεται ιδίως όσον αφορά στις μη γραμμικές παραμορφώσεις που προσθέτει ο φυσικός μηχανισμός κατά την αναπαραγωγή των ακουστών συχνοτήτων. Για τις ανάγκες της ερευνητικής μελέτης κατασκευάσθηκε εξειδικευμένο στάδιο οδήγησης, ενώ επίσης αναπτύχθηκαν εργαλεία που προσομοιώνουν την απόδοση αυτών των συσκευών. Οι ψηφιακές συστοιχίες μεγαφώνων (DLAs) σήμερα βασίζονται σε μικρούς μετατροπείς κινούμενου πηνίου για την ανακατασκευή ακουστικών σημάτων από ροές ψηφιακού ήχου. Τα σημαντικά ζητήματα απόδοσης για τα συστήματα αυτά αναλύονται από την παρούσα διατριβή, με στόχο να ερμηνευθεί η απόκριση συχνότητας και οι ρυθμοί των διακριτών (on/off) μεταβάσεων των μεγαφώνων, εξαιτίας των ψηφιακών σημάτων. Λεπτομερείς προσομοιώσεις που επιτρέπουν την πραγματοποίηση συγκρίσεων για μια πανομοιότυπη συστοιχία 32 μετατροπέων η οποία τροφοδοτείται από αναλογικά σήματα, σε παρόμοια τοποθέτηση και ενεργοποίηση των στοιχείων. Οι μελέτες αυτές παράγουν πρωτότυπα αποτελέσματα για τις απαιτήσεις σε ηλεκτρική ενέργεια και την ευαισθησία της συστοιχίας, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι αυτά τα δύο συστήματα επιτυγχάνουν συγκρίσιμες επιδόσεις. / The present Phd Thesis is focused on the study of acoustic transduction systems for direct digital audio signal emission. The research process was based on the evaluation and optimization of the behavior of two different implementations: i. A novel hybrid thermoacoustic device and ii. A loudspeaker array consisting of 32 moving coil speakers designed for digital audio reproduction. Thermoacoustic transduction offers an alternative technique for transducer implementations, based on the transformation of thermal energy fluctuations into sound after the direct application of the electrical audio signal on a solid state device which operates without the use of any moving/mechanical components. Here, an implementation of this sound generation technique is studied based on a prototype developed on silicon wafer and its performance is optimised, especially with respect to non-linear distortions within the audio band. For the purposes of the research study a specialised driving circuit was constructed and also the appropriate tools were developed to simulate the performance of these devices. Digital loudspeaker arrays currently are based on small moving-coil speakers to reconstruct acoustic signals out of binary audio streams. An overview of significant performance issues for such systems is given here to explain frequency response and speaker discrete transition rates due to the digital data. Detailed simulations provided comparisons for a 32-speaker DLA with similar arrangements of speakers driven by analogue signals. These tests produce novel results for electrical power requirements and array sensitivity, concluding that these two systems achieve comparable performance.