Στην παρούσα εργασία, πραγματοποιείται η μελέτη του φαινομένου της δυναμικής αλληλεπίδρασης εδάφους-κατασκευής όταν αυτή θεμελιώνεται επί εύκαμπτων, επιφανειακών θεμελιώσεων με ή χωρίς πασσάλους. Η μέχρι σήμερα μελέτη της αλληλεπίδρασης εδάφους-κατασκευής έχει περιορισθεί κυρίως σε επιφανειακά, άκαμπτα ή εύκαμπτα θεμέλια και επιφανειακές ή βαθιές, άκαμπτες θεμελιώσεις επί πασσάλων. Ο συνδυασμός εύκαμπτων θεμελιώσεων, επιφανειακών ή βαθιών, και πασσαλώσεων, κοινή πρακτική σε πλείστες κατασκευές, δεν έχει μελετηθεί λόγω της περιπλοκότητας του φαινομένου και των σχετικών αβεβαιοτήτων όσον αφορά στα δεδομένα του προβλήματος. Συνεπώς, η κρισιμότητα των διαφόρων παραμέτρων, και των πολλαπλών αλληλεπιδράσεων τους, στη σεισμική απόκριση των κατασκευών παραμένει εν πολλοίς άγνωστη. Στόχος της εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός διακριτού προσομοιώματος για τον εδαφικό ημιχώρο, το οποίο θα δύναται να χρησιμοποιηθεί για την δυναμική ανάλυση εύκαμπτων θεμελίων με ή χωρίς πασσάλους. Σε αυτή την μελέτη χρησιμοποιείται αποκλειστικά η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων (ΜΠΣ), για την διακριτοποίηση της κατασκευής, του εδάφους και του συστήματος θεμελίωσης. Ειδικότερα, με τη χρήση του πακέτου πεπερασμένων στοιχείων ACS SASSI, διακριτοποιείται ο εδαφικός ημιχώρος και υπολογίζεται το πεδίο μετακινήσεων της επιφάνειας του ημιχώρου για διάφορες συχνότητες που αντιστοιχούν σε συνήθεις σεισμικές διεγέρσεις. Με γνωστό το πεδίο μετακινήσεων, υπολογίζονται οι δυναμικές δυσκαμψίες του ημιχώρου συναρτήσει της συχνότητας και της απόστασης από το σημείο φόρτισης και δημιουργείται ένα νέο διακριτό προσομοίωμα που αντικαθιστά το έδαφος, με βάση το μητρώο δυναμικών δυσκαμψιών. Τέλος με κατάλληλη αδιαστατοποίηση, προκύπτουν κλειστές εκφράσεις για τα στοιχεία του μητρώου δυναμικών δυσκαμψιών, που παρέχουν το επιπλέον πλεονέκτημα ότι είναι ανεξάρτητες της συχνότητας διέγερσης και έτσι γίνεται εφικτή η απευθείας ανάλυση συστημάτων αλληλεπίδρασης εδάφους – κατασκευής στο πεδίο του χρόνου. Το προτεινόμενο προσομοίωμα του ελαστικού ημιχώρου επεκτείνεται στην περίπτωση του μεμονωμένου πασσάλου σε εδαφικό ημιχώρο. Το διακριτό προσομοίωμα που αναπτύχθηκε προηγουμένως είναι κατάλληλο για εισαγωγή σε πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων γενικού σκοπού ( όπως π.χ. ANSYS, SAP2000, ABAQUS ) και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για κάθε είδος επιφανειακής εύκαμπτης ή άκαμπτης θεμελίωσης ανεξαρτήτου γεωμετρίας, υποκαθιστώντας τον ελαστικά γραμμικό εδαφικό ημιχώρο. Με αυτό τον τρόπο γίνεται εφικτή η επίλυση οποιουδήποτε συστήματος αλληλεπίδρασης εδάφους – κατασκευής. Η ακρίβεια και αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου προσομοιώματος για τον εδαφικό ημιχώρο, γίνεται φανερή από μια σειρά συγκρίσεων με αποτελέσματα παλαιοτέρων δημοσιεύσεων για άκαμπτα και εύκαμπτα θεμέλια και κατασκευών με ή χωρίς πασσάλους. / During the last decades the problem of dynamic soil-structure interaction (SSI), has received considerable attention due to the large number of installations and structures sensitive to dynamic excitations such as multistory buildings, bridges, nuclear reactors, platforms etc. In fact every structure that lies on a deformable soil medium, experiences the effects of dynamic SSI. Although the phenomenon is thoroughly studied for a variety of soil-structure systems the main research effort has been focused on the dynamic behavior of rigid foundations. The assumption of foundation rigidity is so popular because it simplifies the solution procedure. In contrast, the dynamic analysis of flexible foundations adds more parameters to the problem, by requiring the discretization of both the soil medium and the foundation itself. In this work, the main goal is the study of the dynamic response of flexible foundations (e.g. mat foundations, raft foundations) and the development of a new discrete model for the analysis of soil-foundation-structure systems, which incorporates the effects of foundation flexibility. The problem under consideration consists of determining the dynamic response of the surface of the soil medium idealized as a linear elastic, isotropic half space. To this end the Finite element Method (FEM) is utilized throughout this work. The FEM computer code ACS SASSI is used to simulate the half space. Using the dynamic response of half space surface due to a unit harmonic load, calculated at a dense network of surface nodal points, the impedances of the half space are computed. Using these values a simplified, frequency independent discrete impedance matrix is constructed. Results of the above analysis are presented for a range of frequencies and half-space material properties, in easy to use graphs. This model is expanded to incorporate the case of a single flexible pile embedded on a homogenous half space. The above discrete model can easily be imported to any standard general purpose FEM code (e.g., ANSYS, SAP2000), where the solution of the soil-structure system can be obtained for a variety of soil-structure systems. The main advantages of this model are 1) Accurate, easy and fast discretization of the soil medium 2) No limitation exist due to foundation type or geometry 3) Analyses can be performed both in frequency and time domain.

Ο στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας νέας κλάσης εξωτερικά εξαρτώμενων στοχαστικών συναρτησιακών μοντέλων για την αναγνώριση (identification) δυναμικών συστημάτων που παρουσιάζουν πολλαπλά σημεία λειτουργίας, τα οποία καθορίζονται από μετρήσιμη εξωτερική μεταβλητή (όπως για παράδειγμα, η θερμοκρασία, η υγρασία, κ.λ.π.). Επιπλέον, στόχος είναι η ανάπτυξη καινοτόμου μεθοδολογίας διάγνωσης (ανίχνευσης, προσδιορισμού και εκτίμησης) βλαβών σε δυναμικά συστήματα βάσει των στοχαστικών συναρτησιακών μοντέλων. Η διατριβή αρχικά πραγματεύεται την ανάπτυξη κατάλληλης μεθοδολογίας που αντιμετωπίζει τα επιμέρους προβλήματα της ανίχνευσης, του προσδιορισμού και της εκτίμησης βλαβών στη σύνθετη περίπτωση όπου η κατασκευή διεγείρεται υπό σεισμική διέγερση. Η αποτίμηση της μεθόδου αποτέλεσε και το έναυσμα για τη διαμόρφωση καινοτόμου μεθοδολογίας, η οποία βασίζεται σε μια νέα κλάση εξωτερικά εξαρτώμενων στοχαστικών συναρτησιακών μοντέλων. Τα μοντέλα αυτά έχουν την ικανότητα να αναπαριστούν, με μεγάλη ακρίβεια, μια κατασκευή για συγκεκριμένο τύπο βλάβης και συνεχές εύρος μεγεθών, χρησιμοποιώντας μοναδική μαθηματική αναπαράσταση παραμετροποιημένη ως προς το μέγεθος της βλάβης. Επισημαίνεται ότι τέτοιου τύπου συναρτησιακά μοντέλα δεν αναφέρονται στην βιβλιογραφία. Οι πιο συγγενείς οικογένειες μοντέλων προέρχονται από τις επιστήμες της στατιστικής και της οικονομετρίας, οι οποίες όμως δεν παρουσιάζουν συναρτησιακή μορφή και δεν μπορούν να καλύψουν συνεχή εύρη τιμών. Εξαιτίας αυτού του γεγονότος στη συνέχεια της διατριβής ορίζεται η νέα κλάση εξωτερικά εξαρτώμενων στοχαστικών Συναρτησιακών (F) μοντέλων Αυτοπαλινδρόμησης (AR) με Εξωγενή (X) είσοδο, των οποίων οι παράμετροι και η διασπορά του θορύβου είναι συναρτήσεις μετρήσιμης εξωτερικής μεταβλητής. Αυτή η συναρτησιακή εξάρτηση δίνει τη σημαντική ικανότητα στη νέα κλάση μοντέλων να μπορούν να χρησιμοποιηθούν: α) για τη δυναμική αναγνώριση συστημάτων με πολλαπλά σημεία λειτουργίας που καθορίζονται από μετρήσιμη εξωτερική μεταβλητή και, β) για την ανίχνευση, τον προσδιορισμό και την εκτίμηση βλαβών σε στοχαστικά δυναμικά συστήματα όπου η εξωτερική μεταβλητή είναι το μέγεθος της βλάβης. Επιπλέον, για τα μοντέλα αυτά αναπτύσσονται κατάλληλες μέθοδοι εκτίμησης των οποίων τα χαρακτηριστικά μελετώνται, και η αποτίμηση τους πραγματοποιείται μέσω προσομοιώσεων Monte Carlo. Στη συνέχεια ορίζεται η νέα κλάση εξωτερικά εξαρτώμενων στοχαστικών Συναρτησιακών (F) μοντέλων Αυτοπαλινδρόμησης (AR) και Κινητού Μέσου Όρου (ΜΑ) με Εξωγενή (X) είσοδο των οποίων επίσης οι παράμετροι και η διασπορά του θορύβου εκφράζονται ως συναρτήσεις μετρήσιμης εξωτερικής μεταβλητής. Τα μοντέλα FARΜΑX προσφέρουν επιπλέον ευελιξία σε σχέση με τα μοντέλα FARX εξαιτίας της εισαγωγής του πολυωνύμου ΜΑ. Για τα μοντέλα αυτά αναπτύσσονται επίσης κατάλληλες μεθοδολογίες εκτίμησης που βασίζονται στη μέγιστη πιθανοφάνεια και στην αρχή του σφάλματος πρόβλεψης. Επιπλέον, διαμορφώνονται δύο ακόμη μέθοδοι εκτίμησης που βασίζονται στην ελαχιστοποίηση του σφάλματος πρόβλεψης μέσω διαδοχικών γραμμικών σταδίων, οι οποίες παρουσιάζουν κάποια πρακτικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις προηγούμενες, μπορούν να συνδυαστούν με αυτές, αλλά απαιτούν την ανάπτυξη κατάλληλης άλγεβρας για τα μοντέλα FARΜΑX. Επίσης, μελετώνται ζητήματα όπως η συνέπεια και η ασυμπτωτική κατανομή της εκτιμήτριας σφάλματος πρόβλεψης. Η αποτίμηση όλων των μεθόδων εκτίμησης πραγματοποιείται μέσω προσομοιώσεων Monte Carlo. Τέλος, στα πλαίσια της παρούσας διατριβής αναπτύσσεται καινοτόμος μεθοδολογία ανίχνευσης, προσδιορισμού και εκτίμησης βλαβών σε δυναμικά συστήματα, η οποία βασίζεται στις νέες κλάσεις στοχαστικών συναρτησιακών μοντέλων των προηγούμενων κεφαλαίων. Η αποτίμηση της μεθοδολογίας πραγματοποιείται μέσω πειραματικής εφαρμογής σε διεθνές πρότυπο σκελετού αεροσκάφους υπό κλίμακα, όπου επιτυγχάνει με μεγάλη ακρίβεια, ανίχνευση, προσδιορισμό και εκτίμηση όλων των τύπων και μεγεθών βλάβης και επιπλέον ξεπερνά δυσκολίες που αντιμετωπίζουν άλλες τεχνικές της βιβλιογραφίας. / The aim of the present dissertation is the development of a new class of externally dependent stochastic functional models for the identification of dynamical systems under multiple operating conditions, which are defined by an external measurable variable (i.e. temperature, humidity, etc). The development of a novel methodology for fault diagnosis (fault detection, identification and estimation) in dynamical systems based upon the stochastic functional models is also an additional aim. The development of a proper method for fault detection, identification and estimation in structures under earthquake excitation is initially achieved. The method’s assessment was the motivation for the development of a novel methodology, which is based upon a new class of externally dependent stochastic functional models. These models are capable of accurately representing a structure for a certain type of fault in a continuous range of magnitudes by using a single mathematical representation parameterized in terms of the fault magnitude. It is noticed that such models are not referred in the literature until now. The most related families of models are found in sciences of statistics and econometrics. These models are mathematical representations without functional form and they are incapable of covering continuous ranges of values. Due to this fact, the new class of externally dependent stochastic Functional (F) AutoRegressive (AR) with eXogenous (X) excitation models, with parameters and innovations variance expressed as functions of a measurable external variable, is defined in the sequel of the dissertation. This functional dependence offers to the new class of models the important advantage of being used for: a) the identification of dynamical systems under multiple operating conditions which are defined by an external measurable variable and, b) fault detection, identification and estimation in stochastic dynamical systems where the external variable is the fault magnitude. Proper methods for FARX estimation are also developed and studied and their assessment is achieved via Monte Carlo simulations. In the following, the new class of externally dependent stochastic Functional (F) AutoRegressive (AR) Moving Average (MA) with eXogenous (X) excitation models, with parameters and innovations variance expressed as functions of a measurable external variable, is defined. The FARMAX models offer extra flexibility due to the MA part. Proper methods for FARMAX estimation, which are based upon the Maximum Likelihood and the Prediction Error principles, are also developed. Two further estimation methods are also formulated which are based upon minimization of the prediction error via successive linear stages. These methods offer some practical advantages comparing with the previous methods, they can be combined with the latter but they require the development of a proper algebra for FARMAX models. Additionally, the consistency and the asymptotic distribution of the prediction error estimator are considered. The assessment of all estimation methods is achieved via Monte Carlo simulations. In the last part of the dissertation a novel methodology for fault detection, identification and estimation in dynamical systems, which is based upon the new class of stochastic functional models of the previous chapters, is developed. The methodology’s assessment is accomplished via an experimental application in a prototype scale aircraft skeleton structure, where it achieves accurate fault detection, identification and estimation of several kinds and magnitudes of faults and also overcomes difficulties that are referred by other methods.

Το πρόβλημα που αντιμετωπίζει η διατριβή αφορά στη μοντελοποίηση μη-στασίμων τυχαίων ταλαντώσεων επί τη βάσει μετρήσεων του σήματος της ταλάντωσης, μέσω μοντέλων FS-TAR/TARMA. Οι στόχοι της διατριβής περιλαμβάνουν την αποτίμηση της εφαρμοσιμότητας των μεθόδων FS-TAR/TARMA για την μοντελοποίηση και ανάλυση της ταλάντωσης χρονικά μεταβαλλόμενών κατασκευών, καθώς και τη σύγκρισή τους με εναλλακτικές παραμετρικές μεθόδους του πεδίου του χρόνου. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται και στην αντιμετώπιση θεμάτων που σχετίζονται με την εκτίμηση μοντέλων FS-ΤAR/TARMA, καθώς και στην θεωρητική ασυμπτωτική ανάλυση των ιδιοτήτων των εκτιμητριών που χρησιμοποιούνται. Η διατριβή αρχικά παρουσιάζει μια συγκριτική ανασκόπηση της βιβλιογραφίας στο θέμα της μοντελοποίησης μη-στασίμων ταλαντώσεων μέσω παραμετρικών μεθόδων του πεδίου του χρόνου, η οποία και επιδεικνύει τα πλεονεκτήματα των μεθόδων FS-TAR/TARMA. Στη συνέχεια αντιμετωπίζεται μια σειρά προβλημάτων που εμφανίζονται κατά την εκτίμηση (των παραμέτρων) και την επιλογή της δομής του μοντέλου. Η αποτελεσματικότητα των μεθόδων FS-TAR/TARMA για την μοντελοποίηση και ανάλυση μη-στάσίμων ταλαντώσεων επιδεικνύεται και πειραματικά μέσω εφαρμογής στην οποία πραγματοποιείται επιτυχής εξαγωγή των δυναμικών χαρακτηριστικών μιας εργαστηριακής χρονικά μεταβαλλόμενης κατασκευής. Στη συνέχεια, η διατριβή εστιάζει στην αναζήτηση ακριβέστερων εκτιμητριών, καθώς και στην ασυμπτωτική ανάλυση των ιδιοτήτων των εκτιμητριών «γενικών» (όχι αναγκαστικά περιοδικά μεταβαλλόμενων) μοντέλων FS-TAR/TARMA. Συγκεκριμένα, εξετάζονται οι περιπτώσεις των εκτιμητριών σταθμισμένων ελαχίστων τετραγώνων [Weighted Least Squares (WLS)], μέγιστης πιθανοφάνειας [Maximum Likelihood (ML)], καθώς και μια εκτιμήτρια πολλαπλών σταδίων [Multi Stage (MS)], η οποία αναπτύσσεται στην παρούσα διατριβή και είναι ασυμπτωτικά ισοδύναμη με την εκτιμήτρια ML ενώ ταυτόχρονα χαρακτηρίζεται από μειωμένη υπολογιστική πολυπλοκότητα. Στη διατριβή αποδεικνύεται η συνέπεια (consistency) των εκτιμητριών αυτών και εξάγεται η ασυμπτωτική κατανομή (asymptotic distribution) τους. Παράλληλα, αναπτύσσεται μια συνεπής εκτιμήτρια του ασυμπτωτικού πίνακα συνδιασποράς και μια μέθοδος για τον έλεγχο εγκυρότητας των μοντέλων FS-TAR/TARMA. Η ορθότητα των αποτελεσμάτων της ασυμπτωτικής ανάλυσης επιβεβαιώνεται μέσω μελετών Monte Carlo. / The thesis studies the problem of non-stationary random vibration modeling and analysis based on available measurements of the vibration signal via Functional Series Time-dependent AutoRegressive / AutoRegressive Moving Average (FS-TAR/ TARMA) models. The aims of the thesis include the assessment of the applicability of FS-TAR/TARMA methods for the modeling and analysis of non-stationary random vibration, as well as their comparison with alternative time-domain parametric methods. In addition, significant attention has been paid to the FS-TAR/TARMA estimation problem and to the theoretical asymptotic analysis of the estimators. A critical overview and comparison of time-domain, parametric, non-stationary random vibration modeling and analysis methods is firstly presented, where the high potential of FS-TAR/TARMA methods is demonstrated. In the following, a number of issues concerning the FS-TAR/TARMA model (parameter) estimation and model structure selection are considered. The effectiveness of the FS-TARMA methods for non-stationary random vibration modeling and analysis is experimentally demonstrated, through their application for the recovery of the dynamical characteristics of a time-varying bridge-like laboratory structure. In the sequel, the thesis focuses on the asymptotic analysis of “general” (that is not necessarily periodically evolving) FS-TAR/TARMA estimators. In particular, the Weighted Least Squares (WLS) and Maximum Likelihood (ML) estimators are both investigated, while a Multi Stage (MS) estimator, that approximates the ML estimator at reduced complexity, is developed. The consistency of the considered estimators is established and their asymptotic distribution is extracted. Furthermore, a consistent estimator of the asymptotic covariance matrix is formulated and an FS-TAR/TARMA model validation method is proposed. The validity of the theoretical asymptotic analysis results is assessed through several Monte Carlo studies.

Η βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς εδαφικών και βραχωδών σχηματισμών επιτυγχάνεται συχνά με τη μέθοδο των ενέσεων. Οι ενέσεις εμποτισμού είναι ο παλαιότερος τύπος ενέσεων που αναπτύχθηκε, είναι, οι συχνότερα χρησιμοποιούμενες, έχουν το ευρύτερο φάσμα εφαρμογών και διακρίνονται σε αιωρήματα και χημικά διαλύματα. Τα πιο γνωστά αιωρήματα και διαλύματα είναι αυτά του τσιμέντου και του πυριτικού νατρίου. Τα αιωρήματα έχουν χαμηλό κόστος και είναι αβλαβή για το περιβάλλον, όμως έχουν περιορισμένο πεδίο εφαρμογής που φθάνει μέχρι τις χονδρόκοκκες άμμους. Αντίθετα, τα διαλύματα μπορούν να εμποτίσουν μέχρι και λεπτόκοκκες άμμους ή και χονδρόκοκκες ιλύες, όμως έχουν σημαντικά υψηλότερο κόστος και, μερικά από αυτά, είναι επιβλαβή για το περιβάλλον και τον άνθρωπο. Για τους λόγους αυτούς γίνεται προσπάθεια να αντικατασταθούν τα χημικά διαλύματα με αβλαβή για το περιβάλλον αιωρήματα που να έχουν το ίδιο πεδίο εφαρμογής. Η προσπάθεια αυτή οδήγησε στην ανάπτυξη των αιωρημάτων λεπτόκοκκων τσιμέντων, με τα πρώτα προϊόντα να εμφανίζονται στις αρχές της δεκαετίας του 1980. Με την πάροδο του χρόνου, αναπτύχθηκε ένας σχετικά μικρός αριθμός λεπτόκοκκων τσιμέντων που διατίθενται στην αγορά και έχουν κόστος εφαρμογής μεταξύ του κόστους των κοινών τσιμέντων και του κόστους των χημικών διαλυμάτων. Κατά την τελευταία δεκαετία, παρατηρείται διεθνώς αυξημένο ενδιαφέρον για τη δημιουργία και την τεκμηρίωση των ιδιοτήτων νέων λεπτόκοκκων υλικών, με χαμηλότερο κόστος, για χρήση σε ενέσεις τύπου αιωρήματος. Για τις ανάγκες της εργαστηριακής διερεύνησης χρησιμοποιήθηκαν τρείς τύποι τσιμέντου. Ένα βιομηχανοποιημένο τσιμέντο, ένα καθαρό τσιμέντο Portland και ένα σύνθετο τσιμέντο Portland. Τα δύο τελευταία τσιμέντα, λειοτριβήθηκαν ώστε να προκύψει μία επιπλέον κοκκομετρική σύνθεση από το κάθε ένα με μέγιστο μεγέθος κόκκων 40μm. Ως εδάφη για την παραγωγή εμποτισμένων δοκιμίων, χρησιμοποιήθηκαν τέσσερις διαφορετικής κοκκομετρικής διαβάθμισης ασβεστολιθικές άμμοι και μια χαλαζιακή άμμος Ottawa, με συντελεστές ομοιομορφίας, Cu, κυμαινόμενο μεταξύ 1.20 και 1.46 και χαρακτηριστικό μέγεθος κόκκων, d10, κυμαινόμενο από περίπου 0.3mm έως περίπου 2.0mm. Η έρευνα που εκτελέστηκε και αποτελεί το αντικείμενο αυτής της διατριβής περιλαμβάνει, αρχικά, την τεκμηρίωση των βασικών ιδιοτήτων των αιωρημάτων των τσιμέντων, με δοκιμές εξίδρωσης και ιξωδομέτρησης και τον εργαστηριακό έλεγχο της ενεσιμότητάς τους με δοκιμές εισπίεσης σε μικρά δοκίμια. Τα αποτελέσματα αυτής της διερεύνησης οδήγησαν στον προσδιορισμό του πεδίου εφαρμογής των αιωρημάτων και στη διαμόρφωση του προγράμματος δοκιμών για το κυρίως αντικείμενο της εργασίας, που σχεδιάστηκε και εκτελέστηκε ώστε να τεκμηριωθεί η δυναμική συμπεριφορά των εδαφών που εμποτίζονται με αιωρήματα λεπτόκοκκων και κοινών τσιμέντων. Για το σκοπό αυτό, έγινε παραγωγή εμποτισμένων δοκιμίων που υποβλήθηκαν σε εργαστηριακό έλεγχο (α) για τη μέτρηση των δυναμικών ιδιοτήτων τους, (β) για την αποτίμηση της επίδρασης σειράς παραμέτρων που σχετίζονται με τα χαρακτηριστικά των αιωρημάτων και των άμμων και τις διαδικασίες εκτέλεσης των δοκιμών και (γ) για την ποσοτικοποίηση της βελτίωσης που προκύπτει από τον εμποτισμό των εδαφών με αιωρήματα λεπτόκοκκων τσιμέντων στις ιδιότητες και τη συμπεριφορά τους. Ο λόγος νερού προς τσιμέντο, Ν/Τ, είναι η πιο σημαντική παράμετρος που καθορίζει τις ιδιότητες και την συμπεριφορά των αιωρημάτων. Αύξηση του λόγου νερού προς τσιμέντο προκαλεί σημαντική βελτίωση των ρεολογικών χαρακτηριστικών, αλλά έχει δυσμενείς επιπτώσεις στο τελικό ποσοστό εξίδρωσης των αιωρημάτων και στην αντοχή των ιζημάτων των αιωρημάτων. Η λειοτρίβηση των τσιμέντων επηρεάζει σημαντικά τις τιμές του τελικού ποσοστού εξίδρωσης. Μείωση του μέγιστου μεγέθους κόκκου, dmax, από τα 100μm στα 40μm προκάλεσε μείωση έως και 50% στο τελικό ποσοστό εξίδρωσης. Αντίθετα, ο τύπος του τσιμέντου έχει μικρή επίδραση στο τελικό ποσοστό εξίδρωσης. Τα αιωρήματα τσιμέντου τύπου I42.5 εμφανίζουν τις υψηλότερες τιμές και τα αιωρήματα τσιμέντου τύπου ΙΙ32.5 τις χαμηλότερες. Ευσταθή αιωρήματα (τελικό ποσοστό εξίδρωσης μικρότερο του 5%) θεωρούνται μόνο τα αιωρήματα τσιμέντου Rheocem 650, με λόγο Ν/Τ ίσο με 1:1 και μόνο τα αιωρήματα των υπόλοιπων λειοτριβημένων τσιμέντων (dmax= 40μm) με λόγο νερού προς τσιμέντο ίσο προς 0.6:1. Ο τύπος του τσιμέντου επηρεάζει τις τιμές του φαινομένου ιξώδους αλλά όχι σε σημαντικό βαθμό. Γενικά, τα αιωρήματα τσιμέντου τύπου I42.5 έχουν τις υψηλότερες και τα αιωρήματα τσιμέντου τύπου ΙΙ32.5 τις μικρότερες τιμές φαινομένου ιξώδους. Οι τιμές του φαινομένου ιξώδους των αιωρημάτων τσιμέντων Ι42.5 και ΙΙ32.5 είναι, σε γενικές γραμμές, υψηλές για εμποτισμό σε λεπτόκοκκα εδάφη. Συγκεκριμένα, για λόγους νερού προς τσιμέντο ίσους προς 1:1, 2:1 και 3:1 οι τιμές του φαινομένου ιξώδους κυμαίνονται από 70 έως 190cP, από 14 έως 32cP και από 6 έως 11cP, αντίστοιχα. Για τα πιο πυκνά αιωρήματα, είχαμε για λόγους Ν/Τ ίσους προς 0.6:1 και 0.8:1, τιμές του φαινομένου ιξώδους που κυμαίνονται από 690cP ως 1160cP και 105cP ως 410cP, αντίστοιχα. Οι τιμές του φαινομένου ιξώδους για το τσιμέντο Rheocem 650, λόγω της ταχύπηκτης φύσης του, μετρήθηκαν για χρόνο μικρότερο των 40min. Οι τιμές που αντιστοιχούν στο αρχικό φαινόμενο ιξώδες του αιωρήματος αυτού, είναι μικρότερες σε σχέση με τις τιμές των αιωρημάτων των υπόλοιπων τσιμέντων. Για λόγους νερού προς τσιμέντο ίσους προς 1:1, 2:1 και 3:1 οι τιμές του αρχικού φαινομένου ιξώδους ήταν 55cP, 12cP και 6cP, αντίστοιχα. Ο εργαστηριακός έλεγχος της συμπεριφοράς σε δυναμική φόρτιση των εμποτισμένων άμμων έγινε με χρήση κατάλληλων δοκιμίων (11.3cm ύψους και 5.0cm διαμέτρου) που παράγονταν χρησιμοποιώντας ειδική διάταξη εμποτισμού μονοδιάστατης ροής. Ο προσδιορισμός των δυναμικών χαρακτηριστικών των εμποτισμένων άμμων διερευνήθηκε με δοκιμές συντονισμού σε στρέψη και κάμψη, σε εικοσιεννέα(29) συνολικά δοκίμια. Από τα πρωτογενή δεδομένα των δοκιμών συντονισμού υπολογίστηκαν το μέτρο διάτμησης, G, το μέτρο ελαστικότητας, E, και ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη, Dt και Df, για ευρύ φάσμα τιμών της περιβάλλουσας τάσης και της παραμόρφωσης. Από τα πρωτογενή δεδομένα των δοκιμών ήταν δυνατός ο υπολογισμός και του λόγου Poisson. Για κάθε ιδιότητα που εξετάζεται, γίνεται διερεύνηση της επίδρασης σειράς παραμέτρων που σχετίζονται με τις συνθήκες εκτέλεσης των εργαστηριακών δοκιμών (παραμόρφωση και περιβάλλουσα τάση) και με τα χαρακτηριστικά των συστατικών του εμποτισμένου εδάφους (λόγος νερού προς τσιμέντο, τύπος και κοκκομετρία του τσιμέντου και κοκκομετρία της άμμου). Για λόγους σύγκρισης και αποτίμησης της βελτίωσης που επιφέρει ο εμποτισμός με αιωρήματα τσιμέντου, όμοιες εργαστηριακές δοκιμές εκτελέστηκαν και σε δοκίμια καθαρής άμμου και καθαρού ιζήματος τσιμέντου. Ο λόγος νερού προς τσιμέντο του ενέματος είναι η σημαντικότερη παράμετρος που επηρεάζει τις τιμές του μέτρου διάτμησης, του λόγου απόσβεσης και του δυναμικού μέτρου ελαστικότητας των εμποτισμένων άμμων. Ο τύπος του τσιμέντου, η κοκκομετρία του τσιμέντου και η κοκκομετρία της άμμου δεν αποτελούν ιδιαίτερα σημαντικές παραμέτρους. Η τιμές των δυναμικών ιδιοτήτων των εμποτισμένων άμμων εξαρτώνται τόσο από την τιμή της εφαρμοζόμενης περιβάλλουσας τάσης όσο και από την τιμή της αναπτυσσόμενης παραμόρφωσης κατά την εκτέλεση των εργαστηριακών μετρήσεων. Οι τιμές του μέτρου διάτμησης των εμποτισμένων άμμων, για τιμές της περιβάλλουσας τάσης από 0 έως 400kPa, κυμαίνονται από 1200MPa έως 4100MPa για εύρος τιμών της διατμητικής παραμόρφωσης περίπου από 5∙10-5 % έως 2∙10-2 %. Οι τιμές του μέτρου ελαστικότητας των εμποτισμένων άμμων, για τιμές της περιβάλλουσας τάσης από 0 έως 400kPa, κυμαίνονται από 2600 έως 11500MPa για εύρος τιμών της ορθής παραμόρφωσης από περίπου 10-5 % έως 8∙10-3 %. Ο λόγος Poisson των εμποτισμένων άμμων κυμαίνεται γενικά από 0.22 έως 0.44, είναι άμεση συνάρτηση του λόγου νερού προς τσιμέντο και φαίνεται επίσης να επηρεάζεται από την κοκκομετρία της άμμου και λιγότερο από τον τύπο του τσιμέντου. Το τσιμέντο Rheocem 650 έδωσε μεγαλύτερες τιμές του λόγου Poisson σε σχέση με τα υπόλοιπα τσιμέντα, κατά 10% έως 20%. Για τα εμποτισμένα δοκίμια με ασταθή αιωρήματα τσιμέντου Rheocem 650, η μείωση του λόγου Ν/Τ κατά 33% (από 3:1 σε 2:1) προκάλεσε μέτρια αύξηση των τιμών του μέτρου διάτμησης και μέτρου ελαστικότητας των εμποτισμένων άμμων (κατά 20% έως 30% για την ασβεστολιθική άμμο και 40% για τη χαλαζιακή άμμο Ottawa). Για τους αντίστοιχους εμποτισμούς με ασταθή αιωρήματα τσιμέντων Ι42.5 και ΙΙ32.5, η μείωση του λόγου Ν/Τ κατά 33% (από 2:1 σε 1:1) προκάλεσε αύξηση των τιμών του μέτρου διάτμησης και μέτρου ελαστικότητας των εμποτισμένων άμμων (κατά 40% έως 50%). Ομοίως, για τα εμποτισμένα δοκίμια με ευσταθή αιωρήματα τσιμέντου Rheocem 650, μείωση του λόγου Ν/Τ κατά 33% (από 2:1 σε 1:1) επέφερε σημαντική αύξηση του μέτρου διάτμησης και μέτρου ελαστικότητας (κατά 45% έως 60% για την ασβεστολιθική άμμο και 50% για τη χαλαζιακή άμμο Ottawa). Για τους αντίστοιχους εμποτισμούς με ευσταθή αιωρήματα τσιμέντων Ι42.5 και ΙΙ32.5, η μείωση του λόγου Ν/Τ κατά 40% (από 1:1 σε 0.6:1) προκάλεσε μικρή αύξηση του μέτρου διάτμησης (κατά 20%). Ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη των εμποτισμένων άμμων κυμαίνεται από 0.3% έως 3% για τιμές διατμητικής παραμόρφωσης από περίπου 5∙10-5 % έως 8∙10-2 % και για τιμές περιβάλλουσας τάσης από 0 έως 400kPa. Για αύξηση της διατμητικής παραμόρφωσης από 10-4 σε 10-3 %, αυξάνεται από 120% έως 200% ,ενώ για αύξηση της διατμητικής παραμόρφωσης από 10-3 σε 10-2%, αυξάνεται από 50% έως 80%. Η αύξηση της τιμής της περιβάλλουσας τάσης από 0kPa έως 400kPa, προκαλεί, γενικά, μείωση της τιμής του λόγου απόσβεσης των εμποτισμένων άμμων κατά 5% έως 50% (10% κατά μέσο όρο). Ο λόγος απόσβεσης σε κάμψη των εμποτισμένων άμμων κυμαίνεται από 0.2% έως 3.2% για τιμές ορθής παραμόρφωσης από περίπου 2∙10-5 % έως 1∙10-2 % και για τιμές περιβάλλουσας τάσης από 0 έως 400kPa. Για αύξηση της διατμητικής παραμόρφωσης από 5•10-5 σε 5•10-4 %, αυξάνεται από 110% έως 180% ,ενώ για αύξηση της ορθής παραμόρφωσης από 5•10-4 σε 5•10-3 %, αυξάνεται από 40% έως 70%. Η αύξηση της τιμής της περιβάλλουσας τάσης από 0kPa έως 400kPa, προκαλεί, γενικά, μείωση της τιμής του λόγου απόσβεσης των εμποτισμένων άμμων κατά 5% έως 40% (10% κατά μέσο όρο). Για τα εμποτισμένα δοκίμια με ασταθή αιωρήματα τσιμέντου Rheocem 650, η μείωση του λόγου Ν/Τ από 3:1 σε 2:1 προκαλεί αύξηση της τιμής του λόγου απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη, από 20% έως και 60%. Ισόποση μείωση του λόγου Ν/Τ από 2:1 σε 1:1 προκαλεί αύξηση έως και κατά 40%. Μοναδική εξαίρεση ήταν η άμμος #30 - #50 όπου η μείωση του λόγου Ν/Τ από 3:1 σε 2:1, προκάλεσε μείωση της τιμής του λόγου απόσβεσης σε στρέψη έως και 80% και του λόγου απόσβεσης σε κάμψη έως και 20%. Για τους αντίστοιχους εμποτισμούς με ασταθή αιωρήματα τσιμέντων Ι42.5 και ΙΙ32.5, η μείωση του λόγου Ν/Τ από 1:1 σε 0.8:1 προκαλεί αύξηση της τιμής του λόγου απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη, από 20% έως και 50%. Ομοίως, για τα εμποτισμένα δοκίμια με ευσταθή αιωρήματα τσιμέντου Rheocem 650, η μείωση του λόγου Ν/Τ από 2:1 σε 1.25:1, προκάλεσε αύξηση της τιμής του λόγου απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη έως και 20%. Για τους αντίστοιχους εμποτισμούς με ευσταθή αιωρήματα τσιμέντων Ι42.5 και ΙΙ32.5, η μείωση της τιμής του λόγου Ν/Τ από 0.8:1 σε 0.6:1 προκαλεί μείωση της τιμής του λόγου απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη, έως και κατά 40%. Ο εμποτισμός των άμμων με αιωρήματα τσιμέντου προκαλεί σημαντική βελτίωση των τιμών του μέτρου διάτμησης, του μέτρου ελαστικότητας, του λόγου απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη και του λόγου Poisson των καθαρών άμμων. Η σημαντικότερη παράμετρος που επηρεάζει τις τιμές των δυναμικών ιδιοτήτων των εμποτισμένων άμμων είναι ο λόγος νερού προς τσιμέντο και το τελικό ποσοστό εξίδρωσης του ενέματος, ενώ ο τύπος του τσιμέντου, η κοκκομετρία του τσιμέντου και η κοκκομετρία της άμμου δεν αποτελούν ιδιαίτερα σημαντικές παραμέτρους. Η βελτίωση του μέτρου διάτμησης, G, των εμποτισμένων άμμων, είναι όμοια με τη βελτίωση του μέτρου ελαστικότητας τους, Ε. Εμποτισμοί με ευσταθή αιωρήματα βελτίωσαν το μέτρο διάτμησης των ασβεστολιθικών άμμων κατά 28 έως 10 φορές κατά μέσο όρο, για μεταβολή της πλευρικής τάσης από 50 έως 400kPa. Οι αντίστοιχοι εμποτισμοί με ασταθή αιωρήματα βελτίωσαν το μέτρο διάτμησης κατά 15 έως 6 φορές κατά μέσο όρο, για την ίδια μεταβολή της πλευρικής τάσης. Εμποτισμοί με ευσταθή αιωρήματα βελτίωσαν το μέτρο ελαστικότητας των ασβεστολιθικών άμμων κατά 31 έως 11 φορές, για μεταβολή της πλευρικής τάσης από 50 έως 400kPa. Οι αντίστοιχοι εμποτισμοί με ασταθή αιωρήματα βελτίωσαν το μέτρο διάτμησης κατά 14 έως 6 φορές κατά μέσο όρο, για την ίδια μεταβολή της πλευρικής τάσης. Ο λόγος βελτίωσης του λόγου Poisson των εμποτισμένων άμμων κυμαίνεται από 1.0 έως 1.8. Για τα ευσταθή (ή κοντά στην ευστάθεια) αιωρήματα, η βελτίωση κυμάνθηκε μεταξύ 1.6 και 1.8 (1.7 κατά μέσο όρο). Για τα ασταθή αιωρήματα, η βελτίωση κυμάνθηκε μεταξύ 1.0 και 1.2 (1.1 κατά μέσο όρο). Ο λόγος ταχυτήτων και είναι ένας δείκτης αξιολόγησης της μακροσκοπικής συμπεριφοράς των εμποτισμένων εδαφών, αφού μπορεί να δώσει χρήσιμες πληροφορίες για παραμέτρους, όπως το πορώδες και η πυκνότητα των εμποτισμένων εδαφών. Για λόγους Ν/Τ μικρότερους του 1:1 (ευσταθή αιωρήματα), ο λόγος VP/VS είναι αρκετά υψηλός (>2.0), το οποίο ενδεχομένως να οφείλεται στην υψηλή συγκέντρωση τσιμέντου, το χαμηλό πορώδες και την υψηλή πυκνότητα των δοκιμίων, ενώ για λόγους Ν/Τ μεγαλύτερους του 2:1 (ασταθή αιωρήματα), ο λόγος ταχυτήτων είναι κατά μέσο όρο ίσος με 1.7. Η τιμή αυτή θα μπορούσε να προσομοιώσει τη δυναμική συμπεριφορά ενός ψαμμίτη. Εμποτισμοί με ευσταθή αιωρήματα βελτίωσαν το λόγο απόσβεσης των ασβεστολι-θικών άμμων κατά 1.65 έως 1.57 φορές, για μεταβολή της πλευρικής τάσης από 50 έως 400kPa. Οι αντίστοιχοι εμποτισμοί με ασταθή αιωρήματα βελτίωσαν το μέτρο διάτμησης κατά 1.3 φορές κατά μέσο όρο και κατά 1.35 φορές κατά μέσο όρο, για την ίδια μεταβολή της πλευρικής τάσης. Παρατηρείται συνεπώς ότι η περιβάλλουσα τάση δεν επηρεάζει ουσιαστικά τη βελτίωση του λόγου απόσβεσης. Η βελτίωση του λόγου απόσβεσης σε στρέψη, Dt, των εμποτισμένων άμμων, είναι όμοια με τη βελτίωση του λόγου απόσβεσης σε κάμψη, Df. Το τσιμέντο Rheocem 650 έδωσε μεγαλύτερη βελτίωση του λόγου απόσβεσης σε στρέψη (έως και 40%) και περίπου ίδια βελτίωση (κατά μέσο όρο) του λόγου απόσβεσης σε κάμψη των εμποτισμένων άμμων σε σχέση με τα τσιμέντα Ι42.5 και ΙΙ32.5. Για τα ευσταθή αιωρήματα με τσιμέντο Rheocem 650, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη των καθαρών άμμων, βελτιώθηκε έως και 7.3 φορές. Για τα ασταθή αιωρήματα του ίδιου τσιμέντου, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη, βελτιώθηκε έως και 5.8 φορές. Για τα ευσταθή αιωρήματα με τα τσιμέντα I42.5 και ΙΙ32.5, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη των καθαρών άμμων, βελτιώθηκε έως και 4.2 φορές. Για τα ασταθή αιωρήματα του ίδιου τσιμέντου, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη, βελτιώθηκε έως και 3.0 φορές. Για τα ευσταθή αιωρήματα με τσιμέντο Rheocem 650, ο λόγος απόσβεσης σε κάμψη των καθαρών άμμων, βελτιώθηκε έως και 5.1 φορές. Για τα ασταθή αιωρήματα του ίδιου τσιμέντου, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη, βελτιώθηκε έως και 3.9 φορές. Για τα ευσταθή αιωρήματα με τα τσιμέντα I42.5 και ΙΙ32.5, ο λόγος απόσβεσης σε κάμψη των καθαρών άμμων, βελτιώθηκε έως και 6.5 φορές. Για τα ασταθή αιωρήματα του ίδιου τσιμέντου, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη, βελτιώθηκε έως και 5.2 φορές. Τόσο για τα πυκνά αιωρήματα, όσο και για τα αραιά, ο λόγος DF/DΤ είναι κατά μέσο όρο ίσος με 1.2. / -

Η σύγχρονη επιστήμη της εξωτερικής βλητικής έχει εξελιχθεί ως εξειδικευμένος κλάδος της δυναμικής των στερεών σωμάτων, που κινούνται υπό την επίδραση της βαρύτητας και των αεροδυναμικών δυνάμεων και ροπών. Στην παρούσα διατριβή μελετάται η προσομοίωση του δυναμικού μοντέλου ατμοσφαιρικής τροχιάς των 6 βαθμών ελευθερίας (6-DOF), εφαρμόζεται για ακριβή πρόβλεψη τροχιών από διάφορες γωνίες βολής σε μικρά και σε μεγάλα βεληνεκή και γίνεται σύγκριση με το γραμμικό μοντέλο τροχιάς, για περιστρεφόμενα ή μη περιστρεφόμενα βλήματα και σφαίρες λαμβάνοντας υπόψη τον αριθμό Mach και τις μεταβολές της συνολικής γωνίας εκτροπής σε σχέση με τους μεταβλητούς και σταθερούς αεροδυναμικούς συντελεστές. Επίσης, μελετώνται τα δύο είδη ευστάθειας του βλήματος: η στατική ή γυροσκοπική ευστάθεια που αφορά τη στατική θέση ισορροπίας του βλήματος και η δυναμική ευστάθεια που αφορά την κινητική του κατάσταση. Η λύση της διαφορικής εξίσωσης για ολοκληρωμένη ή απλοποιημένη κίνηση περιστρεφόμενων αξονοσυμμετρικών βλημάτων, μπορεί να μας περιγράψει την ακρογωνιαία φύση της επικυκλικής κίνησης των βλημάτων. Τέλος, αναπτύσσεται νέα σχέση υπολογισμού της επίδρασης του φαινόμενου της αεροδυναμικής αναπήδησης της ταχύτητας για περιστρεφόμενα βλήματα τα οποία πυροδοτούνται οριζόντια από μεταβλητές γωνίες, μέσα από ιπτάμενο όχημα (ελικόπτερο, πολεμικό αεροπλάνο). / On the battlefield, it is well known that the target effects using artillery systems diminish exponentially with the number of rounds fired at a particular target. To maximize target effects, rounds must be designed to hit a target with a minimum number of rounds that impact the target in rapid succession. The modern science of the exterior ballistics has evolved as a specialized branch of the dynamics of rigid bodies, moving under the influence of gravitational and aerodynamic forces and moments. The six degrees of freedom (6-DOF) simulation flight dynamics model is applied for the accurate prediction of short and long-range trajectories of high and low fin spin-stabilized projectiles and small bullets. Variable coefficients of aerodynamic forces, moments and Magnus effects are taken into account depending on Mach number and total angle of attack variations. The above analysis is compared to the modified linear modified simulation model for rapid trajectory predictions and high accuracy impact point computations for constant and variable aerodynamic coefficients is also applied for the accurate prediction of short and long range trajectories. The computational results of the proposed synthesized analysis give satisfactory agreement with other technical data and recognized exterior atmospheric projectile flight investigations. The variable modified atmospheric flight model can be further coupled to a suitable trajectory tracking control system for current and future control actions applied to projectiles for minimizing the estimated error to target impact area. Epicyclic motion and gyroscopic stability analysis are also examined for spinning and non-spinning projectiles. A new engineering correlation is proposed for the flat-fire disturbance due to aerodynamic jump performance firing at different angles which relative to the helicopter’s flight path motion. The computational results of the generalized aerodynamic jump formula are verified compared to McCoy’s recognized simulation modelling.