Οι στερεοί ηλεκτρολύτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ενεργοί καταλυτικοί φορείς για την αντιστρεπτή μεταβολή της ενεργότητας καταλυτικών στρωμάτων (films) μετάλλων και μεταλλικών οξειδίων, κατόπιν πόλωσης του ηλεκτροδίου-καταλύτη και συνακόλουθης άντλησης ειδών-ενισχυτών από ή προς την καταλυτική επιφάνεια. Το φαινόμενο αυτό, το οποίο επιτρέπει τη ρύθμιση της καταλυτικής ενεργότητας in situ, είναι γνωστό στην βιβλιογραφία ως Ηλεκτροχημική Ενίσχυση (Electrochemical Promotion) ή Μη-Φαρανταϊκή Ηλεκτροχημική Τροποποίηση της Καταλυτικής Ενεργότητας (NEMCA effect), καθώς οι επαγόμενες μεταβολές στον καταλυτικό ρυθμό είναι δυνατό να υπερβαίνουν τον αντίστοιχο ρυθμό μεταφοράς ιόντων μέσα από τον στερεό ηλεκτρολύτη κατά αρκετές τάξεις μεγέθους. Στα πλαίσια του πρώτου μέρους της διατριβής αυτής παρουσιάζονται αποτελέσματα που αφορούν στη μελέτη της επίδρασης του φαινομένου της Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης στην αντίδραση οξείδωσης του προπανίου πάνω σε πορώδη καταλυτικά στρώματα Pt και Rh εναποτεθειμένα σε στερεό ηλεκτρολύτη YSZ, αγωγό ιόντων οξυγόνου, καθώς και πάνω σε πορώδες καταλυτικό στρώμα Pt, εναποτεθειμένο σε στερεό ηλεκτρολύτη β²-Al2O3, έναν αγωγό ιόντων Na+. Στην περίπτωση της οξείδωσης του προπανίου πάνω σε καταλυτικά στρώματα Rh/YSZ και Pt/YSZ, πραγματοποιήθηκαν πειράματα στη θερμοκρασιακή περιοχή 425 - 520οC, για υποστοιχειομετρικό λόγο οξυγόνου προς προπάνιο. Επιβολή είτε θετικών είτε αρνητικών ρευμάτων οδήγησε σε μη-φαρανταϊκή αύξηση του καταλυτικού ρυθμού, έως 6 φορές στην περίπτωση του Rh και έως 1350 φορές στην περίπτωση της Pt. Η επαγόμενη μεταβολή του καταλυτικού ρυθμού Δr βρέθηκε μεγαλύτερη από τον αντίστοιχο ηλεκτροχημικό ρυθμό μεταφοράς I/2F ιόντων οξυγόνου κατά 2330 φορές στην περίπτωση του καταλύτη Pt και κατά 830 φορές στην περίπτωση του καταλύτη Rh. Η αύξηση του ρυθμού που παρατηρήθηκε στην περίπτωση καταλύτη Pt είναι από τις υψηλότερες που έχουν αναφερθεί σε μελέτες Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης με χρήση στερεών ηλεκτρολυτών αγωγών ιόντων οξυγόνου. Στην περίπτωση της οξείδωσης του προπανίου πάνω σε καταλυτικό στρώμα Pt/ β²-Al2O3, έγιναν πειράματα στην θερμοκρασιακή περιοχή 320-440 οC και για στοιχειομετρικό λόγο οξυγόνου προς προπάνιο. Το σύστημα παρουσίασε ηλεκτρόφοβη συμπεριφορά, δηλαδή επιβολή αρνητικού δυναμικού και συνακόλουθη προσθήκη νατρίου στην καταλυτική επιφάνεια οδήγησε σε μείωση του ρυθμού παραγωγής CO2. Παρατηρήθηκαν σχετικές μεταβολές του καταλυτικό ρυθμού έως και 60 φορές μεγαλύτερες από την αντίστοιχη μεταβολή της κάλυψης του νατρίου. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν πειράματα γραμμικής σάρωσης δυναμικών και κυκλικής βολταμμετρίας στη θερμοκρασιακή περιοχή 320 – 480 οC, κάτω από συνθήκες ηλεκτροχημικής ενίσχυσης οξείδωσης του προπανίου, αλλά και κάτω από ατμόσφαιρες Ο2, CO2 και προπανίου σε Ηe όπου και παρατηρήθηκαν περισσότερες της μιας κορυφές. Ο αριθμός, η θέση και το ύψος των κορυφών αυτών, βρέθηκε ότι εξαρτώνται από τη σύσταση της αέριας φάσης, τη θερμοκρασία, το δυναμικό εκκίνησης και την κατάσταση του καταλύτη πριν από τη σάρωση. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι σχηματίζονται περισσότερες της μιας φάσεις νατρίου πάνω στην καταλυτική επιφάνεια Pt κατά την ηλεκτροχημική μεταφορά ιόντων νατρίου προς αυτή. Στο κεφάλαιο αυτό συζητούνται οι πιθανές ηλεκτροχημικές αντιδράσεις που περιλαμβάνουν είδη νατρίου και η ταυτότητα των σχηματιζόμενων ειδών νατρίου. Τα αποτελέσματα του πρώτου μέρους της διατριβής εξηγήθηκαν με βάση τις γενικές αρχές του φαινομένου της Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης, λαμβανομένου υπόψη του μηχανισμού της αντίδρασης και της επίδρασης της μεταβολής του δυναμικού και του έργου εξόδου της καταλυτικής επιφάνειας πάνω στην ισχύ των δεσμών χημορόφησης και στην οξειδωτική κατάσταση του καταλύτη. Στο δεύτερο τμήμα της διατριβής εξετάζονται μια σειρά από καθοδικά περοβσκιτικά ηλεκτρόδια με άμεσο στόχο την διερεύνηση της ηλεκτροκαταλυτικής τους ενεργότητας για την αναγωγή του οξυγόνου στο θερμοκρασιακό εύρος 600-850 οC. Δοκιμάστηκαν συνολικά τέσσερα περοβσκιτικά καθοδικά ηλεκτρόδια από τα οποία το ένα ήταν σύνθετο ηλεκτρόδιο (LSM(La0.65Sr0.3MnO3)-ZrO2(Y2O3)) και τα υπόλοιπα τρία L58SCF (La0.58Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ), LS2F (La0.9Sr1.1FeO4-δ) και L78SCF (La0.78Sr0.2Co0.2Fe0.8O3-δ) μικτής ηλεκτρονιακής-ιοντικής αγωγιμότητας. Προκειμένου να γίνει η σύγκριση της ηλεκτροκαταλυτικής ενεργότητας των καθόδων σε συνθήκες που να προσομοιώνουν τη λειτουργία τους σε κελιά καυσίμου, έγινε σύγκριση σε διαφορετικές θερμοκρασίες των πυκνοτήτων ρεύματος i που αντιστοιχούν στην ίδια υπέρταση, σε ένα εκτεταμένο εύρος καθοδικών υπερτάσεων. Η σειρά ηλεκτροκαταλυτικής ενεργότητας βρέθηκε ότι αυξάνει σύμφωνα με τη σειρά: LS2F/CGO/YSZ£ LSM/LSMSZ/CGO/YSZ<L58SCF/CGO/YSZ<L78SCF/CGO<YSZ. Η σειρά αυτή επιβεβαιώθηκε και από φάσματα σύνθετης αντίστασης σε συνθήκες ανοιχτού κυκλώματος. Στη συνέχεια της διατριβής, έγινε μελέτη της λειτουργίας κυψελίδος καυσίμου L58SCF-CGO (κάθοδος)/CGO/YSZ/Ni (1% at Au)-YSZ (άνοδος) με καύσιμο προπάνιο υπό συνθήκες εσωτερικής αναμόρφωσης του καυσίμου (συντροφοδοσία προπανίου με υδρατμό). Σαν κάθοδος χρησιμοποιήθηκε το σύνθετης αγωγιμότητας ηλεκτρόδιο L58SCF-CGO το οποίο στην παρούσα διατριβή βρέθηκε ότι έχει πολύ καλή ηλεκτροκαταλυτική ενεργότητα για την αναγωγή του οξυγόνου. Ως άνοδος χρησιμοποιήθηκε το state of the art ηλεκτρόδιο Ni-YSZ με προσθήκη μιας μικρής ποσότητας Au (1% at Au), με σκοπό την μείωση της ποσότητας του άνθρακα στην καταλυτική επιφάνεια. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν στο θερμοκρασιακό εύρος 600-750 οC, στην περιοχή δηλαδή ενδιάμεσων θερμοκρασιών στην οποία εστιάζεται σήμερα το μεγαλύτερο ερευνητικό ενδιαφέρον και σε στοιχειομετρικό λόγο υδρατμού προς προπάνιο, βασισμένο στη συνολική αντίδραση αναμόρφωσης του προπανίου από υδρατμό. Τα κύρια προϊόντα της αντίδρασης αναμόρφωσης ήταν τα H2, CO, CO2 και CH4 με το Η2 και το CO να ευνοούνται ισχυρά με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η μέγιστη ισχύς στους 750 οC βρέθηκε ίση με 34.3 mW/cm2 με αντίστοιχη πυκνότητα ρεύματος ίση με i = 100 mA cm-2. Η ισχύς αυτή είναι αρκετά ικανοποιητική δεδομένου του μεγάλου πάχους του στερεού ηλεκτρολύτη (0.5 mm). Το σύστημα επέδειξε εξαιρετική σταθερότητα κατά τη διάρκεια των μετρήσεων κάτι που επιβεβαιώθηκε και μέσα από ένα πείραμα σταθερότητας στους 800 oC διάρκειας 100 ωρών. / The current study consists of two parts. In the first part, the effect of electrochemical promotion (EP) or non-faradaic electrochemical modification of catalytic activity (NEMCA) was studied, in the catalytic reaction of the total oxidation of propane on Pt and Rh films deposited on Y2O3-stabilized-ZrO2 (or YSZ), an O2- conductor, in the temperature range 420–520 oC. In the case of Pt/YSZ and for oxygen to propane ratios lower than the stoichiometric ratio it was found that the rate of propane oxidation could be reversibly enhanced by application of both positive and negative overpotentials (‘‘inverted volcano’’ behavior), by up to a factor of 1350 and 1130, respectively. The induced rate increase Δr exceeded the corresponding electrochemically controlled rate I/2F of O2- transfer through the solid electrolyte, resulting in absolute values of the apparent faradaic efficiency Λ=Δ r/(I/2F) up to 2330. The Rh/YSZ system exhibited similar EP behavior. Abrupt changes in the oxidation state of the rhodium catalyst, accompanied by changes in the catalytic rate, were observed by changing the O2 to propane ratio and catalyst potential. The highest rate increases, by up to a factor of 6, were observed for positive overpotentials with corresponding absolute values of faradaic efficiency K up to 830. Rate increases by up to a factor of 1.7 were observed for negative overpotentials. The observed EP behavior is explained by taking into account the mechanism of the reaction and the effect of catalyst potential on the binding strength of chemisorbed reactants and intermediates and on the oxidative state of the catalyst surface. The effect of electrochemical promotion (EP) of propane combustion was also studied over a platinum film catalyst deposited on sodium β"-Al2O3, a Na+ conductor, in the temperature range 320–440oC. It was found that electrochemical pumping of sodium to the platinum surface markedly modifies its catalytic properties. For stoichiometric oxygen to propane ratio the system exhibited electrophobic behavior, i.e. addition of sodium resulted in decrease of the CO2 production rate. Relative changes in the catalytic rate by up to 60 times larger than the corresponding change in sodium coverage were measured. The observed behavior is explained by taking into account the reaction mechanism and the effect of the electrochemically controlled sodium coverage on the bonding of coadsorbed reactant species. Linear sweep and cyclic voltammetry were used to investigate the electrochemical processes taking place at the Pt/sodium β"-Al2O3 interface under conditions of electrochemical promotion of propane combustion and in mixtures of O2, CO2 or propane with helium, at temperatures between 320 and 480oC. The number, position and magnitude of the peaks in the obtained voltammograms were found to depend on gas phase composition, temperature, starting potential and pre-scan conditions. The results showed that under conditions of electrochemical promotion of propane combustion more than one sodium phases can be formed on the Pt catalyst surface as a result of electrochemical pumping of sodium ions to it. The possible electrochemical reactions involving sodium species and the identity of the formed sodium phases during electrochemical pumping are discussed on the basis of the results obtained and those of former studies. In the second part of the study, the electrochemical performance of L58SCF (La0.58Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ), LS2F (La0.9Sr1.1FeO4-δ), L78SCF (La0.78Sr0.2Co0.2Fe0.8O3-δ) and composite LSM (La0.65Sr0.3MnO3)/LSM-YSZ (50%wt-50%wt) cathode electrodes interfaced to a double layer CGO (Ce0.8Gd0.2O2)/YSZ electrolyte was studied using impedance spectroscopy and current-overpotential measurements. The experiments were carried out in the temperature range 600-850oC and, mainly, under flow of 21% O2/He mixture over the perovskite electrodes. The highest electrocatalytic activity for oxygen reduction was observed for the L78SCF cathode, according to the order: LS2F/CGO/YSZ £LSM/LSMSZ/CGO/YSZ<L58SCF/CGO/YSZ<L78SCF/CGO<YSZ. The composite electrode L58SCF-CGO was used in the last part of this study, combined with a carbon tolerant Au-modified (1% atomic ratio with respect to Ni) Ni-YSZ anode, prepared by combustion synthesis, to study the steam reforming of propane under stoichiometric oxygen to steam ratio. The experiments were carried out in the temperature range 600-750 oC, which is the target range for the successful commercialization of the intermediate temperature fuel cells. The main products of the reforming reaction were H2, CO, CO2 and CH4 with H2, CO to be strongly favored by the temperature increase. The maximum power density was found to be 34.3 mW/cm2 at 750oC with corresponding current density equal to i = 100 mA cm-2. The relatively low values of the current and power densities were mainly due to the large thickness of the electrolyte (0.5 mm). Overall, the system exhibited excellent stability during the experiment, which was confirmed through a 100 h stability test.

Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την απόκριση πολυώροφων κατασκευών ενισχυμένων με εμφάτνωση από οπλισμένο σκυρόδεμα και η αναλυτική προσέγγιση αυτών υπολογίζοντας τις χαρακτηριστικές ιδιότητες δυσκαμψίας, αντοχής και ικανότητας παραμόρφωσης του νέου τοιχώματος. Βεβαίως, ελέγχεται και η επίτευξη μονολιθικής σύνδεσης μεταξύ φατνώματος και μελών του περιμετρικού πλαισίου. Για το λόγο αυτό, κατασκευάζεται και δοκιμάζεται πειραματικά μέσω της υβριδικής μεθόδου με υποκατασκευές, ένα τετραώροφο πλαίσιο εμφατνούμενο από οπλισμένο σκυρόδεμα εξασφαλίζοντας την επαρκή σύνδεση του κορμού του τοιχώματος με το υφιστάμενο πλαίσιο. Ακολουθεί η διεξαγωγή μη - γραμμικής δυναμικής ανάλυσης προκειμένου να υπάρξει προσέγγιση των πειραματικών αποτελεσμάτων από τα αναλυτικά, καθώς και ο υπολογισμός των χαρακτηριστικών παραμορφώσεων και δυσκαμψίας του δοκιμίου σύμφωνα με τον Κανονισμό Επεμβάσεων (ΚΑΝ.ΕΠΕ.)και την υιοθέτηση ορισμένων παραδοχών, η αξιοπιστία των οποίων εξετάζεται μέσω της αναλυτικής προσέγγισης εναλλακτικού πειραματικού φορέα. / The aim of this thesis is to reach in conclusions about the response of existing multistorey reinforced concrete structures, retrofitted by reinforced condrete infill wall and also analytically approach that response computing the characteristic properties of stiffness, strength and deformation capacity of the new composite wall. Moreover, the effectiveness of the connection between the web and the surrounding frame members is under investigetion. For the aforementioned purposes, a 4-storey RC frame converted into slnder wall is constructed and tested by pseudo-dynamic method with substructures. In order to compare the experimental with the analytical results, a non-linear dynamic analysis is conducted and the deformation and stiffness of the specimen are determined by the use of some computtional assumptions, which derive from the computational procedure of the characteristic response parameters of the composite wall. Finally, the overall reliability and correctness of those assumptions is examined through the analytical procedure of a different exprimental project.

Η παρούσα διατριβή ασχολείται με την καμπτική ενίσχυση δοκών οπλισμένου σκυροδέματος με στρώσεις σκυροδέματος στο εφελκυόμενο ή στο θλιβόμενο πέλμα τους. Ιδιαίτερα ασχολείται με τον προσδιορισμό της ολίσθησης στη διεπιφάνεια τους. Συγκεκριμένα στο 1ο Κεφάλαιο γίνεται βιβλιογραφική ανασκόπηση για τις διεπιφάνειες σκυροδέματος. Παρουσιάζονται όλα τα προσομοιώματα που προτείνονται είτε σε Κανονισμούς, είτε από διάφορους ερευνητές, για τον προσδιορισμό της διατμητικής αντοχής της διεπιφάνειας, καθώς και για τον προσδιορισμό της σχέσης διατμητικής τάσης – ολίσθησης στη διεπιφάνεια σκυροδέματος. Στο 2ο Κεφάλαιο, παρουσιάζεται βιβλιογραφική ανασκόπηση για τις διεπιφάνειες σκυροδέματος με χάλυβα ή σύνθετα υλικά, σε σύμμικτες κατασκευές και σε μέλη ενισχυμένα με ελάσματα χάλυβα ή από ινοπλισμένα πολυμερή (ΙΟΠ), καθώς και πειραματικά αποτελέσματα κατανομής ολίσθησης σε διεπιφάνεια δοκών οπλισμένου σκυροδέματος ενισχυμένες με στρώση σκυροδέματος. Στο 3ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η πειραματική διερεύνηση δοκών οπλισμένου σκυροδέματος (Ο.Σ.) ενισχυμένων με στρώσεις σκυροδέματος. Εξετάστηκαν δύο ομάδες δοκιμίων. Στην πρώτη ομάδα εξετάστηκαν τέσσερα πρισματικά δοκίμια σκυροδέματος που ενισχύθηκαν με στρώση σκυροδέματος και στη συνέχεια δοκιμάστηκαν με φόρτιση τριών σημείων. Η δεύτερη ομάδα αναφέρεται σε πέντε δοκούς Ο.Σ. ενισχυμένες επίσης με στρώση σκυροδέματος, καθώς και σε αντίστοιχες μονολιθικές δοκούς που όλες δοκιμάστηκαν με φόρτιση τεσσάρων σημείων. Σε όλα τα δοκίμια και των δύο ομάδων μετρήθηκε η αντοχή τους καθώς και η ολίσθηση στη διεπιφάνεια τους. Στο 4ο Κεφάλαιο προτείνεται αναλυτική διαδικασία για τον υπολογισμό της ολίσθησης στη διεπιφάνεια σκυροδέματος και η εφαρμογή της στα πειραματικά δοκίμια που παρουσιάστηκαν στο Κεφάλαιο 3 καθώς και σε κάποια άλλα δοκίμια της βιβλιογραφίας που παρουσιάστηκαν στο 1ο Κεφάλαιο. Το 5ο Κεφάλαιο της παρούσας διατριβής, εξετάζει την επιρροή της συστολής ξήρανσης στο μέγεθος της ολίσθησης. Στο κεφάλαιο αυτό, παρουσιάζονται πειραματικές μετρήσεις της παραμόρφωσης και ολίσθησης λόγω συστολής ξήρανσης στα δοκίμια και των δύο ομάδων πειραματικών δοκιμίων που παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 3 και προτείνεται αναλυτικός τρόπος υπολογισμού της ολίσθησης και της διατμητικής τάσης στη διεπιφάνεια, συνυπολογίζοντας την επιρροή της συστολής ξήρανσης. Τέλος, παρουσιάζονται τα συνολικά συμπεράσματα που προέκυψαν στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, καθώς και προτάσεις για μελλοντική έρευνα. / The present thesis concerns the flexural strengthening of reinforced concrete (RC) beams by placing a new concrete layer on their compressive or tensile side. The main objective of the thesis is to evaluate interface slip. The first chapter is a literature review on concrete interfaces. Theoretical models, suggested by design codes or other researchers, for the calculation of the shear resistance and the relationship between the shear stress and the slip at the interface are presented. Moreover, experimental results for the shear stress against slip relationship at the concrete interface are given. The second chapter presents a literature review on the shear stress and slip distribution at concrete to steel or concrete to fibre reinforced polymer (FRP) interfaces. Theoretical and experimental results for the value of shear stress at the interface of concrete beams strengthened with steel or FRP plates and shear stress and slip distribution at the interface of composite steel and concrete beams are presented. The third chapter concerns an experimental investigation of RC beams strengthened with concrete layers. Two types of specimens are examined. The first group are prismatic RC specimens strengthened with a concrete layer and tested by three point bending. The second group contains 10 RC beams. Five are strengthened with a concrete layer on their compressive or tensile side, four are respective monolithic specimens and the final one is a control beam without any strengthening. These beams are tested under four point bending. In all tests, for both groups of specimens, load against deflection curves are determined and the slip along the interface is measured. An analytical evaluation of the slip at the interface of RC beams strengthened with concrete layers and the verification of the method comparing the analytical results with respective experimental results presented in Chapters one and three is presented in Chapter four. The shrinkage effect on interface slip and shear stress is examined in Chapter five. Experimental measurements of shrinkage strains and slip on specimens of both experimental groups presented in Chapter three are presented. An analytical evaluation of the extra slip and shear stress at the interface caused by shrinkage effect is also suggested. Finally, all results of the thesis and suggestions for future work are given.

Βασικός σκοπός της παρούσης διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας διαδικασίας προσδιορισμού της βέλτιστης στρατηγικής ενίσχυσης ενός υφιστάμενου ανεπαρκούς κτιρίου, αξιοποιώντας τα δεδομένα που προκύπτουν από την αποτίμησή του με χρήση της ανελαστικής στατικής ανάλυσης και συνεκτιμώντας τις καμπύλες που αντιστοιχούν σε εναλλακτικές λύσεις επέμβασης και προσδιορίζονται προσεγγιστικά. Επειδή η καμπύλη αντίστασης του αρχικού φορέα αποτελεί τη σημαντικότερη πληροφορία που αξιολογείται στα πλαίσια της διαδικασίας που αναπτύχθηκε, ένας έμμεσος στόχος της παρούσης διατριβής είναι η αξιολόγηση των προσομοιωμάτων συμπεριφοράς στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος που συμπεριλαμβάνονται στο σχέδιο του Ελληνικού Κανονισμού Επεμβάσεων (ΚΑΝ.ΕΠΕ.), τα οποία χρησιμοποιήθηκαν στα πλαίσια των αναλύσεων που πραγματοποιήθηκαν. Για τις ανάγκες της διερεύνησης των προσομοιώματων του ΚΑΝ.ΕΠΕ. και την ανάπτυξη της μεθόδου επιλογής στρατηγικής επέμβασης διενεργήθηκαν ανελαστικές αναλύσεις σε κτίρια που τα οποία είχαν μορφωθεί και διαστασιολογηθεί με βάση της επικρατούσες πριν το 1985 αντιλήψεις. Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας γίνεται μια εισαγωγή στο θέμα αποτίμησης και ενίσχυσης υφιστάμενων κατασκευών. Εντοπίζονται οι δυσκολίες και οι απαιτήσεις του προβλήματος της μελέτης υφιστάμενων κτιρίων και σχολιάζονται σύντομα τα υπάρχοντα κανονιστικά σχέδια για την αποτίμηση υφιστάμενων κατασκευών. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την αποτίμηση υφιστάμενων κτιρίων. Οι μέθοδοι διακρίνονται σε ελαστικές και ανελαστικές. Η στατική ανελαστική ανάλυση παρουσιάζεται εκτενέστερα, καθώς χρησιμοποιείται για τις αναλύσεις που πραγματοποιούνται. Συγκεκριμένα αναφέρονται οι παραδοχές στις οποίες βασίζεται και παρουσιάζονται τρεις διαφορετικές διαδικασίες για τον προσδιορισμό της στοχευόμενης μετατόπισης. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στη μέθοδο των ανελαστικών φασμάτων απαίτησης, στην οποία βασίζεται η διαδικασία επιλογής στρατηγικής επέμβασης που αναπτύχθηκε. Το τρίτο κεφάλαιο αφορά τα προσομοιώματα συμπεριφοράς στοιχείων Ο/Σ που χρησιμοποιούνται σε ανελαστικές αναλύσεις. Συγκεκριμένα παρουσιάζεται αναλυτικά το προσομοίωμα του ΚΑΝ.ΕΠΕ. που υιοθετείται στη συνέχεια για τις ανάγκες της προσομοίωσης των κτιρίων που αναλύονται. Σύντομη αναφορά γίνεται και σε άλλα προσομοιώματα, τα οποία προτείνονται σε σχέδια κανονισμών ή ερευνητικές εργασίες. Στο τέταρτο κεφάλαιο εξετάζονται αναλυτικά τα προτεινόμενα από τον ΚΑΝ.ΕΠΕ. προσομοιώματα συμπεριφοράς των δομικών στοιχείων και η χρήση τους για την σεισμική αποτίμηση με χρήση της μη-γραμμικής στατικής ανάλυσης. Οι προτεινόμενες σχέσεις χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση των μελών δύο ιδεατών κτιρίων και ενός πραγματικού. Εξετάζονται πιθανές αποκλίσεις μεταξύ των διατιθέμενων σχέσεων, καθώς και η επιρροή διαφορετικών παραδοχών για τις τιμές του μήκους διάτμησης και του ανηγμένου αξονικού φορτίου στα προσδιοριζόμενα μεγέθη. Τέλος ελέγχεται η επίδραση των ίδιων παραμέτρων στην τελική μορφή της καμπύλης τέμνουσας βάσης – μετατόπισης και στα συμπεράσματα της διαδικασίας αποτίμησης. Το πέμπτο κεφάλαιο αναφέρεται στις στρατηγικές ενίσχυσης υφιστάμενων κτιρίων. Συγκεκριμένα αρχικά γίνεται η διάκριση μεταξύ στρατηγικής και τεχνικής επέμβασης. Στη συνέχεια αναφέρονται και σχολιάζονται διαδικασίες για την επιλογή της κατάλληλης στρατηγικής επέμβασης που αναπτύχθηκαν παλαιότερα. Ακολούθως παρουσιάζεται η προτεινόμενη διαδικασία για την επιλογή της κατάλληλης στρατηγικής επέμβασης. Αναφέρονται οι βασικές παραδοχές που λαμβάνονται και τα βήματα υπολογισμών που πραγματοποιούνται. Τέλος η προτεινόμενη διαδικασία εφαρμόζεται σε δύο ιδεατά κτίρια και παρουσιάζονται αναλυτικά τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα που αφορούν τις απαιτούμενες ενισχύσεις στα κτίρια που αναλύονται. Στο έκτο κεφάλαιο επιχειρείται η σύνδεση των εκτιμώμενων καμπυλών συμπεριφοράς για τα ενισχυμένα κτίρια, οι οποίες προκύπτουν από τη διαδικασία επιλογής στρατηγικής επέμβασης που αναπτύχθηκε, με τις απαιτούμενες επεμβάσεις στα μέλη. Σκοπός είναι να προκύψει μια διαδικασία προδιαστασιολόγησης των ενισχύσεων. Ορίζονται αδιάστατες παράμετροι που συσχετίζουν τα χαρακτηριστικά του φορέα με αυτά των μελών. Αναλύονται φορείς που προκύπτουν από υλοποίηση εναλλακτικών ενισχύσεων στα κτίρια στα οποία εφαρμόστηκε η προτεινόμενη διαδικασία και εξετάζεται πως μεταβάλλεται η τιμή των παραμέτρων που ορίστηκαν. Με βάση τα αποτελέσματα των ανελαστικών αναλύσεων και των υπολογισμών που παρουσιάζονται, διατυπώνονται απλοί κανόνες για την αρχική διαστασιολόγηση των επεμβάσεων στα μέλη. Στο τελευταίο κεφάλαιο γίνεται μια προσπάθεια ερμηνείας των αποτελεσμάτων των διερευνήσεων που παρουσιάσθηκαν ώστε να προκύψουν γενικότερα συμπεράσματα για τη διαδικασία επιλογής στρατηγικής επέμβασης που αναπτύχθηκε. Από τη διερεύνηση που πραγματοποιήθηκε προκύπτει πως με χρήση της προτεινόμενης μεθόδου εκτιμώνται με ικανοποιητική ακρίβεια οι καμπύλες συμπεριφοράς των ενισχυμένων κατασκευών για δύο ακραίες περιπτώσεις επέμβασης (αύξηση αντοχής - δυσκαμψίας και αύξηση πλαστιμότητας), η αξιολόγηση των οποίων μπορεί να οδηγήσει σε μια αξιόπιστη επιλογή της βέλτιστης στρατηγικής ενίσχυσης, χωρίς να απαιτούνται εμπειρικού χαρακτήρα εκτιμήσεις. Τέλος είναι δυνατόν να γίνει μια συντηρητική εκτίμηση των απαιτούμενων επεμβάσεων στα μέλη, η οποία κατευθύνει σε μεγάλο βαθμό την τελική επιλογή λύσης. / The main aim of the present thesis is the development of a procedure to determine the optimum retrofit strategy for an existing building, using the results obtained from the assessment of the building via non-linear static analysis and evaluating the capacity curves that correspond to the application of different strengthening solutions for the building under consideration. The latter curves are approximated without further analysis. Because of the significance of the capacity curve of the original building which is taken into consideration in the proposed strategy selection procedure, a second aim of this thesis is the evaluation of the analytical models for the behavior of Reinforced Concrete (R/C) members which are included in the first and second draft versions of the Greek Retrofitting Code (GRECO). These were used to create the numerical models of the buildings that have been analyzed. In order to develop the proposed procedure for the selection of the optimum retrofit strategy, as well as to evaluate the proposed models that are referred above, three buildings have been analyzed via non-linear static analysis (pushover analysis). The dimensioning of members of these buildings complies with the regulatory demands of the prior to 1985 Greek building Codes. In the first chapter of the present thesis, a brief introduction to the topic of assessment and strengthening of existing buildings is conducted. The basic difficulties of the problem of analyzing existing structures are pointed. Finally, draft codes that have been developed for the assessment and rehabilitation of existing buildings are reviewed briefly. In the second chapter, the basic analysis procedures that are used for the assessment of existing buildings are presented. The available procedures are separated into linear and non-linear. Non-linear static (pushover) analysis is presented thoroughly since it is used for the analyses of the buildings referred above. The basic assumptions of this analysis procedure are described as well as three different methods to determine the target displacement (or performance point). The capacity spectrum method is presented in detail, since it is the basis for the development of the proposed strategy selection procedure. The third chapter refers to the analytical models for the behavior of R/C members that are used in non-linear analyses. The models proposed in GRECO, which have been used in terms of the analyses of the buildings that were examined in this thesis, are presented thoroughly. Other models included in draft codes (such as FEMA 356) or proposed by researchers are briefly reviewed. In the fourth chapter, the analytical models for the behavior of R/C members that are included in GRECO are presented in detail. Moreover, the application of the above models in the assessment of existing buildings using pushover analysis is examined. The proposed equations are applied to model the behavior of the members of three buildings, in order to examine whether the use of different equations leads to significantly different results for the inelastic deformation capacities of the members. Furthermore, the impact of different assumptions for parameters, such as the non-constant axial load, to the results of the above equations is discussed. Finally, the effect of the above parameters in the capacity curve of the building, which is being analyzed, is examined. In the fifth chapter, the strategies for the retrofit of existing buildings are discussed. The difference between retrofit techniques and retrofit strategies is stated. Available procedures for the selection of the optimum retrofit strategy are reviewed and commented. Furthermore, the procedure proposed in this thesis is presented. The basic assumptions and the required calculations are stated. Finally, the procedure is applied for the selection of the optimum retrofit strategy of two of the buildings analyzed earlier in the present thesis. The results and main conclusions are referred briefly. In the sixth chapter, the estimated capacity curves of the strengthened buildings, which arise from the strategy selection procedure that has been developed, are correlated with the required rehabilitation measures for the members. The buildings under consideration are analyzed taking into account the application of different rehabilitation scenarios and several parameters such as the strength or ductility of the retrofitted members in regard with that of the entire building are evaluated. Finally a simplified procedure for the estimation of the needed rehabilitation measures for the members in order to achieve the targeted capacity curve for the structure is proposed. In the final chapter, the results concerning the proposed procedure for the estimation of the optimum retrofit strategy for an existing building are reviewed and the main conclusions are presented. The use of the proposed procedure results in the estimation of the capacity curve of the rehabilitated building with acceptable accuracy, considering two “extreme” retrofit scenarios (system strengthening and stiffening or increasing the ductility of the building). The evaluation of these two curves leads to the selection of the optimum retrofit strategy for a building, which usually combines the effects of the above scenarios. Finally, it is possible to estimate the required retrofit measures for the members of the structure under consideration, although the results are conservative and can be used only for the needs of the initial evaluation discussed in this thesis.

O σχεδιασμός και η ανάπτυξη μιας σύγχρονης αεροναυπηγικής κατασκευής περιλαμβάνει ως επιμέρους φάσεις (μεταξύ άλλων) τον αρχικό και τον προκαταρκτικό σχεδιασμό. Οι φάσεις αυτές έχουν ιδιαίτερη σημασία διότι εκεί δίνεται η αρχική μορφή και οι διαστάσεις της κατασκευής. Είναι γεγονός ότι η συμβατική σχεδίαση των βασικών δομικών στοιχείων των αεροσκαφών έχει φτάσει σε πολύ υψηλό επίπεδο βελτιστοποίησης που επιδέχεται πλέον μόνο μικρά περιθώρια περαιτέρω βελτίωσης. Οι σύγχρονες όμως απαιτήσεις των ελαφρών κατασκευών, όπως δραστική μείωση του βάρους, αύξηση του ωφέλιμου φορτίου κτλ. ωθεί τις αεροναυπηγικές βιομηχανίες στη δημιουργία δομών που ξεφεύγουν από τις παραδοσιακές (μη-συμβατικές δομές). Παράλληλα με τα παραπάνω γίνεται προσπάθεια για μερική αντικατάσταση μεταλλικών υλικών από σύνθετα υλικά στις πρωτεύουσες δομές αεροναυπηγικών κατασκευών. Για να σχεδιαστούν και να εξελιχθούν μη-συμβατικές αεροναυπηγικές δομές χωρίς να καταφύγει κάποιος σε εκτενείς πειραματικές δοκιμές, η σύγχρονη τάση είναι η ανάπτυξη και ο συνδυασμός προτύπων συμπεριφοράς στη λογική της εξομοίωσης των πειραματικών δοκιμών. Η εξομοίωση αυτή επιτυγχάνεται με τη βοήθεια ηλεκτρονικών υπολογιστών και κατάλληλων μεθόδων βασισμένων στη θεωρία των πινάκων (Πεπερασμένα Στοιχεία, Συνοριακά Στοιχεία κλπ.). Στη φάση του αρχικού και προκαταρκτικού σχεδιασμού η εφαρμογή των μεθοδολογιών προσομοίωσης δεν είναι πάντοτε εύκολη και απλή, λόγω των πολλαπλών αλλαγών στη γεωμετρία, το υλικό και τις κατασκευαστικές λεπτομέρειες που πραγματοποιούνται στη δομή κατά την επαναληπτική διαδικασία του σχεδιασμού. Επομένως, η αποκλειστική χρήση αριθμητικών μεθόδων ανάλυσης καθίσταται αναποτελεσματική από άποψη χρονικών απαιτήσεων, αν δεν συνοδεύεται από αναλυτικές ή ημιαναλυτικές προσεγγίσεις επιμέρους προβλημάτων του σχεδιασμού. Βασικό μέρος του προκαταρκτικού σχεδιασμού μιας πτέρυγας μη συμβατικής δομής αποτελεί η αποφυγή της αστοχίας του άνω τμήματός της, διότι οι λεπτότοιχες ενισχυμένες με δοκούς πλάκες που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή υφίστανται λυγισμό λόγω των θλιπτικών φορτίσεων που κυρίως παραλαμβάνουν. Η διαστασιολόγηση των σύνθετων πλακών που φέρουν δοκούς ενίσχυσης στις κατασκευές αυτές απαιτούν συνήθως πλήθος επαναληπτικών υπολογισμών για διαφορετικές γεωμετρίες, φορτίσεις, οριακές συνθήκες κλπ. Η εξέταση της κάθε περίπτωσης μεμονωμένα με τη χρήση αριθμητικών μεθόδων καθιστά την επίλυση ολόκληρης της κατασκευής εξαιρετικά χρονοβόρα. Για το λόγο αυτό, στη φάση της αρχικής θεωρητικής μελέτης και της αρχικής διαστασιολόγησης η χρησιμοποίηση αναλυτικών μεθόδων για την εύρεση του κρίσιμου φορτίου λυγισμού πλακών με δοκούς ενίσχυσης οδηγεί στην εξοικονόμηση υπολογιστικού κόστους. Επομένως, η ανάπτυξη αναλυτικών ή ημιαναλυτικών μεθόδων προσδιορισμού των φορτίων λυγισμού ενισχυμένων με δοκούς συνθέτων πλακών και κελυφών θεωρείται πολύ σημαντική. Για τον σκοπό αυτό, στο πλαίσιο αυτής της διατριβής, αναπτύσσονται αναλυτικές και ημιαναλυτικές λύσεις για το λυγισμό πολύστρωτων πλακών ενισχυμένων με ενισχυτικές διαμήκεις δοκούς, οι οποίες ενσωματώνονται σαν κριτήρια στη μέθοδο διαστασιολόγησης της δομής. Η μεθοδολογία συμπληρώνεται με πλήθος άλλων κατάλληλων κριτηρίων για τον έλεγχο της αντοχής των δομικών στοιχείων της πτέρυγας καθώς και με κριτήρια για την επαναδιαστασιολόγηση των στοιχείων κατά την επαναληπτική διαδικασία της βελτιστοποίησης. Με τη μεθοδολογία που αναπτύσσεται διερευνούνται διατάξεις δομής πτερύγων από σύνθετα υλικά με πολυάριθμες κύριες δοκούς. Πιο συγκεκριμένα, αναπτύσσονται αναλυτικές/ημιαναλυτικές λύσεις ολικού και τοπικού λυγισμού πλακών που φέρουν δοκούς ενίσχυσης. Όσον αφορά τον ολικό λυγισμό αναπτύσσεται μια μεθοδολογία που βασίζεται στη μαθηματική μετατροπή μιας πλάκας που φέρει δοκούς ενίσχυσης σε μια ισοδύναμη ομογενή πλάκα. Η αναπτυχθείσα μεθοδολογία ομογενοποίησης των ενισχυμένων πλακών εμφανίζει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τις αντίστοιχες ήδη υπάρχουσες. Παράλληλα, η ενεργειακή μέθοδος Rayleigh-Ritz εφαρμόζεται για τη λύση προβλημάτων λυγισμού μερικώς ανισότροπων πλακών με ενισχυτικές δοκούς από σύνθετα υλικά, λαμβάνοντας διακριτά υπόψη τις ενισχυτικές δοκούς. Όσον αφορά το πρόβλημα του τοπικού λυγισμού, αναπτύσσεται μια νέα μεθοδολογία για την εύρεση των κρίσιμων φορτίων τοπικού λυγισμού λεπτότοιχης πλάκας με χρήση ενεργειακών μεθόδων. Το μαθηματικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για την περίπτωση του τοπικού λυγισμού της επικάλυψης είναι η απομόνωση του τμήματος της επικάλυψης μεταξύ δυο ενισχυτικών δοκών και η αντικατάσταση της δυσκαμψίας της υπόλοιπης πλάκας με ελατήρια μεταβλητής δυσκαμψίας. Η μεθοδολογία αυτή επεκτείνεται και στον προσδιορισμό της μεταλυγισμικής συμπεριφοράς μιας πλάκας ενισχυμένης με διαμήκεις δοκούς. Οι παραπάνω μεθοδολογίες υπολογισμού του κρίσιμου φορτίου λυγισμού που αναπτύσσονται, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, εφαρμόζονται στη διαστασιολόγηση πτέρυγας μη συμβατικής δομής από σύνθετα υλικά με πολυάριθμες κύριες δοκούς, σε αντίθεση με τις συμβατικές πτέρυγες (με δύο κύριες δοκούς). Η ανάλυση τάσεων της πτέρυγας πραγματοποιείται με τη βοήθεια της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων. Η τελική διαστασιολόγηση επιτυγχάνεται με επαναληπτική διαδικασία βελτιστοποίησης βασισμένη σε αναλυτικές και ημιαναλυτικές σχέσεις. Με τον τρόπο αυτό, συγκρίνεται λεπτομερώς η συμβατική δομή πτέρυγας με 2 κύριες δοκούς και οι αντίστοιχες πτέρυγες με 4, 5 και 6 κύριες δοκούς. Για την περαιτέρω βελτιστοποίηση της συμπεριφοράς της πτέρυγας, διερευνάται η επίδραση που έχει η αλλαγή των μηχανικών ιδιοτήτων του υλικού και των επιτρεπόμενων ορίων παραμόρφωσης στη δυνατότητα ελαχιστοποίησης της μάζας της πτέρυγας. Υπολογίστηκε ότι κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες η χρήση της μη συμβατικής πτέρυγας μπορεί να οδηγήσει σε μείωση μάζας μέχρι και 12%. / The design and development of a modern aerospace structure consists of many design stages. The most important stages are the conceptual and the preliminary where the initial sizing of the structure is obtained. It is known that the conventional design of the aircraft’s main structural members has reached a high optimization level, where margins for further improvement are small. The current demands of the lightweight structures such as weight reduction, payload increase etc. have led the aerospace industries develop unconventional structures and partially substitute the metallic materials of the primary structures with composites. The current trend of designing and evolving unconventional aerospace structures, without performing extended experimental tests, leads to the development of behavior models. The simulation of the experimental tests (through the behavior models) is achieved using high performance computers and numerical methods (Finite Element Method, Boundary Element Method etc). To apply simulation methods during the conceptual and preliminary stage is not an easy task. Most of the difficulties are the numerous geometrical, material parameters and the structural details that alter during the iterative process of the design. So, the exclusive usage of numerical analysis methods becomes very time consuming, if it is not accompanied by analytical or semi analytical methods of the sub-problems of the design. Part of the preliminary design of an unconventional wing structure is to prevent upper skin from failure. The stiffened panels that comprise the upper skin of the wing suffer from buckling due to the applied compressive loads. The sizing of the composite stiffened panels usually requires numerous of iterative calculations for various geometries, loading and boundary conditions etc. The examination of each case separately, with the use of numerical methods, results to time consuming analyses of the entire structure. Therefore, the development of appropriate analytical or semi analytical methods for estimating stiffened panels’ critical buckling load is of great importance. For this purpose, in the present thesis, analytical and semi analytical methodologies are developed for estimating the critical buckling load of stiffened panels. The developed methodologies are incorporated as design criteria in the sizing routine of the entire structure. The sizing routine comprises additional sizing criteria for checking the strength of wing’s structural members at each phase of the iterative process. Applying the developed sizing routine in various wing configurations made of composite materials, multispar wing designs are studied. Specifically, analytical and semi analytical methods for global and local buckling problems of stiffened panels are developed. The methodology of global buckling problems is based on the mathematical conversion of a stiffened panel to an equivalent homogeneous panel. The developed method of homogenization of stiffened panels appears to have significant advantages over the already existed homogenization methods. Additionally, the energy method Rayleigh-Ritz is applied for solving global buckling problems of stiffened panels with partial anisotropy considering discrete stiffeners. Regarding local buckling problems of stiffened panels, a new methodology is developed for estimating the critical local buckling load with the use of energy methods. The approach considers the stiffened panel segment located between two stiffeners, while the remaining panel is replaced by equivalent transverse and rotational springs of varying stiffness, which act as elastic edge supports. The buckling analysis of the segment provides an accurate and conservative prediction of the panel local buckling behavior. Consequently, the developed methodology is extended in the prediction of post-buckling response of stiffened panels where skin has undergone local buckling. The developed methodologies for calculating the critical buckling load are applied for sizing the wing members of an unconventional wing (multispar configuration) from composite materials. An efficient methodology based on fast Finite Element (FE) stress analysis combined to analytically formulated design criteria is presented for the initial sizing of a large scale composite component. A detailed comparison between optimized designs of conventional (2-spar) and three alternative wing configurations which comprise 4-, 5-, and 6-spars for the wing construction is performed. In order to understand the effect of different material properties, as well as the variation of maximum strain level allowed in the total wing mass, parametric analyses are performed for all wing configurations considered. It arises that under certain conditions the multispar configuration demonstrates significant advantages over the conventional design. This would lead to a mass reduction of 12%.