Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την στατική ανάλυση και την ανάλυση κόπωσης διαξονικού ιχνηλάτη φωτοβολταϊκής εγκατάστασης. Η σχεδίαση της κατασκευής γίνεται στο σχεδιαστικό πακέτο Catia V5, τα στατικά φορτία υπολογίζονται με βάσει τον διεθνή κανονισμό Eurocode 1 , τα δυναμικά φορτία ανέμου υπολογίζονται βάσει το Kaimal spectrum ενώ οι αναλύσεις γίνονται στο λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων Msc.Patran-Nastran. Η εργασία αποτελείται από επτά (7) κεφάλαια εκ των οποίων το έβδομο είναι τα συμπεράσματα. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγή για τους τύπους στήριξης των φωτοβολταϊκών πλαισίων και για τις βασικές παραμέτρους της ηλιακής τεχνικής και της τροχιάς του ηλίου. Τέλος, υπολογίζονται οι δύο βασικές ηλιακές γωνιές αζιμούθια και ζενίθια κατά την διάρκεια του έτους ώστε να καθοριστούν οι κινήσεις της διάταξης του tracker. Στο κεφάλαιο 2 αναλύεται ο τρόπος σχεδίασης του ιχνηλάτη στο σχεδιαστικό πρόγραμμα Catia-v5. Συγκεκριμένα, προβάλλονται αναλυτικά τα βασικότερα μέρη της κατασκευής και τα τμήματα που συναρμολογήθηκαν ώστε να δημιουργηθεί η διάταξη.Tέλος, παρουσιάζονται οι σύνδεσμοι που επιτρέπουν την κίνηση του ιχνηλάτη και οι βαθμοί ελευθερίας που περιορίζονται από τον καθένα. Στο κεφάλαιο 3 αρχικά παρουσιάζονται οι μεθοδολογίες υπολογισμού των αδρανειακών φορτίων της ίδιας της κατασκευής, των αδρανειακών φορτίων των φ/β πλαισίων, των φορτίων χιονιού και των φορτίων ανέμου βάσει του Ευρωκώδικα 1. Έπειτα, παρουσιάζεται η μεθοδολογία υπολογισμού των δυναμικών φορτίων ανέμου που επιδρούν στην κατασκευή και ύστερα προβάλλονται τα αποτελέσματα των υπολογισμών. Τέλος, γίνεται μια αναφορά στις ιδιότητες και στην μηχανική συμπεριφορά των υλικών από τα οποία αποτελείται η κατασκευή του tracker. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται μια σύντομη αναφορά στην θεωρία και στους τύπους των πεπερασμένων στοιχείων που χρησιμοποιούνται στην μοντελοποίηση του ιχνηλάτη. Και εν συνεχεία παρουσιάζονται διεξοδικά οι διαδικασίες μοντελοποίησης όλης της κατασκευής αλλά και τμημάτων της με στοιχεία δοκού, στοιχεία κελύφους και στοιχεία όγκου. Το κεφάλαιο 5 παρουσιάζει την διαδικασία υπολογισμού της ζωής σε κόπωση που ακολουθεί η υπορουτίνα του Msc.Fatigue στο πρόγραμμα των πεπερασμένων στοιχείων. Τέλος στο κεφάλαιο 6, παρουσιάζονται οι αναλύσεις που έγιναν ώστε να βρεθούν οι δυσμενέστερες καταστάσεις της κατασκευής αλλά και τα αντίστοιχα αποτελέσματα. / Current study deals with the static analysis of the double-axis solar tracker structure and the fatigue analysis of it, using finite elements techniques. The design of structure is done in the Catia V5 design software, the static loads are calculated according to Eurocode 1 Standard , the dynamic wind loads are calculated according to Kaimal Spectrum which is used to model dynamic loads in Sign structures while the analyses are carried out in the Msc. Patran-Nastran Finite Element Analysis program. The study consists of seven (7) parts and the last one refers to conclusions. In the first section, the types of PV panel support and the basic parameters of solar energy and of solar track are mentioned. Finally, the two basic solar angles such as azimuth and zenith are calculated during a year period with the purpose of determination of tracker motion. In section two, the way the sun tracker has been designed in Catia V5 is analyzed. Specifically, the main parts of steel structure and the parts that were assembled so that the order be created are presented. Finally, the connections of two main subparts of structure, which allow the movement of structure, and the degrees of freedom, which are constrained by each one, are presented. In section 3, firstly, the calculation methodology of inertial loads of the structure and of the PV panels and the calculation methodology of snow and wind loads are presented in according to Eurocode 1 Standard. Then, the calculation method of dynamic wind loads, which affect the construction, and the results of calculations are presented. In the end of this section, a report of material properties and behavior, which are used in the tracker structure, is presented. In addition, in section 4, the theory and the types of finite elements, which are used in the structure modeling, are presented. Subsequently, the procedures of structure modeling with beam, shell and 3-d finite elements are analytically presented. In section 5, the background of total-life calculation that is used by the subroutine of Msc.Fatigue in Finite Element Analysis program Msc. Patran-Nastran is reviewed. In section 6, the static and fatigue analyses, which are carried out in order to find the unfavorable load situations of structure and analyses results, are presented.

Αντικείμενο του παρόντος άρθρου αποτελεί η ανάλυση της συμπεριφοράς πασσάλου, υπό αξονική φόρτιση μεγάλου εύρους, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε απώλεια φέρουσας ικανότητας. Συγκεκριμένα, εξετάζεται ο συντελεστής στατικής δυσκαμψίας μεμονωμένου κατακόρυφου πασσάλου εμπεδωμένου σε ομοιογενές ή πολυστρωματικό έδαφος τυχαίας γεωμετρίας και μηχανικών ιδιοτήτων. Για την επίλυση του προβλήματος αναπτύσσεται αναλυτική λύση κλειστού τύπου βασισμένη στη θεωρία Winkler. Στο εν λόγω μοντέλο η προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς του εδάφους γίνεται μέσω μή-γραμμικών ελατηρίων “t-z” τοποθετημένων κατά μήκος του άξονα και στη βάση του πασσάλου, σε συνδυασμό με συναρτήσεις σχήματος, οι οποίες περιγράφουν αξιόπιστα την μεταβολή της κατακόρυφης μετακίνηση του πασσάλου με το βάθος. Με επιλογή κατάλληλης συνάρτησης σχήματος και καμπυλών “t-z”, και μετά από επαναληπτική διαδικασία εφαρμογής, επιτυγχάνεται ικανοποιητική ακρίβεια στην τιμή της δυσκαμψίας για κατακόρυφη μετακίνηση στην κεφαλή του πασσάλου. Σε αντίθεση με τις κλασικές αριθμητικές λύσεις, η προτεινόμενη μέθοδος δεν απαιτεί διακριτοποίηση του πασσάλου σε πεπερασμένα στοιχεία (και στη συνέχεια επίλυση ενός συστήματος γραμμικών εξισώσεων μεγάλης τάξης), παρά μόνο σε "κελιά" με στόχο την ολοκλήρωση με το βάθος. Έτσι, τα παραγόμενα αποτελέσματα είναι διαχείρισιμα ακόμα και μέσω απλού φύλλου εργασίας σε Excel ή και υπολογιστή τσέπης. Η μέθοδος προγραμματίστηκε σε περιβάλλον Visual Basic 2010, κυρίως λόγω της δυνατότητας γραφικής παρουσίασης των αποτελεσμάτων και τη σύγκρισή τους με αντίστοιχα αποτελέσματα από άλλες μεθόδους. Τα αποτελέσματα κρίνονται ως ιδιαίτερα ενθαρρυντικά, καθώς συγκλίνουν ικανοποιητικά σε αυτά αυστηρότερων μεθόδων, χωρίς ανάγκη περίπλοκης αριθμητικής ανάλυσης η οποία να ξεφεύγει από τις γνώσεις και δυνατότητες του Γεωτεχνικού Μηχανικού. / In the present work the behavior of a pile submitted to large range lateral loading is analyzed, which may lead to failure of both the surrounding soil and the pile itself either at the head or in depth. Namely, we examine the static stiffness coefficients for displacement and rotation of a flexible pile, vertically embedded in a homogeneous or multilayer soil of random geometry and mechanical properties. To solve the problem, a simple analytical method is developed, based on Euler–Bernoulli classic beam model, incremented with non linear Winkler Springs. The non-linear behaviour of the pile is described in a cross-sectional plane through moment-curvature diagram. The model is used in combination with the principle of work and suitable shape functions, which describe reliably the elastic line of the pile when the lateral load is gradually increasing. By iterative implementation of the method, realistic predictions are achieved in the stiffness coefficients in swaying, rocking and cross-swaying-rocking. The number of iterations is relatively small if the stress level of the system is not significantly increased compared with the previous load step. Unlike classic numerical solutions, the proposed method does not require discretization of the pile into finite elements (resulting to solve a system of linear equations), but only in "cells", to integrate with depth. In this way, results can be generated throughout a simple worksheet or even a calculator. The method was implemented in a Visual Basic 2010 environment, mainly for reasons of graphical presentation and comparison of the results to other coming from relevant methods. The results of the aforementioned method are considered satisfactory, as they converge fairly well with those coming from more rigorous methods based on complicated numerical analyses. The results of the herein proposed method are also compared to experimental in situ results relatively successfully.

Στην εργασία αυτή διερευνάται η δυναμική απόκριση κρυογενικών δεξαμενών υγροποιημένου φυσικού αερίου υποκείμενων σε δράση σεισμού. Επειδή οι εν λόγω δεξαμενές αποτελούν κρίσιμα στοιχεία για τη λειτουργία ενός συστήματος διανομής φυσικού αερίου και επειδή ενδεχόμενη καταστροφική αστοχία τους θα είχε δυσβάστακτες κοινωνικές επιπτώσεις, ιδιαίτερα αυστηρές απαιτήσεις ισχύουν σχετικά με τον αντισεισμικό σχεδιασμό τους. Για το σχεδιασμό έναντι σεισμού προδιαγράφονται συνήθως ένα σεισμικό γεγονός με μέση περίοδο επαναφοράς της τάξης των 500 ετών, κατά το οποίο οι δεξαμενές απαιτείται να παραμένουν πλήρως λειτουργικές, και ένα σεισμικό γεγονός με μέση περίοδο επαναφοράς της τάξης των 5000 έως 10000 ετών, κατά το οποίο απαιτείται η εξασφάλιση της ασφαλούς διακοπής της λειτουργίας των δεξαμενών, ενώ ελάχιστη μόνο βλάβη είναι αποδεκτή στα δομικά στοιχεία τους. Οι εν λόγω δεξαμενές αποτελούνται από δύο κελύφη: Ένα εξωτερικό κυλινδρικό κέλυφος από προεντεταμένο σκυρόδεμα με θολωτή στέγη από οπλισμένο σκυρόδεμα και ένα εσωτερικό κέλυφος από κρυογενικό χάλυβα, εντός του οποίου αποθηκεύεται το προϊόν. Τα δύο κελύφη εδράζονται σε κοινή πλάκα βάσης. Στην εργασία αυτή εξετάζονται δύο εναλλακτικοί τρόποι έδρασης της πλάκας βάσης: α) απλή έδραση επί του διαμορφωμένου εδάφους και β) εφαρμογή κάποιας διάταξης σεισμικής μόνωσης επί της οποίας εδράζεται η πλάκα βάσης. Ειδικότερα, εξετάζονται τα ακόλουθα συστήματα σεισμικής μόνωσης: α) μόνωση με ελαστομεταλλικά εφέδρανα με ελαστομερές υψηλής απόσβεσης, β) μόνωση με ελαστομεταλλικά εφέδρανα με πυρήνα μόλυβδου, και γ) μόνωση με συνδυασμό γραμμικών ελαστομεταλλικών εφεδράνων και μη γραμμικών αποσβεστήρων. Στις ιδιαιτερότητες του δυναμικού προβλήματος περιλαμβάνονται, εκτός από την επίδραση της μόνωσης, η δυναμική αλληλεπίδραση των δύο κελυφών, η δυναμική αλληλεπίδραση υγρού-δεξαμενής, ο κυματισμός της ελεύθερης επιφάνειας του υγρού και η δυναμική αλληλεπίδραση εδάφους-δεξαμενής. Τα φαινόμενα αυτά λαμβάνονται υπόψη στην ανάλυση. Για τη μελέτη του κυματισμού της ελεύθερης επιφάνειας χρησιμοποιείται η γραμμική θεωρία κυμάτων. Για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης υγρού-δεξαμενής εφαρμόζεται μια προσέγγιση τύπου Lagrange με χρήση πεπερασμένων στοιχείων υγρού. Για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης εδάφους-δεξαμενής χρησιμοποιούνται συγκεντρωμένα στοιχεία δυσπαραμορφωσιμότητας και απόσβεσης. Επίσης, συγκεντρωμένα στοιχεία δυσπαραμορφωσιμότητας και απόσβεσης χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση των συστημάτων μόνωσης. Τα χαρακτηριστικά των παραπάνω συγκεντρωμένων στοιχείων για την προσομοίωση της αλληλεπίδρασης εδάφους-δεξαμενής και των συστημάτων μόνωσης επιλέγονται με βάση ρεαλιστικές υποθέσεις για τις δυναμικές ιδιότητες του εδάφους θεμελίωσης και τα χαρακτηριστικά των συστημάτων μόνωσης. Δύο περιπτώσεις υφιστάμενων δεξαμενών υιοθετούνται προς ανάλυση. Οι δύο δεξαμενές διαφέρουν κυρίως ως προς τη χωρητικότητα και το λόγο ύψους προς ακτίνα. Και οι δύο δεξαμενές έχουν μελετηθεί και κατασκευαστεί χωρίς σεισμική μόνωση. Ένα συνθετικό επιταχυνσιογράφημα συμβατό με το φάσμα απόκρισης σχεδιασμού του Ευροκώδικα 8 για λόγο απόσβεσης 5%, για την αντίστοιχη κατηγορία εδάφους και για μέγιστη εδαφική επιτάχυνση λίγο μεγαλύτερη από αυτή για την οποία είναι σχεδιασμένες οι δεξαμενές περιγράφει τη διέγερση της κατασκευής στην οριζόντια διεύθυνση. Για την ανάλυση αναπτύσσεται ένα συνολικό παραμετρικό προσομοίωμα πεπερασμένων στοιχείων το οποίο περιλαμβάνει τα δύο κελύφη και το αποθηκευμένο υγρό. Στο προσομοίωμα συμπεριλαμβάνονται, ανάλογα με την περίπτωση που κάθε φορά αναλύεται, τα κατάλληλα στοιχεία για την προσομοίωση της αλληλεπίδρασης εδάφους-δεξαμενής ή των διαφόρων συστημάτων μόνωσης. Το προσομοίωμα χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των ιδιομορφών και την πραγματοποίηση δυναμικών γραμμικών και μη γραμμικών αναλύσεων με ολοκλήρωση στο πεδίο του χρόνου. Οι μη γραμμικές αναλύσεις είναι αναγκαίες για να ληφθεί υπόψη με ρεαλιστικό τρόπο η έντονα μη γραμμική συμπεριφορά των συστημάτων μόνωσης. Στην περίπτωση αυτή η μη γραμμικότητα είναι συγκεντρωμένη στα στοιχεία που προσομοιώνουν τη μόνωση ενώ για την υπόλοιπη κατασκευή γίνεται σε κάθε περίπτωση η παραδοχή γραμμικής συμπεριφοράς. Η παραδοχή αυτή προκύπτει από το γεγονός ότι για τις δεξαμενές αυτού του τύπου η αποδεκτή βλάβη, και επομένως μη γραμμικότητα στη συμπεριφορά, των δομικών στοιχείων είναι ελάχιστη. Παρουσιάζονται επιλεγμένα αποτελέσματα των αναλύσεων που πραγματοποιήθηκαν με χρήση του προσομοιώματος πεπερασμένων στοιχείων. Τα αποτελέσματα αυτά αναφέρονται κυρίως στην τέμνουσα βάσης, τη ροπή ανατροπής, τις οριζόντιες μετακινήσεις της κατασκευής σε διάφορες στάθμες και το ύψος του κυματισμού. Έμφαση δίνεται στην ποσοτικοποίηση της επίδρασης της αλληλεπίδρασης εδάφους-δεξαμενής και της σεισμική μόνωσης στα ανωτέρω μεγέθη. Η εργασία τελειώνει με γενικά συμπεράσματα. / In the present work the dynamic response of liquefied natural gas cryogenic tanks subjected to earthquake action is investigated. Since these tanks are critical elements for the function of a natural gas distribution system and because a potential failure of them could lead to a major disaster, very severe requirements concerning the seismic design of these tanks are imposed. For the design against earthquake action two seismic events are generally considered: an event with a mean return period of 475 years during which the tanks are expected to remain fully operational and an event with a mean return period of the order of 5000 to 1000 years during which the safe shut down of the tanks is to be ensured, while minimum damage is accepted at the structural parts of the tanks. The type of tanks under consideration is constituted of two shells: an outer one made of prestressed concrete and an inner one made of cryogenic steel in which the product is stored. Both shells rest on a common base slab. In these work two alternative ways for the support of this slab are examined: a) the slab lays directly on the ground and b) the slab lays on a number of devices which provide seismic isolation. The following isolation systems are examined. a) high damping rubber bearings, b) lead core rubber bearings and c) low damping rubber bearing in conjunction with non-linear viscous dampers. The examined structural dynamic problem is characterised by certain particularities, besides the one of the implementation of an isolation system. The most important of them are sloshing of the free surface, dynamic fluid-structure interaction, dynamic soil-structure interaction and interaction between the inner and outer shell. These phenomena are taken into consideration in the preformed analyses. For the modeling of the free surface effect the realistic assumption of small wave height is made and the linear wave theory is employed. For the modeling of the fluid-structure interaction a Lagrangian approach is applied using finite elements for the modeling of the liquid and the solid domain. The soil-structure interaction is simulated by using concentrated stiffness and damping elements. Concentrated stiffness and damping elements are used for the modeling of the isolation systems as well. Two cases of existing tanks are adopted for analysis. The two tanks differ mainly in capacity and in the height to radius ratio. Both tanks are designed and constructed without seismic isolation. A global parametric finite element model is developed for the analyses. In this model the appropriate elements are incorporated for the modeling of the soil-structure interaction and the seismic isolation system, depending on the analysed case. The model is used for the calculation of eigenmodes and eigenfrequencies and for performing linear and non-linear transient analyses in time domain. Non-linear analyses are necessary in order for the highly non-linear behavior of the isolation devices to be properly simulated. In these cases the non-linearity is concentrated at the elements which simulate the seismic isolation system while the rest of the structure is considered elastic in all cases. This consideration is justified by the fact that for these tanks the acceptable damage, and consequently non-linearity in the behavior of the structural part, is minimum. Selective results of the performed analyses are presented. These results refer mainly to base shear forces, overturning moments, horizontal displacements at different levels of the tank and sloshing heights. Emphasis is on the quantification of the impact of the soil-structure interaction and the implementation of the examined seismic isolation systems.

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.

The construction industry is the largest consumer of materials in our society. Approximately 40% of all materials used are related to this section of the industry. Equivalent is the impact of the sector’s activities to the environment in terms of non-renewable energy sources (grey energy), gas emissions (mainly CO2), solid waste, etc. With concrete being the most widely used construction material (second only to water in total volumes consumed annually by society) and cement being the essential “glue” in concrete, emphasis should be placed on investigating and enforcing appropriate ways, methodologies and policies, to make cement manufacturing and the construction industry in general a more environmental friendly sector. At the same time, by considering, at one hand the significant amount of research and breakthroughs achieved on structural materials and design, as well as the level of sophistication of the modern European Standards and structural codes, and on the other hand, the increasing cases of premature deterioration of concrete structures, particular emphasis should also be placed on safeguarding the service life of reinforced concrete structures (in addition to tackling their environmental burden). That is why it is very important to introduce the sustainable way of thinking and the concept of industrial ecology on the preliminary design stages of a structure, on the material selection process and on the service life estimation stage, in achieving a robust durable reinforced concrete (RC) structure (for a given service life) with the minimum environmental burden. Thus, the main objective of the present Thesis is to focus on identifying and quantifying a structured framework of the appropriate methodologies in formulating an Integrated Design Process (IDP) for the design of durable and sustainable structures at the minimum environmental and economical cost (without compromising issues of structural safety) and also in identifying and demonstrating ways of industrial ecology for the sustainable development of the cement and construction industry. The present Thesis contributes to the evaluation of the environmental cost of each component of concrete and to provide the best possible mix design configuration (by means of a holistic analytical software tool) in terms of low environmental cost, as well as, to assess this proposed configuration in terms of strength and durability requirements. Overall, it has to be emphasized that through the present Thesis a new indicator is proposed for design purposes: the environmental cost, which can be added to the existing strength, durability and economic cost indicators towards an integrated design optimization of concrete structures. Finally, it is concluded that the incorporation of new Supplementary Cementing Materials (SCM), as biomass ashes and especially Rice Husk Ash (RHA), offers new perspectives for decreasing the environmental cost of constructions. / Η κατασκευαστική βιομηχανία αποτελεί τον μεγαλύτερο καταναλωτή υλικών στην κοινωνία μας. Περίπου το 40% όλων των υλικών που χρησιμοποιούνται σχετίζονται με αυτόν τον τομέα της βιομηχανίας. Αντίστοιχο αντίκτυπο έχουν και οι δραστηριότητες του τομέα στο περιβάλλον σε ότι αφορά τις μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας («γκρίζα» ενέργεια), αέριες εκπομπές (κυρίωςCO2 ), στερεά απόβλητα, κλπ. Δεδομένου ότι το σκυρόδεμα αποτελεί το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο δομικό υλικό (δεύτερο μετά το νερό σε συνολικούς όγκους που καταναλώνονται ετησίως από την κοινωνία) και ότι το τσιμέντο είναι η απαραίτητη «κόλλα» στο σκυρόδεμα, έμφαση πρέπει να δοθεί στη διερεύνηση και επιβολή κατάλληλων τρόπων, μεθοδολογιών και πολιτικών για τη μετατροπή της τσιμεντοβιομηχανίας και της κατασκευαστικής βιομηχανίας σε έναν γενικά περισσότερο περιβαλλοντικά φιλικό τομέα. Ταυτόχρονα, λαμβάνοντας υπόψη από τη μια μεριά τη σημαντική ποσότητα έρευνας και τα επιτεύγματα σχετικά με τα δομικά υλικά και τον σχεδιασμό, και επιπλέον το επίπεδο της επιτήδευσης των σύγχρονων Ευρωπαϊκών Προτύπων και κατασκευαστικών κανονισμών, και από την άλλη μεριά τις αυξανόμενες περιπτώσεις της πρώιμης φθοράς των κατασκευών από σκυρόδεμα, ιδιαίτερη έμφαση θα πρέπει να δοθεί στη διασφάλιση της διάρκειας ζωής των κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος (σε συνδυασμό με την αντιμετώπιση της περιβαλλοντικής τους επιβάρυνσης). Για το λόγο αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντική η εισαγωγή του βιώσιμου τρόπου σκέψης και της έννοιας της βιομηχανικής οικολογίας στα προκαταρκτικά στάδια σχεδιασμού μιας κατασκευής, κατά τη διαδικασία επιλογής υλικών και κατά το στάδιο εκτίμησης της διάρκειας ζωής, ώστε να επιτευχθεί μια εύρωστη, ανθεκτική κατασκευή οπλισμένου σκυροδέματος (για δεδομένη διάρκεια ζωής) με την ελάχιστη περιβαλλοντική επιβάρυνση. Συνεπώς, ο κύριος στόχος της παρούσας Διατριβής είναι να επικεντρωθεί στον εντοπισμό και ποσοτικοποίηση ενός δομημένου προτύπου κατάλληλων μεθοδολογιών για τον σχηματισμό μιας Ενοποιημένης Διαδικασίας Σχεδιασμού για τον σχεδιασμό ανθεκτικών και βιώσιμων κατασκευών με το ελάχιστο περιβαλλοντικό και οικονομικό κόστος (χωρίς συμβιβασμούς σε θέματα που άπτονται της κατασκευαστικής ασφάλειας) και επίσης για την αναγνώριση και επίδειξη τρόπων βιομηχανικής οικολογίας για την βιώσιμη ανάπτυξη της βιομηχανίας τσιμέντου και σκυροδέματος. Η παρούσα Διατριβή συνεισφέρει στην αξιολόγηση του περιβαλλοντικού κόστους κάθε συστατικού του σκυροδέματος αλλά και στην παροχή ενός καλύτερου δυνατού σχεδιασμού σύνθεσης σκυροδέματος (μέσω ενός ολιστικού αναλυτικού λογισμικού) υπό όρους χαμηλού περιβαλλοντικού κόστους, καθώς και στο να αξιολογήσει την προτεινόμενη σύνθεση υπό όρους αντοχής και απαιτήσεων ανθεκτικότητας. Συνολικά, πρέπει να τονισθεί ότι στη παρούσα Διατριβή προτείνεται για πρώτη φορά ένας νέος δείκτης για σκοπούς σχεδιασμού: το περιβαλλοντικό κόστος, το οποίο μπορεί να προστεθεί στους υπάρχοντες δείκτες αντοχής, ανθεκτικότητας και οικονομικού κόστους προς μια ολοκληρωμένη αριστοποίηση σχεδιασμού κατασκευών από σκυρόδεμα. Τέλος, προκύπτει το συμπέρασμα ότι η ενσωμάτωση νέων συμπληρωματικών υδραυλικών υλικών (SCM: Supplementary Cementing Materials), όπως οι τέφρες βιομάζας και ειδικά η τέφρα φλοιού ρυζιού (RHA: Rice Husk Ash), προσφέρει νέες προοπτικές για τη μείωση του περιβαλλοντικού κόστους σκυροδέματος.

Οι κατασκευές εδαφικής αντιστήριξης εξακολουθούν να βρίσκονται σε ευρύτατη χρήση, με διαρκώς αυξανόμενο ενδιαφέρον λόγω των απαιτήσεων των σύγχρονων έργων υποδομής αλλά και των αναγκών δόμησης σε πυκνό αστικό περιβάλλον. Το ενδιαφέρον εστιάζεται σε κατασκευαστικές λύσεις και μεθόδους σχεδιασμού που συνδυάζουν ασφάλεια και οικονομία. Η ανάλυση των συγκεκριμένων κατασκευών αντιμετωπίζει πλήθος δυσεπίλυτων προβλημάτων στο αντικείμενο της αλληλεπίδρασης εδάφους-κατασκευής που συχνά καθορίζουν τη συμπεριφορά του έργου. Η κατανόηση αυτών των μηχανισμών επιτρέπει το σχεδιασμό με μικρότερα περιθώρια αβεβαιότητας που οδηγούν σε οικονομικότερες και ορθολογικότερες λύσεις. Στην κατεύθυνση αυτή συμβάλει η παρούσα Διατριβή, με την ανάπτυξη αναλυτικών εργαλείων και θεωρητικών ευρημάτων που βοηθούν στην κατανόηση των μηχανισμών της αλληλεπίδρασης και στην εκτίμηση της συμπεριφοράς των τοίχων αντιστήριξης υπό συνδυασμένη βαρυτική και σεισμική φόρτιση. Έμφαση δίνεται στην παραγωγή απλών κλειστών λύσεων και μεθοδολογιών για τον υπολογισμό των εδαφικών ωθήσεων και τη στατική ανάλυση του συστήματος τοίχου εδάφους. Συγκεκριμένα, παράγονται λύσεις άνω και κάτω ορίου για ενδόσιμους τοίχους, οι οποίες, παρότι προσεγγιστικές, πλεονεκτούν έναντι των κλασικών εξισώσεων Coulomb και Mononobe-Okabe τις οποίες μπορούν να αντικαταστήσουν. Σε ειδικές περιπτώσεις, όπως η περίπτωση τοίχων προβόλων με πεπλατυσμένο πέλμα, οι προτεινόμενες λύσεις οδηγούν σε ακριβή αποτελέσματα που βασίζονται σε ένα γενικευμένο πεδίο τάσεων Rankine. Επίσης παρουσιάζονται επεκτάσεις τους οι οποίες επιτρέπουν τον υπολογισμό μη-υδροστατικών κατανομών ωθήσεων γαιών λαμβάνοντας υπόψη την κυματική διάδοση της σεισμικής διέγερσης στο επίχωμα, σύμφωνα με μια ορθότερη παραλλαγή της ιδέας των Steedman & Zeng και τις διαφορετικές κινηματικές συνθήκες που προέρχονται από την απόκριση του τοίχου με περιστροφή περί την κορυφή ή τη βάση σύμφωνα με την τεχνική της Dubrova. Για την περίπτωση ανένδοτων τοίχων παρουσιάζεται μεθοδολογία για τη δραστική απλοποίηση των διαθέσιμων ελαστοδυναμικών, κυματικών λύσεων, όπως αυτή των Veletsos & Younan, η οποία καταλήγει σε κλειστές μαθηματικές εκφράσεις για τον υπολογισμό των ωθήσεων. Τέλος, παρουσιάζονται νέα ευρήματα στην κατεύθυνση της μαθηματικής αντιμετώπισης του δυσεπίλυτου προβλήματος της οριακής ισορροπίας ριπιδίου τάσεων σε εδαφικό μέσο στο οποίο ενεργούν βαρυτικές και αδρανειακές δυνάμεις πεδίου. Η παρούσα εργασία συμβάλλει στην περαιτέρω διερεύνηση του προβλήματος το οποίο θεμελίωσαν θεωρητικά οι Levy, Boussinesq, von Karman και Caquot, μέσω της δραστικής (αλλά ακριβούς) απλοποίησης του σε μία μη-γραμμική συνήθη διαφορική εξίσωση, η οποία επιτρέπει την επίλυση με απλές αριθμητικές και ημιαναλυτικές τεχνικές. Πέρα από τα ακριβή αριθμητικά αποτελέσματα, η προτεινόμενη ανάλυση προσφέρει μια βαθύτερη εποπτεία στο πρόβλημα και ανοίγει το δρόμο για περαιτέρω διερεύνηση ή και επέκταση της μεθόδου πέρα από τα όρια της κλασικής οριακής ανάλυσης. Η αξιοπιστία των προτεινόμενων λύσεων ελέγχεται μέσω συγκρίσεων με καθιερωμένες λύσεις και πειραματικά δεδομένα από τη βιβλιογραφία, αλλά και πρόσφατα πειραματικά αποτελέσματα που παρήχθησαν από τον συγγραφέα και ερευνητές στη σεισμική τράπεζα του Πανεπιστημίου του Bristol του Ηνωμένου Βασιλείου. / Earth retaining structures are still in widespread use, with growing interest due to the demands of modern infrastructure and building needs in a dense urban environment. Building solutions and design methodologies that combine safety and economy are the objectives of modern research. Significant difficulties in the analysis of retaining structures arise from the soil-structure interaction nature of the problem that often prescribes its behavior. Understanding these mechanisms allows design under smaller uncertainties, leading to economical and rational solutions. The contribution of the present thesis consists of the development of analytical tools and theoretical findings, helpful in understanding the mechanisms of interaction and the behavior of walls under combined gravity and seismic loading. Emphasis is given to the derivation of simple closed-form solutions and methodologies for the calculation of earth pressures and the static analysis of wall-soil system. Specifically, approximate Lower and Upper Bound solutions are produced for the case of yielding walls, which are advantageous compared to the classical equations Coulomb and Mononobe-Okabe. In special cases, such as the L-shaped cantilever walls, these solutions lead to exact results, pertaining to a generalized Rankine stress field. Extensions of the above solutions are presented allowing the calculation of non-hydrostatic earth pressure distributions, due to the wave propagation of the seismic excitation in the backfill, according to a better variant of the Steedman & Zeng approach and different kinematic conditions of the wall rotating around the top or bottom, according to the technique of Dubrova. For the case of non-yielding walls, a new methodology for the drastic simplification of available wave solutions, such as the Veletsos & Younan, is presented which leads to closed-form expressions for the dynamic pressure calculation. Finally, new theoretical findings are presented for the mathematical treatment of the intractable problem of plastic limit equilibrium in soil medium subjected to gravitational and inertial forces field. This work contributes to the further investigation of the problem which is founded theoretically by Levy, Boussinesq, von Karman and Caquot, through the significant (but accurate) simplification to a single, non-linear ordinary differential equation, easier to handle by simple numerical and semi-analytical techniques. Apart from the exact numerical results, the proposed analysis provides a deeper physical insight, leading the way to further investigation or extension of the method beyond the classical limit analysis assumptions. The reliability of the proposed solutions is checked through comparisons with established solutions and experimental data from the literature and recent experimental results obtained by the author and researchers in the shake table laboratory of the University of Bristol, UK.