H υποβάθμιση της δομικής ακεραιότητας των αεροπορικών κατασκευών με το χρόνο και η αποτίμηση της αποτελεί ένα σημαντικό τεχνολογικό πρόβλημα της αεροναυπηγικής. Το πρόβλημα αυτό σε συνδυασμό με το ότι εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται αεροσκάφη, τα οποία έχουν ξεπεράσει τον αρχικά σχεδιασμένο χρόνο της επιχειρησιακής τους λειτουργίας, οδήγησε τη διεθνή επιστημονική κοινότητα και την αεροπορική βιομηχανία να ασχοληθεί με το πρόβλημα του “γηράσκοντος” αεροσκάφους (aging aircraft). Το πρόβλημα της γήρανσης της δομής ενός αεροσκάφους οφείλεται κυρίως στην εμφάνιση ευρείας έκτασης βλάβης κόπωσης (wide spread fatigue damage) σε διάφορες περιοχές της κατασκευής, η οποία αυξάνει την πιθανότητα εμφάνισης καταστροφικών αστοχιών. Οι ηλωτές συνδέσεις των ελασμάτων που συνθέτουν την άτρακτο ή τις πτέρυγες ενός αεροσκάφους αποτελούν περιοχές συγκέντρωσης τάσεων και εστίες διάβρωσης με συνέπεια την εμφάνιση και εξέλιξη μικρών ρωγμών σε πολλαπλά σημεία της δομής. Η κατάσταση της ύπαρξης πολλών αλληλεπιδρουσών ρωγμών στο ίδιο δομικό στοιχείο ονομάζεται πολλαπλή βλάβη (Multiple Site Damage – MSD) και οδηγεί σε σημαντική μείωση της εναπομένουσας αντοχής του δομικού στοιχείου και σε υποβάθμιση της δομικής του ακεραιότητας. Η μελέτη του προβλήματος της πολλαπλής βλάβης και η αντιμετώπισή του αποτελεί σημαντικό πεδίο έρευνας, καθώς περιλαμβάνει πλήθος επιμέρους φαινομένων, τα οποία αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Τέτοια φαινόμενα είναι η έναρξη, η διάδοση και η συνένωση πολλαπλών ρωγμών, η τελική αστοχία δομικού στοιχείου σε συνθήκες πολλαπλής βλάβης, καθώς και η επίδραση περιβαλλοντικών παραγόντων όπως η διάβρωση στη συμπεριφορά των υλικών. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας για την εκτίμηση της εμφάνισης και εξέλιξης της πολλαπλής βλάβης κόπωσης σε αεροπορικά δομικά στοιχεία, έτσι ώστε να είναι εφικτή η εκτίμηση της δομικής τους ακεραιότητας σε οποιαδήποτε στιγμή της διάρκειας λειτουργίας τους. Τα τεχνολογικά προβλήματα, που αντιμετωπίζονται στην παρούσα εργασία με ανάπτυξη πρωτότυπων μεθοδολογιών, περιλαμβάνουν: • Ανάλυση τάσεων σε πολλαπλά ρηγματωμένες κατασκευές και υπολογισμό συντελεστών έντασης τάσεων στις ρωγμές • Πρόβλεψη έναρξης και διάδοσης ρωγμών • Πρόβλεψη συνένωσης ρωγμών και εναπομένουσας αντοχής Για την ανάλυση τάσεων και τον υπολογισμό των συντελεστών έντασης τάσεων σε πολλαπλά ρηγματωμένα δομικά στοιχεία με ή χωρίς ενισχύσεις (stiffeners) αναπτύσσονται στη βάση της τεχνικής της υπο-μοντελοποίησης της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων (ΠΣ) κατάλληλα υπερ-στοιχεία (super-elements) για τη μοντελοποίηση των κρίσιμων τμημάτων της κατασκευής. Η μεθοδολογία υπερ-στοιχείων επιλέγεται στην παρούσα εργασία, με σκοπό τη σημαντική μείωση του υπολογιστικού κόστους σε σχέση με τις κλασικές μεθόδους των πεπερασμένων στοιχείων, έτσι ώστε να καταστεί πρακτικά δυνατή η επίλυση του πολύπλοκου αυτού προβλήματος. Το πρόβλημα της δημιουργίας νέων ρωγμών λόγω κόπωσης σε κάποιο δομικό στοιχείο παρουσιάζει έντονα πιθανοθεωρητικό χαρακτήρα. Για την αντιμετώπισή του αναπτύσσεται μεθοδολογία σύμφωνα με την οποία η πιθανότητα να εμφανιστεί μια ρωγμή σε κάποιο σημείο μετά από ορισμένο αριθμό κύκλων φόρτισης εξαρτάται τόσο από την τάση που αναπτύσσεται στο σημείο αυτό όσο και από την πιθανότητα ύπαρξης τοπικών ατελειών του υλικού στο υπό εξέταση σημείο. Για την εφαρμογή της μεθοδολογίας χρησιμοποιούνται στατιστικά δεδομένα που προέρχονται από πειράματα κόπωσης απλών δοκιμίων. Για την εκτίμηση της εναπομένουσας αντοχής ενός πολλαπλά ρηγματωμένου δομικού στοιχείου αναπτύσσεται ένα ενεργειακό κριτήριο συνένωσης ρωγμών. Το κριτήριο βασίζεται της μεταβολής της ενέργειας παραμόρφωσης που λαμβάνει χώρα κατά τη διάρκεια της αστοχίας του υλικού που συνδέει δύο παρακείμενες ρωγμές. Τέλος, τα μοντέλα έναρξης, διάδοσης και συνένωσης ρωγμών συνδυάζονται σε μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη της εξέλιξης της πολλαπλής βλάβης κόπωσης. Η αποτελεσματικότητα της μεθόδου επαληθεύεται με τη βοήθεια πειραμάτων κόπωσης πολλαπλά ρηγματωμένων δοκιμίων. / Structural integrity degradation of aeronautical structures due to fatigue, as well as its assessment, represents a major problem of aeronautics. This problem, combined to the fact that numerous aircrafts that have already exceeded their initial design operational life are still in service, led the international scientific community and the aeronautical industry to the in-depth study of aging aircraft. The main problem of an aging aircraft structure is widespread fatigue damage at various areas of the structure, that increase the probability of catastrophic failures. Riveted joints of fuselage or wing panels are areas of high stress concentration and corrosion, therefore, sites susceptible to multiple cracks development. The state of multiple interacting cracks existence at the same structural element is called Multiple Site Damage (MSD) and leads to residual significant strength reduction and structural integrity degradation of the structure. Study and handling of multiple site damage problem is an important research field, as it involves a number of different interacting phenomena, such as crack initiation, propagation and link-up and final structural failure under MSD conditions, as well as the effect of environmental factors like corrosion on the material behaviour. The aim of the present work is the development of an integrated methodology for the prediction of MSD evolution at aeronautical structural elements, in order to make feasible the assessment of their structural integrity throughout their service life. The technological issues that are faced in the frame of the present work by the development of innovative methodologies are: • Stress analysis and stress intensity factors calculation of structures under MSD condition. • Crack initiation and propagation prediction. • Prediction of crack link-up and residual strength. For the stress analysis and stress intensity factor calculation of un-stiffened of stiffened structural elements suitable super-elements are developed for the simulation of crucial structural elements. The super-element methodology is based on finite element sub-structuring technique and, in the present work, is chosen in order to obtain a significant reduction of computation cost with compared to the classical finite element method, so that handling of such complex problems becomes feasible. Fatigue crack initiation at a structural element is a problem exhibiting a strongly stochastic character. A crack initiation prediction methodology is developed according to which the probability of crack initiation at a site of the structure depends on the local stress state combined to a stochastic (random) variation of the fatigue strength at every site susceptible to crack initiation. For the methodology application statistical data from simple fatigue tests are used. For the crack link-up and the residual strength estimation of a multiple cracked structural element an energy-based link-up criterion is developed. The proposed criterion is based on the strain energy variation during the failure of the ligament of two adjacent cracks. Finally, the initiation, propagation and link-up models are combined and implemented in an integrated methodology that can be used for the assessment of multiple site damage evolution. The effectiveness of the methodology is validated using suitable fatigue tests of multiple-site damaged panels.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται η συμπεριφορά του ανθρώπινου δέρματος κατά την εφαρμογή σημειακής (κατακόρυφης) δύναμης αλλά και μη σημειακής (επιφανειακής). Για τη μελέτη κατασκευάζεται εικονικό μοντέλο τμήματος του δέρματος με χρήση πεπερασμένων στοιχείων. Στόχος είναι η εισαγωγή του μαθηματικού μοντέλου σε ρομποτικό σύστημα το οποίο θα κάνει ένεση προκαλώντας το λιγότερο δυνατό πόνο ή μασάζ με τη μεγαλύτερη δυνατή αποτελεσματικότητα. Στη διπλωματική δεν προγραμματίζεται κάποιο ρομπότ που να επιτελεί το έργο αυτό, αλλά αναπτύσσεται ο κώδικας σε matlab ο οποίος μετασχηματισμένος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί από ένα ρομποτικό σύστημα. Αρχικά, αναλύεται η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων ώστε να επιλεγεί το κατάλληλο μοντέλο για το πρόβλημά μας. Με την παραδοχή ότι υπάρχει αξονική συμμετρία επιλέγεται να χρησιμοποιηθεί μια δομή δύο διαστάσεων αποτελούμενη από δύο στρώματα διαφορετικής ελαστικότητας (υποθετικά, δέρμα και υποδόριος ιστός). Για τη μοντελοποίηση αυτή αναλύονται οι διαδικασίες που πρέπει να ακολουθηθούν και οι παραδοχές που πρέπει να ληφθούν υπ’ όψιν. Επίσης, αναλύεται με μαθηματικό τρόπο η προσέγγιση του προβλήματος παραμόρφωσης σε δύο διαστάσεις. Στη φάση αυτή, ανάπτυξης και επιλογής του βέλτιστου μοντέλου, η προσομοίωση γίνεται εξ' ολοκλήρου σε matlab. Στη συνέχεια, αφού ορισθεί το μοντέλο σε δύο διαστάσεις πρέπει να προσδιοριστούν οι παράμετροι για το σχετικό πάχος των δύο στρωμάτων και τη σχετική τους ελαστικότητα ώστε το μοντέλο να ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα. Για να επιτευχθεί η συγκριτική αυτή αξιολόγηση, χρησιμοποιούνται δύο ομάδες πραγματικών πειραματικών τιμών που περιγράφονται σε σχετικές μελέτες διαθέσιμες στη διεθνή βιβλιογραφία. Δοκιμάζονται συγκριτικά διάφορα ζεύγη παραμέτρων με στόχο να γίνει μια ανάλυση ευαισθησίας του μοντέλου, και να εντοπιστεί αυτός ο συνδυασμός τιμών για τον οποίο υπάρχει η ελάχιστη απόκλιση από τα πειραματικά δεδομένα. Τέλος, αξίζει να αναφέρουμε πως στο δεύτερο τμήμα της εργασίας όπου μοντελοποιείται η συμπεριφορά του δέρματος σε μη σημειακή καταπόνηση χρησιμοποιούνται τα ίδια πειραματικά δεδομένα καθώς και δεδομένα από άλλες προσπάθειες μοντελοποίησης. Ο κώδικας που χρησιμοποιείται είναι κατά ένα μεγάλο ποσοστό ίδιος με αυτόν του 1ου μέρους. / The scope of this thesis is the study of the behavior of the human skin surface at the application of a vertical point as well as a non-point force on it. A model of a skin part is developed for the needs of this study, with use of finite elements method. The aim is to introduce the mathematical model in a robotic system which will inject causing the least possible pain or massage with maximum efficiency. In this thesis the robot is not being programmed, but it is been developed the code in matlab which by an appropriate transformation it could be used by the robot. First of all, the finite element method is been analyzed in order to select an appropriate model for our problem. Assuming axial symmetry is chosen to use a two-dimensional structure consisting of two layers of different elasticity (supposedly, skin and subcutaneous tissue). For the modeling the procedures we have to follow and the standards we should take into account are being analyzed. Furthermore we analyze the approach of the problem of deformation in two dimensions mathematically. At this stage, construction and selection of the optimal model, the simulation is entirely in matlab application. Then, after having built the model in two dimensions, the parameters for the relative thickness of both layers and their relative flexibility to the model to reflect reality must be defined. To achieve comparative evaluation, two groups of actual experimental values described in related studies available in the literature. Several pairs of parameters are being tested and compared in order to do a sensitivity analysis of the model, and found this combination of values for which there is little deviation from the experimental data. Finally it is worth mentioning that the second part of the work where the behavior of the skin in non-spot stress is being modeled there are used the same experimental data and data from other modeling efforts. The code used is a large proportion same as the one used in the 1st part.

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Πραγματεύεται τη βελτιστοποίηση των σχεδιαστικών παραμέτρων της τριφασικής ασύγχρονης μηχανής με στόχο την επίτευξη μεγιστοποίησης της ροπής εκκίνησης και ελαχιστοποίησης του ρεύματος εκκίνησης. Μελετήθηκε η σχέση που υπάρχει ανάμεσα στα γεωμετρικά χαρακτηριστικά (διαστάσεις) και στις επιδόσεις και τη γενικότερη λειτουργία της μηχανής. Η σχεδίαση και η παραμετροποίηση του τριφασικού επαγωγικού κινητήρα βραχυκυκλωμένου κλωβού που μελετήθηκε, έγινε μέσω του προγράμματος «Opera» της Vector Fields, το οποίο χρησιμοποιεί τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Όσον αφορά τη διαδικασία της εύρεσης του βέλτιστου μοντέλου, αυτή πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια του εργαλείου Optimizer που παρέχεται από το πρόγραμμα «Opera». Στη συνέχεια μελετήθηκε και αξιολογήθηκε το αρχικό και το βέλτιστο μοντέλο ώστε να αποκτηθεί σαφής εικόνα για τη λειτουργία τους καθώς επίσης και για τις διαφορές που παρουσιάζουν. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η βελτιστοποίηση σαν έννοια αρχικά και στη συνέχεια περιγράφονται τα βήματα που ακολουθούνται για το σωστό ορισμό ενός προβλήματος βελτιστοποίησης. Γίνεται μια ταξινόμηση των προβλημάτων σύμφωνα με την πολυπλοκότητα, το μέγεθος και την ταχύτητα εύρεσης της λύσης. Επιπλέον, αναφέρονται και αναλύονται οι κυριότερες μέθοδοι βελτιστοποίησης και όσες χρησιμοποιούνται περισσότερο με βάση τη βιβλιογραφία. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι βασικές αρχές κατασκευής και λειτουργίας της τριφασικής ασύγχρονης μηχανής. Μέσα από αυτή την ανάλυση προκύπτουν συμπεράσματα για τα πιθανά πεδία λειτουργίας της Α.Μ. στα οποία μπορεί να υπεισέλεθει ζήτημα βελτιστοποίησης. Αναφέρονται και σχολιάζονται για κάθε πεδίο τα μεγέθη και τα φυσικά φαινόμενα που συμμετέχουν. Επίσης, μελετώνται οι σχεδιαστικές παράμετροι του στάτη και του δρομέα που καθορίζουν τη χαρακτηριστική ροπής-στροφών και την απόδοση της μηχανής και οι οποίες στη συνέχεια θα χρησιμοποιηθούν στο δικό μας πρόβλημα. Το τρίτο καφάλαιο, περιγράφει τη διαδικασία παραμετροποίησης του μοντέλου του προς μελέτη τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα βραχυκυκλωμένου κλωβού στο πρόγραμμα Opera. Εξηγείται η πορεία σχεδίασης για κάθε «κομμάτι» της μηχανής ξεχωριστά ξεκινώντας από το στάτη, συνεχίζοντας με το δρομέα και τέλος με την εισαγωγή του διακένου. Υπάρχουν επίσης αναφορές σχετικές με την ανάλυση και μετ-επεξεργασία του μοντέλου. Ακόμη, δίνεται ένα τμήμα του αρχείου στο οποίο υπάρχει το παραμετροποιημένο μοντέλο σαν μια πρώτη εικόνα για το πώς αυτό δημιουργήθηκε. Η παραμετροποίηση έγινε κατά το μεγαλύτερο μέρος της στο περιβάλλον εργασίας του Pre and Post Processor του Opera-2D και κατά ένα μικρότερο μέρος γράφτηκε κώδικας. Στο τέταρτο κεφάλαιο καθορίζεται και διατυπώνεται πλέον το πρόβλημα που θα μας απασχολήσει στην παρούσα εργασία. Το κεφάλαιο αυτό αποτελεί έναν πλήρη «οδηγό χρήσης» του εργαλείου Optimizer που χρησιμοποιήθηκε για την εύρεση του βέλτιστου μοντέλου στην περίπτωση που αυτό είναι σχεδιασμένο στις δύο διαστάσεις με τη βοήθεια του προγράμματος Opera-2D. Αναφέρονται με κάθε λεπτομέρεια τα βήματα που ακολουθούνται ώστε να μπορέσει ένα οποιοδήποτε μοντέλο να δοθεί για βελτιστοποίηση στο συγκεκριμένο πρόγραμμα όπως επίσης και τα βήματα για τον ορισμό των αντικειμενικών συναρτήσεων, των σχεδιαστικών παραμέτρων και των περιορισμών στον Optimizer. Υπάρχουν επισημάνσεις και παρατηρήσεις στα σημεία που αντιμετωπίστηκαν οι περισσότερες δυσκολίες και καθυστερήσεις κατά τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσμα της βελτιστοποίησης, αναλύεται το αρχικό και το βέλτιστο μοντέλο, γίνεται αντιπαραβολή των αποτελεσμάτων, πραγματοποιείται σύγκριση των δύο μοντέλων και τελικά διατυπώνονται τα συμπεράσματα που προκύπτουν. / -

Η ανάπτυξη υπολογιστικών διαδικασιών που είναι σε θέση να προσομοιώσουν και να προβλέψουν με ακρίβεια την μηχανική συμπεριφορά και τις αστοχίες βασικών νανοδομών είναι ο σκοπός της παρούσας διατριβής. Οι υπολογιστικές διαδικασίες αναπτύσσονται βάσει των πεπερασμένων στοιχείων και στη συνέχεια εφαρμόζονται για να παρέχουν αριθμητικά αποτελέσματα σχετικά με την ελαστική, δυναμική και μη γραμμική συμπεριφορά των νανοδομών άνθρακα, όπως του γραφενίου, νιφάδες γραφίτη και νανοσωλήνων άνθρακα. Η μοριακή μηχανική θεωρία παρέχει τα πεδία δύναμης (εκφράσεις διατομικών αλληλεπιδράσεων) που χρησιμοποιούνται ως βάση για το φορμαλισμό πεπερασμένων στοιχείων-ελατηρίων. Η εξιδανικευμένη ατομιστική γεωμετρία των νανοδομών, όπως προκύπτει από την ελαχιστοποίηση της δυναμικής ενέργειας χρησιμοποιείται για να οριστεί η διακριτή γεωμετρία τους και κατ’ επέκταση η γεωμετρία των αντίστοιχων προτύπων πεπερασμένων στοιχείων. Επιπλέον, αναπτύσσονται μεθοδολογίες πεπερασμένων στοιχείων πολυ-κλίμακας για την πρόβλεψη της ελαστικής και μη γραμμικής συμπεριφοράς νανοσύνθετων ενισχυμένων με νανοσωλήνες άνθρακα. Αναπτύσσονται αντιπροσωπευτικά στοιχεία όγκου τα οποία βρίσκονται σε πλήρη συμφωνία με την μικρομηχανική θεωρία. Η ενισχυόμενη φάση, η οποία μπορεί να είναι πολυμερές, μέταλλικό ή ελαστομερές υλικό, αντιμετωπίζεται ως συνεχές μέσο, ενώ η ενίσχυση ως διακριτή δομή. Η διεπιφανειακή ζώνη μεταξύ μήτρας και ενίσχυση προσεγγίζεται με κατάλληλα στοιχεία συνδέσμους και οι ιδιότητες ακαμψίας τους υπολογίζονται με τη χρήση φυσικών υποθέσεων. Σε όλες τις περιπτώσεις, τα αποτελέσματα των προτεινόμενων μεθόδων συγκρίνονται με αντίστοιχες πειραματικές και θεωρητικές προβλέψεις, οι οποίες είναι διαθέσιμες στην διεθνή βιβλιογραφία, αποδεικνύοντας την υψηλή ακρίβεια πρόβλεψης των προτεινόμενων μεθόδων. / The development of computational procedures that are able to accurately simulate and predict the mechanical behaviour and failures of basic nanostructures is the aim of the present thesis. A spring based finite element method is developed and utilized to provide numerical results about the elastic, dynamic and nonlinear behaviour of major carbon allotropes, such as graphene, graphite flakes and carbon nanotubes. The molecular mechanics theory provides the force fields that are used as the base for the spring elements formulation. The optimized atomistic geometry of nanostructures as graphene nanoribbons, graphite flakes, as well as single and multi walled carbon nanotubes as derived by the potential energy minimization is used to be defined their discrete geometry and the corresponding finite element models. Furthermore, multi-scale finite element models are formulated for the prediction of elastic and nonlinear mechanical behavior of carbon nanotube reinforced nanocomposites. Representative volume elements are implemented according to the micromechanical theory. Matrix materials such polymers, metals or rubber are considered as continuum mediums, whereas the reinforcement is modeled as a discrete structure. The interfacial zone between matrix and reinforcement is approached by appropriate elements and their stiffness properties are computed by using physical assumptions. In all cases, the results of the proposed methods are compared with experimental and theoretical ones available in the literature demonstrating the high predicting accuracy of the proposed methods.

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Το θέμα που πραγματεύεται είναι η μελέτη των τριφασικών ασύγχρονων μηχανών διπλού κλωβού με διαφορετικά υλικά στις αυλακώσεις του δρομέα. Τα κύρια αντικείμενα που ερευνώνται είναι δύο. Το πρώτο είναι η ανάλυση και η κατανόηση της ηλεκτρομαγνητικής συμπεριφοράς κινητήρων διπλού κλωβού με διαφορετικά υλικά στις αυλακώσεις του δρομέα. Το δεύτερο είναι η μελέτη σφαλμάτων δρομέα σε μηχανές διπλού κλωβού και οι μέθοδοι διάγνωσης αυτών. / This thesis was carried out at the Department of Electrical and Computer Engineering, University of Patras. The subject matter is the study of three-phase Asynchronous Double Cage Induction Motors with Different Rotor Bar Materials (motor double cage with different materials in the slots of the rotor). The main objects that are being investigated are two. The first is the analysis and understanding of the electromagnetic behaviour of double cage motors with different materials in the slots of the rotor. The second is the study of faults in the rotor in machines dual cage and the diagnostic methods.

The purpose of this research is to investigate the seismic behavior of plane moment resisting frames (MRFs) consisting of concrete filled steel tube (CFT) columns and steel I beams through targeted studies utilizing advanced computational methodologies calibrated on the basis of existing experimental results and to propose a preliminary performance-based seismic design method for this kind of frames. A computational study is conducted first to investigate the nonlinear cyclic response of square concrete-filled steel tubes (CFT) in bending and compression. An accurate nonlinear finite element model is created and its validity is established by comparing its results with those of existing experiments. Using this finite element model, extensive parametric studies are performed to provide information on the hysteretic and deteriorating behavior of CFT columns. Thus, on the basis of this computational study, three simple yet sufficiently accurate concentrated plasticity hysteretic models for simulating the cyclic behavior of square concrete-filled steel tube (CFT) columns, are developed. The seismic behavior of plane MRFs consisting of I steel beams and CFT columns is investigated next. More specifically, the effect of modelling details of each individual component of CFT-MRFs, such as the CFT columns, the beam-column connections, the panel zones and the steel I beams, on their seismic behavior is studied through comparisons against available experimental results. Then, fragility curves are constructed for composite frames for various levels of modelling sophistication through nonlinear time history analyses involving three typical CFT-MRFs which have been designed according to the European seismic design codes. On the basis of these fragility curves, one can select the appropriate modelling level of sophistication that can lead to the desired seismic behavior for a given seismic intensity. The third part of this work deals with the establishment of all the necessary ingredients for this kind of composite frames to be seismically designed by the performance-based hybrid force-displacement (HFD) seismic design method, which combines the advantages of the well-known force-based and displacement-based seismic design methods. Thus, extensive parametric studies are conducted involving nonlinear dynamic analysis of 96 frames under 100 seismic motions in order to create a databank with the response quantities of interest. Based on regression analysis, simple formulae for estimating the maximum roof displacement, the maximum inter-storey drift ratio, the maximum rotation ductility along the height of the frame and the behavior factor are developed. Comparison of the proposed design method with those adopted by current seismic design codes demonstrates that the proposed procedure seems to be more rational and controls deformation better than current seismic design codes. Nonlinear time history analyses proved the consistency of the proposed method to accurately estimate inelastic deformation demands and the tendency of the current seismic design codes to overestimate the maximum roof displacement and underestimate the maximum inter-storey drift ratio along the height of the frames. Finally, comparisons between CFT-MRFs and all steel ones reveal that the CFT-MRFs seem to have better seismic behavior than the all steel ones and seem to be more economical structures. / Ο σκοπός της παρούσας έρευνας είναι να διερευνήσει τη σεισμική συμπεριφορά επίπεδων καμπτικών πλαισίων με υποστυλώματα από τετραγωνικές χαλύβδινες κοιλοδοκούς γεμισμένες με σκυρόδεμα και με μεταλλικές δοκούς τύπου Ι και να προτείνει μία μέθοδο αντισεισμικού σχεδιασμού με βάση την επιτελεστικότητα για αυτόν τον τύπο κατασκευών. Αρχικά, διεξάγεται μία υπολογιστική μελέτη ώστε να διερευνηθεί η μη-γραμμική ανελαστική απόκριση υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση και σταθερή θλίψη των τετραγωνικών σύμμικτων υποστυλωμάτων. Ένα ακριβές και προηγμένο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων δημιουργείται όπου η ακρίβεια των αποτελεσμάτων του ελέγχεται μέσω συγκρίσεων των αναλυτικών λύσεων με υπαρκτά πειραματικά δεδομένα. Κατόπιν, χρησιμοποιώντας αυτό το μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων, πραγματοποιoύνται εκτενείς παραμετρικές μελέτες με σκοπό να παραχθούν πληροφορίες σχετικά με την υστερητική συμπεριφορά των σύμμικτων υποστυλωμάτων. Έτσι, στη βάση αυτής της υπολογιστικής μελέτης, τρία απλά και αρκετά ακριβή υστερητικά μοντέλα συγκεντρωμένης πλαστιμότητας αναπτύσσονται για την προσομοίωση της συμπεριφοράς σύμμικτων υποστυλωμάτων υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση και σταθερή θλίψη. Έπειτα, διερευνάται η σεισμική συμπεριφορά επίπεδων καμπτικών πλαισίων με σύμμικτα υποστυλώματα και με μεταλλικές δοκούς τύπου Ι. Πιο συγκεκριμένα εξετάζεται η επίδραση της λεπτομερής μοντελοποίησης των επιμέρους δομικών στοιχείων μια κατασκευής, όπως των σύμμικτων υποστυλωμάτων, των μεταλλικών δοκών, των κόμβων διατμητικής παραμόρφωσης και των συνδέσεων, στη σεισμική συμπεριφορά των πλαισίων μέσω συγκρίσεων με υπαρκτά πειραματικά δεδομένα. Επιπλέον, διαμορφώνονται καμπύλες τρωτότητας για τρία σύμμικτα πλαίσια σχεδιασμένα με τους Ευρωπαϊκούς κανονισμούς για διάφορα επίπεδα μοντελοποίησης χρησιμοποιώντας μη-γραμμικές αναλύσεις χρονοιστορίας. Στη βάση αυτών των καμπυλών τρωτότητας, κάποιος μπορεί να επιλέξει το κατάλληλο επίπεδο πολυπλοκότητας της μοντελοποίησης των σύμμικτων πλαισίων ώστε να οδηγηθεί στην επιθυμητή συμπεριφορά για μια δεδομένη σεισμική ένταση. Το τρίτο μέρος της παρούσας έρευνας πραγματεύεται την ανάπτυξη της διαδικασίας που απαιτείται από την Υβριδική Δυνάμεων-Μετατοπίσεων (ΥΔΜ) μέθοδο αντισεισμικού σχεδιασμού με βάση την επιτελεστικότητα, η οποία συνδυάζει τα πλεονεκτήματα της μεθόδου των δυνάμεων και της μεθόδου των μετακινήσεων, ώστε να εφαρμόζεται για τον αντισεισμικό σχεδιασμό σύμμικτων καμπτικών πλαισίων. Έτσι, πραγματοποιούνται εκτενείς παραμετρικές μελέτες περιλαμβάνοντας μη-γραμμικές δυναμικές αναλύσεις σε 96 πλαίσια υπό 100 σεισμικές καταγραφές με σκοπό τη δημιουργία τράπεζας δεδομένων με αποκρίσεις ενδιαφέροντος. Κατόπιν αναλύσεων γραμμικής παλινδρόμησης, απλές σχέσεις προτείνονται που απαιτούνται από την ΥΔΜ μέθοδο οι οποίες συνδέουν τη μέγιστη μετακίνησης κορυφής των πλαισίων με τη στοχευόμενη μέγιστη γωνιακή παραμόρφωσης των ορόφων ή την τοπική στροφική πλαστιμότητα των μελών και την απαιτούμενη συνολική πλαστιμότητας του πλαισίου με τον συντελεστή συμπεριφοράς q. Η σύγκριση της προτεινόμενης ΥΔΜ μεθόδου αντισεισμικού σχεδιασμού με εκείνης που προτείνεται από τον Ευρωπαϊκό κανονισμό αποδεικνύει ότι η προτεινόμενη διαδικασία φαίνεται να είναι πιο ακριβής και ελέγχει καλύτερα τις παραμορφώσεις. Μη-γραμμικές αναλύσεις χρονοιστορίας δείχνουν την συνέπεια της ΥΔΜ να εκτιμά με ακρίβεια τις απαιτήσεις των ανελαστικών παραμορφώσεων στα διάφορα επίπεδα επιτελεστικότητας σε αντίθεση με την τάση του κανονισμού να υποεκτιμά τη μέγιστη γωνιακή μετακίνησης ορόφων και να υπερεκτιμά την μέγιστη μετακίνηση κορυφής. Τέλος, συγκρίσεις σύμμικτων πλαισίων με σχεδιασμένα πλαίσια εξ’ ολοκλήρου από χάλυβα σύμφωνα με την ΥΔΜ, δείχνουν ότι τα σύμμικτα πλαίσια έχουν καλύτερη σεισμική συμπεριφορά από τα μεταλλικά και φαίνεται να είναι πιο οικονομικές κατασκευές.

Η διενέργεια εμβιομηχανικών μελετών σε μοντέλο με τη βοήθεια ηλεκτρονικών υπολογιστών βρίσκεται σήμερα σε προχωρημένο στάδιο εξέλιξης. Σε αυτή την εξέλιξη κεντρική θέση κατέχουν λογισμικά δύο κατηγοριών. Στην πρώτη κατηγορία κατατάσσονται τα λογισμικά εμβιομηχανικής προσομοίωσης του ανθρωπίνου σώματος και στη δεύτερη κατηγορία τα λογισμικά ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων. Σε αυτή τη Μεταπτυχιακή Εργασία έγινε μία προσπάθεια διερεύνηση της συνεργασίας των δύο αυτών κατηγοριών λογισμικού με την κινηματική μελέτη ενός οσφυϊκού σπονδύλου και την ανάλυση φορτίσεών του με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Για αυτό το λόγο επιλέχτηκαν δύο λογισμικά εμπορικά διαθέσιμα. Το λογισμικό εμβιομηχανικής προσομοίωσης Anybody modeling system και το λογισμικό ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων Ansys multiphysics. Στο Πρώτο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση του λογισμικού Anybody. Πιο συγκεκριμένα. αναφέρονται τα στοιχεία εκείνα που υλοποιούν ένα μοντέλο του ανθρώπινου σώματος (τμήματα, αρθρώσεις, μύες, σύνδεσμοι) καθώς και οι μελέτες που μπορούν να εκτελεστούν δηλαδή η κινηματική και η δυναμική. Κύρια θέση κατέχει η αντιστροφή δυναμική μελέτη που χαρακτηρίζεται από την εξαγωγή συμπερασμάτων για τις δυνάμεις και τις ροπές που αναπτύσσονται σε ένα σώμα αφού έχει περιγραφεί εκ των προτέρων η κίνησή του. Στο Δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια λεπτομερής περιγραφή της ανατομίας της σπονδυλικής στήλης στην οποία αναφέρονται τα επιμέρους κοινά στοιχεία που έχουν οι σπόνδυλοι καθώς κου οι διαφορές στις διαφορετικές μοίρες της σπονδυλικής στήλης. Μετά την ανατομική περιγραφή παρατίθεται η εμβιομηχανική θεώρηση της κατασκευής της οσφυϊκής μοίρας της σπονδυλικής στήλης, αναλύοντας τα επιμέρους δομικά στοιχεία από μηχανική άποψη και η λειτουργικότητά τους. Στο Τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η κατασκευή ενός μοντέλου της σπονδυλικής στήλης στο λογισμικό Anybody το οποίο υποβάλλεται σε κινήσεις κάμψης, έκτασης, πλάγιας κάμψης και στροφής και επιχειρείται ο σχολιασμός των ευρημάτων. Τέλος, στο τέταρτο κεφάλαιο τα δεδομένα τα οποία παράγει η αντίστροφή μελέτη και συγκεκριμένα οι φορτίσεις που δέχεται ο Ο5 σπόνδυλος κατά τις κινήσεις στις οποίες υποβάλλεται η οσφυϊκή μοίρα χρησιμοποιούνται ως δεδομένα εισόδου για την ανάλυση του Ο5 σπόνδυλο με το λογισμικό μηχανικής ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων ANSYS. Συνοψίζοντας, η συνεργασία των δύο λογισμικών αποδείχθηκε εφικτή και πρόσφορη. Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία αναπτύχθηκε η βασική τεχνογνωσία ως προς την χρήση του λογισμικού Anybody Modeling System και την συστηματοποίηση της διασύνδεσης του με το λογισμικό Ansys με αποτέλεσμά να αποτελεί την βάση για περαιτέρω εργασίες. / The conduction of biomechanical studies on models with the aid of computers is currently at an advanced stage. In this essay, the central position is hold by two software categories. In the first category are classified various software of biomechanical simulation of the human body and in the second category are classified the software for the finite element analysis. In this Master Thesis was made an attempt to explore the cooperation of these two kinds of software. For this reason, two commercially available softwares were selected. The biomechanical simulation was performed using the Anybody Modeling System software and the finite element analysis was performed using the Ansys Multiphysics software. In the first chapter the use of the Anybody software was presented. More specifically, those elements that implement a model of the human body (segments, joints, muscles, ligaments) as well as studies that can be performed i.e. the kinematics and dynamics studies were discussed in details. The inverse dynamics study has been characterized as the main feature of the software allowing to explore the resulting forces and torques developed in a body during the in advance described movement. The second chapter includes a detailed description of the anatomy of the spine. After the anatomical description the biomechanical approach is presented, analyzing each individual component from engineering point of view as well as their functionality. The third chapter describes the construction of a model of the spine in the Anybody software that is subjected to flexion, extension, lateral bending and rotation along with the results. Finally, in the fourth chapter the data that produces the inverse study namely the loads applied to the L5 vertebra during each movement performed by the lumbar spine are used as input data for the mechanical analysis of L5 vertebra with the finite element analysis software ANSYS. As a conclusion, the collaboration of these two software programmes proved to be feasible and appropriate. In this master thesis the basic knowledge in the use of software Anybody Modeling System has been developed and an interface with the software Ansys has been built thus forming the basis for further work.

Κατά την εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκε μία γενικευμένη μεθοδολογία βελτιστοποίησης των διεργασιών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή, μορφοποίηση και συνένωση κατασκευαστικών στοιχείων από σύνθετο υλικό, με κριτήριο την ποιότητα και το κόστος του παραγόμενου προϊόντος. Στην μεθοδολογία που προτείνεται, η διάταξη και τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά της μονάδας παραγωγής, μορφοποίησης ή συγκόλλησης των κατασκευαστικών στοιχείων θεωρούνται μεταβλητές. Επομένως, για την βελτιστοποίηση της αντίστοιχης διεργασίας με κριτήρια την ποιότητα και το κόστος του παραγόμενου προϊόντος θεωρούνται ως μεταβλητά μεγέθη τόσο οι τιμές των παραμέτρων της διεργασίας (π.χ. πίεση, θερμοκρασία, χρόνος κλπ.) όσο και η διάταξη και τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά της σχετικής μονάδας για την εφαρμογή της διεργασίας (π.χ. διάταξη και τεχνικά χαρακτηριστικά της μονάδας θέρμανσης). Η μεθοδολογία μπορεί να εφαρμοστεί στο σύνολο των διεργασιών που χρησιμοποιούνται στα θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά και ευκολότερα σε διεργασίες στις οποίες είναι δυνατή η άμεση επιλογή των παραμέτρων της διεργασίας και η μεταβολή των διατάξεων της χρησιμοποιούμενης συσκευής∙ βασίζεται στην θεώρηση ότι σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει το κόστος καθώς και την ποιότητα του παραγόμενου προϊόντος είναι ο κύκλος θέρμανσης που θα επιλεγεί. Η προτεινόμενη μεθοδολογία περιλαμβάνει την πειραματική διερεύνηση της επίδρασης των παραμέτρων της διεργασίας και ειδικότερα του κύκλου θέρμανσης στα προκαθορισμένα χαρακτηριστικά ποιότητας του παραγόμενου προϊόντος (π.χ. κρίσιμες μηχανικές ιδιότητες) καθώς και συσχέτιση των παραπάνω παραμέτρων με το τελικό κόστος παραγωγής, χρησιμοποιώντας την μεθοδολογία της εκτίμησης κόστους με βάση τη δραστηριότητα (Activity Based Costing method). Από την παραπάνω διερεύνηση προκύπτουν οι συναρτήσεις ποιότητας, οι οποίες κυρίως από το υλικό που χρησιμοποιείται, και οι συναρτήσεις εκτίμησης κόστους, οι οποίες εξαρτώνται κυρίως από την διεργασία. Σε κάποιες περιπτώσεις, τα πειραματικά δεδομένα που απαιτούνται για τον προσδιορισμό των παραπάνω συναρτήσεων είναι διαθέσιμα, κυρίως από την βιομηχανία. Για την εφαρμογή της μεθοδολογίας στις περιπτώσεις που δεν είναι διαθέσιμα επαρκή πειραματικά δεδομένα, γίνεται προσομοίωση του κύκλου θέρμανσης με χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων, με την βοήθεια της οποίας κατασκευάζονται παραμετρικά μοντέλα, όπου εφαρμόζεται ‘εικονικά’ ένας μεγάλος αριθμός διαφορετικών κύκλων θέρμανσης και υπολογίζονται τα θερμικά μεγέθη που αντιστοιχούν στον καθένα (χρόνος και ρυθμός θέρμανσης, θερμοκρασία υλικού και κατανομή αυτής κλπ.). Τα μεγέθη αυτά αξιοποιούνται στην συνέχεια για τον υπολογισμό των μεγεθών ποιότητας και του κόστους κάνοντας χρήση των Συναρτήσεων Ποιότητας και των Συναρτήσεων Εκτίμησης Κόστους αντίστοιχα. Ο βέλτιστος συνδυασμός των παραμέτρων της διεργασίας και του κύκλου θέρμανσης καθώς και των ορίων που μπορούν να κυμαίνονται αυτά ώστε να ικανοποιείται η απαίτηση για την εξασφάλιση των προκαθορισμένων χαρακτηριστικών ποιότητας με το μικρότερο δυνατό κόστος, προκύπτει μέσω μιας επαναληπτικής διαδικασίας βελτιστοποίησης. Για την εφαρμογή της παραπάνω μεθοδολογίας βελτιστοποίησης αναπτύχθηκε και προτείνεται ένα υπολογιστικό εργαλείο-λογισμικό, το LTSM-OPT (Laboratory of Technology and Strength of Materials Process Optimization Tool). Η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόστηκε σε δύο νέες διεργασίες που χρησιμοποιούνται στα θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά, την διεργασία ‘ψυχρής’ μορφοποίησης με διάφραγμα (‘cold’ diaphragm forming) και την διεργασία συγκόλλησης με λέιζερ (laser transmission welding). Στο πλαίσιο αυτό, ο κύκλος θέρμανσης, που περιλαμβάνεται και στις δύο υπό εξέταση διεργασίες, προσομοιώθηκε με την βοήθεια πεπερασμένων στοιχείων με σκοπό την ‘εικονική’ εφαρμογή των αντίστοιχων κύκλων θέρμανσης στο υλικό που εξετάστηκε. Στην συνέχεια, χρησιμοποιώντας το λογισμικό LTSM-OPT, προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες παράμετροι των παραπάνω διεργασιών και οι αντίστοιχοι κύκλοι θέρμανσης για την παραγωγή του θόλου ελικοπτέρου καθώς και για την συγκόλληση ενισχυτικών δοκών στο εσωτερικό μέρος της ατράκτου αεροσκαφών, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας αξιολογήθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν από την εταιρεία κατασκευής ελικοπτέρων EUROCOPTER και την εταιρεία κατασκευής αεροσκαφών AIRBUS για την εγκατάσταση μίας νέας μονάδας ‘ψυχρής’ μορφοποίησης με διάφραγμα και την παραγωγή πρωτοτύπων θόλων ελικοπτέρου, καθώς και για την ρύθμιση της διάταξης του υπάρχοντος συστήματος συγκόλλησης με λέιζερ διόδου και την συγκόλληση ενισχυτικών δοκών στην άτρακτο αεροσκαφών, αντίστοιχα. / In the framework of the current PhD thesis, a generic concept for the optimization of manufacturing processes of composite material components with regard to product’s quality and cost is introduced. In the proposed concept the configuration of the manufacturing unit is considered as an option for optimizing families of products with regard to quality and cost. For processes offering flexibility in selecting process features and parameters, the concept can be applied straight forward. The proposed concept relies on the consideration of the processes thermal cycle as essential for both the quality and cost of the produced part. It involves a quality sensitivity analysis based on experimental data, which relates the values of the thermal cycle parameters to predefined quality characteristics (e.g. critical mechanical properties) as well as a cost analysis by relating the parameters of the thermal cycle to cost data using the Activity Based Costing (ABC) methodology. Outcome of the above analyses is the derivation of the material dependent Quality Functions (QFs) along with the derivation of the process dependent Cost Estimation Relationships (CERs). The configuration of the manufacturing unit is considered as an option for optimizing families of products with regard to quality and cost. To achieve this, the heating process has been simulated by developing a parametric Finite Element model, so as to virtually conceive heating units and calculate the corresponding thermal cycles. The latter are exploited to calculate quality and cost values using the derived QFs and CERs. The optimal thermal cycle which leads to minimum cost that satisfies the design and quality requirements, along with the allowable thermal cycle windows, is derived, by involving an iterative optimization procedure. To carry out the optimization procedure a suitable software tool, the LTSM-OPT tool, is developed and introduced. The proposed concept has been applied to optimize the ‘cold’ Diaphragm Forming (CDF) process, as well as, the Laser Transmission Welding process (LTW). The thermal sub-process involved in the processes under consideration is numerically simulated such as to allow for the virtual application of the respective thermal cycle on the material. Using the developed software the features of the CDF heating system and the LTW system configuration along with the optimal thermal cycle for producing a helicopter canopy as well as for welding stiffeners on the aircraft fuselage skin, respectively, were obtained. The results of the first study were successfully exploited by EUROCOPTER to install a new flexible CDF facility and produce helicopter canopies by applying the derived optimal thermal cycle. As well, the results of the latter analysis were successfully exploited by AIRBUS to configure and adapt a laser diode source device to weld stiffeners and riblets to the aircraft fuselage skin, and thus produce integral aeronautic structures, by applying the optimized solution derived from the present study.

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μεθοδολογίας προσδιορισμού της κατανομής της σκληρότητας και του βάθους διείσδυσης της σκλήρυνσης που προκαλείται σε ένα εξάρτημα το οποίο έχει υποστεί Σκλήρυνση μέσω Λείανσης (Grind-Hardening). Η διεργασία Σκλήρυνσης μέσω Λείανσης είναι μία νέα επιφανειακή θερμική κατεργασία η οποία χρησιμοποιεί την θερμότητα που αναπτύσσεται στην ζώνη λείανσης για την θερμική κατεργασία του κομματιού. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μαθηματικών μοντέλων ικανών να προβλέψουν τα διάφορα χαρακτηριστικά της διεργασίας (δηλ. τη τοπογραφία της επιφάνειας του λειαντικού τροχού, τις δυνάμεις κατεργασίας, την παραγωγή και τον επιμερισμό της θερμότητας και την θερμοκρασιακή κατανομή). Τα μοντέλα αυτά συνδυαζόμενα επιτρέπουν τον προσδιορισμό της κατανομής σκληρότητας και του βάθος δι-είσδυσης της σκλήρυνσης συναρτήσει των παραμέτρων της διεργασίας και των χαρακτηριστικών του λειαντικού τροχού που χρησιμοποιείται. Παράλληλα, η εφαρμογή των μοντέλων αυτών οδηγεί σε χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με τα όρια εφαρμογής της διεργασίας. Μετά την επιβεβαίωση των θεωρητικών προβλέψεων, εξάχθηκε βάση δεδομένων υπολογισμού του βάθους διείσδυσης της σκλήρυνσης συναρτήσει της ροής θερμότητας στο κομμάτι και των παραμέτρων της διεργασίας. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε εφαρμόστηκε για την περίπτωση σκλήρυνσης οδηγών κύλισης (raceway). Το σημαντικότερο συμπέρασμα που προκύπτει από την συγκεκριμένη διατριβή είναι ότι η διεργασία σκλήρυνσης μέσω λείανσης μπορεί να θεωρηθεί αρκετά «ώριμη» ούτως ώστε να μπορεί να εισαχθεί στην βιομηχανική πρακτική για την επιφανειακή σκλήρυνση εξαρτημάτων. Τα διάφορα χαρακτηριστικά της διεργασίας μπορούν να προβλεφθούν ενώ τέθηκαν οι βάσεις δημιουργίας ενός συστήματος παρακολούθησης και προγραμματισμού της διεργασίας. / The objective of the present study is the development of a methodology capable of predicting the hardness distribution and the hardness penetration within a grind-hardened workpiece. Grind-hardening is a novel-alternative surface hardening process that utilizes the heat generated in the grinding zone for the heat treatment of the workpiece material. The present work has employed analytical and numerical modeling techniques for describing the characteristics and output of the process, i.e. the topography of the grinding wheel, the process induced forces, the heat generation and partition and the temperature distribution within the work-piece. These models when coupled allow the estimation of the hardness distribution and the hardness penetration depth as a function of the process parameters and the characteristics of the grinding wheel. Additionally, through the process modeling, the process limitations are identified. After proving the validity of the theoretical predictions, the coupled models were utilized for the extraction of a data base providing the hardness penetration depth as a function of the heat flow entering the workpiece and the process parameters. The developed methodology was used for programming the grind-hardening of raceways. The main conclusion of this work is that grind-hardening process can be nowadays introduced in the industrial practice. The methodology developed, allows the prediction of the process outcome and can be used in the future for setting up an on-line monitoring system and / or develop an off-line process programming system.

Η παρούσα εργασία στοχεύει στην δημιουργία αξιόπιστων προσομοιωμάτων για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς υποστυλωμάτων ενισχυμένων με μανδύα και πρόσθετες στρώσεις από οπλισμένο σκυρόδεμα. Ειδικότερα στην εργασία διερευνάται η επιρροή της διεπιφάνειας παλαιού - νέου σκυροδέματος, η συστολή ξήρανσης του σκυροδέματος καθώς και η προφόρτιση των αρχικών υποστυλωμάτων στην συμπεριφορά των ενισχυμένων στοιχείων. Για την διερεύνηση της επιρροής του φαινομένου της δεσμευμένης συστολής ξήρανσης στην αντοχή του πρόσθετου σκυροδέματος ενίσχυσης, πραγματοποιούνται πειραματικές δοκιμές. Στην συνέχεια και αφού ελέγχεται η αξιοπιστία των προσομοιωμάτων, αυτά χρησιμοποιούνται σε παραμετρική διερεύνηση με σκοπό την εξαγωγή συντελεστών μονολιθικότητας οι οποίοι συσχετίζουν την συμπεριφορά των ενισχυμένων στοιχείων με αυτή των αντίστοιχων μονολιθικών. Ο υπολογισμός αξιόπιστων τιμών για τους συντελεστές μονολιθικότητας έχει ιδιαίτερη σημασία για τον σχεδιασμό καθώς με την εφαρμογή τους μπορούν εύκολα να εκτιμηθούν τα χαρακτηριστικά των ενισχυμένων στοιχείων. Από την αριθμητική διερεύνηση που πραγματοποιήθηκε, βρέθηκαν οι κατάλληλες παραδοχές με χρήση των οποίων μπορεί να επιτευχθεί αξιόπιστη πρόβλεψη μονολιθικών αλλά και ενισχυμένων στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα. Ιδιαίτερη σημασία βρέθηκε να έχει το φαινόμενο της συστολής ξήρανσης του σκυροδέματος ο συνυπολογισμός του οποίου φαίνεται να αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση για την προσομοίωση της συμπεριφοράς κυρίως των ενισχυμένων στοιχείων. Η προφόρτιση του αρχικού υποστυλώματος βρέθηκε να μην επηρεάζει σημαντικά τα αποτελέσματα και ο συνυπολογισμός του μπορεί να αγνοείται. Στα τελευταία κεφάλαια της Διατριβής προτείνονται τιμές για τους συντελεστές μονολιθικότητας ανάλογα με τον τύπο ενίσχυσης οι οποίες βρέθηκαν να επηρεάζονται από το αξονικό φορτίο και το πάχος του μανδύα ενίσχυσης. Μια συνοπτική παρουσίαση των περιεχομένων κάθε κεφαλαίου ακολουθεί στην συνέχεια. Το πρώτο Κεφάλαιο της εργασίας περιλαμβάνει την βιβλιογραφική ανασκόπηση του θέματος. Περιλαμβάνει ερευνητικές εργασίες που έχουν πραγματοποιηθεί σε ενισχυμένα στοιχεία με πρόσθετες στρώσεις και μανδύες από οπλισμένο σκυρόδεμα. Στην συνέχεια παρουσιάζονται προσομοιώματα που έχουν προταθεί για την συμπεριφορά της διεπιφάνειας παλαιού - νέου σκυροδέματος καθώς και διαδικασίες προσομοίωσης της συμπεριφοράς στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα με χρήση πεπερασμένων στοιχείων. Στο τέλος του Κεφαλαίου παρουσιάζεται μια ανασκόπηση για την ελεύθερη και την δεσμευμένη συστολή ξήρανσης σε στοιχεία σκυροδέματος. Το δεύτερο Κεφάλαιο περιλαμβάνει αρχικά μια αναλυτική προσέγγιση της επιρροής του φαινομένου της συστολής ξήρανσης σε ενισχυμένα στοιχεία από οπλισμένο σκυρόδεμα ενώ στην συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα πειραματικής διαδικασίας για την διερεύνηση της επιρροής της δεσμευμένης συστολής ξήρανσης στην συμπεριφορά των χαρακτηριστικών του σκυροδέματος. Τα αποτελέσματα αυτά χρησιμοποιούνται για την διερεύνηση της αξιοπιστίας της προσομοίωσης του φαινομένου της συστολής ξήρανσης. Στο τρίτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η προσομοίωση μονολιθικών και ενισχυμένων στοιχείων με χρήση του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων γενικής χρήσης, ΑΝSYS. Αρχικά εξετάζονται διαφορετικές διαδικασίες προσομοίωσης για την ολίσθηση μεταξύ χάλυβα και σκυροδέματος σε μονολιθικά στοιχεία ενώ στην συνέχεια εξετάζεται η προσομοίωση της διεπιφάνειας παλαιού - νέου σκυροδέματος. Στο τέταρτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η προσομοίωση μονολιθικών και ενισχυμένων στοιχείων με χρήση του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων ΑΤΕΝΑ το οποίο απευθύνεται αποκλειστικά στην προσομοίωση στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα. Με το συγκεκριμένο λογισμικό υπάρχει η δυνατότητα προσομοίωσης της συμπεριφοράς των στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα και μετά το μέγιστο της καμπύλης δύναμης μετατόπισης. Επιπλέον προσομοιώνεται και το φαινόμενο της συστολής ξήρανσης του σκυροδέματος. Στο πέμπτο Κεφάλαιο εξετάζεται η επιρροή της προφόρτισης και της συστολής ξήρανσης στην συμπεριφορά των ενισχυμένων στοιχείων. Στο έκτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται μια παραμετρική διερεύνηση της επιρροής του πάχους του μανδύα ενίσχυσης και της τιμής του αξονικού φορτίου για υποστυλώματα ενισχυμένα με μη συρρικνούμενο σκυρόδεμα. Στο έβδομο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα παραμετρικών αναλύσεων συνυπολογίζοντας το φαινόμενο της συστολής ξήρανσης του σκυροδέματος και υπολογίζονται συντελεστές μονολιθικότητας ανάλογα με το πάχος του μανδύα ενίσχυσης, τη τιμή του ανηγμένου αξονικού φορτίου καθώς και την αντοχή του σκυροδέματος του μανδύα. Στο όγδοο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα γενικά συμπεράσματα που προέκυψαν ενώ γίνονται και προτάσεις για μελλοντική έρευνα. / The main aim of the thesis is the development of reliable numerical models to simulate the behaviour of columns strengthened with reinforced concrete jackets or additional layers. Specifically in this work, the effect of concrete shrinkage and the preloading of the initial column are investigated. For the investigation of the concrete shrinkage effect on the strength of the concrete of the jacket, an experimental procedure is performed. The experimental results are used to validate the numerical models and numerical analyses are used to calculate monolithic coefficients that correlate the behaviour of strengthened specimens with respective monolithic specimens. Monolithic coefficient values are of main importance as they can be simply used to estimate the characteristics of strengthened elements. From the numerical investigation, appropriate simulation assumptions for the reliable prediction of the behaviour of monolithic and strengthened reinforced elements have been found. The concrete shrinkage effect was found to be of main importance for the reliable simulation of the monolithic and especially strengthened specimens. The preloading of the initial column was found to have a negligible effect on the behaviour of strengthened specimens. In the final chapters of the thesis, monolithic coefficient values are proposed depending on the type of the jacket, the axial load value and the thickness of the concrete jacket. A brief description of the contents of each chapter follows: The first chapter presents a literature review. Research work involving elements strengthened with additional layers or jackets is initially presented. Then, available proposed models for the behaviour of the interface between the old and the new concrete and assumptions for the simulation of reinforced concrete elements using the finite element method are presented. The end of the chapter concerns a literature review covering free and restrained concrete shrinkage. The second chapter begins by presenting an analytical approximation of the effect of concrete shrinkage in strengthened specimens. Next, experimental results are presented concerning the compressive strength of concrete elements under restrained concrete shrinkage. These results are then used to validate the simulation procedure of the concrete shrinkage effect. The simulation of monolithic and strengthened reinforced concrete elements using the general purpose finite element program ANSYS is presented in the third chapter. Different assumptions for the simulation of bond slip between the steel bars and the concrete and for the interface between the old and the new concrete are examined. In the fourth chapter, the simulation of monolithic and strengthened elements using finite element program ATENA is presented. This software specialises in the simulation of reinforced concrete elements and the behaviour of the elements can be predicted even in the post peak region of the load deflection curve. In addition, the concrete shrinkage effect is simulated. The effect of the preloading of the initial column and the concrete shrinkage on the behaviour of the strengthened specimens is investigated in the fifth chapter. The sixth chapter presents a parametric study concerning the effect of the thickness of the concrete jacket and the axial load value on the behaviour of columns strengthened with a non-shrink concrete. In the seventh chapter, a parametric study is presented for columns strengthened with a normal (subject to shrinkage) concrete and monolithic coefficient values are calculated for different values of the thickness of the jacket, the axial load and the strength of the concrete of the jacket. Conclusions of the thesis are presented in the eighth chapter together with proposals for future research.