Objective of the present study is the development of design methods for the control of products’ architecture in order to obtain modular designs. Towards this target, an integrated approach is proposed, investigating the design architecture from two aspects: the -functions to parts- mapping as well as the point of view related to parts’ interactions. For the first aspect, an approach utilizing Axiomatic Design Theory is described in order to control the design architecture with regards to the -functions to parts- mapping. As far as the second aspect is concerned, two indexes are developed quantifying the design architecture in terms of the parts’ interactions perspective. Furthermore, an algorithm for clustering of product’s parts into clusters/modules is introduced. The algorithm utilizes Artificial Neural Networks (ANNs) and Design Structure Matrices (DSMs). The aforementioned developments were incorporated into a CAD based software tool, having as objective the support of modular design. Its main functions are: (a) DSM generation from product CAD model, (b) calculation of the aforementioned indexes, (c) facilitation of clustering and (d) representation of clustered DSM in CAD form. Application of the tool to real case studies from the automotive industry, provide an evaluation of the developed methods. The main outcome of the present work is the integrated approach that was proposed and realized through the software tool, which integrates methods for the handling of a product’s design architecture. This process assists in real time (during the design process) design engineers to the generation of modular designs. The evaluation of the case studies reveals the efficiency of the proposed approach to produce such designs and validates its applicability to industry. / Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μεθόδων για τον έλεγχο της σχεδιαστικής αρχιτεκτονικής των προϊόντων. Για το σκοπό αυτό προτείνεται μια ολοκληρωμένη προσέγγιση η οποία διερευνά τη σχεδιαστική αρχιτεκτονική και από τις δύο της διαστάσεις: την αντιστοίχιση των λειτουργιών του προϊόντος στα μέρη από τα οποία αποτελείται καθώς και την αλληλεπίδραση που έχουν τα μέρη αυτά μεταξύ τους. Για τη πρώτη διάσταση, προτείνεται ένας τρόπος χρησιμοποίησης της Θεωρίας του Αξιωματικού Σχεδιασμού (Axiomatic Design Theory) ώστε να γίνεται έλεγχος της σχεδιαστικής αρχιτεκτονικής ως προς την αντιστοίχιση των λειτουργιών στα μέρη του προϊόντος. Όσον αφορά τη δεύτερη διάσταση, αναπτύσσονται δύο δείκτες οι οποίοι ποσοτικοποιούν την σχεδιαστική αρχιτεκτονική που αφορά τη δομή των αλληλεπιδράσεων των τμημάτων του προϊόντος. Επίσης, εισάγεται ένας αλγόριθμος για την ομαδοποίηση (clustering) των μερών ενός προϊόντος. Ο αλγόριθμος αυτός χρησιμοποιεί Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα και πίνακες DSM (Design Structure Matrix). Οι παραπάνω μέθοδοι ενσωματώθηκαν σε ένα λογισμικό εργαλείο που αναπτύχθηκε. Το εργαλείο αυτό συνεργάζεται με προγράμματα CAD και έχει ως στόχο την στήριξη του ομαδοποιημένου σχεδιασμού. Οι βασικές του λειτουργίες είναι η δημιουργία του πίνακα DSM ενός προϊόντος χρησιμοποιώντας το αντίστοιχο σχέδιο CAD, ο υπολογισμός των προαναφερθέντων δεικτών, η διευκόλυνση της διαδικασίας ομαδοποίησης καθώς και η αναπαράσταση σε CAD ενός ομαδοποιημένου πίνακα DSM. Μέσω της εφαρμογής του εργαλείου αυτού σε πραγματικές περιπτώσεις της αυτοκινητοβιομηχανίας, πραγματοποιήθηκε αξιολόγηση των μεθόδων που αναπτύχθηκαν. Το κυριότερο αποτέλεσμα της εργασίας είναι η ολοκληρωμένη λύση που προτάθηκε και υλοποιήθηκε μέσω ενός λογισμικού εργαλείου, η οποία ενσωματώνει μεθόδους ελέγχου της σχεδιαστικής αρχιτεκτονικής προϊόντων. Η λύση αυτή βοηθάει σε πραγματικό χρόνο (κατά τη διάρκεια της σχεδιαστικής διαδικασίας) τους σχεδιαστές μηχανικούς, στη δημιουργία καινοτόμων σχεδιασμών. Η αξιολόγηση των περιπτώσεων της αυτοκινητοβιομηχανίας έδειξε την δυνατότητα της προτεινόμενης λύσης να παράγει τέτοιους σχεδιασμούς και επικύρωσε την εφαρμοσιμότητά της σε βιομηχανικό περιβάλλον.

Στη βιομηχανία, το σημερινό παγκόσμιο επιχειρησιακό περιβάλλον, χαρακτηρίζεται από πρωτοφανή ανταγωνισμό και απαιτητικούς πελάτες, οι οποίοι επιζητούν καινοτόμες και ταχείες λύσεις. Η κατανόηση και η βελτιστοποίηση των διαδικασιών σχεδιασμού θεωρείται ακρογωνιαίος λίθος επιτυχίας σε ένα τόσο γρήγορα εξελισσόμενο περιβάλλον. Η ελαχιστοποίηση του χρόνου εισαγωγής ενός προϊόντος στην αγορά και η διατήρηση της ποιότητας του, σε υψηλά επίπεδα, έχουν γίνει οι κύριοι παράγοντες της επιτυχίας του. Για αυτό το λόγο, κρίθηκε επιτακτική η ανάγκη ύπαρξης ενός συνεργατικού διαδικτυακού εργαλείου για το σχεδιασμό των εκάστοτε προϊόντων. Στη παρούσα εργασία, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε μια Διαδικτυακή Πλατφόρμα Συνεργασίας (ΔΠΣ), η οποία παρέχει τη δυνατότητα συνεργασίας μεταξύ πολλών απομακρυσμένων χρηστών, σε πραγματικό χρόνο, πάνω στο σχεδιασμό και την αξιολόγηση ενός προϊόντος. Σκοπός της εργασίας ήταν να δημιουργηθεί μια αποδοτική, αξιόπιστη και εύκολη στο χειρισμό της Διαδικτυακή Πλατφόρμα, για την εποπτεία, αξιολόγηση και επικύρωση του σχεδιασμού ενός προϊόντος, σε όλες τις φάσεις της ανάπτυξης του. Λειτουργίες, όπως η διαχείριση χρηστών, έργων, ρόλων και αρχείων, αναπτύχθηκαν και ενσωματώθηκαν σε μια ολοκληρωμένη πλατφόρμα, που επιτρέπει στους χρήστες να εργάζονται κατά τρόπο συνεργατικό και κατανεμημένο, μειώνοντας έτσι αρκετά το χρόνο που απαιτείται για την ολοκλήρωση της φάσης σχεδιασμού των προϊόντων. Στην εργασία αυτή, παρουσιάστηκαν και εκτιμήθηκαν οι δυνατότητες που παρέχει η συνδυασμένη χρήση της Java, των σχεσιακών συστημάτων βάσεων δεδομένων, σε ένα περιβάλλον τριών επιπέδων (3-tier), για την υλοποίηση ολοκληρωμένων πληροφοριακών συστημάτων. Η τεχνολογία που χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή του συστήματος είναι η Java σαν γλώσσα προγραμματισμού, η οποία επιτρέπει στο σύστημα να εγκαθίσταται σε πολλά διαφορετικά περιβάλλοντα, η Oracle για την αποθήκευση των δεδομένων, η JSP για την ανάπτυξη δυναμικών ιστοσελίδων, ο Tomcat ως web server καθώς και η XML για την επικοινωνία και την ανταλλαγή δεδομένων στα υπάρχοντα συστήματα. Οι μέθοδοι και οι προσεγγίσεις που χρησιμοποιήθηκαν είναι γενικές και έτσι υπάρχει η δυνατότητα να εφαρμοστούν σε πολλούς και διαφορετικούς μεταξύ τους οργανισμούς. / In industry, the current world operational environment, is characterized by unprecedented competition and demanding customers, who seek innovative and rapid solutions. The comprehension and optimization of the design processes are considered the corner stone of success in such a rapidly evolving environment. Minimizing the time that a product enters into the market and the maintenance of its quality at high levels, have become the main factors of its success. For this reason, there was an imperative need for the existence of a collaborative web tool for the designing of each product. In the present work, a Collaborative Web Platform (CWP), which enables the collaboration among several users, in real time, on the design and the evaluation of a product or production procedure, has been designed and implemented for remote users. The aim of this work was that an efficient, reliable and easy to use system for collaborative design be created, for the monitoring, evaluation and ratification of designing, in all of the stages of a product’s development. Operations of web collaboration, as is the management of users, roles, tasks and files, were developed and they were incorporated into an integrated platform that allowed the users to work in a collaborative and distributed way, thus decreasing considerably the time, required for the completion of the design stage. In this work, the possibilities provided by the combined use of Java and the relational data bases systems, in a three-level environment for the implementation of integrated informative systems, have been evaluated. The technologies used for the implementation of the system was Java, as a programming language, which allows for the system to be installed in a lot of different environments, Oracle for the storage of data, the JSP for the development of dynamic web pages, the Apache Tomcat, as a web server, as well as the XML language for the communication and the exchange of data in the existing systems. The methods and approaches used are general and thus, there exists the possibility that they be applied to several organizations that are different from each other.

The objective of the current study is the development of an optimization methodology for the energy efficiency of the cold roll forming process. Towards that target, a hybrid modeling approach, utilizing analytical and computational models, is proposed and developed. The energy efficiency indicator for the cold roll forming process is defined, as taking into account the cold roll forming process as a system with energy inputs and outputs. An analytical model was proposed and analyzed for the calculation of such energy efficiency indicator. Internal deformation work for longitudinal and bending strains and pulling frictional work were taking into account. Validation of the analytical model with experimental data and a sensitivity analysis for cold roll forming process variables are then presented. Furthermore a computational model for the cold roll forming process was proposed and analyzed. Simulation methods and modeling approach are analyzed for both forming and springback analysis. The computational model sections and variables are analyzed and results for longitudinal strains are validated with experimental data. The aforementioned modeling approaches were integrated within an optimization methodology, which consist of a robust design algorithm and a closed loop checking for quality constraints. A robust design algorithm implementation was proposed utilizing the analytical model, as taking into account the uncertainty of noise factors within computer experiments. Closed loop checking of quality constraints is implemented using computational model and specified process guidelines. The main outcome of this work is the complete method that was proposed and realized through analytical and computational models. The evaluation of the case study revealed the efficiency and practicality of the suggested approach towards energy efficiency optimization of the cold roll forming process. / Το αντικείμενο αυτής της διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας βελτιστοποίησης της ενεργειακής αποδοτικότητας της διεργασίας διαμόρφωσης με περιστρεφόμενους κυλίνδρους. Προς αυτόν τον στόχο, μια υβριδική προσέγγιση μοντελοποίησης, χρησιμοποιώντας αναλυτικό και υπολογιστικό μοντέλο, προτείνεται και αναπτύσσεται. Ο δείκτης ενεργειακής αποδοτικότητας για την διεργασία διαμόρφωσης με περιστρεφόμενους κυλίνδρους ορίζεται, λαμβάνοντας υπόψη τη διεργασία ως ένα σύστημα με ενεργειακές εισροές και εκροές. Ένα αναλυτικό μοντέλο προτείνεται και αναλύεται για τον υπολογισμό του δείκτη ενεργειακής αποδοτικότητας. Υπολογίζονται το εσωτερικό έργο παραμόρφωσης για διαμήκεις και κάμψης παραμορφώσεις, και έργο τριβής μέσω έλξης του υλικού. Το αναλυτικό μοντέλο επαληθεύεται με πειραματικές παρατηρήσεις και στην συνέχεια πραγματοποιείται μία ανάλυση ευαισθησίας για της μεταβλητές της διεργασίας διαμόρφωσης με περιστρεφόμενους κυλίνδρους. Επιπροσθέτως, ένα υπολογιστικό μοντέλο για την διεργασία διαμόρφωσης με περιστρεφόμενους κυλίνδρους προτείνεται και αναλύεται. Οι μέθοδοι προσομοίωσης και η προσέγγιση μοντελοποίησης αναλύονται για τις αναλύσεις διαμόρφωσης και επαναφοράς. Τα τμήματα του υπολογιστικού μοντέλου και οι μεταβλητές του αναλύονται καθώς και τα αποτελέσματα για τις διαμήκεις παραμορφώσεις επαληθεύονται με πειραματικά δεδομένα. Οι εν λόγω προσεγγίσεις μοντελοποίησης ενσωματώνονται σε μία μεθοδολογία βελτιστοποίησης, η οποία αποτελείται από έναν αλγόριθμο εύρωστου σχεδιασμού και έναν κλειστό βρόγχο για τον έλεγχο των ποιοτικών περιορισμών. Η υλοποίηση του αλγόριθμου εύρωστου σχεδιασμού προτείνεται με χρήση του αναλυτικού μοντέλου, παίρνοντας υπόψη την αβεβαιότητα των μεταβλητών θορύβου σε πειράματα με Η/Υ. Ο κλειστός βρόγχος για τον έλεγχο των ποιοτικών περιορισμών χρησιμοποιεί το υπολογιστικό μοντέλο και συγκεκριμένες οδηγίες διεργασίας. Το κύριο αποτέλεσμα αυτής της εργασίας είναι η πλήρης μεθοδολογία που προτείνεται και πραγματοποιείται μέσω αναλυτικού και υπολογιστικού μοντέλων. Η αξιολόγηση της εφαρμογής της μεθοδολογίας σε βιομηχανικό προϊόν αποκάλυψε την αποτελεσματικότητα και την πρακτικότητα της προτεινόμενης προσέγγισης για την βελτιστοποίηση της ενεργειακής αποδοτικότητας της διεργασίας διαμόρφωσης με περιστρεφόμενους κυλίνδρους.

Εξήντα έξη χρόνια μετά την εμφάνιση της πρώτης δημοσίευσης που αφορούσε στη θεραπεία με τη χρήση μουσταρδών αζώτου και ενώσεις που ανήκουν στη θεραπευτική αυτή κατηγορία, όπως το κυκλοφωσφαμίδιο και η μελφαλάνη εξακολουθούν να αποτελούν πρώτης γραμμής χημειοθεραπευτικούς παράγοντες τόσο κατά της λευχαιμίας όσο και έναντι άλλων συμπαγών όγκων. Οι διλειτουργικοί αλκυλιωτικοί παράγοντες, κατηγορία στην οποία ανήκουν και οι μουστάρδες αζώτου, επάγουν το θάνατο των καρκινικών κυττάρων και κατά συνέπεια και την κυτταροτοξική τους δράση μέσω της δημιουργίας διαμοριακών χιαστί τύπου δεσμών μεταξύ των κλώνων του DNA. Οι φαρμακολογικές τους δράσεις σχετίζονται κυρίως με την σύνθεση του DNA των διαιρούμενων κυττάρων, προκαλώντας ουσιαστικά μια γενική αναστολή της κυτταρικής διαίρεσης. Ωστόσο, εκτός από την αναμενόμενη και επιθυμητή θεραπευτική δράση, προκαλούν τοξικές παρενέργειες, οι οποίες σχετίζονται με μεταλλαγή των κυττάρων της αρχέγονης σειράς, εμφάνιση καρκινογένεσης και τερατογένεσης. Το εύρος των μειονεκτημάτων που παρουσιάζουν και ειδικά η συστηματική τοξικότητα σε συνδυασμό με την υψηλή χημική in vivo δραστικότητα τους και την μειωμένη εκλεκτικότητα τους, είχαν ως αποτέλεσμα τον περιορισμό της χρήσης τους. Παρόλα αυτά κατέχουν εξέχουσα θέση στη θεραπευτική έναντι μιας μεγάλης ποικιλίας τύπων καρκίνου, συμπεριλαμβανομένου και των αιματολογικών νεοπλασμάτων. Στην προσπάθεια επίλυσης του προβλήματος της αυξημένης τοξικότητας και της απουσίας εκλεκτικότητας των ενώσεων της κατηγορίας αυτής, διάφορες μουστάρδες αζώτου συζεύχθηκαν μέσω εστερικού δεσμού με ποικίλους στεροειδικούς σκελετούς, στρατηγική που αποδείχθηκε ουσιαστικά ιδιαιτέρως αποτελεσματική. Αποτελέσματα μελετών τόσο της ερευνητικής μας ομάδας όσο και άλλων, υποστηρίζουν πως ο στεροειδικός σκελετός δεν μπορεί πλέον να θεωρηθεί μόνο ως απλός φορέας για την αποτελεσματική μεταφορά της αλκυλιωτικής ομάδας στις θέσεις στόχους του DNA, εφόσον μικρές δομικές τροποποιήσεις του επιφέρουν σημαντικές διαφοροποιήσεις στην αντιλευχαιμική δράση των τελικών στεροειδών εστέρων. Επιπρόσθετα, οι μελέτες αυτές έδειξαν ότι η παρουσία της –NHCO- ομάδας είτε ως ενδοκυκλικής λακταμικής είτε ως εξωκυκλικής αμιδικής στον Δ-δακτύλιο του στεροειδικού τμήματος είναι καθοριστικός παράγοντας για την εμφάνιση κυτταροτοξικής ή αντινεοπλασματικής δράσης στεροειδών εστέρων της χλωραμβουκίλης και αναλόγων αυτής. Μέχρι σήμερα έχει προκύψει ένας εκτεταμένος αριθμός στεροειδών εστέρων, από την σύζευξη απλών και τροποποιημένων στεροειδών με αρκετές διαφορετικές μουστάρδες αζώτου. Η πλειονότητα αυτών των παραγώγων έχουν υποβληθεί σε in vitro και in vivo βιολογικές δοκιμές έναντι των λευχαιμίων Ρ388 και L1210 και αρκετά από αυτά έχουν αποδειχθεί αποτελεσματικοί αντινεοπλασματικοί παράγοντες. Σε μια πρόσφατη 3D-QSAR μελέτη τριάντα οκτώ στεροειδών εστέρων τριών διαφορετικών μουσταρδών αζώτου με απλούς και τροποποιημένους στεροειδικούς σκελετούς, έγινε προσπάθεια διερεύνησης των 3D σχέσεων χημικής δομής-βιολογικής δραστικότητας, με σκοπό την εύρεση των απαραίτητων στερεοηλεκτρονικών χαρακτηριστικών των ενώσεων που συμβάλλουν στην εκδήλωση της αντιλευχαιμικής δράσης των. Η ανάλυση στηρίχθηκε στην χρήση των μεθοδολογιών CoMSIA και CoMFA. Τα δεδομένα που ελήφθησαν από τις 3D-QSAR αναλύσεις αξιοποιήθηκαν στη συνέχεια από ένα υπολογιστικό πρόγραμμα de novo σχεδιασμού και ανακάλυψης νέων βιοδραστικών μορίων, την εφαρμογή LeapFrog. Με βάση τα είκοσι βελτιωμένα στεροειδικά εστερικά παράγωγα που προτάθηκαν από το LeapFrog, επιλέχθηκαν να σχεδιαστούν και να συντεθούν οι ακόλουθες αρωματικές μουστάρδες αζώτου: α) 2-[π-Ν,Ν-δις(2-χλωροαιθυλ)αμινοφαινυλο]βουτυρικό οξύ (7), β) 2-ακεταμιδο-2-[π-Ν,Ν-δις(2-χλωροαιθυλ)αμινοφαινυλο]οξικό οξύ (30), γ) 2-ακεταμιδο-2-[ο-Ν,Ν-δις(2-χλωροαιθυλ)αμινοφαινυλο]οξικό οξύ (31) και δ) το 3-ακεταμιδο-3-[π-Ν,Ν-δις(2-χλωροαιθυλ)αμινοφαινυλο] προπανοϊκό οξύ (42), καθώς και τα εστεροποιημένα παράγωγα αυτών, με επιλεγμένους απλούς και τροποποιημένους στεροειδικούς σκελετούς. Η σύζευξη των νεων μουσταρδών με επιλεγμένες στεροειδικές αλκοόλες απέδωσε δεκαεπτά νέα εστερικά ανάλογα, η σύνθεση των οποίων είχε ως απώτερο σκοπό τη βελτίωση του θεραπευτικού δείκτη των μουσταρδών αζώτου καθώς και τον εμπλουτισμό της βιβλιοθήκης των αποτελεσμάτων που αφορούν στη σχέση χημικής δομής-βιολογικής δραστικότητας των ενώσεων της κατηγορίας αυτής. Συγκεκριμένα, για τη σύνθεση των παραπάνω μουσταρδών αζώτου, εφαρμόστηκε η κλασσική μεθοδολογία σύνθεσης. Ωστόσο, αυτή αποδείχθηκε αποδοτική μονό κατά τη σύνθεση της μουστάρδας 7, παρέχοντας το τελευταίο σε συνολική απόδοση 45%. Για τις υπόλοιπες μουστάρδες ακολουθήθηκαν εναλλακτικές πορείες σύνθεσης λόγω προβλημάτων που παρουσιάστηκαν κατά την εφαρμογή της κλασσικής μεθοδολογίας. Κρίσιμο στάδιο κατά τη σύνθεση των μουσταρδών αζώτου 30 και 31, αποτέλεσε η αρχική προστασία της ελεύθερης αμινομάδας της DL-α-φαινυλγλυκίνης (16) που χρησιμοποιήθηκε ως πρώτη ύλη της συνθετικής πορείας. Η διερεύνηση και η βελτιστοποίηση των πειραματικών συνθηκών ήταν απαραίτητη και κατά το στάδιο της χλωρίωσης των Ν,Ν-δις(2-υδροξυαιθυλ)-παραγώγων 26 και 27 για τον σχηματισμό της χαρακτηριστικής Ν,Ν-δις(2-χλωροαιθυλαμινο)-ομάδας των παραγώγων 30 και 31. Κατά τη σύνθεση του 3-ακεταμιδο-3-[π-Ν,Ν-δις(2-χλωροαιθυλ)αμινοφαινυλο]προπανοϊκού οξέος (42) ήταν απαραίτητη η βελτιστοποίηση παρασκευής των ενδιαμέσων 33 και 37. Μετά από διερευνητικές προσπάθειες κατέστη εφικτή η βελτίωση της απόδοσης σύνθεσης του παραγώγου 33 από 54% σύμφωνα με τη βιβλιογραφία σε 98%, καθώς και η σύνθεση του ακετάμιδο παραγώγου 37 τόσο σε λιγότερα συνθετικά στάδια και σε καλύτερη απόδοση σε σχέση με τα δημοσιευμένα βιβλιογραφικά δεδομένα. Σε επόμενο στάδιο της μελέτης σχεδιάσθηκε η εστεροποίηση των μουστάρδων 7, 30 και 42 με επιλεγμένους στεροειδικούς σκελετούς. Για τη σύνθεση των τελικών εστερικών στεροειδικών παραγώγων εφαρμόστηκε η μέθοδος των μικτών ανυδριτών, η οποία περιλαμβάνει την αντίδραση της αρωματικής μουστάρδας αζώτου με ελαφρά περίσσεια 2,4,6-τριχλωροβενζοϋλοχλωρίδιου παρουσία τριαιθυλαμίνης, το σχηματισμό του αντίστοιχου μικτού ανυδρίτη και στη συνέχεια in situ αντίδρασή του με τη στεροειδική αλκοόλη παρουσία 4-διμεθυλαμινοπυριδίνης. Τελικώς κατέστη εφικτή η σύνθεση δεκαεπτά τελικών στεροειδών εστέρων από τη σύζευξη των μουσταρδών αζώτου, 7 και 42 με επιλεγμένες στεροειδείς αλκοόλες. Παρά τις διερευνητικές προσπάθειες που καταβλήθησαν δεν κατέστη εφικτή η εστεροποίηση της μουστάρδας 30. Το σύνολο των τελικών στεροειδών εστέρων προωθήθηκαν σε βιολογικές μελέτες για την αποτίμηση της αντινεοπλασματικής τους δράσης. Τα διαθέσιμα αποτελέσματα αυτών των μελετών σχετίζονται με τα έντεκα στεροειδικά εστερικά παράγωγα της μουστάρδας 7 (2-PHE-BU). Τα μελετηθέντα αυτά παράγωγα επέδειξαν μειωμένη τοξικότητα και μια οριακή αντινεοπλασματική δραστικότητα έναντι της λευχαιμίας Ρ388, στην οποία είχαν μελετηθεί, συγκριτικά με την ελέυθερη αρωματική μουστάρδα (2-PHE-Bu). Ωστόσο, τα ληφθέντα βιολογικά αποτελέσματα ήταν υποδεέστερα των αντίστοιχων δεδομένων που είχαν συλλεχθεί κατά τη μελέτη του PHE και των στεροειδικών εστέρων αυτού έναντι και πάλι της λευχαιμίας Ρ388. Το γεγονός αυτό πιθανόν να οφείλεται στη μειωμένη ενζυμική υδρόλυση που υφίστανται in vivo τα παράγωγα αυτά, λόγω της στερεοχημικής παρεμπόδισης που προκαλεί η αιθυλική αλυσίδα γύρω από τον εστερικό δεσμό σύνδεσης μουστάρδας-στεροειδούς, γεγονός που συνεπάγεται μειωμένη απελευθέρωση της μουστάρδας αζώτου. Στο σημείο αυτό αξίζει να αναφερθεί πως αν και, τόσο οι νέες αρωματικές μουστάρδες αζώτου, όσο και τα στεροειδικά τους παράγωγα είχαν προταθεί ως υποψήφια παράγωγα με βελτιωμένη βιοδραστικότητα κατά την πραγματοποίηση de novo σχεδιασμού από το υπολογιστικό πρόγραμμα LeapFrog, τα αποτελέσματα των βιολογικών δοκιμών δεν επιβεβαιώσαν τις συγκεκριμένες ποτάσεις. Πιθανότατα, παράμετροι που δεν ελήφθησαν υπόψη κατά τον de novo σχεδιασμό από το LeapFrog, όπως η μεταβολική τροποποίηση των ενώσεων να εμπλέκονται και να καθορίζουν την βιοδραστικότητα του τελικών στεροειδικών εστέρων. Θεωρείται ότι μια αναθεώρηση κρίσιμων παραμέτρων όπως η χημική ποικιλομορφία και ο αριθμός των ενώσεων που εισέρχονται ως δεδομένα στις μελέτες 3D-QSAR μπορεί να αποδώσει μεγαλύτερης αξιοπίστιας μοντέλα CoMFA και CoMSIA. Τα νέα αυτά μοντέλα κατά την εισαγωγή τους σε υπολογιαστικά προγράμματα de novo σχεδιασμού μπορούν να συμβάλλουν στο σχεδιασμό νεών ενώσεων με πιθανά υπέρτερη βιοδραστικότητα. / Sixty-six years after the serendipitous discovery and the first publication referred to nitrogen mustard therapy, nitrogen mustards such as cyclophosphamide and melphalan are still front-line chemotherapeutic agents for the treatment of leukemia and various solid tumors. Several chemotherapeutics act as DNA-damaging agents resulting in cell cycle arrest and cell death of the uncontrollably proliferating cancer cells. Among them, bifunctional DNA alkylating agents, such as the nitrogen mustards, form intrestrand crosslinks (ICLs), extremely cytotoxic lesions, blocking DNA replication and transcription. However, cellular responses triggered by ICLs can cause resistance in tumor cells, limiting the efficacy of such treatment. Cytotoxicity, mutagenesis, and clastogenesis are attributed to their ability to damage DNA. Although, these drugs remain some of the most commonly prescribed chemotherapies for the treatment of various solid and hematological malignancies, particularly in combination with other classical or target therapeutics in multi-agent regimens, severe side effects on normal tissues comprise drawbacks of their use. These are attributed to their low selectivity to alkylate specific DNA bases due to their high inherent reactivity, resulting in the non-specific alkylation of other cellular nucleophilic species such as amino acid residues or low molecular weight thiols. Several approaches have been explored to reduce the toxicity and increase the therapeutic efficacy of nitrogen mustards. Among them, the generation of DNA-directed alkylating agents via the chemical linkage of nitrogen mustards with molecules of increased DNA-binding affinity and the synthesis of nitrogen mustard prodrugs led to interesting results. The chemical linkage of nitrogen mustards to carrier molecules (e.g steroids) with affinity for specific binding sites (nuclear receptors) has been used aiming at the improvement of the antineoplastic treatment. Our ongoing studies in this field have demonstrated that steroidal esteric derivatives of aromatic nitrogen mustards increase the damaging effects on specific DNA sequences and achieve better selectivity and reduced toxicity compared to nitrogen mustards themselves. Steroidal skeletons, which incorporate a –NHCO- moiety are considered more appropriate modules than the common or non-modified steroids, since their esters with aromatic nitrogen mustards, such as chlorambucil and its analogs, have been proved potent antileukemic agents. To this direction, our group has published a series of studies related with steroidal esters of aromatic nitrogen mustards as antineoplastic, especially antileukemic agents. Our efforts have succeeded in the identification of potent and promising derivatives with enhanced activity and reduced toxicity compared to the corresponding nitrogen mustards against in vitro and in vivo experimental tumors. Extensive structure-activity relationship (SAR) studies have demonstrated unique structural features of both the steroidal part and the nitrogen mustard which contribute substantially to the bioactivity of the target steroidal esters Furthermore, recent 3D QSAR/CoMFA and CoMSIA studies led to the generation of related models which indicated the influence of stereoelectronic and physicochemical parameters on the antileukemic activity of target compounds. The reliability of both models was evaluated and their predictive ability on the activity of a test set of compounds proved satisfactory. Furthermore, based on the proposed CoMFA model and using the de novo ligand design routine LeapFrog of SYBYL, a series of candidate molecules with potentially optimal bioactivity was proposed, creating new challenges in further investigation of this class of compounds. Prompted by the aforementioned results and extending our structure-activity relationship studies, we decided to investigate if the incorporation of in silico predictive nitrogen mustards on various simple and modified steroids might result to steroidal esters with improved antineoplastic activity. The selection of the nitrogen mustards which were synthesized and used in this study was based on the predictive antileukemic activity of their corresponding steroidal esters and the synthetic accessibility of the intermediate and target compounds. Thus, we designed and synthesized a new series of steroidal esters containing the aromatic nitrogen mustards 2-[4-N,N-bis(2-chloroethyl)amino-phenyl]butanoic acid (2-PHE-BU, 7), 2-acetamido-2-[p-N,N-bis(2-chloroethyl)amino-phenyl]acetic acid (30), 2-acetamido-2-[o-N,N-bis(2-chloroethyl)amino-phenyl]acetic acid (31) and 3-acetamido-3-[p-N,N-bis(2-chloroethyl)amino-phenyl]propanoic acid (42). The chemical linkage of nitrogen mustards 7 and 42 with simple and modified steroids led to the synthesis of seventeen new steroidal esters aiming at the investigation of new compounds with enhanced antineoplastic activity and higher therapeutic index. The synthesis of the aforementioned nitrogen mustards was based on a classic synthetic approach. However, this procedure proved efficient only for the synthesis of compound 7, in an overall yield of 45%. Key step for the synthesis of nitrogen mustards 30 and 31 was the protection of the free amino-group of DL--phenyglycine. Optimization of the experimental conditions were also necessary for the chlorination of N,N-bis(2-hydroxyethyl) intermediates 26 and 27, which led to the corresponding nitrogen mustards 30 and 31. During the synthesis of the 3-acetamido-3-[p-N,N-bis(2-chloroethyl)amino]propanoic acid (42), optimization of the procedure for the preparation of the intermediates 33 and 37 was also necessary. Our attempts resulted in the preparation of compound 37 in less steps and higher yield (98%) compared to that referred in the literature. The synthesis of the final steroidal esteric derivatives was based on the well established method of mixed anhydrides, which involves the reaction of the aromatic nitrogen mustard with a slight excess of 2,4,6-trichlorobenzoyl chloride in the presence of triethylamine, followed by the addition of steroidal alcohol in the presence of 4-dimethylaminopyridine. The newly synthesized alkylating steroidal esters exhibited reduced toxicity and slightly improved antileukemic activity against P388 leukemia bearing mice compared to the free nitrogen mustard 2-PHE-BU. Nevertheless, they did not prove superior to already synthesized, structurally related steroidal esters of PHE indicating that the enzymatic hydrolysis and the liberation of the nitrogen mustard in vivo is possibly disfavored due to the steric hindrance of the ethyl group around the formed ester bond. Nevertheless, the biological results obtained in the present study clearly indicate that except of the important stereoelectronic requirements which are considered and incorporated as data in LeapFrog routine, other parameters are possibly implicated and determine the bioactivity of the target steroidal esters. We expect that a careful revision of the implicated parameters such as the chemical diversity and the number of the tested compounds will allows us the generation of new CoMFA and CoMSIA models which subsequently will contribute to higher predicted reliability of the in silico design by software packages such as LeapFrog.

Στόχος της παρούσης διπλωματικής είναι η δημιουργία μιας διαδικτυακής εφαρμογής όπου θα υποστηρίζει τη δημιουργία, τη διαχείριση και την εκτέλεση μιας μελέτης αξιολόγησης γραφικού σχεδιασμού διεπιφανειών χρήστη, με τη μέθοδο της χαρτογράφησης προτίμησης, καθώς επίσης και τη συλλογή και αποθήκευση των αποτελεσμάτων. Μετά από βιβλιογραφική έρευνα κρίθηκε σκόπιμο να υλοποιηθεί η μέθοδος της χαρτογράφησης προτίμησης για τη διεξαγωγή της μελέτης. Στη συνέχεια προσδιορίστηκαν οι αρχές πάνω στις οποίες βασίστηκε η σχεδίαση και η ανάπτυξη της εφαρμογής. Η παρούσα εφαρμογή είναι πλούσιας διαδραστικότητας, μπορεί να υλοποιήσει αξιολόγηση από απόσταση και να ικανοποιεί τις απαιτήσεις του ανταποκρινόμενου σχεδιασμού, ενώ ταυτόχρονα παρέχεται η δυνατότητα προσθήκης νέων μεθόδων. Για την υλοποίηση της εφαρμογής χρησιμοποιήθηκαν οι νέες τεχνολογίες διαδικτύου HTML5, CSS3, jQuery καθώς και οι PHP, MySQL, JavaScript, AJAX. Η τελική αξιολόγηση από ειδικούς ευχρηστίας του εργαστηρίου αλληλεπίδρασης ανθρώπου υπολογιστή, έκρινε την εφαρμογή ικανή να εκπληρώσει το στόχο της και έδωσε θετική ανάδραση για περεταίρω βελτίωση. / The aim of the present diploma thesis is the development of a web application which supports the creation, management and execution of a graphic design evaluation study by implementing the method of preference mapping, as well as the collection and storage of results. After extended literature research the method of preference mapping was found to be the most suitable for conducting the study. Subsequently, the main principles were identified upon which the design and development of the application was based on. This rich internet application is able to conduct remote evaluation, while achieving the purpose of responsive design which was a fundamental requirement. It also provides the ability for new evaluation methods to be added. For the implementation of the application new internet technologies as HTML5, CSS3, jQuery were used, as well as PHP, MySQL, JavaScript and AJAX. The usability evaluation of this application was conducted by usability experts of the human computer interaction laboratory. The conclusion of the experts was that the application is highly usable and their recommendations provided effective feedback.

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

Η μελέτη ενός πειράματος μικρής πιλοτικής κλίμακας, με δύο παράλληλα συστήματα ρηχών λεκανών (ύψους 0.35m), η μία λεκάνη με φύτευση του είδους Typha Latifolia και η άλλη χωρίς φύτευση, διεξάχθηκε για τον σχεδιασμό ελεύθερης επιφανειακής ροής (FWS) τεχνητού υγροτόπου. Οι δύο λεκάνες τροφοδοτήθηκαν με πραγματικά αστικά λύματα όπου οι χρόνοι παραμονής κυμάνθηκαν από 27,6 έως 38,0 ημέρες. Η μεταβολή του όγκου κάθε λεκάνης παρακολουθήθηκε για 2 συνεχή έτη και ταυτόχρονα υπολογίστηκαν οι ρυθμοί βροχόπτωσης και εξάτμισης. Η διαφορά του όγκου μεταξύ των δύο λεκανών οφειλόταν στην πρόσληψη νερού από τα φυτά, η οποία συγκρίθηκε με τις προβλέψεις της εξατμισοδιαπνοής παρόμοιων φυτών με την χρήση του υπολογιστικού προγράμματος REF-ET. Η συγκομιδή των φυτών πραγματοποιήθηκε τρείς φορές στην διάρκεια του 1ου έτους του πειράματος, ώστε να εκτιμηθεί ο ρυθμός πρόσληψης αζώτου από τα φυτά. Η σημαντικότερη διαφορά των δύο συστημάτων ήταν η αφαίρεση νερού μέσω της εξατμισοδιαπνοής των φυτών. Η πιλοτική μονάδα λειτούργησε έτσι ώστε να επιτευχθεί και απομάκρυνση της οργανικής ύλης (BOD5) και του ολικού αζώτου (TN) από τα λύματα. Ο σχεδιασμός της διευκόλυνε την ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου, ακολουθώντας το πλαίσιο του μοντέλου της ενεργής ιλύος (ASM). Αρχικά το μαθηματικό μοντέλο αναπτύχθηκε για τις δύο λεκάνες με τις μικροβιακές διεργασίες που επικράτησαν στο εσωτερικό τους, ώστε να περιγραφεί πλήρως η συμπεριφορά τους. Η προσομοίωση και η εκτίμηση των παραμέτρων του μοντέλου επιτεύχθηκε με την χρήση του υπολογιστικού περιβάλλοντος του AQUASIM. Οι κύριες διεργασίες που ελήφθησαν υπόψη για την μοντελοποίηση ήταν η αμμωνιοποίηση, η αερόβια ετεροτροφική ανάπτυξη, η νιτροποίηση και η ανάπτυξη φυκών. Μια ισχυρή εποχική εξάρτηση παρατηρήθηκε για την συμπεριφορά κάθε λεκάνης όταν το μοντέλο εφαρμόστηκε για το 1ο έτος του πειράματος. Αυτό το μοντέλο επαληθεύτηκε ικανοποιητικά με τα πειραματικά δεδομένα του 2ου έτους. Η παρατηρούμενη μέση ετήσια απόδοση απομάκρυνσης του BOD5 και του TN ήταν 60% και 69%, αντίστοιχα για την λεκάνη χωρίς φυτά και 83% και 75%, αντίστοιχα για την λεκάνη με φυτά. Το μοντέλο προέβλεψε μέση ετήσια απόδοση απομάκρυνσης 82% για το BOD5 και 65% για το TN στην λεκάνη με φυτά, ικανοποιώντας τα κριτήρια για τον σχεδιασμό πλήρους κλίμακας τεχνητού υγροτόπου . Η ικανότητα του μοντέλου να προβλέπει όχι μόνο την απομάκρυνση της οργανικής ύλης αλλά και του ολικού αζώτου, θεωρήθηκε επαρκής όταν δοκιμάστηκε με έναν ελεύθερης επιφανειακής ροής τεχνητό υγρότοπο με 400 ισοδύναμο πληθυσμό, με μοναδική τροποποίηση τον συνυπολογισμό του περιορισμού του οξυγόνου στον ρυθμό της διεργασίας της νιτροποίησης. Επομένως, το δυναμικό μοντέλο διαμορφώθηκε με την ενσωμάτωση της πρόβλεψης του ρυθμού της εξατμισοδιαπνοής των φυτών και χρησιμοποιήθηκε για τον σχεδιασμό περίπτωσης μελέτης τεχνητού υγροτόπου πλήρους κλίμακας. Τα στοιχεία που απαιτούνται για αυτό τον σχεδιασμό περιλάμβαναν την παροχή εισόδου και κλιματολογικά στοιχεία (θερμοκρασίας και βροχόπτωσης) για την περιοχή του σχεδιασμού, καθώς και οι απαιτήσεις της ποιότητας εκροής. Η περίπτωση μελέτης για 4000 ισοδύναμο πληθυσμό όπου η ποιότητα εκροής ήταν σε μέσες ετήσιες τιμές BOD5=25mg/L και TN=15mg/L, χρειάστηκε μία συνολική επιφάνεια υγροτόπου 11 εκταρίων. Εάν χρησιμοποιηθούν δύο λεκάνες σε σειρά, η 1η με φυτά και η 2η χωρίς, τότε η συνολική επιφάνεια μειώνεται κατά περίπου 27%, ελέγχοντας μόνο την αρχική μέγιστη φύτευση της πρώτης λεκάνης του υγροτόπου. / The study at pilot-scale of two parallel systems with shallow basins (height h=0.35m), one planted with Typha Latiofolia and the other without vegetation, was conducted for the modeling of free water surface (FWS) constructed wetland systems. The basins were fed with real sewage at retention times ranging from 27.6 to 38.0 days. The variation of the volume in each basin was monitored for two consecutive years and simultaneously, rainfall and evaporation rates were calculated. The difference of the volume between the basins was due to the water absorption by the plants and was compared with the predictions of evapotranspiration rates of similar plants using the REF-ET calculation software. The harvesting of the plants was performed three times during the first year, in order to estimate the nitrogen uptake by the plants. The main difference in the two systems was the water removal through plant evapotranspiration. The pilot unit was operated so as to achieve the removal of both organic matter (BOD5) and total nitrogen (TN) from the sewage. Its design enabled the development of a mathematical model, following the framework of the activated sludge model (ASM). The simulation and the parameter estimation were achieved using the AQUASIM framework. The mathematical model describes the microbial processes, which dominated within the basins describing satisfactorily their behavior. The key processes accounted for in the modeling were ammonification, aerobic heterotrophic growth, nitrification and algal growth. A strong seasonal dependence was observed for each basin. The model was satisfactorily validated with the data of the second year. An observed average annual removal efficiency of BOD5 and TN were 60% and 69%, respectively for the basin without plants and 83% and 75%, respectively for the basin with plants. The model predicted average annual removal efficiency 82% for BOD5 and 65% for TN in the basin with plants, satisfying the design criteria of a full-scale constructed wetland. The ability of the model to predict not only the removal of organic matter but also total nitrogen removal, was considered sufficient as tested with a real free water surface constructed wetland of 400 population equivalent, with the sole modification being the inclusion of oxygen limitation in the nitrification rate. The dynamic model was amended with the direct incorporation of the plant evapotranspiration rate and it was used to design a full-scale constructed wetland. The required elements for this design included the inflow rate and climatic data (temperature and rainfall) for the design region, as well as the effluent quality requirements. In the case study of 4000 population equivalent, the effluent quality requirement was: average annual values for BOD5=25mg/L and for TN=15mg/L. The model was used to determine a total wetland surface requirement of 11ha. If two sequential basins are used, the first with plants and the second without, then the total wetland surface could be reduced by approximately 27%, controlling only the maximum initial vegetation in the first wetland basin.

H αύξηση των περιβαλλοντικών, αισθητικών και λειτουργικών απαιτήσεων που πρέπει να πληρούν οι σύγχρονες κατασκευές Πολιτικού Μηχανικού, σε συνδυασμό με την απαίτηση για συμπίεση του κόστους του κύκλου ζωής τους, οδηγούν στην ανάγκη για τη διερεύνηση της εφαρμογής νέων υλικών και μεθόδων που θα εφαρμοσθούν στη κατασκευή των δομικών έργων. Στην κατεύθυνση αυτή κινούνται οι μέθοδοι κατασκευής δομικών στοιχείων με τη χρήση παραμενόντων τύπων. Η παρούσα Διατριβή πραγματεύεται, τόσο σε αναλυτικό όσο και σε πειραματικό επίπεδο, το σχεδιασμό επίπεδων στοιχείων Ο/Σ που παρασκευάζονται έναντι παραμενόντων τύπων παρασκευασμένων από σύνθετα υλικά τσιμεντοειδούς μήτρας και οπλισμένων με πλέγματα μη μεταλλικών ινών (Ινοπλέγματα σε Ανόργανη Μήτρα-ΙΑΜ). Η Διατριβή αναπτύσσει την διαδικασία σχεδιασμού που προορισμός της είναι να ενσωματωθεί σε έναν αλγόριθμο βέλτιστου σχεδιασμού για την επίτευξη σχεδιαστικών λύσεων που θα αντιστοιχούν στο ελάχιστο κόστος κατασκευής για το σύμμεικτο στοιχείο. Η διαδικασία σχεδιασμού τροφοδοτείται από ένα εκτενές πρόγραμμα πειραματικών δοκιμών. / The continuously raising demands for cost effective and environmental friendly concrete structures which should fulfill also high aesthetic design criteria, lead the Engineers to explore new construction methods and materials. The application of semi-prefabrication techniques, involving the use of participating Stay-in-Place formwork elements seems to be an attractive solution. The present dissertation deals with the experimental and analytical investigation of one-way concrete slabs cast over Stay-In-Place formwork elements produced from cementitious composite materials reinforced with textile structures from non-metallic continuous fibers (Textile Reinforced Concrete). In this dissertation a design procedure for Composite Reinforced Concrete (RC)/TRC one-way slabs is developed. For the development of the design procedure the results from an extensive experimental investigation campaign were exploited. The campaign focused on the mechanical behavior of RC/TRC composite slabs under four point bending. Also tests on the formwork elements under four point bending tests were carried out. Ahead of the bending tests, uniaxial tension tests on dumbbell TRC specimens were conducted in order to characterize this composite material. Finally, the design procedure was integrated on a Genetic Algorithm in order to achieve minimum-cost design solutions.

Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζονται παράλληλοι αλγόριθμοι και εφαρμογές σε πολυπύρηνες μονάδες επεξεργασίας γραφικών. Πιο συγκεκριμένα, εξετάζονται οι μέθοδοι σχεδίασης ενός παράλληλου αλγορίθμου για την επίλυση τόσο απλών και κοινών προβλημάτων, όπως η ταξινόμηση, όσο και υπολογιστικά απαιτητικών προβλημάτων, έτσι ώστε να εκμεταλλευτούμε πλήρως την τεράστια υπολογιστική δύναμη που προσφέρουν οι σύγχρονες μονάδες επεξεργασίας γραφικών. Πρώτο πρόβλημα που εξετάστηκε είναι η ταξινόμηση, η οποία είναι ένα από τα πιο συνηθισμένα προβλήματα στην επιστήμη των υπολογιστών. Υπάρχει σαν εσωτερικό πρόβλημα σε πολλές εφαρμογές, επομένως πετυχαίνοντας πιο γρήγορη ταξινόμηση πετυχαίνουμε πιο καλή απόδοση γενικότερα. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφονται όλα τα βήματα σχεδιασμού για την εκτέλεση ενός αλγορίθμου ταξινόμησης για ακεραίους, της count sort, σε μια μονάδα επεξεργασίας γραφικών. Σημαντική επίδραση στην απόδοση είχε η αποφυγή του συγχρονισμού των νημάτων στο τελευταίο βήμα του αλγορίθμου. Στη συνέχεια παρουσιάζονται εφαρμογές παράλληλων αλγορίθμων σε υπολογιστικά απαιτητικά προβλήματα. Στο Κεφάλαιο 4, εξετάζεται το πρόβλημα χρονοπρογραμματισμού εξετάσεων Πανεπιστημίων, το οποίο είναι ένα πρόβλημα συνδυαστικής βελτιστοποίησης. Για την επίλυσή του χρησιμοποιείται ένας υβριδικός εξελικτικός αλγόριθμος, ο οποίος εκτελείται εξ' ολοκλήρου στην μονάδα επεξεργασίας γραφικών. Η τεράστια υπολογιστική δύναμη της GPU και ο παράλληλος προγραμματισμός δίνουν τη δυνατότητα χρήσης μεγάλων πληθυσμών έτσι ώστε να εξερευνήσουμε καλύτερα τον χώρο λύσεων και να πάρουμε καλύτερα ποιοτικά αποτελέσματα. Στο επόμενο κεφάλαιο γίνεται επίλυση του προβλήματος σχεδιασμού κίνησης για υποθαλάσσια οχήματα με βραχίονα. Εξετάζεται το πρόβλημα τόσο του ολικού σχεδιασμού όσο και του τοπικού. Στην πρώτη περίπτωση είναι σημαντική η καλή λύση και η ακρίβεια και ο παράλληλος αλγόριθμος που χρησιμοποιείται για την αναπαράσταση του περιβάλλοντος εργασίας σε μια Bump-επιφάνεια βοηθάει προς αυτή την κατεύθυνση. Στη δεύτερη περίπτωση, το πρόβλημα είναι πρόβλημα πραγματικού χρόνου και μας ενδιαφέρει η ταχύτητα εύρεσης της επόμενης θέσης του οχήματος. Ο παράλληλος προγραμματισμός και η GPU βοηθούν σημαντικά σε αυτό. Τελευταία εφαρμογή που εξετάστηκε είναι η μελέτη ενός συστήματος ημιφθοριωμένων αλκανίων με την μοριακή προσομοίωση Monte Carlo. Η παραλληλοποίηση ενός μέρους, του πιο χρονοβόρου, του αλγορίθμου έδωσε τη δυνατότητα εξέτασης ενός πολύ μεγαλύτερου συστήματος σε αποδεκτό χρόνο. Σε γενικές γραμμές, γίνεται φανερό ότι ο παράλληλος προγραμματισμός και οι σύγχρονες πολυπύρηνες αρχιτεκτονικές, όπως οι μονάδες επεξεργασίας γραφικών, δίνουν νέες δυνατότητες στην αντιμετώπιση καθημερινών προβλημάτων, προβλημάτων πραγματικού χρόνου και προβλημάτων συνδυαστικής βελτιστοποίησης. / In this thesis, parallel algorithms and applications in manycore graphics processing units are presented. More specifically, we examine methods of designing a parallel algorithm for solving both simple and common problems such as sorting, and computationally demanding problems, so as to fully exploit the enormous computing power of modern graphics processing units (GPUs). First problem considered is sorting, which is one of the most common problems in computer science. It exists as an internal problem in many applications. Therefore, sorting faster, results in better performance in general. Chapter 3 describes all design options for the implementation of a sorting algorithm for integers, count sort, on a graphics processing unit. The elimination of thread synchronization in the last step of the algorithm had a significant effect on the performance. Chapter 4 addresses the examination timetabling problem for Universities, which is a combinatorial optimization problem. A hybrid evolutionary algorithm, which runs entirely on GPU, was used to solve the problem. The tremendous computing power of GPU and parallel programming enable the use of large populations in order to explore better the solution space and get better quality results. In the next chapter, the problem of motion planning for underwater vehicle manipulator systems is examined. In the gross motion planning problem, it is important to achieve a good solution with high accuracy. The parallel algorithm used for the representation of the working environment in a Bump-surface is a step towards this direction. In the local motion planning problem, which is a real-time problem, the time needed to find the next configuration of the vehicle is crucial. Parallel programming and the GPU greatly assist in this online problem. Last application considered is the atomistic Monte Carlo simulation of semifluorinated alkanes. The parallelization of part of the algorithm, the most time-consuming, enabled the study of a much larger system in an acceptable execution time. In general, it becomes obvious that parallel programming and new novel manycore architectures, such as graphics processing units, give new capabilities for solving everyday problems, real time and combinatorial optimization problems.

Στην παρούσα διατριβή γίνεται μία μεθοδολογική συστηματική προσέγγιση του σχεδιασμού που βασίζεται στη χρήση τεχνικών της υπολογιστικής νοημοσύνης και στην εκμετάλλευση της προϋπάρχουσας διαθέσιμης σχεδιαστικής γνώσης. Προσδιορίζονται τα βασικά στοιχεία που οφείλει να ενσωματώνει η προτεινόμενη μεθοδολογία (αναπαράσταση και διαχείριση σχεδιαστικής γνώσης, αναζήτηση της βέλτιστης σχεδιαστικής λύσης και μάθηση και επαναχρησιμοποίηση σχεδιαστικής γνώσης), τα οποία σχηματίζουν τους πυρήνες γύρω από τους οποίους αναπτύσσονται αλγόριθμοι που βασίζονται στην χρήση τεχνικών υπολογιστικής νοημοσύνης (ασαφής λογική, τεχνητά νευρωνικά δίκτυα και γενετικοί αλγόριθμοι). Καθώς αναπτύσσεται η διατριβή, αναπτύσσεται η μαθηματική βάση για τη διατύπωση του παραμετρικού σχεδιαστικού προβλήματος και παρουσιάζεται ο συνεργατικός τρόπος βάσει του οποίου σχηματίζονται ασαφείς πίνακες δομής σχεδιασμού, βάσει των οποίων η διαθέσιμη σχεδιαστική γνώση οργανώνεται σε εύχρηστες ιεραρχικές δομές. Στη συνέχεια, εισάγεται ένα πλαίσιο ασαφούς συλλογιστικής για τη μοντελοποίηση από την πλευρά του σχεδιαστή των σχεδιαστικών στόχων/απαιτήσεων/περιορισμών υπό τη μορφή ασαφών προτιμήσεων. Προτείνεται επίσης το μέτρο της μέγιστης συνολικής ασαφούς προτίμησης ως κριτήριο βελτιστότητας των σχεδιαστικών λύσεων και προσαρμόζεται στην προτεινόμενη δομή οργάνωσης της σχεδιαστικής γνώσης. Η βέλτιστη σχεδιαστική λύση εξάγεται είτε μέσω μίας διαδικασίας βελτιστοποίησης που βασίζεται σε γενετικούς αλγόριθμους ή, εναλλακτικά, μέσω άλλων τεχνικών βελτιστοποίησης, ή χρησιμοποιώντας σχεδιασμό αναλογικής συλλογιστικής με ανάκτηση προηγούμενων σχεδιαστικών λύσεων. Οι σχεδιαστικές λύσεις είναι καταχωρημένες σε μία βάση και ανακτώνται χρησιμοποιώντας ένα εκπαιδευμένο ανταγωνιστικό τεχνητό νευρωνικό δίκτυο, το οποίο ομαδοποιεί τις λύσεις κατάλληλα και αποδίδει την ομάδα λύσεων που συγκλίνει προς τις τρέχουσες ασαφείς προτιμήσεις του σχεδιαστή. Στη διατριβή αναπτύσσονται και εισάγονται αρχιτεκτονικές, μέσω των οποίων οι διαδικασίες βελτιστοποίησης και ανάκτησης σχεδιαστικών περιπτώσεων συνδυάζονται υβριδικά, επιτυγχάνοντας αποτελέσματα ανώτερα σε ποιότητα και ταχύτητα επίτευξης σε σχέση με περιπτώσεις χρήσης μεμονωμένων (μη υβριδικών) τεχνικών. Εισάγεται επίσης μια μεθοδολογία σύμφωνα με την οποία οι σχεδιαστικές λύσεις που υπάρχουν στη βάση λύσεων χρησιμοποιούνται για τη νευρο-ασαφή προσέγγιση του αρχικού σχεδιαστικού προβλήματος και την απλοποιημένη μοντελοποίησή του. Αποδεικνύεται ότι η προσέγγιση αυτή είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για σχεδιαστικά προβλήματα που παρουσιάζουν σημαντικό υπολογιστικό κόστος. Στα πλαίσια της συστημικής προσέγγισης για την υλοποίηση των προτεινόμενων μεθοδολογιών και αρχιτεκτονικών και για την αξιολόγηση αυτών, αναπτύχθηκε το σύστημα παραμετρικού σχεδιασμού Case-DeSC (Case-based design with Soft-Computing), το οποίο δοκιμάστηκε σε τρία διαφορετικά σχεδιαστικά προβλήματα. Τα αποτελέσματα εφαρμογής των προτεινόμενων μεθοδολογιών, οι προοπτικές εξέλιξης αυτών, καθώς και μια γενικότερη τοποθέτηση περί σχεδιασμού συνοψίζονται στο τέλος της παρούσας διατριβής. / The current Ph.D. thesis introduces a methodogical and systematic approach in order to perform engineering design by utilizing methods and techniques of computational intelligence as well as past design knowledge. Important issues and processes, such as representation and manipulation of design knowledge, extraction of optimal design solution, learning and reuse of design knowledge etc. are analytically discussed. Each one of the aforementioned elements is considered as core around which integrated algorithms are developed that combine various computational intelligence (soft-computing) techniques such as fuzzy logic, artificial neural networks and genetic algorithms. The parametric design problem is formulated on a mathematical basis, whereas the collaborative formation of fuzzy design structure matrices (DSM) is introduced as a basis on which the available design knowledge is organized in convenient hierarchical structures. Furthermore, in order to model the design objectives/requirements/constraints, a fuzzy inference framework is introduced that facilitates the expression of fuzzy preferences on various design parameters. The metric of the total maximum fuzzy preference is introduced as optimality criterion for the design solutions and then it is integrated in the proposed design knowledge organizational structure. The optimal solution is extracted either through an optimization process basically using a genetic algorithm or -alternatively- other optimization techniques, or through deploying analogical reasoning design with retrieval of past design solutions. The design solutions are preserved in a case base and they are retrieved by a trained competitive artificial neural network, which classifies the solutions into clusters and extracts the cluster that converges to the current designer’s preferences. Multiple options are provided for the extraction of optimal solutions. These options include: a) an optimization process that utilizes genetic algorithms, b) other evolutionary optimization techniques and c) analogical reasoning with retrieval of past design solutions. The design solutions are preserved in a case (solution) base and they are retrieved by a trained competitive artificial neural network that classifies the solutions into clusters and extracts the cluster that suits best to the current designer’s preferences. Architectures are developed and introduced, based on which the optimization and case-based retrieval processes are combined. This combination provides more efficient results in terms of quality and speed, if a comparison is made versus the implementation of individual (non-hybrid) techniques. Additionally, a methodology is proposed, according to which the design solutions located in the case base can be retrieved and utilized for a simplified neuro-fuzzy approximation of the initial design problem. It is proved that this approximation is suitable in case of design problems with high computational cost. In the context of a systemic approach of implementing the proposed methodologies and architectures and their evaluation, a system named Case-DeSC (Case-based design with Soft-Computing) is developed and tested against overall performance in three different design problems. The results from the implementation of the proposed methodologies, their future enhancements and evolution, as well as a general discussion about engineering design conclude the present dissertation.