A literature review found no rigorous solution for the ultimate lateral pile-soil pressure ( ) in a soil characterised by a frictional failure criterion, and that the popular empirical methods to estimate give profiles with depth that differ significantly. Most existing solutions for the lateral pile capacity in a group are for soil characterised by an undrained shear strength failure condition. Plane strain and constant overburden finite difference analyses (in FLAC3D) were used to model flow of soil around a pile but did not appear to give sensible solutions for a frictional soil. The ultimate pile-soil line load from three-dimensional analysis in FLAC3D behaved as physically expected; passive wedges formed close to the surface giving lower normalised resistance than at greater depths. A number of parametric analyses were carried out using the three-dimensional model to investigate the variation in the ultimate pile-soil line load with the soil strength and pile-soil interface strength. Larger values of initial earth pressure coefficient K0 led to enhanced values of and the mechanisms for this was further investigated by analysing the soil stresses mobilised around the pile as the soil was pushed with the pile. Limit equilibrium pile failure mechanisms were developed from conditions of force and moment equilibrium for the pile based on failure in the soil. Pile limit equilibrium conditions were determined for three failure modes to understand the relationships between pile shear force, bending moment and pile embedment length ratio. Three-dimensional numerical (FLAC3D) models were used to verify the limit equilibrium failure mechanisms. The limit equilibrium equations were found to provide unconservative predictions for the force that the pile can provide to stabilise a slope, compared with the FLAC3D analysis. The program Alp (which models the pile as a beam on springs) gave results that were close to the limit equilibrium calculations. Three-dimensional FLAC3D models were modified to investigate the conditions over which the derived limit equilibrium pile failure mechanisms could reasonably be applied. The centre-to-centre pile spacing was varied from 1 d to 10 d, where d is the diameter of the pile, to understand the pile-soil interaction for a row of piles using the FLAC3D model. When the pile spacing was less than 2 d, the pile stabilising force was the same as for a solid retaining wall. Beyond about 4 d, the piles were found to act individually.

It is becoming increasingly necessary to construct on land that was previously considered inappropriate for construction, such as soft clay. The properties of soft clay make it highly compressible and low in shear strength, meaning that bearing capacity failure and excessive settlement are of concern. Piled embankments are a ground improvement technique that can provide a solution for this problem. Piled embankments have the ability to transfer the greater part of the embankment load and any surcharge to more competent material at greater depth due to the 'arching' concept. Consequently, the soft foundation soil has little direct impact on the performance of the embankment. The concept of 'arching' of granular soil over an area where there is partial loss of support from underlying strata has long been recognised in the study of soil mechanics (e. g. Terzaghi, 1943). However, a number of competing theories exist to quantify this behaviour in piled embankments. In addition, the use of geotextile reinforcement in piled embankments placed above the pile caps in principle provides a number of technical as well as economical benefits. As the embankment fill is placed, tension is created in the reinforcement and it is the vertical component of this tension that transfers the embankment load onto the piles and reduces the load carried by the soft clay hence transferring the load of the embankment on to the piles. Differential settlement can be a problem for piled embankments of low height. Significant differential settlement can cause undesirable effects on any structures constructed on the embankment. 'Arching' limits the amount of differential settlement in embankments and the use of geotextile geogrid can also potentially have additional benefits. This thesis presents a series of centrifuge tests examining the performance of unreinforced and reinforced piled embankments constructed over soft subsoil in terms of stress acting on the subsoil, and differential movement at the surface of the embankment. A large range of embankment heights are considered, and the results for stress on the subsoil are compared with existing predictive methods, allowing generic conclusions to be drawn regarding the predictions of various methods. The effect of a 'working platform' below pile cap level and thus directly loading the subsoil is also considered, and used to examine the concept of a 'Ground Reaction Curve' (Iglesia et al, 1999) for arching in the embankment. In principle this can be used to consider compatibility of displacements at the base of the embankment, and thus improve design simultaneously considering the effect of arching in the embankment and underlying support from the subsoil and layers of reinforcement acting in tension.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η ανάλυση της συμπεριφοράς αξονικά φορτιζόμενου πασσάλου, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε απώλεια φέρουσας ικανότητας. Συγκεκριμένα εξετάζεται η στατική δυσκαμψία του πασσάλου για τις περιπτώσεις ομοιογενούς και ανομοιογενούς εδάφους. Για την επίλυση του προβλήματος αναπτύχθηκε απλή αναλυτική ενεργειακή μέθοδος, η οποία βασίζεται στη θεωρία Winkler και στη χρήση συνάρτησης σχήματος, η οποία περιγράφει αξιόπιστα τις μετατοπίσεις κατά μήκος του πασσάλου. Το έδαφος γύρω από τον πάσσαλο προσομοιώνεται με κατακόρυφα γραμμικά ή μη ελατήρια τύπου Winkler, τα οποία εφαρμόζονται στην παρειά του πασσάλου αλλά και στη βάση του. Με επιλογή κατάλληλης συνάρτησης σχήματος και καμπυλών «τ-w» και «Pb-wb» και μετά από επαναληπτική διαδικασία εφαρμογής της μεθόδου, επιτυγχάνεται με ικανοποιητική ακρίβεια η τιμή της δυσκαμψίας για κατακόρυφη μετακίνηση στην κεφαλή του πασσάλου. / The present thesis deals with the analysis of the axial static response of a single pile, which may lead to bearing capacity loss. Specifically, the static stiffness of the pile located both in homogeneous and in inhomogeneous soil, is studied. For the analysis a simple energy method is employed, based on Winkler theory and on use of a shape function which represents reliably the deflected shape of the pile. The soil around the pile is simulated with vertical linear or nonlinear Winkler springs, applied to the sidewall of the pile and its base. Realistic predictions can be achieved for the value of stiffness of axially loaded piles, after iterative application of the method, by using the appropriate shape functions, “ τ-w “ and “Pb-wb” curves.

Στην παρούσα Διατριβή παρουσιάζονται τα έργα του συστήματος αντιστήριξης για την κατασκευή του Υπογείου χώρου του τμήματος του νέου κτιρίου, του συγκροτήματος της πρώην «Αγοράς Αργύρη» που ευρίσκεται στη Πάτρα, επί των οδών Αγ. Ανδρέου – Καψάλη – Ζαΐμη, που κατασκευάστηκε στα πλαίσια του έργου «Ανακαίνιση – Ανακατασκευή Αγοράς Αργύρη Πατρών», από το Δήμο Πατρέων. Στα πλαίσια της συνολικής αυτής παρουσίασης των έργων αντιστήριξης, παρουσιάζεται κατ’ αρχάς η τεκμηρίωση του τρόπου επιλογής της μεθόδου αντιστήριξης, που έγινε με μεταλλικό πασσαλότοιχο καθώς και στοιχεία της μελέτης που έγινε για τη διαστασιολόγηση αυτής. Περιγράφεται η κατασκευαστική διαδικασία και η αλληλουχία των φάσεων κατασκευής του συνδυασμένου συστήματος της βαθιάς αντιστηριγμένης εκσκαφής, που περιλαμβάνει : Γενικές εκσκαφές, έως βάθους -1,80 μ. για την απομάκρυνση επιφανειακών σκληρών στρώσεων από συμπυκνωμένο αμμοχάλικο. Εγκατάσταση - κατασκευή μεταλλικού πασσαλότοιχου, με παράλληλη και συστηματική παρακολούθηση των σχετικών εργασιών της έμπηξης αυτών. Τοποθέτηση μεταλλικού σκελετού (χωροδικτυώματος), σε κατάλληλη διάταξη στην κεφαλή του πασσαλότοιχου για την παρεμπόδιση των οριζοντίων μετακινήσεων του συστήματος αντιστήριξης. Τμηματικές εκσκαφές και παράλληλη τμηματική κατασκευή πρόπλακας από οπλισμένο σκυρόδεμα στη βάση της θεμελίωσης του κτιρίου. Σύγχρονη και συστηματική παρακολούθηση της λειτουργίας του συστήματος αντιστήριξης μέσω ήδη τοποθετημένων κλισιμέτρων, αλλά και των παρακείμενων, περιμετρικά της εκσκαφής υπαρχόντων κτιρίων, μέσω των ήδη τοποθετημένων αποκλισιομέτρων. Απεγκατάσταση - εξολκή πασσαλοσανίδων μεταλλικού πασσαλότοιχου με παράλληλη και συστηματική ενόργανη παρακολούθηση των σχετικών εργασιών της εξολκής αυτών. Όλες οι φάσεις της κατασκευής συνοδεύονται με φωτογραφικό υλικό. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα αριθμητικής προσομοίωσης των φάσεων της βαθιάς αντιστηριγμένης εδαφικής εκσκαφής και η σύγκριση τους με αποτελέσματα επί τόπου μετρήσεων. Η διεξαγωγή των αναλύσεων έγινε με τη χρήση του κώδικα πεπερασμένων στοιχείων PLAXIS 2D Foundation (Version 8.6). Παρουσιάζονται τα τεχνικά και διαδικαστικά προβλήματα που παρουσιάστηκαν κατά την εγκατάσταση – λειτουργία και απεγκατάσταση του συστήματος αντιστήριξης. Τέλος, προκύπτουν και διατυπώνονται τα ακόλουθα γενικά συμπεράσματα :  Η προσωρινή αντιστήριξη βαθιών εκσκαφών σε δομημένο αστικό περιβάλλον με χρήση μεταλλικών πασσαλοσανίδων που εγκαθίστανται με δονητικό πασσαλοπήχτη, είναι δυνατή, σε περιπτώσεις που η στρωματογραφία δεν περιλαμβάνει αμμοχαλικώδη στρώματα μεγάλου πάχους και με την προϋπόθεση ότι γίνεται συστηματική παρακολούθηση της έντασης των παραγόμενων εδαφικών ταλαντώσεων κατά την έμπηξη και εξολκή των πασσαλοσανίδων.  Η εξολκή των πασσαλοσανίδων καθίσταται ιδιαίτερα δυσχερής ή και αδύνατη, όταν οι εγκατεστημένες πασσαλοσανίδες παρουσιάζουν αποκλίσεις από την κατακόρυφο.  Η πολύμηνη παραμονή των πασσαλοσανίδων σε παρόμοιας σύστασης εδάφη, με αυτά του έργου (μαλακές Άργιλοι κλπ.), δημιουργούν συνθήκες ανάπτυξης χημικών συνδέσμων μεταξύ αργίλου και χάλυβα δυσχεραίνοντας την εξολκή αυτών.  Είναι δυνατή η ρεαλιστική εκτίμηση της αναμενόμενης συμπεριφοράς του συστήματος προσωρινής αντιστήριξης και των εδαφικών μαζών (και κατασκευών που περιβάλλουν την  εκσκαφή) με βάση τα αποτελέσματα αριθμητικών αναλύσεων με εμπορικά διαθέσιμους κώδικες πεπερασμένων στοιχείων.  Στην περίπτωση του εξεταζόμενου έργου παρατηρήθηκε ικανοποιητική συμφωνία μεταξύ της μετρηθείσας και υπολογισθείσας συμπεριφοράς, όσον αφορά τις μετακινήσεις τόσο του συστήματος αντιστήριξης όσο και των γειτονικών οικοδομών. / In this project are presented the works of Support system for the construction of underground part of the new building complex of the former Market Argyri’s, located in Patras , on the building square of St. Andrew st. – Kapsalis st. – Zaimi st., witch built under the project "Renovation - Reconstruction Argyri’s Market of Patras" by the Municipality of Patras. As part of this total presentation of the project elements, presented first, the documentation of how to choose the method of support, made of metal sheeting and details of the study for sizing it. Describe the manufacturing process and the sequence of construction of the combined system for the support of deep excavation, including: General excavations, to a depth of -1.80 m, to remove surface layers of concentrated hard gravel, Installation - Construction of Metal Sheeting, while monitoring and systematic work on the penetration of these, Mounting frame (space frame), to a suitable device at the head of the sheeting to prevent horizontal movement of this, Partial excavations with parallel partial construction of concrete reinforced slabs, under foundation at the base of the building, Modern and systematic monitoring of the system operation with already installed gradiometers, and the adjacent, around the excavation of existing buildings, through the already installed inclinometer. Uninstall - metal sheeting piles haul-offs, while instrumental and systematic monitoring of the work of these haul-offs. All phases of construction are accompanied by photographs. It also presents the results of numerical simulation phases of the support deep excavated soil and comparison with results on-site measurements. The analysis was carried out using the finite element code PLAXIS 2D Foundation (Version 8.6). A comparison of system behavior that occurs through the roof measurements and calculated behavior was made through numerical simulation. Present the technical and procedural problems encountered during installation - operation and uninstalling the system of support. Finally, obtained and made the following general conclusions: The temporary shoring of deep excavations in urban environment built using steel sheet piles installed with vibratory passalopichti is possible, where the stratigraphy does not include ammochalikodi layers thick and provided with systematic monitoring of the intensity of vibrations produced by the soil punching and puller of the sheet piling. The puller of the sheet piling is very difficult or impossible when the installed sheet piles are deviations from the vertical. The months – long stay of the sheet piles in similar soil composition, with those of this project (soft clays etc.), create conditions for development of chemical bands between clay and steel, hindering the puller them. It is possible a realistic estimate of the expected behavior of a temporary roof and land masses (and structures surrounding the excavating) based on the results of numerical analysis with commercially available finite element codes. In the case of the test project observed satisfactory agreement between the measured and the calculated behavior with regard to movements of both the roof and the adjacent buildings.

Σκοπός είναι η διερεύνηση της τεχνολογίας των χερσαίων (onshore) ανεμογεννητριών και συγκεκριμένα των πυλώνων των ανεμογεννητριών. Αν εξετάσουμε το αιολικό δυναμικό στις χερσαίες περιοχές της Ευρώπης, παρατηρούμε αμέσως τις τεράστιες δυνατότητες ανάπτυξης ανεμογεννητριών. Παρατηρούμε επίσης την πλεονεκτική θέση της χώρας μας που εμφανίζεται να διαθέτει στο Αιγαίο πέλαγος μια από τις πλουσιότερες, σε αιολικό δυναμικό, περιοχές της Ευρώπης. Για να έχουμε όμως μεγαλύτερη απόδοση στην ισχύ μιας ανεμογεννήτριας πρέπει να αυξήσουμε το ύψος της έτσι ώστε να εκμεταλλευτούμε τις υψηλότερες ταχύτητες ανέμου σε μεγαλύτερα ύψη. Αυτό με την σειρά του θα επιφέρει πιο μεγάλα φορτία και επομένως μεγαλύτερες καταπονήσεις (εντατικά μεγέθη) στην βάση του πυλώνα καθώς η ανεμογεννήτρια προσομοιώνεται με σύστημα προβόλου. Ως συνέπεια τούτου θα πρέπει να αυξήσουμε την αντοχή του πυλώνα είτε αυξάνοντας το πάχος του υλικού της διατομής (αποφεύγεται – απαιτούνται μεγάλα πάχη συνεπώς μεγάλα κόστη), είτε αυξάνοντας τη διάμετρο της διατομής (αποφεύγεται – περιορισμένο πλάτος οδικού δικτύου που αποτρέπει την μεταφορά τμημάτων του πυλώνα της ανεμογεννήτριας με μεγάλες διατομές), είτε αυξάνοντας την αντοχή του υλικού της διατομής (αντικείμενο διατριβής). Στην παρούσα διατριβή γίνεται μελέτη βελτιστοποίησης σχεδιασμού των πυλώνων των ανεμογεννητριών με σύμμικτη διατομή χάλυβα-σκυροδέματος η οποία οδηγεί σε σχετικά μικρά πάχη διατομών, μικρής διαμέτρου, μεγάλης επιθυμητής αντοχής και μειωμένου κόστους υλικά. Αρχικά γίνεται η ανάλυση διατομής με στόχο την βελτιστοποίηση - ελαχιστοποίηση του κόστους για δεδομένη αντίσταση και στη συνέχεια η ανάλυση επαναλαμβάνεται για την βελτιστοποίηση του κόστους για δεδομένη δυσκαμψία. Στη συνέχεια με τη βοήθεια του σχεδιαστικού αναλυτικού προγράμματος ANSYS θα γίνει η σχεδίαση του πυλώνα της ανεμογεννήτριας όπου θα εφαρμοστούν τα προβλεπόμενα φορτία. Κατόπιν αυτού του σχεδιασμού διεξάγουμε πείραμα στο εργαστήριο όπου προσομοιώνουμε την ανεμογεννήτρια ώστε να συγκρίνουμε τα πειραματικά αποτελέσματα με την αναλυτική διαδικασία στο πρόγραμμα ANSYS. Γίνεται παράθεση και σχολιασμός των αποτελεσμάτων ώστε να προκύψουν τα συμπεράσματά μας και τελικώς γίνονται προτάσεις για περαιτέρω έρευνα όσον αφορά τα υλικά της διατομής των πυλώνων καθώς και την καλύτερη αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας. / The aim is to investigate the technology of land (onshore) wind turbines and specifically for the pillars of wind turbines. If we investigate the wind potential in inland areas of Europe, we see immediately the enormous growth potential of wind turbines. We also observe the vantage point of our country that appears to have the Aegean Sea, one of the richest in wind potential areas of Europe. In order to increase the power of a wind turbine we must increase its height so as to take advantage of higher wind speeds at higher altitudes. This leads to higher loads and thus higher stresses (section forces) at the base of the tower as the wind turbine system is simulated with the cantilever system. As a consequence we should increase the strength of the pillar by increasing the thickness of the section material (to be avoided - large thicknesses therefore high costs required) or by increasing the diameter of the cross section (to be avoided - narrow road network that prevents transfer of the turbine pillar parts with large cross-sections), or by increasing the strength of the section’s material (subject of thesis). This thesis deal with the Design Optimization of Composite Cross Section Steel – Concrete Wind Turbine Towers which leads to relatively low thickness cross-sections, with small diameters, desirable high strength and reduced cost of materials. Initially we conduct sectional analysis in order to optimize - minimize the cost for a given resistance, and then the analysis is repeated for cost optimization for a given stiffness. Then we develop equations which correlate the moment, the stiffness and the cost of the wind turbine tower with the thicknesses of the materials (steel – concrete) which the cross section is composed of. Consequently we plot the equations that give the materials’ dimensions ranges when both the moment and stiffness is modified. Also we can understand how all this procedure affects the whole cost of the cross section. Then we conduct analysis and design of the wind turbine pillar with the analytical program ANSYS according to the design loads. Afterwards, lab-scale tests are conducted in order to model the wind turbine behavior. The experimental results are compared to the analytical observations. Finally we display and comment the results of that research so as to draw conclusions regarding the pillar design and the efficient wind energy utilization and present suggestions to future research.

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

The problem of pile - soil interaction is examined in the Thesis at hand by means of both theoretical analyses and experimental investigations. Pile foundations in seismically prone areas are subjected to both direct loading, such as axial and lateral forces imposed at their heads, resulting from a phenomenon known as inertial interaction, and indirect loading along their body, such as imposed displacements due to the passage of various types of seismic waves, resulting from a phenomenon known as kinematic interaction. Along this vein, a family of analytical models of the Tajimi type are presented in the framework of linear elastodynamic theory to explore the effects of axial and lateral pile - soil interaction in homogeneous and inhomogeneous soil under static and dynamic (kinematic and inertial) loading. Apart from simplified two-dimensional models of the Baranov - Novak type, few analytical solutions are available to tackle these problems in three dimensions, the majority of which are restricted to the analysis of an elastic half space under static conditions. The proposed models are based on a continuum solution pioneered by Japanese investigators (notably Matuso & Ohara and Tajimi) in the 1960’s. In the realm of this approach the soil is modelled as a continuum, while the pile is conveniently modelled as a rod or a beam by strength-of-materials theory. Displacements and stresses are expressed through Fourier series in terms of the natural modes of the soil medium. Fundamental to the analysis presented in this study is that the influence of horizontal soil displacement on axial pile response and vertical displacement on lateral response, respectively, are negligible. However, their effect on stresses is not negligible which differentiates the proposed models from the classical Tajimi solutions in which the aforementioned displacements are set equal to zero. The above approximations are attractive, as they lead to a straightforward uncoupling of the equations of motions, even in inhomogeneous media, unlike the classical elastodynamic theory where the uncoupling is generally impossible in presence of inhomogeneity. Although approximate, the proposed models are advantageous over available analytical models and rigorous numerical schemes, as they require relative simple computations and provide excellent predictions of pile response at the frequency ranges of interest in earthquake engineering and geotechnics. In addition, they are advantageous over existing simplified analytical approaches of the Winkler type, as they are more accurate, self - standing, free of empirical constants and provide more realistic simulation of the problem. The main advantage over numerical methods (finite and boundary elements) lies in the derivation of the solution in closed form and the elucidation of complex mechanisms related to the dynamic interaction phenomenon, such as radiation damping and wave propagation in in homogeneous media. The main goal of the theoretical effort lies in the derivation of solutions in closed - form for: (i) the static stiffness and the dynamic impedances (dynamic stiffness and damping coefficients) at the pile head, (ii) translational and rotational kinematic response factors (pile head displacement or rotation over free-field response), (iii) actual, depth- dependent, Winkler moduli (spring and damping coefficients), (iv) corresponding average, depth- independent, Winkler moduli to match the pile head stiffness. In addition, simple approximate formulae for Winkler moduli to be used in engineering practice are proposed, to improve the predictions of Winkler models. Pile-to-pile interaction is investigated on the basis of the superposition method for axially loaded piles. Closed-form expressions for attenuation functions are derived to be used individually or in conjunction with more elaborate methods providing more accurate predictions for static and dynamic interaction factors to assess the vertical stiffness of pile groups. New dimensionless frequency ratios controlling pile response are introduced. Finally, new solutions are added in the context of analytical Winkler models for investigating the behaviour of piles under kinematic loading due to vertically-propagating S waves. Emphasis is given on the influence of boundary conditions of the pile. With reference to kinematic pile bending, insight into the physics of the problem is gained through a rigorous superposition scheme involving an infinitely-long pile excited kinematically, and a pile of finite length excited by a concentrated force and a moment at the tip. Contrary to the classical elastodynamic theory where pile response is governed by six dimensionless ratios, in the realm of Winkler theory three only ratios suffice to fully describe the interaction problem, from which the mechanical slenderness and the effective dimensionless frequency are introduced for the first time. The selection of an appropriate value for the Winkler modulus in the accuracy of the kinematic Winkler model is demonstrated. The theoretical results are compared to new experimental data obtained from a series of tests on piles carried out on scaled models performed on the shaking table at University of Bristol Laboratory (BLADE) within the framework of the Seismic Engineering Research Infrastructures (SERIES) program, sponsored by FP7, and contribute in the investigation of pile - soil interaction. / Στην παρούσα διατριβή εξετάζεται το πρόβλημα της αλληλεπίδρασης πασσάλου - εδάφους μέσω συνδυασμένης θεωρητικής ανάλυσης και πειραματικής διερεύνησης. Οι πάσσαλοι, ως μέσο θεμελίωσης σε σεισμογόνες περιοχές, υπόκεινται σε άμεση φόρτιση στην κεφαλή, μέσω δυνάμεων και ροπών, ως αποτέλεσμα του φαινομένου της αδρανειακής αλληλεπίδρασης, αλλά και σε έμμεση φόρτιση σε όλο τους το μήκος, μέσω επιβαλλόμενων εδαφικών μετακινήσεων, ως αποτέλεσμα του φαινομένου της κινηματικής αλληλεπίδρασης. Στην κατεύθυνση αυτή παρουσιάζεται η ανάπτυξη οικογένειας αναλυτικών προσομοιωμάτων τύπου Tajimi, στο πλαίσιο της γραμμικής ελαστοδυναμικής θεωρίας, για τη διερεύνηση της αξονικής και πλευρικής αλληλεπίδρασης πασσάλου - εδάφους σε ομοιογενείς και ανομοιογενείς εδαφικούς σχηματισμούς, υπό στατική και δυναμική φόρτιση κινηματικής και αδρανειακής μορφής. Εκτός από απλοποιημένα διδιάστατα προσομοιώματα τύπου Baranov - Novak, ελάχιστες αναλυτικές λύσεις είναι διαθέσιμες σε τρεις διαστάσεις, οι περισσότερες των οποίων περιορίζονται στην ανάλυση ελαστικού ημίχωρου υπό στατικές συνθήκες. Τα προτεινόμενα προσομοιώματα βασίζονται σε μια πρωτοποριακή λύση συνεχούς μέσου (κατά Matsuo & Ohara και Tajimi) η οποία αναπτύχθηκε στη δεκαετία του 1960, αλλά δεν επεκτάθηκε ουσιαστικά μέχρι την παρούσα εργασία. Στο πλαίσιο αυτής της προσέγγισης το έδαφος προσομοιώνεται ως συνεχές μέσο και ο πάσσαλος ως ράβδος ή δοκός σύμφωνα με τη τεχνική θεωρία της κάμψης (παραδοχή επιπεδότητας των διατομών), ενώ οι μετακινήσεις και οι τάσεις εκφράζονται μέσω αναπτυγμάτων Fourier σε όρους των φυσικών ιδιομορφών του εδαφικού μέσου. Θεμελιώδης παραδοχή της προτεινόμενης ανάλυσης είναι ότι η επιρροή της οριζόντιας εδαφικής μετακίνησης στην αξονική απόκριση του πασσάλου, αλλά και η επιρροή της κατακόρυφης μετακίνησης στην πλευρική απόκριση θεωρούνται αμελητέες, ωστόσο η επίδρασή τους στις τάσεις είναι μη μηδενική, πράγμα που τις διαφοροποιεί από τις κλασσικές λύσεις τύπου Tajimi στις οποίες οι ανωτέρω μετακινήσεις μηδενίζονται. Οι ανωτέρω προσεγγίσεις κρίνονται ως ιδιαίτερα ελκυστικές καθώς οδηγούν στην άμεση απόζευξη των εξισώσεων της κίνησης, ακόμη και σε ανομοιογενή μέσα, αντίθετα με την κλασσική ελαστοδυναμική θεωρία, η απόζευξη είναι γενικώς αδύνατη παρουσία εδαφικής ανομοιογένειας. Παρά τον προσεγγιστικό τους χαρακτήρα, τα προτεινόμενα αναλυτικά προσομοιώματα πλεονεκτούν ως προς διαθέσιμα αναλυτικά προσομοιώματα και αυστηρά αριθμητικά σχήματα, καθώς απαιτούν σχετικά απλούς υπολογισμούς και παρέχουν εξαιρετικές προβλέψεις της απόκρισης του πασσάλου για το εύρος συχνοτήτων που παρουσιάζει ενδιαφέρον στη σεισμική μηχανική και τα γεωτεχνικά. Επιπρόσθετα, υπερτερούν ως προς υφιστάμενες αναλυτικές προσεγγίσεις τύπου Winkler, καθώς είναι ακριβέστερα, αυτόνομα, απαλλαγμένα από εμπειρικές σταθερές και προσφέρουν ρεαλιστικότερη προσομοίωση του προβλήματος. Το κύριο πλεονέκτημα έναντι των αριθμητικών μεθόδων (πεπερασμένα και συνοριακά στοιχεία) έγκειται στην εξαγωγή της λύσης σε κλειστή μορφή και στη διερεύνηση πολύπλοκων φαινομένων που σχετίζονται με την αλληλεπίδραση πασσάλου - εδάφους, όπως αυτό της απόσβεσης ακτινοβολίας και της διάδοσης κυμάτων στο έδαφος - ειδικά παρουσία ανομοιογένειας. Ο κύριος στόχος της θεωρητικής διερεύνησης υλοποιείται με την εξαγωγή λύσεων σε κλειστή μορφή για: (i) τη στατική και δυναμική στιφρότητα και απόσβεση στην κεφαλή του πασσάλου, (ii) τους συντελεστές κινηματικής απόκρισης σε μετάθεση και στροφή, (iii) τους πραγματικούς, συναρτήσει του βάθους, συντελεστές Winkler (συντελεστής στιφρότητας ελατηρίων και συντελεστής απόσβεσης), (iv) τους αντίστοιχους μέσους, ανεξάρτητους από το βάθος, συντελεστές Winkler. Επιπρόσθετα, παρουσιάζονται ακριβέστερες των διαθέσιμων στη βιβλιογραφία απλές προσεγγιστικές σχέσεις για τον υπολογισμό του συντελεστή Winkler με σκοπό τη βελτίωση της ακρίβειας των προσομοιωμάτων Winkler. Διερευνάται η αλληλεπίδραση πασσάλου προς πάσσαλο στην περίπτωση αξονικά φορτισμένων πασσάλων με βάση την αρχή της επαλληλίας. Εξάγονται λύσεις σε κλειστή μορφή για τις συναρτήσεις εξασθένισης ώστε να χρησιμοποιηθούν αυτόνομα ή σε συνδυασμό με πιο εκλεπτυσμένες λύσεις δίνοντας με στόχο ακριβέστερες προβλέψεις για τους συντελεστές αλληλεπίδρασης, οδηγώντας έτσι σε πιο ρεαλιστικές εκτιμήσεις της κατακόρυφης στιφρότητας ομάδας πασσάλων. Εισάγονται νέοι αδιάστατοι λόγοι συχνοτήτων που καθορίζουν την απόκριση του πασσάλου. Τέλος, παρουσιάζονται νέες λύσεις σε αναλυτικά προσομοιώματα Winkler για τη διερεύνηση της συμπεριφοράς πασσάλων υποκείμενων σε φόρτιση λόγω της κατακόρυφης διάδοσης διατμητικών κυμάτων στο έδαφος, με έμφαση στην επίδραση των οριακών συνθηκών του προβλήματος. Σε αντίθεση με την κλασσική ελαστοδυναμική θεωρία που η απόκριση του πασσάλου καθορίζεται από έξι αδιάστατους λόγους, στο πλαίσιο της θεωρίας Winkler επαρκούν μόνο τρεις για την πλήρη περιγραφή της αλληλεπίδρασης πασσάλου - εδάφους, εκ των οποίων η μηχανική λυγηρότητα και η ενεργός αδιάστατη συχνότητα παρουσιάζονται για πρώτη φορά. Καταδεικνύεται η σημασία επιλογής της κατάλληλης τιμής του συντελεστή Winkler στην ακρίβεια των εν λόγω προσομοιωμάτων. Προτείνεται σύστημα υπέρθεσης που αποτελείται από ένα απειρομήκη πάσσαλο που διεγείρεται κινηματικά και έναν πάσσαλο πεπερασμένου μήκους που υπόκειται σε αδρανειακή φόρτιση για τη διαλεύκανση της λειτουργίας του θεμελιώδους μηχανισμού που καθορίζει την κινηματική κάμψη του πασσάλου. Τα θεωρητικά αποτελέσματα συγκρίνονται με νέα πειραματικά δεδομένα από σειρά δοκιμών σε διάταξη πασσάλων υπό κλίμακα που εκτελέστηκαν στο σεισμικό προσομοιωτή του Πανεπιστήμιου του Bristol στο πλαίσιο του Ευρωπαϊκού Προγράμματος SERIES, το οποίο χρηματοδοτήθηκε από το κοινοτικό πλαίσιο FP7 που συμβάλλουν στην περαιτέρω διερεύνηση του φαινομένου της κινηματικής αλληλεπίδρασης εδάφους - πασσάλου.

Cette thèse porte sur l’analyse thermique et énergétique d’une fondation géothermique ventilée. A l’instar des échangeurs air-sol classiques (EAHE), celle-ci permet de rafraichir ou préchauffer selon la saison l’air destiné au renouvellement sanitaire des bâtiments. Face aux contraintes de rationalisation des consommations et aux exigences de confort thermique croissantes, ces systèmes passifs apparaissent comme étant prometteurs. Le principe de cette fondation est simple et similaire à celui des EAHE : faire circuler de l’air dans une conduite enterrée dans le sol (un à trois mètres) pour qu’il bénéficie - via convection - de l’inertie thermique du sol. La différence réside dans le fait que le canal dans lequel circule l’air n’est pas un tube en PVC ou aluminium mais fait partie intégrante de la structure du bâtiment, à savoir la fondation en béton armé. Ceci présente comme avantage majeur le gain de place lié à l’espace requis pour l’enfouissement des tuyaux. D’un point de vue thermique, la fondation échange non seulement de la chaleur avec le sol exposé aux sollicitations météorologiques mais aussi, et simultanément, aux sollicitations venant du bâtiment. De plus, la profondeur de la fondation – imposée par des raisons structurelles et économiques – est moindre que pour un EAHE traditionnel. Additionné au fait que le béton est poreux, la présence d’humidité peut fortement influencer la performance thermique de la fondation. Le présent travail propose donc d’étudier le comportement thermique complexe de cette fondation par deux approches. La première est expérimentale : un EHPAD équipé de deux fondations a été lourdement instrumenté et des données ont été accumulées sur plus d’un an. L’autre est numérique : deux modèles validés par comparaison avec les données expérimentales ont été développés. Le premier a vocation d’outil de dimensionnement, l’autre de compréhension fine des phénomènes physiques et prends en compte les transferts couplés de chaleur et de masse. / This thesis deals with the thermal and energy analysis of a geothermal ventilated fonudation. Similarly to earth-to-air heat exchangers (EAHE) this foundation enables, according to the season, to preheat or to cool down the air for the hygienic air change. Considering the energy consumption constraints and the buildings users thermal comfort desire, these systems appears to be relevant. The principle of this foundation is simple: to force the air to circulate in a hollowed beam buried into the ground (1 to 3m depth) so that it takes advantage - via convection - to the thermal inertia of the ground. The difference lays on the fact that the channel is not a plastic or aluminium pipe but it a part of the building structure, namely the reinforced concrete foundation. This induces a significant space gain, usually devoted to the pipe burying. From a thermal point of view, the foundation exchanges heat with both the soil beneath the building, and with the soil exposed to the weather thermal loads. Furthermore, the depth - imposed by structural and economical purposees - is lower than that of traditional EAHE. In addition to the fact that concrete is a porous material, the humidity content may strongly influence the thermal performance of the foundation. The current work thus proposes to study the complex thermal behaviour of this foundation in two ways. The first is experimental: an retirement home equipped with two foundation has been intensively instrumented and data recorded over more than one year. The other is numerical: two models validated against the experimental data have been developed. The first is intended to be a designing tool, the second a tool to allow a fine comprehension of the physical phenomenon and take into account coupled heat and moisture transfers.