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

L’instabilité des cavités souterraines (mines, carrières, tunnels,…) peut induire les mouvements de terrains d’amplitude suffisante pour endommager les bâtiments et les infrastructures en surface. Les méthodes traditionnelles, utilisées dans les pratiques d’ingénieur pour prévoir les déformations dans les structures, sont basées sur les caractéristiques des mouvements de terrain en condition de terrain vierge sans prendre en compte l’effet de la présence des structures en surface. L’objectif de cette thèse est de prédire les déformations des ouvrages en tenant compte de l’influence de l’interaction sol-structure, d’une part ; et d’évaluer la performance d’une solution de protection (tranchée périphérique), d’autre part. Cela a été achevé par la réalisation d’études paramétriques utilisant deux approches complémentaires : une approche expérimentale à l’aide d’un modèle réduit physique 3D sous gravité normale et une modélisation numérique 3D par la méthode des éléments finis. En particulier l’effet d’un certain nombre de paramètres géométriques et mécaniques a pu être investigué dans l’étude de l’interaction sol-structure : la position de la structure par rapport à la cuvette d’affaissement, le poids de la structure et la raideur relative entre le sol et la structure. Concernant l’étude de l’efficacité de tranchées périphériques, l’effet de la position de la structure, de la position de la tranchée vis-à-vis de la structure et de la rigidité de la tranchée a été analysé. Les résultats obtenus ont abouti à une meilleure compréhension du problème d’interaction sol-structure et ont montré l’importance de cet effet qui doit être pris en compte dans l’évaluation de la vulnérabilité du bâti. Le transfert des mouvements du sol à la structure est faible (moins de 2,5%), dans le cas modélisé : structure rigide et interface glissante. Les différents résultats ont permis par ailleurs de mettre en évidence l’efficacité de la tranchée périphérique pour réduire les sollicitations affectant les structures. La tranchée doit être remplie avec un matériau très déformable et surtout placée à une distance de l’ordre d’un mètre de la structure. / The instability of underground cavities due to mining or tunneling activities can induce surface ground movements which damage overlying buildings and infrastructures. The conventional design methods, used in engineering practices to assess the structure’s deformations, are based on greendfield ground movements without taking into account the effect of the surface structure. The objective of this thesis is to predict the building deformations by taking the in-fluence of the soil-structure interaction into consideration, and to evaluate the performance of a mitigation technique (peripheral trench). This has been achieved by performing parametric studies using both the experimental approach by means of a 3D small-scale physical model under earth gravity condition and the 3D finite element numerical modeling. In particular the effect of building position, building weight, and relative stiffness of building and underlying soil has been investigated in the soil-structure interaction study. Concerning the trench effectiveness analysis, the effect of building position, trench position relatively to the building, and the trench stiffness has been investigated. The results of these investigations have led to a better understanding of the soil-structure interaction problem and have pointed out the importance of this effect which should be taken into account for building damage assessment. The transfer of ground movements to the buildings is low (less than 2.5%) for the modeled case: stiff structure and sliding contact. In addition, the results have proved the effectiveness of the peripheral trench to reduce the ground movements affecting the buildings. The trench should be filled with a very deformable material and located at a distance of around one meter from the building.

Dans le cadre de la mise à niveau sismique des bâtiments existants, la technique de renforcement par placage et enrobage de polymères renforcés de fibres (FRP) offre une réponse pertinente. L’objectif de cette thèse est de proposer une modélisation fiable pour la détermination de la réponse quasi-statique et dynamique d’une grande variété d’éléments de structure et d’identifier les apports possibles d’une telle modélisation à la conception. Les stratégies de modélisation s’appuient sur l’utilisation d’éléments finis massifs ou basés sur une cinématique simplifiée (coques multicouches et poutres multifibres), associés à des modèles locaux d’endommagement et de plasticité pour les matériaux en présence (béton, armatures et FRP). L’hypothèse d’adhérence parfaite, d’une part, entre les armatures et le béton, et d’autre part, entre les bandes de FRP et le béton, permet de calculer efficacement les cas des poteaux courants, des poteaux courts, des voiles longs et courts, dans les régimes quasi-statique (pushover) et dynamique. Le renforcement par placage et enrobage FRP pour des structures en béton armé, est reproduit au sein de la modélisation par un apport de matière (éléments de type barre avec les caractéristiques propres des FRP) et des modifications des paramètres de la loi de comportement du béton, justifiées par l’expérimentation et la littérature. La pertinence de l’approche est finalement démontrée en confrontant la réponse temporelle de structures à l’échelle 1, de type ossature ou de type contreventé par des voiles, aux résultats expérimentaux issus de benchmarks internationaux. / In the context of the building’s protection against seismic risk, the strengthening technique by FRP (Fiber Reinforced Polymers) plating and wrapping provides a relevant solution. The objective of this thesis is to propose a reliable modeling for determining the quasi-static and dynamic responses of a wide variety of structural elements and to draw advantage in design. The modeling strategies make use of 3D elements or finite elements based on simplified kinematics (multilayer shells or multifiber beams), associated with local damage and plasticity laws for the constitutive materials (concrete, rebar and FRP). The perfect bond assumption between steel-concrete and FRP-concrete allows efficiently calculating the quasi-static and dynamic behaviors of short and slender columns, as well as short and slender walls. The mechanical contribution of FRP plating and wrapping is reproduced in the modeling by adding material (bar type elements with FRP characteristics) and by changing the parameters of the concrete model on the basis of the experience and analytical formula issued from the literature. The relevance of the approach is finally highlighted by comparing the time-history response of real braced frame or wall structures with the experimental results.

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

Dans le cadre de la protection du bâti face au risque sismique, les techniques d’analyse simplifiées, basées sur des calculs quasi-statiques en poussée progressive, se sont fortement développées au cours des deux dernières décennies. Le travail de thèse a pour objectif d’optimiser une stratégie d’analyse simplifiée proposée par Chopra et al. (2001) et adoptée par les normes américaines FEMA 273. Il s’agit d’une analyse modale non linéaire découplée, dénommée par les auteurs UMRHA qui se caractérisent principalement par : des calculs de type pushover selon les modes de vibration dominants de la structure, la création de modèles à un degré de liberté non linéaire à partir des courbes de pushover, puis le calcul de la réponse temporelle de la structure en recombinant les réponses temporelles associées à chaque mode de vibration. Dans ce travail, la méthode UMRHA a été améliorée en investiguant les points suivants. Tout d’abord, plusieurs modèles à un degré de liberté non linéaire déduits des courbes de pushover modal sont proposés afin d’enrichir la méthode UMRHA originelle qui emploie un simple modèle élasto-plastique : autres modèles élasto-plastiques avec des courbes enveloppes différentes, le modèle de Takeda prenant en compte un comportement hystérétique propre aux structures sous séismes, et enfin, un modèle simplifié basé sur la dégradation de fréquence en fonction d’un indicateur de dommage. Ce dernier modèle à un degré de liberté privilégie la vision de la chute de fréquence au cours du processus d’endommagement de la structure par rapport à une description réaliste des boucles d’hystérésis. La réponse totale de la structure est obtenue en sommant les contributions non linéaires des modes dominants aux contributions linéaires des modes non dominants. Enfin, la dégradation des déformées modales, due à l’endommagement subi par la structure au cours de la sollicitation sismique, est prise en compte dans la méthode M-UMRHA proposée dans ce travail, en généralisant le concept précédent de dégradation des fréquences modales en fonction d’un indicateur de dommage : la déformée modale devient elle-aussi dépendante d’un indicateur de dommage, le déplacement maximum en tête de l’ouvrage ; l’évolution de la déformée modale en fonction de cet indicateur est directement identifiée à partir des calculs de pushover modal. La pertinence de la nouvelle méthode M-UMRHA est investiguée pour plusieurs types de structures, en adoptant des modélisations éprouvées dans le cadre de la simulation des structures sous séismes : portique en béton armé modélisé par des éléments multifibres pour le béton et les armatures, remplissage en maçonnerie avec des éléments barres diagonales résistant uniquement en compression, bâti existant contreventé (Hôtel de Ville de Grenoble) avec des approches coques multicouches. Les résultats obtenus par la méthode simplifiée proposée sont comparés aux résultats de référence issus de l'analyse temporelle non linéaire dynamique. / In the context of building’s protection against seismic risk, simplified analysis techniques, based on quasi-static analysis of pushover, have strongly developed over the past two decades. The thesis aims to optimize a simplified method proposed by Chopra and Goel in 2001 and adopted by American standards FEMA 273. This method is a nonlinear decoupled modal analysis, called by the authors UMRHA (Uncoupled Modal for Response History Analysis) which is mainly characterized by: pushover modal analysis according to the dominant modes of vibration of the structure, setting up nonlinear single degree of freedom systems drawn from modal pushover curves, then determining the history response of the structure by combining of the temporal responses associated with each mode of vibration. The decoupling of nonlinear history responses associated with each mode is the strong assumption of the method UMRHA. In this study, the UMRHA method has been improved by investigating the following points. First of all, several nonlinear single degree of freedom systems drawn from modal pushover curves are proposed to enrich the original UMRHA method, in which a simple elastic-plastic model is used, other elastic-plastic models with different envelope curves, Takeda model taking into account an hysteretic behavior characteristic of structures under earthquakes, and finally, a simplified model based on the frequency degradation as a function of a damage index. The latter nonlinear single degree of freedom model privileges the view of the frequency degradation during the structure damage process relative to a realistic description of hysteresis loops. The total response of the structure is obtained by summing the contributions of the non linear dominant modes to those of linear non dominant modes. Finally, the degradation of the modal shapes due to the structure damage during the seismic loading is taken into account in the new simplified method M-UMRHA (Modified UMRHA) proposed in this study. By generalizing the previous model of frequency degradation as a function of a damage index: the modal shape becomes itself also dependent on a damage index, the maximum displacement at the top of the structure; the evolution of the modal shape as a function of this index is directly obtained from the modal pushover analysis. The pertinence of the new method M-UMRHA is investigated for several types of structures, by adopting tested models of structures simulation under earthquakes: reinforced concrete frame modeled by multifibre elements with uniaxial laws under cyclic loading for concrete and steel, infill masonry wall with diagonal bars elements resistant only in compression, existing building (Grenoble City Hall) with multilayer shell elements and nonlinear biaxial laws based on the concept of smeared and fixed cracks. The obtained results by the proposed simplified method are compared to the reference results derived from the nonlinear response history analysis.

Η παρούσα διατριβή επανεξετάζει την οριακή ανάλυση ευστάθειας των λίθινων αψίδων. Η οριακή ανάλυση ευστάθειας χρησιμοποιείται σήμερα ως το βασικό εργαλείο αποτίμησης της ευστάθειας τόξων και θολωτών κατασκευών από τοιχοποιία, όπως ακριβώς συνέβαινε και τους τελευταίους τέσσερις αιώνες. Παρά την τόσο μακρόχρονη ιστορία της μεθόδου, δεν έχουν πλήρως διασαφηνιστεί στην επιστημονική κοινότητα θεμελιώδης έννοιες και δεν έχουν σαφώς απαντηθεί ερωτήματα όπως: Ποιες είναι οι φυσικά πραγματοποιήσιμες γραμμές ώθησης και ποιες όχι; Ποια είναι η επίδραση της στερεοτομίας ενός τόξου στην οριακή του ευστάθεια; Ποιος είναι ο ρόλος της αλυσοειδούς καμπύλης και κατά πόσο αυτή είναι μία φυσικά αποδεκτή γραμμή ώθησης; Τι σχέση υπάρχει ανάμεσα στην κλίση της συνισταμένης θλιπτικής δύναμης και στην κλίση της γραμμής ώθησης στο σημείο εφαρμογής της; Η παρούσα διατριβή αναζητά απαντήσεις στα ερωτήματα αυτά, και έχει ως στόχο τη βαθύτερη κατανόηση της οριακής ανάλυσης ευστάθειας των τόξων, με παράλληλη ανάδειξη νέων υπολογιστικών διαδικασιών. Η δομή της παρουσιάζεται συνοπτικά παρακάτω. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται ιστορική ανάλυση της μεθόδου μέσα από παρουσίαση και σχολιασμό των εργασιών με τη σημαντικότερη συμβολή, από τα μέσα του 17ου αιώνα μέχρι σήμερα. Στο δεύτερο κεφάλαιο επανεξετάζεται ένα από τα πιο κλασικά προβλήματα της μηχανικής: ποιο είναι το ελάχιστο επιτρεπτό πάχος ενός ημικυκλικού τόξου υπό τη δράση του ιδίου βάρους του για να είναι ευσταθές. Παράλληλα απαντώνται τα ερωτήματα που τέθηκαν παραπάνω αναπτύσσοντας νέες κλειστές μαθηματικές εκφράσεις των γραμμών ώθησης μέσω γεωμετρικής προσέγγισης, αλλά και μέσω του λογισμού των μεταβολών. Στο τρίτο κεφάλαιο χρησιμοποιείται παρόμοια διαδικασία για την ανάλυση της γενικής περίπτωσης των ελλειπτικών τόξων, οποιουδήποτε γεωμετρικού λόγου ύψος προς βάση, καθώς δεν είναι διαθέσιμα αναλυτικά αποτελέσματα στη διεθνή βιβλιογραφία, όπως συμβαίνει για τα κυκλικά τόξα. Στο τέταρτο κεφάλαιο εξετάζεται η οριακή ευστάθεια κυκλικών τόξων οποιασδήποτε γωνίας εναγκαλισμού, υπό την ταυτόχρονη δράση του ιδίου βάρους τους και σταθερής οριζόντιας εδαφικής επιτάχυνσης, ενώ υπολογίζεται με ακρίβεια η μορφή που θα έχει ο επικείμενος μηχανισμός κατάρρευσης μαζί με το οριακό πάχος, συναρτήσει της σεισμικής φόρτισης. Τα αποτελέσματα της μαθηματικής ανάλυσης (Κεφ. 2-4) επιβεβαιώνουν την ακρίβεια του λογισμικού που αναπτύχθηκε για τις ανάγκες της διατριβής, καθώς και τα αποτελέσματα που προκύπτουν από εμπορικό λογισμικό της μεθόδου των διακριτών στοιχείων. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται εφαρμογή και σύγκριση των πιο αντιπροσωπευτικών υπολογιστικών μεθόδων που απαντώνται σήμερα στη βιβλιογραφία για την αποτίμηση της ευστάθειας και φέρουσας ικανότητας της υπόγειας Θολωτής Διόδου του Σταδίου της Αρχαίας Νεμέας, ενώ η οριακή ανάλυση ευστάθειας αναδεικνύεται ως ένα μοναδικό εργαλείο για την κατανόηση της αλληλεπίδρασης της κατασκευής με το περιβάλλον έδαφος. Επιπλέων των συμπερασμάτων στο τέλος κάθε κεφαλαίου (Κεφ. 2 έως 5), στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πιο σημαντικά συμπεράσματα και η συνεισφορά της παρούσας διατριβής. / This doctoral thesis revisits the limit equilibrium analysis of masonry arches. Limit equilibrium analysis is used today as the main analysis method for the assessment of the stability of masonry arches and vaulted structures, and is the outcome of important contributions that happened during the last four centuries. Although this method has a long history and a rich literature, there are still fundamental concepts that have not been thoroughly clarified, such as: What are the physically admissible thrust lines of an arch? How the stereotomy of an arch affects its limit stability? What is the role of the catenary curve (the alysoid)? Is the catenary curve a physically admissible thrust line? What is the relation between the direction of the thrust force and the slope of the thrust line at the point of application of the force? This thesis investigates these questions and aims to a better understanding of the limit equilibrium analysis of masonry arches, and at the same time, to present innovative methodologies and new analysis tools. Chapter 1 presents the work of other authors that have contributed the most to the stability analysis of masonry arches and vaulted structures over the last centuries. Chapter 2 revisits one of the most classical problems of Mechanics—what is the minimum thickness of a semicircular masonry arch subjected to its own weight. At the same time, the analysis presented in this chapter answers to the aforementioned questions through the development of closed-form expressions of the thrust line and the application of calculus of variation. Chapter 3 is focused on the limit equilibrium state of elliptical masonry arches, using the same approaches that were used in Chapter 2. This analysis was motivated from the fact that numerical results have been available in literature only for circular and not for elliptical masonry arches. Chapter 4 computes the location of the imminent hinges and the minimum thickness of circular masonry arches, for every given embrace angle, which can just sustain their own weight, together with a given level of horizontal ground acceleration. The numerical results presented in Chapters 2 to 4 confirm the accuracy of the in-house software that was developed for the needs of this thesis and the results obtained with a representative, commercially available software of the distinct element method. Chapter 5 present a comprehensive structural analysis of the Tunnel-Entrance to the Stadium of Ancient Nemea which ranges from the thrust line limit analysis and the discrete element method, to a 3-dimensional finite-element analysis. Limit equilibrium analysis emerges as a unique analysis method for the assessment of the stability of the structure and its interaction with the surrounding soil. While at the end of every chapter (Chapters 2 to 5) are presented detailed comments and conclusions, Chapter 6 is focused on outlining the most important conclusions and the main contribution of this thesis.