Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών (ΔΔ)

Browse

Recent Submissions

Now showing 1 - 5 of 71
  • Thumbnail Image
    Item
    Residual performance of fire-exposed textile reinforced concrete : experimental investigations and modeling techniques
    Καψάλης, Παναγιώτης; Kapsalis, Panagiotis
    Textile reinforced concrete (TRC) is a promising composite material with enormous potential in structural applications because it offers the possibility to construct lightweight but strong and sustainable elements. However, despite the reasonably good heat resistance of the inorganic matrices and the well-established knowledge on the high-temperature performance of the commonly used fibrous reinforcements, their application in TRC elements with very small thicknesses makes their effectiveness questionable. The concrete cover protecting the textile reinforcement is an order of magnitude smaller than in the case of steel-reinforced concrete elements. Furthermore, the experimental investigations that have been conducted so far are limited; hence, several knowledge gaps can be identified in the current state-of-the-art. Finally, among the published relevant studies there are large inconsistencies in the testing methods and conditions; thus, it is difficult to draw reliable conclusions about the thermomechanical behavior of the material. This research investigates the residual performance of TRC after exposure to fire via an extensive experimental campaign which provided data on the loadbearing resposne (tensile and flexural) of six TRC compositions, on a wide range of temperatures (20 °C to 700 °C). The six compositions differed by the reinforcing material (carbon or combination of glass and carbon), the sizing of the reinforcement (uncoated, polymer coated or impregnated) and the amount of reinforcement. The novelties of this campaign lie in (i) the quantification of the effect of the textile sizing and the protective concrete cover, (ii) the investigation of the performance of hybrid reinforcement, and (iii) the heat treatment of the specimens with actual fire tests (with durations varying between 7 and 37 minutes). The test results were modeled by analytical and numerical approaches. Existing analytical approaches were used as a tool to describe the behavior of fire exposed TRC in tension, while numerical simulations were developed to model its flexural performance. The novelty of the numerical model lies in the application of a mechanical layer-wise model in combination with a heat transfer model that determines the exposure temperature at every position of a fire-exposed specimen. The first part of this thesis introduces the need for research on this topic and provides the necessary theoretical background. This thesis starts with Chapter 1 that gives a more elaborate introduction to the research scope and the problem statement, as well as a clear statement of the objectives and the methodology to address them. Chapter 2 gives an introduction to structural fire engineering and the fire performance of cementitious materials, in order to acquaint the reader with some fundamental aspects that are used in this thesis. Chapter 3 introduces the reader to the mechanical performance of TRC at ambient conditions. Then a state-of-the-art review of the performance of TRC at increased temperature is provided. The second part of the thesis is devoted to the experimental campaign that was conducted for this doctoral research, aiming for the characterization of various TRC compositions after fire exposure. Chapter 4 gives an overview of the campaign. The geometrical and mechanical properties of the utilized materials, the testing techniques, and the tested compositions are described. Chapter 5 presents the first explorative fire tests. The results yielded valuable qualitative insights that served to set up the strategy of the main experimental campaign and justify specific choices made concerning material choices and test temperatures. Chapter 6 presents the results obtained from the fire tests. The observations on the response of the specimens to the fire exposure (after cooling down) and the temperature recordings are presented. Chapter 7 presents the results obtained from the tensile and flexural tests on TRC specimens (fire exposed and non-exposed). The residual mechanical capacity is defined for each tested composition at every exposure temperature or exposure duration. The evolution of cracking patterns and failure modes with increasing temperature are also discussed. Comparisons among the tested compositions trigger the discussion on the effect of the considered parameters: fiber material, fiber volume fraction, concrete cover and textile coating. Emphasis is given on the effect of the coating as it is identified as the most important parameter. The third part of the thesis concerns the modeling of the results. Chapter 8 covers the analytical approaches. It starts with the first approach, which is an assessment of the applicability of the Aveston-Cooper-Kelly analytical model to predict the stress-strain law of fire exposed TRC. The validity of the research assumptions is evaluated by comparing the analytical results to the experimental ones. Next, the second modeling approach is presented, which aims for the detailed definition of a degradation law for the mechanical properties of every tested composition by fitting the “Bisby” model to the experimental results of this research. It is shown tha tthese degradation laws can be used as input to expand the applicabilityof the Aveston-Cooper-Kelly model to fire exposed TRC elements. Chapter 9 presents the numerical modeling techniques that were adopted in this research. It starts by presenting the investigations on modeling the heat transfer properties of TRC at fire exposure and the presentation of the results (temperature profiles at flexural specimens). Next, it presents the assumptions and the methodology of numerically simulating the flexure tests. The temperature profile that was determined in the previous step and the material tensile properties that were determined by the experimental campaign, are used as input to the numerical model. The results of the simulation of the flexure tests are compared to the experimental results; hence, the validity of the adopted modeling technique is assessed, highlighting its strengths and limitations. Finally, the thesis ends with Chapter 10, which gives the conclusions of the conducted research, highlighting its main contributions. This chapter also gives suggestions for future research. The thesis concludes that the most decisive parameter for the residual capacity of TRC after exposure to fire is the surface treatment of the reinforcement; uncoated carbon fiber textiles being the best solution (owing to the superiority of carbon fibers at elevated temperature compared to other materials). Polymer coatings lead to faster reduction of the mechanical properties as temperature increases (due to the deterioration of the textile-to-matrix interface as the coating burns) while impregnation with epoxy resins inhibits an increased risk of thermal spalling due to the evaporation of the resin. Based on the provided knowledge, compositions with hybrid reinforcement can also present a favorable behavior with a proper design. This research also shows that the temperature profile of a fire exposed TRC element can be determined with a conduction heat transfer model and, consequently, the flexural performance of the element can be modeled with a layer-wise technique (assigning the predicted temperature to each layer). This modeling technique can be used to simulate correctly the flexural capacity of a heated element. Based on the flexure tests and their numerical simulation it is concluded that the mortar plays a key role too on the residual flexural capacity of fire exposed TRC elements; hence, its contribution should be modeled with accuracy. Finally, this research showed that the applicability of the Aveston-Cooper-Kelly theory can be applied to TRC elements at high temperatures as long as a representative degradation law is adopted. Such a law can be obtained by fitting analytical expressions to experimental results on fire exposed TRC elements tested in tension.
  • Thumbnail Image
    Item
    Δυναμική αλληλεπίδραση εδάφους - κατασκευής σε ομοιογενή ή διαστρωματωμένο 3D ημιχώρο με ενσωματωμένες φυσικές ή τεχνητές κοιλότητες
    Θανόπουλος, Χαράλαμπος; Thanopoulos, Charalampos
    Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή καταπιάνεται με ένα αρκετά σύνθετο θέμα. Πιο συγκεκριμένα, επιδιώκει να μελετήσει το πως και κατά πόσο η παρουσία φυσικών ή τεχνητών κοιλοτήτων εντός του εδάφους μπορεί να μεταβάλλει την απόκριση μιας κατασκευής εδραζόμενης επί της επιφάνειας του εδάφους. Η πρωτοτυπία του θέματος έγκειται στο γεγονός πως προσομοιώνεται ταυτόχρονα και το έδαφος και η κοιλότητα και η υπερκατασκευή σε τρισδιάστατο ημιχώρο σε αντίθεση με πληθώρα μελετών που καταπιάστηκαν με τη μελέτη της εδαφικής απόκρισης της επιφάνειας του εδάφους για παρουσία 2D κοιλότητας χωρίς την ύπαρξη υπερκατασκευής. Επιπλέον, εισάγονται καινούριες τεχνικές προσομοίωσης της σεισμικής διέγερσης και των απορροφητικών συνόρων στο λογισμικό Abaqus/Cae, που λύνουν το πρόβλημα της αλλοίωσης της διέγερσης που έρχεται εκτός προσομοιώματος και των φαινομένων ανάκλασης στα όρια του ημιχώρου αντίστοιχα. Το 1ο κεφαλαίο αποτελεί βιβλιογραφική αναφορά σε προγενέστερες εργασίες, αλληλεπίδρασης με ή χωρις την παρουσία κοιλοτήτων. Στο 2ο κεφάλαιο περιγράγονται τόσο η άμεση μέθοδος προσομοίωσης όσο και το θεωρητικό υπόβαθρο των εφαρμοζόμενων απορροφητικών συνόρων «Infinite Elements» και PML. Στο 3ο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μεθοδολογία των δυναμικών αναλύσεων καθώς και σε προγραμματιστικό επίπεδο τα «εργαλεία» που έχουμε στη διάθεση μας για την μετατροπή των επιταχυνσιογραφημάτων σε ισοδύναμες επικόμβιες δυνάμεις. Στο 4ο κεφάλαιο πραγματοποιούνται μια σειρά από αναλύσεις με σκοπό την επαλήθευση της καλής χρήσης των απορροφητικών συνόρων και του αριθμητικού προσομοιώματος στο σύνολο του (διαστάσεις ημιχώρου, διακριτοποίηση, οριακές συνθήκες, φορτιστικές καταστάσεις κ.α.), με οδηγό το λογισμικό Abaqus/Cae. Θεωρήθηκε σκόπιμο να αναπαραχθούν αναλύσεις από διαφορετικές εργασίες και διαφορετικούς συγγραφείς (4 διαφορετικές εργασίες) που καταπιάστηκαν με θέματα μετάδοσης κυμάτων σε 2D και 3D ημιχώρο με ή χωρίς την παρουσία κοιλοτήτων, για τον έλεγχο όχι μόνο της καλή εφαρμογής μοντέλων που προσομοιώνουν πολύπλοκα φαινόμενα σκέδασης κυμάτων, αλλά και για να εξακριβωθεί αν η διαθέσιμη υπολογιστική δυνατότητα επαρκεί για 3D προσομοιώσεις ημιχώρων και κατασκευών σε δυναμικές καταπονήσεις. Στο 5ο κεφάλαιο πραγματοποιήθηκαν δυναμικές αναλύσεις χρονοϊστορίας με συνδυαστική χρήση των τεχνικών PML+DRM. Επιπροσθέτως, παρουσιάζονται παραμετρικές αναλύσεις που εξετάζουν την επίδραση της γωνίας πρόσπτωσης των σεισμικών κυμάτων, την ενδοσιμότητα του εδάφους, τη σχετική δυσκαμψία της δομημένης κοιλότητας, το συχνοτικό περιεχόμενο του σεισμού και τη διάμετρο της κοιλότητας. Κάποιες επιπλέον αναλύσεις συγκρίνουν αποτελέσματα μεταξύ γραμμικών και ισοδυνάμων γραμμικών αναλύσεων ενώ εξετάζεται και η επίδραση των ορόφων ανάμεσα σε 5-όροφες και 10-όροφες κατασκευές. To απόσταγμα από τις αναλύσεις του 5ου κεφαλαίου συνοψίζεται στο κεφάλαιο «Συμπεράσματα».
  • Thumbnail Image
    Item
    Seismic force redistribution in asymmetrical reinforced concrete buildings due to soil-structure interaction
    Ασκούνη, Παρασκευή; Askouni, Paraskevi
    The present dissertation investigates the redistribution of internal forces among the vertical elements of reinforced concrete (R/C) simple low-rise asymmetrical structures under seismic loading considering Soil-Structure Interaction (SSI). A series of one-storey R/C plane frames with one, two and four spans, founded οn rigid, deformable soil through footings with connecting beams is analyzed dynamically. The seismic loading is simulated through synthetic accelerograms compatible with the EC8 design spectrum. Οne-storey and three-storey one-span R/C framed 3-D buildings founded οn rigid, deformable soil through footings with connecting beams and foundation mat are dynamically analyzed using real accelerograms. Asymmetry in the R/C 2-D and 3-D buildings considered is achieved by replacing one of the columns by a wall of variable width. The behavior of R/C elements is considered as elastic according to current design codes, as well as elastoplastic according to an elastoplastic mechanical fiber model. Both linear and nonlinear elastoplastic analyses are performed in the time domain. Linear analyses are done by taking into account reduced member stiffness due to concrete cracking. Nonlinear elastoplastic analyses are done with a concentrated plasticity model with stiffness reduction. Nonlinear response quantities include not only member moment and shear forces but also interstorey drift ratios and various damage indices at member and structure levels for four performance levels. Dimensionless ratios of internal absolute maximum forces and moments of vertical R/C elements are expressed in terms of their cross-section properties and compared for the cases of SSI and rigid soil for both elastic and elastoplastic analyses. Thus, the influence of SSI on the seismic response of the vertical elements and the whole structure is determined and discussed. All the analyses prove that SSI strongly affects the seismic response of R/C elements and simple R/C structures and its influence may be beneficial or detrimental in contrast to current codes considering only its positive effects.
  • Thumbnail Image
    Item
    Έξυπνο σύστημα διαχείρισης ενέργειας κτιρίων του τριτογενή τομέα με ενσωμάτωση των επιχειρησιακών διαδικασιών και της ενεργειακής συμπεριφοράς των χρηστών
    Καρατζάς, Στυλιανός; Karatzas, Stylianos
    Η ενεργειακή πολιτική αποτελεί αναμφίβολα ένα από τα πιο σημαντικά πολιτικά ζητήματα της σημερινής εποχής. Είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την κλιματική αλλαγή, καθιστώντας την όχι μόνο ένα από τα πιο περίπλοκα ζητήματα, αλλά και ένα από τα θέματα με την υψηλότερη προτεραιότητα εντός της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Στην πραγματικότητα, τα στοιχεία δείχνουν ότι παρά την ευρεία πολιτική και τεχνολογική εστίαση στην ενεργειακή απόδοση, η συνολική κατανάλωση ενέργειας συνεχίζει να αυξάνεται στις προηγμένες οικονομίες, καθώς οι τεχνολογικές λύσεις δεν έχουν την αναμενόμενη ενεργειακή απόδοση σε σχέση με όσα είχαν προδιαγραφεί. Υπάρχουν επίσης σημαντικά στοιχεία που δείχνουν ότι τα κτίρια, ως ένας από τους κύριους φορείς ζήτησης και κατανάλωσης ενέργειας, δεν αποδίδουν ενεργειακά τόσο καλά όπως προβλεπόταν κατά το σχεδιασμό τους. Στόχος της παρούσας έρευνας είναι να εντοπίσει και να ελαχιστοποιήσει αυτό το κενό στην ενεργειακή απόδοση των κτηρίων, λαμβάνοντας υπόψη όχι μόνο την ποιοτική αξιολόγηση που υπολογίζεται θεωρητικά σύμφωνα με τις παραδοχές για την λειτουργία του κτιρίου κατά τη φάση του σχεδιασμού του, αλλά και την πραγματική λειτουργία που εμπεριέχει την επίδραση του χρήστη. Το αντικείμενο της Διδακτορικής Διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός έξυπνου συστήματος ενεργειακής διαχείρισης σε κτήρια του τριτογενή τομέα. Στόχος της διατριβής, στην οποία βασίζεται η μεθοδολογία και τα σχετιζόμενα συστήματα και εργαλεία που αναπτύσσονται, είναι η συμβολή στην κάλυψη του επιστημονικού «κενού» που εντοπίσθηκε σχετικά με την προώθηση έξυπνων συστημάτων ενεργειακής διαχείρισης σε κτήρια του τριτογενή τομέα, θέτοντας στο επίκεντρο τον ανθρώπινο παράγοντα και τις επιμέρους επιχειρησιακές διαδικασίες που επιτελούνται και επιδρούν στην τελική ενεργειακή αποδοτικότητα των κτηρίων. Αναπτύσσεται μια δυναμική προσέγγιση (μοντέλα, μέθοδοι και εργαλεία) για τον συνεχή υπολογισμό των δεικτών ενεργειακής απόδοσης των κτιρίων, λαμβάνοντας υπόψη όλα τα σημαντικά φορτία που σχετίζονται με τις επιχειρησιακές διαδικασίες που στεγάζονται στα κτίρια και δημιουργώντας μια δυναμική συσχέτιση μεταξύ της ενεργειακής απόδοσης και των διαφόρων στοιχείων του οργανωτικού οικοσυστήματος (χώροι / γραφεία, ομάδες και διαδικασίες). Στο πλαίσιο της ολιστικής προσέγγισης που υιοθετείται στην παρούσα διατριβή, το μοντέλο της ενεργειακής διαχείρισης στον τριτογενή τομέα δεν εξετάζεται μόνο ως ένα αυτόνομο σύστημα αλλά και ως υποσύστημα μια ευρύτερης μεθοδολογικής προσέγγισης που έχει ως στόχο την εξασφάλιση της ενεργειακής επάρκειας και την διαχείριση του ενεργειακού κινδύνου σε ένα ηλεκτρικό δίκτυο. Οι ερευνητικές προοπτικές που διαγράφονται για την ουσιαστική υποστήριξη των συστημάτων ενεργειακής διαχείρισης κτηρίων μέσα στο ευρύτερο πλαίσιο των ενεργειακά Έξυπνων Πόλεων είναι σημαντικές και συνεχώς αυξανόμενες. Τα οφέλη που προκύπτουν από ένα τέτοιο σύστημα για τους διαχειριστές κτηρίων και τους τελικούς χρήστες είναι πολλαπλά, καθώς εκτός από τη βελτίωση της ποιότητας διαβίωσης των τελικών χρηστών και τη συμβολή στην επίτευξη των στόχων για την ενεργειακή εξοικονόμηση, μπορούν να δημιουργήσουν τις προϋποθέσεις για τον εκδημοκρατισμό των ενεργειακών αγορών με την άμεση συμμετοχή των τελικών καταναλωτών που είναι και ο στόχος της Ευρωπαϊκής Ένωσης για την επόμενη δεκαετία.
  • Thumbnail Image
    Item
    Αξιολόγηση μεθόδων αστικού σχεδιασμού με στόχο την ανθεκτικότητα στην κλιματική αλλαγή και τη διαχείριση κινδύνων στο πλαίσιο των αναδυόμενων έξυπνων πόλεων
    Χονδρογιάννη, Δήμητρα; Chondrogianni, Dimitra
    Με το μεγαλύτερο μέρος του ανθρώπινου πληθυσμού (54%) παγκοσμίως να ζει σε αστικές περιοχές και με την τάση για αστικοποίηση να είναι αυξητική στο εγγύς μέλλον (WHO, 2014), το μέλλον των πόλεων και οι προκλήσεις, που οι αστικές περιοχές καλούνται να διαχειριστούν για να επιβιώσουν, αποτελούν αντικείμενο έρευνας πρωτεύουσας σημασίας. Ο βαθμός ανταπόκρισης των πόλεων στις σύγχρονες προκλήσεις είναι ένα απαιτητικό, σύνθετο και πολυδιάστατο ζήτημα καθώς το μέλλον των πόλεων δεν βασίζεται πλέον στις ιεραρχίες, τους φορμαλισμούς ή τις μαθηματικές εξισώσεις, αλλά προέρχεται από ένα δυναμικό σύστημα, συμπεριλαμβανομένων των παγκόσμιων σχέσεων, των τοπικών δυνάμεων και των αναδυόμενων τάσεων λειτουργίας των πόλεων (πχ. έξυπνες πόλεις) (Schmitt, 2015). Παράλληλα, στις Ευρωπαϊκές πόλεις, η διαχείριση κινδύνων (risk management) σχετίζεται άμεσα με το φαινόμενο της κλιματικής αλλαγής (climate change phenomenon), ενώ η ανάγκη για ανθεκτικότητα και ανάπτυξη αντικατοπτρίζεται στην ανάπτυξη στρατηγικών Έξυπνων πόλεων (Smart Cities) και σε δράσεις ψηφιακού μετασχηματισμού τους (digital transformation) (Digital Europe programme 2021-2027, Green Deal 2019). Η διδακτορική διατριβή, ακολουθώντας τις αρχές της ανάλυσης δυναμικών συστημάτων, προτείνει τη προσέγγιση του δημόσιου αστικού χώρου ως ένα δυναμικό σύστημα που υπόκειται στους όρους της προσφοράς και της ζήτησης, αρχές τις οποίες οι αρμόδιοι λήψης αποφάσεων για τους αστικούς χώρους προτείνεται να παρακολουθούν, να αναλύουν και να μελετούν για να επιτύχουν την αστική ανθεκτικότητα και ανάπτυξη. Οι δημόσιοι/υπαίθριοι αστικοί χώροι αποτελούν ζωτικής σημασίας τμήματα των πόλεων, τα οποία καθορίζουν την ποιότητα ζωής των πολιτών αλλά και τη δυνατότητα των πόλεων να ανταποκριθούν στις αστικές προκλήσεις. Στο πλαίσιο αυτό, βασική επιδίωξη της διδακτορικής διατριβής αποτελεί η υποστήριξη της διαδικασίας λήψης αποφάσεων για τη διαμόρφωση, τον σχεδιασμό και τη διαχείριση των δημόσιων/υπαίθριων αστικών χώρων, με μετρήσιμους και πολυτομεακούς δείκτες και μοντέλα για την αξιολόγηση των προτεινόμενων σχεδίων/προτάσεων διαμόρφωσης και ανάπλασης των αστικών χώρων.