Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών (ΔΔ)

Permanent URI for this collection

Browse

Recent Submissions

Now showing 1 - 5 of 85
  • Thumbnail Image
    Item
    Open Access
    Matrix-based modeling for multi-objective resource management optimization in construction infrastructure and transport operations
    (2023-12-19) Φαρμάκης, Παναγιώτης; Farmakis, Panagiotis
    Optimization refers to evaluating available alternatives to choose the most efficient. It is a process with numerous applications in all aspects of life, from simple daily activities (selecting a route and spending money) to decision support at the strategic level. In engineering design, optimization is the systematic procedure of defining the optimal solution according to a set of prioritized constraints and criteria for increasing effectiveness (usually minimizing costs or maximizing productivity) by improving processes through better resource engagement and usually follows the Analysis where mathematical models and scientific principles are employed for predicting design results. In small-case problems, the size, in combination with knowledge and previous experience, simplifies things to a great extent. However, as the magnitude and complexity increase, developing intelligent computational tools is the only pathway to achieve management objectives. This Doctoral Thesis aims to develop a holistic methodology for efficiently considering multi-objective optimization problems in Transportation Infrastructure and Construction Management of Civil Engineering science. More specifically, decision parameters such as priority in service, οne-to-one matching or assignment between several alternatives with or without alternative options are appropriately formulated. Furthermore, matrix algebra is employed to calculate the fitness function to evaluate how close a candidate solution is to achieving the set aims. Moreover, this Thesis also illustrates a spatial approach based on Ray Casting Algorithm implementation for efficiently exploiting any given space for problems where the optimal placement of facilities or infrastructure is the issue. These methodologies developed in the framework of this doctoral Thesis, with slight variations adapted to each problem's particularities, are applied in three of the most critical issues in the relative fields, which are the Construction Site Layout Planning (CSLP) for both spacious and congested sites, the Hub-and-Spoke (H&S) network modeling focused on Short Sea Shipping (SSS) transportation, and the supply chain & logistics management at operational level dealing with cross-docking operation in the distribution centers scheduling including vehicle route planning concerns (CDVRP). The expected output and the contribution of this study are to validate the models' robustness in providing acceptable (near-optimal) solutions in terms of solution quality (reflecting optimization objectives and constraint/preference satisfaction) and computational efficiency (acceptable running time) for all case studies and operational scenarios providing a useful tool for well-informed decision supporting.
  • Thumbnail Image
    Item
    Open Access
    Βαθμονόμηση της σεισμικής επικινδυνότητας παρακείμενων κατασκευών έναντι του προβλήματος της αλληλεπίδρασης και καθορισμός του βέλτιστου σεισμικού αρμού
    (2024-09-12) Φλέγγα, Μαρία; Flenga, Maria
    Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως βασικό επιστημονικό στόχο, την ανάπτυξη μεθοδολογίας βαθμονόμησης της σεισμικής επικινδυνότητας παρακείμενων κατασκευών έναντι του προβλήματος της αλληλεπίδρασης και καθορισμού του βέλτιστου σεισμικού αρμού. Προς το σκοπό, αυτό αναπτύχθηκαν και προτείνονται νέες πιθανοτικές μεθοδολογίες που περιλαμβάνουν: Νέα αποδοτικά και επαρκή πιθανοτικά μοντέλα σεισμικής απαίτησης (PSDMs) για τις περιπτώσεις κατασκευών με προβλήματα αλληλεπίδρασης. Πρότυπες καμπύλες τρωτότητας για κατασκευές με προβλήματα αλληλεπίδρασης σε διαφορετικές στάθμες επιτελεστικότητας. Πολυπαραμετρικές διερευνήσεις ελέγχου αξιοπιστίας παραδοχών ανάλυσης και αποτελεσμάτων. Μεθοδολογία εκτίμησης του ελάχιστου σεισμικού αρμού dg με βάση την τρωτότητα της κατασκευής έναντι της αλληλεπίδρασης. Τελική πρόταση βαθμονόμησης του σεισμικού ρίσκου έναντι της αλληλεπίδρασης και καθορισμού του βέλτιστου σεισμικού αρμού. Για την επίτευξη των παραπάνω στόχων στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιούνται τα εξής: Καθορίζεται η κρίσιμη περίπτωση μελέτης σύμφωνα με την υφιστάμενη γνώση στην καταγεγραμμένη διεθνή βιβλιογραφία. Έτσι, μελετάται η αλληλεπίδραση μιας 8-όροφης πλαισιωτής κατασκευής Ο/Σ η οποία δύναται να έρθει σε επαφή κατά την διάρκεια ισχυρών σεισμικών διεγέρσεων με παρακείμενο 3-όροφο άκαμπτο κτήριο. Σημειώνεται ότι, η επιλογή του άκαμπτου κτηρίου, αποτελεί τη δυσμενέστερη περίπτωση παρακείμενου κτηρίου για τη σεισμική συμπεριφορά της πολυώροφης κατασκευής έναντι της αλληλεπίδρασης ενώ παράλληλα οι προτεινόμενες πιθανοτικές μεθοδολογίες που αναπτύσσονται είναι ανεξάρτητες από τα δυναμικά χαρακτηριστικά του 3-ορόφου. Για την προσέγγιση της πραγματικής σεισμικής συμπεριφοράς της κατασκευής αναπτύσσεται αναλυτικό μοντέλο προσομοίωσης που ενσωματώνει το σύνολο των πληροφοριών για την κατασκευή (δηλαδή, γεωμετρία, μάζα, οπλισμούς, μοντέλα ανελαστικής απόκρισης μελών, υλικά, περίσφιξη κ.λπ.). Με βάση διεθνή βιβλιογραφία καθορίζονται οι εξεταζόμενες τυπολογίες αλληλεπίδρασης. Συγκεκριμένα, εξετάζεται ο τύπος αλληλεπίδρασης που πραγματοποιείται μεταξύ των πλακών των παρακείμενων κατασκευών (Τύπος Α), καθώς και η κρίσιμη περίπτωση αλληλεπίδρασης πλάκας-υποστυλώματος (Τύπος Β). Επιπλέον, αξιολογούνται οι πιθανές μορφές αστοχίας μιας κατασκευής λόγω της αλληλεπίδρασης με παρακείμενο κτήριο και επιλέγονται οι κατάλληλοι καθολικοί και τοπικοί παράμετροι σεισμικής απαίτησης. Για τις ανάγκες της έρευνας καθορίζονται 3 διαφορετικές τιμές σεισμικού αρμού dg ενώ λαμβάνεται υπόψη και η περίπτωση της ελεύθερης ταλάντωσης του 8-ορόφου πλαισίου Ο/Σ. Ακολούθως, καθορίζονται τα εξεταζόμενα μέτρα έντασης και επιλέγονται οι σεισμικές διεγέρσεις με κριτήρια που αφορούν τις βασικές παραμέτρους περιγραφής κάθε καταγραφής. Τέλος, εφαρμόζονται ανελαστικές δυναμικές αναλύσεις τόσο με την μέθοδο της προσαυξητικής δυναμικής ανάλυσης (IDA) όσο και με την μέθοδο νέφους (Cloud) για ένα πλήθος σεισμικών διεγέρσεων. Συνολικά πραγματοποιήθηκαν 2733 δυναμικές ανελαστικές αναλύσεις. Γραμμικά και διγραμμικά πιθανοτικά μοντέλα σεισμικής απαίτησης Αναπτύσσονται νέα γραμμικά και διγραμμικά πιθανοτικά μοντέλα καθολικής και τοπικής σεισμικής απαίτησης της κατασκευής (ελεύθερη ταλάντωση και αλληλεπίδραση κατασκευών). Για τον καθορισμό των πιθανοτικών μοντέλων σεισμικής απαίτησης (PSDMs) δίνεται έμφαση στην ενσωμάτωση για πρώτη φόρα στη διεθνή βιβλιογραφία: α) των κρίσιμων τοπικών ανελαστικών απαιτήσεων των μελών της κατασκευής, και β) της περίπτωσης όπου η αλληλεπίδραση των παρακείμενων κατασκευών συμβαίνει μεταξύ πλάκας - υποστυλώματος. Επιπλέον, λαμβάνονται υπόψη διαφορετικές παράμετροι σεισμικής απαίτησης EDPs, μεγέθη σεισμικού αρμού dg, και μέτρα έντασης ΙΜs. Από τα αποτελέσματα της διερεύνησης προκύπτει ότι, η σχέση μεταξύ των καθολικών παραμέτρων σεισμικής απαίτησης EDPs και των μέτρων σεισμικής έντασης IMs, περιγράφεται ικανοποιητικά από το γραμμικό μοντέλο παλινδρόμησης. Αντίθετα, το διγραμμικό μοντέλο παλινδρόμησης είναι πιο κατάλληλο για την ακριβή περιγραφή της τοπικής ανελαστικής συμπεριφοράς των κρίσιμων δομικών στοιχείων σε μεγέθη πλαστιμότητας καμπυλοτήτων και διατμητικών δυνάμεων. Σε κάθε περίπτωση όμως, αποδεικνίεται ότι το μέτρο έντασης ΙΜ που επιλέγεται για την ανάπτυξη του PSDM επηρεάζει τα αποτελέσματα της πρόβλεψης. Μάλιστα πιο αξιόπιστη εκτίμηση της σεισμικής απόκρισης των κατασκευών παρέχουν τα μέτρα έντασης που εκτιμούν με μικρότερη διασπορά τις σεισμικές απαιτήσεις της κατασκευής. Πρότυπες καμπύλες τρωτότητας με βάση τα προτεινόμενα PSDMs Αναπτύσσονται πρότυπες καμπύλες τρωτότητας για την 8-όροφη πλαισιωτή κατασκευή Ο/Σ (ελεύθερη ταλάντωση και αλληλεπίδραση κατασκευών) λαμβάνοντας υπόψη διαφορετικές στάθμες επιτελεστικότητας, μεγέθη σεισμικού αρμού dg, και μέτρα έντασης ΙΜs. Οι καμπύλες τρωτότητας αναπτύσσονται με βάση τα προτεινόμενα γραμμικά και διγραμμικά πιθανοτικά μοντέλα σεισμικής απαίτησης (PSDMs). Ενσωματώνονται δε για πρώτη φορά στη διεθνή βιβλιογραφία για την εκτίμηση της σεισμικής τρωτότητας παρακείμενων κατασκευών οι εξής παράμετροι: α) οι καθολικές και οι τοπικές ανελαστικές απαιτήσεις της κατασκευής, και β) η κρίσιμη περίπτωση της αλληλεπίδρασης μεταξύ κατασκευών με ανισοσταθμία πλακών και πιθανότητα εμβολισμού υποστυλώματος (αλληλεπίδραση πλάκας – υποστυλώματος). Από τα αποτελέσματα διερεύνησης της σεισμικής τρωτότητας της 8-όροφης πλαισιωτής κατασκευής Ο/Σ έναντι του φαινομένου της αλληλεπίδρασης προκύπτει ότι, κρίσιμα μεγέθη σεισμικής απαίτησης είναι τα μεγέθη τοπικής απόκρισης των υποστυλωμάτων λόγω των αυξημένων απαιτήσεων σε καμπτική και διατμητική αντοχή. Επίσης, σημαντική είναι η επιρροή του τύπου της αλληλεπίδρασης που πραγματοποιείται μεταξύ των παρακείμενων κατασκευών καθώς μεταβάλλει τα αποτελέσματα της σεισμικής τρωτότητας της κατασκευής ιδιαίτερα σε τοπικό επίπεδο απόκρισης. Η μείωση του σεισμικού αρμού dg μεταξύ των παρακείμενων κατασκευών οδηγεί σε αύξηση της σεισμικής τρωτότητας της πολυώροφης κατασκευής τόσο σε καθολικό όσο και σε τοπικό επίπεδο απόκρισης. Επιπλέον, οι αβεβαιότητες που υπεισέρχονται στις καμπύλες τρωτότητας είναι λιγότερες όταν το ΙΜ που επιλέγεται εκτιμά με μικρότερη διασπορά τη σεισμική απαίτηση της κατασκευής. Για την τεκμηρίωση της αξιοπιστίας εκτίμησης της σεισμική τρωτότητας της κατασκευής (με και χωρίς προβλήματα αλληλεπίδρασης) με βάση τα προτεινόμενα πιθανοτικά μοντέλα σεισμικής απαίτησης πραγματοποιήθηκε σύγκριση μεταξύ των διαφορετικών μεθοδολογιών ανάπτυξης καμπύλων τρωτότητας που προτείνονται στη διεθνή βιβλιογραφία. Επίσης: α) αξιολογείται η εγκυρότητα των παραδοχών ανάπτυξης των PSDMs, και β) διερευνάται η επιρροή τους στην αποτίμηση της σεισμικής τρωτότητας της κατασκευής. Από τα αποτελέσματα της διερεύνησης προκύπτει ότι, α) τα προτεινόμενα γραμμικά και διγραμμικά PSDMs αποτελούν αξιόπιστη μεθοδολογία, β) οι υποθέσεις ανάπτυξης των γραμμικών PSDMs δεν ικανοποιούνται σε όλο το εξεταζόμενο εύρος της σεισμικής έντασης στην περίπτωση των τοπικών μεγεθών απόκρισης, ενώ η χρήση διγραμμικών PSDMs επιτρέπει τη βελτίωση της υπόθεση της ομοσκεδαστικότητας ανά γραμμικό κλάδο του μοντέλου παλινδρόμησης, και γ) τα γραμμικά PSDMs εκτιμούν ικανοποιητικά τη σεισμική τρωτότητας του 8-ορόφου πλαισίου Ο/Σ σε όρους καθολικών EDPs ενώ διγραμμικά PSDM απαιτούνται για τα εξεταζόμενα τοπικά EDPs. Πολυπαραμετρικές διερευνήσεις ελέγχου αξιοπιστίας παραδοχών ανάλυσης και αποτελεσμάτων. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής διερευνάται επίσης ο βαθμός επιρροής συγκεκριμένων παραμέτρων στα αποτελέσματα της σεισμικής τρωτότητας της κατασκευής. Συγκεκριμένα μελετώνται τα εξής: α) η καταλληλότητα των επιλεγμένων μέτρων έντασης (PGA και Sa,T1) σε σύγκριση με άλλα IMs (συνολικά μελετώνται 23 διαφορετικά μέτρα έντασης) ως προς τις ιδιότητες της αποτελεσματικότητας και της επάρκειας, β) η επιρροή των χαρακτηριστικών Μw και Rrup μιας σεισμικής διέγερσης στα αποτελέσματα της τρωτότητας και γ) η καταλληλότητα της μεθοδολογίας ανελαστικής ανάλυσης των κατασκευών IDA για την εξαγωγή των δεδομένων σεισμικής απαίτησης σε σύγκριση με την μέθοδο ανάλυσης Cloud (μέθοδος νέφους). Από τα αποτελέσματα αυτής της διερεύνησης συμπεραίνεται ότι, η Sa,T1 είναι πιο αποτελεσματικό ΙΜ για την εκτίμηση της σεισμικής απόκρισης του δομικού συστήματος συγκριτικά με τη PGA. Σε κάθε περίπτωση, τα μέτρα έντασης που εξαρτώνται από τα δυναμικά χαρακτηριστικά της κατασκευής παρουσιάζουν μεγαλύτερο βαθμό αποτελεσματικότητας. Ωστόσο, η ικανοποίηση της ιδιότητας της αποτελεσματικότητας, δεν εξασφαλίζει την ταυτόχρονη ικανοποίηση του κριτηρίου έναντι της ιδιότητας της επάρκειας του ΙΜ. Επομένως, ο προσδιορισμός κατάλληλου ΙΜ αποτελεί δύσκολη διαδικασία ιδιαίτερα όταν λαμβάνονται υπόψη περισσότερα του ενός EDPs καθώς τα αποτελέσματα διαφοροποιούνται ανάλογα με το EDP που μελετάται. Όσον αφορά τη διερεύνηση της επιρροής των χαρακτηριστικών των σεισμικών διεγέρσεων (Μw και Rrup) στην εκτίμηση της σεισμικής τρωτότητας της 8-όροφης κατασκευής, αναπτύχθηκαν νέα PSDMs βάσει διανυσματικών μέτρων έντασης ως συνδυασμός του βαθμωτού Sa,Τ1 και των παραμέτρων Mw ή Rrup. Από τα αποτελέσματα της διερεύνησης, προέκυψε ότι οι παράμετροι Mw και Rrup, σε κάποιες περιπτώσεις επηρεάζουν την εκτίμηση της σεισμικής τρωτότητας της κατασκευής. Σε κάθε περίπτωση, η χρήση του βαθμωτού μέτρου έντασης Sa,Τ1 και του διανυσματικού ΙΜ ως συνάρτηση της διαμέσου των Mw και Rrup οδήγησε σε παρόμοια πρόβλεψη της σεισμικής τρωτότητας. Τέλος, ως προς τις μεθοδολογίες δυναμικής ανελαστικής ανάλυσης IDA και Cloud, προέκυψε ότι οδηγούν σε παρόμοια εκτίμησης της σεισμικής τρωτότητας της κατασκευής. Τονίζεται δε ότι, απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή στα κριτήρια επιλογής των σεισμικών διεγέρσεων που υιοθετούνται ανά μεθοδολογία ανάλυσης. Ανάπτυξη πρωτότυπης μεθοδολογίας εκτίμησης του ελάχιστου σεισμικού αρμού dg με βάση την τρωτότητα Στη συνεχεία αξιοποιούνται τα αποτελέσματα της σεισμικής τρωτότητας της κατασκευής έναντι της αλληλεπίδρασης για την ανάπτυξη πρωτότυπης μεθοδολογίας εκτίμησης του ελάχιστου σεισμικού αρμού dg μεταξύ παρακείμενων κτηρίων. Στην προτεινόμενη μεθοδολογία προβλέπεται η πιθανότητα αλληλεπίδρασης μεταξύ των παρακείμενων κατασκευών εξασφαλίζοντας ωστόσο αποδεκτά επίπεδα σεισμικής απόκρισης έναντι της αλληλεπίδρασης. Τα βασικά χαρακτηριστικά της προτεινόμενης μεθοδολογίας συνοψίζονται ως εξής: α) εφαρμόζεται τόσο ως διαδικασία ελέγχου επάρκειας υφιστάμενου μεγέθους σεισμικού αρμού όσο και για τον καθορισμό του ελάχιστου κρίσιμου σεισμικού αρμού μεταξύ των παρακείμενων κατασκευών, β) προϋποθέτει τον ορισμό των επίπεδων επιτελεστικότητας PL-EDP των κρίσιμων EDPs συναρτήσει του μεγέθους του σεισμικού αρμού dg, γ) ενσωματώνει περισσότερα του ενός επίπεδα επιτελεστικότητας PL-EDP (τοπικών και καθολικών EDPs σε διαφορετικές στάθμες επιτελεστικότητας PLi), και δ) είναι ανεξάρτητη από τον τύπο της αλληλεπίδρασης που μελετάται. Επιπλέον, για την εκτίμηση του ελάχιστου κρίσιμου σεισμικού αρμού δύναται να εφαρμοσθούν δυο διαφορετικά κριτήρια πρόβλεψης: α) εκτίμηση βάσει δεδομένης ή επιδιωκόμενης τιμής σεισμικής έντασης ΙΜ και β) εκτίμηση βάσει δεδομένης ή επιδιωκόμενης τιμής πιθανότητας P να συμβεί αλληλεπίδραση μεταξύ των παρακείμενων κατασκευών. Ακολουθεί μελέτη εφαρμογής για την πλήρη περιγραφή των δυνατοτήτων - χαρακτηριστικών της προτεινόμενης μεθοδολογίας. Τέλος, παρουσιάζονται αποτελέσματα σε διαφορετικά και σύνθετα επίπεδα επιτελεστικότητας που αφορούν α) τον έλεγχο επάρκειας υφιστάμενου μεγέθους σεισμικού αρμού μεταξύ των εξεταζόμενων παρακείμενων κατασκευών, και β) τον καθορισμό του ελάχιστου κρίσιμου σεισμικού αρμού με βάση τα δυο προτεινόμενα κριτήρια ελέγχου. Από τα αποτελέσματα της διερεύνησης προκύπτει ότι, η κρίσιμη μετατόπιση δmax για την οποία ορισμένα EDPs φτάνουν την οριακή τιμή δεδομένης στάθμης επιτελεστικότητας σε κάποιες περιπτώσεις είναι μεγαλύτερη από το διαθέσιμο μέγεθος του σεισμικού αρμού dg. Όσον αφορά την εκτίμηση του ελάχιστου κρίσιμου σεισμικού αρμού προκύπτει ότι, οι τοπικοί παράμετροι σεισμικής απαίτησης καθορίζουν την πρόβλεψη του ελάχιστου κρίσιμου σεισμικού αρμού dg,min στην περίπτωση της Αλληλεπίδρασης Τύπου Β. Αντίθετα, στην περίπτωση της αλληλεπίδρασης Τύπου Α η εκτίμηση του σεισμικού αρμού καθορίζεται από το καθολικό μέγεθος απόκρισης IDRmax. Ανάπτυξη πρωτότυπης μεθοδολογίας βαθμονόμησης του σεισμικού ρίσκου έναντι της αλληλεπίδρασης και καθορισμού του βέλτιστου σεισμικού αρμού Με σκοπό την απόδοση μιας ολοκληρωμένης πρότασης βαθμονόμησης της σεισμικής επικινδυνότητας παρακείμενων κατασκευών έναντι της αλληλεπίδρασης ενσωματώνεται η έννοια της μέσης ετήσιας συχνότητας (Mean Annual Frequency-MAF) υπέρβασης δεδομένης οριακής κατάστασης αντοχής-ικανότητας. Συγκεκριμένα, αναπτύσσεται καινοτόμο μοντέλο απόφασης για στοχευμένο επίπεδο σεισμικού ρίσκου Pt έναντι της αλληλεπίδρασης βάσει του οποίου δύναται να πραγματοποιηθούν τα εξής: α) Έλεγχος σεισμικής επικινδυνότητας των κατασκευών. β) Έλεγχος επάρκειας υφιστάμενου σεισμικού αρμού dg. γ) Καθορισμός του ελάχιστου αποδεκτού μεγέθους σεισμικού αρμού d_(g,min)^(P_t ) (βέλτιστος αρμός dg). Η προτεινόμενη μεθοδολογία περιλαμβάνει την ανάπτυξη: α) πρότυπων καμπύλων επικινδυνότητας της κατασκευής σε όρους μέγιστης μετατόπισης δmax στο ανώτατο σημείο επαφής των παρακείμενων κατασκευών καθώς και σε μεγέθη EDPs σε καθολικό και τοπικό επίπεδο απόκρισης, και β) πρότυπων αποδεκτών κριτηρίων ελέγχου έναντι της αλληλεπίδρασης συναρτήσει του μεγέθους του σεισμικού αρμού dg και της ετήσιας πιθανότητας να συμβεί αλληλεπίδραση. Προβλέπεται δε ο συνδυασμός πολλών και διαφορετικών EDPs και ο έλεγχος σε διαφορετικές στάθμες επιτελεστικότητας. Επιπλέον, η προτεινόμενη μεθοδολογία μπορεί να εφαρμοσθεί α) για τον καθορισμό του ελάχιστου αποδεκτού σεισμικού ρίσκου P έναντι της αλληλεπίδρασης σε στoχευμένο μέγεθος σεισμικού αρμού dg,t, και β) για την μείωση του μεγέθους του βέλτιστου σεισμικού αρμού dg σε ασφαλές επίπεδο σεισμικού ρίσκου έναντι της αλληλεπίδρασης (στοχευμένο αποδεκτό κριτήριο ελέγχου). Ακολουθεί η μελέτη εφαρμογής της προτεινόμενης μεθοδολογίας με αντικείμενο α) τη βαθμονόμηση της σεισμικής επικινδυνότητας της πολυώροφης κατασκευής Ο/Σ σε στοχευμένο επίπεδο σεισμικού ρίσκου Pt έναντι της αλληλεπίδρασης, και β) τον καθορισμό του βέλτιστου σεισμικού αρμού με την παρακείμενη άκαμπτη κατασκευή. Από την διερεύνηση που πραγματοποιήθηκε προκύπτει ότι, η σεισμική επικινδυνότητα της πολυώροφης κατασκευής λόγω της αλληλεπίδρασης είναι πάντα πιο κρίσιμη συγκριτικά με την περίπτωση της ελεύθερης ταλάντωσης. Το μέγεθος του σεισμικού αρμού dg επηρεάζει την σεισμική επικινδυνότητα της κατασκευής. Ειδικότερα, η μείωση του σεισμικού αρμού dg μεταξύ των παρακείμενων κατασκευών οδηγεί σε αύξηση της σεισμικής επικινδυνότητας του 8-ορόφου πλαισίου Ο/Σ τόσο σε καθολικό όσο και σε τοπικό επίπεδο απόκρισης. Το επίπεδο σεισμικού ρίσκου της κατασκευής έναντι της αλληλεπίδρασης μεταβάλλεται ανάλογα με το εξεταζόμενο ΕDP και τη στάθμη επιτελεστικότητας. Σε σύγκριση με την ελεύθερη ταλάντωση, η περίοδος επαναφοράς TR δεδομένης στάθμης επιτελεστικότητας των EDPs μειώνεται, ενώ η ετήσια πιθανότητα υπέρβασης της ίδιας στάθμης επιτελεστικότητας αυξάνεται λόγω της αλληλεπίδρασης. Όσον αφορά την εκτίμηση του βέλτιστου σεισμικού αρμού αυτή καθορίζεται από το επιδιωκόμενο επίπεδο σεισμικού ρίσκου Pt στο αποδεκτό κριτήριο ελέγχου ΡΟ-EDP μεταξύ των παρακείμενων κατασκευών. Σε κάθε περίπτωση, η εκτίμηση του βέλτιστου μεγέθους σεισμικού αρμού με αποκλειστικό κριτήριο την μέγιστη μετατόπιση δmax στο ανώτατο σημείο επαφής των παρακείμενων κατασκευών δεν αποτελεί ασφαλή πρόβλεψη για όλα τα επίπεδα σεισμικού ρίσκου έναντι της αλληλεπίδρασης. Τέλος, τα αποτελέσματα για την εκτίμηση του βέλτιστου σεισμικού αρμού μεταξύ των παρακείμενων κατασκευών εξαρτώνται από τον τύπο της αλληλεπίδρασης που εξετάζεται δεδομένου ότι τα κρίσιμα μεγέθη απόκρισης είναι διαφορετικά σε κάθε τύπο. Συγκεκριμένα, καθοριστική είναι η σεισμική επικινδυνότητα του IDRmax στην περίπτωση της αλληλεπίδρασης Τύπου Α (ισοσταθμία πλακών) για στοχευμένο επίπεδο σεισμικού ρίσκου, ενώ στην αλληλεπίδραση Τύπου Β (ανισοσταθμία πλακών) οι τοπικές παράμετροι σεισμικής απαίτησης (μφ,max και Vmax) του κρίσιμου υποστυλώματος καθορίζουν την τιμή του βέλτιστου σεισμικού αρμού μεταξύ των παρακείμενων κατασκευών.
  • Thumbnail Image
    Item
    Open Access
    Επεξεργασία λυμάτων με μικροφύκη σε διατάξεις προσκολλημένης βιομάζας
    (2023-10-08) Τσαβατοπούλου, Βασιλική; Tsavatopoulou, Vasiliki
    Η φωτοσυνθετική ανάπτυξη των μικροφυκών απαιτεί φως, CO2, νερό και ανόργανα άλατα. Tα μικροφύκη έχουν την ικανότητα να παράγουν οξυγόνο και να συντελούν στη μείωση του φαινομένου του θερμοκηπίου. Ο πιο συνήθης τρόπος καλλιέργειάς τους είναι οι αιωρούμενες καλλιέργειες, όπου η βιομάζα βρίσκεται σε αιώρηση μέσα στο υγρό, και η τελική συγκέντρωση των μικροφυκών είναι σχετικά χαμηλή. Πιο συγκεκριμένα, η συγκέντρωση της βιομάζας κυμαίνεται από 0,1 έως 1 g/L. Η συγκομιδή της βιομάζας είναι εξαιρετικά δαπανηρή διαδικασία και συνήθως γίνεται μέσω διήθησης, επίπλευσης, κροκίδωσης, καθίζησης και φυγοκέντρισης, που είναι διαδικασίες με υψηλές ενεργειακές απαιτήσεις. Το μικρό μέγεθος των κυττάρων (2 έως 40 μm) κάνει την διαδικασία της συλλογής ακόμα πιο δύσκολη. Οι καλλιέργειες βιοφίλμ μπορούν να ξεπεράσουν το υψηλό κόστος, που σχετίζεται με την συγκομιδή των φυκών και να έχουν παραγωγικότητα, 10 με 20% παραπάνω από αυτήν, που μπορεί να προέλθει από απλή φυγοκέντριση. Το αντικείμενο της παρούσης διδακτορικής διατριβής ήταν η διερεύνηση της ανάπτυξης βιοφίλμ, και πιο συγκεκριμένα η εξέταση των φυσικοχημικών παραμέτρων, που επηρεάζουν την προσκόλληση των μικροφυκών σε διάφορα υλικά για την επεξεργασία λυμάτων, με απώτερο σκοπό την κατασκευή ενός βιοαντιδραστήρα βιοφίλμ με τα πιο αποδοτικά υλικά. Ο αντιδραστήρας θα έχει την ικανότητα να επεξεργάζεται λύματα και να απομακρύνει άζωτο, φώσφορο, οργανικό υλικό, και να παράγει επαρκή βιομάζα μικροφυκών για περαιτέρω αξιοποίηση ως εναλλακτική πηγή ενέργειας (π.χ βιοντίζελ) ή βιοπολυμερή όπως είναι τα λιπίδια, οι ολικές πρωτεΐνες και υδατάνθρακες. Όσον αφορά στην επιλογή κατάλληλων υλικών υποστήριξης μικροφυκών και τη διερεύνηση παραγόντων, που επηρεάζουν την ανάπτυξη του βιοφίλμ, επιλέχθηκαν υλικά με διαφορετικά χαρακτηριστικά: wettex, φελός, βαμβακερό τζιν, ανοξείδωτος χάλυβας, καοτσούκ, γεωύφασμα, plexiglas, γυαλί, plexiglas χαραγμένα με τρεις διαφορετικούς τρόπους (plexiglas 1, plexiglas 2 και plexiglas 3) και γυαλί ενισχυμένο με πολυμερικές ίνες ορείχαλκου και ίνες υάλου. Πιο συγκεκριμένα, όλα τα υλικά εξετάστηκαν με την μορφή κουπονιών (7,4×2,4×0,1 cm, Μ×Π×Υ) σε οριζόντιο ή κάθετο προσανατολισμό και τοποθετήθηκαν σε εργαστηριακής κλίμακας δεξαμενές, υπό συνεχή τροφοδότηση θρεπτικού, με πειραματική περίοδο 16 ημέρες. Τα στελέχη των μικροφυκών, που μελετήθηκαν ήταν τα Scenedesmus rubescens, Chlorococcum sp., Botryococcus braunii, Neochloris vigensis και μιξότροφα φύκη, που προήλθαν από δεξαμενή στην εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων (ΕΕΛ) του Πανεπιστημίου Πατρών. Όσον αφορά στα υλικά, εξετάστηκαν οι φυσικοχημικές ιδιότητες όπως είναι η γωνία επαφής, η ενέργεια επιφάνειας, οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης οξέος-βάσεως (acid-base interactions), οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης Lifshitz-van der Waals, το σημείο μηδενικού φορτίου (point zero of charge) και οι επιφανειακές ομάδες με εξασθενημένη ολικής ανάκλασης - φασματοσκοπία υπέρυθρου μετασχηματισμού Fourier (ATR-FTIR). Οι διάφορες βιοχημικές παράμετροι, που εξετάστηκαν ήταν το pH, η οπτική πυκνότητα (OD650), η θολερότητα, τα ανιόντα (PO43--P, NO3--N), ο αριθμός κυττάρων, το δυναμικό ζ, η χλωροφύλλη-α (chl-a), τα λιπίδια, οι ολικές πρωτεΐνες και οι υδατάνθρακες. H αλληλεπίδραση του βιοφίλμ των εξεταζόμεων μικροφυκών με την επιφάνεια των κουπονιών αποτυπώθηκε με ανάλυση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM). Από τις φυσικοχημικές παραμέτρους, που εξετάστηκαν, καμία δεν ξεχώρισε ως καθοριστική για την προσκόλληση των μικροφυκών. Τα καλύτερα υλικά σε θέμα προσκόλλησης ήταν το plexiglas και το wettex, ενώ η συνολική διαδικασία επηρεάζεται από διάφορες παραμέτρους ταυτόχρονα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η υδροφοβικότητα ενός υλικού δεν παίζει καθοριστικό ρόλο στην προσκόλληση, καθώς υδρόφοβα στελέχη μικροφυκών προσκολλήθηκαν σε υδρόφοβα υλικά και το αντίστροφο. Αντίστοιχα, η γωνία επαφής, η επιφανειακή ενέργεια, ή το PZC, και οι επιφανειακές ομάδες φαίνεται να μην προβλέπουν την απόδοση των υλικών σε ό,τι αφορά στην προσκόλληση. Το micropatterning δεν ενισχυεί την απόδοση των υλικών σε ό, τι αφορά στη παραγωγή βιομάζας. Το στέλεχος των μικροφυκών παίζει καθοριστικό ρόλο στη διαδικασία προσκόλλησης, λόγω εκλεκτικότητας. Tα ινώδη υλικά, οπτικά, φαίνονται να είναι αποτελεσματικά. Ωστόσο, αυτό δεν μπορεί να προσδιοριστεί ποσοτικά, καθώς είτε υπάρχει απώλεια υλικού λόγω βιοαποικοδόμησης, είτε φθοράς. Ωστόσο, Οι επιφάνειες, παρά την αποκόλληση, ήταν και πάλι παραγωγικές με την πάροδο του χρόνου, κατά την διάρκεια της καλλιέργειας. Στη συνέχεια, κατασκευάστηκε φωτοβιοαντιδραστήρας πιλοτικής κλίμακας με δύο διαφορετικά υλικά υποστήριξης, το plexiglas και το wettex. Ο φωτοαντιδραστήρας έχει κατακόρυφο προσανατολισμό και το πληρωτικό υλικό έχει τοποθετηθεί με κατάλληλο τρόπο υπό κλίση (20°) για την υποστήριξη των μικροφυκών. Ο αντιδραστήρας αξιολογήθηκε για την αποτελεσματικότητά του στο να αφαιρεί θρεπτικά (άζωτο και φώσφορο) και οργανικό υλικό καθώς και την παραγωγή βιομάζας μέσω της συμβιωτικής δράσης βακτηρίων-μικροφυκών για την επεξεργασία πρωτοβάθμια καθιζημένων λυμάτων. Οι κύκλοι των πειραμάτων για το βιοαντιδραστήρα με το wettex ήταν δύο, και διήρκησαν 50 και 16 d, ενώ για τον βιοαντιδραστήρα με plexiglas, ήταν ένας και είχε διάρκεια 42 d. Η παρακολούθηση της λειτουργίας του αντιδραστήρα έγινε με τον έλεγχο των παραμέτρων pH, OD650, θολερότητας, NO3--Ν, ολικού και διαλυτού φωσφόρου, ολικoύ χημικά απαιτούμενου οξυγόνου και διαλυτού χημικά απαιτούμενου οξυγόνου, αμμωνιακού αζώτου, ολικού αζώτου κατά Kjeldahl, λιπιδίων, ολικών πρωτεινών και υδατανθρακών. Οι φωτοαντιδραστήρες κρίθηκαν επιτυχείς ως προς την επεξεργασία των λυμάτων και αποδοτικοί σε ό,τι αφορά στην παραγωγή βιομάζας μικροφυκών. Τόσο ο φωτοαντιδραστήρας με plexiglas, όσο και ο φωτοαντιδραστήρας με wettex ήταν αποτελεσματικοί στην αφαίρεση ΝΟ3--Ν, ΝΗ3-Ν, ΤΚΝ, Τotal P και COD από τα λύματα, ενώ όταν μειώθηκε η παροχή ανακυκλοφορίας, οι αποδόσεις ήταν ακόμα μεγαλύτερες, και αυτό γιατί υπήρχε μεγαλύτερη περίοδος επαφής μεταξύ της θρεπτικής ουσίας των λυμάτων και των προσκολλημένων μικροφυκών. Στον αντιδραστήρα με plexiglas, κατά τη δεύτερη συγκομιδή, η παραγωγή του βιοφίλμ ήταν μεγαλύτερη κατά σχεδόν 42% σε σχέση με την πρώτη συγκομιδή. Η μικρότερη παροχή ανακυκλοφορίας, σε συνδυασμό με το ότι δεν αποξέστηκε η βιομάζα στο τέλος της 1ης συγκομιδής ήταν οι παράγοντες, που συνέβαλαν θετικά. Τα φύκη, έχουν την δυνατότητα να παράγουν τριαγλυκερόλες και να θεωρούνται ως δεύτερης γενιάς πρώτη ύλη στην παραγωγή βιοκαυσίμων και συγκεκριμένα παραγωγής βιοντίζελ. Μελετήθηκε η μετατροπή των λιπιδίων του μικροφύκους Chlorococcum sp. (καλλιεργημένο σε δευτεροβάθμια επεξεργασμένα λύματα) και του Scenedesmus rubescens (καλλιεργημένο σε BG 11 με 1/3 ΝΟ3) σε μεθυλεστέρες (βιοντίζελ) μέσω μετεστεροποίησης. Χρησιμοποιήθηκαν ομογενείς καταλύτες H2SO4, ΝaOH με τη μέθοδο του ενός σταδίου και με μια συνδυαστική μέθοδο χρησιμοποιώντας αρχικά ΝaOH και στη συνέχεια H2SO4 (δύο στάδια). Η μέθοδος ενός σταδίου με H2SO4 είχε καλύτερα αποτελέσματα στην παραγωγή μεθυλεστέρων από τα λιπίδια του Chlorococcum sp., ενώ η μέθοδος δύο σταδίων αποδείχτηκε πιο παραγωγική αντίστοιχα, για τα λιπίδια του Scenedesmus rubescens. Στην συνέχεια, εξετάστηκε βιομάζα μικροφυκών Scenedesmus rubescens, καλλιεργημένη σε 1/3 ΝΟ3--BG 11. Ύστερα από την εκχύλιση των λιπιδίων ακολούθησε μετεστεροποιήση με απανθρακωμένο υλικό (biochar). Το biochar προήλθε από ριζίδια βύνης, που πυρολύθηκαν στους 850οC για 3 h, το οποίο στη συνέχεια τροποποιήθηκε με 1 N H2SO4. Προσδιορίστηκαν οι φυσικοχημικές ιδιότητες του καταλύτη και εξετάστηκε η ικανότητα του για μετατροπή των λιπιδίων σε βιοντίζελ. Το μη τροποποιημένο biochar έδωσε καλύτερα αποτελέσματα σε σχέση με τον τροποποιημένο καταλύτη. Τέλος, εξετάστηκε η απόδοση στη παραγωγή μεθυλεστέρων από καταλύτες biochar, που παρήχθησαν από ριζίδια βύνης, κόκκους καφέ και κουκκούτσια ελιάς, πυρολημένο στους 400oC και 850oC για 3 h Το biochar από κόκκους καφέ 400oC ήταν ο πιο παραγωγικός καταλύτης σε ό,τι αφορά στην ποσότητα των μεθυλεστέρων, που παρήχθησαν. Συμπερασματικά, η επιλογή του τύπου του καταλύτη εξαρτάται από την περιεκτικότητα σε FFA στα λιπίδια των μικροφυκών. Η ποικιλία των μεθυλεστέρων εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον τύπο των ειδών μικροφυκών και από τις συνθήκες ανάπτυξής τους. Ο καταλύτης από κόκκους καφές που πυρολήθηκαν στους 400οC βρέθηκε εξίσου αποτελεσματικός με τους ομογενείς καταλύτες H2SO4 και NaOH.
  • Thumbnail Image
    Item
    Open Access
    Fire behavior of alkali-activated material (AAM) systems with applications in the retrofitting of masonry walls and the construction of new AAM-based reinforced concrete elements
    (2023-10-20) Arce Campos, Carlos Andres; Άρθε Κάμπος, Κάρλος Άντρες
    As climate change effects become more severe the importance of taking actions to reduce it becomes clearer. The construction sector is a big player in the fight against climate change sue to the high CO2 contributions of around 1.28 billion a year [1]. The production of Portland cement alone contributes to 5 % - 8 % of total global emissions [2]. Alkali-activated materials represent an alternative to the use of Portland cement due to the lower carbon emissions attributed to their productions and the value of reutilization of by-products that otherwise would end up in landfills. This research is focused on identifying and characterizing the mechanical and fire behavior of an alkali-activated material mix design for civil engineering applications. This thesis shows the reader the journey to develop an alkali-activated mix starting at the paste level, passing through the mortar design phase and arriving at the concrete design phase. The mix designs were later tested for structural applications and the main conclusions reported. The first Chapter introduces alkali-activated materials, their role as alternative binders is described and their benefits highlighted. This Chapter gives the reader an overview of this research document, the methodology used and the objectives of this research. In Chapter 2 an introduction to the effect of fire in structures is provided. This Chapter also contains a literature review of alkali-activated materials exposed to fire. Chapter 3, 4 and 5 describe the methodology and results associated with the production of an optimal paste, mortar and concrete. The mix designs produced corresponded to the optimal formulations based on alkali-activated material and with the goal to enhance mechanical properties and fire behavior. Chapter 6 describes the testing procedure and results of an experimental campaign where 18 historical masonry walls were reinforced with textile reinforced alkali-activated mortar, exposed to fire and after tested in diagonal compression to determine residual shear strength. Chapter 7 tests the residual post fired behavior of two concrete slabs corresponding to high strength concrete and an alkali-activated concrete of equivalent strength. Two control specimen results are also provided and a comparison of results of the four specimens is reported. Chapter eight summarizes the conclusions of the project and recommendations for future research. This project was successful in fine tuning mix designs to produce alkali-activated materials with fire resistant capabilities and the verification of these mixes in medium and large-scale structural members tests. Key conclusions obtained from this project are provided below: Mixture design of experiment was successfully used to determine the optimal balance of ferronickel slag, silica fume, potassium hydroxide and potassium silicate. The paste produced was characterized by compressive and flexural strengths of 80 MPa and 6.8 MPa, respectively. The post heat exposure (to 900 °C for 2h) compressive strength dropped by 80% and the flexural strength was reduced almost by 100%. It was noted that low post heat exposure properties were related to cracking damage, which was expected to be much lower after the inclusion of fine aggregate in the mortar phase. Carbon emissions savings when compared to ordinary Portland cement (OPC) paste were found to be about 90% when the ferronickel slag was considered a waste material and 55 % when it was taken as a by-product. The optimal combination of water sand and the previously developed optimal binder was studied using the same methodology. The results indicated a much higher retention of mechanical properties after adding fine aggregate. Compressive strength reduction (after exposure to 900 °C for 2h) was 75%, while a 25% increase of flexural strength was observed. It is important to mention that his mortar was optimized for flexural strength to achieve a better bond behavior as it was intended as a basis for textile reinforced mortar (TRM) applications. CO2 savings corresponded to 77% compared to OPC-based similar products. Optimization of aggregate sizes for the concrete recipe was carried out and the optimal mix resulted in 38% of post heat exposure (600 °C for 2h) compressive strength. The CO2 savings corresponded to 77% compared to a similar product based on OPC. The optimal mortar recipe was tested for application in strengthening applications of masonry walls and the post fire behavior was studied. An average increase of about 255% in peak in-plane shear strength in the case of one layer, and 330% in the case of carbon textile alkali activated mortar reinforcement was observed. Peak shear strength remained high even after exposure to 550 °C. The residual strength was found to increase at least 200% and 290% for the one- and two-layer systems at both temperature levels. Four-point bending tests executed on four concrete slabs, two of alkali-activated concrete and two of high strength concrete (one for control and one for post heat exposure residual strength), indicated a similar load bearing capacity of all configurations. While the ultimate load remained similar, the deformation behavior had a higher variation in the Portland cement slabs. A pseudo-ductility coefficient was calculated and the values indicated a 0.1% drop of ductility for the alkali-activated concrete slab, while a 34% drop in deformation capacity was observed in the high strength concrete slab. Overall, the produced alkali-activated material construction products showed a high reduction in CO2 emissions when compared to the Portland cement counterparts and also demonstrated a comparable or even better performance than typical existing products after exposure to high temperatures.
  • Thumbnail Image
    Item
    Embargo
    Αστικό συνδεδεμένο ευφυές σύστημα μεταφορών (URBAN C-ITS) για πιο πράσινες και ασφαλείς μετακινήσεις στο πλαίσιο των έξυπνων πόλεων
    (2023-10-31) Κουκουνάρης, Αθανάσιος; Koukounaris, Athanasios
    Το αυξημένο κοινωνικό κόστος των οδικών μετακινήσεων στα αστικά οδικά δίκτυα αποτελεί σοβαρό πρόβλημα με πολλαπλές κοινωνικές και περιβαλλοντικές επιπτώσεις που επιβαρύνουν όχι μόνο τους οδηγούς και επιβάτες αλλά και τους μόνιμους κατοίκους των περιοχών αυτών. Η μείωση του κοινωνικού κόστους των οδικών μετακινήσεων μπορεί να επιτευχθεί με την αποδοτικότερη διαχείριση της κυκλοφορίας. Για τον λόγο αυτό, η παρούσα έρευνα προτείνει ένα Αστικό Συνδεδεμένο Ευφυές Σύστημα Μεταφορών (Urban C-ITS). Το προτεινόμενο Σύστημα διαχειρίζεται δυναμικά την κυκλοφορία δίνοντας τις απαραίτητες εντολές στα συνδεδεμένα οχήματα σχετικά με την ταχύτητα κίνησης και την επιτάχυνση που θα πρέπει να ακολουθήσουν ώστε να προκύπτει το ελάχιστο κοινωνικό κόστος για την λειτουργία του αστικού δικτύου. Επιπρόσθετα, το Σύστημα επεμβαίνει στους κύκλους των φωτεινών σηματοδοτών επιμηκύνοντας την πράσινη φωτεινή ένδειξη ανάλογα με τις ανάγκες του δικτύου εξασφαλίζοντας το ελάχιστο κοινωνικό κόστος. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, το κοινωνικό κόστος απαρτίζεται από τέσσερις επιμέρους παράγοντες: το χρόνο μετακίνησης ή χρόνο ταξιδίου, τα τροχαία ατυχήματα, την κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπές ρύπων. Συνεπώς, η διατριβή συνεισφέρει στην επίτευξη πιο πράσινων και ασφαλών οδικών μετακινήσεων σε αστικά δίκτυα στο πλαίσιο των Έξυπνων Πόλεων μέσω της ελαχιστοποίησης του κοινωνικού κόστους. Τα τελευταία τεχνολογικά επιτεύγματα και οι εξελίξεις στα δίκτυα επικοινωνιών βοηθούν στην εφαρμογή Συνδεδεμένων Ευφυών Συστημάτων Μεταφορών (C-ITS) για την διαχείριση της κυκλοφορίας επιτρέποντας την συνεχή επικοινωνία των οχημάτων-χρηστών και των υποδομών. Η ιδέα των Urban C-ITS έχει ξεκινήσει να μελετάται στην Ευρώπη, αλλά ακόμα υπάρχουν λίγες σχετικές έρευνες στην βιβλιογραφία. Με την παρούσα διατριβή συνεισφέρουμε στην συζήτηση για την εφαρμογή μοντέλων Urban C-ITS σε Έξυπνες Πόλεις και την μείωση του κοινωνικού κόστους των μετακινήσεων σε αστικό περιβάλλον σε αντίθεση με την υπάρχουσα βιβλιογραφία που αναλύει το κοινωνικό κόστος σε αυτοκινητοδρόμους.