شماره مدرك :
20381
شماره راهنما :
17542
پديد آورنده :
خسروي، جواد
عنوان :

بهينه سازي و پيش بيني عملكرد مكانيكي و دوام بتن ساخته شده با انواع پساب با استفاده از روش تاگوچي و الگوريتم هاي يادگيري ماشين

مقطع تحصيلي :
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي :
سازه
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع :
1404
صفحه شمار :
بيست و يك ، 196 ص.
توصيفگر ها :
مديريت پايدار منابع آب , بتن حاوي انواع پساب , طراحي آزمايش تاگوچي , روش گري , مدلسازي رفتار بتن , LSBoos
تاريخ ورود اطلاعات :
1404/05/20
كتابنامه :
كتابنامه
رشته تحصيلي :
مهندسي عمران
دانشكده :
مهندسي عمران
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1404/05/20
كد ايرانداك :
23147918
چكيده فارسي :
در سا لهاي اخير، بحران كمآب ي به يك ي از جديترين چالشهاي زيس تمحيط ي در بسياري از نقاط جهان تبديل شده است. كشور ايران نيز، بيش از پيش با اين بحران مواجه است و نشان ههاي آ ن در افت سطح سفرهها ي آ ب زيرزميني، خشك شدن تالا بها و محدوديتهاي گسترده در تأمين آب شرب و كشاورزي ب هوضوح مشاهده م يشود. در اين شرايط، صنعت توليد بتن كه مصرف قابل توجه ي از آ ب دارد، با توجه به روند روبه رشد توسع هي شهري و نياز به ساخ ت و ساز، م يتواند در آينده به يك ي از عوامل تشديد كنند هي بحران آب تبديل شود. افزايش جمعيت و توسع هي صنعت ي نيز حجم فاضلاب شهري و صنعت ي را بيشتر كرده است ، فاضلا بهاي ي كه در بسياري موارد به محيط زيست تخليه شده و پيامدهاي جبران ناپذيري براي منابع آبي، خاك و سلامت اكوسيستم دارند. بر همين اساس ، اين پژوهش با هد ف بررس ي امكانسنج ي استفاده ا ز پسابها )فاضلا بهاي تصفي ه شده( ب هجاي آب شيرين در توليد بتن انجام شده است. رويكرد اصل ي تحقيق استفاده از منبع دائم ي پساب براي كاهش وابستگ ي صنعت بتن به منابع آب شيرين و كاهش آثار منف ي زيستمحيط ي ناش ي از رهاسازي فاضلا بها است. اين پژوهش با هدف امكان سنج ي استفاده از انواع مختلف پساب بسته به نوع پروژه، ويژگ يهاي منطقهاي، ميزان دسترس ي و بررس ي رفتار بتن در برابر انواع پساب، از پساب شهري و پسا بهاي صنعت ي كارخانه يهاي سن گبري، نساج ي و قند استفاده كرده است. براي تحليل دقيقتر، متغيرهاي متعددي از جمل ه درصد جايگزين ي آب با پساب در چهار سطح 25 ، 50 ، 75 و 100 درصد، نوع افزودن ي شامل ميكروسيليس، پودر سنگ و فوق روان كننده، نسب ت آب به سيمان در سطوح 0٫35 ، 0٫40 ، 0٫45 و 0٫50 و عيار سيمان در سطوح 300 ، 350 ، 400 و 450 كيلوگرم بر متر مكعب انتخاب شدند. براي كاهش تعداد آزماي شها از روش تاگوچ ي و طرح L16 استفاده شد كه امكان تحليل ه مزمان تأثير متغيرها را فراهم م يكند. آزمايشها ي گستردهاي براي بررس ي خواص فيزيكي، مكانيك ي و دوام بتن شامل زما ن گيرش، كاراي ي، مقاومتهاي فشاري و كششي و خمش ي، نفوذپذيري ، نفوذ يون كلر، كربناسيون و هدايت الكتريك ي انجام شد. به دلي ل تعدد پارامترهاي بررس ي شده و نتايج مختلف، انتخاب تركيب بهينه ميان طر حها ي آزمايش نيازمند روشي مكمل مثل روش تصمي مگيري چند معيار هي گري بود تا بتوان از ميان طرحهاي مختلف، گزينهاي با بهترين عملكرد مكانيك ي و دوام انتخاب كرد. براي تحليل عمي قتر رفتار بتن، مدلسازي خواص آن با رو شهاي يادگيري ماشين انجام گرفت. در اين پژوهش از تركيب روش طراح ي آزمايش تاگوچ ي با مد لسازي يادگيري ماشين جهت تحليل رفتار بتن حاوي پساب استفاده شد. مد لهاي مختلف ي از جمل ه رگرسيون خطي، درخت تصميم، جنگل تصادف ي، روش KNN و روش LSBoost استفاده شدند تا رفتار بتن در تركيبهاي متنوع با دقت بالا پيش بيني گردد. در ميان اين مد لها، الگوريتم LSBoost براي نخستينبار در اين حوزه به كار گرفت ه ش د. نتايج نشا ن داد كه استفاده از پسا بها ي تصفي ه شده ب هعنوان جايگزين آب شرب در توليد بتن امكانپذير است و انواع پساب، ضمن كاهش وابستگ ي به منابع آب شيرين، راهكار ي براي بازگرداندن فاضلاب ب ه چرخ هي توليد فراهم م يكنند. استفاد هي همزمان از ميكروسيليس و فوق روان كنند ه تأثير قابل توجه ي در بهبو د عملكر د بتن داشت. نتايج آزمايشها نشان داد كه بت نهاي حاوي پساب، ب هويژه پساب نساجي، در مقاومتها ي فشاري، كشش ي و خمش ي عملكردي بهت ر از بتن با آب شرب داشته و با افزايش حدود 20 % بهترين عملكرد را ثبت كرد و پسابهاي كارخانهي قند و سنگبري نيز نتايج رضايت بخش ي داشتند. در شاخ صهاي دوام نيز، پسا ب سن گبري بيشترين كاهش در نفوذپذيري و نفوذ يون كلر را ايجاد كرد و پساب كارخان هي قند بيشترين مقاومت در برابر كربناسيون را نشان داد. رو ش تصمي م چند معيار هي گر ي توانست بهترين تركيب را با بالاترين كاراي ي استخراج كند. در بخ ش مد لسازي، پنج الگوريتم يادگيري ماشين براي پيشبين ي خواص بتن بررس ي شد كه در ميان آ نها، الگوريتم تقويت ي LSBoost براي مدلساز ي خواص مكانيك ي و دوام بتنهاي حاوي پساب با بهر هگيري از يادگيري تجمعي، توانست روابط پيچيده و غيرخطي ميان متغيرها را با دقت بالاي ي نسبت به دادهها ي ورودي از روش تاگوچ ي پيشبين ي كند. نتايج نشان داد كه مدل LSBoost ضريب تعيين (R²) بالاي ي در حدود 0٫998 و مقادير بسيار پايين RMSE را ارائه م يدهد كه نشا ن دهند هي دقت بالا و خطاي كم مدل نسب ت به تعداد داد هه ا است. اين سطح از دقت، د ر مقايسه با ساير الگوريتمهاي يادگيري ماشين مانند رگرسيون خطي، درخت تصميم، جنگل تصادف ي و KNN ، برتري قاب ل توجه ي را براي روش LSBoost به همراه داشت.
چكيده انگليسي :
In recent years, water scarcity has emerged as one of the most critical environmental challenges worldwide. Iran is facing this crisis with increasing severity, as evidenced by the declining groundwater levels, drying wetlan‎ds, an‎d widespread limitations in the supply of potable an‎d agricultural water. In this context, the concrete industry—being a major water consumer—can potentially exacerbate the crisis due to the continuous urban development an‎d construction deman‎ds. Simultaneously, rapid population growth an‎d industrialization have led to increased volumes of municipal an‎d industrial wastewater, much of which is discharged untreated into the environment, causing irreversible damage to water resources, soil, an‎d ecosystems. This study investigates the feasibility of replacing freshwater with treated wastewater in concrete production. The research aims to reduce the concrete industryʹs dependency on freshwater an‎d mitigate the environmental impact of wastewater discharge by utilizing a sustainable an‎d permanent source. Four types of wastewater were examined: municipal wastewater an‎d industrial effluents from stone-cutting, textile, an‎d sugar factories. Key input variables included the wastewater replacement ratio (25%, 50%, 75%, an‎d 100%), type of additive (microsilica, limestone powder, an‎d superplasticizer), water-to-cement ratio (0.35, 0.40, 0.45, an‎d 0.50), an‎d cement content (300, 350, 400, an‎d 450 kg/m³). A Taguchi L16 orthogonal array was employed to minimize the number of experiments while enabling multivariable analysis. A comprehensive set of tests was conducted to eva‎luate the physical, mechanical, an‎d durability properties of concrete, including setting time, workability (slump), compressive, tensile, an‎d flexural strength, water permeability, chloride ion penetration, carbonation depth, an‎d electrical conductivity. To selec‎t the optimal mix among the various tested combinations, Grey Relational Analysis (GRA) was used as a multi-criteria decision-making method. Furthermore, advanced machine learning models were developed to predict concrete behavior under different wastewater-based mix designs. These models—trained using experimental data from Taguchi-designed mixes—included Linear Regression, Decision Tree, Ran‎dom Forest, K-Nearest Neighbors (KNN), an‎d the LSBoost (Least Squares Boosting) algorithm. Notably, LSBoost was applied for the first time in this context an‎d demonstrated superior predictive accuracy. The results confirmed the viability of using treated wastewater in concrete production. Wastewaters—especially from textile industries—enhanced the compressive, tensile, an‎d flexural strengths, with improvements up to 20% compared to conventional mixes. The stone-cutting wastewater significantly reduced permeability an‎d chloride ingress, while the sugar factory effluent improved resistance to carbonation. The combination of microsilica an‎d superplasticizer yielded notable performance enhancements. Among machine learning models, LSBoost outperformed others, achieving an R² of 0.998 an‎d very low RMSE values, indicating high accuracy an‎d minimal error in predicting complex an‎d nonlinear relationships. Overall, the integration of Taguchi experimental design with LSBoost modeling provides a robust framework for optimizing sustainable concrete production using various wastewaters.
استاد راهنما :
كياچهر بهفرنيا
استاد مشاور :
مسعود طاهريون
استاد داور :
محمدرضا افتخار
لينک به اين مدرک :

بازگشت