• شماره مدرك
    21269
  • شماره راهنما
    18212
  • پديد آورنده

    قاسمي مارناني، امين

  • عنوان

    بهينه‌سازي طرح مخلوط بتن قليافعال سرباره‌اي فوق توانمند با استفاده از روش آماري تاگوچي و يادگيري ماشين

  • مقطع تحصيلي
    كارشناسي ارشد
  • گرايش تحصيلي
    سازه
  • محل تحصيل
    اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
  • سال دفاع
    1405
  • صفحه شمار
    شانزده، 172ص. : مصور، جدول، نمودار
  • توصيفگر ها

    بتن قليافعال فوق توانمند , روش تاگوچي-گري , يادگيري ماشين , پيش‌بيني مقاومت فشاري , الياف فولادي بازيافتي , تحليل SHAP

  • تاريخ ورود اطلاعات
    1405/07/05
  • كتابنامه
    كتابنامه
  • رشته تحصيلي
    مهندسي عمران
  • دانشكده
    مهندسي عمران
  • تاريخ ويرايش اطلاعات
    1405/07/05
  • كد ايرانداك
    23253382
  • چكيده فارسي
    بتن فوق توانمند با خصوصيات مكانيكي و دوامي برتر خود شناخته مي‌شود. از طرفي به دليل استفاده زياد از سيمان پرتلند در طرح مخلوط اين بتن، استفاده گسترده از آن با محدوديت‌هاي جدي روبرو است. توليد سيمان موجب انتشار گاز دي‌اكسيد كربن و مصرف مواد معدني طبيعي مي‌شود كه به تخريب محيط زيست منجر مي‌شود. بتن قليافعال فوق توانمند با جايگزيني سيمان پرتلند با مواد جانبي صنعتي مانند سرباره كوره بلند و ميكروسيليس ضمن حفظ برتري‌هاي بتن فوق توانمند سيماني، پايداري بيش‌تري داشته و به حفظ محيط زيست كمك مي‌كند. براي توسعه طرح مخلوط بتن قليافعال فوق توانمند، فهم روابط پيچيده و غير خطي اثرگذاري متغيرهاي مختلف بر خصوصيات اين بتن ضروري است. از طرفي ساخت تمام طرح‌هاي آزمايشي لازم باعث صرف زمان، مواد و مصالح و انرژي بسيار زياد مي‌شود. براي كاهش تعداد ساخت‌هاي آزمايشگاهي از 512 به 32 ساخت آزمايشگاهي و صرفه‌جويي در زمان و هزينه، در اين تحقيق از روش آماري تاگوچي-گري استفاده شد. در ابتدا با استفاده از تحليل تاگوچي تاثير پارامترهاي نوع عمل‌آوري، نسبت ميكروسيليس به چسباننده، نسبت متاسيليكات به چسباننده، درصد حجمي الياف و نسبت آب به چسباننده بر مقدار جريان، مقاومت فشاري، مقاومت خمشي بتن قليافعال سرباره‌اي فوق توانمند بررسي شد. نتايج نشان داد الياف فولادي بخصوص در نسبت حجمي 3% بيشترين تاثير مثبت را بر مقاومت فشاري و مقاومت خمشي مي‌گذارد. پس از آن نوع عمل‌آوري تاثيرگذار ترين پارامتر بود، طوري كه عمل‌آوري پوششي نسبت به عمل‌آوري محيطي موجب بهبود قابل توجه خصوصيات مكانيكي شد. بالاترين مقاومت فشاري 28 روزه و مقاومت خمشي به‌دست آمده به‌ترتيب 28/135 و 58/22 مگاپاسكال بود. نسبت آب به چسباننده تاثيرگذارترين پارامتر بر مقدار جريان نمونه‌ها بود. طوري كه در نسبت آب به چسباننده 37/0 بالاترين و در نسبت 31/0 پايين‌ترين رواني به‌دست آمد. سپس با روش گري سعي در بهينه‌سازي پارامترها با در نظر گرفتن چند خصوصيت به‌صورت همزمان، به‌عنوان مثال مقاومت فشاري 28 روزه و مقاومت خمشي و مقدار جريان، شد. در ادامه به كمك يادگيري ماشين و با استفاده از 6 مدل رگرسيون خطي، درخت تصميم، جنگل تصادفي، K-نزديك‌ترين همسايه، گراديان بوست و گراديان بوست تقويت شده به پيش‌بيني مقاومت فشاري بتن قليافعال سرباره‌اي فوق توانمند پرداخته شد. پس از آموزش مدل‌ها بر روي مجموعه داده حاصل از ساخت‌هاي آزمايشگاهي و همچنين نتايج پيش‌بيني تاگوچي و سپس ارزيابي مدل‌ها، مدل گراديان بوست با مقدار R2 برابر %93/99 و MAE برابر 406/0 مگاپاسكال قوي‌ترين مدل در پيش‌بيني مقاومت فشاري بتن قليافعال سرباره‌اي فوق توانمند و بالاتر از مدل‌هاي گراديان بوست تقويت‌شده (%83/99 R2=)، جنگل تصادفي (%6/98 R2=) و ديگر مدل‌ها شناخته شد. ضعيف‌ترين عملكرد مربوط به مدل رگرسيون خطي بود. در ادامه به كمك آناليز SHAP تاثير متغيرها بر مقاومت فشاري انجام شد تا ميزان و نوع اثرگذاري هر يك از متغيرها بر پيش‌بيني مقاومت فشاري بررسي شود. بررسي نتايج نشان داد نوع عمل‌آوري، الياف فولادي، ميزان استفاده از آب و سن نمونه‌ها به‌ترتيب اثرگذارترين متغيرها بر مقاومت فشاري بتن قليافعال سرباره‌اي فوق توانمند هستند.
  • چكيده انگليسي
    Ultra-high-performance concrete (UHPC) is known for its superior mechanical an‎d durability properties. However, its widespread application is subject to significant limitations due to the high content of Portlan‎d cement commonly used in its mixture design. Cement production is associated with considerable carbon dioxide emissions an‎d the consumption of natural mineral resources, thereby contributing to environmental degradation. Ultra-high-performance alkali-activated concrete (UHP-AAC), in which Portlan‎d cement is replaced with industrial by-products such as ground granulated blast-furnace slag an‎d silica fume, can retain the superior properties of conventional UHPC while providing greater sustainability an‎d contributing to environmental protection. For the development of an appropriate mixture design for UHP-AAC, understan‎ding the complex an‎d nonlinear relationships between different mixture parameters an‎d the properties of the concrete is essential. However, conducting all required experimental mixtures can involve considerable time, resources, an‎d energy. Therefore, the Taguchi-Grey method was employed in this study to reduce the number of laboratory mixtures from 512 to 32, thereby saving experimental time an‎d cost. First, Taguchi analysis was used to investigate the effects of curing method, silica fume-to-binder ratio, sodium metasilicate-to-binder ratio, steel fiber content, an‎d water-to-binder ratio on the flowability, compressive strength, an‎d flexural strength of slag-based UHP-AAC. The results indicated that steel fibers, particularly at a content of 3%, had the most significant positive effect on both compressive an‎d flexural strength. Curing method was identified as the second most influential parameter, with wrapped curing providing a considerable improvement in mechanical properties compared with ambient curing. The highest 28-day compressive an‎d flexural strengths obtained were 135.28 an‎d 22.58 MPa, respectively. The water-to-binder ratio was the most influential parameter affecting flowability. The highest an‎d lowest flowability values were obtained at water-to-binder ratios of 0.37 an‎d 0.31, respectively. Subsequently, the Grey Relational Analysis (GRA) method was employed to optimize the mixture parameters while simultaneously considering multiple properties, including 28-day compressive strength, flexural strength, an‎d flowability. Furthermore, machine learning techniques were employed to predict the compressive strength of slag-based UHP-AAC using six ML models, namely linear regression, decision tree, ran‎dom forest, K-nearest neighbors, gradient boosting, an‎d extreme gradient boosting. The gradient boosting model exhibited the strongest predictive performance, achieving an R² of 99.93% an‎d MAE of 0.406 MPa, outperforming extreme gradient boosting (R² = 99.83%), ran‎dom forest (R² = 98.60%), an‎d the other models. Linear regression showed the weakest performance. Finally, SHAP analysis was performed to investigate the magnitude an‎d direction of the influence of each variable on compressive strength predictions. The results indicated that curing method, steel fiber content, water content, an‎d age were the most influential variables affecting the compressive strength of slag-based UHP-AAC, respectively.
  • استاد راهنما
    كياچهر بهفرنيا
  • استاد داور
    ابوالفضل اسلامي حسن‌آبادي , محمد حسين نيلي