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