بخشی از مقاله
چکیده
در سالهای اخیر آزمایشات تجربی متعددی در خصوص تقویت برشی تیرهای بتن آرمه مسلح به الیاف پلیمری صورت گرفته است. در این راستا روابطی نیز برای تخمین مقاومت برشی تیرهای مسلح به الیاف پلیمری ارائه شده است. هدف از این مطالعه بررسی تخمین مقاومت برشی تیرهای مسلح به الیاف پلیمری بوسیله شبکه عصبی مصنوعی پیش خور است. برای این منظور یک پایگاه داده متشکل از 103 تیر بتنآرمه جهت ارزیابی رفتار برشی از نتایج تجزیه و تحلیل مقالات موجود گردآوری شده است.
متغیرهای ورودی شبکه عصبی شامل 9 متغیر دربرگیرنده مشخصات هندسی مقطع، میزان آرماتور، میزان الیاف پلیمری، مشخصات مصالح بتن و فولاد و الیاف پلیمری است و متغیر خروجی مقاومت برشی تیر است. سپس بمنظور ارزیابی کارایی و عملکرد مدل شبکه عصبی در تخمین میزان ظرفیت برشی تیرهای تقویت شده، نتایج کسب شده از مدل شبکه عصبی با مقادیر برخی روابط تجربی آییننامهها مقایسه میشود. مقایسه روابط آییننامه ایران و امریکا با مدل ارائه شده نشان میدهد که در مجموع استفاده از این مدل از قدرت پیشبینی بمراتب بهتری نسبت به آییننامههای تجربی برخوردار است.
-1 مقدمه
فیبرهای پلیمری تقویت شده - FRP - با داشتن مقاومت و نسبت سختی به وزن بالا، خستگی و مقاومت خوردگی بسیار مناسب æ در آخر سادگی اجرا در محل نصب بعنوان یک روش کارآمد برای بهبود و مقام سازی اعضای بتنی مسلح بکارگرفته میشود. FRP یکی از مصالح کامپوزیت، متشکل از دو بخش فیبر یا الیاف تقویتی میباشد. امروزه به دلیل افزایش بکارگیری این مصالح، آییننامهها æ توصیه نامههای متعددی درکشورهای مختلف جهان برای طراحی سازههای بتنی مسلح یا مقاوم شده با الیاف پلیمری منتشر و به چاپ رسیده است. از آیین نامهها و توصیه نامههایی در این زمینه میتوان به آیین نامه بتن آمریکا - ACI 318,2005 - و راهنمای طراحی و ضوابط اجرایی بهسازی ساختمانهای بتنی موجود با استفاده از مصالح تقویتی FRP - نشریه345، - 1385 اشاره کرد.
فصول مورد بحث در این آییننامهها شامل توصیههای طراحی برای تقویت خمشی تیرها و دالها، تقویت برشی تیرها و ستونها æ تقویت خمشی و فشاری ستونها میباشد. بهنظر میرسد که در این آیین نامهها تقویت خمشی بهخوبی مستند گردیده، گرچه برخی نقاط مبهم کماکان باقی است. این در حالی است که درک رفتاری سازههای بتن آرمه که بمنظور تقویت برشی طراحی میشوند کماکان در مرحلهای است که قواعد طراحی مشابه یا وجود نداشته یا به صورت مختصر به آن پرداخته شده است. علت شکست برشی حتی برای المانهای ساده بتن آرمه یک مکانیزم پیچیده میباشد حال آنکه این امر با بکارگیری الیاف پلیمری در المانهای بتن آرمه، به نسبت شکل پیچیدهتری به خود خواهد گرفت. بدین دلیل تخمین مقاومت نهایی برشی تیرهای بتن آرمه
کد مقاله: 3-B-1117
بخصوص در موارد طراحی بسیار مهم میباشد. لذا مطالعات تجربی و تئوری بسیاری در این زمینه برای یافتن پاسخی مناسب انجام میشود. درتمامی الگوهای طراحی موجود، ارزیابی مقاومت برشی طراحی یک تیر بتن آرمه تقویت شده با الیاف پلیمری از مجموع مشارکت سهم بتن، سهم خاموت و سهم الیاف پلیمری حاصل میشود. سهم دو مورد نخست میتواند مطابق با تمهیدات آیین نامههای طراحی موجود محاسبه شود. از اینرو تفاوت اصلی میان الگوهای طراحی موجود در چگونگی ارزیابی سهم الیاف پلیمری قرار دارد. در این خصوص روابط تجربی و معادلات تحلیلی متعددی با استفاده از آنالیز رگرسیون دادههای آزمایشگاهی معرفی شده است.
در سالهای اخیر شبکه عصبی مصنوعی - ANN - برای اهداف رگرسیون در حوزههای مختلف استفاده شده است. بررسی مقاومت فشاری بتن و اسلامپ بتن با شبکه عصبی مصنوعی از مطالعات انجام شده در این زمینه است - ازتاس و همکاران، . - 2006 تخمین مقاومت فشاری بتن با شبکه عصبی مصنوعی نتایج بسیار نزدیکی به واقعیت را نشان میدهد - رمضانیانپور و همکاران، . - 2004 تخمین مقاومت ملات بنایی با شبکه عصبی با توجه به اینکه ساده سازیهای روابط ارائه شده را ندارد بسیار دقیق تر از روابط است - سندمیر، . - 2009 تعیین مقاومت و مدول الاستیسیته گچ با رگرسیون باعث افزایش دقت و کاهش هزینهها برای تعیین مقاومت گچ شده است - ایلماز و همکاران، . - 2009 یکی از کاربردهای شبکه عصبی بررسی نقش طرح اختلاط در مقاومت بتن است - زرندی فاضل و همکاران، . - 2008
ANN سیستم و روش محاسباتی نوینی برای یادگیری ماشینی، نمایش دانش و در انتها اعمال دانش به دست آمده در جهت پیشبینی پاسخهای خروجی از سامانههای پیچیده میباشد. ANN از شمار زیادی عناصر پردازشی فوق العاده بهم پیوسته با نام نورون تشکیل شده که برای حل یک مسأله با یکدیگر هماهنگ عمل میکنند و توسط سیناپسها - ارتباطات الکترومغناطیسی - اطلاعات را منتقل میکنند. یادگیری در این سیستمها به صورت تطبیقی است، یعنی با استفاده از مثالها وزن سیناپسها به گونهای تغییر میکند که در صورت دادن ورودیهای جدید، سیستم پاسخ درستی تولید کند. بهعبارتی شبکه عصبی مصنوعی شامل شبکهای از عناصر پردازش ساده - نورونها - است، که میتواند رفتار پیچیده کلی تعیین شدهای از ارتباط بین عناصر پردازش و پارامترهای سیستم را نمایش دهد. این ویژگی منحصر بفرد، شبکه عصبی را قادر به حل مسائل پیچیدهای میکند که با روشهای تحلیلی موجود نمیتوان به آنها پرداخت. از اینرو شبکه عصبی میتواند در تخمین و ارزیابی میزان مقاومت برشی تیرهای تقویت شده با الیاف پلیمری مناسب واقع گردد.
هدف از این مطالعه، بررسی قابلیت استفاده از یک شبکه عصبی چند لایه پیش خور برای تخمین مقاومت برشی نهایی تیر بتن آرمه مسلح به فیبرهای پلیمری میباشد. برای این منظور یک پایگاه داده متشکل از 103 تیر بتن آرمه از گزارش نتایج آنالیز مقالات موجود گردآوری شده است. سپس بهمنظور ارزیابی کارآیی و عملکرد مدل شبکه عصبی در تخمین میزان ظرفیت برشی تیرهای تقویت شده، نتایج کسب شده از مدل شبکه عصبی با مقادیر برخی روابط تجربی آیین نامهها مقایسه شده است.
-2 شرح مسأله تقویت برشی با استفاده از الیاف کامپوزیت
مطابق شکل 1، استفاده از FRP به صورت دورپیچ - سه حالت دورپیچ کامل، پوشش رکابی U شکل و در دو طرف جان - و قرارگیری الیاف آن در امتداد عرضی مقطع یا عمود بر راستای ترکهای محتمل برشی، بهطور مؤثری سبب افزایش مقاومت برشی المانهای بتنی میگردد. اضافه مقاومت برشی ایجاد شده به این روش به پارامترهای مختلفی مانند: ابعاد المان، حالت دورپیچ، مقاومت بتن موجود و ... وابسته است. لذا همواره میزان این افزایش مقاومت بسته به ضوابط بهره برداری و متناسب با شرایط باربری عضو محدود است.
در سالهای اخیر چندین دستورالعمل و توصیه نامه طراحی برای تخمین مقاومت برشی تیرهای بتن آرمه در مواقعی که با الیاف پلیمری تقویت میشوند پیشنهاد شده است. در تمامی طرحهای پیشنهادی موجود مقاومت برشی طراحی، Vd، یک تیر بتنی تقویت شده با الیاف پلیمری از رابطه - 1 - محاسبه میگردد: در رابطه - 1 - سهم بتن، سهم فولاد عرضی - خاموت - و سهم مشارکت FRP در مقاومت برشی تیر است. در این رابطه و با استفاده از روابط آیین نامههای موجود قابل حصول است، بنابراین تفاوت اصلی میان طرحهای پیشنهادی موجود به نحوه محاسبه باز میگردد. در ادامه به تبیین هر کدام از این پارامترها در آیین نامه ایران و آمریکا پرداخته خواهد شد.
-3 طراحی و ساخت سیستم های FRP برای تقویت سازه های بتنی بر اساس آییننامه آمریکا - ACI 440-2R-08 ,2008 - با توجه به فصل 11 این آییننامه تقویت برشی اعضا به دلیل آنکه افزایش مقاومت برشی منجر به شکست خمشی عضو شده که در اینصورتذاتاً رفتار شکل پذیرتری تا شکست برشی دارد اهمیت دارد. این آییننامه تصریح میدارد که مقاومت برشی طراحی عضو بتنی تقویت شده با سیستم FRP، - ∅ - ، میبایستی از برش ضریبدار - - ، در مقطع مورد بررسی بیشتر باشد. مقاومت برشی طراحی از حاصلضرب مقاومت برشی اسمی - - ، در ضریب کاهش مقاومت مطابق رابطه - 2 - محاسبه میشود: - 2 -
مطابق آیین نامه بتن آمریکا ضریب کاهش مقاومت ∅ برابر 0,85 در حالت برش یا پیچش در نظر گرفته میشود. مقاومت برشی اسمی یک عضو بتنی تقویت شده با سیستم FRP از مجموع مشارکت سهم بتن، فولاد برشی و الیاف پلیمری حاصل میشود. همچنین یک اضافه ضریب کاهشی، - - ، به سهم مشارکت FRP اعمال میشود، که مطابق با رابطه - 3 - است: در رابطه - 3 - برای حالتی که الیاف پلیمری دورپیچ کامل دارند برابر 0,95 و برای دورپیچ u و دو طرف جان مقدار 0,85 در نظر گرفته میشود. که برابر مقاومت برشی تامین شده توسط بتن برای اعضای غیر پیش تنیده در حالتی که که صرفا تحت اثر برش و خمش قرار دارند میباشد با استفاده از روابط - 4 - و - - 5 و Vs که برابر با مقاومت برشی اسمی تامین شده توسط میلگردهای برشی است با توجه به رابطه - 6 - مطابق با آیین نامه بتن آمریکا - ACI 318 - مستخرج میشود.
در روابط - 4 - و - 5 - مقاومت مشخصه فشاری بتن بر حسب مگاپاسکال، عرض جان بر حسب میلیمتر، فاصله آخرین تار فشاری تا مرکز سطح میلگردهای طولی کششی بر حسب میلیمتر، ممان ضریبدار در مقطع بر حسب نیوتن در میلیمتر، برش ضریبدار در مقطع بر حسب نیوتن، و در آخر نسبت = / که در آن سطح مقطع میلگردهای طولی کششی غیر پیش تنیده برحسب میلیمتر مربع میباشد. در رابطه - 6 - سطح مقطح میلگردهای برشی با فاصله میباشد زاویه ، زاویه بین خاموت مایل با محور طولی عضو است. تنش تسلیم میلگردهای برشی بر حسب مگاپاسکال میباشد.
