فهرست مطالب

مهندسی عمران - سال پنجاه و ششم شماره 2 (اردیبهشت 1403)

نشریه مهندسی عمران
سال پنجاه و ششم شماره 2 (اردیبهشت 1403)

  • تاریخ انتشار: 1403/02/01
  • تعداد عناوین: 6
|
  • نسرین سلطانی، حامد تجملیان*، بهروز احمدی صفحات 125-142

    هدف از انجام این پژوهش، ارزیابی لرزه ای قاب های خمشی بتن مسلح کوتاه مرتبه، طراحی شده با سطوح مختلف شکل پذیری در یک سازه متداول بتن آرمه از منظر قابلیت اطمینان می باشد. این مطالعه به بررسی احتمالاتی روش های طراحی سطوح مختلف شکل پذیری در آیین نامه فعلی ایران، مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، در قالب قابلیت اطمینان می پردازد. در این مطالعه یک سازه سه طبقه قاب خمشی بتنی با سطوح شکل پذیری مختلف ، یعنی شکل پذیری کم، متوسط و ویژه مورد بررسی قرار گرفته است. با استفاده از عدم قطعیت های موردنظر در بارگذاری و پارامترهای ابعادی قاب ، آنالیز قابلیت اطمینان روی توابع عملکرد سازه از جمله دریفت و شتاب طبقات انجام گرفته  و قابلیت اطمینان کل سازه به دست آمده است. برای در نظر گرفتن عدم قطعیت رکوردهای زلزله نیز از مولفه های افقی زمین لرزه های حوزه دور آیین نامه FEMA P-695 استفاده شده است. با مقایسه شاخص قابلیت اطمینان و احتمال خرابی مربوط به هر یک از توابع عملکرد، میزان یکنواختی احتمال شکست مورد ارزیابی قرار می گیرد. بعنوان یک معیار کمی می توان بیان نمود که حداکثر احتمال خرابی در سطح خرابی فروریزش، برای قابهای با شکل پذیری کم، متوسط و زیاد حدودا 9، 5 و 2 درصد بوده است.

    کلیدواژگان: قابلیت اطمینان، ارزیابی لرزه ای، قاب خمشی، بتن مسلح، شکل پذیری
  • خلیل خسروی، میرحمید حسینی*، پاشا جوادی صفحات 143-162

    قاب های خمشی فولادی ازجمله سیستم های سازه ای جهت تحمل بارهای ثقلی و جانبی هستند که به خصوص در سازه های بلندمرتبه با توجه به وزن کمتر نسبت به قاب های خمشی بتن آرمه، مرسوم تر می باشند. میزان شکل پذیری قاب های خمشی فولادی به نوع اتصالات آن بستگی دارد، از این رو اتصالات خمشی از اهمیت ویژه ای برخوردارند. امروزه در آیین نامه فولاد آمریکا و مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ایران الگوهایی به عنوان اتصالات از پیش تایید شده معرفی شده اند. اتصال خمشی مدرن ConXL ازجمله این اتصالات بوده که در آیین نامه آمریکا AISC358 به آن پرداخته شده و مورد نظر این تحقیق می باشد. این اتصال با هدف ایجاد یک قاب خمشی مقاوم و مقرون به صرفه طراحی شده که با حذف جوشکاری کارگاهی، نصب و مونتاژ سریع قاب را تسهیل می نماید. همچنین اتصال WUF-W نیز که در آیین نامه های داخلی به عنوان یک اتصال صلب شناخته می شود، اتصالی مرسوم در ساخت و ساز بوده و می تواند مرجع مناسبی به منظور مقایسه با اتصال نوین ConXL باشد که از لحاظ رفتار لرزه ای کمتر شناخته شده است. برای این مقایسه از منحنی های شکنندگی که ابزاری مناسب جهت برآورد احتمالاتی آسیب پذیری هستند استفاده می شود. بدین منظور منحنی شکنندگی برای هر دو اتصال ConXL و WUF-W تهییه می گردد. معیار مقایسه سطوح عملکرد IO و CP در منحنی های شکنندگی اتصالات در یک قاب خمشی ویژه دو بعدی می باشد. در انتها پس از مقایسه رفتار لرزه ای دو اتصال مذکور و بیان عملکرد مطلوب تر و سهولت در اجرا، می توان نتیجه گرفت اتصال مدرن ConXL گزینه مناسب تری برای قاب های خمشی ویژه می باشد.

    کلیدواژگان: منحنی شکنندگی، اتصالات از پیش تایید شده، اتصال ConXL، اتصال WUF-W، برآورد احتمالاتی آسیب پذیری
  • مظاهر روزبهانی، امیررضا گودرزی*، سید حمید لاجوردی صفحات 163-180

    در مطالعه حاضر کارآیی ترکیبی جدید از ضایعات صنعتی شامل پسماند کاربید کلسیم (CCR) و سیلیکافوم (SF) در کنار الیاف پلی پروپیلن در مقایسه با سیمان برای اصلاح رس های نرم و افزایش دوام آنها بررسی شد. نتایج آزمایشگاهی نشان داد در شرایط متداول عمل آوری (دما ºC20 و نگهداری تا 28 روز) استفاده از CCR تنها، اثر محدودی در بهبود رفتار خاک دارد. از طرفی، با وجود عملکرد مطلوب اولیه فرآیند تثبیت با سیمان، ولی چرخه تر و خشک (W-D) با شکست نانوساختارهای سیمانی، می تواند سبب اختلال و حتی از دست رفتن کامل ظرفیت باربری خاک شود. در مقابل، ترکیب CCR با SF نقش برجسته ای بر فرآیند بهسازی (خصوصا با افزایش دما) داشته و پتانسیل زوال به مراتب کمتری در حضور نسبت بهینه CCR-SF مشاهده گردید. بنابر آنالیزهای SEM-EDX و XRD، گسترش جامدشدگی ساختار و کاهش سهم حفرات، جزء عوامل اصلی پاسخ مناسب تر سیستم اخیر ارزیابی شد. از سوی دیگر، افزودن فیبر به این سری از نمونه ها، تاثیر بسزایی در رشد تاب کششی، جذب بهتر انرژی، کاهش قابلیت ترک خوردگی و در نتیجه بهبود پایایی ماتریکس خاک دارد. متعاقب این وضعیت، مقاومت نمونه مسلح شده و حاوی 15% افزودنی، حدود 1/8 برابر آستانه مجاز برای موفقیت تثبیت بدست آمد. علت این رفتار، هم افزایی CCR-SF و الیاف در ارتقاء پیوستگی بین ذرات و کاهش فضای دسترسی برای اندرکنش خاک-آب تعیین شد. با استناد به مجموع نتایج حاصل، استفاده از ترکیب بهینه CCR-SF همراه فیبر به عنوان گزینه ای ارزان، دوست دار محیط زیست و کارآمد در اصلاح خاک های مسئله دار و کاهش پتانسیل پس گسیختگی آنها توصیه می شود.

    کلیدواژگان: تثبیت پایه سیمانی، چرخه W-D، زوال پارامترهای مهندسی، CCR-SF، الیاف، افزایش دوام
  • سارا اکبری، فرهاد قادری*، حسن امینی راد صفحات 181-202

    ریزجلبک ها به عنوان یک منبع پایدار برای تولید محصولات زیستی با ارزش مورد توجه هستند و کاربردهایی در صنایعی مانند افزودنی های غذایی، ترکیبات زیست فعال، داروسازی و آرایشی پیدا می کنند. با این حال، یکی از چالش های اصلی در استفاده از ریزجلبک ها برای این اهداف، برداشت کارآمد زیست توده می باشد که به عنوان یک گلوگاه اصلی در پردازش پایین دست عمل می‎کند. یکی از مکانیزم های جایگزین برای برداشت ریزجلبک از محیط کشت استفاده از روش منعقدکننده مغناطیسی است. در این مطالعه، فرآیند برداشت ریزجلبک بومی  Chlorella sorokiniana pa.91 را با استفاده از Fe3O4/PACl در فرآیند لخته سازی مورد بررسی قرار داده شده است. در این تحقیق از نانوذرات  Fe3O4سنتز شده به روش هم رسوبی برای برداشت ریزجلبک ها استفاده شد. با استفاده روش سطح پاسخ، برای بررسی راندمان حذف، بهینه سازی مهم ترین پارامترهای فرآیند برداشت انعقاد مغناطیسی شامل زمان، غلظت نانومواد و pH در محیط کشت حاصل از فاضلاب شهری بررسی شده است. تجزیه و تحلیل تجربی نشان داد که بالاترین راندمان برداشت تقریبا90 درصد، در شرایط 3/5 گرم در لیتر  Fe3O4 غلظت ثابت  0/075 گرم در لیتر PACl ، زمان برداشت 40 دقیقه وpH  4 به دست آمده است از طرفی کمترین مقدار راندمان برداشت ریزجلبک در شرایطی که مقدار نانو ذره کامپوزیتی برابر با 0/5 گرم در لیتر، مدت زمان برداشت 27/5 دقیقه و  pH6/5 برابر با 22 درصد گزارش شده است. در این میان، بازی ترین حالت از pH که برابر با 11.5 است راندمان حذف ریزجلبک 53% و در اسیدی ترین حالت برابر 75% می باشد و همانطور میزان بیشترین راندمان برداشت در pH خنثی با مدت زمان ته نشینی 53 دقیقه برابر با 80 % مشاهده شده است. مقدار ضریب تعیین برای این طرح (R2)  0/9823 به دست آمده، نشان دهنده رابطه قوی بین متغیرهای مستقل و مقادیر پاسخ است. علاوه بر این، حالت ترکیبی مورد مطالعه قرار گرفته راندمان لخته سازی ریزجلبک ها را بهبود می بخشد. از نتایج به دست آمده می توان استنباط کرد با افزایش زمان و غلظت نانو ذرات و کاهش pH راندمان برداشت ریزجلبک افزایشی خواهد بود.

    کلیدواژگان: برداشت، ریزجلبک، فاضلاب شهری، روش سطح پاسخ، نانو ذره کامپوزیتی Fe3O4، PACl
  • محمد دهقان، حجت کرمی* صفحات 203-228

    سرریزهای کلید پیانویی نوع جدیدی از سرریزها می باشند که برای بهبود ظرفیت تخلیه سدها طراحی می شوند. در این تحقیق با توجه به آزمایشگاهی بودن اکثر مطالعات صورت گرفته روی آبشستگی پایین دست سرریزهای کلید پیانویی به مطالعه عددی آبشستگی پایین دست سرریزهای کلید پیانویی با استفاده از نرم افزار Flow-3D پرداخته شده است. در این پژوهش شبیه سازی آبشستگی بستر پایین دست دو نوع سرریز کلید پیانویی ذوزنقه ای و مثلثی در شرایط هندسی و هیدرولیکی یکسان صورت گرفت. برای کالیبراسیون مدل از مطالعه ی آزمایشگاهی قدسیان و همکاران (2021) در شرایط انتقال رسوب استفاده شد، سپس  تعداد 18 شبیه سازی عددی برای آبشستگی پایین دست دو نوع سرریز کلید پیانویی ذوزنقه ای و مثلثی در شرایط تغییرات دبی و عمق پایاب صورت پذیرفت. تغییرات موضعی آبشستگی در سرریز کلید پیانویی ذوزنقه ای در عمق های پایاب 0/05، 0/075 و 0/1 متر و هر سه دبی 25، 35 و 45 لیتر بر ثانیه کمتر از سرریز کلید پیانویی مثلثی مشاهده شد. با افزایش 2 برابری عمق پایاب در سرریز ذوزنقه ای تا 29% و در سرریز مثلثی تا 26/6% از عمق آبشستگی کاسته می شود. همچنین با کاهش 44 درصدی دبی در یک عمق پایاب ثابت به ترتیب در سرریز ذوزنقه ای و مثلثی 40% و 37/4% کاهش در بیشینه عمق حفره آبشستگی مشاهده گردید. افزایش عمق پایاب موجب اتلاف انرژی جت های ریزشی از سرریز شده و با کاهش ظرفیت حمل رسوبات بستر توسط جریان آب، باعث کاهش بیشینه عمق آبشستگی در پایین دست سرریز های مورد نظر می شود.

    کلیدواژگان: سرریز کلید پیانویی مثلثی، سرریز کلید پیانویی ذوزنقه ای، حفره آبشستگی، شبیه سازی عددی، اعتبار سنجی نرم افزار Flow-3D
  • محمود ربانی بیدگلی*، مسعود کارگر، حمید مظاهری صفحات 229-252

    مواد پیزوالکتریک نوعی از مصالح هوشمند می باشند که به دلیل خصوصیات فوق العاده همانند تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی و بالعکس مورد توجه پژوهشگران زیادی در علوم مهندسی مختلف قرار دارند. امروزه استفاده از این مصالح، برای کنترل تغییر شکل، کاهش نوسان و کنترل فعال سازه ها در صنعت ساختمان رو به افزایش می باشد. در این مقاله، به تعیین و کنترل تغییرشکل دینامیکی یک قاب بتنی یک دهانه با پوشش لایه پیزوالکتریک روی تیر و ستون ها تحت بار لرزه ای پرداخته می شود. به منظور کنترل تغییرشکل دینامیکی قاب بتنی، از یک کنترل کننده تناسبی- مشتقی استفاده شده است بدین شکل که یک لایه پیزوالکتریک در نقش محرک و یک لایه در نقش سنسور درنظر گرفته می شود. معادلات حاکم بر اجزا تیر و ستون قاب بتنی با استفاده از تئوری برشی مرتبه بالا ، محاسبه روابط انرژی، اعمال اصل همیلتون و در نظر گرفتن ولتاژ اعمالی بر مصالح پیزوالکتریک به دست می آیند. جهت کوپل کردن معادلات بدست آمده برای تیر و ستون، از شرایط مرزی پیوستگی در نقاط اتصال تیر به ستون ها به یکدیگر استفاده می شود. به منظور حل عددی معادلات کوپل شده دینامیکی، از روش عددی تفاضلات مربعی استفاده شده است در این روش، معادلات دیفرانسیلی به معادلات جبری تبدیل شده و در نهایت به کمک روش نیومارک، تغییرشکل دینامیکی قاب بتنی بر حسب زمان محاسبه می گردد. بعد از صحت سنجی نتایج، اثر پارامترهای مختلفی همچون ولتاژ اعمالی به لایه پیزوالکتریک، کنترل کننده از نوع پیزوالکتریک، ضخامت لایه پیزوالکتریک و اثرات ترکیبی آنها بر تغییرشکل دینامیکی بررسی شد. در اینجا، مقادیر بهینه پارامترهای کنترل کننده شامل ضریب تناسب و ضریب مشتق به ترتیب برابر با 3/824 و 5/812 به دست آمدند. نتایج نشان می دهد برای تعداد نقاط شبکه 15، تغییرشکل دینامیکی بدست آمده از روش تفاضلات مربعی همگرا می شود. همچنین، اگر از یک کنترل کننده از نوع پیزوالکتریک استفاده شود، دامنه نوساتات تغییرشکل به شدت کاهش یافته و زمان میرایی سیستم کوتاه تر خواهد شد. به عبارت دیگر استفاده از کنترل کننده به ترتیب منجر به کاهش 72 و 65 درصدی تغییرشکل دینامیکی جانبی و قائم  قاب می شود. همچنین مشاهده شد، که تغییرشکل دینامیکی جانبی قاب درحالتی که فقط ستون ها لایه پیزوالکتریک دارند کمتر از حالتی است که فقط تیر لایه پیزوالکتریک دارد درحالی که این موضوع برای خیز دینامیکی قائم قاب بالعکس می باشد.

    کلیدواژگان: تغییرشکل دینامیکی، قاب بتنی، روش عددی، کنترل کننده پیزوالکتریک، مدل سازی ریاضی
|
  • Nasrin Soltani, Hamed Tajammolian *, Behrooz Ahmadi Pages 125-142

    This study aims to assess reinforced concrete moment frames designed at varying ductility levels within a typical reinforced concrete structure, from a reliability perspective. The article explores the probabilistic methods for designing different ductility levels in the current Iranian Concrete Code, focusing on reliability. Specifically, a three-story concrete moment frame structure, designed to low, medium, and special ductility levels as per the Iranian code, is studied. The reliability analysis encompasses uncertainties in loading, dimensional parameters, and evaluating structural performance functions such as floor drift and acceleration. The study utilizes horizontal earthquake components specified by the FEMA P-695 standard to analyze earthquake record uncertainties. Furthermore, a comparison of the reliability index and probability of failure for each performance function is used to assess failure uniformity. The findings reveal a maximum probability of failure in collapse damage state of approximately 9%, 5%, and 2% for low, medium, and special ductility frames, respectively.

    Keywords: Reliability, Seismic evaluation, Moment Frame, Reinforced concrete, Ductility
  • KHALIL KHOSRAVI, M. H. Hosseini *, Pasha Javadi Pages 143-162

    Steel moment frames are among the structure systems for bearing gravity and lateral loads, which are more common in high-rise structures due to their lower weight than reinforced concrete moment frames. The ductility capacity of steel moment frames depends on the types of their connections, hence the moment connections are particularly important. Nowadays, in the American Steel Codes and the Iranian National Building Regulations, models have been introduced as Prequalified Connections. The ConXL modern moment connection is one of these connections and in this research that is under study. This connection is designed to create a cost-effective and resistant moment frame that allows quick installation of the frame by eliminating workshop welding. Also, WUF-W, which is known as a rigid connection in domestic codes, is a conventional connection in construction and can be a suitable reference for comparison with ConXL, which is less known in terms of seismic behavior. To do this comparison, fragility curves, which are suitable tools for determining the probability of vulnerability, are used. For this purpose, fragility curves are determined for both ConXL and WUF-W connections. The criterion of this comparison is the performance levels of IO and CP in the fragility curves of joints in a special two-dimensional bending frame. Finally, after comparing the seismic behavior of the two mentioned connections and expressing the more favorable performance and ease of implementation, it can be concluded that the modern ConXL Connection is a more suitable option for special moment frames.

    Keywords: Fragility curve, ConXL connection, WUF-W connection, Prequalified Connection, probability of vulnerability
  • Mazaher Rozbahani, AmirReza Goodarzi *, Seyed Hamid Lajevardi Pages 163-180

    In the present study, the effectiveness of a new combination of industrial wastes including calcium carbide residue (CCR) and silica-fume (SF) along with polypropylene fiber was investigated in comparison with cement for improving soft clays and increasing their durability. The results showed that in normal curing conditions, the use of CCR alone has little effect on the soil geo-mechanical performance. On the other hand, despite the initial favorable performance of cement, the W-D cycle with the failure of cement nanostructures can lead to the disturbance and even complete loss of the soil-bearing capacity. In contrast, the combination of CCR with SF had a prominent role in the stabilization process and a much lower deterioration potential was observed in the presence of the optimal ratio of CCR-SF. According to SEM-EDX and XRD analysis, expansion of solidification and reduction of voids were evaluated as the main factors of the more appropriate response of the recent system. Adding fiber to this series of samples had a significant effect on the growth of tensile strength, better absorption of energy, reduction of cracking ability, and as a result, improving the stability of the soil matrix. Following such a condition, the strength of the reinforced sample containing a 15% additive was found to be about 1.8 times the threshold allowed for successful stabilization. This can be attributed to the synergism of CCR-SF and fibers in improving the particle conjunction and reducing the access of voids for soil-water interaction. Based on the obtained results, the use of an optimal combination of CCR-SF with fiber can be recommended as a low-cost, environmentally friendly, and efficient option in improving the behavior of problematic soils and reducing their post-failure potential.

    Keywords: Cement stabilization, W-D cycles, deterioration of soil properties, CCR-SF-Fibers, enhanced durability
  • Sara Akbari, Farhad Qaderi *, Hasan Amini Rad Pages 181-202

    Microalgae have the potential to produce valuable substances for pharmaceutical purposes as well as serve as a food source, providing bioactive compounds and ingredients for cosmetics. However, harvesting microalgae is a crucial step in the mass production of various high-value products derived from microalgae. This process often becomes a major bottleneck in downstream processing. It is essential to find effective and cost-effective harvesting methods for industrial applications. Among several harvesting methods, magnetic flocculation offers the benefits of modest operation, energy savings, and quick separation. This study investigates the harvesting process of Chlorella sorokiniana pa.91 microalgae using a novel flocculation process involving nano-Fe3O4 coated with PACl. In this research, we have used the chemical co-precipitation method to prepare nanoparticles. Using the response surface method to optimize the most important parameters of the magnetic flocculation harvesting process to check the microalgae removal efficiency, three variables of time, concentration of nanomaterials, and pH in the culture medium obtained from municipal wastewater have been investigated. The results demonstrated that the highest harvesting efficiency, nearly 90%, was achieved under the conditions of 3.5 g/L Fe3O4, a constant concentration of 0.075 g/L PACl, a harvesting duration of 40 minutes, and a pH level of 4. On the other hand, the lowest microalgae harvesting efficiency was observed under specific conditions: a composite nanoparticle concentration of 0.5 g/L per liter, a harvesting time of 27.5 minutes, and a pH of 6.5 resulting in a mere 22% efficiency. The rate of microalgal removal increased from 53% in the most alkaline condition to 75% in the most acidic environment. The highest harvesting efficiency, reaching 80%, was achieved under neutral pH conditions with a settling time of 53 minutes. Furthermore, the investigated combined method investigated enhances the flocculation effectiveness of microalgae. Based on the findings, it can be inferred that the efficiency of microalgae harvesting rises with longer duration, higher nanoparticle concentrations, and lower pH levels

    Keywords: Harvesting, microalgae, municipal wastewater, surface response method, Fe3O4, PACl composite nanoparticles
  • Mohammad Dehghan, H. Karami * Pages 203-228

    In this research, the numerical simulation of the scouring of the downstream bed of two types of trapezoidal and triangular piano key series in the same geometric and hydraulic conditions has been done using the Flow-3D numerical model. To carry out the calibration process of the desired numerical model, the laboratory study of Ghodsian et al. (2021) was used in the conditions of sediment transfer. After the software calibration, the accuracy of the R2 criterion for the longitudinal profile of scour and the maximum depth of scour downstream of the weir was equal to 0.9338 and 0.873, respectively. Eighteen numerical simulations for scour downstream of two types of trapezoidal and triangular piano key weirs were carried out under the conditions of changes in discharge and depth of abutment, and the local changes of scour in a trapezoidal piano key weir at a depth of 0.05, 0.075 and 0.1 meters and all three The flow rate of 25, 35 and 45 liters second was observed less than the weir of the triangular piano key. By doubling the depth of the weir in the trapezoidal weir up to 29% and in the triangular weir up to 26.6%, the scour depth decreases. Also, with a 44% decrease in discharge at a constant depth of the aquifer, a 40% and 37.4% decrease in the maximum scour hole depth was observed in the trapezoidal and triangular weir, respectively. The increase in the depth of the floodplain causes the loss of energy of the falling jets from the weir, and by reducing the capacity of the bed sediments carried by the water flow, it causes a decrease in the maximum scour depth downstream of the desired weirs. It was observed that with the increase of the flow through both types of trapezoidal and triangular piano key weirs in the condition of constant depth of the abutment, the scour rate in the sedimentary bed for both types of weirs approaches.

    Keywords: Triangular Piano key weir, trapezoidal Piano key weir, scour hole, numerical simulation, Validation of Flow-3D software
  • Mahmood Rabani Bidgoli *, Masoud Kargar, Hamid Mazaheri Pages 229-252

    Piezoelectric materials are a type of smart materials that are of interest to many researchers in various engineering sciences due to their extraordinary properties such as converting mechanical energy into electrical energy and vice versa. In this article, the determination and control of the dynamic deformation of a one-span concrete frame with a piezoelectric layer coating on beams and columns under seismic load is discussed. In order to control the dynamic deformation of the concrete frame, a proportional-derivative controller has been used in such a way that a piezoelectric layer is considered as an actuator and a layer as a sensor. The governing equations for the beam and column components of concrete frame are obtained by using high-order shear theory, calculating energy relations, applying Hamilton's principle and considering the applied voltage on piezoelectric materials. In order to solve the dynamic coupled equations, the numerical method of differential quadrature method has been used and finally, with the help of Newmark method, the dynamic deformation of the concrete frame is calculated. After validating the results, the effect of various parameters such as voltage applied to the piezoelectric layer, piezoelectric type controller, thickness of the piezoelectric layer on dynamic deformation were investigated. Here, the optimal values of controller parameters, including proportionality coefficient and derivative coefficient, were obtained as 3.824 and 5.812, respectively. The results show that the use of the controller leads to a reduction of 72 and 65 percent of the lateral and vertical dynamic deflection of the frame, respectively.

    Keywords: Dynamic deflection, Concrete frame, numerical method, piezoelectric controller, mathematical modeling