فهرست مطالب

مهندسی عمران شریف - سال سی و هشتم شماره 2 (تابستان 1401)

مجله مهندسی عمران شریف
سال سی و هشتم شماره 2 (تابستان 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/06/29
  • تعداد عناوین: 11
|
  • سهیل همتی، اکبر واثقی* صفحات 3-15

    در صورت رخداد زمین لغزش در محل عبور خط لوله ی انتقال گاز، تغییرشکل لوله و خاک اطراف آن اجتناب ناپذیر است. طولی که از خط لوله که در اثر تغییرشکل های زمین جابه جا می شود، طول فعال نام دارد؛ که مجموع طول های مهاری به علاوه ی عرض زمین لغزش است. در پژوهش حاضر، طول مهاری خط لوله تحت اثر زمین لغزش و مقایسه ی آن با روابط آیین نامه یی مطالعه شده است. با استفاده از روش اجزاء محدود و نرم افزار ANSYS و درنظر گرفتن زاویه ی قرارگیری خط لوله یی به طول 1500 متر عمود بر جهت رانش، طول مهاری برای 4 قطر مختلف لوله تحت فشارهای داخلی متفاوت در دو نوع خاک بررسی شده است. نتایج نشان می دهند طول مهاری براساس آیین نامه های طراحی، به دلیل تخمین کم نیروی محوری ایجاد شده در مقطع لوله، 35\٪ کمتر از طول مهاری حاصل از تحلیل بوده و رابطه ی جایگزینی برای آن پیشنهاد شده است که میانگین خطای آن نسبت به نتایج تحلیل، 4\٪ است.

    کلیدواژگان: زمین لغزش، خط لوله ی انتقال گاز، طول فعال، طول مهاری، شکست، تحلیل اجزاء محدود
  • امین محمودی مقدم*، سعید صالحی، طیب صادقی فر صفحات 17-26

    استفاده از زبری در بدنه ی بالادست و پایین دست پایه ی پل ها، تاثیر مستقیمی در کاهش آبشستگی خواهد داشت. از این رو، در جهت تعیین شرایط بهینه، 108 آزمایش به ازاء شرایط مختلف زبری نصب شده برای بررسی تاثیر در آبشستگی اطراف پایه ی پل، طرح ریزی شده است. مقایسه ها بین مدل های زبری پیوسته و ناپیوسته نشان داد که با اجرای ناپیوسته ی زبرهای مستطیلی و مثلثی، میزان بیشینه ی عمق آبشستگی به صورت محسوسی کاهش پیدا کرده است. درنهایت، با استفاده از آنالیز طیف قدرت و به کارگیری داده های سرعت سنجی، به بررسی میزان قدرت مولفه های سرعت در نقطه ی بیشینه ی آبشستگی پرداخته شده است. نتایج نشان داد که بیشترین مقدار شدت آشفتگی، در زمان بیشترین مقدار طیف قدرت رخ داده است. بررسی داده های سرعت نشان داد که سرعت در جهت قایم در حالت پایه ی پل بدون زبری، بیشترین مشارکت را در افزایش شدت آشفتگی در جلوی پایه ی پل ایفا کرده است. همچنین ناپیوسته کردن زبری، باعث تغییر در ساختار گردابه های پایین رونده به سمت جلو شده است که درنهایت تغییر مشارکت سرعت ها در بیشینه ی مقدار آشفتگی را به دنبال داشته است.

    کلیدواژگان: آبشستگی، شدت آشفتگی، عدد رینولدز، انتقال رسوب ها، طیف قدرت
  • حسین حیرتی، محمود حسنلوراد*، علیرضا اردکانی صفحات 27-47

    در پژوهش حاضر، خصوصیات مقاومت برشی سطح تماس مشترک مصالح بازیافتی، شامل بتن و آسفالت، با ژیوگرید به عنوان مصالح خاکریز جایگزین در سازه های خاک مسلح با استفاده از آزمایش برش مستقیم بزرگ مقیاس بررسی شده است. در کنار مصالح بازیافتی بتن و آسفالت، از یک مصالح طبیعی با مشخصات فیزیکی و دانه بندی تقریبا یکسان با طبقه بندی SW جهت مقایسه استفاده شده است. سه نوع ژیوگرید تک سویه، به عنوان مسلح کننده آزمایش شدند و نتایج نشان داد که مصالح بازیافتی مذکور با زاویه ی اصطکاک داخلی بیشتر از 40 درجه، پتانسیل خوبی برای استفاده در سازه های خاک مسلح دارند و می توان آن ها را با ملاحظاتی به جای مصالح طبیعی استفاده کرد، هر چند که تفاوت هایی در رفتار برشی دارند. آزمایش ها نشان دادند که مقاومت کششی ژیوگرید، تاثیر چندانی در مقاومت برشی سطح تماس ندارد. درگیری دانه ها با ژیوگرید باعث افزایش مقاومت برشی سطح تماس و ضریب اندرکنش شده است، به طوری که ضریب مقاومت برشی برای مصالح مذکور، بزرگ تر از 1 به دست آمد که نشان دهنده ی اندرکنش قوی بین ژیوگرید و مصالح بازیافتی است.

    کلیدواژگان: ژئوگرید، اندرکنش، خاک مسلح، برش مستقیم بزرگ مقیاس، مصالح بازیافتی
  • سید رائف شیخ احمدی، محمدامیر کیانی فردوئی، محمد علیایی* صفحات 41-50

    امروزه با گسترش تونل های قطار شهری، تامین گرمایش و سرمایش ایستگاه ها، اهمیت بسیار زیادی دارد. انرژی زمین گرمایی کم عمق، به عنوان یک انرژی تجدیدپذیر توانسته است به مقدار قابل توجهی در کاهش انرژی موردنیاز برای تامین تهویه و گرمایش سرمایش ایستگاه های قطار شهری کمک کند. میزان انرژی دریافتی از سیستم نوین ذکر شده در ارزیابی اقتصادی طرح اهمیت بسزایی دارد. از این رو، در پژوهش حاضر سعی شده است با ارایه ی یک مدل سازی المان محدود، میزان انرژی دریافتی در تونل های مجهز به سیستم مبادله گر حرارتی در 16 روز بررسی شود. پس از صحت سنجی مدل سازی صورت گرفته، اثر پارامترهای مختلف مدل سازی در دو حالت عایق و غیرعایق بررسی شده است. در شرایط غیرعایق، میزان توان انرژی خروجی وابسته به شرایط حاکم بر فضای داخلی تونل است. براساس نتایج به دست آمده در هر دو شرایط عایق و غیرعایق، تحت تاثیر عملیات مستمر استخراج انرژی، توان انرژی خروجی با گذشت زمان کاهش یافته است.

    کلیدواژگان: تونل قطار شهری، انرژی زمین گرمایی کم عمق، مدل سازی المان محدود، سیستم مبادله گر حرارتی، بررسی پارامتریک
  • شراره سادات ناصری، حامد صادقی، امیر اکبری گرکانی* صفحات 51-61

    تحلیل پایداری شیروانی های خاکی از مسایل مهم در طراحی ایمن زیرساخت هاست و تاریخچه ی مخاطرات ناشی از لغزش و گسیختگی شیروانی های غیراشباع در اثر بارندگی، موید این مطلب است. اما چالش پیش رو، توسعه ی الگوریتم های نوین بهینه یابی سطح گسیختگی همچون الگوریتم فراکاوشی است، که علاوه بر لحاظ گشتاورهای محرک و مقاوم در تحلیل پایداری، بتواند شرایط پیچیده ی جریان گذرای آب در شرایط دو فازی غیراشباع، شامل: بارندگی و آبیاری را نیز در تحلیل تراوش لحاظ کند. بنابراین هدف اصلی پژوهش حاضر، توسعه ی یک برنامه ی رایانه یی مبتنی بر روش بهینه یابی برخورد اجسام (CBO) برای اولین بار در چارچوب روش عددی تفاضل های محدود است، تا بتواند در مطالعات آتی، شرایط پیچیده تری همچون پوشش گیاهی و ترک را در معادله ی ریچاردز لحاظ کند. نتایج نشان می دهد که الگوریتم جدید محاسباتی، قادر به کاهش درصد به کارگیری واحد پردازنده ی مرکزی تا 71\٪ به طور متوسط در مقایسه با الگوریتم قدرتمند به کار رفته در بسته ی نرم افزاری ژیواستودیو است.

    کلیدواژگان: پایداری شیروانی غیراشباع، بارندگی، بهینه یابی، الگوریتم بهینه یابی برخورد اجسام، روش تفاضل محدود
  • حسین نصیرائی*، پویا رضادوست صفحات 63-73
    در پژوهش حاضر، اثر سخت کننده ی حلقوی خارجی در مقاومت نهایی اتصال های لوله یی X شکل تحت بار فشاری مطالعه شده است. برای این هدف، ابتدا مدل عددی ساخته و دقت آن با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است. سپس، 117 مدل المان محدود جهت بررسی پارامتریک مشخصات هندسی اتصال و سخت کننده ی حلقوی ساخته شدند. در مدل های عددی مذکور، اثر غیرخطی هندسه و مصالح لحاظ شده است. همچنین، جوش متصل کننده ی اعضاء فرعی به عضو اصلی مدل سازی شده است. نتایج نشان داده است که سخت کننده ی حلقوی خارجی می تواند مقاومت نهایی اتصال را تا 367\٪ افزایش دهد.علی رغم اثر محسوس سخت کننده در مقاومت نهایی اتصال، تاکنون هیچ رابطه یی جهت محاسبه ی مقاومت نهایی اتصال های X شکل با سخت کننده ی حلقوی خارجی استخراج نشده است؛ بنابراین، پس از انجام مطالعات پارامتریک در پژوهش حاضر، فرمول تحلیلی برای محاسبه ی مقاومت نهایی اتصال های سخت شده تحت بار فشاری ارایه شده است.
    کلیدواژگان: اتصال لوله یی X شکل، سخت کننده ی حلقوی خارجی، مقاومت نهایی، فرمول تحلیلی
  • سعیده محمدی*، سید ابوالحسن نائینی صفحات 75-85

    در نوشتار حاضر، تاثیر حضور لای و نسبت های تنش چرخه یی مختلف در رفتار چرخه یی و پساچرخه یی ماسه ی سست اشباع بررسی شده است. همچنین، پارامترهای ضریب فشار آب حفره یی، مقاومت روانگرایی و منحنی های تنش کرنش و مسیر تنش در حالت های چرخه یی و پساچرخه یی در ماسه ی تمیز و ماسه با 10\٪ لای تعیین شده اند. نتایج نشان می دهند که نمونه های آزمایشی با افزایش نسبت تنش چرخه یی در چرخه های کمتری روانگرا می شوند. همچنین در نسبت های تنش بزرگ تر، تنش موثر سریعا کاهش یافته و رفتار نرم شوندگی در نمونه ها ملاحظه شده است، به نحوی که تنش موثر در آن ها به صفر رسیده است. در منحنی های تنش کرنش نیز با نسبت تنش چرخه یی کوچک تر، حالت جمع شدگی مشاهده شده است؛ اما در نسبت های تنش چرخه یی بزرگ تر، حالت پروانه یی وجود داشت که حاکی از میرایی بیشتر مصالح ذکر شده در چرخه های بزرگ تر است. افزودن لای منجر به رخداد سریع تر روانگرایی شده و رفتار پساچرخه یی هر دو نوع مصالح (ماسه ی تمیز و ماسه با 10\٪ لای) به صورت سخت شونده بوده است.

    کلیدواژگان: ماسه ی لای دار، مقاومت روانگرایی، سه محوری دینامیکی، رفتار پساچرخه یی
  • پیام اسدی، احمدعلی فخیمی* صفحات 87-98

    مطالعه ی اثر ناپیوستگی های سنگ در خصوصیات مکانیکی آن به منظور ارزیابی پایداری سازه های در معرض بار دینامیکی ضروری است. در پژوهش حاضر، اثر توام طول شکاف و نرخ بارگذاری در مقاومت کششی سنگ با مدل سازی عددی آزمایش هاپکینسون با استفاده از نرم افزار 3CA که یک نرم افزار ترکیبی المان محدود المان گسسته است، بررسی شده است. نمونه های برزیلی با قطر 50، ضخامت 10 و طول های متفاوت شکاف: 10، 20،30 و 40 میلی متر آزمایش شدند. نتیجه حاکی از آن است که اثر طول شکاف در مقاومت کششی دینامیکی با اثر طول شکاف در مقاومت کششی استاتیکی متفاوت بوده است و اگرچه در نرخ های بارگذاری پایین با افزایش طول شکاف مقاومت کاهش یافته است، اما در نرخ های بارگذاری بالا بسته به مقدار نرخ بارگذاری، مقاومت با افزایش طول شکاف توانسته است ثابت باقی بماند و یا افزایش یابد. همچنین نتایج نشان داد که سرعت بازشدگی شکاف، نقش اساسی در موضوع اخیر دارد.

    کلیدواژگان: کانیک شکست، بارگذاری دینامیکی، اثر طول شکاف، سرعت بازشدگی شکاف
  • محمد موسوی، علی بخشی* صفحات 99-108

    سازه های مصالح بنایی، شمار بالایی از سازه های ساخته ی دست بشر را تشکیل می دهند. با توجه به اهمیت تاریخی و همچنین شرایط محیطی، بسیاری از سازه های مذکور نیازمند یک سیستم پایش سلامت کارا هستند. پیشرفت های اخیر در حوزه ی هوش مصنوعی و بینایی رایانه، دستیابی به سیستم موردنظر را بیش از پیش نزدیک کرده است. در پژوهش حاضر، فرایند شناسایی ترک در تصاویر سازه های مصالح بنایی با استفاده از یک مدل یادگیری عمیق انجام پذیرفته است. در توسعه ی الگوریتم مذکور، از یک مدل رمزگذار رمزگشای کانولوشنال استفاده شده است که خروجی آن، تصویری بخش بندی شده از تصویر ورودی بوده است. در پژوهش حاضر، مجموعه ی داده یی متشکل از 115 تصویر از سازه های مصالح بنایی که وقوع ترک در آن ها رخ داده است، گردآوری و پس از برچسب گذاری دستی آن ها، اقدام به آموزش و ارزیابی شده است. درنهایت، دقت های صحت، فراخوانی و معیار F1 به ترتیب برابر%81/444، %71/411 و %75/366 برای داده های ارزیابی و در مقیاس پیکسل حاصل شده است.

    کلیدواژگان: پایش سلامت سازه ها، یادگیری عمیق، بینایی رایانه، شبکه های عصبی کانولوشن، بخش بندی تصویر
  • علی میرزایی*، محمد مرتضایی، سید ابوالحسن نائینی صفحات 109-115
    در نوشتار حاضر، به بررسی عملکرد یک دستگاه جدید در بررسی تاثیر تراکم اولیه در اجزاء مختلف منحنی مشخصه ی آب خاک یک خاک ماسه یی پرداخته شده است. در دستگاه جدید، تغییرات مکش بافتی در بازه های خشک شدگی به صورت مستقیم و پیوسته و بدون نیاز به افزایش مصنوعی فشار هوای حفره یی توسط حسگرهای جدید مینیاتوری مکش بافتی اندازه گیری شده است. نتایج به دست آمده حاکی از کارایی حسگرهای جدید مینیاتوری مکش بافتی برای اندازه گیری مستقیم مکش بافتی خاک در مدت زمان در حدود 1 دقیقه و اندازه گیری کاملا پیوسته ی منحنی مشخصه ی آب خاک در طول چند روز است. صحت عملکرد دستگاه جدید منحنی مشخصه ی آب خاک نیز با اندازه گیری مکش بافتی خاک در چند نقطه با استفاده از تنسیومترهای متداول بررسی شده است که نتایج به دست آمده حاکی از سازگاری مقادیر مکش بافتی اندازه گیری شده توسط هر دو روش است.
    کلیدواژگان: خاک های غیراشباع، منحنی مشخصه ی آب خاک، درجه اشباع، مکش بافتی، اندازه گیری پیوسته، حسگرهای مینیاتوری مکش بافتی
  • مجتبی حنطه، هانیه ملک، محمود اکبری* صفحات 117-129

    هدف از پژوهش حاضر، استفاده از مدل های هوش مصنوعی رگرسیون اسپلاین چندمتغیره ی تطبیقی (MARS) و ماشین یادگیری سریع (ELM) جهت تخمین مقاومت فشاری بتن در ستون های بتنی دایره یی محصور شده با FRP است. به علاوه، برای بهبود دقت مدل های ذکر شده، از الگوریتم ازدحام ذرات (PSO) نیز در تلفیق با آنها استفاده و دقت مدل ها در جهت تخمین مقاومت بررسی و ارزیابی شده است. نتایج نشان می دهند که به طور کلی مدل های هوش مصنوعی استفاده شده، مقاومت فشاری ستون های محصور شده با FRP را نسبت به مدل های تحلیلی موجود با دقت بیشتری تخمین می زنند. به ویژه مدل تلفیقی MARS-PSO، عملکرد بهتری در مقایسه با دیگر مدل های استفاده شده داشته است، به نحوی که ضریب های همبستگی آن در مرحله ی آموزش، 9972/0 و در مرحله ی آزمایش، 9961/0 بوده است. همچنین تلفیق الگوریتم PSO با دو مدل MARS و ELM، باعث بهبود دقت آنها به ترتیب به اندازه ی 13/6 و 68/4 درصد شده است.

    کلیدواژگان: رگرسیون اسپلاین چندمتغیره ی تطبیقی، ماشین یادگیری سریع، مقاومت فشاری ستون های بتنی دایره یی، هوش مصنوعی، الگوریتم فراابتکاری ازدحام ذرات
|
  • S. Hemmati, A. Vasseghi * Pages 3-15

    Natural gas transmission pipelines have a vital role in human life and thus, they are classified as lifelines. Long-term disruption in the pipeline operation due to landslides would have substantial direct and indirect consequences. Landslides are generally accompanied by large movements of the ground and result in the deformation of the pipeline and the surrounding soil. In buried pipelines, a significant length of the pipeline moves relative to the soil during a landslide. This movement activates the friction between the soil and the pipeline. The location where the relative movement and the friction diminish to zero is called the virtual anchor point. The clear distance between this point and the landslide where the relative movement occurs is known as the anchor length. Active length of the pipeline is the distance between two virtual anchor points on either side of the landslide and it is the sum of the two anchor lengths and the width of the landslide. During a landslide, the pipe within this length would be highly stressed and it is prone to failure. The active length is considered as the protected length and to reduce the risk of pipe rupture, construction of bents, joints, and equipment should be avoided within this length. Thus, an accurate estimate of this length is an important consideration in the design process. In this study, finite element analyses are carried out to evaluate the anchor lengths of common gas transmission pipelines in Iran. The analyses are performed using Ansys software platform. The pipe is modeled by nonlinear pipe elements and the pipe-soil interaction is modeled by Winkler springs. Buried pipes with diameters of 12, 20, 30, and 48 inches under internal pressure of zero, 500, 1000 psi in two different soils are analyzed. The results of the analyses indicate that the anchor length increases with increasing pipe diameter. The soil properties also significantly affect the anchor length, but the internal pressure has only marginal effect on the anchor length. The relevant equation of the anchor length provided by the PRCI guidelines is about 35% less than the anchor length obtained from the analyses. A more accurate equation for the anchor length is proposed in this study.

    Keywords: landslide, Gas transmission pipeline, Active length, Anchor length, failure, Finite Element Analysis
  • Amin Mahmudi Moghadam *, S. Salehi, T. Sadeghigar Pages 17-26

    Laboratory experiments were carried out to investigate the hydraulics, turbulence structure, and sediment removal capacity of bridge pier with different adjusted roughness. Four experimental models of the roughness were employed to measure the effect of the geometry of the roughness on the scour hole formation and depth. The effects of roughness geometry on the turbulence structure and local erosion through the bridges were studied for one sand sediment size. The three-dimensional velocity profiles and turbulence characteristics of flow downstream and upstream of the bridge pier were measured by Acoustic Doppler velocimetry (ADV) technique due to different adjusted roughnesses. After filtration process by WinADV software, the contour plots of the turbulence kinetic energy were depicted due to triangular roughness. The maximum longitudinal eroded section, which is commonly located by bridge pier corners, was measured through the experiments. The results of the scour hole measurements indicate that due to increasing the length of the roughness, the scour hole depth values decreased; however, increasing the vertical distance has the same effect on the scour hole formation. Furthermore, different geometries of the employed roughness illustrate that the triangular roughness has less scour hole depth than other experimental models with the same hydraulic condition. The detailed information of the magnitude, distribution, and probability of turbulence structures was extracted from time-series data using power spectra. The turbulence data were compared with the topography of upstream erosion. Analysis of the power spectrum density function indicated that the discontinuous adjusted roughness remarkably reduced the downward energy level of vortexes at the upstream of bridge pier, which is supposed that the gap opening through the roughness can increase downward jets impact. It appears that this condition reduces the turbulence kinetic energy near the bed elevation at the upstream face of squire bridge pier.

    Keywords: Scour hole, turbulence, Reynolds stress, Sediment transport, power spectrum
  • H. Heiraty, M. Hassanlourad *, A.R. Ardakani Pages 27-47

    Granular materials are widely used in construction. The cost and environmental impact of supplying natural aggregates force the construction industry to look for alternative materials for engineering applications. The interface shear strength properties of recycled construction materials including concrete and asphalt with geogrid as alternative backfill materials in reinforced structures were investigated by using Large-scale Direct Shear Test (LDST) apparatus. Also, a comparison is made between the recycled materials and a natural material with the same physical characteristics and grain size. Geosynthetics are mainly used to stabilize and reinforce different types of earth structures such as slopes, retaining walls, bridge abutments, and foundations. In these cases, the interaction between soil and geosynthetic has a vital role. Three types of single-stranded geogrids were tested as reinforcements. The results showed that reinforcement increases the shear strength and internal friction angle. The tensile strength of geogrids does not have effect on the interface shear strength as the geogrids do not reach the failure state during shear test. The shear strength coefficient for these materials was greater than one, which indicates a strong interaction between the geogrid and the materials. Recycled materials including concrete and crushed asphalt have good shear strength and can be used as an alternative to natural materials in reinforced soil retaining walls, although their shear behavior is slightly different. In general, due to the involvement of these aggregates with the geogrid, it leads to an increase in the shear strength of the interface of these materials and the geogrid to the materials themselves. The shear behavior of natural materials and concrete changes from a slightly softening behavior to a hardening behavior on the interface, a process that is more severe in the case of asphalt. Also, the volumetric behavior of the interface of natural materials and recycled concrete with geogrid is more extensive than the materials themselves, the opposite is true for asphalt. Recycled asphalt materials have a lower interaction coefficient than natural materials and recycled concrete. This reason could be attributed to bitumen coating on recycled asphalt aggregates. In general, recycled concrete and asphalt materials provide the minimum shear strength parameters when reinforced with geogrids.

    Keywords: geogrid, interface, Large direct shear test, recycled material, reinforced soil structures
  • S. R. Sheikhahmadi, M.A. Kiani Fordoei, M. Oliaei * Pages 41-50

    Nowadays, with development of subway tunnels, heating and cooling stations are playing an important role. Shallow geothermal energy as a renewable time-independent energy source helped significantly to reduce energy consumption for supplying ventilation, heating, and cooling of subway stations. The amount of accessible energy from such modern systems is of great importance in their economic assessment. Hence, this research aims to perform and present finite element modeling to evaluate the amount of exploited energy through ground heat exchangers (GHE) in tunnels. After validation of implemented modeling, the effect of various involved parameters in modeling was studied for a short-term operation of heat exchange. Additionally, the effect of lining isolation with respect to the inner environment of the tunnel was investigated. The results show that by increasing water velocity in the pipe, the total extracted power increased in both isolated and non-isolated conditions. The results can be classified into three main categories. 1. By increasing (a) the spacing between the pipe and inner environment of the tunnel in isolated case, (b) the inner temperature of the tunnel in non-isolated case, and (c) thermal conductivity of soil in both isolate and none-isolate cases, the total extracted power could be improved. The pipe diameter has a fascinating effect on the total extracted power. Firstly, it reduces the amount of extracted power. However, in the case of larger diameters, due to the capability of discharging more water, the amount of extracted power is increased. 2. By increasing (a) the spacing between the pipe and inner environment of the tunnel in non-isolated conditions and (b) pipe thickness in both non-isolated and isolated conditions, the total extracted power is reduced. 3. By increasing the specific heat capacity, density, and porosity of the soil, the total extracted power slightly changes. Indeed, these parameters have a negligible effect on extracted power.

    Keywords: Subway Tunnels, Shallow Geothermal Energy, Finite Element Modelling, Ground Heat Exchangers (GHE), parametric study
  • Sh. Sadat Naseri, H. Sadeghi, A. Akbari Garakani * Pages 51-61

    Slope stability analysis is one of the most important issues in the safe design of infrastructures. This is mainly due to the historical hazards arising from instability of soil mass, leading to serious consequences including both fatality and financial loss. According to the field observations, rainfall is one of the most important factors stimulating the instability of unsaturated slopes. Nonetheless, most classical solution methods ignore the unsaturated conditions by simply assuming the soil conditions to be dry or completely saturated. In order to cope with this limitation, commercial software has been improved for simulation of two-phase flow under unsaturated conditions such as the GeoStudio software package. However, the scientific challenge as one of the limitations of commercial software is the optimization of critical slip surface under transient precipitation. Therefore, the main objective of this research is to develop a homemade computer code in MATLAB based on the Colliding Bodies Optimization (CBO) algorithm so that it can be used for studying complex two-phase flow problems more efficiently in terms of time. The code can effectively calculate and optimize the factor of safety against stability considering the effects of precipitation applied to the slope boundaries by employing Richards’ equation. Calculations of factor of safety are performed by assuming the circular wedge geometry and Bishop's method. According to the algorithm, the centroid of the wedge of slip circles in space is randomly guided and as a result, the coordinates of the circle collision points are obtained within the slope. If the consistency conditions are satisfied, the wedge is divided into parts and the factor of safety is calculated by finite difference method. This process will continue until the optimal factor of safety is obtained. Finally, the results of the code are validated against the output of GeoStudio 2018. The results confirm that the new method is robust in predicting the critical conditions much more rapidly than the software. Although changes in the factor of safety are minor for the simple validation example, the most important feature of the new code is that it reduces the CPU occupancy by 71% on average, independent of the type of CPU.

    Keywords: Unsaturated slope stability, Rainfall, optimization, Colliding Bodies Optimization algorithm, Finite Difference Method
  • H. Nassiraei *, P. Rezadoost Pages 63-73
    Tubular structures are made of hollow steel members with circular cross-sections and connecting them is one of the major challenges in their design. So far, some techniques to improve the performance of tubular connections have been proposed. Most of these methods (e.g., internal ring, doubler plate) can only be used for structures during the design, but there are only a few techniques (e.g., external ring, FRP) which can be applied during both fabrication and service. This paper investigates the ultimate strength of circular hollow section (CHS) X-connections stiffened with external ring subjected to axially compressive load. The SOLID186 in ANSYS was used to establish the finite element (FE) models. In these models, both geometric and material non-linearity were considered. Moreover, the welds joining the chord and brace members were modeled. The validation of the FE model with several experimental data indicated that the proposed FE model can accurately predict the static behavior of the ring-stiffened X-joints under compression. In the next step, 117 FE models were created and analyzed to evaluate the effect of the connection geometry and external ring size on the static capacity through a parametric study. Results indicated that the external ring can considerably increase the initial stiffness. Moreover, the ultimate strength of the ring-reinforced X-joints under brace compression can be up to 367% to that of the strength of the corresponding unreinforced joint. Despite these significant differences between the ultimate strength of un-stiffened and ring-stiffened X-connections under compressive load, the investigations on this type of stiffened joints have been limited to only three X-joint tests. Also, no design equation is available to determine the ultimate strength of X-connections stiffened with the external ring. Hence, the parametric study was followed by the nonlinear regression analysis to propose a theoretical equation for the static design of X-connection stiffened with the external ring in compressive load.
    Keywords: Tubular X-connection, external ring, ultimate compressive capacity, theoretical equation
  • Saeideh Mohammadi *, A. Naeini Pages 75-85

    Since most natural deposits are a combination of sand and fine grains and as man-made geotechnical structures like tailing dams have a high percentage of cohesive and cohesionless fine grains, the study of cyclic and post cyclic behavior of these soils is essential. For saturated sands, the effect of non-plastic fine grains (silts) on their monotonic and cyclic behavior has been investigated. A majority of studies are related to monotonic and cyclic loading and post-cyclic loading has received less attention. In this paper, the effects of silt content and different Cyclic Stress Ratios on the cyclic and post-cyclic behavior of saturated loose sand are investigated. The sand used in this study is Firuzkuh silty crushing sand, which is abbreviated to sand . All samples were prepared so that their relative density was about after consolidating. The experiments were performed using the saturated cyclic triaxial apparatus. Suitable preparation of specimens was one of the most important factors in the accurate performance of triaxial tests. The cyclic and post cyclic tests on mixtures made of sand with silt were undertaken following the recommendation of D4254. Changes in pore pressure coefficient, liquefaction resistance, stress-strain curves, and stress path in clean and silty sand ( silt) were recorded. Results show that the tested samples become liquefied in a smaller number of cycles by increasing the until they show softening behavior at larger when effective stress rapidly drops to zero. In lower , the stress-strain curve is collapsible while in larger , loops expand and they indicate more damping of materials.

    Keywords: Silty sand, Liquefaction Resistance, Cyclic Triaxial Test, Post cyclic
  • P. Asadi, A. A. Fakhimi * Pages 87-98

    Rock masses naturally contain joints and fractures and the effect of these fractures needs to be carefully investigated to ensure the stability of rock structures. This is particularly the case when dynamic loading effects due to earthquakes or rock blasting are involved. In this study, Brazilian synthetic specimens, made of gypsum with initial notches, were loaded in the mode-I fracture. The specimens were 50 mm in diameter and 10 mm in thickness. The pre-existing notch length in the specimens varied from 10 to 40 mm. The nominal tensile strength of the specimens was numerically evaluated using a bonded particle model (BPM) for the synthetic rock material. The dynamic tests were performed using the Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) system which was numerically simulated by the CA3 computer program. CA3 is a computer program for static and dynamic simulation of geomaterials in which a hybrid bonded particle and finite element system can be employed. The rock specimen was represented by the bonded particle model, while the incident and transmission bars in the Hopkinson Pressure Bar system were simulated by the finite element model. The bonded particle system was calibrated to ensure that the elastic properties, uniaxial compressive strength, tensile strength, and fracture toughness of the rock were replicated by the numerical model. The combined effect of loading rate and initial fracture length on the rock tensile strength was investigated. The results, as expected, suggest that the static nominal tensile strength of the specimens was reduced as the notch length increased. Under dynamic loading, the material response is more complicated; depending on the applied stress rate, the tensile strength can decrease, remain constant, or increase as the initial notch length increases. It is shown that the speed of the crack tip opening is responsible for this interesting observation of tensile strength changes under dynamic loading as the notch length varies.

    Keywords: Fracture mechanics, dynamic loading, Loading rate effect, Notch length effect, Crack propagation
  • M. Mousavi, A. Bakhshi * Pages 99-108

    Masonry structures comprise a large proportion of human-made building stocks around the world. In many cases, aged masonry structures have been found to be vulnerable to earthquakes and seismic loads. Due to the historical importance and vulnerable conditions of these structures, an efficient structural health monitoring system is required to detect every sign of degradation. Thus, a suitable restoration scheme could be taken into account. Manual visual inspection is one of the earliest monitoring schemes used to inspect these structures. Due to the limitations and dangers imposed by using human resources, new strategies are required to achieve this purpose. Recent developments in artificial Intelligence and computer vision have helped researchers develop a new generation of autonomous inspection systems. In the present study, we are going to use a deep learning model with an encoder-decoder architecture to automate crack detection in masonry structure images. In the current study, semantic segmentation is proposed as a detailed solution to accurately predict the location and condition of cracks in masonry images. In the development of the main model of the study, we used EfficientNet-B3 as the encoder while the decoder was defined according to U-Net’s expansion path in order to predict the accurate segmentation mask for the corresponding input images. For training and evaluation of the proposed model, a dataset composed of 115 images is generated and manually annotated. In the proposed method, transfer learning is used to train the model and the data augmentation techniques are implemented to achieve the optimal results on the present dataset. Furthermore, using the Dice-Coefficient loss function directly optimizes the model for F1-Score, which is the main evaluation parameter in semantic segmentation tasks. Finally, the evaluation demonstrated 81.444% Precision, 71.411% Recall, and 75.366% F1-Score for the never-seen test data. The study shows that the deep learning approach can be accurate and trustworthy for this task. Also, the limited number of training data and the complex background images in the dataset prove the robustness of the proposed model.

    Keywords: structural health monitoring, Deep Learning, Computer vision, Convolutional Neural Network, Image segmentation
  • A. Mirzaii *, M. Mortezaie, S.A. Naeini Pages 109-115
    The relationship between matrix suction and degree of saturation within the soil is a fundamental parameter in studying many behavioral aspects of unsaturated soils and is referred to as the soil-water retention curve (SWRC). Due to difficulties associated with negative pore water pressure measurements in unsaturated soils, most SWRC measuring techniques benefit from suction controlling methods such as axis translation or osmosis techniques. These methods provide only a few data points on the matrix suction-degree of saturation relationship and cause a discrete measured soil-water characteristic curve. However, many SWRC elements like drying and wetting curve slopes, air entry, and air expulsion values are fundamental parameters in describing the hydro-mechanical behavior of unsaturated soils. Therefore, a realistic understanding of these parameters requires continuous measurement of the degree of saturation-matrix suction relationship at more points. To this end, this paper examines the performance of a new SWRC device developed for the continuous measurement of the soil-water retention curve of unsaturated deformable soils along drying paths. The new apparatus is equipped with new miniature tensiometers enabling direct measurement of soil suction without the need for an artificial increase in pore air pressure. The variation of the degree of saturation is calculated by contiguous weighing of soil samples along drying paths. The credibility of the new SWRC apparatus is examined to investigate the influence of initial compaction on the soil-water retention response of sandy soil along with drying. This was experimentally achieved by SWRC tests on compacted soil samples with a range of void ratios between maximum and minimum void ratios to examine the influence of compaction on the slope of SWRC along with drying and variation of air entry value. The results are thoroughly discussed and compared against other available data in the literature. Also, the results suggest the fast performance of newly developed tensiometers for direct measurement of soil suction with a minute without the need for the application of elevated pore air pressure, which leads to the continuous SWRC measurement of the soil samples within 3 to 5 days along drying paths. The credibility of the new SWRC device is also examined with additional suction measurement tests using conventional jet-fill tensiometers, showing consistent results.
    Keywords: Unsaturated soils, Soil-water retention curve, Degree of saturation, Matrix suction, Continuous measurement, Miniature tensiometers
  • M. Hanteh, H. Malek, M. Akbari * Pages 117-129

    Many columns that have been built in the past need to be repaired and strengthened for various reasons such as errors during construction, design errors, changes in the use of the building, changes in regulations, strong beam-weak column conditions and also injuries from accidents. Today, various methods for strengthening and improving structures, especially concrete columns, have become popular. One of the most common methods for reinforcing columns is to confine them using polymer fiber composites. The advantages of this method include increasing the axial and lateral bearing capacity of the column, increasing the compressive and tensile strength of the concrete member and increasing the ductility of the member. The mechanical properties of the concrete confined with FRP polymer fibers may be required for the purpose of design and rehabilitation. Artificial intelligence methods are among the modeling methods that have shown great power to coordinate with engineering problems. The aim of this study is to use multivariate adaptive regression spline (MARS) and extreme learning machine (ELM) artificial intelligence models to estimate the compressive strength of concrete in circular concrete columns confined with FRP polymer fibers. In addition, in order to improve the accuracy of these models, the particle swarm Optimization algorithm (PSO) is used in combination with these models and the accuracy of the models is evaluated to estimate the resistance. The results show that in overall, the used artificial intelligence models estimate the compressive strength of FRP- confined columns more accurately than the existing analytical models. In particular, the integrated MARS-PSO model has better performance compared to other models used, so that this model has a correlation coefficient of 0.9972 in the training stage and 0.9961 in the experimental stage. Also, the combination of PSO algorithm with MARS and ELM models improves their accuracy by 6.13 and 4.68 percent, respectively.

    Keywords: Multivariate Adaptive Regression Splines, extreme learning machine, Compressive Strength of Circular Concrete Columns, Artificial intelligence, particle swarm optimization