مدیریت استراتژیک هوشمند

مدیریت استراتژیک هوشمند

بهینه‌سازی هوشمند طرح اختلاط بتن خودمتراکم مسلح‌شده با الیاف‌های گوناگون با استفاده از الگوریتم جست‌وجوی ذرات باردار: رویکردی مبتنی‌بر تحلیل داده‌ها و تصمیم‌گیری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه مهندسی ‌عمران، واحد کرمانشاه، دانشگاه آزاد اسلامی، کرمانشاه، ایران.
چکیده
بتن خودمتراکم به‌دلیل قابلیت جریان‌یابی و تراکم تحت وزن خود، یکی از مصالح راهبردی در اجرای سازه‌های پیچیده به‌شمار می‌آید. وابستگی هم‌زمان عملکرد مکانیکی آن به نوع، مقدار و ترکیب الیاف، طراحی طرح اختلاط را به مسئله‌ای چندمتغیره تبدیل کرده است که بهره‌گیری از روش‌های هوشمند مبتنی‌بر تحلیل داده‌ها را ضروری می‌سازد. پژوهش حاضر با هدف بهینه‌سازی هوشمند طرح اختلاط بتن خودمتراکم مسلح‌شده با الیاف فورتا، شیشه و سرامیک و ارائۀ چارچوبی تصمیم‌یار مبتنی‌بر داده، با استفاده از الگوریتم جست‌وجوی ذرات باردار (CSS) انجام شد. داده‌های حاصل از ۲۷۴ نمونۀ آزمایشگاهی در سنین عمل‌آوری ۷ تا ۱۸۰ روز تحلیل و مدل‌های رگرسیون چندمتغیره به‌عنوان مدل‌های جانشین برای پیش‌بینی مقاومت‌های فشاری، کششی و خمشی توسعه یافتند. نتایج نشان داد الیاف فورتا در مقایسه با الیاف شیشه و سرامیک، بیشترین تأثیر را بر بهبود عملکرد مکانیکی بتن دارد. به‌گونه‌ای که مخلوط حاوی ۵درصد الیاف فورتا در سن ۱۸۰ روز به مقاومت فشاری 2/23، مقاومت کششی 12/ 6 و مقاومت خمشی 30/10 مگاپاسکال دست یافت. همچنین، الگوریتم CSS در بهینه‌سازی تک‌هدفه، طرح اختلاطی شامل 73/0درصد فورتا، 88/0درصد شیشه، 04/0درصد سرامیک و نسبت آب به سیمان 387/0 را پیشنهاد کرد که مقاومت فشاری را از 78/15 به 29/22 مگاپاسکال افزایش داد و بیانگر بهبود 3/41درصدی بود. در بهینه‌سازی چندهدفه نیز مقاومت کششی 6/23درصد افزایش یافت، هرچند این بهبود با کاهش مقاومت فشاری همراه بود و وجود مصالحه میان اهداف مکانیکی را آشکار ساخت. مقادیر R² برای مقاومت‌های فشاری، کششی و خمشی به‌ترتیب 514/0، 370/0 و 243/0 به‌دست آمد که بیانگر دقت بیشتر مدل در پیش‌بینی مقاومت فشاری نسبت به سایر پاسخ‌ها است. یافته‌ها نشان می‌دهد ترکیب تحلیل داده‌ها با الگوریتم جست‌وجوی ذرات باردار، چارچوبی تصمیم‌یار و هوشمند برای غربالگری فضای طراحی، انتخاب طرح‌های اختلاط بهینه، کاهش تعداد آزمایش‌های تجربی و پشتیبانی از تصمیم‌گیری در فرایند طراحی بتن خودمتراکم فراهم می‌آورد. بااین‌حال، اعتبارسنجی آزمایشگاهی مستقل طرح‌های پیشنهادی پیش‌از به‌کارگیری در مقیاس اجرایی ضروری است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Intelligent Optimization Of Fiber-Reinforced Self-Compacting Concrete Mix Design Using The Charged System Search Algorithm: A Data-Driven Decision-Making Framework

نویسندگان English

Erfan Shirvani
Mohammad Reza Habibi
Mohammad Hadi Tavana
Mehrzad Tahamoli Rudsari
Department of Civil Engineering, Ker.C., Islamic Azad University, Kermanshah, Iran.
چکیده English

Self-compacting concrete (SCC), owing to its ability to flow and consolidate under its own weight, is considered one of the strategic materials for the construction of complex structures. The simultaneous dependence of its mechanical performance on the type, content, and combination of fibers has transformed mix design into a multivariable problem, making the application of intelligent data-driven approaches essential. The present study was conducted to intelligently optimize the mix design of self-compacting concrete reinforced with Forta, glass, and ceramic fibers and to develop a data-driven decision-support framework using the Charged System Search (CSS) algorithm. Data obtained from 274 experimental specimens cured for 7 to 180 days were analyzed, and multiple regression models were developed as surrogate models to predict compressive, tensile, and flexural strengths. The results showed that Forta fibers had the greatest positive effect on improving the mechanical performance of concrete compared with glass and ceramic fibers. Specifically, the mixture containing 5% Forta fibers achieved a compressive strength of 23.2 MPa, a tensile strength of 6.12 MPa, and a flexural strength of 10.30 MPa after 180 days of curing. Furthermore, in the single-objective optimization, the CSS algorithm proposed a mix design consisting of 0.73% Forta fibers, 0.88% glass fibers, 0.04% ceramic fibers, and a water-to-cement ratio of 0.387, which increased the compressive strength from 15.78 MPa to 22.29 MPa, representing a 41.3% improvement. In the multi-objective optimization, the tensile strength increased by 23.6%; however, this improvement was accompanied by a reduction in compressive strength, revealing the existence of a trade-off among the mechanical objectives. The R² values for the compressive, tensile, and flexural strength models were 0.514, 0.370, and 0.243, respectively, indicating that the model achieved higher predictive accuracy for compressive strength than for the other responses. The findings demonstrate that integrating data analysis with the Charged System Search algorithm provides an intelligent decision-support framework for screening the design space, selecting optimal mix designs, reducing the number of experimental tests, and supporting decision-making in the design process of self-compacting concrete. Nevertheless, independent experimental validation of the proposed optimal mix designs is essential before their implementation in practical applications.

کلیدواژه‌ها English

Self-compacting concrete
Mix design
Data analysis
Intelligent optimization
CSS
Decision-making
حبیبی، م.ر.، و همکاران. (۱۳۹۰). بررسی عملکرد بتن خودمتراکم در شرایط متفاوت محیطی. مجله مهندسی عمران ایران.
شربتدار، م.ع.، و همکاران. (۱۳۹۶). تأثیر دانه‌بندی سنگدانه‌ها بر خواص بتن خودمتراکم. نشریه مهندسی سازه و ساخت.
ACI Committee 237. (2007). Self-Consolidating Concrete. American Concrete Institute.
Afroughsabet, V., & Ozbakkaloglu, T. (2015). Mechanical and durability properties of high-strength concrete containing steel and polypropylene fibers. Construction and Building Materials, 94, 73–82.
Bian, J., Huo, R., Zhong, Y., & Guo, Z. (2024). XGB-Northern Goshawk Optimization: Predicting the Compressive Strength of Self-Compacting Concrete. KSCE Journal of Civil Engineering, 28, 1423–1439. https://doi.org/10.1007/s12205-024-1647-
EFNARC. (2005). Specifications and Guidelines for Self-Compacting Concrete. European Federation for Specialist Construction Chemicals and Concrete Systems.
Ferrara, L., Bamonte, P., Caverzan, A., Musa, A., & Sanal, I. (2012). A comprehensive methodology to test the performance of steel fibre reinforced self-compacting concrete. Construction and Building Materials, 37, 406–424.
Kaveh, A., & Talatahari, S. (2010). A novel heuristic optimization method: charged system search. Acta Mechanica, 213(3–4), 267–289.
Khan, A. Q., Muhammad, S. G., Raza, A., & Pimanmas, A. (2025). Advanced machine learning techniques for predicting mechanical properties of eco-friendly self-compacting concrete. Journal of Road Engineering, 5(2), 213–229. https://doi.org/10.1016/j.jreng.2024.12.002
Khan, M. S., Ma, L., Inqiad, W. B., et al. (2025). Predicting residual strength of hybrid fibre-reinforced self-compacting concrete exposed to elevated temperatures using machine learning. Case Studies in Construction Materials, 22, e04112. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2024.e04112
Mai, H.-V. T., Nguyen, M. H., & Ly, H.-B. (2023). Development of machine learning methods to predict the compressive strength of fiber-reinforced self-compacting concrete and sensitivity analysis. Construction and Building Materials, 367, 130339. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.130339
Lata, R. (2025). Self-compacting concrete: A review. Materials Today: Proceedings.
Okamura, H., & Ouchi, M. (2003). Self-compacting concrete. Journal of Advanced Concrete Technology, 1(1), 5–15.