J. Al-Rafidain Engineering Vol.18, No.1 (2010)

1

For Enquiries: Editor-in-Chief Al-Rafidain Engineering Journal College Of Engineering University Of Mosul Mosul-IraqWebsite: http://www.alrafidain.engineering-coll-mosul.comE - mail: [email protected]

Al-Rafidain EngineeringJournal

Volume 18 No.1 Jan. 2010

Regional Referred Scientific JournalISSN 1813-0526

The views expressed in the issue are those of the authorsand do not reflect the views of the Editorial Board.

Editorial BoardEditor-in-Chief : Prof. Dr. Abdul Hakim H. AhmadMembers: Prof. Dr. Sabah M. Jamel Ass. Prof. Dr. Sami Abdul Mawjood Ass. Prof. Dr. Hafsa Ramzi Al-Omari Ass. Prof. Dr. Kaydar Majeed Quboa Ass. Prof. Dr. Anmar A. Al-Talib

Secretary: Dr. Shefa A. DawwdAdvisory Board:Prof. Dr. K. H. Al-Arab Prof. Dr. M. A. Al-Jabry Prof. Dr. S. Y. Amen Prof. Dr. A. Y. Sama’ n Prof. Dr. H. M. Fahmi

Prof. Dr. R. R. Al-Omar

Al-Rafidain Engineering Vol.18 No.1 January 2010

2

Al-Rafidain Engineering Vol. 18 No. 1 Jan. 2010

ENGLISH SECTION

CONTENTS

No. Title PageNo.

1. Ultimate Shear Strength Of Reinforced High Strength ConcreteCorbels Subjected To Vertical Load.O. Q. Aziz, Z. S. Othman.

1

2. Stability Analysis of MOSUL Dam under Saturated andUnsaturated Soil Conditions.S. A. A. Khattab.

13

3. Strength And Durability Of Gypseous Soil Treated With WasteLime And Cement.M. A. Al-Obaydi, I. M. Al-Kiki, A. H. Al-Zubaydi

28

4. Photogrammetric Precision of a Desktop Scanner.R. S. Abed.

43

5. Switching Study In CdSCdTe Structures.L. S. Ali, K. K. Mohamad, B. A. H. Al-abbasy.

51

6. Management Of Electrical Power Onsumption Using NetworkProcessor.A. S. M.Khedher, A. K. Zawba, A. B.Mohameed

57

7. An FPGA-based Fault Tolerance Hypercube MultiprocessorDSP System.A. F. AL-Allaf, S. W. nayif.

69

8. Influence Of Cooling Rate On The Properties AndCharacterizations Of Aluminium-Based Cast Particulate In-SituComposite.A. A. H. Al-dabbagh

83

9. Influence Of Ceramic Particles On The Coefficient Of ThermalExpansion Of Aluminium Alloy Matrix Composite.I. F. Mustafa

98

10. Natural Convection Heat Transfer Inside Finned Enclosure.R. A. Ali.

104

Aziz : ULTIMATE SHEAR STRENGTH OF REINFORCED HIGH STRENGTH

1

ULTIMATE SHEAR STRENGTH OF REINFORCEDHIGH STRENGTH CONCRETE CORBELS

SUBJECTED TO VERTICAL LOAD

Dr. Omar Qarani Aziz Zrar Sedeeq Othman

Assistant Professor Assistant LecturerCivil Eng. Department, College of Engineering, University of Salahaddin - Hawler

AbstractThe present investigation examines experimentally the behavior and ultimate shear strength of reinforcedhigh-strength concrete corbels subjected to vertical load. The experimental investigation consist of castingand testing fourteen reinforced high-strength concrete corbels, the main variables studied were concretecompressive strength (40 to 62 MPa), main reinforcement ratio (0.517 %, 0.776 % and 1.034 %), shearreinforcement stress (ρhfyh=1.535, 2.305 and 3.071 MPa), and the ratio of outside depth to the total depthof the corbel (k/h= 0.24 to 1.00).The results indicate that high-strength concrete corbels (fc'= 40 to 62 MPa) behaved similarly to thosemade with normal strength concrete, the increase in compressive strength of concrete leads to increase inultimate shear strength with ductile failure. By increasing fc' from 40 to 62 MPa for ρh.fyh equal to 1.535MPa and 2.305 MPa, the ultimate shear strength increased by about 20.8% and 27.5% respectively. Anincrease in ρw by about 100% caused an increase in load carrying capacity by about 27.7%. Also byincreasing ρh.fyh by about 100%, the ultimate shear strength increased by about 14.7% and 11.1% forcorbels with fc' equal to 40 and 49 MPa respectively, while for corbels with fc' equal to 62 MPa, an increasein horizontal shear reinforcement stress (ρh.fyh) by about 50% caused an increase in ultimate shearstrength by about 12.3%, and this indicate that the contribution of horizontal stirrups in increasingultimate shear strength was more efficient for corbels having compressive strength equal to 62 MPa. As(k/h) increased from 0.24 to 1.00, the ultimate shear strength increased by 11.5%.

Keywords:Corbel, high strength concrete, shear strength, strut and tie model.

مقاومة القص القصوى للكتائف الخرسانیة المسلحة عالیة المقاومة المعرضة للحمل العمودي

زرار صدیق عثمان عمر قرني عزیز

استاذ مساعد مدرس مساعداربیل-جامعة صالح الدین-كلیة الھندسة –قسم المدني

الخالصة. الخرسانية المسلحة عالية المقاومة و المعرضة الى الحمل العمودي(Corbels)هذا البحث يفحص عمليا مقاومة القص القصوى للكتائف

المتغيرات االساسية التي درست هي . الخرسانية المسلحة عالية المقاومةالبحث العملي صب و فحص اربعة عشرة نماذج من الكتائفيشملو اجهاد ) %1.034الى%0.517من ρw(ليح الرئيسى و نسبة التس) MPa 62الى MPa 40من ) ('fc(مقاومة االنضغاط للخرسانة

).1.00الى 0.24من k/h(و نسبة العمق الخارجي الى العمق الكلي للكتائف ) MPa 3.071الى MPa 1.535من ρhfyh(تسليح القص وك الكتائف المصنعة من الخرسانة مشابه لسل(fc'= 40 to 62 MPa)الخرسانية المسلحة عالية المقاومة بينت النتائج بان سلوك الكتائف

فزيادة مقاومة االنضغاط , زيادة مقاومة االنضغاط للخرسانة تؤدي الى زيادة مقاومة القص للكتائف دون حصول فشل مفاجىء, العاديةوMPa 1.535الى مساويρhfyhللكتائف ذات %20.8تزيد من مقاومة القص بمقدار MPa 62الى MPa 40للخرسانة من من

تؤدي الى زيادة %100بمقدار ) ρw(ايضا زيادة نسبة التسليح الرئيسي . MPa 2.305الى مساويρhfyhللكتائف ذات %27.5 بمقدارfc'=62(و تبينت من الدراسة بان مساهمة تسليح القص لزيادة مقاومة القص اكثر فعالية للكتائف ذات . %27.7مقاومة القص بمقدار

MPa (كتائف االخرى ذات بالمقارنة مع ال)fc'=40 or 49 MPa( , فزيادة قيمةρhfyh تؤدي الى زيادة مقاومة القص %100 بمقدار%50بمقدار ρhfyhبينما زيادة قيمة , )fc'=49 MPa(للكتائف ذات %11.1و بمقدار ) fc'=40 MPa(للكتائف ذات %14.7بمقدار

الى 0.24من (k/h)كما وتبين من النتائج ان زيادة قيمة . %12.3مة القص بمقدار ادت الى زيادة مقاو) fc'=62 MPa(للكتائف ذات .%11.5تؤدي الى زيادة مقاومة القص بمقدار 1.00

Received 20 Oct. 2008 Accepted 16 Mar. 2009


2

IntroductionCorbels are short cantilever deep beams with shear span to depth ratio less than unity(1).

Corbels (or brackets) are usually built monolithically with columns, and they are project fromthe face of columns to support heavy concentrated load. Corbels are designed mainly toprovide for the vertical reaction Vu at the end of the supported beam, but unless specialprecautions are taken to avoid horizontal forces caused by restrained shrinkage, creep, ortemperature change, they must also resist a horizontal force Nu

(2) .According to ACI committee 363(3), High-Strength concrete (HSC) is a concrete

having cylinder compressive strength for the design greater than 41 MPa and it excludesconcrete made using exotic material or techniques. HSC is very often used in recent yearsbecause HSC offers many advantages over conventional concrete(3,4).

With the production of HSC, enhanced properties of concrete can be achieved.However, since high-strength concrete is typically more brittle than normal strength concrete,it should be ensured that higher strength can be used without leading to catastrophic brittlefailure. Most of the existing research on the behavior of corbel deals only with normal strengthconcrete (5,6,7,8). Also most code provisions are based on the results obtained using concretewith cylinder compressive strength less than 40 MPa(9). In 1985 yong et al(10) carried out test on 8 High-strength concrete corbels, with totalheight of 406 mm, length of projection from the column 254 mm, Width of 254mm and shearspan to depth ratio (a/d) equal to 0.39. The variables were the amount of main reinforcementand compressive strength of concrete. Two of the eight corbels which had no steelreinforcements had shear failure at the interface of the corbel and the column, and the failurewas sudden. The other six specimens which had main and shear reinforcement was failed in abeam-shear as defined by Mattock, Chen and Soonswong(6). From the result of the test theyconclude that ACI Code 1983(11) provisions are conservative, increase in concrete compressivestrength is not fully utilized in the corbels designed according to the ACI code 1983provisions, and for shear span to effective depth ratio equal to 0.393 which is used in this test,the ACI 318-83 imposed limit of shear strength Vn to 5.5 b.d results in a design area of mainreinforcement as that always falls below the minimum required area if the concretecompressive strength is greater than 65.7 MPa.

In 1994 Yong Y. and Balguru P.(9) tested a total of sixteen high-strength concretecorbels two of which were un reinforced. The primary variables of the investigation werepresence of horizontal force, reinforcement ratio and shear span-to-depth ratio (a/d). Thefailure of the fourteen reinforced corbels was stable and ductile, and classified as beam-shearfailure(6). The major difference between the corbels subjected to vertical load only and thosesubjected to both vertical and horizontal loads were in the area of secondary cracks and thespalling of the concrete between the cracks. The experimental results obtained in thisinvestigation are compared with prediction based on the equations specified in ACI 318-89,and the truss analogy method proposed by Hagberg(12). They state that ACI 318-89 procedureleads to an conservative prediction of strength. In general, the truss analogy method byHagberg provided better predictions of shear strength for the tested corbels as compared to theACI 318-89 procedure.

Foster et al(13) tested 30 high-strength concrete corbels, the main variables wereconcrete compressive strength, shear span to effective depth ratio, and the provision ofsecondary reinforcement. Based on the test results they concluded that:

1. The first cracks are flexural cracks propagating from the corbel-column intersection,2. Corbel fabricated from HSC behaved similarly to those made of normal-strength

concrete (NSC).3. Providing secondary reinforcement reduced crack widths, improved ductility, and for

beams failing in splitting to compression strut crushing. A minimum quantity of


3

horizontal stirrups similar to that for normal strength concrete should be used in HSCcorbels.

4. The ACI 318-89 design method is not recommended for use with corbels designedwith high and very high-strength concrete.

Ali et al(14) carried out tests on 13 reinforced high-strength concrete corbels without stirrups.The variables included in this study were (a/d) ratio and size of the corbel (d). d varied from71 to 292.5mm and a/d varied from 0.25 to 0.7. The test results compared with the value ofshear strength capacity predicted using equations proposed by kriz and Raths(5), Solanki andSabinis(15), Siao(16), and the ACI 318-99. The results showed that for geometrically similarspecimens, the unit shear stress at failure, vu for small specimens is higher than that of largespecimens. (i.e. the small depth specimens behaved better than the larger one) also the testresults indicated a significant size effect on the shear failure of the corbels, and that the safetyfactor for the larger corbel was lower than the similar smaller corbels. The available methodsused for predicating the ultimate shear strength of corbels failed to meet a wide range of depth(size) for which the design is safe, except the ACI 318-99 method which is better than theothers in this field.

This investigation is mainly concerned with studying the strength and behavior ofreinforced high-strength concrete corbels with main tension bars and horizontal stirrups asshear reinforcement. Parameters of this study include concrete compressive strength, main andsecondary reinforcement ratio, and the k/h ratio.

Experimental ProgramThe details of reinforcement and dimensions of corbel specimens are shown in Table

(1) and Fig.(1). Each corbel was identified by the label Cxn, where the letter (Cx) denotes thegroup and (n) denotes the number of the tested corbel. The tested corbels were divided intofive groups: C1, C2, C3, C4 and C5. The main parameters studied in this investigation wereconcrete compressive strength, amount of shear reinforcement ratio (groups C1-C3), flexuralreinforcement ratio (group C4) and the ratio of outside depth to the total depth of the corbel(group C5).

Table (1) Detail of tested reinforced concrete specimens

Gro

up N

o.Sp

ecim

enN

o.

f'c

MPa

ρh.fyh

MPa

ρw

%k/h Detail of reinforcement

Stirrups Main bars

1C11 40

1.535 1.034 0.5 2-Ø8 mm 4-Ø12 mmC12 50C13 60

2C21 40

2.305 1.034 0.5 3-Ø8 mm 4-Ø12 mmC22 50C23 60

3C31 40

3.071 1.034 0.5 4-Ø8 mm 4-Ø12mmC32 50C33 60

4 C41 50 2.305 0.517 0.5 3-Ø8 mm 2-Ø12 mmC42 0.776 3-Ø12 mm

5C51

50 2.305 1.0340.24

3-Ø8 mm 4-Ø12 mmC52 0.74C53 1.00

-Note: shear span-to-effective depth ratio (a/d) equal to 0.565 for all corbel specimens.


4

( C53 )

( C51 )

( C52 )

Vu uV

6

1

8

VuuV

3 5

VuuV

4

Detail A

Anchor bar

d b2

2bd

Main bar

( C1 )

( C2 )

( C3 )

( Detail A )

1. 4-f12.7 mm main reinforcement.2. 2-f8 mm horizontal stirrups.3. 3-f8 mm horizontal stirrups.4. 4-f8 mm horizontal stirrups.5. f10 mm framing bars to holdstirrups.6. f8 mm ties at 160 mm c/c.7. 4-f12.7 mm column reinforcement.8. Steel bearing plate 100x180x20mm.

2

7

Vu uV

Vu uV

Vu uV

1

1

1

3

3

(Plan of corbel)16 7

239

135

135

100

100

135 200 135

250 250

135 200 135

65

205

3

200

70

270

250 200 250

180

Fig.(1) Detail of the corbel and reinforcement.

MaterialsThe cement used in this investigation was Turkish Portland cement type I (P.C. type

I). The fine and coarse aggregate (sand and gravel) obtained from Aski Kalak which iscommonly used in Erbil Governorate, there grading satisfies ASTM C33 specification. Themaximum size of the coarse aggregate was 9.52 mm. The Glenium admixture (GLINUMACE 30) was used in specimens C13, C23 and C33 by 0.5% of the weight of cement.Deformed bars of diameters 12 mm (fy=415 MPa) were used for the main tensionreinforcement for the corbels and as longitudinal reinforcement in the column, also it is usedas cross bars to anchor the main steel at the ends of the corbels. Deformed bars of diameter 8mm (fy=415 MPa) were used for shear reinforcement in the corbel and as ties in the column,10 mm diameter deformed bars used as framing bars to support the stirrups.


5

Mix Details and ProportionsMix proportion for production of high strength concrete requires more quality control

than normal strength concrete (NSC). The mix proportion selected from suitable ingredientsof concrete with relative quantities in order to meet the requirement of stronger concrete withsuitable workability. Two mix proportions selected from suitable test investigation to obtain asuitable different compressive strength. The third mix proportion used in this project is thesame proportion of second mix with adding admixture (GLINUM ACE 30). The detail of themix proportions is shown in Table (2).

Table (2) Mixes properties

No. Mix proportionC:S:G

W/CRatio

Ad/Cratio

1 1:1.23:1.87 0.36 ---2 1:1.05:1.625 0.325 ---3 1:1.05:1.625 0.28 0.005

The following equation can be solved for the total aggregate weight, knowing the weight ofcement, water and bulk specific gravity of the material.

1000=++++ad

ad

g

g

s

s

c

c

w

w wwwwwggggg

…..(1)

Where :gscw wwww ,,, and adw are weight of water, cement, sand, gravel and admixture

respectively.gscw gggg ,,, and adg are the bulk specific gravity of water, cement, sand , gravel and

admixture respectively.

Mixing Method, Casting and curingThe mixing procedure is important for obtaining the required workability. A digital

controlled rotary mixer of (1 m3) capacity was used. The interior surface of the mixer wascleaned and moistened before placing the materials. Initially the fine and coarse aggregateswere poured in the mixer, followed by 25% of the mixing water to wet them. Afterwards thecement was added. Finally the remaining 75% of the mixing water (with admixture for thethird mix proportion) was added gradually to the mix, and the mixing operation was continueduntil homogenous concrete was obtained.

Casting was started by placing the concrete inside the molds using a trowel. Aconcrete mix was placed in two layers and each layer was vibrated about 20 seconds usinginternal vibrator in four locations, the process of vibration has been continued for the finallayer until no further air bubbles appeared on the surface.

As casting was completed, the top surface of the specimens was thoroughly finishedwith a steel trowel. The forms were covered with damp canvas cloth and left for about 24hours. The specimens were then remolded carefully and covered with damp canvas for about28 days, after that left in air temperature and humidity until date of testing.

TestingThe corbels were tested by a universal testing machine of 100 ton (981 kN). A mechanicalmethod has been used for measuring the tensile strain of the main tension bars. The strain wasmeasured at location of maximum negative moment at the column-corbel junction, as shownin Fig.(2).


6

All the corbels were tested at age of 56 days. Two days before testing, the corbelswere painted (white) in order to help in locating cracks and taking photographs. The corbelswere tested in an inverted position, as shown in Fig.(3) the vertical load was applied at the topend of the column using a universal hydraulic testing machine. The corbel was seated on steelroller supports with horizontal surface of the corbel in order to get a shear span-to-depth ratio(a/d) equal to 0.565. The dial gauge was placed in its marked position.

An incremental stage loading was applied in order to obtain a continuous view of theperformance of each corbel. The load was increased by equal increment of one ton (9.81 kN).At each load stage the deflection and strains were recorded and a search was made for theappearance of any cracks. The positions, magnitude, and extents of the first and otherconsequent cracks were marked. As the failure was reached, the failure load was recorded,and the load was removed to allow taking some photographs of the final crack patterns.

Vertical loadingSpherical ball seat

Bearing plate (20 mm thickness)

Roller support

Bearing plate(20 mm thickness)

Main bars

Stirrup

Dial gauge Demec discs on the main steel bars

Fig.(2) Loading arrangement with location of demec discs and dial gauge.

Fig.(3) Loading machine and test setup.

Results of the Tested Specimens and DiscussionThe experimental results of the tested corbels are listed in Table (3). The following

sections show the effect of different parameters on the behavior of reinforced high-strengthconcrete corbels.


7

Effect of Compressive Strength of ConcreteThe ultimate shear strength increased by about 20.8% and 27.5%, were concrete

compressive strength increased from about 40 MPa to 62 MPa, for ρh.fyh values equal to 1.535and 2.305 MPa respectively. Fig.(4) shows the effect of compressive strength on ultimateshear strength of the tested corbels.

Effect of Main tension reinforcement ratioThe effect of main tension reinforcement ratio (ρw) on load carrying capacity is shown

in Fig.(5), an increase in main tension reinforcement ratio by about (100%) caused an increasein load carrying capacity by about (27.7%). With increasing (ρw) the ductility of the corbelincreased, the flexural crack has a larger width and length along the column-corbel interfacewhen (ρw) increased.

Table (3) Test results of the corbel specimens

Gro

upN

o. Specimen No.f'c *

MPa

ρh.fyh

MPa

ρw

%k/h

Vcracking

kN

Vu

kN

1C11 41.5

1.535 1.034 0.563.7 350.6

C12 48.8 71.6 382.8C13 61.4 ** 83.4 423.6

2C21 40.1

2.305 1.034 0.567.7 373.1

C22 51.3 78.5 405.8C23 62 ** 88.3 475.6

3C31 38.8

3.071 1.034 0.575.0 402

C32 46.4 85.8 425.2C33 63.5 ** 98.1 > 475.6***

4 C41 48.3 2.305 0.517 0.5 58.8 317.8C42 50.2 0.776 69.6 350.8

5C51 51.6

2.305 1.0340.24 78.5 382.7

C52 50.7 0.74 78.9 417.3C53 49.3 1.00 79.4 426.8

* fc' is taken as (0.8 x Cube compressive strength).* * Concrete with admixture.*** The specimen not failed (maximum capacity of the loading machine was 2 x 490.3 kN).

Effect of Horizontal Shear Reinforcement IndexAn increase in horizontal shear reinforcement index (ρh.fyh) by about 100% caused an

increase in ultimate shear strength by about 14.7% and 11.1% for concrete compressivestrength equal to about 40 and 49, while for concrete compressive strength of 62 MPa, anincrease in horizontal shear reinforcement index (ρh.fyh) by about 50% caused an increase inultimate shear strength by about 12.3% as shown in Fig.(6). This indicate that the contributionof shear reinforcement stress in increasing ultimate shear strength of the corbels was moreefficient for corbels with (fc'=62 MPa) than corbels having a smaller (fc').


8

Fig.(4)Shear strength versus fc'. Fig.(5) Shear strength versus ρw.

Fig.(6) Shear strength versus ρh.fyh. Fig.(7) Shear strength versus k/h.

Effect of The ratio of out side depth to total depth (k/h)As (k/h) increased from 0.24 to 1.00, the ultimate shear strength increased by 11.5%,

the effect of (k/h) on ultimate shear strength is shown in Fig.(7). The diagonal tension crack incorbel C51 which has the smallest ratio of (k/h) followed a more curved path to the slopingface of the corbel.

Load-Deflection curvesLoad-deflection curves for the tested corbels are shown in Figs.(8) through (12). The

deflection represent the movement of the loading jack (i. e. average deflection of the twocorbels of each specimen at the supports). Each one of these curves is initiated in a linear formwith constant slope. Then, it changes to nonlinear form with varying slope, as shown in theFig.(8) through (12). For the same applied load the deflection decreased due to increasing thecompressive strength of concrete, the amount of reinforcement (both longitudinal bars andhorizontal stirrups) and the ratio (k/h).


9

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 1 2 3 4

Deflection (mm)

Load

per

cor

bel

(kN

)

C11C12C13

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 1 2 3 4

Deflection (mm)

Load

per

cor

bel

(kN)

C21C22C23

Fig.(8) Load deflection curves for corbels ingroup one.

Fig.(9) Load deflection curves for corbelsin group two.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 1 2 3 4

Deflection (mm)

Load

per

cor

bel

(kN

)

C31C32C33

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 1 2 3 4

Deflection (mm)

Load

per

cor

bel

(kN

)

C41C42C22

Fig.(10) Load deflection curves for corbelsin group three.

Fig.(11) Load deflection curves forcorbels in group four.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Deflection (mm)

Load

per

cor

bel

(kN)

C51C22C52C53

Fig.(12) Load deflection curves for corbels in group five.

Strain in Main ReinforcementFor all the tested corbels the main steel bars yielded before the maximum load was

reached. Figs.(13) through (15) show the effect of various parameters which is studied in thisresearch on the main bar strain. As shown in the figures for all the tested corbels first thecurves was steepest, terminated at the occurrence of the first flexural crack. After the initiationof the first crack, the strain increased rapidly for a small load increment.


10

Cracking LoadThe first cracks to form were flexure crack which propagated from the intersection of

the column face and the horizontal face of the corbel. The first crack loads for the testedcorbels are listed in Table (3).

For corbels having the same compressive strength, first cracking load increased as thenumber of horizontal stirrups or main bars increased, also with increasing the compressivestrength the first cracking load increased.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Strain in main steel ( x 10-5 mm/mm)

Load

per

cor

bel

(kN)

C21C22C23 0

50100150200250300350400450

0 100 200 300 400Strain in main steel ( x 10-5 mm/mm)

Load

per

cor

bel k

N

C12

C22

C32

Fig.(13) Effect of concrete compressivestrength on main steel strain for corbels with

ρh.fyh=2.305.

Fig.(14) Effect of ρh.fy h on main steelstrain.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 200 400 600 800 1000 1200

Strain in main steel ( x 10-5 mm/mm)

Load

per

cor

bel

(kN

)

C41C42C22

Fig.(15) Effect of ρw on main steel strain.

Crack Pattern and Modes of FailureThe tested corbels in group one, two and three have a similar failure pattern (Fig.16),

for the specimen C33 loading was stopped at load of about 475.6 kN and the corbel not failed(the ultimate shear strength of this corbel specimen was more than the capacity of the loadingmachin). First, a flexural crack initiated at the reentrant corner, after formation of this cracksthe tension reinforcement stress increased much more rapidly. While this crack waspropagated along the column-corbel interface, a diagonal tension cracks appeared in thecorbels. These cracks run among a point between the inner edge of the bearing plate and thepoint of intersection of the sloping face of the corbel and column face. This cracks become themajor crack which caused the failure. The failure was stable and ductile and could beclassified as beam-shear failure which defined by Mattock et al(6). In this type of failure theflexural cracks remained fine and failure was characterized by widening of one or morediagonal tension cracks and the shear-compression failure of the concrete near the intersectionof the sloping face of the corbel and the column face.


11

Fig.(16) Crack pattern of the tested corbels.

In group four where amount of longitudinal reinforcement changed, for corbel C42which has 3 Ø12mm as main reinforcement (ρw=0.776%), the width of flexural crack wasmore than those for corbels having 4 Ø12mm main reinforcement (ρw=1.034%). But also thiscorbel failed in beam-shear as described before .Corbel C41 having only 2 Ø12mm as mainreinforcement (ρw=0.517%) failed in flexural tension, the failure occurs by crushing of theconcrete at the bottom of the sloping face of the corbel after extensive yielding of the tensionreinforcement. flexural tension failure characterized by a very wide flexural crack. The failure

C12


12

of this corbel was more ductile than corbel failed in beam-shear. Also the three corbels (C51,C52 and C53) in group five which having various (k/h) ratio failed in beam-shear asdescribed earlier, but the difference in crack pattern can be noted in corbel C51. The diagonaltension crack in corbel C51 followed a more curved path to the sloping face of the corbel.

ConclusionsBased on the experimental results of this investigation the following conclusions can bedrawn:

1. All corbels in group one, two, three (except C33), five, and corbel C42 failed in beam-shear. the failure was stable. Corbel C41 failed in flexural tension, the failure wasstable and more ductile than the other corbels which failed in beam-shear.

2. Increasing in reinforcement ratio (ρw and ρh) and (k/h) leads to increase in corbelstiffness and ultimate shear strength.

3. The behavior of high-strength concrete corbels is similar to that of normal strengthconcrete corbels. The increase in compressive strength (fć) leads to increase the loadcarrying capacity of the corbels but dose not caused brittle failure of the corbels.

4. The increase in shear reinforcement index (ρh.fyh) was more efficient for corbels with(fć=62 MPa) than corbels with (fć=40 or 49 MPa).

References:-1. ACI-Committee 318, "Building Code Requirement for Structural Concrete (ACI 318M-02) and

Commentary-ACI 318RM-02)," American Concrete Institute, Detroit, Michigan, 2002.2. Nilson, A. M., Darwin, D., and Dolan, Ch. W., "Design of Concrete Structures," Thirteenth Edition,

2004.3. ACI Committee 363 "State-of-the-Art Report on High-Strength Concrete," (ACI 363R-84), American

Concrete Institute, Detroit, 1996, 59 pp.4. Eur Ing W F Price, "High-Strength Concrete," Concrete For the Construction Industry, V.33, No.6,

June, 1999, pp. 9-10.5. Kriz, L. B., and Raths, C. H., "Connections in Precast Concrete Structure-Strength of Corbels," PCI

Journal, V. 10,No. 1, Feb., 1965, pp.16-61.6. Mattock, A. H., Chen, K. C., and Soongswang, K., "The Behavior of Reinforced Concrete Corbels,"

PCI Journal, Prestress Concrete Institute, March-April, 1976, pp. 53-77.7. Mast, R. F., "Auxiliary Reinforcement in Concrete Connections," Proceedings of the American Society

of Civil Engineering, V. 94, No. ST6, June, 1968, pp. 1485-1504.8. Hermansen, B. R., and Cowan, J., "Modified Shear-Friction Theory for Bracket Design," ACI Journal,

Proceedings, V. 71, No. 2, Feb., 1974, pp. 55-60.Yong, Y. K., and Balaguru, P., "Behavior of Reinforced High-Strength Concrete Corbels," Journal ofStructural Engineering, ASCE, V. 120, No. 4, Apr. 1994, pp. 1182-1201.

9. Young, Y. k., McCloskey, D. H., and Naway, E. G., "Reinforced Corbels of High-Strength Concrete,"High-Strength Concrete, SP-87, American Concrete Institute, Detroit, 1985, pp. 197-212.

10. ACI Committee 318, "Bulding Code Requirements for reinforced Concrete (ACI 318-83)," Detroit,1983.

11. Hagberg, T, "Design of Concrete Brackets: On the Application of the Truss-Analogy, "ACI Journal, V.80, No. 1, Jan.-Feb., 1983, pp. 2-12.

12. Foster, S. J., Powell, R. E., and selim, H. S., "Performance of High-Strength Concrete Corbels," ACIStructural Journal, V. 93, No. 5, Sept.-Oct., 1996, pp. 555-563.

13. Yousif, A. R., Aziz, O. Q., and Muhammad, A. H., "Size Effect on Shear Failure of High-StrengthReinforced Concrete Corbels without Stirrups," Zanco, Journal of Pour and Applied Science,Salahaddin University-Hawler, V. 16, No. 1, 2004.

14. Solanki, H., and Sabnis, G. M., "Reinforced Concrete Corbels-Simplified," ACI Structural Journal, V.84, No. 5, September-October, 1987, pp. 428-432.

15. Siao, W. B., "Shear Strength of Short Reinforced Concrete Walls, Corbels, and Deep Beams," ACIStructural Journal, V. 91, No.2, March-April, 1994, pp. 123-132.

KHATTAB : Stability Analysis of MOSUL Dam under Saturated and Unsaturated Soil

13

Stability Analysis of MOSUL Dam under Saturated andUnsaturated Soil Conditions

Suhail. A. A. KHATTAB

Assistant professorMosul University-Civil Engineering Department

Abstract Failure of earth dams can be caused also by seepage problems, foundationinstability, deformation, surface sliding, and earthquakes. The most critical conditionsthat may cause failure of the embankment are: differential settlement, development ofshearing within the embankment and foundation, and development of seepage throughthe embankment and foundation. The stability and factor of safety against Mosul damembankment sliding are determined considering a possible rapid drawdown andearthquake conditions and using three methods. Unsaturated condition was consideredassuming the shear strength parameter (fb) to be (0, 0.5f, f). GEO-SLOPE OFFICEwas used as the analytical tool to simulate both seepage, slope stability, and earthquake.Seepage through dam was analyzed for three period rapid drawdown of water level(30,21,8 day) with the associated saturated-unsaturated transient seepage.

The main results indicated that the minimum slope stability factors of safety werereached using Bishop method and was achieved during 8 day water drawdown andwithin the second day which indicates the most critical case.

Keywords: Seepage, MOSUL Dam, Finite Element, Slope Stability, Rapid Drawdown,unsaturated soil mechanics.

تحلیل استقراریة سد الموصل لحالتي التربة المشبعة وغیر المشبعة

أستاذ مساعد /سھیل إدریس عبد القادر خطاب

استاذ مساعدقسم الھندسة مدني–كلیة الھندسة –جامعة الموصل

الخالصةضافة إلى انزالق السطح فشل السدود الترابية يمكن أن يكون نتيجة لمشاكل التسرب وعدم ثبوتية األسس باإل

الهبوط التفاضلي، نشوء : إن أكثر الظروف الحرجة التي قد تسبب انهيار المنشأ الترابي هي.بسبب الهزة األرضيةتم إيجاد ثبوتية وعامل األمان . قوى قص خالل االمالئيات واألسس، ونشوء وظهور الجريان خالل االمالئيات واألسس

بنظر االعتبار أمكانية حدوث تفريغ سريع للمياه أو هزة أرضية وباستخدام عدد من المالئيات سد الموصل باألخذاخذ بنظر االعتبار في التحليل الحالة المشبعة والغير المشبعة لتربة لباب السد وبفرض معامالت القص . طرق التحليلتم تحليل . في التحليلGEO-SLOPE OFFICE، استخدم برنامج )0,0.5f,f(ة إلى ساويم)fb(الغير المشبعة

يوما ومن خالل التحليل االنتقالي للتسرب ) 30,21,8(التسرب خالل السد الترابي بثالث احتماالت لتفريغ المياه خالل .خالل الترب المشبعة وغير المشبعة

ستخدام طريقتي أظهرت أهم النتائج إن الحد األدنى لمعامالت ثبوتية المنحدرات التي تم استنتاجها من خالل ا)Bishop & Lowe-Karafiath .( كما تم استنتاج أن الحالة الحرجة كانت خالل ظروف التفريغ السريع للمياه

.أيام وخالل اليوم الثاني) 8(خالل

Received 28 Oct. 2008 Accepted 8 April 2009


14

1. INTRODUCTIONPracticing engineering now is well aware that many of the problems they encounter in

geotechnical engineering and construction involve unsaturated soils. Most of the engineeringproblem that involving heave, consolidation, collapse, and dramatic change in shear strengthare directly related to the behavior of unsaturated soils.

Numerical simulations represent a good tool that always lead to simplify the realstructure and extensively used nowadays. The numerical analysis was also able toqualitatively simulate the behavior and any possible damage pattern of a dam[1]. Sakamoto etal. used numerical simulation to study the sliding of an earth dam during the 1995 KobeEarthquake, which caused shallow sliding on the upstream slope below water level ofKitayama dam. Results showed that a large residual deformation and shear strain occurred atthe shallow area of the upstream slope below the water level.[1]

Many other studies were conducted applying finite element programs (FLAC,SEEP/W and GEO-SLOPE-6) to study the seepage, liquefaction and failure analysis ofseveral earth embankment dams namely, Mochikosk, Merah, Bukit and Labong dams.Results were compared with the real observation of same dams (Byrne and Seid-Karbasei,Kaadan et. al., Mohammed et. al., Kerkes, et. al., Chen and Zhang). Results indicated a goodability of the mathematical models to describe, simulate, analyze and predict many dynamicand hydraulic properties of the studied earth dams.[2,3,4,5,6]

In common practice, it is normal for designer to provide an appropriate factor of safetyin their analysis of slope stability. This is important to make sure that the designed slopes aresafe and to prevent critical condition where the stress mobilized in soil is more than or equalto the shear resistance and to prevent any unexpected factors during analysis and constructionsuch as wrong data, analysis mistakes, poor workman ship and supervising at sik, etc…. .Table (1) shows the significance of factor of safety for design [7,8].

Table (1): Significance of Factor of Safety for Design of SlopesSafety factor Significance Less than 1 Unsafe

1.0-1.2 Questionable safety1.3-1.4 Satis factor for custs, fills, questionable for dam1.5-1.75 Safe for dam

In this study the effect of negative pore water pressure in the driest and wettestconditions on each of seepage analysis, slope stability analysis, and quake analysis is studiedusing computer modeling software (GEO-SLOPE-5). This work is focused on the stability ofMosul dam considering a possible rapid drawdown and earthquake conditions. The possibleenforce rapid drawdown due to water evacuation from reservoir (in case of emergency) willbe studied considering three conditions "According to the river valley capacity down streamof the dam and the duration of evacuation of water from the reservoir". The studied conditionsare (i): normal condition within 30 days (no risk). (ii): critical condition within 21 days (withsome losses ). and (iii): urgent condition 8 days water evacuation time. A finite element analysis using SEEP/W and QUAK/W is accomplished in two steps:model the problem by, designing the finite element mesh, defining the material properties andspecifying the boundary conditions followed by analyzing the model by formulating andsolving the finite element equations.


15

2. THEORY3.1 Seepage Analysis: SEEP/W is formulated on the basis that the flow of water

through both saturated and unsaturated soil follows Darcy's low which states that:[9]………………(1)

Where: q is specific discharge; k is hydraulic conductivity; i is gradient of fluid head.Darcy's low was originally derived for saturated soil, but later researches [10] has shown

that it can also be applied to the flow of water through unsaturated soil.The governing differential equation used in the formulation of SEEP/W is:[9]

………………(2)

Where H is total heads kx & ky are hydraulic conductivity; Q is applied boundary flux;q is volumetric water content; t time.Under steady-state condition the equation reduces to:

………………(3)

The stress state for both saturated and unsaturated condition can be described by twovariables. These stress state variables are pore-air pressure (-ua) and matric suction (ua-uw)where; ua is the pore-air pressure, and uw is the pore-water pressure.

The second assumption is that the pore-air pressure remains constant at atmosphericpressure during transient processes. This means that the formulated in terms of effective stress(s-uw) remains constant and has no effect on the change in volumetric water content. Changesin volumetric water content are consequently depend only on the (ua-uw) stress state variable,and with ua remaining constant, the change in volumetric water content is a function only ofpore-water pressure changes.

A change in volumetric water content can be related to a change in of pore-waterpressure by the equation:

………………(4)

where mw is the slope of the storage curve.The total hydraulic head is defined as:

………………(5)

where uw is the pore-water pressure; gw is unit weight of water; y is elevation.uw=(H-y), by substitution into Equation (2)

………………(6)

Since the element is constant:

………………(7)

The finite element equation that follows from applying the Galerkin method ofweighed residual to the governing differential equation is:


16

...(9)

where [B] is gradient matrix; [C] is element hydraulic conductivity matrix; His vector ofnodal heads.

The finite element solution for a transient analysis is a function of time as indicated bythe H. The time integration can be performed by a finite difference approximation.writing the finite element equation in terms of finite difference leads to the followingequation.

where is time increment; w is a ratio between 0 and 1, H1 is head at end of timeincrement; Ho head at start of time increment; Q1 nodal flux at end of time increment;Qo nodal flux at start of time increment; [K] element characteristic matrix; [M] elementmass matrix.

Using Gauss numerical integration to form the element characteristic matrix [K] andthe mass matrix [M]. The integrals are sampled at specifically defined points in the elementsand the summed for all the points.The following integral:

………………(10)

Can be replaced by:

………………(11)

where j integration point; n number of integration points; determinant of the Jacobianmatrix; W1j, W2j =weighting factors.

3.2 Slope Analysis: SLOPE/W uses the theory of limit equilibrium of forces and moments tocomputer the factor of safety against failure. A factor of safety is defined as that factor bywhich the shear strength of the soil must be reduced in order to bring the mass of soil into astate of limiting equilibrium along a selected slip surface. For an effective stress analysis, theshear strength is defined as:[9]

………………(12)

Where S shear strength; c' effective cohesion; effective angle of internal friction;total normal stress; u pore-water pressure.

For the total stress analysis, the strength parameter are defend in terms of total stressesand pore-water pressures are not required.

Factor of Safety for Saturated and Unsaturated Soil: For unsaturated soil, a modifiedMohr-Coulomb equation must be used to described the shear strength of an unsaturated soil:

………………(15)

where fb is the undrained shear strength parameter.

…………(8)


17

It is possible to re-derive the above factor of safety equations using the shear strengthequation for an unsaturated soil. As the method of slices is used in the analysis, the mobilizedshear force at the base of slice, Sm, can be written,

………………(16)

The normal force at the base of a slice, N is derived by summing forces in the verticaldirection:

………………(17)

when only moment equilibrium is satisfied, the factor of safety equation can be written as,

………………(18)

The factor of safety equation with respect to horizontal force equilibrium can be written as,

………………(19)

when the soil is saturated, the fb term must be set equal to f'.

3.3 Quake Analysis: The governing motion equation for dynamic response of a system infinite element formulation can be expressed as:[9]

………………(20)

where [M] mass matrix; [D] damping matrix; [K] stiffness matrix; vector of nodalacceleration; vector of nodal velocities; vector of nodal displacement.The vector of loads could made up by different forces:

………………(21)

where: F is vector of load; body force; force due to surface boundary pressure; concentrated nodal force; and gF earthquake loads.

The mass matrix can be a consistent mass matrix or lumped mass matrix. The consistent massmatrix:

<N> dv ………………(22)

The lumped mass matrix:

………………(23)where r mass density; <N> row vector of interpolation functions; y a diagonal matrix ofmass distribution factors.Damping matrix assume to be a linear combination of mass matrix and stiffness matrix:


18

Figures.(1): Plan of MOSUL Dam

C

C

B

B

A

A

………………(24)where a & b are scalars and called Rayleigh damping coefficients. They can be related to adamping ratio h by:

………………(25)

where w is the particular frequency of vibration for the system.The Reyleigh damping coefficient was taken from QUAKE/W program, by using the lowestand the second lowest system frequencies and a constant damping ratio. These values issupposed to represent the dynamic situation in the Mosul Dam area.The stiffness matrix is:

………………(26)

where [B] is strain displacement matrix; [C] constitutive matrix.

3. CASE STUDYIn this study application of numerical solution for saturated-unsaturated flow of water

and stability analysis of MOSUL dam. Finite element method based on unsaturated soil theoryand slope stability analysis based on concept of slices. Three conditions of water rapiddrawdown were applied which represent the critical cases stated in the objectives (section 3,introduction).

Figure (1): Plane of MOSUL Dam

MOSUL dam is an earth dam, 3.6 Km long, maximum high of more than 113 m, damwidth of 650 m and crest level is 343 meters above sea level, located about 50 Km north ofMOSUL city on Tigris river. Figures (1) and (2) show the plan and cross-sections of the damrespectively.

4.1 Seepage AnalysisThe dame site in this study is modeled by SEEP/W model, which could be used to

analyzed both simple and complex seepage problems. SEEP/W model uses the finite elementmethod for two dimensional darcy's flow in both saturated-unsaturated soils. The major


19

differences between water flow in saturated and unsaturated soil are (i) the coefficient ofpermeability is not a constant but is afunction of degree of saturation or matric suction in unsaturated soils, and (ii) the volumetricwater content of unsaturated soil can be vary with time.[10]

(a): section A

(b): section B

(c): section CFigure (2): Cross-Sections and Selected Element Mesh of MOSUL Dam

The application of dam model was made by sketching the earth dam cross section whichis discreditized into a finite element mesh consisting of triangular and quadrilateral regions,using quadrilateral element as shown in Figure (2). Each element in the mesh must beassociated with a soil type and boundary condition. The material Properties of the Shell,Filter, and Clay core are shown in Table (2).Water evacuation time during transient rapiddrawdown is shown in Table (3).

Table (2):Shell materials, Filter, and Clay core, properties[average resultsobtained from the Mosul dam directory documents]

No. Parameter Unit Shell Filter Core1. Dry density kN/m3 19.5 19.5 17.882. Natural density kN/m3 20.5 20.5 21.33. L.L - - - 384. Angle of internal friction Deg. 37 37 29.55. Cohesion ( c) kN/m2 0 0 266. Permeability m/sec 1.69*10-5 1.69*10-3 3.5*10-11

7. Poisson ratio - 0.25 0.25 0.358. Modules of elasticity kN/m2 69000 69000 7616

Table (3): The water evacuation time during transient rapid drawdown at 8,21 and 30days

Step # Initial 1 2 3 4 5 6 7 8 Waterevacuation Time

Time(day)

0 2 6 10 14 18 22 26 30 300 2 6 10 14 18 22 210 2 4 8 8

core

core

core

Filter

Filter

Filter

Zones Zones

ZonesZones

ZonesZones

Upstream

Upstream

Upstream


20

Clay Core

Filter

The grain size distributions, hydraulic conductivity functions, and soil watercharacteristic curve of the soils are shown in Figures (3),(4) and (5). Soil water characteristiccurves of the zone and core material are predicted using Fredlund and Xing method[8]. Thefunction of water drawdown at time (30, 21, 8) day are shown in Figure (6).

4.2 Slope Stability AnalysisSlope stability analysis, using computer modeling software SLOPE/W were conducted

base on three methods: Bishop, Morgenstern-Price, and Lowe-Karafiath by dividing the soilmass above slip surface into vertical slices, with seepage analysis done using SEEP/W.

Figure (3): Grain Size Distribution of the Soils.

It should be noted that;- Bishop method satisfies only moment equilibrium consider normal forces but not shear

force between the slices.

Shell Materials


21

Shell MaterialsClay Core

Filter

- Morgenstern-Price method satisfies both force and moment equilibrium. The direction ofthe inter slices force is set equal to the average of the ground surface slope at the top ofthe slice and surface slop at the bottom of the slice.

- Lowe-Karafiath method satisfies only force equilibrium uses a selected inter slice forcefunction f(x)=Half-sine.

The transient saturated-unsaturated seepage output model used as data input in theslope satiability analysis. Mohr-Coulomb failure criteria used for soil models to simulate theshear strength characteristic of a soil with three values of unsaturated shear strength parameterfb (0, 0.5f, f) .

Figure (4): Conductivity Function For the Soils Used


22

Clay Core Shell Materials & Filter

30 Day 21 Day

8 Day

Figure.(5): Soil Water Characteristic Curve for the Soils Used

Figure (6): Function of Water Evacuation Time Drawdown With Time


23

4.3 Dynamic Stability AnalysisDynamic analysis of MOSUL dam was performed using transient saturated-

unsaturated seepage output model at the end of time of rapid drawdown water level as datainput in the quake analysis. Pore pressure function Pore pressure function are defend as shownin Figure (7) which are used during earthquake shaking. Earthquake recorded imported fromGEO-SLOPE library for 10 sec corresponds to an acceleration of 0.34g as shown in Figure(8). [9]

Figure (7): Pore Pressure Function [9] Figure (8): Earthquake Recorded [9]

Where N is the stress cycles; and NL is the stress cycles required to produce liquefactionin Figure (7).

5. RESULTS OF THE ANALYSISResults of the slope stability analysis of the dam (factor of safety) considering the

water drawdown level at time (8, 21 and 30) day are shown in Figure (9). The minimum slopestability factors of safety was achieved within the second day in the case of 8 day waterdrawdown. These values for the indicated case (8 days) were less than 2 (FOS< 2), while thefactors of safety were ranging between 2-2.5 for the other cases (water evacuation time 21 and30 days). Consequently, the case of (8) day drawdown is very critical condition comparedwith the two other drawdown cases. It is worth mentioning here that the values of the slopestability factors of safety of the cases (30 and 21 days of water drawdown) are nearly the samefor the three sections (secA, secB, secC ) applying the three indicated methods of calculation.Transient flow was also studied considering the steady state value as the initial condition, andthen water level was assumed to decrease according to the selected drawdown steps shown inTable (2). In this case, the FOS values was found to be low in the first days and then, itincreases at the end of the water evacuation time of 8,21 and 30 days. It is clear that theminimum FOS values were obtained considering a steady state flow case through saturatedsoils. Here, it could be concluded that the lowest values of FOS (FOS< 1.0) was obtained atthe second day for drawdown case of 8 days which represent the most dangerous case thatshould be considered.

On the other hand, Figure (9) also show the values of slope stability factor of safetyfor three selected cross section (secA, secB, secC ). These Figure indicate that the factors ofsafety are more critical in the dam parts near sections (A and B) and is more safe near sec (C)for selected analytical slope stability methods and selected unsaturated shear strengthparameters (fb). This is obvious due to the height difference between these dam parts.


24

Bishop

Morganic-Price

Lowe-K

rifiath

Fact

or o

f saf

ety

Time (day)

Bishop

Morganic-Price

Lowe-K

rifiathFa

ctor

of s

afet

y

Time (day)Figure 9 (a): Dam Section A

Figure 9 (b): Dam Section B


25

Bishop

Morganic-Price

Lowe-K

rifiath

Time (day)

Fact

or o

f saf

ety

Figure 9 (c): Dam Section C

Figure (9): For dam sections (A,B & C) factor of Safety For the studied waterdrawdown cases (8,21 and 30) days

Table (3): Stability factors of safety of Mosul dam during the earthquake shakingat the end of 2nd day

Concerning the method of slope stability analysis, Figure (9) also show that thehighest slope stability factors of safety were reached using Morgenstern-Price method. This isdue to the consideration of both force and moment equilibrium in the analysis, while the twoother methods either force and moment equilibrium in the analysis. while in the two othermethods either force and moment equilibrium is considered in the analysis.

Sat.( steady) Unsat.( steady). 30 day 21 day 8 daySection A

Phb=0 0.912 0.963 0.858 0.772 0.527Phb=0.5ph 1.017 1.003 0.98 0.86 0.683

Phb=ph 1.061 1.08 1.03 0.96 0.866Section B

Phb=0 0.923 0.996 1.015 0.972 0.756Phb=0.5ph 1.066 1.08 0.931 0.823 0.783

Phb=ph 1.074 1.146 0.983 0.883 0.758Section C

Phb=0 0.986 0.985 0.911 0.869 0.724Phb=0.5ph 1.097 1.095 1.043 1.066 1.086

Phb=ph 1.166 1.150 1.074 1.100 1.18


26

The effect of unsaturated shear strength parameters used for the slope stability factorof safety was also shown in the same Figure indicated that increasing the values of (fb) leadsto a more safe conditions against sliding with the most critical condition in the saturated case.

Finally, the response of Mosul dam during the earthquake shaking was obtained at thesecond day for drawdown cases ( 30, 21, 8 day) which represent the most critical anddangerous case, in term of slope stability factors of safety presented in Table (3). This tableshows a very critical factors of safety, i.e FOS near and below 1.0, for all studied damsections and for all drawdown times and (fb) values.

6. CONCLUSIONS The obtained results indicated a critical situation of the dam from slope stability point of

view during 8 day water drawdown and within the second day especially near sections A andB of the saturated earth dam . The effect of considering the unsaturated conditions was foundto increase the FOS.

The response of Mosul dam during the earthquake shaking at the end of the time of therapid drawdown water levels at ( 30, 21, 8) day in term of slope stability factors of safety ispresented in Figure. Stability factors of safety of Mosul dam during the earthquake shaking atthe end of 2nd day are presented in Table (3). This table shows a very critical factors of safety,i.e FOS near and below 1.0, for all studied dam sections and (fb) values.

7. REFFERENCES

1. Sakamoto, T., Yoshida, H., Yamaguedi, Y, "Numerical Simulation of Sliding of anErath Dam During the 1995 Kobe Earthquake", The 22nt USSD Annual Conference,JAPAN, 2002.

2. Byrne, P. M., and Seid,-Karbasi, M., "Seismic Stability of Impoundment", 17th AnnualVas, 2003.

، مجلة "في اليابانMochikoshiالتحليل الستاتيكي والديناميكي لسد " كعدان عمار، وآخرون، .3.2006بحوث جامعة حلب سلسلة العلوم الهندسية،

4. Mohammed, T. A., Huat, B. B., Aziz, A. A., Omar, H., Maail, S., and Noor, M. M.,"Seepage through Homogeneous and Non- Homogeneous Earth Dams: Comparisonbetween Observation and Simulation", EJGE, Vol. 11, Bunadleb, 2006.

5. Kerkes, D. J., Fassett, J. B., "Rapid Drawdown in Drainage Channels with Earthen SideSlope ", ASCE, Texas section meeting, TX, pp 19-22, 2006.

6. Chen, Q., and Zhang, L. M., "Three – Dimensional Analysis of Water Infiltration intothe Gouhou Rock fill Dam Using Saturated-Unsaturated Seepage Theory", CanadianGeotechnical Journal, Vol. 43, No. 5, 2006 .

7. "Engineering Field Manual", Elementary Soil Engineering, pp 38-42, GovernmentPrinting Office, 1941.

8. Binkamaruddin, A. H., "Slope Stability Analysis in Unsaturated Slope", B.S.C.,University Teknologi, Malysia, 2007, pp 3-24.


27

9. GEO-SLOP User's Guid, "GEO-SLOPE OFFICE For Finite Element Analysis", Ver. 5,2002.

10. Fredlun, D. G. and Rahardjo, H. , "Soil Mechanics For Unsaturated Soils", John Witey& Son, Inc., 1993.

جامعة الموصل–تم اجراء البحث في كلیة الھندسة


28

STRENGTH AND DURABILITY OF GYPSEOUS SOIL TREATEDWITH WASTE LIME AND CEMENT

Dr. M.A. Al-Obaydi I. M. Al-Kiki A. H. Al-Zubaydi

Lecturer Lecturer Assistant LecturerUniversity of Mosul- College of Engineering

AbstractRecently huge amount of various by-product materials have been produced from industrials. These materials havedetrimental effects on the environment. Hence, the re-use of such materials for different purposes as for constructionwork or other activities is essential goal of this study. Because some of geotechnical problems are associated with thegypseous soils as a foundation, hence the waste lime as one of the by–product material has been added to improvetheir properties. In addition, the combined additives of waste lime plus cement have been examined and comparedwith those treated either with waste lime or cement. Soil with 23% gypsum content has been treated with waste limeup to 8% and combined additives of waste lime plus cement by percentages of (4%+8%, 6%+8% and 8%+8%).These mixtures have been compared with the soil stabilized with cement up to 16%. The results indicated theefficiency of the combined additives of waste lime and cement in the improvement of compressive and tensilestrengths of gypseous soil. The treated soil becomes more durable against the cycles of wetting and drying. Samplestreated with cement or combined additives gain more durable ability, while those treated with waste lime alone failunder durability circumstances (wetting and drying cycles). The combined additive of waste lime plus cement(4%+8% and 6%+8%) is approximately equivalent to the 16% cement from strengths view point. Accordingly, thiswould reduce the amount of cement required for stabilization about 50% by using waste lime.Keywords: Gypseous soil, Industrial waste lime, Durability, Soil Stabilization.

مقاومة ودیمومة التربة الجبسیة المعاملة بمخلفات النورة والسمنت

یديعبدالرحمن ھاني طھ الزب ابراھیم محمود احمد الكیكي معتز عبدالجبار العبیدي. د

مدرس مساعد مدرس مدرسجامعة الموصل-كلية الهندسة

الخالصةلهذه المواد تأثيرات سلبية على , في السنوات األخيرة ازداد إنتاج المخلفات الصناعية من مختلف المعامل وبكميات كبيرة

تـم اختيـار . تخدام هذه المخلفات في األعمال االنشائية يعتبر هدف من أهداف هذه الدراسـة عليه فان اعادة اس. البيئةكـذلك تـم %). 23(مخلفات النورة كاحدى المخلفات الصناعية في تحسين الخواص الهندسية لتربة ذات محتوى جبسي

مثبتـة امـا بمخلفـات النـورة او وقورنت مع تلك ال, )السمنت+ مخلفات النورة (اختبار التثبيت المركب والمكون من + بينما كانت نسبة المثبت المركب من مخلفـات النـورة , % 8وصلت نسب مخلفات النورة المضافة الى حد . بالسمنتأظهرت نتائج %. 16وقورنت نتائجها مع تلك المثبتة بالسمنت فقط ولحد %) 8%+8و % 8%+6, % 8%+4(السمنت

أيضا أصبحت التربـة . ص مقاومة االنضغاط غير المحصور ومقاومة الشد للتربةالتثبيت المركب تحسن كبير في خصائفي حين لم تظهر نماذج التربة المثبتـة , أكثر ديمومة) السمنت+ مخلفات النورة (المثبتة بالسمنت والمضافات المركبة

و 8:4(ب التثبيت المركـب أعطت نس. إذ فشلت خالل تعرضها لدورات الترطيب والتجفيف, بمخلفات النورة أي ديمومةوهذا بدوره قلل من نسبة السمنت الالزمـة للتثبيـت مـن , %)16(نتائج مكافئة لنسبة السمنت ) سمنت: مخلفات 8:6

.باستخدام مخلفات النورة%)8(الى %) 16(

Received 20 Sept. 2008 Accepted 29April 2009

Al-Obaydi : STRENGTH AND DURABILITY OF GYPSEOUS SOIL TREATED WITH

29

1. IntroductionVarious types of solid waste materials such as plastic strips, fly ash and waste lime have

been produced from industrial factories as by-products. These materials create many environmentproblems. The problems are associated with water, air and soil which affect the characteristics ofsuch surroundings. Many studies have been carried out in order to use these waste materials toimprove the engineering properties of the soil [1,2,3]. The tensile strength and compressibility ofthe soil are improved when the fly ash added to the soil [4,5]. The efficiency of these wastematerials increased when combined with the lime [3].

Some investigations in the region consider the effect some of by-products in liquid orsolid phase on different types of soils. Al-Kiki [6] observed an improvement in compactioncharacteristics of a clayey soil treated with liquid by-product produced from different factories inMosul. In other study, Al-Kiki [2] examined the effect of waste lime on engineering properties ofexpansive soil classified as CH. Both unconfined compressive and shear strengths have beenincreased while the swelling ability reduced. The ability of waste lime to increase the durabilityof soil, under extreme conditions of wetting and drying cycles, is less than that offered by lime[7]. Reactions between soil constituents and waste lime are similar to that occurred with soil andlime [8].Generally, it is preferable to use one additive like lime, cement or waste lime. However, the usingcombined additives in some cases may give better results. Al–Jobouri [9] stated that the soiltreated with cement alone by 6% and 8% are equivalent, respectively, to the combined additivesof cement plus lime by percentages of (1% + 3%) and (2% + 9%).Accordingly, it is more convenient to use combined stabilizer such as cement along with thewaste lime. This is more pronounced when susceptible soil to water located in the region likegypseous soils which covered about 20% of the area of Iraq [10]. Hence, In the present study, agypseous soil has been treated with waste lime, cement and combined additives of waste limeplus cement in different percentages to examine the improvement of its strengths and durability.

2. Experimental Program2.1 Materials used2.1.1 Soil

The gypseous soil used in this study was brought from Al-Jerin, about 45 km South ofMosul city, Iraq, at depth 2.0m below the ground surface. It was oven-dried for two days at 60oC,thereafter, thoroughly mixed and stored in plastic bags until testing. Index properties of theinvestigated soil are presented in Table (1).

2.1.2 Cement and industrial waste lime (as additives)Ordinary Portland cement (c) from Badush cement factory is used in this study. The

chemical composition of the cement is shown in Table (2).Industrial waste lime (wl) as by-product production (500-1000 tons/year) was obtained

from sugar factory in Mosul city. This waste material is a mixture of many impurities (with smallpieces of limestone rocks) organic and inorganic, soluble and insoluble. The chemical propertiesof industrial waste lime are also listed in Table (2).


30

Table (1) Physical and chemical properties of natural soil.Properties ValuesLiquid Limit (%) 41Plastic Limit (%) 16Plasticity Index (%) 25Linear shrinkage (%) 10.7Total Soluble salts (%) 31.5SO3

= (%) 0.42Gypsum content (%) 23.0Organic matter (%) 1.2Specific gravity 2.6Gravel (%) 1Sand (%) 10Silt (%) 53Clay (%) 36Soil Classification (USCS) CL

Table (2) Chemical composition of cement and waste lime.Composition Ca(OH)2 CaO CaCO3 AL2O3 Fe2O3 SiO2 MgO H2O L.O.S

Cement (c) ----- 62.2 ----- 2.69 5.47 21.8 2.65 0.05 5.14Waste lime

(wl) 43.6 8.19 12.74 14.9 0.42 16.9 3.13 0.1 -----

2.1.3 WaterTap water was used in the preparation of samples as well as in all the tests.

2.2 Testing program.2.2.1 Index properties tests

The soil was characterized by evaluating the specific gravity, Atterberg limits, and grain-size distribution of the solid particles. The tests were carried out according to ASTMspecifications [11]. However, the gypsum content was determined based on the proceduresuggested by USDA – Agricultural Handbook No. 60 [12]. The amount of organic matter andsulphate were determined according to the standard procedure adopted by Department of interiorBureau of Reclamation and B.S standard respectively [13,14]. Using the results of the grain-sizedistribution and plasticity limits, the soil was classified according to both the Unified SoilClassification System (USCS).

2.2.2 Sample preparationA modified Proctor compaction effort (ASTM D-1557) was adopted in the preparation of

samples. The specific amount of the either waste lime, cement or waste lime plus cement of order(2 to 8 %), (4 to 16 %) and (4%+8% to 8%+8 %), respectively, was added as percentages of ovendry soil. Thoroughly mixing of soil and additives was carried out in dry state. The requiredamount of water was then added and again mixed until obtaining a uniform moisture distribution.The mixture was then placed in plastic bags for mellowing time of 24 hour for untreated soil, one


31

hour for waste lime [15] and 10 min. for cement or waste lime/cement treated soil [9]. Thereafter,the mixture was compacted in a specific mold for the required test.

The treated samples were subjected to curing period of 7 days at 25oC. An indirect tensileand unconfined compression tests were performed on cured samples.

2.2.3 Strength testsThe unconfined compression test was performed to assess the strength of untreated and

treated soil samples in accordance with ASTM (D-2166) on cylindrical samples of 50 x 100 mmsize.

Brazilian tests were carried out to determine the indirect tensile strength for untreated andtreated soils. Marshall mold with 100 mm dia. by 50 mm height was chosen to produce thesamples under 75 blows of a standard Marshall hammer per face.

2.2.4 Durability tests of treated soilConstruction materials, used in different civil engineering applications, should have

sufficient durability against alternate wetting and drying, frost susceptibility and alternatefreezing and thawing which in turn depends on the material property and field conditions.

Two approaches have been suggested to examine the durability of the treated samplesagainst wetting and drying cycles. First approach is the slake durability test adopted by theInternational Society for Rock Mechanics [16]. The second one considers the effect of the cyclesof wetting and drying on tensile and unconfined compressive strengths.

In slake durability test, six ball pieces, having oven dry weight between 90 to 100 gm,have been taken from treated samples [7]. These samples already compacted at optimum moisturecontent (OMC) and maximum dry unit weight (γmax) of modified compaction curves, and cured at25oC for 7 days. The slake durability index (Id) is defined as:

100´=XYI d …………. (1)

where X= weight of oven dried sample before first cycle started, Y= weight of oven driedsample retained in mesh drum after 10 minutes of drum rotation (one cycle).

In the second approach, the treated samples, compacted at OMC and γmax of modifiedcompaction curves, have been subjected to 12 wetting and drying cycles. Each cycle representedby 2 days wetting and 2 days drying at constant temperature of 25 oC.

3. Results and Discussion3.1 Characterization of gypseous soil

The soil selected for the present study has 23 % gypsum content can be classified ashighly gypseous soil according to the classification proposed by Nashat [17]. Based on the datapresented in Table (1), the soil classified as CL according to the unified soil classification system.Table (3) shows some of the index properties of treated soil with waste lime or cement. The dataindicate that the soil becomes non plastic upon the addition of either 8% waste lime or cementand the treated soil transforms to ML type soil. Such changes may be attributed to the immediatereaction, i.e., flocculation and agglomeration, which in term reduces the amount of clay sizeparticles.

The pH – values increases with stabilizers percent and the addition of waste lime gives ahigher value than cement addition as shown in Table (3).


32

Table (3) Index properties and pH values of natural and treated soil.Property

Naturalsoil

Waste lime treated soil Cement stabilized soilWaste lime (%) Cement (%)

2 4 6 8 4 8 12 16A

tter

berg

e lim

its(%

)

L.L 41 37 35 33 NP 39 38 36 NP

P.L 16 22 24 26 NP 28 31 33 NP

P.I 25 15 11 7 ----- 13 6 3 -----

Linearshrinkage (%) 10.7 7.3 6.0 4.0 ----- 7.2 5.5 3.0 -----

Classification CL CL CL -ML ML ----- ML ML ML -----

pH-value 8.43 9.88 11.20 11.99 12.14 9.95 11.33 11.54 11.63

3.2 Compaction characteristicsThe compaction characteristics of untreated and the treated soil with different percentage

of waste lime, cement and combined stabilizers (cement plus waste lime) are shown in Fig. (1).The maximum dry unit weight (γmax) decreases with the addition of waste lime or cement, whilethe optimum moisture content (OMC) increases. The percent of reduction in the (γmax) was foundto be more in the case of addition of the waste lime than that in case of cement. This reduction isdue to the immediate reactions between waste lime and soil, which represented by theflocculation and agglomeration and may be to the grain-size of waste lime. In case of cement asadditives, some of compaction effort dissipated to break the early cementing bonds created duringthe mellowing time (10 min) before compaction. Similar behavior has recently been notated byAl-Jobouri [9]. The increases of (OMC) with increasing either stabilizers waste lime or cementmay be due to increase of the fine material and due to the hydration of chemical stabilizers. Therewas no fundamental difference in (OMC) when cement was added in the range of (0 – 12 %),however, there was a slight increase in (OMC) when soil stabilized with 16 % cement. Similarbehavior has been noticed with the combined additives (Fig. 1c).

3.3 Strength of treated soilIn this section the results of the unconfined compressive strength (σc) and the tensile

strength (σt) have been presented for different types and percents of selected stabilizers. Thevalues of σc and σt have been illustrated in Figs. (2 and 3) respectively. It is observed that thecompressive and tensile strengths increased upon the addition of any additives (waste lime,cement or combined). This belongs to the reaction that may occur between the soil constituentsand the additives. The changes in the pH-values give marks of such reaction (see Table 3). Forwaste lime the strength increases up to (6 %) then decreases. The reduction in strength when thesoil is treated with (8 %) waste lime is due to the extra waste lime, which acts as a fill materialdue to uncompleted reaction with the short curing period (7 days). The soil treated with (2,4,6 and8 %) waste lime attains after (7) days curing maximum values of σc and σt of order (1106, 1219,1680 and 1440 kN/m2) and (174, 215, 275 and 220 kN/m2) respectively. For natural soil the σcand σt are 1054 kN/m2 and 140 kN/m2 respectively.


33

As shown in Figs. (2 and 3), the strength initially increases with increasing cementcontent. The values of σc and σt of the soil with (4, 8, 12 and 16 %) cement are: (2127, 4810,5522 and 6089 kN/m2) and (511, 803, 875 and 930 kN/m2) respectively. Higher cement content

16

17

18

19

20

5 10 15 20 25

0 % w.l+C4+8 % w.l+C6+8 % w.l+C8+8 % w.l+C

w/c (%)

Dry

unit

wei

ght (

kN/m

3 )D

ryun

itw

eigh

t (kN

/m3 )

Dry

unit

wei

ght (

kN/m

3 )

Fig. (1) Compaction characteristics of treated soil.

(b) Cement addition

(c) Combined additives

16

17

18

19

200 % w.l2 % w.l

4 % w.l6 % w.l8 % w.l

17

18

19

200 % C4 % C8 % C

12 % C16% C

(a) Waste lime addition

Natural

Natural

Natural


34

may lead to much higher strength value, but beyond certain limit becomes uneconomic. Themaximum values of σc and σt of order, respectively, 4810 and 803 kN/m2 obtain with 8% cementafter 7 days curing are sufficient for a rigid base application in highway pavement design [18,19].Hence, this percent of cement, i.e. 8%, was adopted to add with waste lime as combinedstabilizer. Accordingly, different percentages of waste lime (4, 6 and 8 %) were added alongwith8 % cement to the soil.

w/c (%)

σ c(k

N/m

2 )σ c

(kN

/m2 )

σ c(k

N/m

2 )

Fig. (2) Unconfined compressive strength of treated soil.

0

500

1000

1500

2000Natural2 % w.l4% w.l

6 % w.l8 % w.l

0

2000

4000

6000

8000Natural4 % C

8 % C12 % C16 % C

0

2000

4000

6000

8000

0 5 10 15 20 25

Natural4+8 % w.l+C

6+8 % w.l+C8+8 % w.l+C


(b) Cement addition



35

w/c (%)

σ t(k

N/m

2 )σ t

(kN

/m2 )

σ t(k

N/m

2 )

Fig. (3) Tensile strength of treated soil.

0

100

200

300Natural2 % w.l

4% w.l6 % w.l8 % w.l

0

200

400

600

800

1000Natural4 % C

8 % C12 % C16 % C

0

500

1000

1500

0 5 10 15 20 25

Natural4+8 % w.l+C

6+8 % w.l+C8+8 % w.l+C


(b) Cement addition



36

The results together presented in Table (4) as well as Fig. (2) show that the combinedadditives of waste lime plus cement by order (4 % + 8 %) gave unconfined compressive strengthvalue of order 6806 kN/m2. This value is higher than that obtained from add 16 % cement whichhas σc of 6089 kN/m2. For other mixtures additives of waste lime and cement, i.e. (6%+8% and8%+8%), the unconfined compressive strengths are 6000 and 5417 kN/m2 respectively.

Table (4) Increasing in an unconfined compressive strength (σc) with additives.Wastelime(%)

Max.σc

(kN/m2)

Increasingstrength

(%)

Cement(%)

Max.σc

(kN/m2)

Increasingstrength

(%)

Wastelime :

Cement(%)

Max.σc

(kN/m2)

Increasingstrength

(%)

2 1106 5.0 4 2127 102.0 4:8 6806 546.04 1219 16.0 8 4810 356.0 6:8 6000 469.06 1680 59.0 12 5522 424.0 8:8 5417 414.08 1440 37.0 16 6089 478.0 ----- ----- -----

· Max. σc of natural soil = 1054 kN/m2

·( ) ( )

( ) 100=(%)strengthecompressivIncreasingc

cmaxc ´-

natural

natural

sss

On the other hand, Table (5) as well as Fig. (3) show that the value of the tensile strengthof combined waste lime plus cement (4 % + 8 %) is 1063 kN/m2, while it is 930 kN/m2 when 16% cement added. For waste lime plus cement mixtures (6%+8% and 8%+8%) the tensile strengthof order 870 and 790 kN/m2 respectively.

Table (5) Increasing in tensile strength (σt) with additives.Wastelime(%)

Max.σt

(kN/m2)

Increasingstrength

(%)

Cement(%)

Max.σt

(kN/m2)

Increasingstrength

(%))

Wastelime :

Cement(%)

Max.σt

(kN/m2)

Increasingstrength

(%)

2 174 24.0 4 511 265.0 4:8 1063 659.04 215 54.0 8 803 474.0 6:8 870 521.06 275 96.0 12 875 525.0 8:8 790 464.08 220 57.0 16 930 564.0 ----- ----- -----

· Max. σt of natural soil = 140 kN/m2

·( ) ( )

( ) 100=(%)strength tensileIncreasingt

tmaxt ´-

natural

natural

sss

Finally, it should be noted that the cement or combined stabilizer (cement plus wastelime) attains higher strengths, while the lowest strength is associated when the waste lime addedalone.

3.4 Slake durability indexSlake durability index (Id) values of the stabilized samples cured for 7 days at 25oC are

presented in Fig. (4). While performing the test, it was observed that the untreated soil samplesand samples treated with (2 %) waste lime did not sustain even the first cycle. Also the sampleswith (4 and 6 %) waste lime and those with (4 %) cement are collapsed before the 12th cycle. The


37

samples treated with other percents of cement (8,12 and 16 %) and those treated with combinedstabilizers exhibit medium to high durability against wetting and drying cycles [20]. This is agood indication of composed a cementing bond between soil particles upon the addition ofcombined stabilizer.

3.5 Effects of wetting and drying on the strength of treated soilFigures (5 and 6) show the effects of wetting and drying cycles on the unconfined

compressive strength (σc) and tensile strength (σt) respectively. The results show an averagereduction in the σc ranging between (13 to 63 %) and between (61 to 73 %) for cement andcombined stabilizer respectively. For σt the reduction ratios are between (46-72 %) and between(41-72 %). It is worth mentioning, that all samples treated with different percent of waste lime orthat treated with (4 %) cement have been collapsed before the 12th cycles. The samples of naturalsoil and the samples treated with (2 %) waste lime is collapsed after few hours immersion. Thisindicates that, the waste lime-soil mixture did not resist the effect of environmental conditionssuch as wetting and drying. These results confirm the results obtained from the slake durabilitytest. However, the results proved that the durability of the cement treated soil or durability of thecombined stabilizers soil give a good indication of the performance of the stabilized gypseoussoil.

Thus the mixture design of waste lime stabilized soil should not depend only on the σcand σt, but the durability of treated soil should be considered. Also the results indicated that theaddition of cement, especially higher cement content (16 %) gave more resistance against wettingand drying cycles than that offered by combined stabilizers. However, the available waste lime incombined stabilization plays a good role to increasing the strength during wetting and drying.

0

20

40

60

80

100

1200 3 6 9 12 15

2%w.l 4%w.l 6%w .l 8%w.l4%C 8%C 12%C 16%C4+8% 6+8% 8+8%

No. of cycles

Loss

inw

eigh

t (%

)

Fig. (4) Loss in weight (%) with wetting and drying cycles.

w.l+C w.l+C w.l+C


38

4. Correlation of Test ResultsTo correlate the indirect tensile strength (σt) with the unconfined compressive strength, σc

for waste lime, cement and combined stabilizer, different models were initially studied to obtainthe best fit among these two parameters, i.e. σc and σt. The investigated models were linear andexponential.

0

2000

4000

6000

8000

0 3 6 9 12

4+8 % w.l+C6+8 % w.l+C

8+8 % w.l+C

No. of cycles

σ c(k

N/m

2 )σ c

(kN

/m2 )

σ c(k

N/m

2 )

Fig. (5) Variation of compressive strength (σc) withwetting and drying cycles of treated soil.

0

500

1000

1500

20004% w.l6 % w.l

8 % w.l

0

2000

4000

6000

8000 4% C8% C12% C16% C


(b) Cement addition



39

0

300

600

900

1200

0 3 6 9 12

4+8 % w.l+C6+8 % w.l+C8+8 % w.l+C

No. of cycles

σ t(k

N/m

2 )σ t

(kN

/m2 )

Fig. (6) Variation of tensile strength (σt) withwetting and drying cycles of treated soil.

0

100

200

3004% w.l6 % w.l

8 % w.l

0

200

400

600

800

1000 4% C8% C12% C16% C


(b) Cement addition


σ t(k

N/m

2 )


40

The best fitting model for the laboratory data of waste lime and cement stabilization isrepresented, respectively, by the following linear relationships:

σt = - 37.425 + 0.174 (σc) (R2 = 0.8272) …………. (2)

σt = 54.218 + 0.1422 (σc) (R2 = 0.8750) …………. (3)

For combined stabilization is represented by following exponential model:

σt = 328.29 × (e)0.0002(σc) (R2 = 0.9350) …………. (4)

The use of correlation formulas suggested above is limited to range of results of thepresent study. For more general formula, further samples need to be tested.

5. Effect of Stabilizer ContentTo statistically and numerically quantify the degree of improvement attained by the waste

lime, cement and combined stabilization, the σc and σt data were analyzed in terms of thestabilizer content. These relationships can be expressed in the following models:

σc (kN/m2) = 555 + 298 (wl) – 22.5 (wl)2 (R2 = 0.743) …………. (5)

σt (kN/m2) = 50.25 + 71.52 (wl) – 6.187 (wl)2 (R2 = 0.743) …………. (6)

σc (kN/m2) = 1490 + 315.38 (c) (R2 = 0.743) …………. (7)

σt (kN/m2) = 451 + 33.05 (c) (R2 = 0.743) …………. (8)

σc (kN/m2) = 8171.7 – 347.5 (wl) (R2 = 0.995) …………. (9)

σt (kN/m2) = 1320 – 68.75 (wl) (R2 = 0.945) …………. (10)

where c = cement percent (%) , wl = waste lime percent (%)The first two polynomial equations (Eqs. 5 and 6) indicated that the strengths (σc and σt)

increase up to the optimum percent of waste lime then decrease. The percent of decreasing instrength depends on the increasing in waste lime percent, for the same curing conditions. Thesecond two models (Eqs. 7 and 8) show linear relationships. These relationships indicate that asthe stabilizer content increase, the strength will increase almost linearly, but we see the verses inthe last two models for combined stabilization (Eqs. 9 and 10), which the waste lime alone hascontrol the strength, due to fixed amount of cement at 8%. All six correlations are practicallygood, as evidenced by the (R2) values. These models allow the determination of the appropriatecontrol of these stabilizers for any quantum of strength, i.e. σc and σt.

6. Application of Cement and Combined StabilizationSince cement displayed superior performance in terms of the unconfined compressive and

tensile strengths (σc and σt), it is feasible to consider the possibility of using stabilized gypseoussoils in pavement layers, as these soils occupy about (20 %) of the total area in Iraq [10]. In theother side the economic factors should be considered, when the cement use as a stabilizer.

According to the American Concrete Institute Committee 230 source [21], the minimum7-day σc specified for the sub-base and sub-grade in rigid pavement construction by the U.S.Army Corps of Engineers, is 1380 kN/m2 (200 psi), for the base course the value of σc goes up to3450 kN/m2 (500 psi). For flexible pavement construction, however, these values are 1725 and


41

5175 kN/m2 (250 and 750 psi), respectively. For gypseous soil-cement mixture and soil-wastelime/cement mixture, the seven days unconfined compressive strengths σc of (8,12 and 16 %)cement and of (4%+8%, 6%+8% and 8%+8 %) waste lime plus cement additions were 4810,5522, 6089, 6806, 6000 and 5417 kN/m2 respectively (Figs. 2 and 3).

Thus, all the above suggested percent of the additives satisfy the criterion for sub-base andbase course requirements in a flexible and rigid pavement and passes all of the requirements ofthe USACE. The exception is (8 %) cement –soil mixture which does not met the criterion forbase course requirements in a flexible pavement. Therefore, the (8 %) cement may be easilyselected for use in sub-base layers in flexible pavements and in base course layers in rigidpavements. For more economic and more durability we can use the (4%+8%) wastelime+cement-soil mixture could be used instead of cement percents (12% or 16 %). However, thebehavior of cement or combined additives (waste lime+cement) remains under the questioned inthe presence of water.

7. ConclusionsThe following conclusions can be drawn from this study:1. The results of this study highlight the potential use of waste lime and cement as a stabilized

agent for improving the engineering properties of gypseous soil.2. An addition of waste lime and cement lead to decrease of the plasticity index of treated soil,

and soil become non plastic at (8 %) waste lime or cement.3. The optimum waste lime content is 6 % for maximum unconfined compressive and an

indirect tensile strengths, while these values increasing almost linearly with cement content.4. The soil treated with cement gave higher strength than that treated with waste lime.

However,the long term effect of sulphate attack cement may be occurred.5. Only cement and combined stabilizers succeeded in improving the strength of gypseous soil

against durability factors, which represented by wetting / drying cycles and slake durability.6. In reference to the USACE requirements, the (8 %) cement-soil mixture can be easily

incorporated in road construction as a base course in rigid pavement or as a sub-base inflexible pavement, while the (12 and 16 %) cement and (4%+8%, 6%+8% and 8%+8%) wastelime plus cement passes all of the requirements of the USACE. It is worth mentioning herethat the effect of water leaching should be considered and studied before using these results.

8. References1. `Sobhan K. and Mashnad M. “Mechanical Stabilization of Cemented Soil-Fly Ash

Mixture with Recycled-Plastic Strips”, Journal of Environmental Engg., ASCE, Vol.129,No.10, 2003, pp.774-782.

2. Al-KiKi I. M. “Improvement of Expansive Clayey Soil with Waste Lime”, Tikrit Journalof Engg. Science, Vol.13, No.3, 2006, pp.42-61.

3. Ghosh A. and Subbarao C. “Tensile Strength Bearing Ratio and Slake Durability of Class-F Fly Ash Stabilized with Lime and Gypsum”, Journal of Materials in Civil Engg., ASCE,Vol.18, No.1, 2006, pp.18-27.

4. Consoli N. C., Prietto P. D. M., Carraro J. A. H. and Heineck K. S. “Behavior ofCompacted Soil-Fly Ash Carbide Lime Mixture”, Journal of Geotechnical andGeoenviromental Engg., ASCE, Vol.127, No.9, 2001, pp.774-782.

5. Edil T. B., Acosta H. A. and Benson C. H. “Stabilization Soft Fine-Grained Soils with FlyAsh”, Journal of Materials in Civil Engg., ASCE, Vol.18, No.2, 2006, pp.283-294.


42

6. Al-KiKi I. M. “Study the Effect of Industrial Waste (Industrial Waters) on theEngineering Properties of Expansive Clayey Soil”, M.Sc. Thesis, 2001, Civil EngineeringDepartment, College of Engineering, University of Mosul.

7. Khattab S. A. A., Al-KiKi I. M. A. and Al-Juari K. A. K. “ Strength, Durability andHydraulic Properties of Clayey Soil Stabilized with Lime and Industrial Waste Lime” Journalof Al-Rafidain Engg., Vol.16, No.1, 2006, pp.102-116.

8. Little D. N. “Fundamental of the Stabilization of Soils with Lime”, National LimeAssociation, 1987, Bulletin # 332.

9. Al-Jobouri M. M. K. “Study of the Effect of Combined Stabilization by Lime and Cementof Soil Selected from Mosul Area on its Engineering Properties Especially Hydraulic”, M.Sc.Thesis, 2007, Civil Engineering Department, College of Engineering, University of Mosul.

10. FAO. “Management of Gypsiferous Soil”, Bull. No.62, 1990, Rome, Italy.11. ASTM. “Annual Book of ASTM Standards”, Soil and Rock, Building Stones, Geotextiles,

Vol. 04.08, 1992, Section- 4, Construction.12. USDA. “Diagnosis and Improvement of Saline and Alkali Soils”, Agriculture Handbook

No. 60, 1954.13. Department of Interior Bureau of Reclamation. "Earth Manual", Denver, 1st Ed., 1968,

Colarado.14. British Standard. "Methods of Testing Soils for Civil Engineering Purposes", B.S.1377,

1975, British Standard Institutions.15. Little D.N. “Handbook for Stabilization of Pavement Sub Grade and Base Courses with

Lime”, National Lime Association, 1995, Kendall Hunt Publishing Company, Iowa, USA.16. ISRM. International Society for Rock Mechanics. “Suggested Methods for Rock

Characterization, Testing and Monitoring”, ISRM Commission on Testing Methods, 1981,Oxford, U.K.

17. Nashat I. H. “Engineering Characteristics of Some Gypseous Soils in Iraq”, Ph.D. Thesis,1990, Civil Engineering Department, College of Engineering, University of Baghdad.

18. Ingles O. G. and Metcalf J. B. “Soil Stabilization Principles and Practice”, 1972, Sydney,Butterworth.

19. Cumberledge G., Hoffman G. L. and Bhajandas A. C. “Curing and Tensile StrengthCharacteristics of Aggregate-Lime Pozzolan”, Transportation Research Record 559, TRB,Washington, D.C., 1976, pp.21-29.

20. Goodman R. E. “Introduction to Rock Mechanics”, 2nd Ed., 1989, John Wiley, NY, USA.21. American Concrete Institute Committee 230. “State of the Art Report on Soil Cement”,

ACI, Materials Journal, Vol.87, No.7, 1990, pp.39-417.

جامعة الموصل–یة الھندسة تم اجراء البحث في كل


43

Photogrammetric Precision of a Desktop Scanner

Rasheed Saleem Abed

LecturerUniversity of Mosul, Remote Sensing Center

AbstractScanners are used to convert analogue photography into digital format. High quality

and precision photogrammetric scanners are not easily reachable due to their high cost. Thispaper investigates a new strategy to test a sample low cost desktop scanner to estimate theachievable precision of the product. The digitization quality of the test pattern is investigatedat different warm up times and different positions in the scanning area. Notes are given on theperformance of the scanner in geometric and radiometric aspects that are essential forphotogrammetric applications.

Keywords: Scanner, precision test, digital image.

الدقة التصویریة لجھاز السكانر

رشید سلیم عبد

مدرسمركز التحسس النائي, جامعة الموصل

صالملخ. Analogue to Digitalتستخدم أجهزة السكانر لتحويل البيانات من صور أو رسوم على الورق الى صيغة رقمية

ويصعب الحصول على األنواع ذات الكفاءة والدقـة العاليـة منهـا والتـي تصـلح ألعمـال المسـح التصـويري Photogrammetric Scannersليل احد األنواع الشائعة والرخيصـة في هذا البحث يتم تح. بسبب كلفتها العالية

ان كفـاءة عمليـة التحويـل . من جهاز السكانر للتعرف على مدى الدقة الممكن الحصول عليها في الصور المنتجةالرقمي لنموذج األختبار قد تم تحليلها في مواقع مختلفة من مساحة الصورة وعلى فترات تشغيل مختلفة لمالحظـة

ويقدم البحث مالحظات حول جوانب تتعلق بالدقـة الموقعيـة . ل على نتائج عملية المسحتأثير الموقع ووقت التشغي.والكفاءة الضوئية وهي عناصر هامة لدقة اعمال المسح التصويري

Received 23 Feb. 2009 Accepted 26April 2009

Abed : Photogrammetric Precision of a Desktop Scanner

44

IntroductionPresently, analogue photography is still a major source of air survey data. Few decades

ago, it was the only available media for photographic data capture and storage. Oldphotogrammetric data and maps in this format is prone to various types of distortion due tobad storage, humidity, wear, and various physical and chemical effects. It is highlyrecommended at this stage to convert available photogrammetric data into digital format.

A photograph in digital format is composed of a matrix of digital numbersrepresenting the intensity of light reflected from various surface materials. In this format,photographs are more suitable for computerized automated processing. Image processing toolsare used for mapping more speedily as compared with traditional manual techniques (Mikhailet al. 2001). Photographs in digital formats can be stored as computer files on CDs or DVDsfor unlimited periods of time. The result image quality is always identical to first ever copyproduced.

The major source of digital data is that obtained directly from the imaging media suchas, satellite, aerial or terrestrial digital cameras. For old and analogue photographs, scannersare used to convert data into digital formats. Photogrammetric quality scanners of highestprecision are recommended if the geometry have to be preserved in the product (Bolte et al.1996). Photogrammetric scanners are costly, usually made with high precision requirements.Electronic components, lenses and movable parts are all made for higher performance.Examples are, UltraScan5000, VX3000, RM-1 and others ( Michael et al. 2000 ). On the otherhand, desktop scanners are continuously upgraded and modified. Unlimited brands aredisplayed in the market with lower prices. Most are used for ordinary day to day use forscanning photographs and documents. Yet the degree of geometric precision obtained fromthese scanners is not well documented.

Desktop scanners are basically intended for quite different type of users than thetypical photogrammetric usage. Accordingly, these types of scanners must be checked beforeuse in photogrammetric measurements. Several important features define the level of scannerexploitation in photogrammetry (Mitrovic. Et al., 2000):

1- Scanner type (flatbed or drum),2- The suitable scanning format.3- Geometric resolution in dpi,4- Radiometric resolution in bytes or bits per pixel,5- Geometric accuracy.6- Density range.7- Capability of scanning transparent materials.

In order to objectively evaluate geometric accuracy it is necessary to know the most importanterror sources and their nature. In general, these errors can be divided into slowly andfrequently varying errors.(Mitrovic. et al., 2000)Slowly varying errors are:1- Lens distortion2- Misalignments of CCD sensors3- Imperfection of transport mechanism

Frequently varying errors are:1- Vibration2- Electronic noises3- Mechanical positioning


45

This paper introduces a method to test the attainable precision from using a sampledesktop scanner usually available at lower price in the market. The author exploits theexpected precision and the usable resolution that is suitable for mensurations. Mention oftrade names or commercial products in this article is only for the purpose of providingspecific information and does not imply any recommendation.

MaterialsThe sample scanner used in this investigation is the Epson Stylus CX3900. A low cost

easy to use and widely available scanner of A4 paper size. (also used for printing andphotocopy). Fig. (1.)

Figure (1.) The sample desktop scanner used in this work.

The major aim of this study is to investigate precision and radiometric aspects of thescanner. This requires the preparation of a reference frame of control points distributed allover the scanning area. Accordingly, detected errors (shifts in point locations) are measuredand evaluated at different locations.

It is not easy to prepare a test pattern with precisely known coordinates of points(Baltsavias E. et al, 1995). A special glass plates with etched marks of well defined X,Ycoordinates is not available. The author suggests generating a matrix of control points usingAutoCAD program. This pattern covers the whole area of an A4 paper size, the activescanning area of the scanner under investigation. This assures evenly distributed set of pointshaving double precision values of coordinates. Accordingly, these coordinate values are usedfor monitoring any shifts in point locations due to errors in successive scans to be made later.see Fig (2.)

Figure (2.) The test model with enlarged view of control points A1, A2, B1.


46

This map of control points was printed and used later for the consecutive set of scans. Thescanning process was performed immediately to assure that the paper material do not shrinkor expand due to humidity, heat or bad storage. The following set of scans were performed onthis sample.

1- Immediately after starting the scanner before warm up period, three consecutive scanswere made on the sample with exactly the same configuration. This will be used tocompare the repeatability of output ( images 21, 22, 23, namely image group (21)).

2- After warm up period of approx 30 min., three more scans were performed. This isperformed to observe the effect of warm up period on error in point locations ( imagegroup (27), 28, 29)

All scans were made at resolution of 600 dpi (0.042 mm /pixel) resulting in images of5100 columns X 7019 rows. The requirement to perform higher scanning resolution waspostponed according to the outcome of this study. At this stage, all images are converted intoraster format.In order to measure locations of control points on a scanned image, measurements can beperformed using the human eye and computer mouse movements on enlarged views of eachpoint. This is a manual way where human error may occur in locating fine details of points.The author suggests the use of an automated method, i.e., A raster to vector conversionprogram that vectorizes the scanned document. The program R2V digitizing software (AbleSoftware, 1998) vectorizes or converts raster images into thin lines and stores the result intodxf (vector) format. In the program, vector lines follow the centerlines of thin raster paths.

In dxf format. AutoCAD program displays the result. Comparisons are made betweenany selected sets of measurements. In all cases, reference measurements were made relative tothe control point at the lower left end of the frame (point P1 as in Fig.(2)).

Tests and ResultsDue to the raster nature of the scanned pattern, lines and edges are contaminated with

irregular spots affecting the degree of detail that can be observed for line and pointidentification as shown in Fig. (3.) Possible reasons are given below.

1- Enlargement of digital images causes individual pixels begin to appear and causediscrete pattern. This is case is normal in raster image manipulations.

2- Randomness of pixel locations can be the result of improper electronic, mechanicaland optical performance of the scanner.

3- Point shifts and irregularity in locations may come from defects of the originalscanned image.

Figure (3.) A typical control point a)-In ideal vector form, and b)- after scanning.

Moreover, applying raster to vector conversion program to raster images inherits muchof these defects in the output. Vectorizing the pattern shown in Fig (3b) produces the shape of

a b


47

the sample control point in Fig (4.) Obvious defects in the vector product make locationmeasurements using computer mouse on points of the control pattern to be fuzzy. All shiftmeasurements were made on this vector form of the test pattern.

Figure (4.) Vectorized form of typical control point from Fig (3 b.)

Test results show that errors or shifts in point locations are distributed all over thescanning area. Position errors that appear early during startup period are considerably less inmagnitude (Fig (5a).) as compared to results after warm up period which are shown in (Fig(5b.)). In both cases slight image change in dimensions is obvious in both row and columndirections. Particular note is that the left column of control points has less amount of shiftswhich increases gradually towards the right and towards both sides of the central row. Visualinspection of the shift arrows shows superior quality of image group 21 ( before warm upperiod) as compared to that of group 27 (after 30 minutes).

Figure( 5 ) a) Shift errors in image group 21 . b) Shift errors in image group 27,magnification factor : 30

Statistical testing of the results for image group 21 for the frequency and amounts of shiftis shown in the histogram and table of fig 6., with average amount of 0.243 mm. Thehistogram shape is approximately normal, it shows the errors of combined systematic andrandom components. Figure 7 shows the histogram and table for image group 27. In this case,although the average error is less (0.168 mm). The histogram shape departs from normality,skewed and have higher standard deviation.

In both cases, scale increases unevenly in both row and column directions. Table (1)shows that in image group 21, In the column direction, the scale amounts to about 1:0.9980.While in the row direction, the scale is 1:0.9992. Similarly in the second case, image group27, In the column direction, scale is about 1:0.9989 at the extreme right. While in the rowdirection, the scale is 1:0.9982.

a b


48

Figure ( 6.) Histogram of Image 21 total error in (mm)

Figure (7.) Histogram of Image group 27, total error in (mm)

Table 1: Scale variations in Column, row directions.

In theory, differencing two identical images produces an image of zero values(DN)(Gonzalez, et al 1987). In this study, the author concludes that repeated scans of thesame configuration does not produce identical results. Figure 8 shows the differencing resultof images 21-22 (from group 21). Shifts of points exist in both column and row directionsshown as two eccentric circles. In this particular location of control point, the maximum shiftamounts to about 9 pixels in the row direction (approx. 0.37 mm at 600 dpi). Less shift is seenin the column direction. This conclusion surrogates the finding stated earlier in figure 5 thatshifts exist in both directions.

Row Scale Column ScaleImage group 21 1:0.9992 1:0.9980Image group 27 1:0.9982 1:0.9989

Max. 0.390 mmMin. 0.132 mmAvg. 0.243 mmStd . 0.053 mm

Max. 0.400 mm Min. 0.016 mm Avg. 0.168 mm Std. 0.075 mm


49

Figure (8.) Differencing images 21-22, enlarged at a typical control point.

The histogram of the difference image in figure (9) reveals that zero (and near zero)differences are more frequent. While, the range of non-zero values of differences extendsfrom ( -222 to +211 digital numbers). This conclusion is unfavorable for using the scanner forprecise geometric measurements.

Figure (9.) Histogram of digital numbers of the difference image of figure (8.)

ConclusionsErrors in point locations are unevenly distributed across the scanning frame. Generally

less errors are noticed at and near the left column of the scanned frame. The error increasesgradually to the right. As the average error of shift in point location is in the order of 0.25mm, this amount governs the type of usage of this scanner. Attempts to make high precisionmeasurement beyond this limit shall be avoided. The amount of error after a warm up periodof about 30 min. is more than that observed during the first minutes of switching on. Thisconclusion is controversial with the findings of others (Baltsavias E., 1999). We advise thatthe suitable usage of this scanner is that intended for illustrative and display purposes. Asthese conclusions are based on tests on a single scanner unit the author recommends similartests on many other units to gain statistical conclusions.

Difference is almost zeropixels are identical here

Difference is highdue to shifts


50

ReferencesAble Software Corporation, 1998. Users Manual for R2V for windows 9X & NT.

Baltsavias E. P., Patias P., 1995. On the Use of DTP Scanners for Cartographic Applications.In Proc. of the 17. International Cartographic Conference, 3. - 9. September, Barcelona,Spain, pp. 1179 - 1189.

Retrieved: August, 2008 from: ftp://igpho.ethz.ch/pub/manos/papers/scanner.pdf

Baltsavias E. 1999. On the perfomance of photogrammetric scanners. Proceedings of thePhotogrammetirc Week 1999, Univ. Stuttgart, Germany, pp 155-173.

Retrieved:MAY,2008,from:www.ifp.uni-stuttgart.de/publications/phowo99/baltsavias99.pdf

Bolte, U., Jacobsen, K., Wehrmann, H. 1996. Geometric and radiometric analysis of aphotogrammetric image scanner. International Archives of Photogrammetry and RemoteSensing (IAPRS), Vol. 31, Part B1

Gonzalez, R.C., and P. Wintz, 1987. Digital Image Processing. 2nd ed. Addison-WesleyPublishing Co., 503 p.

Michael, G. and Franz, L. 2000. High Quality Photogrammetric Scanning for Mapping. ChinaInternational Geoinformatics Industry, Technology and Exhibition Mapping. Beijing,China.

Retrieved: August, 2008 from:download.microsoft.com/download/1/6/a/16aa08fd-a0ae-4c0e-811f-

29f192965b85/China_Paper.pdf

Mikhail, E., C., McGlone, and J.S. Bethel, 2001. Introduction to modern photogrammetry.John Wiley & Sons Inc., New York.

Mitrovic, M., Cvijetinovic, Z., and Mihajlovic, D. Procedures and Experiences on UsingDesktop Scanner for Orthophoto Production. ISPRS Congress Istanbul 2004, Proceedings ofCommission I

Retrieved: MAY, 2008, from:www.isprs.org/congresses/istanbul2004/comm1/papers/11.pdf


http://:@www.isprs.org/congresses/istanbul2004/comm1/papers/11.pdf


51

Switching Study In CdS/CdTe Structures

Dr. L. S. Ali Dr. K. K. Mohamad B. A. H. Al-abbasy

University Of Mosul, College Of Engineering, Electrical Eng. Dept.

AbstractThe paper reports preliminary data on the characteristics of a new electronic switching

device based on CdS/CdTe hetero–junction. The device is polar and is switched from OFF toON (WRITE) or ON to OFF (ERASE) by voltage opposite signs. The threshold voltage forWRITE operation is (3-4 V), depending on the device, and for ERASE is about (-2V). TheOFF and ON resistance are typically 40MΩ, and 1.5kΩ respectively. Particularly notablefeatures of the new memory device are its transition times (100µsec for both the WRITE orERASE operations).

Keywords: switching, semiconductor devices and materials.

CdS/CdTeدراسة المفتاحیة في تركیب

بشار عبد النافع حسین خالد خلیل محمد. د لقمان سفر علي. د

قسم الھندسة الكھربائیة/ كلیة الھندسة / جامعة الموصل

خالصةالالبحث يعطي بيانات أولية عن خواص نبيطة الغلق والفتح االلكترونية الحديثة والمبنية على المفـرق المتبـاين

CdS/CdTe .أو من حالة الغلق إلى حالة الفتح ) الكتابة(ية وتتحول من حالة الفتح إلى حالة الغلق ان النبيطة هي قطبوهذه تعتمـد علـى ) V4-3(وفولتية العتبة لعملية الكتابة تتراوح بين . بواسطة أشارة فولتية متعاكسة القطبية) مسح(

) 40MΩ(هي بحـدود )OFF(النبيطة في حالة ان مقاومة). 2V-(أما فولتية العتبة لعملية المسح فهي بحدود . النبيطة أن نبيطة الذاكرة هذة تظهر سرعة البأس بها عند التحول ). ON(في حالة )1.5kΩ(بينما تكون مقاومة النبيطة بحدود

)100µsec ( الكتابة والمسح;للحالتين.

Received 16 Feb. 2009 Accepted 7 April 2009

Ali : Switching Study In CdS/CdTe Structures

52

Introduction: With the advent of digital computers in 1960S there was a need for non-volatile memorychips to store computer boot strap microcode, which instructs the computer to load theoperating system from hard disk. In the early chips the patterns to be stored were defined by acustomized mask, which had to be completed before chip fabrication. The memory elements of the electrically programmable ROMs belong to one of two classes[1]:

a- Devices in which a reversible change is induced electrically, for example on a floatinggate.

b- Fusible links which are irreversibly changed by an electrical pulse.

Digital memory switching is reversible [2]: by applying a negative bias the device can beswitched from the conducting on-state back to the off-state. The switching behavior differsfrom that seen in chalcogenide glasses (amorphous, glassy semiconductors that contain one ormore of the chalcogen elements) in two regards: firstly it is polarity dependent; secondly,much less energy is required 1µJ compared with 1mJ. The analog memory behavior is that the device can be switched into a variety of stableintermediate resistance states by applying the programming pulses with different heightvoltages [3]. In this paper we report the first results on a novel electrically programmable nonvolatilesemiconductor memory device fabricated in a CdS/CdTe junction. The observations reportedhere indicate that the new CdS/CdTe memory is potentially superior to the metal–nitride–oxide–semiconductor (MNOS) or floating-gate–avalanche–metal–oxide–semiconductordevices currently used in semiconductor memories for nonvolatile programmable storage [4].

All the experiments were carried out on a CdS/CdTe deposited by Balzer vacuumevaporated unit.

Device Fabrication: The devices used in the present investigation were fabricated as follows:The thermal vacuum evaporated Al film of 2000oA thickness deposited on the micro glasssubstrate for back contact. The thermal vacuum CdS film of 5000oA thickness was depositedon part of Al back contact using suitable mask. And a thin film of CdTe with 5000o Athickness was deposited on the CdS film.In the final step an Al-gate dot contacts with (1 and 2 mm) diameter of 2000oA thickness weredeposited.

Forming and static characteristics: For the most of the configurations investigated, it was found that the first operation isunique; all following cycles occur, reproducibly, at a considerably lower threshold voltages.This first operation is therefore called "forming", and it seems to be an essential precursor forsubsequent operation of the device as an electrically programmable and nonvolatile memory.Fig.(1) illustrates the forming process for typical CdS/CdTe structure, curve (a) in Fig.(1) isthe initial static I/V characteristics in the conventional forward direction (i.e. positiveelectrode connected to CdTe and the negative electrode is connected to CdS) [5,6]. Curve brepresents the initial reverse characteristic. When the applied forward potential is increased tovalues between 22– 24 V, a rapid rise in current takes place (see Fig.(1). The device isbrought into a highly conducting formed state, represented by curve in Fig.(2).


53

Fig.(1) I/V Characteristics at initial state(a) in forward (b) in reverse direction

Fig.(2) I/V Characteristic in forwardconducting state.

The resistance is now of the order of 1.5KΩ and the electrical properties of thespecimen have been permanently by this forming procedure. The specimen now functions as a nonvolatile memory device, and Fig.(3) shows a typicalset of static (DC) characteristic measured point–by–point immediately after forming thedevice is in its ON state small positive and negative voltages trace out curve (ab) ON-statecurrent of 10mA or more are generally observed. On increasing the reverse potential (i.e. anegative voltage applied to the CdS region) a reverse threshold voltage VTHR is reachedbeyond which the device switches to an OFF state with a resistance of the order of 1.5MΩ-40MΩ, represented in Fig.(3) by the characteristic (cd).

Fig.(3) I/V characteristics for formed CdS/CdTe device, showing forward thresholdvoltage VThF and reverse threshold voltage VThR on the curve.

The reverse threshold voltage VThR=2V for the particular batch of specimensdescribed. The OFF state is stable for voltage swing of ±3V.

If now the forward potential is increased beyond a value of VThF, the forward thresholdvoltage, device switches back into its high-conductivity state (ab).

With the present design the threshold voltages for stable state switching to the ON orOFF state are of opposite polarity, although in a few devices some form of switching could beobserved with both positive and negative voltages. The actual value of VThF and VThR dependon number of variables, including the thickness of the various layers which need furtherinvestigation.

As noted above, the OFF–state resistance is of the order of 40MΩ in the present devicewhich have effective areas of about 0.01cm2 (defined by the top evaporated contacts of 1 or


54

2mm diameter). The ON–state resistance is determined by the current allowed to flow throughthe device during the switching transient (and so by any series resistance). This can become aslow as 1KΩ, but it is preferable to prevent the ON–state resistance falling below about 1.5KΩto achieve reproducible cycling of the device.

Dynamic characteristics:The dynamic responses of a typical CdS/CdTe switch through the OFF→ON

transition is illustrated in Fig.(4 (a) and (b) ) while the transition from OFF→ON state isshown in Fig.(4(c) and (d)) .In both cases a 23V pulse of 100µsec duration is applied to thedevice and, as before, the positive polarity means that the CdS – layer of the CdS/CdTestructure is positively biased, and (the –ve polarity pulse is the reverse). The separateexperiments clearly established that the (23V), 100µsec pulse switches the device into anonvolatile conducting state (WRITE) and(-23V), 100µsec pulse switches it into a nonvolatileOFF state (ERASE).

This later point is also evident from Fig.3 which shows that the ON state characteristicpasses through the origin.

(a) (b)Fig.4 (a) and (b) Dynamic switching characteristics of CdS/CdTe using 23V, 100µsec

pulse for transition OFF→ON.

(c) (d)Fig.4 (c) and (d) Dynamic switching characteristics of CdS/CdTe using -23V, 100µsec

pulse for transition ON→OFFA particularly notable feature is that, for both switching transients, the device current

responds essentially instantaneously to the voltage signal, i.e. on the time scale of theseexperiments, at least, there is no delay time involved in the response of the switch. During the


55

switching pulse the current through the device may reach 20mA or more, and it rises and fallstoo rapidly to be clearly recorded in the present experiments .the relative slow current decayon the trailing edges of the current transients is determined by the time constants of themeasuring circuit.

Preliminary experiments have been carried out on the effect varying the height andduration of the switching pulse. As far as the pulse height is concerned the important factor isprobably the over–voltage i.e. the amount by which the pulse voltage exceeds the staticthreshold voltage, defined in Fig.(3) for the devices reported here VThF (see Fig.(3)) istypically (3V) to (4V), and it has been observed that if the height of the switching pulse isreduced to (22V), the pulse duration must be increased to a bout 400µsec to ensure that thedevice is switched into permanent ON state. It is not clear at the moment, however, whetherthis effect is the direct result of the lower pulse height, or a consequential reduction in thecurrent during the switching transient.

Discussion and conclusion:The mechanisms underlying the switching phenomena described above are unknown

at present, and it dose not seem profitable to speculate about their possible nature on the basisof the above preliminary observations .More detailed experimental results are required toestablish the critical features and parameters of the device, e.g. the relationship betweenswitching performance and the thickness of the CdTe and the CdS. It is worthwhile, however,to draw some comparisons with other related switching devices.

It is relevant to note that although threshold switching has been observed inamorphous Si, also it is well known in related structures fabricated in a CdS/CdTe thin filmdeposited hetero–junction [7]. This is another report of memory switching in CdS\CdTestructure.

Finally, it should be noted that in all switching devices, it is almost certain that the ONstate, whether permanent (non-volatile) or temporary (as in a threshold switching ), involvesthe formation of a current filament .The present experimental evidence, although indirect,suggests that a conducting is also formed in setting the CdS/CdTe switching into its ON–state,No information is available at the moment on the size of the filament, but it is worth notingthat if it is assumed to be 1µm in diameter, a fairly typical value, the observed ON–stateconductance implies a conductivity in the region of 103–104 Sm-1 for the filament material,i.e. conductivity typical of semimetals. It could perhaps be relevant that conductivitiesapproaching 104 Sm-1 have been observed in doped microcrystalline films of Si[8].

References:[1]- J. G. Simmons, L. Faraone U. K. Meshra and F-L. Hsueh, "Determination of theswitching criterion from metal/Tunnel Oxide /N/P+ switching device", IEEE ElectronDevice Letter Vol. EDL-2, No.5 May 1980.[2]- A. F. Murray and L. W. Buchan, "A user's guide to non volatile, on chip analoguememory", Electronics & communication Engineering Journal APRIL 1998 Vol. 10 No.2 .[3]- R. S. Withers, R. W. Ralston, and E. stern "Nonvolatile Analog Memory in MNOScapacitors", IEEE Electron Device Letters Vol. EDL-1, NO.3, March, 1980.[4]- Chi-kai sin, Alan Kramer, V. Hu. Robert R. Chu, and Ping K. Ko, "EEPROM of anAnalog storage device, with Particular Applications in Neural Networks", IEEE Transition onElectron Device , Vol.39 , NO.6 JUNE 1992.[5]- V. Viswanthan, D. L. Moral and C. S. Ferekides, " RF sputter each as a surface cleaningprocess for CdTe solar cells", IEEE Photovoltaic specialists conference 2005 vol. 31 PP. 426-429 .


56

[6]- D. P. Halliday, M. Emziane, K. Durose, A.Bosio, and N. Romeo, "Effect of impurities inCdTe/CdS structures: Towards enhanced device efficiencies", IEEE 4th world conferencePhotovoltaic Energy conversion 2006 vol. 1 PP. 408 – 411.[7]- S.K. Dey, "conduction process and threshold switching in amorphous silicon films", J.Vac. Sci. Technology, 1979, 16 PP. 240-243.[8]- W. E. Spear, G. Willeke, P. G. LE comber, and A. G. Fitzgerald, "Electronic propertiesof microcrystalline silicon films prepared in a glow discharge plasma", J. Phys. Colloque C4,1981, 4 – 2 , (10), PP. 257-260.



57

MANAGEMENT OF ELECTRICAL POWER CONSUMPTIONUSING NETWORK PROCESSOR

Dr. A. S. M.Khedher Dr. A. K. Zawba A. B. Mohameed

Lecturer Assistant Professor Lecturer AssistantTechnical Institute of Mosul Technical College of Mosul Technical College of Mosul

AbstractProviding electrical power in developing countries is something hard to do for many

reasons that could be financial, technical and even the lack of raw materials. Therefore, the needfor new technique for fairly power distribution is more attractive. From this an idea comes tomake new sophisticated distributed network system which controls power consumption for thegiven inhibited area. The system should give a certain amount of power for each consumer .Whenthe consumer reaches his limit the system will take an action to increase the limit if power isavailable or disconnect the overloaded consumer for a specified time. the present work is devotedto design a system which has an ability of controlling the power consumption by using networkprocessor.the designed overall system is fulfilled through four distinct stages; each stage has apredefined job. The four stages communicate with each other using TCP/IP protocols suit.Therefore, a TCP/IP stack should be available at each stage.

Keywords: Management of Electrical Power Consumption, Monitoring of PowerConsumption, Controlling of Power Consumption Using Network Processor.

الشبكةمعالجباستخدامالكھربائیةالطاقةاستھالكأدارة

انمار برھان محمدصالح عبد الكریم زوبع منصور.د عبد الستار محمد خضر.د

مدرس مساعد أستاذ مساعد مدرسالموصل/ الكلیة التقنیة الموصل/ الكلیة التقنیة الموصل/ المعھد التقني

الخالصةلكهربائية في الدول النامية يواجهه صعوبات متعددة ، قد تكون اقتصادية أو تقنية أو نقص في المواد إن تجهيز الطاقة ا

من هنا جاءت الفكرة إلى شبكة . األولية ، لهذا السبب ظهرت الحاجة إلى تقنية جديدة تضمن التوزيع العادل للطاقة هذه الشبكة تعطي كمية محددة من . يع المشتركين توزيع جديدة تضمن السيطرة على توزيع القدرة بصورة عادلة لجم

الطاقة لكل مشترك ، وعندما يتجاوز المشترك الكمية المحددة له يجب على النظام إن يتخذ إجراء معين قد يكون إعطاء الحالي إن العمل .المشترك كمية اكبر من الطاقة إذا كان باإلمكان ذلك أو فصل الطاقة عن هذا المشترك فترة زمنية محددة

.مكرس لتصميم نظام له القابلية على السيطرة على استهالك الطاقة الكهربائية باستخدام معالج الشبكةتم تنفيذ العمل من خالل أربع محطات ، كل محطة لها وظيفة معينة ، وتتصل المحطات فيما بينها بواسطة

.TCP/IPبروتوكول

Received 6 October 2008 Accepted 23 April 2009

Khedher : MANAGEMENT OF ELECTRICAL POWER CONSUMPTION USING

58

1 –IntroductionThe network processor industry is still at an early stage. Most of the network processors

have been recently started of shipping production quantities, and only a few shipping productsuse network processors. Nevertheless, for developers of networking devices, network processorsmight be the fastest platform for the next-generation products.Network processors provide an environment where real applications and protocols are subjectedto an emulated networks consisting of resources such as links, routers and background traffic.Each of such network resources is either real or emulated. [1, 2] Network processors usuallymean programmable processors that are used in network devices. Because of theirprogrammability, they can be used in many applications, just by changing the software.

In this work, the network processor is used to control the power consumption. The workguarantees fairly power distribution to all subscription users.

The controlling of power consumption is completely limits the programmable interruptionof electrical power, since the higher demand of power makes the generation systems incapable ofresponding to it.

2- System DesignThe suggested system for electrical power consumption control using network processor

is designed by four linked units as shown in fig (1).In the design, the consumer is connected to the main unit (station D) via three station units (A, B,and C).

Fig. (1) System Design

Each consumer unit contains one A station to measure and control the currentconsumption, and on each power transformer there is one B station to limit the currentconsumption for each consumer unit (A) also to send the information back to the C station, whichis placed in power station center to calculate the total power available, also there is D station tostore the consumption for each consumer unit so its database station.

3 - System DescriptionThe following text describes each station in fig (1) theoretically, as moving form station D

to station A.

3.1-Database Station (D)Station D is the less complex Station compared with the other three stations,

D C

B

A10

A9A8A7A6A5A4A3A2A1


59

It is a computer with Microsoft SQL Server installed to record the consumption information thatreceived from C station [3].

A sample of forwarding information to station D is shown in table (1)

Table (1) shows sample of forwarded information to station D.ID IP Address Current Consumption Date and Time1 192.168.0.1 40 2007 June 26 12:00 Am2 192.168.0.2 22 2007 June 26 12:01 Am3 192.168.0.4 27 2007 June 26 12:01 Am

The ID filed shows the number of records that has received from the C station, and the IPAddress field represents the address of consumer unit (A).Each consumer unit has unique IP address to be identified, the current consumption filed showsthe value of current consumption for each consumer unit, while the date and time field show thetime that the records taken.

This information stored in station D computer, so the monitoring team can know the peakconsumption time also the information can be useful to know the higher consumption area andother developing purpose.

3.2- Main Station (C)Station C is a computer containing GUI program (programmed by Visual Studio 2005).

The GUI program contain labels to show the consumption information that received from Bstations, also contains input boxes to enter available current for each B station as showing infig(2) ,(there is probability to give equal current for all B stations or a special current for eachone). So the GUI is used to collect the information from B stations and gives the available currentto each B station, also station C sends the current consumption that is received from all B stationsto the D station to store as database.

There is no limitation to use a specified operating system ,only the operating system mustbe produced by Microsoft and professional to support the dot net technology like MicrosoftWindows 2000SP4 Pro or Microsoft Windows XP SP2 pro[4].

3.3- Station (B)Station B is the most complex one compared with the other three stations .Fig (3) shows

the way of connecting the network processor with station B and the other stations in the powernetwork (station A , C and D ). Where the part in Fig.(3) encinctured by the dotted line illustratesthe network processor with its necessary parts as the memory , operating system , and a specialfor the power network .While, the part outside the dotted line in Fig (3) illustrates the ability of monitoring the networkprocessor from far away. This gives an ability of monitoring stations B from any internet place.Therefore, Fig (3) shows an overall block diagram of the station, when station B is the firststation in the sequence containing Network Processor.


60

D

C

B

A4

A3

A2

A1

Labe Input Current availablefor each B station

Information

Fig(2) Station C label and Input Box

Fig (3). Station B Layout


61

Init

Yes No

Yes No

Start

Call Init

Sum the total I’s that received from A’s

Count the number of stationthat (I>0.95Ieach) each

End

IT>(0.85Imax)

IT>(0.98Imax

)Call Init

End

End

Div (Imax*0.8)/number ofA’s station

Increase the I for A’sstation

Update the database

Start

Div I total / no. of A’s station

Save the I for each ID

End

The network processor is the core of the system and the decision maker; it is programmedto do the jobs without any need to human interruption. ANCI C language used to program theprocessor.At the start , station B needs to know his clients (consumer unit A), the addition of clients to thestation is done by login to the station and adding the IP Address for each client , so that three webpages are made in station B network processor:1. Login page (for security access).2. Add clients page (for add clients).3. Set credential page (for changing the username and password of the station).Also station B needs to know the station C IP Address, to send the consumption value and takesthe available current.

After adding clients to station B and identify station C IP address, station B willimmediately communicate with station C to know the available current for it. When the station know the available current it will divide this current by the number ofconsumer unit (A) and send this value for consumer unit connected. Station B is programmed bythe algorithm shown in fig (4).

Fig(4).Station B program algorithm.


62

The program uses the following features in the processor:

1- Embedded Web ServerThe processor has a built in Web Server (Embedded Web Server) the server provides

WebPages hosting (htm or html) format; administrator can access the station from anywhere inthe local network by the station IP address (each B station has an IP address). There are threeWebPages made for login and for adding clients and for setting the username and password.2- Common Gateway Interface (CGI)

Common Gateway Interface is one method by which a web server can obtain data from(or send data to) databases, documents, and other programs, and presents that data to viewers viathe web. More simply, a CGI is a program intended to be run on the web.

3.4- Consumer Unit Station (A)The location of station A,[6] is in each consumer unit (i.e. House) , which is mounted

beside the circuit breaker; station A also contains a network processor with interface circuit toread the value of the current consumption to send it to station B that is connected with it.

Station A also contains alarm system (buzzer) to alarm the user when the consumptionreaches the given value. When the consumption reaches the given value for a given time, stationA will automatically cutoff the power for this user. After the limited time station A willautomatically reconnect the user.

4. Security of the SystemThe system contains security for the transmitted information between stations A and B, B

and C .The security used in the system depends on the signature, the packet transmitted betweenthe stations contains secure signature, so that the sending station puts the secure signature on thepacket and the receiving station checks the signature if it does not match the station it will dropthat packet.

The system does not depend on the encryption of the information between the stationsbecause it’s a very complicated work since everyday there are new algorithms for encryption anddecryption of the information.

The amount of given time is between two and three minutes to give enough time to theuser to limit his consumption and turn off some devices.

5. Installation and OperationThis text is usually devoted to tackles the actual implementation of controlling the power

consumption using network processor prototype.The implementation of network processor for power consumption control as shown in fig

(5) passes through the following practical installation and setting steps for the stations D to A:

5.1-Station D Installation and SettingStation D usually contains the following parts for power control process:

1-Microsoft Windows Server 2003 Enterprise Edition.2- SQL Server 2005 Enterprise Edition.

After the SQL Server is installed the main database file is created. The name of the maindatabase is master and the name of table is User_Consumption.This table contains the following records as shown in Fig. (6)


63

Station D*Microsoft Operating

System*Microsoft SQL Server

Station C*Microsoft Operating System

*GUI Programs

Valid Currentfor All System

Number of Bstations

Valid NetworkConnection

A3A2

Station B1*Network Processor

with appropriatecode to calculate

(Number of AStations +Valid

A1Consumer

Unit(NetworkProcessor

withappropriate

code+interfacecard with

Valid NetworkConnection







A3A2 A1

ConsumerUnit

(NetworkProcessor

withappropriate


A3A2 A1

ConsumerUnit

(NetworkProcessor

withappropriate


1- IP address2- Amount of Current3- Date and Time4- Notes

Fig (5) Implementation of Network Processor for Power Consumption Control


64

5.2-Station C Installation and SettingThe operating system for station C is the Windows XPSP2 (Service Pack 2) which used

with a program contains GUI (Graphical User Interface) programmed by Visual Studio 2005 tohelp the station administrator to manage the station smoothly as given in Fig. (7), The AddStation button is used to add B station, after adding all B stations, the administrator can select anystation that entered previously and enter the total current available and the number of B stationsas shown boxes of fig(7).The administrator can now push the start button to send the available current to selected B stationand start listen to it.

Fig (6), The Tables of Database File.

Fig(7), The GUI Administration Program.


65

5.3-Station B Installation and SettingThe main part in station B is the network processor, the processor is programmed with an

appropriate code to work as explained by the block diagram shown in fig (4)[5].The webpage is designed to add or delete users (Consumer unit), also to change the username andpassword of the station.

The accessing of station B done is by writing the station IP address in the internet explorer,the login windows will appear , after inserting the username and password for the station, themain webpage will appear as in fig(8),the worker now can add or delete clients by clicking SetClients link shown in fig(9), or changing the username and password of the station by clickingthe Set Credential link as shown in fig(10)[6].

Fig (8), Station B Main Page.


66

Fig (10), Station B Login Page.

5.4-Station A Installation and SettingThe main part of station A also is the network processor[6], the processor is programmed

with an appropriate code to work.The processor will be placed in each consumer unit with interface circuit to read the

current consumption and send it to station B, also each consumer unit (station A) receives itsavailable consumption value form station B.

Table (2) Devices Used by Each Consumer in Testing the SystemDevice Name Current consumption(A)

1 Split 12

2 Heater 15

3TV + satellite

receiver1

4 Lights 2

5 Washer 3

6 Computer 2

7 Freezer 2

8 Others 2


67

6. System Testing and ResultsThe system was tested three times with two consumer units each supplied by 50A in the

first test, 30A in the second test and 10A in the last test. Each mode was tested for 24 hours.The operation of the electrical equipments used by the consumers was assumed to be a

random function to select the value of the current consumption for each time. The randomfunction was programmed to select the current value in the range from 0A to 39A. The value 39Awas taken as the full load value of the current consumption of the devices that can be found ineach house, as explained in Table (2).

7. Testing Modes1: 50A Mode (First Consumer Unit)Station C supplies 50A as a total current and the result for the first consumer unit was:

1- Number of Current Interruptions = 0 times for 24H2- Average of current consumptions = 10.80A

The average of current consumptions = total value of current consumption in 24 H / no. ofreads operationNo. of reads operation = 1 per 32 secondThen:24 *60*60 = 86400 seconds in 24H86400 / 32 = 2700 read per 24 H

2: 50A Mode (Second Consumer Unit)Station C given 50A as a total current and the result for the second consumer unit is:

1- Number of Current Interruptions = 0 times for 24H2- Average of current consumptions = 11.40 A

3: 30A Mode (First Consumer Unit)Station C given 30A as a total current and the result for the first consumer unit is:


4: 30A Mode (Second Consumer Unit)Station C given 30A as a total current and the result for the second consumer unit is:


5: 10A Mode (First Consumer Unit)Station C given 10A as a total current and the result for the first consumer unit is:


6: 10A Mode (Second Consumer Unit)Station C given 10A as a total current and the result for second consumer unit is:

1- Number of Current Interruptions = 15 times for 24H


68

2- Average of current consumptions = 7.3 A8. Conclusion:

In this paper, the application of the network processor in the limitation and control ofcurrent consumption by the users was successfully tested for two clients with three current values.

Another improvement point in this field the application of network processor in powermanagement field achieves a justice distribution of the power between the consumers.

References:1- http://en.wikipedia.org/wiki/Network_processors. (2007)(Network Processors).2-http://www.intel.com/design/network/products/npfamily/ixp420.htm?ii

d=ipp_embed+proc_ixp420. (2007) (Intel IXP420 Network Processor)3-http://www.microsoft.com/sql/default.mspx.(2007)(learning)4- Windows Server 2003, 2003.The Complete Reference McGraw-Hill /

Osborne .5-The C Programming Language -,(2005),Ritchie Kernighan Brian W.

Kernighan Dennis M. Ritchie5- http://www.asp.net/.(2007)(Get Started)6- Network Field Unit as a part of Control of Electricity Inlet Using Network Processor. Enaam

Fatehy Kheder , Mosul University.



69

An FPGA-based Fault Tolerance Hypercube Multiprocessor DSP System

Ahmad Falih AL-Allaf Sabah waad nayif

Lecturer Assit. LecturerDept of Computer Eng.Technical College-Mosul Dept. of Computer Eng.Electronics college\ Mosul university

[email protected] [email protected]

Abstract This paper describes a new proposed architecture for tolerating faults in hypercubemultiprocessor DSP system. The architecture considered employs the TMS320C40 DSPprocessors as processing node. The system has a single spare DSP processor assigned to eachcluster ( a group of four nodes ). Each pair of clusters share one FPGA unit connected to everynode in the two clusters plus the two spare processors. The FPGA units in the system are devotedfor data routing, data distributing (in real time processing), diagnosis, system reconfiguration andexpanding. Every 3D hypercube has additional spare processors connected to FPGA device ofthat cube. The spare nodes are used in two stages to tolerate more than one faulty node in eachcluster with a low overhead and minimum performance degradation. The system makes use 50%hardware redundancy in the form of spare nodes to achieve fault tolerance. The effectiveness ofinterprocessor communications and the mechanism of fault detection( for one and two fault ) hasbeen successively simulated using (Xilinx Foundation F2.1i) simulator.

Keywords: Fault Tolerance, Hypercube multiprocessor, TMS320C40, FPGA, DSP processor

األخطاء باعتماد متسامحة, متعددة المعالجات بھیكلیة المكعب الفائق, منظومة معالجة إشارة رقمیةFPGAألـ دوائر

صباح وعد نایف أحمد فالح محمود العالف

مدرس مساعد مدرسجامعة الموصل/كلیة ھندسة االلكترونیاتقسم ھندسة الحاسبات الموصل-الكلیة التقنیة - لحاسباتقسم ھندسة ا

[email protected] [email protected]

الخالصةيصف هذا البحث مقترح جديد لمعمارية منظومة اشارة رقمية متعددة المعالجات بهيكلية المكعب الفوقي متسـامحة

. لمنظومـة كعقد معالجة في اTMS320C40المنظومة المقترحة تستخدم معالجات االشارة الرقمية نوع . االعطالكـل مجمـوعتين مـن العقـد . تحتوي المنظومة على معالج احتياط يخصص لكل مجموعة مكونة من اربع عقد معالجة

. واحدة تربط بكل عقدة من عقد المجموعتين وكذلك تربط بالمعالج االحتياط لكـل مجموعـة FPGAتشتركان بدائرة اعادة التشكيل , تشخيص العطال, )عند العمل بالزمن الحقيقي(ت في المنظومة تقوم بمهام تمرير البياناFPGAدوائر ال

.والتوسع في المنظومةيحتوى كل مكعب ثالثي االبعاد علـى معـالجين احتيـاطيين , للسماح بمعالجة اكثر من عطل ضمن نفس المجموعة

لتحقيـق % 50افية بمعدل النظام المقترح يستخدم مكونات مادية اض. في المكعبFPGAاضافيين يربطان الى دائرة واخيرا فقد تم عمل محاكاة اللية نقل البيانات في النظام المقترح وكذلك اللية كشف ومعالجة االعطـال . تسامحية االخطاء

.التي تحدث في المنظومة

Received 1 March 2008 Accepted 24 April 2009

AL-Allaf : An FPGA-based Fault Tolerance Hypercube Multiprocessor DSP System

70

1. INTRODUCTION A hypercube multiprocessor systems have several interesting features which make themuseful and popular as a general purpose multiprocessor system[1]. However, dependability and,in particular, reliability are important aspects in the designs of hypercube system and othercomplex parallel computing systems used for a wide range of applications in science, industry,and engineering. These aspects achieved by fault tolerance that incorporates mechanisms in thedesign of such systems to detect and localize errors as well as mechanisms to reconfigure thesystem and to recover from erroneous states. In a fault tolerance multiprocessor system designs, the common method to obtain continuousexecution and sustain the same level of performance in the presence of faults is to use spare nodesand/or spare links to replace the faulty ones[2,3]. Over the past 20 years, a number of fault-tolerant designs for hypercube multiprocessor systems have been proposed. Banerjee et. al. [4]used spare nodes and spare links to perform system reconfiguration. In his scheme, two spares areassigned to each 3-dimensinal cube and the spare processors form a (d-2) cube. Upon a nodefailure, the faulty node is replaced with the local spare. The link connecting the spare to thefaulty processor and the link connecting it to the node diagonally opposite to faulty node isdisabled. The system can only tolerate a single node failure. Alam et. al.[5,6] have proposed two schemes to tolerate faulty nodes: in the first one; asingle spare node is added to each cluster of four nodes. If one of the four nodes fails the sparereplaces it and inherits its address. Therefore only one fault can be handled per cluster. In thesecond scheme, four spare nodes are added to each pair of clusters ( eight regular nodes) whichallows to handle two faulty nodes in each cluster. However, a more complicated routingalgorithm is needed. Q. Mohmmad [7], proposed an adaptive fault tolerant routing algorithm toroute a message around the faulty node in a connected tree-hypercube system instead of usingspare nodes to achieve the fault tolerant design. To enable any non faulty node to communicatewith any other non faulty node, the information on component failures has to be made availableto non faulty nodes to rout message around the faulty nodes. In his scheme to route a message inpresence of the fault, each node needs to know the condition of its own links only. In this paper, we present a new fault tolerant n-dimensional hypercube multiprocessor systemarchitecture for DSP applications. The system uses TMS320C40 DSP processor as a processingnode and the FPGA devices to achieve the expandability and the reconfigurability of the systemand to implement other tasks. The system employs the spare nodes to tolerate more than onefault in the processing nodes with minimum communication overhead. The proposed system usesthe FPGA technology instead of the old techniques that are used in design of other fault tolerantmultiprocessor systems such as switching network [14], replacement circuits, or graph-basedbypass connection [15]. Most of these old techniques involve incorporating large number of external switches,control processor or complicated control circuit to detect and locate errors, reconfigure the systemand recover from error. The rest of this paper is organized as follows: In the next section an overview of the proposedarchitecture is presented. In section 3 we explain the mechanism of fault detection andreconfigurability of the system. The routing scheme and the general consideration in the design ofthe FPGA unit are described in section 4. In section 5 we present a simulation using VHDLlanguage and (Xilinx Foundation F2.1i ) simulator for inter processor communication and faulttolerance mechanism in our proposed system. Finally, system performance and concludingremarks are discussed in section 6.


71

2. SYSTEM ARCHITECTURE Two general approaches can be used in design of the fault tolerance in hypercubemultiprocessor system. The first approach looks into ways of employing the healthy processorsand links of the hypercube with faulty nodes, to identify embedded topologies such as lowerdimension hypercube ( subcubes ), meshes, ..etc. required by the computations. With thisapproach, some performance degradation is expected, however special hardware design for faulttolerance is not necessary. Once the faulty processors are identified, the hypercubemultiprocessor and the algorithm running on the system must be reconfigured to run on theavailable processor. The second approach makes use of hardware redundancy in the form of spare nodes and/orlinks to tolerate faults and usually requires modifications in the communication hardware.However, the algorithm running in the hypercube with the faulty node need not be modified. Alsoin this approach, almost no performance degradation occurs. The second approach is adopted inour proposed system. In our design, a single spare node is added to each cluster of four regular nodes. Figure 1shows a 3 dimensional hypercube with two clusters each is a sub cube of dimension 2. Ingeneral, the hypercube of dimension (n) can be divided into )2(2 -n clusters and each cluster is acube of dimension (2). The proposed scheme employs the FPGA devices to enable the spare node to communicatewith the neighboring nodes through the I/O port of the FPGA. The spare node thenforwards/receives its data to/from other neighboring nodes via its communication ports and theFPGA I/O ports.

Figure 1 Proposed architecture of 3-dimensional (3D) fault tolerant hypercube system

Upon detecting a node failure, the spare node within the respective cluster logicallyreplaces the faulty nodes and takes its address. When the processor fails in a cluster, the sparereplaces it must be able to communicate with the neighboring processors in the local 3D cube aswell as with the neighboring nodes in the extended hypercube. Therefore, it has to be linked tothe neighboring processors in its local 3D hypercube as well as with the other adjacent nodes inthe extended hypercube using FPGA units. For example, in figure 1, the spare 1SP0 maylogically replace any one of the four nodes 000, 001, 010, or 011. If the faulty node is , forexample, 001 then the spare 1SP0 replace it and take its address. In this case, 1SP0 communicatesdirectly with the regular nodes 000 and 011. While it communicates indirectly with the node 101through the FPGA I/O ports. To tolerate multiple faults within the cluster, two additional spare nodes are added to each 3Dhypercube and connected through the FPGA unit as shown in figure 1. In other words, the sparenodes in every 3 dimensional hypercube are used in two stages to handle multiple faults: at stage


72

one, the local spare node connected in each cluster ( first stage spare node; 1SP) replaces anyfaulty node in that cluster. At stage two, if a fault occurs in any node of the same cluster, then oneof the spares (second stage spare nodes; 2SP) connected to the FPGA with that 3D hypercube isused to replace the faulty one. In this architecture we suggest to use the TMS320C40 DSP processors as a processing nodeswhich is the 4th generation DSP processor produced by Texas Instruments[8]. The TMS320C40sare dedicated to computing intensive task while the FPGA in every 3D cube is responsible, inaddition to the data routing, for system expanding, reconfiguration in case of the node failure,system monitoring and real-time IO. The six built-in communication ports of the TMS320C40 areused to link the DSP processor to its adjacent-regular DSP nodes, to spare nodes and to the FPGAdevices. Using TMS320C40, the processor and the communication port are integrated in one unit( not separated ), therefore failure in the processor meaning failure in the communicationchannels that connect that processor to its adjacent nodes. The present scheme can tolerate four faults in every 3D cube with a small performancedegradation, due to communication overhead caused by the routing through the FPGA units, andthe mechanism of fault detection as described next. The resultant configuration does not affecteither the communication or computation algorithm already developed for the hypercubemultiprocessor system. Figure 2 illustrate the architecture of 4 dimensional fault tolerancehypercube system.

Figure 2 4-dimensional fault tolerant hypercube system In this architecture, the adjacent nodes to node 0000, for example, are 0001, 0010, 0100 andthrough the I/O communication ports of FPGA0 and FPGA1 with the node 1000. The 5dimensional hypercube system is constructed by connecting four 3 dimensional hypercubes asshown in figure 3. The FPGA units are also connected to form a cube in their own as shown infigure 5. However, in this architecture, to design n-dimensional extended hypercube we need2 )3( -n FPGA devices.

Figure 3 5 dimensional fault tolerant extended Hypercube system


73

3. MECHANISM OF FAULT DETECTION The effective integration of fault tolerance into massively parallel systems requires a properand cost effective combination of different error detection mechanisms. These mechanisms canbe grouped into the following three techniques according to the level on which they are applied:

• Self-checking techniques in each processing node• Central checking techniques for entire clusters of processing nodes• Distributed system-wide checking techniques by mutual tests between nodes.

In the first techniques, the main emphasis focuses on the reliability of the computing core, asthe most intensively utilized resource [9]. However, the basic checks integrated onto the chipsalone proved insufficient for the construction of a reliable multiprocessor.One of the important methods for checking the computing core is the Watchdog processors[10,11]. A watchdog processor is a coprocessor concurrently monitoring the program controlflow either by observing the instruction fetch on the CPU bus or by checking symbolic labelsexplicitly sent from the main program. However, This solution to be cost effective, largemultiprocessor should be based on sharing of the additional hardware between clusters ofprocessing nodes. So the relative overhead per node can be kept low. Another means to detect faulty nodes is given by mutual tests between nodes. The most widelyused technique is based on the system-wide exchange of <I’m alive> messages (or heartbeat).This technique had first been implemented into the fault tolerant multiprocessors of Tandem [6]. In our proposed system and with every local 3D hypercube, the mechanism of errordetection depends on using central checking technique represented by the diagnosis algorithmrunning in the FPGA and based on <I’m alive> mechanism. However, with respect to overallsystem ( extended hypercube ), the mechanism of fault detection can be regarded as a distributedchecking mechanism. Since, every FPGA monitors the activity of their processors in a 3dimensional hypercube connecting with it. Each processor must send <I’m alive> message to thelocal FPGA continuously every constant period of time. If the FPGA does not receive thismessage from any of the 3D hypercube processors within the predetermine time interval, thenthat processor is considered to be fail. After the FPGA has detected the fault, it raises an interrupt to all the processor nodes in thesystem to go back one processing step and wait to reconfigure the hypercube to isolate the faultynode and replacing it with one of the spare nodes. After the system reconfiguration, the FPGAdetecting the fault issues a FAIL message to all nodes in the 3 dimensional hypercube identifyingwhich processor has failed. This message also propagates to all FPGA units in the system. Andthrough each FPGA, the FAIL message propagates to every processor in its local 3 dimensionalhypercube. The fail message contains information about the address of the faulty node and theaddress of the spare node replacing it. After reconfiguration, all the processors resume theprocessing from the stage prior the occurrence of the fault. Every processor keep a record of the useful work performed in each period of time and incase of a processing node failure, after reconfiguration they are rolled back to a predeterminedstate. This predetermined state can be the point of receiving last <I’m alive> message. Thespare node should containing a backup copy of the tasks running in each regular processor in thehypercube, therefore the computation module of spare node logically can replaces thecomputation module of faulty node.


74

4. ROUTING SCHEME AND FPGA CONFIGURATION Efficient routing of message is a key to the performance of fault tolerance multiprocessorsystem and this is achieved by allowing fast reconfiguration in the present of the fault. Thereforethe spare replacement of faulty components should result a very few changes in the systeminterconnections. To achieve this goal, each faulty processor should be replaced with the localspare as possible. In our proposed system, in order to enable non faulty nodes in a faultyhypercube to communicate with the spare node, it is required that each node to know only theconditions of adjacent nodes and the address of the spare node replacing the faulty node formaking the correct routing path.

The FPGA provide a hardware environment in which physical logic and routing resourcescan be reprogrammed by configuring the device in order to perform a specific function. As aresult, they provide an ideal template for dynamic circuit specialization and logic reconfiguration.The most important benefit of using the FPGA is significant reduction of the design effortcompared to system specific interconnection network. FPGAs as Altera Stratix IS40 offerexcellent platform for system on chips that can implement Intellectual property (IP) componentsas processor, hardware accelerators, memories, and communication interface…etc. The FPGAused in this system consisting of four Intellectual property (IP) blocks as shown in figure (4 ).

Figure 4 Architecture of the FPGA device in the proposed system

These components are: control circuit for system diagnosis (system diagnosis unit - SDU),Interrupt sending unit (ISU), crossbar switching network (CSN) and the memory unit (MU). TheSDU is a control circuit responsible for overall control of the FPGA components. It can receivethe <I`m alive> messages from the DSP processors sequentially. If one processor fails, then theSDU reconfigure the CSN to isolate the faulty processor and rearrange the interconnectionsbetween the processors to incorporate the appropriate spare processor. The CSN is a crossbarswitching network connecting the 8-bit input/output bus of all the processors in 3D hypercubeand the 1st and 2nd stage spares together. Also it connects the FPGA units in a hypercubenetwork. In case of a failure, the configuration of the CSN can be done during the runtime. Thememory unit is used to store the bit stream required to configure the CSN and all FPGAs in thesystem share the same configuration bit stream. Figure ( 5 ) shows the arrangement of thecommunication ports of the processors and the FPGA unit in the 3D hypercube through the CSN.Also the figure illustrates examples of configuration the crossbar switching network (CSN) inFPGA0 upon the failures in one, two three or four DSP processors.


75

Table 1 illustrates the required replacement and connection between the regular andspare nodes upon failure in one, two, three, and four DSP failures based on the examples that aregiven in figure 5 .

( a ) ( b )

Figure 5 Configuration of the crossbar switching network (CSN) in FPGA0 upon :a) one or three DSP failures b) two or four DSP failures

Table 1 Replacement and connection between the regular and spare nodes upon failure inDSP processors based on the examples that are given in figure 5 .

Faulty node(s) Replaced nodes Required connections through the FPGADSP0 1SP0 replace DSP0 DSP4 with 1SP0DSP7 1SP1 replace DSP7 DSP3 with 1SP1

DSP0 and DSP4 1SP0 replace DSP0and 1SP1 replace DSP4

1SP0 with 1SP1

DSP0 and DSP3 1SP0 replace DSP0and 2SP0 replace DSP3

DSP4 with 1SP0(DSP0, DSP2, DSP7) with 2SP0

DSP2,DSP5 andDSP6

1SP0 replace DSP2,1SP1 replace DSP5,

and 2SP0 replace DSP6

DSP6 with 1SP0DSP1 with 1SP1

(DSP4, DSP7, 1SP0) with 2SP0DSP1,DSP2 and

DSP31SP0 replace DSP1,2SP0 replace DSP2,


DSP5 with 1SP0(DSP0, DSP6, 2SP1) with 2SP0(DSP7, 1SP0, 2SP0) with 2SP1

DSP1, DSP2,DSP4 and DSP6

1SP0 replace DSP1,2SP0 replace DSP2,1SP1 replace DSP4,


DSP5 with 1SP0(DSP0, DSP3, 2SP1) with 2SP0

(DSP0, 2SP1) with 1SP1(DSP7, 1SP1, 2SP0) with 2SP1

Where the following symbols are denoted to the connection through the crossbar switch if the failure( for example ) in : DSP0 DSP7 DSP0 and DSP4 DSP0 and DSP3 DSP2, DSP5 and DSP6

DSP1, DSP2 and DSP3 DSP1, DSP2, DSP4 and DSP6

CSN inFPGA0

CSN inFPGA0

FPGA

11SP01SP12SP02SP1D

SP7D

SP4D

SP2D

SP1

DSP0DSP3DSP5DSP61SP01SP12SP02SP1FPGA1

FPGA

11SP01SP12SP02SP1D

SP7D

SP4D

SP2D

SP1

DSP0DSP3DSP5DSP61SP01SP12SP02SP1FPGA1


76

5. SIMULATION The simulation of the fault tolerance mechanism in the proposed systems has beenaccomplished using VHDL and (Xilinx Foundation F2.1i ) software. The simulation isimplemented for a 3D hypercube system, and during this simulation, the following assumptionshave been considered:

-The FPGA device is considered reliable;-The activation of the fault in a DSP processor results in the failure of service is carrying out andall its inputs and output ports;- Each DSP fails independently from the others in the probabilistic sense;- The time interval between two successive <I`m alive> messages ( which represented by thecode 5AH) is assumed to be equal to eight clocks;-The messages consists of number of frames (each frame consists of eight bytes) are sent duringthe time interval between two successive <I`m alive> messages.- In case of fault, all DSP processors return back one processing step, which is assumed the pointof sending the last <I`m alive> message;- Two or more faults appear to be simultaneous if their activations occur within the same timeinterval between two successive <I`m alive> messages, sequential faults occur during separatetime intervals;-The communication port of each DSP processor are named as A, B, C, D, E, and F.- Each DSP processor connect to the crossbar switch in the FPGA through communication port-E;- Communication port-F in every DSP processors is devoted to send <I`m alive> messages to theFPGA device;-Communication ports (A, B, C and D) are used for communications between the DSPprocessors.-In the simulated system, processors are used without any synchronization or scheduling delays.

5.1 Simulating TMS320C40 Communication Port Protocol: A communication port transmits each of the 32-bit words stored in its output FIFO on a byte-to-byte basis. Because the control and data lines are bidirectional, each ’C4x must haveownership of the communication port data bus before starting a word transfer. A simulated tokenis used to designate bus ownership: the communication port that has the token owns thecommunication port data bus and can transmit data. Figure (6) shows the interconnectionsbetween two TMS320C40 DSP processors[8]. One important feature of the ports is that they canwork with the DMA coprocessor to transfer data without CPU intervention, allowing the CPU toperform other tasks.

Figure 6 Communication between two DSP processors using communication ports


77

This simple communication interface consists of the following bidirectional control and datalines:

CREQx — communication-port token request. A ’C4x activates this signal to request the useof the communication-port data bus.

CACKx — communication-port token acknowledge. A ’C4x activates this signal to relinquishownership of the communication-port data bus upon receiving a CREQx from another ’C4x.

CSTRBx — communication-port strobe. A sending ’C4x activates this signal to indicate that ithas placed a valid data byte on the communication port data bus.

CRDYx — communication-port ready. A receiving ’C4x activates this signal to indicate that ithas received a data byte via the communication port data bus.

CxD(7–0) — communication-port data bus. This bus carries data bidirectionally, one byte at atime, between two ’C4xs or between a ’C4x and some other device.

A data transfer operation between two DSP processors using communication ports takes fourbasic steps to complete:1) The CPU or DMA coprocessor of the sending DSP writes a 32-bit data word to the outputFIFO (of a communication port) via a memory-mapped address.2) The communication port then places the 32-bit data word on CxD(7–0) on a byte-to-byte basis(LS byte first), activating CSTRBx to signal the receiving communication port that the buscontains a valid data byte.3) Upon receiving each data byte, the receiving communication port activates CRDYx to indicatethat it has received the data byte.4) After receiving the 4 bytes of a 32-bit word, the CPU or DMA coprocessor of the receivingDSP can then read the data from the input FIFO via a memory-mapped address. Each of the inputand output FIFOs can buffer a maximum of eight 32-bit words. This operation was simulatedusing (Xilinx Foundation F2.1i ) simulator as shown in figure 7, assuming that the token transferoperation has been asserted.

Figure 7 Simulation of data transfer operation between two DSP processors usingcommunication ports


78

In next simulation cases we will eliminate the handshaking signals ( CSTRBx and CRDYx)to simplify of the timing diagrams. Also we represent the message that transferred between theprocessors in the system as a decimal counting number. We simulate three case studies: Fault freeoperation, Operation with one fault, Operation with two fault.

5.2 Case Study-1: Fault Free Operation This part of the simulation was performed to model the interprocessor communication in theproposed system in fault free operation. As shown in figure 8, DSP1(port-A) and DSP2 (port-A)they send messages to DSP0 (port-A and port-B respectively). Then DSP0 perform processing(addition) on the two received messages and send the result (through port-A) to DSP4(port-A).

5.3 Case Study-2: Operation With One Fault This part of the simulation was performed to model the first case in table-1.The same exampledescribed in case study-1 is repeated here with the assumption of occurrence a fault in DSP0.Therefore all communication ports of DSP0 are tri stated. The fault is indicated by the absence ofthe <I`m alive> message of the faulty processor. As illustrated in figure 9, 1SP0 is activated andreplaces DSP0 in operation. The figure also shows the activation of interrupt signal that send toall processors in the system to stop processing and go back to point of the last <I`m alive>message. Finally the address of the faulty node is appears in the <I`m alive> message.

Figure 8 Simulation of data transfer in fault free operation


79

5.4 Case Study-3: Operation With Two Fault This case simulate the third case in table-1( fault in DSP0 and DSP4). Again the sameexample described in case study-1 is repeated here. We consider in this case two situations: in thefirst situation (figure 10), the two faults occurs within the same period between two (successive)<I`m alive> messages (simultaneous faults). In the second situation (figure 11), the two faultsoccurs in different periods (sequential faults). In both situations, the spare processors (1SP0 and1SP1) replace and resume the operation of the faulty processors DSP0 and DSP4 respectively.

Figure 9 Simulation the data transfer with the fault of DSP0

6. PERFORMANCE DISCUSSION A faulty hypercube need to be reconfigured to perform the computation task andcommunication as required by the algorithm with minimal or no performance degradation. In afault free operation, the cost of communication overhead is constant between any two givennodes in every 3D hypercube. The occurrence of the faults and the mechanism of fault detection,reconfiguration, and to recovering the system from erroneous states causes some degradation inperformance. The degradation in performance due to the fault comes from two sources: the first iscaused by the overhead result from configuring the system and routing some messages throughthe crossbar switch in the FPGA device. However, this overhead is small and can be neglectedcomparing to the second source of performance degradation which is caused by the stopping theprocessing in all processors in the system and go back to point of receiving last <I`m alive>message.


80

Figure 10 Simulation the data transfer with the fault of DSP0 and DSP4(simultaneousfaults)

According to our simulation, the degradation in system performance depend on the length ofthe message (in frames), and number of faults. For example, if the message consists of n framesand number of faults per message is m, then the degradation in system performance for thesequential faults is equal to (m/n). However, the degradation in performance for the simultaneousfaults is equal to the degradation caused by one fault. Since the fault is cannot be detected untilreceiving <I`m alive> message. Using the FPGA will reduce the design offers, cost, power consumption, and the delay in datarouting comparing with other design techniques in implementing interconnection networks andhardware diagnosis circuits (as mentioned in section 1). In addition, using the FPGA devices,provides a very flexible system interconnection networks and allows system developments.Using the TMS320C40, the communication links are built-in with the processor, therefore, failurein the processor means the failure in the communication channels of that processor. This willreduce the complexity of fault tolerant design, since it is not required to design a spare links. Thefailed processor is replaced with its communication channels.


81

Figure 11 Simulation the data transfer with the fault of DSP0 and DSP4(sequential faults)

7. CONCLUSION In this paper we present an architecture which uses hardware redundancy in the form ofspare nodes that logically replace the faulty nodes to design a fault tolerant (n) dimensionalhypercube system. In our scheme, the n-dimensional hypercube is divided into )(2 in- subcubeseach of dimension (i), we call each of these subcubes a cluster. One spare node is assigned toeach cluster. And the spare node is connected to every regular node of its cluster via I/Ocommunication Ports. Every node in the proposed system is TMS320C40 digital signal processor which is devotedto overall task computation. The FPGA is used to link two of the regular adjacent nodes betweentwo different 3D hypercube in an extended hypercube. In addition to that, it is used to link thefirst and second stage spares to some of its adjacent regular nodes. The FPGA units in theproposed system are also connected as an (n-3) dimension cube in the extended hypercubestructure.

Upon a node failure, the faulty node is assigned to one of the spares within the cluster. Thelinks of the faulty node are then neglected and the FPGA connects the spare in that cluster is usedto connect the spare to some of the neighboring nodes of the faulty node. To tolerate more than


82

one node failure, the FPGA connected to each 3D hypercube is used to connect two additionalspares to that 3D hypercube. The spare nodes is used in two stages: at stage one, the local spare in every cluster replacesany faulty node in that cluster, at stage two; if the failure occurs in the same cluster, then one ofthe second stage spares attached to the FPGA replaces the faulty node. Compared with other proposed schemes, our approach can tolerate significantly more faultynodes with some overhead and small performance degradation and the resultant configurationdoes not affect either the hypercube size, communication or computation algorithm alreadydeveloped for the hypercube multiprocessor.

REFRENCES[1] A. F. AL-ALLAF, Parallel Processing System using TMS320C20 Digital Signal Processors,

M.Sc. theses, Engineering college, Mosul University, 1992.[2] J. Bruck at. al. “Wildcard dimensions, coding theory and fault-tolerant meshes and

hypercubes,” Proceedings of the 23nd annual international symposium on fault tolerantcomputing, pp 260-267, July 1993.

[3] P. Banerjee, at. al.“Algorithm-based fault tolerance on a hypercube multiprocessor ,”IEEE trans. on computers, Vol. 39, pp 1132-1145, Sept 1990.

[4] P. Banerjee, at. al. “Design and evaluation of hardware strategies for reconfiguringhypercubes and meshes under faults,” IEEE trans. on computers, Vol. 43, pp 841-848, July1994.

[5] M. Alam and R. Melhem, “ An efficient modular spare allocation scheme and its applicationto fault tolerant binary hypercubes,” IEEE trans on parallel and distributed systems, Vol. 2, pp117-126, Jan 1991.

[6] M. Alam and R. Melhem, “ Fault tolerance and reliable routing in augmented hypercubearchitectures,” Proceedings of the 18th conference on computer communication , pp 19-23,1989.

[7] Q. Mohammad, “ Adaptive Fault Tolerant Routing Algorithm for Tree-HypercubeMulticomputer,” Journal of computer science Vol. 2, pp 124-126. 2006.

[8] TMS320C40 Digital Signal Processor use`s guide, Texas Instruments, USA, 1996.[9] W. Hohl at. al. “ Hardware support for error detection in multiprocessor systems”,

Microprocessor & Microsystems, Vol. 17, No. 4, 1993, pp 201-206.[10] A. Pataricza, I. Majzik, W. Hohl and J. Honig, “Watchdog processors in parallel

systems”, Microprocessing and Microprogramming, Vol.39, 1993 , pp 69-74.[11] I. Majzik, W. Hohi, ] A. Pataricza and V. Sieh, “Multiprocessor checking using Watchdog

processors” Computer system science & engineering, Vol. 5, 1996, pp301-310.[12] A. Avizienis, “ Toward Systematic Design of Fault-Tolerant System”, IEEE computer ,

April 1997 [13] D. A. Rennels, “Fault-tolerant computing concepts and examples”, IEEE Transactions

computers, Vol. 33, No 12, pp. 1116-1129, 1984.[14] ---“Constant time fault tolerant algorithms for a linear array with a reconfigurable

pipelined bus system", J. Parallel Distrib. Comput. 65 (2005) pp. 374 – 381[15] N.Tsuda “Fault tolerant processor array using additional bypass linking allocated by

graph-node coloring”, IEEE Trans. on computers, Vol.49, No.5, May 2000.



83

INFLUENCE OF COOLING RATE ON THE PROPERTIES ANDCHARACTERIZATIONS OF ALUMINIUM-BASED CAST

PARTICULATE IN-SITU COMPOSITE

Abdulhaqq A. Hamid Al-dabbagh

Mechanical Eng. Dept. - College of Engineering - University of MosulE-Mail: [email protected]

AbstractThe current work focused on the influence of cooling rate on the microstructure,

mechanical and tribological properties of cast in-situ composite. It was observed that the size ofintermetallic phase Mn(Al1-xFex)6 and the dendrite arm spacing (DAS) increases considerablywith decreasing cooling rate of the cast ingot. Microstructural examination of these different castin-situ composites shows that there is no significant difference in the size of the in-situ formedalumina particle. Superior mechanical properties, as indicated by ultimate tensile stress, yieldstress, percentage elongation and hardness, are obtained when the in-situ composites areprocessed by cooling the cast ingot in water, resulting in refined microstructure. Higher hardnessdue to refined microstructure and superior mechanical properties result in decreased wear rate incast in-situ composites cooled in water after casting, compared to the wear rates observed in castingots cooled either in air or inside furnace. Cast in-situ composite cooled in water after casting,shows higher coefficient of friction compared to those cooled in air or inside furnace.

Keywords Cast In-situ Composite, Al-Al2O3; Cooling Rate; Microstructure; MechanicalProperties; Dry Sliding; Wear; Friction.

المتراكب من الداخل بالجسیمات الدقیقةاأللمنیومتأثیر معدل التبرید على خواص ومواصفات

الدباغعبدالحق عبدالقادر حامد. د

العراق/موصل-جامعة الموصل -كلیة الھندسة - قسم الھندسة المیكانیكیة

الخالصةوالخـواص الميكانيكيـة , التركيب ألمجهريثير معدل التبريد على ركزت الدراسة على تأالحالي في هذا البحث

يزدادان مع (DAS)والمسافة Mn(Al1-xFex)6الطورحجمحيث وجد أن. وخواص االحتكاك والبرئ للمادة المتراكبةالف في حجـم وكما أن االختبار ألمجهري لهذه المسبوكات المختلفة بين بأنة اليوجد اخت.تناقص معدل التبريد للمسبوك

وجد أن معدل التبريد له تأثير كبير ومباشر على تركيبـة وخـواص المـادة وكذلك. من الداخلةالمتولددقائق االلوميناوالصالدة تكـون , والمطاطية, وجهد الخضوع, حيث أن الخواص الميكانيكية والمتمثلة بالجهد االقصى للفشل, المتراكبة

فالتركيبة المجهرية الصغيرة والنقية والخواص الميكانيكية العالية , وبشكل عام. بالماءاكبر في المواد التي كان تبريدها والتي سببها معدل التبريد العالي أدى بالتالي إلى انخفاض معدل البرئ بشكل كبير مقارنة مع المواد المتراكبة والتي معدل

مقارنة مع المواد المتراكبة والتـي عاليمعدل تبريدهاي وان معامل االحتكاك أعلى في المادة المتراكبة الت.تبريدها اقل.هو الحال في التبريد في الهواء أو في داخل الفرنل كمامعدل تبريدها اق

Received 1 Oct. 2008 Accepted 12 Mar. 2009

Al-dabbagh : INFLUENCE OF COOLING RATE ON THE PROPERTIES AND

84

1. IntroductionThe growing sophistication of structural and tribological applications in both military and

civilian segments are compelling materials scientists, engineers and researchers worldwide toinnovate novel materials that reduce weight, maximize fuel efficiency and satisfy otherrequirements in engineering applications. Also, the rising oil prices compelled the automobileindustries to look for better fuel economy and lighter vehicles which has opened the door to usageof lightweight metal matrix composites in a sector known for high volume use of materials [1].There is no denial of the fact that weight saving in a vehicle reduces the requirement of theengine capacity for the same performance and thereby, results in a cheaper car. Therefore, theagenda of weight saving in a car will remain alive reinforced at times by step escalation of fuelprice. Development of cast metal matrix composites, the cheapest material in compositescategory, is primarily motivated by the interest of automobile industries which can afford its pricerange. It is perceived that composite materials are going to make a big difference in automobileswith progress of time [1, 2].

The particular attributes of aluminium based composites are a combination of highspecific stiffness, high creep resistance, good fatigue properties and the potential for relativelylow cost [2]. It is possible to tailor the mechanical and thermal properties of these materials tomeet the requirements of a specific application. To do this, there are a number of variables, whichneed to be considered; these include the type and level of reinforcement, the choice of the matrixalloy, the composite processing route and the processing parameters. All these factors areinterrelated and should not be considered in isolation when developing a new material.

As noted recently, in-situ generation of reinforcements in a metal matrix offers a route toachieve a wide range of attractive material properties that cannot be obtained either in ex-situcomposites or conventional alloys. The superior material properties in in-situ composites are thedirect result of relatively more uniform distribution of in-situ generated reinforcing particlesinside the matrix alloy, good wettability between the virgin surface of in-situ generated particlesand the molten matrix alloy, thermal equilibrium between the particles and the matrix alloy andbetter bonding between the particles and the matrix non-interfered by contamination [3-7].However, the production of in-situ PMMCs by solidification processing is attractive due to theirlow cost, contributed also by the value added through release of alloying elements from relativelycheaper oxides, flexibility in operation and potential to integrate with standard foundry practice.In the area of cast in-situ Al-Al2O3 composites, two different routes are used for generating oxideparticles- (i) direct oxidation of molten aluminum alloy [8] and (ii) substitution reaction betweenmolten aluminum and metal oxide, such as TiO2 [9,10], MnO2 [11], B2O3 [12], MoO3 [13,14]. Inthe latter method, cast in-situ aluminium alloy-Al2O3 composites are obtained as the resultingproduct when the externally added metal oxide gets reduced by molten aluminium to generatealumina particles and release useful alloying elements in the remaining molten aluminium.

In previous work it has been shown that the generation of in-situ TiB2 [15] intoaluminium alloys, improves the wear resistance significantly. Also, the wear resistance of in-situAl-Ti3Al composite is superior to that observed in Al-Ti base alloys having the same titaniumcontent and even to that of SiC whisker reinforced aluminium based ex-situ composite having thesame volume fraction of SiC reinforcement [16]. Furthermore, the excellent mechanicalproperties in aluminium based in-situ composites qualify them to be candidate materials for manyengineering applications. Therefore, the present work is intended to investigate the materialcharacteristics and tribological behaviour of cast in-situ Al(Mg,Mn)-Al2O3(MnO2) compositessynthesized by dispersing MnO2 particles into molten aluminium. Manganese released to thealloy by reduction of MnO2 particles by molten aluminium, may play a limited role as a grain


85

refiner and as an iron corrector [17]. Therefore, the interesting feature of this system is expectedto arise from matrix strengthening by in-situ reinforcing particles of alumina as well as fromalloying of molten aluminium by manganese. The studies undertaken here are expected to lead toan understanding of the overall materials characteristics and tribological behaviour due to matrixstrengthening by alloying of manganese and also by reinforcing hard particles.

2. Experimental ProcedureIn the present study, cast aluminium alloy-based composites containing in-situ generated

alumina particles, have been synthesized by stirring MnO2 particles into molten aluminium alloyusing pitch blade stirrer, followed by addition of small amounts of surface active element ofmagnesium (Mg) and the resulting slurry is cast into a permanent steel mould by bottom pouring,according to a similar procedure detailed elsewhere [11]. The photographic picture of theexperimental set up used in the current investigation is shown in Fig.1. The cast in-situcomposite ingots were cooled after casting, at different rates by cooling in water bath (about 450oC/min) or in air (about 75 oC/min) or in a furnace (about 8 oC/min). The rate of cooling of castingot was estimated with the help of a chromel-alumel thermocouple placed at the centre of thecast ingot.

The tensile tests were carried out at ambient temperature for the cast in-situ composites.The specimens were machined from each cast ingot. The shape (bone type) and dimension of thetensile specimens are conforming to ASTM specification. At least three tensile specimens of 5.0mm gauge diameter and 25 mm gauge length, machined out from each segment of each cast in-situ composite, were tested under uniaxial tension in a Hounsfield, Monsanto, H25KS/05, Surrey,England, tensile testing machine at a strain rate of 6.6 x 10-4 s-1 and the average of ultimate tensilestrength, yield strength and percentage elongation is reported as the tensile property of thematerial. After fracture of the specimens, the fracture surfaces were examined under scanningelectron microscope and characteristic features of all the fracture surfaces were photographed.The methods used for determination of chemical composition of the matrix alloy, particle content,porosity and mechanical properties of cast in-situ composites are similar to that given in details inReference [11].

Dry sliding wear tests were carried out by sliding a cylindrical pin, with a flat polishedend against a counterface of hardened steel disc under ambient condition (relative humidity isabout 50% and ambient temperature is about 25 oC) using a pin-on-disc machine, model TR-20Emanufactured by DUCOM, Bangalore, India. The photographic view of a pin-on-disc machineused in the current investigation is shown in Fig.2. The test pin has a diameter of 6 mm andlength of 30 mm. The counterface disc is made of EN-32 steel hardened to 62-65 HRC. Differentloads of 9.8, 19.6, 29.4, 34.3 and 39.2 N were applied on the pin normal to the sliding contactsurface during wear test of each cast in-situ composite. The track radius was kept constant at 50mm and the rotating speed of the disc was maintained at 200 rpm, corresponding to a linearsliding speed of 1.05 m/s. The wear tests are carried out for a total sliding distance of about 3142m. The cumulative weight loss was measured by interrupting a wear test at regular intervals offive minutes. An electronic balance (Mettler AJ 100) having least count of 0.01 mg, was used tomeasure the weight loss. The cumulative volume loss after a given sliding distance wasdetermined by dividing the cumulative weight loss by the density of the test pin. The densities ofthe cast in-situ composites were determined by using a pycnometer. The frictional force ismonitored continuously during the wear tests, to determine the coefficient of friction. In order totest reproducibility, the wear tests were replicated thrice and the mean results of cumulative


86

volume loss with sliding distance were used for further calculations of wear rates and wearcoefficients.

Figure1. Photographic view showingexperimental set-up for stir casting used forsolidification processing of different cast in-situ composites.

Figure 2. Photographic view showing a pin-on-disc machine, model TR-20E, used forwear and friction tests of different cast in-situ composites.

3. Results and DiscussionIngots of cast in-situ composites of nominal composition of Al(5%Mg)-3%MnO2,

synthesized at 730 oC for three minutes of processing have been cooled after casting, at differentrates by cooling in water bath or in the air or in the furnace. Figure 3 shows typical unetchedmicrostructures of cast in-situ Al(Mg,Mn)-Al2O3(MnO2) composites cooled after casting atdifferent cooling rates and it consists of intermetallic phase Mn (Al1-xFex)6 forming due to releaseof manganese to the matrix alloy beyond the limit of solid solubility, by reduction of manganesedioxide by molten aluminium. The microstructures reported in the present study relate to thoseobserved in the middle height segment of the cast ingot unless stated otherwise. Some dark areas ofporosity are also visible. It is further observed that porosity, primarily originating from the gasesdissolved into melt during processing, is more or less uniformly distributed in the matrix alloy ofthe cast in-situ composites. However, there is sometimes large porosity around cluster ofparticles, particularly at the top of the cast ingot of in-situ composite. Iron in the intermetallicphase has also been contributed by iron pick-up from alumina coated steel stirrer. The estimatedvolume fraction of the intermetallic phase Mn(Al1-xFex)6 in the microstructures of these cast in-situ composites are reported in Table 1. It is observed that as the cooling rate decreases, the extentof reaction of MnO2 particles with molten aluminium alloy increases as evident from the amountof intermetallic phase Mn(Al1-x Fex)6 in the matrix of cast in-situ composite as reported in Table1. It is also observed that the size of intermetallic phase Mn(Al1-xFex)6 increases with decreasingcooling rate as shown in Fig. 3.

The etched microstructures of cast in-situ composites cooled at different cooling ratesafter casting are shown in Fig. 4. It is observed that as the cooling rate decreases, the dendrite armspacing (DAS) increases considerably as evident from the microstructure in Fig. 4. A comparisonbetween porosity and particle contents for cast in-situ composite ingot cooled at different coolingrates after casting are shown in Figs. 5 and 6 respectively. It is observed that there is no

Electric motor

Stirrer

In-situ compositeMould

Stopper

Resistance heated furnace

Rotating DiscTest Pin Holder


87

significant difference observed either in respect of porosity or particle contents in ingots cooled atdifferent cooling rates after casting as shown in Figs. 5 and 6.

Table 1. Average volume fractions of the intermetallic phase in the microstructure of cast in-situcomposites cooled after casting at different cooling rates.

Cooling rate (oC/min) Average volume fraction (vol%)Water cooling (≈450) 3.53±0.79

Air cooling (≈75) 3.61±0.63Furnace cooling (≈8) 4.53±0.68

The amount of reacted MnO2 particles in the cast in-situ composite of nominalcomposition of Al(5%Mg)-3%MnO2, synthesized at processing temperature of 730 oC for threeminutes of processing, followed by cooling after casting at different rates has been estimated asshown in Fig. 7. The MnO2 particles reacted are more in the cast in-situ composite cooled in afurnace after casting.

Figure 3. Unetched optical microstructures of cast in-situ composites of nominal composition of Al(5%Mg)-3%MnO2, synthesized at processing temperature of 730 oC for three minutes of processing, followed bydifferent methods of cooling; (a) water cooling, (b) air cooling and (c) furnace cooling; the intermetallicphase Mn(Al1-x Fex)6 marked by (1) and the reinforcing particles marked by (2).

Gases are absorbed to different extents in molten metals and alloys. Since, the processingof cast in-situ composite involves mixing of particles with molten alloy which has been carried bystirring in air, there is considerable dissolution of environmental gases like O2, N2 and mostsignificantly H2, contributed by moist air. No degassing practice has been followed here. Thedissolved gases will evolve with cooling due to lowering of limit of solubility, nucleating bubblesheterogeneously on solid particles and on solidification there is dramatic reduction in thesolubility of gases. These bubbles are primarily responsible for porosities in cast composite.

30 mm

(a)(2)

(1)

30 mm

(b)

(2)(1)

(c)

(1)

(2)

30 mm


88

Figure 4. Etched optical microstructures of cast in-situ composites of nominal composition of Al(5%Mg)-3%MnO2, synthesized at processing temperature of 730 oC for three minutes of processing, followed bydifferent methods of cooling; (a) water cooling (about 450 oC/min), (b) air cooling (about 75 oC/min) and (c)furnace cooling (about 8 oC/min).

Figure 5. Comparison between average porositycontent for cast in-situ composite ingot ofnominal composition of Al(5%Mg)-3%MnO2,cooled after casting at different cooling rates.

Figure 6. Comparison between average particlecontent for cast in-situ composite ingot ofnominal composition of Al(5%Mg)-3%MnO2,cooled after casting at different cooling rates.

The effect of different cooling rates on the Brinell hardness of cast in-situ composites ofnominal composition of Al(5%Mg)-3%MnO2, synthesized at processing temperature of 730 oCfor three minutes of processing is shown in Fig. 8. The average Brinell hardness of cast in-situcomposites cooled after casting by immersion in water bath is considerably greater than that forcast in-situ composite cooled either in air or inside the furnace as demonstrated in Fig. 8.

(b

110 mm110 mm

(a)

110 mm

(c)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Por

osity

cont

ent,

vol%

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Method of coolingWater coolingAir coolingFurnace cooling

(5.8) (5.7)(5.4)

Por

osity

cont

ent,

vol%

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Par

ticle

cont

ent,

wt%

0

1

2

3

4

5

6

7

8


(3.5) (3.4) (3.6)

Parti

cle

cont

ent,

wt%


89

Microstructural examination of these ingots of cast in-situ composites cooled at different coolingrates showed that the intermetallic phase Mn(Al1-xFex)6 coarsened gradually and its volumefraction increases with decreasing cooling rate (see Fig. 3). In addition, it is seen that slowcooling generated a coarser dendrite size as demonstrated in Fig. 4. As the cooling rate decreases,the secondary dendrite arm spacing (DAS) increases. Therefore, refined intermetallic phase andrefined dendrite structure are both responsible for a higher level of hardness in cast in-situcomposite cooled relatively faster in water after casting.

Figure 7. Comparison between estimatedreacted MnO2 particles for cast in-situ compositeingot of nominal composition of Al(5%Mg)-3%MnO2, cooled after casting at differentcooling rates.

Figure 8. Comparison between average Brinellhardness for cast in-situ composite of nominalcomposition of Al(5%Mg)-3%MnO2, synthesizedat processing temperature of 730 oC for a givenprocessing time of three minutes, cooled aftercasting by different methods of cooling.

Figure 9 shows the experimental load-extension curves of cast in-situ Al(Mg,Mn)-Al2O3(MnO2) composites cooled after casting at different cooling rates. The average tensileproperties of cast in-situ composites cooled after casting by immersion in water bath isconsiderably greater than that observed for cast in-situ composite cooled either in air or insidefurnace as demonstrated in Figs. 9 and 10. Refined intermetallic phase and dendrite structure areboth responsible for a higher level of strength in cast in-situ composite cooled in water aftercasting.

The tensile fractured surfaces of the specimens subjected to tensile test have been studiedunder optical and scanning electron microscopy (SEM) for the different cast in-situ composites.Figures 11(a) and (b) shows the typical macrographs as observed under optical microscope of thefractured surface of specimen after tensile test of cast in-situ composite showing bettermechanical properties and containing 2.9 wt% reinforcing particles and 2.4 vol% porosity. Itappears that the crack has propagated through an angle between 40o–50o from the loading axis, asshown in Fig. 11(a), resulting in an ultimate tensile stress of 239 MPa and percentage elongationof 21.3%.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Est

imat

edre

acte

dM

nO2

parti

cles

,%

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100


(55.76) (57.03)

(68.3)

Est

imat

ed re

acte

d M

nO2

parti

cles

, %

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Aver

age

Brin

ellh

ardn

ess,

MPa

0

100

200

300

400

500

600

700

800


(538) (521)

(459)

Aver

age

Brin

ellh

ardn

ess,

MPa


90

Figure 9. Typical load-extension curves for cast in-situ composites of nominal composition of Al(5%Mg)-3%MnO2, synthesized at processing temperature of 730 oC for three minutes of processing, followed bydifferent methods of cooling; (a) water cooling, (b) air cooling and (c) furnace cooling.

Figure 10. Comparison between average tensile properties for cast in-situ composite resulting fromnominal composition of Al(5%Mg)-3%MnO2, synthesized at processing temperature of 730 oC forthree minutes of processing, cooled after casting at different cooling rates.

Figure 12 shows the typical fractured surfaces for the different cast in-situ composites asobserved under scanning electron microscopy. The fractured surface of the specimen shown inFigs. 12(a), (b) and (c) belongs to a cast in-situ composite cooled after casting in (a) water, (b) airand (c) inside furnace respectively. In case of cast in-situ composite cooled after casting in water,the tensile fracture surface shows the presence of both sheared regions and dimples as revealed inFig. 12(a), resulting in a percent elongation of 21.3%. The fractured surface of a cast in-situ

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Extension, mm

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

Tens

ile lo

ad, N

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

Tens

ile lo

ad, N

Water Cooling

Air Cooling

Furnace Cooling

22 mm35 mm

18 mm

5 mm1.5 mmRound cross section

[a] -

[b] -

[c] -

(Ultimate stress) (Yield stress) (% elongation) Tensile properties

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

Ave

rage

tens

ile s

tress

es, M

Pa

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Method of cooling Particle, wt% Porosity, vol%Water cooling (WC) 3.5 5.8Air cooling (AC) 3.4 5.7Furnace cooling (FC) 3.6 5.4

Ave

rage

per

cent

age

elon

gatio

n, %


91

composite cooled after casting in air is similar to that observed in cast in-situ composite cooledafter casting in water as shown in Fig. 12(b). But, in case of cast in-situ composite cooled aftercasting in furnace, the fractured surface shows the presence of porosity around particles, leading tolarge voids and the ductile fracture of the matrix between the voids, as evidence from dimples asshown in Fig. 12(c). There are also areas of sheared fracture around the voids resulting in an overallelongation of only about 3.42 percent.

Figure 11. Typical macrographs of tensile fracture surface of cast in-situ Al(Mg,Mn)-Al2O3(MnO2)composite cooled after casting in water, containing 2.9 wt% reinforcing particles and 2.4 vol%porosity showing ultimate tensile stress of 239 MPa and percentage elongation of 21.3%.

Figure 12 SEM fractographs showing tensile fracture surfaces of the cast in-situ composites ofnominal composition of Al(5%Mg)-3%MnO2, synthesized at processing temperature of 730 oC for threeminutes of processing, followed by different methods of cooling; (a) water cooling; showing ultimatetensile stress of 239 MPa and percentage elongation of 21.3%, (b) air cooling; showing ultimatetensile stress of 192 MPa and percentage elongation of 12.4% and (c) furnace cooling; showingultimate tensile stress of 82 MPa and percentage elongation of 3.42%.

The processing parameters play an important role for the control of themacro/microstructure and mechanical properties of cast in-situ composites. The microstructure ofmaterials affects the wear behaviour of materials a great deal. Hardness and toughness are greatly

1 mm

(a)

1 mm

(b

(a) 30 μm (b) 30 μm

(c) 30 μm


92

affected by the microstructure, which in turn affects the wear properties. It has been wellestablished that the hardness and the topography of the surface affect the number of asperitycontacts and the size of each individual contact, in addition to the resistance against deformationof the surface layer. The toughness of materials is closely related to the propagation of cracks,which also affects the rate of delamination. Several different aspects of the microstructure ofmetals affect the wear process: grain size, volume fraction, size, and distribution of second phaseparticles and the texture of the surface layer [18]. The wear and friction of cast in-situ compositeof nominal composition of Al(5%Mg)-3%MnO2, synthesized at 730 oC for a given processingtime of three minutes, cooled after casting by different cooling rates have been investigated.Results of typical wear behaviour for different cast in-situ composites cooled after casting byimmersion in water, in air and inside furnace, are shown in Figs. 13(a), (b) and (c) respectively. Itis observed that the cumulative volume loss increases linearly with increasing sliding distanceand normal load indicating that Archard’s adhesive wear equation proposed originally for singlephase material, is being followed [19];

V = k ( L S / H )…… ….. .……(1)

where S is the sliding distance, L is the normal load, H is the hardness of the soft material and kis the wear coefficient.

Figure 13. The variation of cumulative volume loss with sliding distance at different normal loadsand sliding speed of 1.05 m/s for different cast in-situ Al(Mg,Mn)-Al2O3(MnO2) composite cooledafter casting by different methods of cooling; (a) water, (b) air and (c) furnace.

0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600

Sliding distance, m

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

Cum

ulat

ive

volu

me

loss

(x10

-2m

m3 )

(Load,N)9.819.629.439.2

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

Cast in-situ composite (WC)Particle content : 3.5 wt%Porosity content : 5.8 vol%Manganese content : 0.46 wt%

Cum

ulat

ive

volu

me

loss

(x10

-2m

m3 )

0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600

Sliding distance, m

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

Cum

ulat

ive

volu

me

loss

(x10

-2m

m3 )

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

( Load, N )

9.819.629.434.339.2

Cast in-situ composite (AC)Particle content : 3.4 wt%Porosity content : 5.7 vol%Manganese content : 0.49 wt%

Cum

ulat

ive

volu

me

loss

(x10

-2m

m3 )

0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600

Sliding distance, m

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

Cum

ulat

ive

volu

me

loss

(x10

-2m

m3 )

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

( Load, N )

9.819.629.434.339.2

Cast in-situ composite (FC)Particle content : 3.6 wt%Porosity content : 5.4 vol%Manganese content : 0.5 wt%

Cum

ulat

ive

volu

me

loss

(x10

-2m

m3 )

(a) (b)

(c)


93

It is also observed that the cumulative volume loss, particularly at higher normal load of39.2 N, in cast in-situ Al(Mg,Mn)-Al2O3(MnO2) composite cooled in water after casting,decreases considerably as shown in Fig. 13(a) compared to those observed in the cast in-situcomposite cooled in air after casting and the composite cooled inside the furnace, as given in Fig.13(b) and (c) respectively.

The wear rates, V/S, volume loss per unit sliding distance, are determined from the slopeof the variation of cumulative volume loss with sliding distance. The wear rate increases more orless linearly with increasing normal load as shown in Fig. 14, for cast in-situ Al(Mg,Mn)-Al2O3(MnO2) composites cooled by immersion in water bath, in air or inside furnace aftercasting. There is considerable decrease in wear rate of cast in-situ composite cooled in water aftercasting, particularly at higher loads, compared to those observed in the cast in-situ compositescooled in air or inside furnace after casting. Also, it is observed in Fig. 14 that the difference inwear rate between these three cast in-situ composites increases with increasing normal load.Higher hardness due to refined microstructure and superior mechanical properties result indecreased wear rates in cast in-situ composites cooled in water after casting in comparison to thewear rates observed in cast ingots cooled in air or inside furnace.

Figure 14. The variation of wear rate with normal load for cast in-situ composites of nominalcomposition of Al(5%Mg)-3%MnO2, synthesized at processing temperature of 730 oC for threeminutes of processing time, cooled after casting at different cooling rates.

The typical SEM microphotograph of the worn surface for cast in-situ composite cooledafter casting by immersion in water bath is shown in Fig. 15. It is observed that the worn surfaceappears to contain some fine grooves of wear tracks parallel to the sliding direction. Also, somefine oxides in wear debris have got consolidated into transfer layer covering a part of slidingsurface. However, there is no significant difference between the worn surfaces for different typesof cast in-situ composites. Figure 16 shows the typical wear debris for the cast in-situ compositescooled after casting by immersion in water bath. The presence of fine oxide particles has beenobserved in wear debris, as shown in Fig. 16, confirming oxidative wear in the cast in-situcomposites under the prevailing conditions of test reported here. But there are some metallic

5 10 15 20 25 30 35 40 45

Normal load, N

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Wea

r rat

e (x

10-4

mm

3 /m

)

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Method of cooling (Particle, wt%) (Porosity, vol%)Water C. 3.5 5.8Air C. 3.4 5.7Furnace C. 3.6 5.4

Wea

r rat

e (x

10-4

mm

3 /m

)


94

particles as well in the wear debris, sometimes of significantly larger in size, as shown in Fig. 16,which may indicate subsurface cracking and delamination wear as well. In composites containingreinforcing particles and porosity, it is likely that the cracks nucleate at the relatively weakerparticle-matrix interface or pores in the deformed layer below the surface, and then propagates tothe sliding surface creating particles of wear debris, which is metallic as shown in both Figs. 16.

Figure 15. Typical micrograph showing the wornsurface of cast in-situ Al(Mg,Mn)-Al2O3(MnO2)composite, cooled after casting in water,containing 3.5 wt% reinforcing particle and 5.8vol% porosity. The normal load is 39.2 N andsliding speed is 1.05 m/s.

Figure 16. Optical micrograph showing the weardebris of the cast in-situ Al(Mg,Mn)-Al2O3(MnO2) composite, cooled after casting inwater, containing 3.5 wt% of reinforcing particleand 5.8 vol% porosity resulting from dry slidingagainst hardened steel disc at sliding speed of1.05 m/s and normal loads 29.4 N.

The coefficient of friction (μ) is calculated by dividing the recorded frictional force (F) bythe normal load (L). Figure 17 shows the typical variation of coefficient of friction with slidingdistance for cast in-situ composites cooled after casting by different cooling rates, during drysliding under different normal loads and constant sliding speed of 1.05 m/s. For all the three castin-situ composites, it is observed that at a constant load, the coefficient of friction rises duringinitial stage of sliding and then fluctuates about a mean value with further sliding. Higher averagecoefficient of friction is observed in cast in-situ composite cooled in water after casting.

Figure 18 shows the typical variation of average value of coefficient of friction withnormal load, for cast in-situ composites cooled after casting by different cooling rates. For all thethree cast in-situ composites, it is observed that the coefficient of friction decrease withincreasing normal load from 9.8 to 39.2 N. But, it may be noted that in cast in-situ compositecooled after casting in water, the rate of decreases is considerably lower than those observed incast in-situ composites cooled after casting in air or inside furnace as demonstrated in Fig. 18.However, this trend of decreasing friction coincides with relatively higher wear coefficient,which could be indicative of change in the mechanism of wear.

The present study clearly reveals the potential of cheap synthesized cast in-situAl(Mg,Mn)-Al2O3(MnO2) composite cooled after casting in water as a candidate tribologicalmaterial for future engineering applications.

30 mm

Oxide ParticlesMetallic ParticleSlid

ing

dire

ctio

n

50 μm


95

Figure 17. The variation of coefficient of friction with sliding distance at different normal loads andsliding speed of 1.05 m/s for different cast in-situ composites of nominal composition of Al(5%Mg)-3%MnO2, synthesized at processing temperature of 730 oC, followed by different methods of cooling; (a)water cooling, (b) air cooling and (c) furnace cooling.

0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200

Sliding distance, m

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1C

oeff

icie

ntof

frict

ion,

(m)

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Normal load (N)9.8119.629.439.2

Cast in-situ composite (WC)Particle content = 3.5 wt %Porosity content = 5.8 vol%Manganese content= 0.46 wt%

Coe

ffic

ient

offri

ctio

n,(m

)

0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200

Sliding distance, m

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Coe

ffici

ento

ffric

tion,

(m)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

(Load, N)9.8119.629.439.2

Cast in-situ composite (AC):Particle content = 3.4 wt%Porosity content = 5.7 vol%Manganese content = 0.47 wt%

Coe

ffici

ento

ffric

tion,

(m)

0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200

Sliding distance, m

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Coe

ffic

ient

offr

ictio

n,(m

)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

(Load, N)9.8119.629.439.2

Cast in-situ composite (FC):Particle content = 3.6 wt%Porosity content = 5.4 vol%Manganese content = 0.502 wt%

Coe

ffic

ient

offr

ictio

n,(m

)

(a) (b)

(c)


96

Figure 18. The variation of coefficient of friction with normal load at sliding speed of 1.05 m/s fordifferent cast in-situ composites of nominal composition of Al(5%Mg)-3%MnO2, synthesized atprocessing temperature of 730 oC for three minutes of processing, followed by different methods ofcooling.

4. ConclusionsIn the present study, cast in-situ Al(Mg,Mn)-Al2O3(MnO2) composite has been

synthesized by dispersion of externally added MnO2 particles in molten aluminium, followedcooling the cast ingots by different cooling rates. The tribological behaviour of cast in-situcomposites cooled after casting by different cooling rates, have been investigated. The followingmain conclusions have emerged.

1. In the cast in-situ composites, the size of intermetallic phase Mn(Al1-xFex)6 and thedendrite arm spacing (DAS) increases considerably with decreasing cooling rate of thecast ingot.

2. Higher hardness due to refined microstructure and superior mechanical properties resultsin decreased wear rate in cast in-situ Al(Mg,Mn)-Al2O3(MnO2) composite cooled inwater after casting, in comparison to the wear rates observed in cast ingots cooled in air orinside furnace.

3. Superior mechanical properties (tensile properties and hardness) are obtained when the in-situ composites are processed by cooling the cast ingot in water after casting as it resultsin refined microstructure.

4. The cumulative volume loss, particularly at higher normal load of 39.2 N, in cast in-situAl(Mg,Mn)-Al2O3(MnO2) composite cooled in water after casting, decreases considerablycompared to those observed in the cast in-situ composite cooled in air after casting and thecomposite cooled inside the furnace.

5. There is considerable decrease in wear rate of cast in-situ composite cooled in water aftercasting, particularly at higher loads, compared to those observed in the cast in-situcomposites cooled in air or inside furnace after casting. Also, it is observed that thedifference in wear rate between these three cast in-situ composites increases withincreasing normal load. Higher hardness due to refined microstructure and superior

5 10 15 20 25 30 35 40 45

Normal load, N

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Coe

ffic

ient

of f

rictio

n,m

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Method of cooling (Particle, wt%) (Porosity, vol%)Water C. 3.5 5.8Air C. 3.4 5.7Furnace C. 3.6 5.4

Coe

ffic

ient

of f

rictio

n,m


97

mechanical properties result in decreased wear rates in cast in-situ composites cooled inwater after casting in comparison to the wear rates observed in cast ingots cooled in air orinside furnace.

6. Cast in-situ Al(Mg,Mn)-Al2O3(MnO2) composite cooled in water after casting showshigher coefficient of friction compared to those cooled in air or inside furnace. In refinedmicrostructure the flow of matrix material during sliding may cover the fine intermetallicparticles to result in strong junctions of matrix materials with counterface in these areasand increased friction. Coarse intermetallic particles remain exposed and could form weakjunctions only and result in relatively lower friction.

References1. S. Bansal and Subrata Ray, (2005), “Applications of Metal Matrix Composites: A Status

Report”, 53rd Indian Foundry Congress, 21-23 January, 2005, Kolkata, India, pp. 159-168.2. S. Ray: J. Mater. Sci., 1993, Vol. 28, pp. 5397-413.3. R.M. Aikin, Jr.: JOM, 1997, vol. 49, pp. 35-39.4. J. Goňi, I. Mitxelena, and J. Coleto: Mater. Sci. Tech., 2000, vol. 16, pp. 743-46.5. Z. Y. Ma, J.H. Li, M. Luo, X.G. Ning, Y.X. Lu, and J. Bi: Scripta Metallurgica-et

Materialia, 1994, vol. 31, pp. 635-39.6. W. Lu, D. Zhang, X. Zhang, and R. Wu: Scripta Mater., 2001, vol. 44, pp. 1069-75.7. D. Lewis II: “In-Situ Reinforcement of Metal Matrix Composites”, Metal Matrix

Composites: Processing and Interfaces (Treatise on Materials Science and Technology,1991, vol. 32, Edited by R.J. Arsenault and R.K. Everett, Chapter 6, Academic press, Inc.,U.S.A., pp. 121-50.

8. D. Padmavardhani,A.Gomez and R. Abbaschian: Intermetallics, 1998, Vol. 6, PP. 229-32.9. A.A.Hamid, P.K.Ghosh, S.C.Jain, and S.Ray:Metall. Mater. Trans. A, 2006, vol. 37A, pp.

469-80.10. P.C. Maity, S.C. Panigrahi and P.N. Chakraborty: Scr. Met. et Mater., 1993, Vol. 28, pp.

549-52.11. A. A. Hamid, P.K. Ghosh, S.C. Jain, and S. Ray: Metall. Mater. Trans. A, 2005, vol. 36A,

pp. 2211-23.12. K. Geng, W. Lu and D. Zhang: J. Mater. Sci. Letts., 2003, vol. 22, pp. 877-79.13. A. A. Hamid, P.K. Ghosh, S.C. Jain, and S. Ray: Metall. Mater. Trans. B, 2006, vol. 37B,

pp. 519-529.14. Y.F. Li, C.D. Qin and D.H.L. Ng: J. Mater. Res., 1999, vol. 44, pp. 2997-3000.15. L. Bangsheng, O. Jiaha, G. Jingjie, Y. Guangjiang, and L. Qingchum: Chinese J. Mater.

Res., 1998, vol. 12, pp. 154-58.16. A. Hiroshi, H. Mitsuji, M. Katsuhisa, S.Yasuhiro, and H.Koji: International SAMPE

Metals and Metals Processing Conference, 1992, vol.3, SAMPE, Covina, CA, USA, pp.581-87.

17. L.F. Mondolfo: “Aluminium Alloys; Structure and Properties”, London, Butterworth, 1976, pp. 329-30.

18. N. P. Suh, (1986),”Tribophysics”, Prentice-Hall, Inc., A Division of Simon and SchusterEnglewood Cliffs, New Jersey, USA, pp.

19. J. F. Archard: “Wear Theory and Mechanism”, Wear Control Handbook, Edited by M.B. Peterson and W. O. Winer, ASME, NY, 1980, pp. 35-79.



98

INFLUENCE OF CERAMIC PARTICLES ON THECOEFFICIENT OF THERMAL EXPANSION OF

ALUMINIUM ALLOY MATRIX COMPOSITE

Inad F. Mustafa

Assistant LecturerMechanical Eng. Dept. - College of Engineering - University of Mosul

Abstract The increased role of advanced materials in mechanical design optimization has purredthe development of new material types and combinations previously unavailable to thedesigner. These new materials give the designer the ability to design higher density systemsby matching the material characteristics of all parts within the system. Certain metal matrixcomposites now allow the designer to select needed material properties over a fairly largerange for example (thermal expansion, conductivity and material strength).The current workhas been made for the evaluation of coefficient of thermal expansions (CTE) of Aluminumbased cast composites reinforced with mixture of (Al2O3 ) and (SiC) particles with differentvolume fraction. The cast composites have been prepared by liquid metallurgical route. Theresults show that (CTE) significantly increased with increasing temperature up to 400 °C. Butit has been observed that (CTE) decreases with increasing volume fraction of reinforcingparticles. The (CTE) values were found to be comparable with theoretical results. Turnermodel showed good agreement with the current experimental results.Key words: Coefficient of thermal expansion(CTE); Aluminium metal matrix composites;AL2O3 and SiC particles.

السيراميك على معامل التمدد الحراري في المواد المتراكبة التي أساسها قدراسة تأثير دقائ

األلمنيوم

عناد فتحي مصطفى

مدرس مساعدجامعة الموصل-كلیة الھندسة-قسم المیكانیك

الخالصةغير ومجموعاتهاالمواد الجديدة منمة في التصميم الميكانيكي األمثل يستنهض أنواعإن الدور المتزايد للمواد المتقد

إن هذه المواد الجديدة تعطي للمصمم القابلية لتصميم مجموعات ذات كثافة عاليه وذلك من . للمصممسابقاالمتيسرةكبه تسـمح للمصـمم الختيـار هناك اآلن مواد مر. خالل التوافق بين خواص المواد لكل األجزاء ضمن المجموعة

التمدد الحراري التوصيل الحراري ومقاومة المـواد علـى (مواصفات المواد المطلوبة باالضافه إلى مدى كبير من إن العمل الحالي أنجز من اجل تقدير معامل التمدد الحراري لمركبات األلمنيوم المقوى بخلـيط مـن ) . سبيل المثال

إن المواد المتراكبة الحالية تم تحضيرها بطريقه يد السليكون وبأجزاء ذات أحجام مختلفةاوكسيد األلمنيوم وكربدقائقأظهرت النتائج بان هناك زيادة واضحة في معامل التمدد الحراري بزيادة درجة الحـرارة .السباكة التقليدية ألمعروفه

إن قـيم . المقوىللجزيئاتدة حجم األجزاءدرجة مئوية إال انه لوحظ بان معامل التمدد الحراري يقل بزيا400لغاية مـع الجيدالتوافقTurner معامل التمدد الحراري وجدت من اجل مقارنتها مع النتائج النظرية ولقد اظهر نموذج

.نتائج التجربة الحالية

Received 14 December 2008 Accepted 12 April 2009

Mustafa : INFLUENCE OF CERAMIC PARTICLES ON THE COEFFICIENT OF

99

1. Introduction:In the continuing quest for improved performance, which may be specified by

various criteria including light weight, high strength, controlled thermal expansion coefficient,and lower cost, currently-used materials (monolithic materials) frequently reach the limit oftheir usefulness. Thus, materials scientists and engineers are always striving to produce eitherimproved traditional materials or completely new materials. Composite materials are anexample of the latter category. Many applications of metal matrix composites (MMCs) requirecontrolled thermal expansion characteristics in order to match those of other components [1].The higher elastic modulus and reduced coefficient of thermal expansion (CTE) is due to theincorporation of ceramic particles or fiber in to the matrix [2].

Aluminuim MMCs find potential applications in several thermal environments.Automobile engine parts, space applications such as drive shafts cylinders, pistons and brakerotors [3]. For example an investigation relating to the temperature profiles of the piston areain a diesel engine has shown that the temperature can reach as high as 400 °C in certainregions of the piston [4]. As the piston and cylinder areas are exposed to high temperature, thematerials used should have sufficient stability. The stability can be described in two wayschange in geometrical form and change in mechanical properties. In the former case thecoefficient of thermal expansion (CTE) of composite material plays a key role, while in thelatter case the mismatch of CTEs between the metal matrix and the reinforcement has adominant effect [5,6].However, the candidate composite material for thermal applicationsmust posses high elastic modulus and lower CTE.

In open literature, some studies have been focused on CTE of MMCs. Skirl et al., [7]have examined the effect of other material parameters, such as elastic properties of matrix andreinforcement, size and shape of the reinforcement on the CTE and internal residual strain ofAl2O3 reinforced aluminium base metal matrix composite. Balch and et al., [8], reported thatthe variation of thermal strain with respect to temperature for sic foam reinforced withaluminium MMCs where they attempted a comparison between the experimental andanalytical results obtained reasonably good agreement for thermal cycle with temperaturedifference.

The current investigation is a focused on the thermal behaviour of aluminium metalmatrix composites (Al – MMCs) reinforced with a mixture of alumina (Al2O3) and siliconcarbide (SiC) particles. The CTE of the Al-MMCs has been measured between 25 °C and 450°C by high-precision thermal mechanical analyzer (TMA) and the results are compared withthe predictions of theoretical models.

2. Experimental Procedure:Aluminium metal matrix composite reinforced with a mixture of Al2O3 and SiC

particles, have been fabricated by stirring these particles into molten aluminium alloy at atemperature of 750 °C. The chemical composition of the aluminium alloy (Al -7075) used inthe current investigation is given in Table 1.

Table 1: Main chemical composition of Al-7075.Zinc

(wt .%)Cupper(wt .%)

Magnesium(wt .%)

Aluminium(wt .%)

15.7 1.7 2.4 Balance

The average sizes of the reinforcing particles used in the current investigation areabout 35 mm and 23 mm for Al2O3 and SiC respectively.


100

Holding Temperature, oC0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450

Perc

enta

ge L

inea

r Cha

nge,

PLC

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

7 wt.%, Reinforced alloy

Specimens for CTE tests have been prepared using traditional casting route, with thevariation of the reinforcing particles in steps of 3,5,7 and 10 wt .%. after that these specimensare machined out to get the standard test specimens for CTE tests (10 x 5 x 2 mm in size). Thespecimen surfaces have been polished with 1 mm diamond paste. Five samples of eachcomposite have been tested under same conditions to verify the reproducibility of the datatests.

CTE measurements have been performed in the range of 25 °C to 450 °C at a rate ofheating of 5 °C /min, using commercially available Thermal Mechanical Analyzer (TMA).Standard TMA data analysis software has been used to evaluate the CTE of the compositematerials.

(a) (b)

(a) (d)

(e)Figure 1: Show the variation of percentage linear change (PLC) with temperature;

(a) 0 wt.%, (b) 3 wt.%, (c) 5 wt.%, (d) 7 wt.% and (e) 10 wt.%


Perc

enta

ge L

inea

r Cha

nge,

PLC

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

Based unreinforced alloy


Perc

enta

ge L

inea

r Cha

nge,

PLC

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4



Perc

enta

ge L

inea

r Cha

nge,

PLC

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6



Perc

enta

ge L

inea

r Cha

nge,

PLC

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6



101

3. Results and Discussion:Figure 1, shows the experimental results of the variation of percentage linear change

(PLC) of aluminium based alloy particulate composites with different weight percentages ofreinforcements as functions of temperature. It is observed that there is no significantdifferences between these curves, i.e. nearly similar characteristics as demonstrated in Fig. 1.

But the increase in weight percentage of the reinforcing particles showed a relativelylarger contraction as shown in Fig. 2, where all curves are plotted together. It is also, observedthat the differences in contractions increases with increasing temperature.


Perc

enta

ge L

inea

r Cha

nge,

PLC

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

Based unreinforced alloy3 wt.%, Reinforced alloy5 wt.%, Reinforced alloy7 wt.%, Reinforced alloy10 wt.%, Reinforced alloy

Figure 2: Variation of PLC with holding temperatures for different composition of thetested composite materials.

These significant increases in constructions are attributed mainly to the present ofceramic reinforcing particles. The results of the CTE of unreinforced aluminium based alloyand different weight percentage of particles reinforced composite are shown in Table 2. Oneobserves a dramatic reduction in the CTE of the composite in comparison with that of thebased unreinforced alloy, which explain that in these composite material, there is goodinterfacial bonding, due to existence of macroscopic strain.

Table 2. Results of coefficient of thermal expansion (CTE, x10-6/k) of based unreinforcedalloy and composites

Temp. °CBased unreinforced

alloy 3 wt .% 5 wt .% 7 wt .% 10 wt .%

coefficient of thermal expansion (CTE, x10-6/k)25 21.32 16.37 15.31 13.82 13.0350 22.41 18.80 17.01 16.3 15.05

100 23.54 20.99 18.06 16.91 15.88150 24.43 21.89 19.66 17.71 16.55200 25.09 23.13 21.54 19.81 18.03250 26.11 24.32 22.31 21.02 19.12300 27.21 25.43 24.06 22.6 21.03350 27.92 26.21 25.2 23.6 22.61400 28.42 27.06 26.31 24.7 23.43450 29.03 28.11 27.08 25.81 24.02


102

The variations CTE of the based unreinfoced alloy and particulate composites withholding temperature are shown in the Fig. 3. The CTE of based unreinforced alloy andparticulate composites were found to increase with increasing temperature.

Figure 3: The variation of CTE with increasing temperature for base unreinforced alloy and particulate composites with different amount of reinforcing particles .

Experimental results of CTE measurements conducted on the particulate compositesare compared with the predicted values obtained from Turner model [9]. This model is basedon the uniform hydrostatic stresses existing in the phase. In this model the CTE of thecomposite material is given by,

ppmm

pppmmmc KVKV

KVKV+

a+a=a ……………….. (1)

Where a is the coefficient of thermal expansion, V is the volume fraction ofreinforcing particles and K is the bulk modulus. The subscripts c, m, and p refer to thecomposite, matrix and reinforcing particles respectively.

H olding Tem perature , oC

0 100 200 300 400 500

Coe

ffic

ient

of t

herm

al e

xpan

sion

, CTE

, x10

-6/K

16

18

20

22

24

26

28

5 wt.% , Experim ental5 wt.% , Predicated [Turner m odel]

Figure 4: Comparison between results of CTE measured of composite with 5 wt% reinforcing particles and predicted values obtained from Turner model.

Holding Temperature, oC

0 100 200 300 400 500

Coe

ffici

ent o

f the

rmal

exp

ansi

on, C

TE, X

10-6

/K

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

Based unreinforced alloy3 w t.% , R einforced alloy5 w t.% , R einforced alloy7 w t.% , R einforced alloy10 wt.% , R einforced alloy


103

The measured CTEs of the different particulate composites are agree fairly well withthose predicted by the Turner model, particularly at higher temperature region, asdemonstrated in Fig. 4.

4. Conclusions:The coefficient of thermal expansion CTE of cast unreinforced alloy and particulate

composites were evaluated experimentally and compared with those predicted by Turnermodel. The main conclusions may drawn from the current work are:

1- Aluminium alloy based cast particulate composites could be successfully produced bycasting technique.

2- The coefficient of thermal expansion of both based unreinforced alloy and particulatecomposites increases with increasing temperature from 25 °C to 450 °C for baseunreinforced alloy the increases in CTE near about 36% but, for example ; in the caseof composite containing (5 wt.% ) reinforcing particle , the increases near about 76.8% .

3- The coefficient of thermal expansion of particulate composite decreases withincreasing weight percentage of reinforcing particles. For example , at a given holdingtemperature , say 50 °C , the CTE of composite containing ( 5 wt.%) decreases about24 % .

4- In the theoretical model used to predict the coefficient of thermal expansion of theparticulate composite, Turner model appears to reasonably predict the CTE,particularly at higher temperatures.

References:1- Xu, Z.R., Chawala K.K., Mitra, R, and Fine, M.E,: Scripta Metal., Vol. 31, No.11,

1994, pp. 1925-1932.2- Elomari, S., Boukhili, R., and Lloyd, D.J.: Acta Mater., Vol. 44, 1996, pp. 1873-1879.3- John, E. Allison and Gerald S. Cole: Journal of Metals, Vol. 45, 1993, pp.29-36.4- Bowles, R.R., Macini, D.L. and Toaz, M.W.: "Advanced composites-The latest

Developments" edited by Peter Beardmore and Carl F. Johnson, Proceeding of theSecond conference on advanced composites, (ASTM, International, Michigan, 1990),pp.21-23.

5- Minoru Taya and Richard J. Arsenault: "Metal Matrix Composites", 1989, pp.177-179.6- Everett, R.K. and Richard J. Arsenault: "Metal Matrix composites-Mechansims and

Properties", Academic Press, INC, 1250 Sixth Avenue, San Diego, CA 92101, USA,1991, pp.79-82.

7- Skirl, M., Hoffman, K., Bowman, K., Wiederhorn, S., and Rodel, J.: Acta Mater., Vol.46, 1998, pp. 2493-2499.

8- Balch, D.K., Fitzgerald, T.J., Michaud, V.J., Mortensen, A., Shen, Y.L. and Suresh, S.:Metall. Trans., Vol. 27A, 1996, pp.3070-3078.

9- Matthews, F.L., and Rawlings R.D.: Composite Materials: Engineering and Science,Fourth edition, Printed in Great Britain, Alden Press, Oxford, 2001, pp.219-221.



104

Natural convection heat transfer inside finned enclosure

Ra'ed Ahmed Ali

Assistant LectureMosul University – Engineering College-Mechanical Engineering Department

Abstract This work is focused on the numerical study of steady, laminar natural convection heattransfer in square enclosure with perfectly conducting thin fins. The fins are attached to bothvertical surfaces, the two vertical surfaces are at different temperatures while the other twohorizontal surfaces are insulated. In the formulation of governing differential equations,mass, momentum and energy equations are applied to the enclosure. To solve the governingdifferential equations a finite difference method is used. Three cases were studied in thiswork depending on the number of fins attached to vertical surface, (i) single fin (ii) two finsand (iii) three fins. The results presented for various Rayleigh number and dimensionlessfins length ( in the range of 0.15, 0.25, 0.35, 0.45), in a form of streamlines, isotherm lines,as well as Nusselt number. It was observed that the increasing in Rayleigh number resultingin increase in Nusselt number and in the temperature gradient. Due to increasing in the in thedimensionless length and number of fins, it was observed that a decrease in temperaturegradient and in the Nusselt number were occurred.

Key words : natural convection, enclosure, fins, heat transfer.

انتقال الحرارة بالحمل الطبیعي داخل حیز مزعنف

رائد اجمد علي

س مساعدمدرقسم الھندسة المیكانیكیة–كلیة الھندسة –جامعة الموصل

خالصةالتم التركيز في هذا البحث على دراسة عددية النتقال الحرارة بالحمل الطبيعي داخل حيز مربـع يحتـوي

هما درجـات زعانف رقيقة ذات موصلية مثالية، وقد تم تثبيت الزعانف على كال من السطحين العموديين اللذين لفي صياغة للمعادالت التفاضلية الجزئية الحاكمة . حرارة ثابتة مختلفة بينما كان السطحان االفقيان معزولين حراريا

تطبيق معادالت حفظ الطاقة وحفظ الكتلة والزخم على الحيز ولحل المعادالت التفاضلية الجزئيـة تـم تطبيـق تمم دراسة ثالث حاالت باالعتماد على عدد الزعانف المثبة علـى كـل مـن في هذا البحث ت. طريقة الفروق المحددة

تم تمثيل النتائج لقيم مختلفة من . ثالث زعانفiii)( زعنفتين وأخيرا ii)( زعنفة واحدة i)( السطحين العموديين ط االنسياب، على شكل خطو0.45 ,0.35 ,0.25 ,0.15)ضمن مدى( مختلفة للزعانف ةعدد رالي وألطوال ال بعدي

لوحظ بان الزيادة في عدد رالي سببت زيادة انحدار درجات . وخطوط ثبوت درجات الحرارة إضافة إلى عدد نسلتالحرارة وكذلك وزيادة في عدد نسلت، ونتيجة لزيادة العدد والطول الالبعدي للزعانف تسبب تناقص في عدد نسلت

. وانحداردرجات الحرارة

.الحمل الطبيعي، حيز ، زعانف ، انتقال الحرارة:الكلمات الدالة

Received 13 April 2009 Accepted 25 May 2009

Ali : Natural convection heat transfer inside finned enclosure

105

NomenclatureX Dimensionless horizontal distance T TemperatureY Dimensionless horizontal distance u, Velocity in x-direction

J Kinematics viscosity v Velocity in y-directionYlf fin height from horizontal surface x Horizontal distanceYf Dimensionless fin height from horizontal surface f Arbitrary functionLf Dimensionless fin length G Gravitational accelerationL Horizontal/ vertical dimension of enclosure K Thermal conductivity w/m Klf Fin length y vertical distance

Nu Nusselt number f Dimensionless stream function

P Fluid pressure ω VorticityQcond

.Heat transfer by conduction Ω Dimensionless Vorticity

Qconv

.Heat transfer by convection a Thermal diffusivity

Ra Rayleigh number b Thermal expansion coefficientSubscripts q Dimensionless temperatureH Hot r densityC Cold Ψ Stream function

IntroductionDue to its low cost and apparent simplicity, natural convection cooling or heating has

always been an attractive technique in thermal engineering. The application in which it is usedare countless, embracing many technical fields. Examples are energy storage systems, thermalcontrol of electronic device and buildings. Such variety of applications has generated a largebody of work that studied buoyancy driven flows in several configuration and differentboundary condition[1].

A review of literature shows that there are various studies on natural convection incavities containing fins that may classified into major categories: i) those in square andrectangular cavities containing one or more in tall cavities with fins attached to one active side.ii) Studies in tall cavities with fins attached to one active side forming open micro-cavities withvarious boundary conditions. The addition of fin or array of fins to the enclosure surface is thereliable method to increase the overall heat transfer rate between the heat dissipating surface andthe heat absorbing surface. Accordingly, the study of natural convection from finned surface hasbeen subject of many experimental and numerical investigations. These investigations recentlyhave been motivated by the advance in the electronics technology and the need for reliable andefficient cooling techniques. The increase in heat transfer rate due to the presence of a fin or finsarray depends greatly on the location, material and geometry of the fin.

Frederick [2] reported a parametric study of natural convection in an air-filled,differentially heated, inclined square cavity, with a fin attached perpendicularly to its cold wallat Rayleigh numbers of 103–105 and partition relative lengths of 0.25 and 0.5. It was reportedthat the fin causes convection suppression, and heat transfer reductions of up to 47% relative tothe undivided cavity at the same Rayleigh number. Frederick and Valencia [3] considered heattransfer in a square cavity with a conducting partition at the center of its hot wall. They studiedthe impact of partition length and conductivity on heat transfer rate.. Scozia and Frederick [4]


106

considered natural convection heat transfer in a differentially-heated slender rectangular cavityof aspect ratio of 20 with multiple conducting fins attached on the active cold wall of the cavity.They concluded that as the inter-fin aspect ratio was varied from 20 to 0.25, the flow patternsevolved considerably and the average Nusselt number exhibited maximum and minimum valueswhose locations depended on the value of the Rayleigh number. Hasnaoui et al. [5] studiednumerically a vertical rectangular differentially-heated enclosure with adiabatic fins attached tothe heated wall. The enclosure aspect ratio was varied from 2 to 3, the dimensionless fin lengthfrom 0 to 0.75, and micro-cavity height from 0.3 to 0.67. Their study showed that the heattransfer through the cold wall was reduced compared to the case without fins and this reductionwas enhanced with increasing fin length and decreasing Rayleigh number. Nag et al. [6] studiednatural convection in a differentially heated square cavity with a horizontal partition plate on thehot wall. They analyzed the thermal effect of partition’s length and location for Rayleighnumber range from 103 to 106. Lakhal et al [7] Studied numerically the natural convection heattransfer in an inclined rectangular enclosure with perfectly conducting fins attached to the heatedwall . The parameters governing this problem are Rayleigh number, Aspect ratio of theenclosures, dimensionless of the partition the inclination angle and Prandtl number. UsefulEngineering correlation is derived for practical applications. Bilgen [8] studied naturalconvection in enclosures with partial partitions attached to the adiabatic horizontal surfaces. Hisstudy covered various geometrical parameters: enclosure aspect ratio , number of partitions,partitions dimensionless position, partitions dimensionless height = 0.0 – 0.15, and Rayleighnumber . The results showed that the flow regime was laminar for Ra up to 108 thereafterturbulent. The heat transfer was reduced (a) when two partitions were used instead of one, (b)when the aspect ratio was made smaller, (c) when the position of partitions was farther awayfrom the hot wall. Shi and Khodadadi [9] reported a detailed parametric study of flow and heattransfer in a lid-driven cavity due to the presence of a single thin fin. Three fins with lengthsequal to 5, 10, and 15 percent of the side. They concluded that the fin slows the flow near theanchoring wall and reduces the temperature gradients, thus degrading heat transfer capacity. Shiand Khodadadi [10] also studied steady laminar natural convection within a differentially heatedsquare cavity due to the presence of a single highly conductive thin fin. The study covered threefin lengths, seven fin locations, and Ra = 104–107. They have stated that for high Rayleighnumbers the flow field is enhanced regardless of the fin’s length and position indicating that theextra heating mechanism outweighs the fin’s blockage effect. They also reported that better heattransfer performance can be achieved if the thin fin attached to the hot wall was closer to theinsulated walls. Belgen [11] In This work A numerical study has been carried out indifferentially heated square cavities, which are formed by horizontal adiabatic walls and verticalisothermal walls. A thin fin is attached on the active wall. A parametric study is carried outusing the following parameters: Rayleigh number, dimensionless thin fin length from 0.10 to0.90, dimensionless thin fin position from 0.0 to 0.90, dimensionless conductivity ratio of thinfin. It is found that Nusselt number is an increasing function of Rayleigh number, and adecreasing function of fin length and relative conductivity ratio. There is always an optimum finposition, which is often at the center or near center of the cavity, which makes heat transfer bynatural convection minimized. The heat transfer may be suppressed up to 38% by choosingappropriate thermal and geometrical fin parameters. Ben-Nakhi and Chamkha [12] who studiedthe effects of a heated thin fin length and inclination angle on steady, laminar, two-dimensionalnatural convection fluid flow inside a differentially-heated square enclosure. The study coveredfin inclination angles from 0o to 180o, and dimensionless fin lengths of 0.2, 0.35, and 0.5.Abdullatif Ben-Nakhi et al [13] In This work is focused on the numerical study of steady,laminar, conjugate natural convection in a square enclosure with an inclined thin fin of arbitrarylength. The inclined fin is attached to the left vertical thin side of the enclosure while the otherthree sides are considered to have finite and equal thicknesses of arbitrary thermal


107

conductivities. The left wall of the enclosure to which the fin is attached is assumed heatedwhile the external sides of the other three surfaces of the enclosure are cooled. The inclined thinfin is perfectly conductive and is positioned in the middle heated surface of the enclosure. Threedifferent fin lengths equal to 20, 35 and 50 percent of the heated surface are considered.Representative results illustrating the effects of the thin fin inclination angle and length and thethermal conductivity of the thick surfaces on the streamlines and temperature contours withinthe enclosure are reported. In addition, results for the local and average Nusselt numbers arepresented and discussed for various parametric conditions. M. Ghassemi et al [14] Studied theeffect of the inclination angle on flow field and heat transfer in differentially heated squarecavity with two insulated baffles attached to its isotherms walls. The isotherms walls are atdifferent temperature. The walls that make an angle φ with the horizontal are adiabatic. It isobserved that all baffles lengths and baffles positions when the φ=90o Nusselt number is almostminimum. In addition the Nusselt number decreases as baffle length increases, generally Finallyit is shown that Nusselt number changes with baffles position. Sivasankaran et al [15]Anumerical study has been performed to analyze the combined temperature and species gradientsinduced buoyancy-driven natural convection flow of cold water, near its density extremum,contained in a rectangular partitioned enclosure with isothermal side walls and insulated top andbottom. A highly conductive thin baffle is attached to the hot wall. The flow is assumed to betwo-dimensional. Numerical solutions of the governing equations are obtained using the two-step ADI method coupled with the SOR technique.The results of the investigation are presentedin the form of steady-state streamlines, isotherms, and isoconcentration lines. The results arediscussed for different positions and lengths of the baffle and different values of Schmidtnumber and hot-wall temperatures. The heat and mass transfer rates calculated are found tobehave nonlinearly. The average heat transfer rate is enhanced when the position of the baffle israised. The heat and mass transfer are increased with increasing enclosure size. It is also foundthat the convective heat transfer is greatly influenced by the presence of a density maximum inthe convective fluid. Feng Xu et al [16] Studied The unsteady thermal flow around a thin fin ona sidewall of a differentially heated cavity is visualized using a shadowgraph technique andmeasured using fast-response thermistors. Experiments show that the transition of the unsteadythermal flow around the fin from initiation by sudden heating to a quasi-steady state undergoes anumber of stages including the formation of a horizontal gravity current under the fin and astarting plume bypassing the fin, entrainment into the downstream thermal boundary layer, andseparation and oscillations of the thermal flow above the fin. It is found that the frequency of theoscillations is a linear function of the Rayleigh number. the effects of surface radiation andnumber of partitions on the heat transfer and flow structures in a rectangular enclosure, inclinedby Ф= 45o with respect to the horizontal plane, have been studied numerically by MohammedRabhi et al [17]. The two vertical walls of the enclosure, of an aspect ratio equal to 4, are heatedwith uniform different temperatures, while the others are adiabatic. It was found that the totalheat transfer in the enclosure is increased under thermal radiation heat flux and reducedsignificantly with increasing the number of partitions. N. Kasayapanand *[18] presentedNumerical modeling of the electric field effect on natural convection in square enclosures withsingle fin and multiple fins is investigated. The interactions between electric, flow, andtemperature fields are analyzed using a computational fluid dynamics technique. The parametersconsidered are the supplied voltage, Rayleigh number, size of enclosure, electrode arrangement,number of fins, and fin length. It can be concluded that the flow and heat transfer enhancementsare the decreasing function of Rayleigh number. Moreover, the heat transfer coefficient issubstantially improved by the electric field effect especially at the high number of fins and longfin length. Surprisingly, the maximum average velocity and heat transfer enhancement occur atthe different electrode arrangements for the single fin and multiple fins.


108

The purpose of the present study is to investigate the effects of the perfectly conductingthin fins attached to both vertical hot and cold isotherms walls on natural convection in sideenclosure. In three different cases relative to number of fins attached to hot & cold wallsequally spaced (i) one fin attached to each wall. (ii) two fins attached each wall. and (iii) threefins in each wall. The effect of the fin length, number of fins and Rayleigh number on fluidflow, isotherm lines and Nusselt number are studied for each on of the mentioned cases.

Mathematical ModelThe physical system under consideration is a two dimensional square finned enclosure of

length ( L ) filled with air. The vertical side walls of the enclosure are isothermal but maintainedat different temperatures Th (hot wall) and Tc (cold wall ) with Th>Tc . The

horizontal walls are thermal insulated, very thin perfectly conducting fins at length lfattached to the both vertical walls. As in fig. 1

Fig. 1 Schematic of the Square cavity with thin Fins attached on Hot & Cold walls

To simplify the analysis, the following assumptions are made:

1- The fluid is incompressible, steady and laminar.

2- A two-dimensional distribution of fluid flow and temperature.

3- There is no viscous dissipation.4- The gravity acts in the vertical direction.

5- Fluid properties are constants and fluid density variations are neglected except in the buoyancy term (the Boussinsque approximation ).

6- Radiation heat exchanges is negligible.

The governing equations include the equations of the continuity, momentum and theenergy. The equations are as follows.

1-The continuity equation for the steady and incompressible flow is given by:

0=¶¶

yTy

L0=

¶¶

yT

Tc

v u

Th

x

L

ylf

lf

lf


109

0=¶¶

+¶¶

yv

xu …1

2-The following assumption, as steady flow, constant property of fluid & and no heat generation are considered for the energy equation is:

÷÷ø

öççè

æ¶¶

+¶¶

=¶¶

+¶¶

2

2

2

2

yT

xT

yTv

xTu a …2

3-The momentum equation in x and y direction are :

÷÷ø

öççè

æ¶¶

¶¶

+÷øö

çèæ

¶¶

¶¶

+¶¶

-=¶¶

+¶¶

yu

yxu

xxp

yuv

xuu mm

r1 …3

gyv

yxv

xyp

yvv

xvu ×-÷÷

ø

öççè

æ¶¶

¶¶

+÷øö

çèæ

¶¶

¶¶

+¶¶

-=¶¶

+¶¶

rmmr1 …4

With Boussinesq approximations, the density is constant for all terms in the governingequations except for the bouncy force term that the density is a linear function of thetemperature.

)1( To D-=×

brr …5

by introducing equation 5 into equation 4 yield:

Tgyv

yxv

xxp

yvv

xvu D+÷÷

ø

öççè

æ¶¶

¶¶

+÷øö

çèæ

¶¶

¶¶

+¶¶

-=¶¶

+¶¶ ·

bmmr1 …6

The stream function (ψ) and vorticity (ω) in the governing equations are defined as follows:

xv

yu

¶¶

-=¶¶

=yy , …7

w=¶¶

-¶¶

yu

xv …8

The stream function formulation satisfies continuity equation and by substituting them inequation 1 yield.

wyy

-=¶¶

+¶¶

2

2

2

2

yx …9

By suitable manipulation, the pressure term in governing equations may be eliminated, then,


110

xTg

yyxxyxxy ¶¶

+÷÷ø

öççè

æ¶¶

¶¶

+÷øö

çèæ

¶¶

¶¶

=¶¶

¶¶

-¶¶

¶¶ ×

bw

mw

mwywy …10

Therefore the energy equation becomes.

÷÷ø

öççè

æ¶¶

¶¶

+÷øö

çèæ

¶¶

¶¶

=¶¶

¶¶

-¶¶

¶¶

yT

yxT

xyT

xxT

y PrPrmmyy …11

The above equations are non-dimensionalized in order to identify the relevantdimensionless parameters influencing the problem of this work The variables are non-dimensionalized by defining the following parameters:

LxX = ,

LyY = ,

Jy

f = ,ch

c

TTTT

--

=q ,J

w 2L=W ,

LY

Y lfF = ,

Ll

Lf f=

The width of the enclosure (L) is the characteristics length in the problem. Using non-dimensional variables defined above, the non-dimensional governing equations are obtained as:

Energy Equation

÷÷ø

öççè

æ¶¶

+¶¶

=¶¶

¶¶

-¶¶

¶¶

2

2

2

2

Pr1

YXYXXYqqqfqf …13

Momentum Equation

2

2

2

2

Pr YXxRa

YXXY ¶W¶

+¶

W¶+

¶¶

=¶W¶

¶¶

-¶W¶

¶¶ qff …14

Continuity Equation

W-=¶¶

+¶¶

2

2

2

2

YXff …15

The Boundary conditions are:

0.0&0.0,0.10.10.00.0 =W==££= fq andYXat

0.0&0.0,0.00.10.00.1 =W==££= fq andYXat

0.0&0.0,0.10.0 =W===££ fq andYYLfXat F

0.0&0.0,0.0 =W===££- fq andYfYLXLfLat

0.0&0.0,0.00.00.0 =W==¶¶

=££ fq andY

YLXat

0.0&0.0,0.00.10.0 =W==¶¶

=££ fq andY

YLXat

…12

…16


111

Numerical methodThe governing equations for steady state, laminar, two dimensional natural convection

heat transfer in a square enclosure with perfectly conducting thin fins attached to the hot andcold walls are solved by using the finite difference technique It's procedure is based on the mostcommon series, Taylor series .Using this series, all partial derivatives in governing partialequations are converted to forms that can be handled by computer.

The mesh consists of (my) vertical and (mx) horizontal lines positioned at intervals of Dxand Dy, respectively .Assuming that a function "f" and its derivatives are single-valued, finiteand continuous functions of the independent variables x and y . Thus, the following finitedifference formulas for the first and second order derivatives at grid point (i , j ) fromexpansions of Taylor series had been obtained :

For interior points used central difference equations (17,18) , upper insulated surfaceused backward difference equation (20) and for lower insulated surface used forward differenceequation (19).

( )2,1,1

2xO

xxf ff jiji D+

D

-=

¶¶ -+ (Central difference) …17

( )22

,1,,12

2 2xO

xf

xfff jijiji D+

+-=

¶¶

D+- (Central difference) …18

( )2,2,1,

243

xOxf

xfff jijiji D+

-+=

¶¶

D-

++ (Forward difference) …19

( )2,2,1,

243

xOxf

xfff jijiji D+

+-=

¶¶

D-- (Backward difference) …20

In the same way the derivatives in y-direction can be obtained.

Therefore, by substituting the above equations in the non-dimensional governingequations obtained previously, all temperatures, stream function and vorticity at each point canbe obtained. The heat transfer from the walls of the enclosure can be obtained by using theintegration of temperature gradient along the vertical wall of the enclosure:

yx

Q ¶¶¶

= ò1

0

q …21

And along each fin:

xy

QLf

¶¶¶

= ò0

q …22

After computing the total quantity of the heat transfer in the enclosure, Nusselt numbercan be calculated which equals the ratio between heat transfer by convection to the heat transferby pure conduction:

.

.

cond

conv

QQNu = …23


112

Result and DiscussionIn this section, numerical results for streamlines and temperature contours for various

values of fins number, fins dimensionless length, and different value of Rayleigh number. Allresults are computed for a Prandtl number Pr=0.7

Figure (2) A,B,C, represents the effect of Rayleigh number on steady state contour plotsfor the streamlines and isotherm lines for various values of Rayleigh number (103 , 104)for thethree cases when the dimensionless fins length equal 0.45 with respect to the width of theenclosure. Generally it can be seen from the above figures that the increasing in the Rayleighnumber causes increasing in temperature gradient along the vertical walls also the value ofstream function increased with the increasing in the Rayleigh number, this because the buoyancyforce increased with the increasing in the Rayleigh number, which represent the driving force inthe natural convection heat transfer. Also it can be observed that increasing the number of finswhich result in decreasing in temperature gradient as result of restriction to the fluid flow.

Figure (3) A, B, C, shows the effect of the increasing in the dimensionless fins lengthupon streamlines and isotherm lines for the three cases when Rayleigh number equals 2x103. theincreasing in the dimensionless fins length cases decreasing in temperature gradient along thevertical walls as fin elongate restricted the fluid flow so the temperature gradient decreases. Alsothe increasing in the number of fins causing in decreasing the temperature gradient. Also theincreasing in dimensionless fins length cases the appearance multi centers flow this situationresulting in efficient heat transfer process.

Figure (4) A, B, C, depicts the relation ship between the Nusselt number and Rayleighnumber for different dimensionless fins length for the three cases. From the above figures it canbe seen that the increasing in the Rayleigh number for the same length of fins causes increasingthe Nusselt number due to more heat transfer by convection outcome from buoyancy forcewhich increases the temperature gradient along the vertical surface and along the fins. Theincreasing in the dimensionless fins length will reduce the Nusselt number due to greater heattransfer by conduction over that by convection whereas the Nusselt number equal the ratiobetween the heat transfer by convection to the heat transfer by conduction. Also the morenumber of fins reduce the Nusselt number due to the drop in temperature gradient because theincreasing in the dimensionless fins length causes in the restriction of the fluid flow.

Conclusions.Heat transfer by natural convection inside enclosure with perfectly conducting thin fins has

been numerically studied. The numerical simulation reveals the following conclusions:1. The heat transfer by natural convection is increased with the higher Rayleigh number.2. The Nusselt number and temperature gradient are increased as Rayleigh number be higher.3. The Nusselt number and temperature gradient decreased with the elongation of fins.4. The Nusselt number and temperature gradient decreased with more number of fins


113

Fig.(2) effect of Rayleigh on temperature distribution and flow regime at length of fins=0.45, A(number of fins=1), B(number of fins=2), C(number of fins=3)

Ra=104 Ra=103

(A)

(B)

(C)


114

Fig.(3) effect of fins length (0.15, 0.25, 0.35, 0.45) on temperature distribution and flowregime at Ra*=2000 , A(number of fins=1), B (number of fins=2), C(number of fins=3)

A

B

C


115

400 800 1200 1600 2000Ra*

1

2

3

4

5

Nu

No. of Fins=3.0

Lf=0.0

Lf=0.15

Lf=0.25

Lf=0.35

Lf=0.45

400 800 1200 1600 2000Ra*

1

2

3

4

5

Nu

No. of Fins=2.0

Lf=0.0

Lf=0.15

Lf=0.25

Lf=0.35

Lf=0.45

400 800 1200 1600 2000Ra*

1

2

3

4

5

Nu

No. of Fins=1.0

Lf=0.0

Lf=0.15

Lf=0.25

Lf=0.35

Lf=0.45

Fig.(4) variation of Nu with Ra, A (number of fins =1), B(number of fins =2),C(number of fins =3),

(A)

(B)

(C)


116

References1-Bejan A," Convection Heat Transfer" Wiley–Interscience Publication Joun Wiley &Sons, Inc., 1984.2-R.L. Frederick, "Natural convection in an inclined square enclosure with a partition attached to its cold wall", Int. J. Heat Mass Transfer 32 pp.87–94, 1989.3-R.L. Frederick, A. Valencia, "Heat transfer in a square cavity with a conducting partition on its hot wall", Int. Commun. Heat Mass Transfer 16 pp.347–354, 19894-R.Scozia, R.L.Frederick, " Natural convection in slender cavities with multiple fins attached on an active wall ", Numer. Heat Transfer, Part A 20 pp.127–158. 19915-M. Hasnaoui, P. Vasseur, E. Bilgen,"Natural convection in rectangular enclosures with adiabatic fins attached on the heated wall", Warme and Stoffubertragung 27 pp.357–368. 19926-A. Nag, A. Sarkar, V.M.K. Sastri, "Natural convection in a differentially heated square cavity with a horizontal partition plate on the hot wall", Comput. Methods Appl. Mech. Engrg. 110 pp.143–156, 19937-E. K. Lakhal, M. Hasnaoui, E. Bilgen, P. Vasseur."Natural convection in Inclined rectangular enclosures with perfectly conducting fins attached on the heated wall" Heat and Mass Transfer pp.365-373 , 1997.8-E. Bilgen, "Natural convection in enclosures with partial partitions", Renewable Energy 26 pp.257–270. 20029- X. Shi, J.M. Khodadadi, Laminar fluid flow and heat transfer in a liddriven cavity due to a thin fin, ASME J. Heat Transfer 124 (6) pp.1056–1063. 2002.10-X. Shi, J.M. Khodadadi, Laminar natural convection heat transfer in a differentially heated square cavity due to a thin fin on the hot wall, ASME J. Heat Transfer 125 (4) pp. 624–634. 200311-E. Bilgen " Natural convection in cavities with a thin fin on the hot wall" International Journal of Heat and Mass Transfer 48 pp.3493–3505. 200512-A.Ben-Nakhi, A.Chamkha, "Effect of length and inclination of a thin fin on natural convection in a square enclosure",Numer. Heat Transfer Part A: Appl. 50(4) pp.389–407. 200613-Abdullatif Ben-Nakhi a,∗, Ali J. Chamkha b " Conjugate natural convection in a square enclosure with inclined thin fin of arbitrary length" International Journal of Thermal Sciences 46 pp.467–478, 200714- M. Ghassemi , M. Pirmohammadi , Gh. A. Sheikhzadeh "A Numerical Study of Natural Convection in Tilted Cavity with Two Baffles Attached to its Isothermal Walls" Weas Transaction on Fluid Mechanics Issue 3, Vol. 2 July 2007.15-Sivasankaran and Kandaswamy " Effect of Conductive Baffles on hot wall in Double Diffusive Convection of Water near density maximum" The Arabian Journal for Science and Engineering, Volume 32, Number 1B 37 April 2007.16-Feng Xu *, John C. Patterson, Chengwang Lei " An experimental study of the unsteady thermal flow around a thin fin on a sidewall of a differentially heated cavity" International Journal of Heat and Fluid Flow 29 pp.1139–1153. 200817-Mohammed Rabhi, Hicham Bouali, Ahmed Mezrhab* "Radiation–natural convection heat transfer in inclined rectangular enclosures with multiple partitions" Energy Conversion and Management 49 pp.1228-1236. 200818-N. Kasayapanand * "A computational fluid dynamics modeling of natural convection in finned enclosure under electric field" Applied Thermal Engineering 29 pp.131-141, 200919-Borse,G. J., FORTRAN77 and Numerical Method for Engineering, McGraw- Hill Book Company, Inc., 1985.


117

2010ثانيانون كاالول العددعشر الثامنالمجلد

مجلة قطریة علمیة محكمة ISSN 1813-0526

مجلة ھندسة الرافدین/ رئیس ھیئة التحریر:المراسالتجامعة الموصل / كلیة الھندسة

العراق/ الموصل mosul.com-coll-http://www.alrafidain.engineering: الموقع االلكترونيmosul.com-coll-alrafidain@engineering: البرید االلكتروني

المذكورة فیھ وان أعضاء ریعتبر صاحب البحث مسؤوال عن اآلراء واألفكا.یة الھندسة غیر ملزمین في أي حال من األحوالھیئة التحریر أو كل

ھیئة التحریرعبد الحكیم حامد أحمد.د. أ:رئیس ھیئة التحریر

جمیلمحمدصباح. د. أ:أعضاء ھیئة التحریرالموجودعبدسامي. دحفصة رمزي العمري. دقبعقدو مجیدقیدار. دأنمار عبد العزیز الطالب.د

شفاء عبد الرحمن داؤد. د: سكرتیر ھیئة التحریرخلیل أبراھیم العرب. د. أ:ھیئة التحریراالستشاریة

مظفر علي الجابري. د. أفھميمحمدھاني. د. أألبیر ایلیا نعمان. د. أأمینیوسف صدیق . د. أرائد رمزي العمري. د. أ

http://:@www.alrafidain.engineering-coll-mosul.com/

mailto:alrafidain:@engineering-coll-mosul.com

مجلة ھندسة الرافدینتعلیمات النشر

: ة تصدر ھیئة مجلة الرافدین مجلدا واحدا سنویا یضم أربعة اعداد ویشمل كل عدد التخصصات الھندسیة التالیl الھندسة المعماریةl الھندسة المدنیةl الھندسة الكھربائیةl الھندسة المیكانیكیةl ھندسة الري والبزلlھندسة الحاسبات

الھدف والمجال تھدف مجلة ھندسة الرافدین إلى تنمیة المعرفة في مجال الھندسة والعلوم المتعلقة بھا ویجب ان تساھم المقالة المقدمة للنشر في

االت تطویر العلوم الھندسیة بمختلف مجاالتھا وسوف ینظر في نشر المقاالت المبتكرة والممیزة في ھذه المجاالت وستحال المقالتي ترد إلى المجلة لغرض تقویمھا إلى محكمین ذوي سمعة وخبرة واسعة في حقل االختصاص وقد تقبل للنشر أو یتعذر عنھا

. للنشر إلى اصحابھا وسوف یتم اعادة المقاالت غیر المقبولة.

تعلیمات النشر ة ) بضمنھا النسخة االصلیة(تقدم المقالة بثالث نسخ :اسلوب التقدیم .1 اتبي المقال دن ك برفقة كتاب مؤرخ وموقع من ل

. یؤید بأنھ لم یسبق نشرھا أو تقدیمھا للنشر في أي مكان اخر ولن ینظر في الطلبات غیر المصحوبة بھذا التأیید تقدم المقالة بأحدى اللغتین العربیة أو االنكلیزیة مع خالصة باللغة االخرى ویستحسن ان تكتب :لغة الكتابة اسلوب و.2

. المقالة بصیغة الشخص الثالث امیرا أو (تعتمد مجلة ھندسة الرافدین اسلوب التنضید الجاھز للبحوث :الطباعة وابعاد الورق .3 اھز الك مى ج او مایس

: التقید الدقیق بالضوابط اآلتیة مما یتطلب) االوفسیت. A4على وجھ واحد أو ورق طباعة أبیض قیاس مضاعفة تطبع البحوث بمسافة. أ

. ملم من جوانب الورقة كافة 35تترك حاشیة قدرھا . بة یكون العن . جـ ة االنكلیزی ة اللغ ي حال ة ، وف ة عن ثالث اوین داخل المقال وان الرئیسي في یفضل ان الیزید عدد مستویات العن

را ھ كبی ة فی ون أول حرف من كل كلم ة أیضا ، ویك انوي في وسط الورق وان الث ھ العن رة یلی ا . وسط الورقة وبحروف كبی أمة ة العربی ة اللغ ي حال ا ف را ام ى كبی ة االول ون الحرف االول من الكلم ة ویك ى یسار الورق ون عل العناوین االخرى الثانویة فتك

ھ فیكون العنوان الر ئیسي في وسط الورقة بحرف كبیر نسبیا یلیھ العنوان الثانوي الذي یشابھ العنوان الرئیسي مؤشرا بخط تحت.اما العنوان شبھ الثانوي فیكون على یمین الورقة بدون خط

امج . د ى من الطباعة ویستخدم الحرف (Windows 95)لغرض توحید حرف الطباعة یستخدم البرن Timeأو نسخة اعلNew Roman رف ة والح ة االنكلیزی ي اللغ ةArabic Transparantف ة العربی ي اللغ م . ف ي حج وان الرئیس ون العن ) 16(یك

یستخدم نفس حجم حرف الطباعة ) . 12(بالحرف حجم وباقي المقالة ) 14(الباحثین بالحرف حجم والعناوین الفرعیة واسماء. single spaceمقبولة للنشر بصفتھا النھائیة بعد التعدیالت بمسافة مفردة لعناوین االشكال والرسوم ، تطبع المقالة ال

.تترك مسافة واحدة بین الفقرات ومسافة مضاعفة قبل كل عنوان ثانوي وثالث مسافات قبل كل عنوان رئیسي . ھـ رة .4 ي الفق صفحة بضمنھا االشكال 15عن ) د-3(یفضل ان الیزید عدد صفحات المقالة یصیغتھا النھائیة المشار الیھا ف

. والجداول وغیرھا ام على .5 ع الحروف واالرق یض صقیل وتطب ى ورق اب وح عل تقدیم الرسومات االصلیة مرسومة بحجمھا النھائي وبوض

وان ون لكل رسم أو شكل عن ة ، ویراعى ان تك ي المقال ة المستخدم ف م حرف الطباع الرسومات بشكل واضح وبنفس حجع ترقم االش. واف ودقیق ة م ي المقال ا ف ك حسب ورود ذكرھ كال وتوضع في داحل المقالة وتثبت في المواقع المناسبة وذل

) . ب-3(مراعاة الحاشیة الواردة في الفقرة ة .6 اوین وافی ا عن ون لھ ام متسلسلة وان یك ا ارق ون لھ ع . تكتب الجداول بنفس اسلوب طباعة المقالة ویراعى ان تك توض

) . ب-3(بت في المواقع المناسبة وذلك حسب ورود ذكرھا مع مراعاة الحاشیة الواردة في الفقرة الجداول داخل المقالة وتث: یكون ترتیب محتوى المقالة كاالتي .7. یلیھ اسماء وعناوین كاتبیھا ) مختصر قدر االمكان(عنوان المقالة ·د عن (ABSTRACT)مستخلص · ة یشت 150باللغتین العربیة واالنكلیزیة الیزی ات االساسیة كلم ى المحتوی مل عل

ا مباشرة . للمقالة وباالخص المعطیات المھمة والجدیدة فیھا ا . یأتي الملخص المكتوب بلغة المقالة نفسھا بعد عنوانھ ام

119

د الخالصة . الملخص باللغة االخرى فیأتي بعده وتخصص الصفحة االولى للمستخلصات فقط ة بع ات الدال ب الكلم تكت.االولىمباشرة في الصفحة

. تلیھا قائمة بالرموز المستخدمة في المقالة ان وجدت أو یمكن تعریف الرموز في محل ورودھا في المقالة ·واد البحث ، ) تشمل مراجعة مختصرة لالعمال السابقة واھداف الدراسة(متن المقالة یتضمن مقدمة · ى طرق وم عل

. توصیاتھ ثم قائمة بالمراجع والمالحق ان وجدتالتحلیل والمناقشة ، وخاتمة تعكس اھم نتائج البحث وة .8 واس مربع ا داخل اق ى النحو [ ] یشار إلى المراجع بارقام حسب ورودھ ع عل ة المراج ي قائم ع ف ویوصف كل مرج

: اآلتي یذكر اسم المؤلف وفي حالة الكتاب ) المجلة ، العدد ، السنة ، الصفحة(اسم كاتب المقالة ، عنوان المقالة ، جھة النشر أو المجلة

. ، عنوان الكتاب ، اسم الناشر ، سنة الطبع وارقام صفحات الكتاب روف .9 ب الح ل تجن ا ویفض ي تلیھ ة الت ین المعادل ة أو ب ن كتاب ا م ة ومایسبقھا ومایلیھ ین المعادل ة ب افة مزدوج رك مس تت

د ق ة الی ام . در المستطاع والرموز واالرقام المركبة وان تكون الرموز بسیطة وواضحة وتحاشي كتاب ادالت بارق رقم المع ت. متسلسلة ویوضع رقم المعادلة اقصى یمین الورقة وبین قوسین عادیین

. ترقم صفحات المقالة بقلم رصاص خفیف .10ى قرص .11 ا عل ة علیھ ى نسخ 3.5تسلم المقالة بصیغتھا النھائیة بعد اجراء التعدیالت المطلوب ج إضافة إل مسحوبة تینان

. على الورق تكالیف النشر .12i.ن ) 30000(یرسل مبلغ قدره كل صـك مصـدق ـم ى ـش ة عـل ویم المقاـل الیف تـق ن تـك ك ـع ة وذـل دیم المقاـل دینار عند تـق

دین البنك یعنون إلى ة / مجلة ھندسة الراف ة الھندس ل / كلی ة الموص ي .جامع غ ـف ادة المبـل تم اـع ة والـی دم مالئـم ة ـع حاـل. للنشر في المجلةالمقالة

ii.ـــدفع صـــــاحب ا ـــالیف یــ ــــر تكــ ــــول للنـش ـــث المقـب ــــرلبحــ ـــدمالبحثنـش ــــرة المقــ ــــي الفـق ـــة ـف ــــة المبینــ بصـــــیغتھ النھائـیوتحســب اجــزاء الصــفحة صــفحة كاملــة لــدى قبــول المقالــة للنشــر بشــكل اولــي ویقــوم صــاحب المقالــة باعــدادھا ) د-3(

الیف النـشر ال تـك تم ارـس ار 20000(ة البالغـ بالصیغة النھائیة بعد االخذ بمالحظات المقوم العلمي ، وـی ة ) دیـن ى المجـل إـلا ) دینار2000(مضافا الیھا اعاله ) أ(بصك مصدق معنون إلى مجلة ھندسة الرافدین كما في الفقرة ل صـفحة مـم عن ـك

. اعاله) 4(زاد عن عدد الصفحات المشار الیھا في الفقرة : ترسل البحوث وجمیع المراسالت المتعلقة بالمجلة إلى . 13

ر مجلة ھندسة الرافدینرئیس ھیئة تحریكلیة الھندسة

جمھوریة العراق-محافظة نینوى / جامعة الموصل http://www.alrafidain.engineering-coll-mosul.comE-mail: alrafidain@ engineering-coll-mosul.com

مجلة هندسة الرافدين

2010كانون ثاني1العدد 18مجلد

القسم العربي

المحتويات

رقم

الصفحة

العنوان

1 .لحديد التسليح المدعم برأس مطمور في خرسانة ليفيةمقاومة األقتالع سامر سامي مجيد, سعد علي الطعان

1.

13 دراسة مستوى تركيز االلمنيوم في نهر دجلة ومشاريع مياه الشرب في .محافظة نينوى وبعض مناطق شبكاتها

ميادة , سجى عبدالكريم سعداهللا العزاوي, رياض محمود صالح العبيدي.العزاويغانم محمد

2.

26 التنبؤ المبكر في حدوث الصدمات السمية في أنظمة المعالجة البيولوجية .التي تعمل بأسلوب الحماة المنشطة

.معن هاشم محمود, أحمد ياسين شهاب, رياض محمود صالح

3.

36 استخدام طريقة السمبلكس لتحقيق اقل كلفة انتاج في معمل النجف لاللبسة .الرجالية

ابراهيم الصفارناظم

4.

50 تصميم المكبر الليفي المطعم بايونات االربيوم باستخدام واجهة المستخدم .الرسومية

فرات يونس عبد الرزاق العبايجي

5.

لحديد التسليح المدعم برأس مطمور في خرسانة ليفيةاألقتالعمقاومة : الطعان

1

لحديد التسليح المدعم برأس مطمور في خرسانة ليفيةاألقتالعمقاومة

سامر سامي مجيدسعد علي الطعان. د.أ

قسم الهندسة المدنية/ الهندسة كلية/ جامعة الموصل

الخالصة

وأبعـاد ) 10mm(يتضمن هذا البحـث دراسـة تـأثير ربـط قطـع حديديـة مربعـة الشـكل بسـمك )20×20,25×25,30×30mm ( بواسطة اللحام بنهايات قضبان حديد تسليح بأقطار)10,12,16mm ( مطمورة في

على طول التثبيت المطلـوب تـوفيره ) %0.0,0.4,0.8,1.2(خرسانة ليفية بنسب إضافة حجمية لأللياف الفوالذية في حالة قضبان حديد تسليح ممتدة مسـتقيمة بـنفس االقطـارغير ) yf(أليصال حديد التسليح إلى إجهاد الخضوع

.مدعمة برؤوس حديدية

Pullout Strength of Headed Deformed ReinforcementEmbedded in Fibrous Concrete

Samir Sami MajeedProf. Dr. Saad Ali AlTaan

University of Mosul / College of Engineering / Civil Engineering Department

Abstract

This research contains a study of the effect of connecting square steel pieces(10mm) thick with dimensions (20×20,25×25,30×30mm) by welding with the ends ofreinforced steel bars with diameters (10,12,16mm) embedded in fibrous concrete with apercentage volume of steel fibers (0.0,0.4,0.8,1.2%) over the development lengthrequired to reach steel reinforcement to yield strength ( yf ) in case of straightreinforcement steel bars with the same diameters without steel headed.

Keywords: fibrous concrete; anchors; headed reinforcement

2009/4/19قبل في 2009/2/22أستلم في


2

المقدمةنية المسلحة يجب تدقيق طول التثبيت لقضـبان تسـليح العتبـات العتبات الخرسا-عند تصميم مفاصل األعمدة

حيـث التتـوفر المسـافة [1]الداخلة في األعمدة التي تكون في حالة شد وخاصة تلك الواقعة في الزوايا أو النهايـات أو (90º)وفي أغلب الحاالت يجب أن تنتهي القضـبان بكالليـب بزاويـة . الالزمة كي تنتهي القضبان بشكل مستقيم

(180º) طول التثبيت للقضبان المستقيمة وكذلك المنتهية بكالليـب يتناسـب . حسب مقطع العتبة والعمود الملتقيين إنوبأزديـاد . [2]طرديا مع حاصل ضرب إجهاد الخضوع للحديد ومساحة القضبان وعكسيا مع مقاومة الشد للخرسانة

مكن في بعض الحاالت توفير طول التثبيت الالزم للقضبان المستقيمة إستعمال حديد تسليح ذي مقاومة خضوع عالية اليمن هذه البـدائل . لذا أصبح من المهم التفكير في أيجاد بدائل أخرى تؤدي إلى تقليل طول التثبيت . أو المنتهية بكالليب

قاومة الشد فيها والتي تزيـد إستعمال قضبان تسليح مدعمة برأس وكذلك إضافة األلياف الفوالذية إلى الخرسانة لزيادة مإن حديد التسليح المدعم برأس هو عبارة عن قضـيب حديـد .بدورها مقاومة األرتباط بين قضبان التسليح والخرسانة

شكل الرأس قد .تسليح يحتوي في نهايته على قطعة من الحديد بأبعاد معينة وسمك معين يعتمد على التصميم االنشائيتعتمد طريقة الربط بين الرأس الحديدي وقضيب حديد التسـليح . مستطيل أو دائري أو بيضوي يكون بمقطع مربع أو

فهنالك طريقة الربط باللحام والربط بالتسنين والربط بطريقـة األحتكـاك . على طريقة الشركات المنتجة لهذه الرؤوس سليح الذي يكبس فيه أثناء الدوران ممـا حيث تتولد حرارة كبيرة بين الرأس الذي يدور بسرعة كبيرة وقضيب حديد الت

وهنالك طريقة يثقب فيها الرأس الحديدي ثم يلحم الرأس مع قضيب حديد التسليح حيث . يؤدي إلى إلتحام القطعتين معا ومهما تكن طريقة الربط فالمهم فيها هو ضمان عدم إنفصـال . [3]يكون اللحام من أسفل الرأس الحديدي ومن أعاله

ن قضيب حديد التسليح عند تعرض العضو الخرساني للتحميل إذ يفترض وصول الحديد إلى إجهاد الخضـوع الرأس ع) yf( والغاية من ربط الرأس الحديدي بنهاية قضيب حديـد . [3]قبل حصول فشل في الربط بين الرأس وحديد التسليح

وفر الرأس مساحة ضغط تعيق األنسحاب وكذلك إيصال حديد التسليح إلى التسليح هو إعاقة إنسحابه أثناء السحب حيث يفـي القضـبان ) Development Length(بأستخدام طول أقل من الطول المطلـوب تـوفره ) yf(إجهاد الخضوع

اية قضبان حديد التسـليح في نه) Hooks(المستقيمة الممتدة التي ال تحتوي على رؤوس واألستغناء عن عمل الكالليب إن عمل هذه األنحناءات في بعض األحيان يكون صعبا وخاصة فـي قضـبان حديـد ).180°(أو ) 90°(سواء بزاوية

والغاية . [4]التسليح ذات األقطار الكبيرة وكذلك في األماكن الضيقة التي اليكون فيها متسع من المسافة للعمل الموقعي حديد التسليح المستخدم وكذلك إختصار الوقت والجهد المطلوبين للعمل وتقليل التشابك في حديد هي األقتصاد في كميات

.يوضح شكل وآلية عمل قضيب حديد تسليح مدعم برأس ) 1(والشكل .[4]التسليح في بعض المناطق

وآلية عمل قضيب حديد تسليح مدعم برأس شكل) 1(شكل

الخرسانة الليفيةمن المعروف أن الخرسانة العادية لها مقاومة شد قليلة ومطيلية محدودة ومقاومة قليلة لنمو التشـققات وقـد

حـو فعلـي وملحـوظ وجد أن إضافة األلياف بكمية قليلة وبمسافات متقاربة تعمل على تحسين خواص الخرسانة على ن) Fibrous Concrete(فضال عن تحسين الخواص الديناميكية لها ويسمى هذا النوع من الخرسانات بالخرسانة الليفيـة

وهناك أنواع مختلفة من األلياف مثل األلياف الفوالذية والزجاجية والبالستيكية والنايلون واألسبسـت والكـاربون [5]هذه الدراسة تم األخذ بنظر األعتبار إستعمال األلياف الفوالذية كون هذا النوع من األليـاف وفي [5] . واأللياف النباتية

إن إضافة األلياف قـد تعمـل . هو من أكثر األنواع شيوعا وأعالها مقدرة على تحسين الخواص الميكانيكية للخرسانة ومقاومة الصدم وأمتصاص الطاقة وزيادة مقاومة بشكل أقل من الزيادة في الشد على زيادة مقاومة األنضغاط للخرسانة

إن زيادة مقاومة الشد للخرسانة يزيد من مقاومة األرتباط .[5]الخرسانة لنمو التشققات في منطقة الشد وزيادة المطيلية


3

مسـتقيم أم بين قضبان التسليح والخرسانة المحيطة بها وهذا مايقلل من طول التثبيت الالزم سواء إنتهت القضبان بشكل .على شكل كالليب

البرنامج العمليالمواد المستخدمة في البحث

-:األسمنت -1Ordinary) األسمنت المستخدم في البحث هو أسمنت عراقي محلي من نـوع األسـمنت البورتالنـدي األعتيـادي

Portland Cement) مصنوع في معمل سمنت بادوش في مدينة الموصل.-:ماء الخلط-2

.في األعمال الخرسانية للبحث الحالي Tap Water )( أستخدم ماء الشرب األعتيادي - :)الرمل ( الركام الناعم -3

من منطقة الكنهش في مدينة River Sand )( الـرمل المستخدم في األعمال الخرسانية للبحث الحالي هو رمل نهري ) .4.75mm( ختير الرمل المار من منخل وقد أجريت عليه عملية الغربلةوأ) العراق(الموصل

- :)الحصى(الركام الخشن -4ذو حبيبات مدورة الشكل ) البحص( والمسمى محليا) River Gravel(إن الحصى المستخدم حصى نهري ناعم

)(Rounded Agregate وأستخدم الحصى بمقاس أقصى يبلغ)(12.5mm.-:)Steel Fibers(األلیاف الفوالذیة -5

Shelled(األلياف الفوالذية المستخدمة في هذا البحث كانت ذات مقطـع قشـري غيـر منـتظم منحنـي النهـايتين Deformed Section . ( طول الليف المستخدم)16mm ( والنسبة الباعية)Aspect Ratio ( كانت تساوي)19.635 (

÷وهي عبارة عن طول الليف إلى القطر المكافيء øö

çèæ

f

f

dl

.

-:حدید التسلیح -6لعمل الحلقات المستعملة في التسليح المحيطي للجزء األسطواني ) 6mm(أستعملت قضبان حديد تسليح بقطر

لعمل الحلقة المستعملة في التسليح المحيطي للجـزء ) 8mm(وأستعملت قضبان حديد تسليح بقطر . السفلي من النموذجللتسليح الطولي للنموذج وذلـك لمنـع ) 10mm(وأستعملت قضبان حديد تسليح بقطر . وذج األسطواني العلوي من النم

وكذلك لزيادة مقاومة األرتباط للقضبان داخـل الخرسـانة فـي . حدوث شقوق أو فشل في االتجاه األفقي أثناء الفحص لتثبيـت النمـوذج بجهـاز ) 25mm , 16(وأستخدمت أيضا قضبان من حديد التسليح بأقطـار . الجهة المقابلة للمثبت

مدعمة برؤوس فوالذية مربعة الشكل بأبعاد ) 16mm , 12 , 10(كما أستخدمت قضبان حديد تسليح بأقطار. الفحص .يبين خصائص قضبان التسليح المستخدم والتي دعمت برأس حديدي) 1(الجدول ) . 10mm(متغيرة وبسمك ثابت هو

حدید التسلیح المستخدمخصائص)1(جدول

-:)نسبة المزج ( الخلطة الخرسانية w/c (وكانت نسبة الماء إلى األسمنت ) 3.0 : 1.7 : 1(تم إستخدام خلطة خرسانية بنسبة وزنية تساوي

الخرسانية بعد إجراء فحص مقاومة األنضغاط علـى عـدد مـن الخلطـات تم إختيار هذه الخلطة ) . 0.45(تساوي ) يوم والتـي ) 28(بعمر ) 35MPa(التجريبية وظهر من خالل الفحص بأن هذه النسب تعطي مقاومة إنضغاط تزيد عن

لغرض الحصـول علـى ) 100mm( وهطول بحدود ) مقاومة متوسطة(كانت هي المقاومة المطلوبة في هذا البحث

fult (MPa)fy (MPa)db mm71044010.070246812.071439916.0


4

ستخدام هذا الهطول ألنه يعطي قابليـة تشـغيل جيـدة أذات قابلية تشغيل جيدة حيث أوصى العديد من الباحثين بخلطة .[6,7]لياف الفوالذية للخلطة عند إضافة األ

-:المتغیرات المعتمدة في البحث مدعم برأس المطمور يشمل موضوع البحث دراسة تأثير المتغيرات التالية على مقاومة التثبيت لحديد التسليح ال

. في الخرسانة األعتيادية والليفية

) .fv%( نسبة األضافة الحجمية لأللياف الفوالذية -1.أبعاد الرأس الحديدي المدعم -2) .bd(قطر قضيب حديد التسليح المدعم برأس -3) .efh(عمق الدفن -4

-:النماذج المستعملة )تثبيت قضبان حديد التسليح المدعم برأس في الخرسانة ( نماذج التثبيت -1)لقياس مقاومة األنضغاط ومقاومة األنشطار للخرسانة( نماذج السيطرة - 2

Ф = 10mm Ф = 12mm Ф = 16mm

Ф = 10mm Ф = 12mm Ф = 16mm

تفاصيل التسليح وأشكال القوالب المستخدمة لكل قطر من قضبان التسليح) 2(شكل

-:نماذج التثبيت-1سـفلي عبـارة عـن الجزء ال. النموذج المستخدم في البحث عبارة عن قالب حديدي يتكون من ثالثة أجزاء

( والجزء الوسطي مخروط ناقص مقلوب رأسـه إلــى األسفــل بقطـر ) mm300×150(إسطوانة قياسية بأبعاد


5

150mm ( وقـاعـدته إلـى األعلى بقـطر )300mm ( 75وإرتفاعهmm ) ( والجـزء العلـوي عبـارة عـنالشكل ) Welding(عضها بواسطة اللحام تم ربط األجزاء مع ب) . 125mm( وإرتفاع ) 300mm( إسطوانة بقطر

لكل قطر من أقطار قضبان حديد التسليح المدعمـة . يوضح تفاصيل التسليح وأشكال القوالب المستخدمة في البحث ) 2(برأس كان هنالك تسليح للنموذج يختلف عن تسليح النماذج األخرى وسبب ذلك كون زيادة القطر تستدعي زيـادة قـوة

وبالتالي زيادة التسليح المستخدم للنمـوذج لمنـع فشـل ) yf(يصال الحديد إلى مقاومة الخضوع السحب المطلوبة أل) 16mm( كما أستخدم قضيب تسليح بقطر ) . yf(النموذج قبل وصول األجهاد في الحديد إلى مقاومة الخضوع

لتثبيت النماذج من األسفل بجهاز الفحص عند فحـص القضـبان ) 250mm( قدارهوبعمق دفن صاف في الخرسانة م) 25mm( بينما أستخدم قضيب تسليح بقطـر . المدعمة برأس ولمختلف أعماق الدفن)12mm , 10( قطر

ن أيضا لتثبيت النماذج بجهاز الفحـص عنـد فحـص القضـبا ) 250mm( وبعمق دفن صافي في الخرسانة مقداره .المدعمة برأس ولمختلف أعماق التثبيت) 16mm(قطر

-:نماذج السيطرة -2100( لنماذج إسـطوانية بأبعـاد [8]تضمنت فحوص السيطرة فحص مقاومة األنضغاط ومقاومة األنشطار

×200mm ( حيث يتم صب ست إسطوانات مع كل نموذج تثبيت من نفس الخلطة الخرسـانية ويـتم فحـص ثـالث. لمقاومة األنضغاط وثالث لمقاومة األنشطار ويتم أخذ المعدل لثالثة نماذج إسطوانات

النتائج و المناقشةمدعمة برأس حديـدي مربـع ) 10mm(تشمل المجموعة األولى قيم إجهادات الشد لقضبان حديد تسليح قطر

صـب النمـاذج وكانت الخرسانة المستخدمة فـي ). 20mm, 25mm, 30mm(وبطول ضلع ) 10mm(الشكل سمك وكـان طـول األليـاف الفوالذيـة ) %1.2 ,0.8 ,0.4(مسلحة بثالثة نسب مئوية حجمية من األلياف الفوالذية وهـي

) 24(وكان عدد النماذج المفحوصة ) 50,55mm(وألعماق دفن ) 19.635(والنسبة الباعية لها ) 16mm(المستخدمة وعة الثانية فتشمل قيم إجهاد الشد لقضـبان حديـد تسـليح قطـر أما المجم. نموذجا لكل عمق دفن ) 12(نموذجا أي

)12mm ( مدعمة برأس حديدي مربع الشكل سمك)10mm ( وبطـول ضـلع)20mm, 25mm, 30mm .( وكانـت) 36(، وكان عدد النماذج المفحوصة ) 65mm ,60 ,55(أما أعماق الدفن فكانت . الخرسانة بنفس المواصفات السابقة

أما المجموعة الثالثة فتشمل قيم إجهاد الشد لقضـبان حديـد تسـليح بقطـر . نموذجا لكل عمق دفن )12(نموذجا أي )16mm ( مدعمة برأس حديدي مربع الشكل سمك)10mm (وبطول ضلع)25mm, 30mm .( وكانت الخرسانة بنفس

نموذجـا أي ) 16(المفحوصة ، وكان عدد النماذج ) 100mm ,95(أما أعماق الدفن فكانت . المواصفات السابقة أيضا يعنـي أن ) 501025.4(فعلى سبيل المثال . تم إعتماد ترميز معين لسهولة وصف النموذج . نماذج لكل عمق دفن ) 8(

والرأس المدعم بقضيب حديد التسليح ) 10mm(وقطر قضيب حديد التسليح المدعم برأس هو ) 50mm(عمق الدفن هو ) .%0.4(ة الحجمية لأللياف الفوالذية المضافة هي والنسبة المئوي) 25mm×25(بأبعاد

)10mm(نتائج فحص نماذج السحب بقطر ) exp.sf(يبين نتائج األجهاد في الحديد المستحصل عمليـا ) 2(نموذجا ضمن هذه المجموعة والجدول ) 24(تم صب

العملية مع المعادالت النظرية تم إستخدام عدد من الطـرق لغرض مقارنة النتائج. ومقاومة األنضغاط والشد للخرسانة فتم إستخدامها لحساب مقاومـة ) CCD(المذكورة في الفصل الثالث ولكن الطريقة التي أعطت أفضل نتائج هي طريقة

ـ د التثبيت وأضيف إليها المقاومة الناتجة من وجود الحلزنة على جوانب قضيب حديد التسليح على طول عمق الدفن عن-:التالية وعلى هذا األساس تم تطبيق المعادالت. سحب النموذج

-:من المجموعة األولى وتجرى عليه الحسابات التالية ) 501025.12(يؤخذ على سبيل المثال النموذج

1- (CCD (حسب طريقة ( oT (تحسب سعة الشد للخرسانة األعتيادية

( ) ( ) Nefo hcfT 36730507.387.167.16 5.15.1 ==¢=

2-b

os

ATf =1 = MPa492

7.7436730

= (األجهاد الناتج من إقتالع الهرم الخرساني)


6

3- ( )LhhA efef

f 4122

3 += )المساحة السطحية الجانبية للهرم الخرساني )

mmAL b 64.87.74 === )حة مقطع حديد التسليحطول ضلع المربع المكافيءلمسا(

( ) 22747764.8450122

350 mmA f =´+´=

4- fff

ff AV

dlT ´´÷

øö

çèæ´= 38.1 ( (القوة األضافية الناتجة من سحب األلياف

NTf 893427477100

2.1635.1938.1 =´´´=

5- MPaATf

b

fs 119

7.74

89342 === ) األجهاد الناتج من إضافة األلياف (

MPafs 611119492 =+= ) األجهاد الكلي(

-:التالية ) Anchorage Bond(يحسب طول التثبيت من معادلة إرتباط التثبيت

udfl by

d.4.

=

)(= ن التسليح مقاومة األرتباط لقضبا) = u(حيث أن 205.5

bdcfMPa¢

³

MPau 76.1275.9

7.3820== …... (5.5 MPa) يستعمل الحد األعلى

7- mmdfl byd 195

5.5475.9440

5.54=

´´=

´´=

8- MPa

lhff

d

ef

sso 654

19550

1

611

122

=

úúû

ù

êêë

éúûù

êëé-

=

úúû

ù

êêë

éúûù

êëé-

=

029.1654673exp.

==so

s

ff

Average )( exp. sos ff = 1.017Standard deviation = 0.0739 , C.O.V = 7.2 %

أي بجانـب األمـان ) 1.0(على األغلب أعلى قليال مـن القيمة المحسوبة بأنه/ يشير معدل نسبة قيمة األجهاد العملية . وكذلك معدل التباين القليل نسبيا


7

مدعم برأس ) 10mm(طر نتائج فحص مقاومة التثبيت لقضيب حديد تسليح بق) 2(جدول

)إنقطاع حديد التسليح ( يعني أن الفشل حصل في الحديد ) S.F(الرمز *

)12mm(نتائج فحص نماذج السحب بقطر ومقاومـة ) exp.sf(يبين نتائج األجهـاد فـي الحديـد ) 3(نموذجا ضمن هذه المجموعة والجدول ) 36(تم صب

.ابات فتكون مشابهة للحسابات السابقة أما بالنسبة للحس. األنضغاط والشد للخرسانة

Average )( exp. sos ff = 1.036Standard deviation = 0.065 , C.O.V = 6.3 %

وهي بجانب األمان أيضا ومعدل التباين أفضل من ) 1.0(المحسوبة لألجهاد أكثر قليال من /معدل نسبة القيمة العملية.وربما يعزى ذلك لعدد النماذج األكثر في هذه الحالة عن الحالة األولى ) 10mm(بقطر تلك للقضبان

)16mm(نتائج فحص نماذج السحب بقطر ضمن هذه المجموعة والجدول ) 16(تم صب ومقاومة ) exp.sf(يبين نتائج األجهاد فـي الحديـد ) 4(نموذجا

.األنضغاط والشد للخرسانة

معدل مقاومة )fs) (MPa(األجهاد يف احلديد الشد

)MPa(

معدل مقاومة األنضغاط

)MPa(

مواصفات النموذج العمليالنظريالنظري/العملي

0.8905284704.139.1501020.01.0965706254.344.1501020.41.146613703 (S.F)4.646.6501020.81.0386566814.548.3501020.121.0835265703.438.7501025.01.0975686234.344.1501025.41.1016116734.948.3501025.81.0296546734.949.1501025.120.9475355074.140.1501030.01.0575776104.344.1501030.41.132620702 (S.F)4.948.3501030.81.0526626974.949.1501030.120.9906166104.139.1551020.00.9666676444.344.1551020.40.983719707 (S.F)4.646.6551020.80.9037716964.548.3551020.120.9596135883.438.7551025.01.080664717 (S.F)4.643.9551025.40.994716712 (S.F)5.447.8551025.80.929767713 (S.F)5.549.9551025.121.0416236494.140.1551030.01.0356756994.643.9551030.40.9537276935.447.8551030.80.921778717 (S.F)5.549.9551030.12


8

مدعم برأس ) 12mm(نتائج فحص مقاومة التثبيت لقضيب حديد تسليح بقطر ) 3(جدول

يه الحسابات مـن المجمـوعة الثالثة وتجـرى عـل) 951630.4(يؤخذ عـلى سبيل المثال الـنموذج

-:التالية

) CCD(للخرسانة األعتيادية حسب طريقة ) oT(تحسب سعة الشد

معدل مقاومة )fs) (MPa(األجهاد يف احلديد الشد

)MPa(


)MPa(

مواصفات النموذج العمليالنظريالنظري/العملي

1.0983854234.040.8551220.01.0814174514.242.0551220.41.0854494874.343.1551220.81.0564815084.444.7551220.121.0653693933.837.5551225.01.1174014484.339.1551225.41.1734335084.441.8551225.81.1054665154.547.0551225.121.0843694003.837.5551230.01.1474014604.339.1551230.41.1204334854.441.8551230.81.1164665204.547.0551230.121.0564434684.040.8601220.00.9874814754.242.0601220.40.9615205004.343.1601220.81.0005585584.444.7601220.121.0744434763.940.8601225.01.0334814974.543.9601225.41.0005205204.644.5601225.80.9505585304.848.7601225.121.0454434633.940.8601230.01.0164814894.543.9601230.40.9485204934.644.5601230.80.9955585554.848.7601230.120.9654894724.438.3651220.00.9495335064.940.8651220.40.9885775705.442.2651220.80.9816226105.142.9651220.121.0765095484.641.4651225.01.1215536204.845.8651225.41.0415986234.846.6651225.80.9736426255.447.0651225.121.0135095164.641.4651230.01.0255535674.845.8651230.40.9705985804.846.6651230.80.9086425835.447.0651230.12


9

1- ( ) ( ) 5.15.1 959.377.167.16 =¢= efo hcfT

NT o 95197=

mmD 300= )قطر النموذج المستخدم في الفحص(

( ) 22 8.706853004

mmA =´=p

) مساحة مقطع النموذج المستخدم في الفحص(

mmL 2668.70685 == ) طول ضلع المربع المكافيء لهذه المساحة(

mmcc 13321 == ( الجانبيةنصف ضلع المربع ، يمثل المسافةمن المركز إلى الحافة )

mmhef 5.142955.15.1 =´=´ > 21, cc

21(أكبر من ) efh5.1(يالحظ في هذه الحالة أن & cc (لجانبية في حسـاب ولهذا السبب يجب إدخال تأثير المسافة ا: سعة الشد ولتجنب هذا التأثير يجب أن يكون قطر النموذج

( ) mm32245.1422 2

=´´

p

÷وهنا يدخل تأثير معامل مسقط مساحة الفشل øö

çèæ

0N

N

AA

)فضال عن المعامل . )2y لتأثير توزيع األجهاد بسبب عدم

. يع األجهاد بصورة منتظمة في الخرسانة وجود مسافة كافية لتوز

98.0955.1

1333.07.02 =÷

øö

çèæ

´+=y

( ) 22 70756266 mmA N ==

( ) 22 81225959 mmANo ==

8711.081225

70756=÷

øö

çèæ=÷

øö

çèæ

No

N

AA

NNo

Noo

AATT 812678711.098.0951972 =´´=´´=¢ y

MPaATf

b

os 408

283.199

812671 ==

¢=

) 5.11c(يساوي عمق المخروط في هذه الحالة س

2- ( )LhhA efef

f 4122

3+=

وكذلك سـيتم وضـع القيمـة ) 5.1133(وتساوي ) 5.11c(في هذه المعادلة بالقيمة ) efh(سيتم تعويض قيمة

)18c ( بدال عن)efh12 ( التي تمثل محيط المربع.

mmL 11.14283.199 ==


10

( ) 28603511.14413385.123133 mmAf =´+´=

´

3- fff

ff AV

dlT ´´÷

øö

çèæ´= 38.1

NTf 932586035100

4.0635.1938.1 =´´´=

4- MPaATf

b

fs 47

283.199

93252 ===

MPafs 45547408 =+=

MPau 74.791.15

9.3720== (5.5MPa (يستعمل الحد األعلى

6- mmdfl byd 289

5.54

91.15399

5.54=

´´

=´´

=

7-MPa

lhff

d

ef

sso 510

289

951

455

122

=

úúû

ù

êêë

éúûù

êëé-

=

úúû

ù

êêë

éúûù

êëé-

=

8- 855.0510

436exp. ==so

s

ff

مدعم برأس) 16mm(نتائج فحص مقاومة التثبيت لقضيب حديد تسليح بقطر ) 4(جدول

معدل مقاومة )fs ) (MPa(االجهاد في الحديد الشد

)MPa(


)MPa(

مواصفات النموذج

العمليالنظريالنظري/العملي

0.8884574064.3738.3951625.00.8075094114.5241.8951625.40.7535624234.5842.7951625.80.7696144724.6843.1951625.120.9474554313.8037.9951630.00.8555104364.5241.8951630.40.8095604534.5842.7951630.80.7766124754.6843.1951630.120.9554414214.3737.51001625.00.9274944584.4241.41001625.40.8815474824.6843.51001625.80.8086004854.6344.11001625.120.9394414144.3737.51001630.0

0.9174944534.4241.41001630.40.8785474804.6843.51001630.80.8126004874.6344.11001630.12


11

Average )( exp. sos ff = 0.858Standard Deviation = 0.0679 , C.O.V = 7.9 %

ه الحالة عما هو عليه بالنسـبة للنمـاذج يالحظ أن الفرق بين نتائج معدل األجهادات المحسوبة والعملية كان أكبر في هذوربما يعزى سبب ذلك إلى صغر قطر النموذج الخرساني مـن األعلـى والـذي كـان مـن ) 10,12mm(ذات قطر

أما بالنسـبة للنمـاذج ) .100mm(لعمق دفن ) 339mm(و) 95mm(لعمق دفن ) 322mm(المفترض أن يكون بقطر :واألنحراف المعياري و معامل التباين كاآلتي فكان المعدل ) 10,12,16mm(كافة أي بقطر

Average )( exp. sos ff = 0.993Standard Deviation = 0.098C.O.V = 9.87 %

األستنتاجات والتوصیاتن من خالل نتائج الفحوصات المختبرية التي أجريت خالل هذه الدراسة ، وما تم التوصل إليه من معادالت رياضية يمك

-:الوصول إلى األستنتاجات اآلتية إذ بزيادة هذه النسـبة تـزداد مقاومـة . أن مقاومة التثبيت تتأثر بنسبة األضافة المئوية الحجمية لأللياف الفوالذية .1

) .3(التثبيت ضمن الحدود المثلى التي أختيرت على أساسها نسب األضافة لأللياف في البحث كما يوضح الشكل عد عمق الدفن من أهم العوامل تأثيرا على إجهادات األقتالع إذ تؤدي أي زيادة في قيمته إلى زيـادة أنه يمكن أن ي.2

هذه األجهادات وتغيير هذا المعامل يؤثر أيضا على تصرف األلياف وعلى تأثيرها على قيمة إجهـادات األقـتالع ).3(المقاسة كما يوضح الشكل

) 20mm, 25mm, 30mm(من األبعاد المعتمدة في هذا البحث أن تغيير أبعاد الرأس الحديدي ض. 3) .4(لم يكن له تأثير ملموس على مقاومة التثبيت كما يوضح الشكل

350

400

450

500

550

600

54 56 58 60 62 64 66 68

hef(mm)

fs.(e

xp) (

MPa

)

. Vf=0.0% Vf=0.4% Vf=0.8% Vf=1.2%

تغير األجهاد مع نسب األضافة الحجمية لأللياف الفوالذية وعمق الدفن ) 3(شكل )30mm×30(مدعم برأس قياس ) 12mm(لقضيب بقطر

350370390410430450470490510530

3 4 5 6 7 8 9 10

Ap/Ab

fs.(e

xp) (

MPa

)

. Vf=0.0% Vf=0.4% Vf=0.8% Vf=1.2%

العالقة بین قیمة األجھاد ونسبة مساحة الرأس الحدیدي) 4(شكل )55mm(وعمق دفن ) 12mm(إلى مساحة القضبان بقطر


12

المصادر1. ACI - ASCE Committee 352, “ Recommendations for Design of Beam-Column Joints

in Monolithic Reinforced Concrete structures”, (ACI -352R) American ConcreteInstitute , Farmington Hills, MI. 1991, 18 pp .

2. ACI Committee (318-05), Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI318-05) and Commentary (ACI 318-05) , Farmington Hills , 2005 , 430 pp.

3- Thompson, M. K., Klingner, R. E., Jirsa, J. O., and Breen, J. E., “Anchorage Behaviorof Headed Reinforcement: Liturature Review”,Centre for Transportation Research , TheUniversity of Texas at Austin, Report 1855-1, May, 2002, pp.1-102.

4- Thompson, M. K., Young, M. J., Jirsa, J. O., Breen, J. E., and Klingner, R. E. ,“Anchorage of Headed Reinforcement in CCT Nodes”, Center for TransportationResearch, The University of Texas at Austin, Research Report 1855-2, May, 2002, pp.1-146.

بعمق دفـن قـصیر فـي خرسانة مسلحة بألیاف سعة الشد لبراغي مثبتة“السبعاوي عبد القادر ، 5- ،كانون الثاني ، رسالة ماجستیر ، كلیة الھندسة ، جـامعة الـموصل ، الـعراق ،”فوالذیة

ACI committee 544, “State-of-the Art Report on Fiber Reinforced -6.صفحة 120، ) 2006(Concrete”, ACI Journal, TITLE NO. 70-65, November 1973, pp .729-742.

7- ACI committee 544.3 R-93, “Guide for Specifying Proportioning Mixing , Placing , and ,Finishing Steel Fiber Reinforced Concrete”, American Concrete Institute , 1998, pp.1-10.

8- ASTM, Designation: C496-96, “Standard Test Method for Splitting Tensile Strength of Cylindrical Concrete Specimens ” , Annual Book of ASTM Standards, VOL. 04. 02, 4 pp.


محافظة نينوى وبعض مناطقدراسة مستوى تركيز االلمنيوم في نهر دجلة ومشاريع مياه الشرب في: العبيدي

13

دراسة مستوى تركيز االلمنيوم في نهر دجلة ومشاريع مياه الشرب في محافظة نينوى وبعض مناطق شبكاتها

ميادة غانم محمد العزاوي سجى عبدالكريم سعداهللا العزاوي رياض محمود صالح العبيديقسم الهندسة المدنية

جامعة الموصلمديرية ماء نينوى تلوثمركز بحوث البیئة والسیطرةعلى ال

جامعة الموصل

خالصةالأجريت هذه الدراسة لألهمية التي يتصف بها عنصر األلمنيوم في مياه الشرب من الناحية الصحية في دول

في اكبر أربعة مشاريع في (العالم، تمت في هذه الدراسة متابعة تركيز األلمنيوم في نهر دجلة ومشاريع تصفية الماء ) القبة(بكات اإلسالة؛ مشاريع الماء هي مشروع األيمن الموحد ومشروع األيسر الجديد وكذلك في ش) مدينة الموصل

كشفت الدراسة عن ان تركيز األلمنيوم في النهر . وكذلك مشروع مجمع الدندان) حي العربي(ومشروع األيسرالقديم مـايكرو 37-7نيوم في النهر بـين ليس عاليا مقارنة ببعض انهار الواليات المتحدة وأوروبا إذ تراوح تركيز األلم

كما تبين ان مشاريع اإلسالة في موسم األمطار ترفع هذا التركيز في ماء الشرب ليصل إلى ما يقرب مـن . لتر/غرامولـم تـؤثر شـبكات . ، وذلك بسبب اضافة الشب أثناء ارتفاع عكورة ماء النهر)ppb(لتر /مايكرو غرام 25-50

كما كان هناك ترابط بـين درجـة . إذ كانت اغلب األحيان مقاربة لما يخرج من المحطةاإلسالة في تركيز األلمنيوم .الحرارة وتركيز األلمنيوم في بعض المحطات المدروسة

وأخيرا يمكن القول بأن تركيز األلمنيوم عند عدم اضافة الشب في المحطات ال يتجاوز ما اقترحته الكثير من .المنظمات الصحية العالمية

االلمنيوم ، ماء الشرب ، محطة تصفية، نهر دجلة : مات الدالةالكل

Study Of Aluminum concentration levels in Tigris river , Drinkingwater Treatment Plants and supply network in Nineveh

Governorate

M. Gh.Al-AzawiS. A.Al-AzawiR. M. S. Al-ObaidiCivil Engg. Dept.Nineveh Water OfficeEnvironment Research centerUniv.of MosulMosul University

AbstractThis study has been done due to the raising importance of aluminum in drinking water from healthpoint of view. Survey of Al+3 concentrations has been done in Tigris river, in the water purificationplants and water supply network. These plants are the larger ones in the city ( unified right side plant,Al-Qubba plant, the old left side plant ( Al-Arabi restrict) and Al-Danadan complex project). Resultsrevealed that the Al+3 concentration on the river (through Mosul city) ranged from 7-37μg/L. Theplants have increased this concentration in raining times (turbidity increasing times) to about 25-50μg/L (ppb), because of adding alum in its work. Water distribution network does not affect the residualAl+3 in this study. There was a correlation between Al+3 and temperature. Finally, it can be said thatAl+3 concentration in drinking water is in the safe side according to several international healthorganizations if the plants do not add alum.

Keywords; Aluminum, drinking water, treatment plant, Tigris river.

2009/3/29قبل في 2008/12/17أستلم في


14

:المقدمةيحتوي الماء عادة بمختلف مصادره على نسبة من الشوائب التي قد يكون مصدرها طبيعيا يكتسبه المـاء خـالل مرحلة من مراحل دورته في الطبيعة لحين وصوله الى محطات االسالة والتصفية، او قد يكتسبها حـين مـروره فـي

ير سلبي على نوعية المياه ومدى مالئمة استخدامه لالغـراض هذه الشوائب قد تكون ذات تأث. شبكات االسالة او غيرهاوالكثير من الشوائب كان يظن في السابق انها ال تؤثر على استخدامات الميـاه بسـبب . البشرية وغيرها من االغراض

ـ ل فتـرة تأخر الدراسات التي تثبت تسببها في اي من االمراض او المشاكل لدى استخدام المياه الحاوية عليها، وفي كتظهر دراسات تفند النظريات السابقة وتظهر ترابطا في ظهور انواع معينة من االمراض بين المستهلكين للماء ووجود شوائب بتراكيز معينة، وهذا يدفع بشكل مستمر الى تغير محددات ومواصفات مياه الشرب لتكون بدرجة مـن القبـول

هو من المعادن التي يكثر تواجدها في المياه الطبيعية بتراكيز متفاوتـة لالستهالك دون مشاكل؛ مثال ذلك االلمنيوم ، ووذلك بحكم ان االلمنيوم هو من اكثر المعادن انتشارا وهو يأتي بالدرجة الثالثة من حيـث وفرتـه بعـد االوكسـجين

. لـالرض مـن الطبقـة السـطحية % 8في قشرة االرض وهو واسع االنتشار عليها حيث يشكل نسبة ] 1[والسليكون وااللمنيوم عنصر فعال جدا ونادرا ما يوجد بشكل حر في الطبيعة، وتستخدم مركبات األلمنيوم في عدة تطبيقات ومـن

:ويمكن الدخول لموضوع التأثير الصحي لأللمنيوم من خالل السؤال التالي ). الشب ( ابرزها في معالجة المياه كمخثر .]2[مستهلكين للمياه الحاوية عليه ؟ هل هناك تأثير صحي لاللمنيوم على ال·

أستخدم األلمنيوم بشكل واسع في صناعة اواني الطبخ، والحاويات ومواد االنشاء في البنايات، فضال عن صـناعة في االدويـة المضـادة ( ويستخدم بعدة اشكال مثل هيدروكسيد االلمنيوم . الزجاج واالصباغ والمطاط والسيراميك

ولكن الشكل والتركيـب االبـرز هـو كبريتـات ) في مواد مزيل الروائح ( هيدرات االلمنيوم وكلور) للحموضة ). الشب ( االلمنيوم

من هذه النسب تأتي في الطعـام الـذي % 90يتعرض جسم اإلنسان إلى نسب متفاوتة من االلمنيوم يوميا وتقريبا . خرى في الغذاء واليمكن امتصاصه من قبل مجـاري الـدم يتناوله االنسان ولكن هذا يكون بشكل مترابط مع المواد اال

خالفا لذلك فان األلمنيوم الموجود في الماء يمكن امتصاصه من قبل االنسان ذلك لوجوده بعد المعالجة بتراكيـز كبيـرة .ولكن على الرغم من ذلك فان نسبة مايمتص من االلمنيوم تكون عادة قليلة). حر(نسبيا بشكل غير مترابط

ولكـن عنـد التراكيـز ]. 2[ن وجود األلمنيوم بتراكيز قليلة في الطعام والهواء والماء قد اليكون مضرا بالصحة االعالية وجدت بعض االثباتات على ترابطها مع بعض االمراض التي تصيب المستهلكين لها، وهـي أمـراض خاصـة

المصابين بمثل هذ ا المرض يمتلكون تراكيـز ووجد ان . وغيرهAlzheimerبالجهاز العصبي، مثل مرض الزهايمر وال يعلم هل إن األلمنيوم هو سـبب المـرض ام ان . عالية من االلمنيوم في بعض المناطق من االغشية الدماغية لديهم

كما ان هناك قلقا بأن االلمنيوم يسـبب مشـاكل . االلمنيوم يتراكم في هذه االغشية لدى الناس المصابين بهذه االمراضفي دراسات خاصة ان االلمنيـوم لـم يكـن مسـرطنا بالنسـبة EPAاما بالنسبة للسرطان فقد وجدت منظمة . عظاملل

. ]3[للحيوانات المجرى عليها االختبار، ولم تحدد نسبة احتمالية ان يكون االلمنيوم مسرطنا للبشرمهما في االصابة بامراض الخـرف إن األلمنيوم قد يكون سببا) أو تؤكد على(وهناك دراسات عدة تشير إلى

حيث الحظ عدد من الخبراء ان مرضى الكلى والذين يتعرضون لنسب كبيرة مـن االلمنيـوم فـي ) ( الزهايمر(المبكر يصابون بنوع متقدم مـن الخـرف يتصـف بتغيـرات الـتكلم ) والعقاقير الحاوية عليهdialysis fluidسوائل الديلزة

وقد اتفق الخبراء على ان االلمنيوم في سوائل . اضطرابات مع نوبات ضحك، وكذلك هوسوالسلوكيات ، وارتجاف ، و].4[الديلزة هو السبب في حصول تلك االعراض وان تقليل تلك السوائل وتقنينها يقلل من حدوث تلك األعراض

الجهاز العصبي وبـين التراكيـز وعلى العموم فهناك الكثير من الدراسات التي تبين ان هناك ترابطا مهما بين أمراض .العالية لاللمنيوم في جسم االنسان

لتركيـز ) لم تكن موجـودة سـابقا (تلك الدراسات دفعت المنظمات البيئية والصحية الى وضع محددات جديدة ية في أي محل(ومن تلك منظمات محلية.. االلمنيوم في الماء لتجعل الماء مالئما لالستهالك البشري دون مخاطر صحية

:وكما يلي... وعالمية) مدنها وليس لها طابع دوليPHG (publicدائرة تخمين المخاطر الصحية البيئية، وضعت هـدفا للصـحة العامـة / وكالة حماية بيئة كاليفورنيا

health goal) 0.06( ليكون األلمنيوم في ماء الشرب بتركيز mg/L .( وقد تم حساب ذلك بمعادلـة حسـابية تتعلـق]. 1[دى تأثر االنسان بتركيز االلمنيوم بم

RMCLفقد وضعت مستوى الشائبة االقصـى الموصـى بـه USEPAاما وكالة حماية البيئة األميركية (recommended maximum contaminate level) 0.02 – 0.05( وهو mg/L ( اعتمادا على منع تلوث المـاء

وضعت المنظمة االلمنيوم ضمن قائمـة الشـوائب والملوثـات 1998ام وفي ع]. 5[ومنع الترسب في شبكة االسالة contaminants توصـيات ] 7[وضعت دائرة صـحة كنـدا 1998وفي عام ]. 6[التي تحتاج إلى مزيد من الدراسات

طـات للمح) mg/L 0.1( لمحطات االسالة التي تستخدم الشب في المعالجة فجعلت القيم العملية لاللمنيوم الكلي اقل من


15

وهذه القيم تحدد اعتمادا على نماذج شـهرية ). غير التقليدية(النظمة المعالجة االخرى ) mg/L 0.2( التقليدية وأقل من .شهرا) 12(وأخذ المعدل لها لمدة

لم تشـر الـى االلمنيـوم ] 8[ففي الطبعة الثانية لها لمحددات مياه الشرب WHOاما منظمة الصحة العالمية اكـدت ان 1998رورة اجراء المزيد من الدراسات حول تأثير االلمنيوم وتسببه في الزهايمر ولكن عام واشارت الى ض

هناك ترابطا اليمكن اهماله بين المرض وتراكيز االلمنيوم العالية في الماء ولكنها السباب عدة ايضا لم تحـدد تركيـزا 0.2نه المستوى العملي لاللمنيوم في الماء المعالج الصافي هو وخلصت مؤخرا الى ا]. 9[محددا لاللمنيوم في الماء

mg/Lاو اقل.

اهداف البحث.معرفة مستوى تركيز االمنيوم في نهر دجلة في االشهر المختلفة من السنة -1.معرفة مدى تراكيز االلمنيوم في مياه الشرب في مدينة الموصل في المراحل المختلفة-2.ستوى االلمنيوم في الماء الواصل للمستهلكينمعرفة تأثير الشبكة على م-3

الدراسات السابقةهناك العديد من الدراسات السابقة المتعلقة بموضوع البحث، فبعضها يتناول الجانب الصحي وتـأثره بوجـود

بتغيـر الظـروف األلمنيوم في الماء، وبعضها اآلخر يتناول تغاير األلمنيوم وتركيزه في المياه بشـكل عـام وتغـايره .المختلفة.دراسة وجدوا فيها ترابطا بين ما يصل الجسم من ألمنيوم وبين اضطرابات الجهاز العصبي] 10[أجرى الى ان أخذ األلمنيوم بتراكيز عالية يمكن أن يكون سببا في بعض أمـراض الجهـاز العصـبي كمـرض ] 11[وأشار

.الزهايمر والخرف المبكران مرضى الكلى الذين يتناولون بعالجهم كمية من األلمنيوم ويتعرضون لتراكيـز عاليـة فقد وجدوا] 12[أما

.منه قد يتعرضون لتلين الدماغ فضال عن مشاكل ترسب المعادن في العظامعلـى أشـكال ) Natural Organic Material NOM( تأثير نسبة المواد العضوية الطبيعية ] 13[ودرس

لمياه المعالجة، واستعانوا بفحص الجرة واستخدام نسبة من الكاربون العضوي المـذاب لتمثيـل األلمنيوم الموجودة في ا( تؤثر في شكل األلمنيوم الموجود ) Alum / DOC) (الكاربون العضوي المذاب / الشب (الحالة، وقد وجدوا ان نسبة

ظم األلمنيوم في الماء المرشـح يكـون فإن مع5.3= ووجدا انه حين تكون هذه النسبة ) او مذابparticulateعالق ووجـدا ان األلمنيـوم المـرتبط عضـويا . كما ازدادت نسبة األلمنيوم المذاب العضوي مقارنة بالماء الخـام . عالقا

Organically Bonded Aluminum ازداد من(8 ppb) 15 (الـى ppb ( في الماء المنـتج حينمـا كانـت نسـبةAlum / DOC = (1.53) .

كألمنيوم كلي ) ppb 100( للحصول على نسبة التشغيل الموصى بها 7.3رحا ان تكون النسبة العملية هي واقت).ppb 40 – 35 ( والتي تؤدي الى وجود ألمنيوم مذاب في الماء المنتج بحدود . من قبل الصحة الكندية

ت المتحدة وجد أن معظم األلمنيوم المتبقي بعـد على ثالث محطات لتصفية المياه في الواليا] 14[وفي دراسة أجراها واقترحا بأنه لتقليل تركيـز األلمنيـوم ) monomeric aluminum(أو مذاب particulateالمعالجة يكون بشكل عالق

كما اقترحا ان تكـون العكـورة للمـاء ). 7-6.5(المتبقي في الماء يجب الحفاظ على األس الهيدروجيني ضمن المدى .لتقليل تركيز األلمنيوم العالق في الماء المنتج) NTU 0.1(أقل من المرشح

] 15[وفي دراسة تدل على أهمية معرفة مستوى األلمنيوم في شبكات اإلسالة وما يصل للمستهلكين، استخدم ر الواسـع والتحليل اإلحصائي لقراءات مختلفة في بعض شبكات اإلسالة لتوضيح التغايGISنظام المعلومات الجغرافية

في مستوى تركيز األلمنيوم في شبكة اإلسالة، وقد أشارا إلى إن المواقع عالية التركيز باأللمنيوم تكون غالبـا مرتبطـة وأحيانا يصل تركيز األلمنيوم في الشبكة إلى خمسة أضـعاف مـا هـو . بمحطات إسالة تستعمل الشب بكثرة في عملها

وأثبتا ضرورة هذه الدراسة للتحقق من نجاعة الوسائل المتبعة فـي ) أو سطحياسواء كان جوفيا(موجود في الماء الخام .محطات اإلسالة لتقليل تركيز األلمنيوم في الماء المنتج

وهذه دراسة ( في دراسة أجريت في استراليا وحدات الكتروكيميائية ترتبط مباشرة باالنترنت ] 16[كما صمم وباستخدام وسائل فحـص أوتوماتيكيـة وربـط ). وجود األلمنيوم في مياه اإلسالةأخرى تؤكد ضرورة التنبه لموضوع

pilotوباالستعانة بمحطة تصفية بمقيـاس مختبـري ( معلوماتها بالحاسب اآللي واستخدام دقة مقبولة للفحص وجدوا plant ( اليـة يـزداد تركيـز لتمثيل واقع محطة المعالجة وجدوا انه حين تكون المحطة في غير ظروف التشـغيل المث

.األلمنيوم المرتبط عضويا في مياه الشبكة


16

بينوا ان المياه السطحية أكثر عرضة لوجود األلمنيوم من الميـاه الجوفيـة، حيـث ] 17[وفي دراسة أجراها وس الحد األعلى المحس( تحتوي على كميات محسوسة من األلمنيوم ) في أمريكا( فقط من المياه الجوفية % 9وجدوا ان

.من المياه السطحية تحتوي على كميات محسوسة من األلمنيوم% 78، بينما )ppb 14حسب دراستهم ) ppb 4600-3(وجد إن مستوى األلمنيوم في المياه المعالجة تـراوح بـين 1987وفي مسح أجري في اونتاريو عام

].18[(ppb 160)بمعدل إن معدل تركيـز ] 19[تستخدم الشب، بين ) لمياه سطحية ( محطة تصفية 80وفي الواليات المتحدة وبمسح

).ppb 85(األلمنيوم الكلي كان

المواد وطرائق العمل أشـهر 10متواصل على مدار ما يقـارب مـن ) اخذ عينات(لتحقيق أهداف الدراسة تم أتباع برنامج نمذجة

ن لكل موقع من المواقع الرئيسية االربعة تكون ولك( ، بمراقبة مستمرة 2008وانتهت بشهر أيار 2007ابتدأت من آب ، وقد أخذت نماذج من النهـر )النمذجة أسبوعية أو نصف شهرية بينما للمواقع االخرى فتكون نصف شهرية أو شهرية

الـذي يمثـل 1والشـكل 1كما يبينه الجـدول ( لمواقع عدة مختارة على طول النهر في مساره ضمن محافظة نينوى ). مواقع النمذجةخارطة تبين

وقد تم فحص النماذج بعد نصف ساعة تقريبا من أخذها في مختبرات مديرية ماء نينوى وكـذلك مختبـرات وقد تم إجـراء . جامعة الموصل، بينما بعض الفحوصات كانت تجرى حقليا في موقع النمذجة كدرجة الحرارة وغيرها

وتجدر االشـارة الـى ان . ،]20[الطرق القياسية لفحوص المياه فحص األلمنيوم بالطريقة اللونية وحسب ورودها في أو من الماء الجاهز للضخ من تلـك المحطـات ) لتمثل كنموذج نهري(النماذج اخذت بشكل مباشر من مآخذ المحطات

).لتمثل الماء المنتج من المحطة(

النتائج والمناقشة-:وجود األلمنيوم في نهر دجلة : أوال

طرائق العمل فقد تمت متابعة تراكيز األلمنيوم على طول النهر ضمن محافظـة نينـوى بنمـاذج كما علم من واعتبرت هذه النماذج ممثلة للحالة لكون أن ) 1حسب المواقع المبينة في الجدول (اسبوعية أو نصف شهرية أو شهرية

األلمنيوم في النهر خالل الشـهر الواحـد النهر ال تحصل فيه تغايرات يومية أو اسبوعية من شأنها التأثير على تركيزفضال عن ذلك فإن المسح لخصائص االنهار تكفيه النماذج الشهرية لوصف الحالة وهذا ما اعتمدته كثير من الدراسات (

يبين المعدل السنوي لتركيز األلمنيوم في المناطق المختلفة على نهر دجلة وقد تفاوت ) 1(، والجدول )وال يمكن حصرهافـي ) لتـر /ممايكرو غرا=ppb37)ppbفي اللتر الواحد وما يقرب من تاأللمنيوم بين بضعة مايكرو غراماتركيز

ويعتمد تركيز األلمنيوم على درجة الحرارة بشكل كبير وذلك بتأثير ذوبانيـة األلمنيـوم بهـا . مختلف المواقع من النهر].21[له ) التفكك الحراري(بسبب ارتفاع ثابت االنثالبي

وقد وجد أن الفـارق ) Total and Dissolved Aluminum(لقد تم فحص كل من األلمنيوم المذاب والكلي بينهما ضئيل جدا في أغلب الحاالت بل يكاد يكونان متساويين لذا تم االستغناء عن فحص األلمنيوم المـذاب واالكتفـاء

لكلي سببه ندرة وجود األلمنيوم في المياه الطبيعية بشـكل بفحص األلمنيوم الكلي، وذلك التساوي بين األلمنيوم المذاب وا] . 22[عالق

يقع ضمن الحدود المسموحة لمياه ) ضمن مدينة الموصل( ان وجود األلمنيوم في المواقع المختلفة لنهر دجلة ذا يعد الماء ل). ppm 0.05( الشرب حسب ما اعتمدته بعض المواصفات الدولية والحكومية في بعض المدن والواليات

أمينا على المستهلكين من ناحية مستوى تركيز االلمنيوم فيه في حالة عدم استخدام محطات التصفية للشب ، ولكـن اذا .استخدم الشب فإن تركيز االلمنيوم سيرتفع بدرجة ما في ماء الشرب تبعا لذلك

فيفا في أشهر الصيف ، والبد من اإلشارة إلى إن ويمكن مالحظة رغم قلة وتقارب تركيز األلمنيوم إن هناك ارتفاعا ط. Natural Organic Material (NOM)األلمنيوم قد يكون مرتبطا بوجود المواد العضـوية الطبيعيـة

. وهذه المواد العضوية تظهر بشكل اكبر في فترات الصيف ويساهم وجودها في احتواء كميات من األلمنيومحيث كان مسـتوى ]. 23[ا إلى ان مستوى األلمنيوم هذا قد ال يختلف كثيرا عما وجده والبد من اإلشارة ايض

). 2250ppb-12(األلمنيوم في األنهار الموجودة شمال أميركا يتراوح بين

-:وجود األلمنيوم بعد محطات المعالجة: ثانيا :تجة من محطة التصفية وأبرزهاهناك الكثير من العوامل التي تؤثر في وجود األلمنيوم في المياه النا

األس الهيدروجيني-3درجة الحرارة، -2.إضافة الشب من عدمها-1


17

فضال عن مدى وجود المواد العضوية الطبيعية في المياه الخام وغيرها من األمور وفي هذه الدراسة تم التركيز علـى مراقبة تركيز األلمنيوم في المياه المارة خاللها أربعة مشاريع مياه هي ذات الطاقة اإلنتاجية األكبر في المحافظة وجرى

تبين مستويات األلمنيوم في المـاء المنـتج مـن 4،5، 3، 2واألشكال ). 2(والناتجة منها وهي كما مبينة بالجدول .المدروسةتالمحطا

من النهر ومعدالت تركيز األلمنيوم في النهر والمنتج ) أو نصف شهرية(مواقع اخذ النماذج الشهرية ) : 1(الجدول من المحطات

فالمأخذ يمثل النهر ، والعمود األخير Package plant)بعضها من نوع (هذه المواقع هي محطات تصفية : مالحظة * ).الشب او عدمهابإضافة (يمثل المنتج من هذه المحطات ،

المحطات المدروسة وطاقتها اإلنتاجية): 2(الجدول

)*يوم/الف متر مكعب(الطاقة الفعلية الرمزاسم المحطةA183.6األيمن الموحد-1B225.5)القبة(األيسر الجديد -2C54.0)الحي العربي(األيسر القديم -3D16.72مجمع الدندان-4

رية ماء نينوىحسب معلومات مدي·

أسباب تذبذب تركيز األلمنيوم في المحطاتهناك عدة أسباب تؤدي إلى تذبذب تركيز األلمنيوم في مياه المحطة أبرزها إضافة الشب من عدمه ومـن ثـم

، ذلك فضال عن حال وحدات التصـفية كوحـدة ] 24[والقاعدية pOHوكذلك pHدرجة الحرارة واألس الهيدروجيني .حواض الترسيب وغيرهاالترشيح وأ

عدد العينات*اسم الموقع التسلسلمدى تركيزاأللمنيوم في

)ppb(النهر

معدل تركيز يوم في النهراأللمن

)ppb(

معدل تركيز األلمنيوم في الماء المنتج في هذه

)ppb(المحطات117.27.2–116وانة196.56.5–115اسكي موصل2383132–168خليلةخواج3A2017–197األيمن الموحد-

Bاأليسر

-3720.8–188)القبة(الجديد

1612.419–134الرشيدية4

Cحي (األيسر القديم -2520.9–179)العربي

D3724.7–1911الدندان-378.520.1–146الغزالني51177–115البوسيف6159.534.5–107العريج7141033–108قبر العبد811911–105حمام العليل9

159.515-108الشورة10


18

حسب تسلسل المواقع في (خارطة نهر دجلة ضمن محافظة نينوى ومواقع النمذجة المتبعة في الدراسة ) : 1(الشكل )).1(الجدول

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Aug-07 Sep-07 Oct-07 Nov-07 Dec-07 Jan-08 Feb-08 Mar-08 Apr-08 May-08أشھر الدراسة

ر) / لت

راموغ

كر( مای

ء لما

ي ام ف

یومن

اللز ا

ركیت

االدنى المعدل االقصى

في أشهر الدراسة) A(معدالت تركيز االلمنيوم في الماء المنتج من محطة ): 2(الشكل

سدالموصل

وانة

مدينةالموصل

12 3

4A

B C

D56

7 89

10


19

0

5

10

15

20

25

30

35

40


ر) / لت

راموغ

كرمای

ء ( لما

ي ام ف

یولمن

االیز

ركت


.في أشهر الدراسة) B(معدالت تركيز االلمنيوم في الماء المنتج من محطة : )3(الشكل

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50


ر) / لت

راموغ

كرمای

ء (لما

ي ام ف

یومن

اللز ا

ركیت


.في أشهر الدراسة) C(معدالت تركيز االلمنيوم في الماء المنتج من محطة ): 4(الشكل


20

0

10

20

30

40

50

60

Aug-07 Sep-07 Oct-07 Nov-07 Dec-07 Jan-08 Feb-08 Mar-08 Apr-08 May-08 Jun-08أشھر الدراسة

ر) / لت

راموغ

كرمای

ء ( لما

ي ام ف

یولمن

االیز

ركت


في أشهر الدراسة) D(معدالت تركيز االلمنيوم في الماء المنتج من محطة ): 5(الشكل

مبينة باإلشكال السابقة وبالمقارنة مع تركيز األلمنيوم في النهر يمكن القول إن إضافة الشب من خالل النتائج الإذ أن هذه المحطات تضيف الشب فقـط ( بشكل متذبذب في محطات التصفية المختلفة هي وراء ارتفاع تركيز األلمنيوم

ذه الدراسة معظم النماذج أخذت في وقـت لـم وفي ه) عند ارتفاع العكورة في المياه الداخلة وذلك عند تساقط األمطاررغم ذلـك فتـرات اضـافة ) سوى بعض الحاالت الواضحة من خالل األشكال المبينة(تضف فيه مادة الشب للمحطات

. الشب قليلة جداأما عن تأثير درجة الحرارة فقد لوحظ للمحطات المدروسة عالقات مهمة ولكن عكسية بين درجـة الحـرارة

وذلك بسبب تناسـب إضـافة ) 9، 8، 7، 6(كما يمكن مالحظته في األشكال ) Dسوى المحطة (منيوم وتركيز األلالشب في المحطات مع انخفاض درجة الحرارة أو بسبب جرف االمطار لنسب من االلمنيوم المتواجد في مساحة الجابية

م من ان السنة المنصرمة تعد سنة جفاف وهو معلوم إن األمطار تسقط في مدينة الموصل في أشهر البرد على الرغ(لها ما أدى إلى تذبذب العالقة بين تركيز األلمنيوم ودرجة الحرارة وبسبب عشوائية إضافة الشب فـي مختلـف المحطـات

في المحطات (بأن التناسب طردي بين درجة الحرارة وتركيز األلمنيوم المتبقي ] 22[، وعلى عكس ما وجده )المدروسة( بينما لم تظهر عالقة واضحة بينهما في المحطات التـي تعتمـد التيسـير بـالنورة ) الشب بشكل مستمرالتي تستخدم

Lime-softening] (22 .[بينما لـو لـوحظ . وهو كما حصل في هذه الدراسة بسبب عدم استخدام الشب بشكل مستمروهي قـد ( خليل ةلحرارة في محطة خواجوالذي يمثل عالقة المعدل الشهري لتركيز األلمنيوم مع درجة ا) 10(الشكل

تكون أول محطة على النهر في محافظة نينوى ويمكن القول إنها بعيدة عـن التـأثيرات الملوثـة لألنشـطة السـكانية وهذه مقاربة لحالـة النهـر ومعلـوم ان ) والصناعية فنجد عالقة طردية واضحة بين درجة الحرارة واأللمنيوم المتبقي

غييرا يذكر على تركيز األلمنيوم ما لم يضف الشب فيها،المحطة ال تحدث تواذا ما حصل تناقص في تركيز األلمنيوم خالل المحطة فهو بسبب كون األلمنيوم الداخل محموال على المواد

].13[والتي تزال مع ما تحمله من ألمنيوم في وحدتي الترسيب والترشيح ) NOM(العضوية الطبيعية .ايضا عالقة مهمة بين تركيز األلمنيوم وهذه المواد العضوية مما يؤكد ذلك] 19[وقد الحظ

فهو طفيف وسببه جرف مـا هـو ) مع عدم إضافة الشب وهو حالة نادرة حدثت لمرة او مرتين (وأما إذا حصل تزايد ضت سابقا لكميـات خصوصا عند تأخر غسلها وقد تعر(متبقي من مواد عالقة حاملة لأللمنيوم سواء في وحدة الترشيح

أم في وحدات الترسيب وذلك لعملية الجرف وإعـادة اإلذابـة ) من مركبات االلمنيوم حين اضافة الشب في وقت سابقوما يدل على ذلك ما أشار . للمياه القادمة للمحطة) ألسباب طبيعية(يمكن أن يحصال بتغير األس الهيدروجيني نواللذا


21

.

y = -52.84Ln(x) + 163.98R2 = 0.9373

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20 25درجة الحرارة ( م)

ر)/ لت

رام وغ

كرمای

( ان

یرحز

ي -ثان

الون

كانة (

اسدر

الھر

اشالل

خوم

منیالل

ز اركی

لتري

شھ ال

دلمع

ال

).A(ارة على المعدل الشهري لتركيز االلمنيوم في محطة تأثير درجة الحر): 6(الشكل

y = -41.668Ln(x) + 130.93R2 = 0.8765

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5 10 15 20 25

رارة ( م) درجة الح

ر ) / لت

رام وغ

كرمای

ن ) یرا

حزي -

ثان ال

ونكان

ة ( اس

در ال

ھراش

ل خال

وم منی

اللز ا

ركی لت

ريشھ

الدل

معال

).B(تأثير درجة الحرارة على المعدل الشهري لتركيز االلمنيوم في محطة ): 7(الشكل


22

y = -61.478Ln(x) + 187.8R2 = 0.8623

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 5 10 15 20 25درجة الحرارة ( م)

ر)/ لت

رام وغ

كرمای

( ان

یرحز

ي -ثان

الون

كانة (

اسدر

الھر

اشل

خالوم

منیالل

ز اركی

لتري

شھ ال

دلمع

ال

).C(تأثير درجة الحرارة على المعدل الشهري لتركيز االلمنيوم في محطة ): 8(الشكل

y = 6.3783Ln(x) + 7.0919R2 = 0.0723

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5 10 15 20 25

رارة ( م) درجة الح

ر ) / لت

رام وغ

كرمای

( ان

زیر- ح

ني لثا

ن اانو

( كة

اسدر

الھر

اشل

خالوم

منیالل

ز اركی

لتري

شھل ال

معدال

).D(دل الشهري لتركيز االلمنيوم في محطة تأثير درجة الحرارة على المع): 9(الشكل


23

y = 44.802Ln(x) - 89.742R2 = 0.9339

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 5 10 15 20 25درجة الحرارة ( م)

ر) / لت

راموغ

كر) مای

انیر

حزي-

ثانن ال

نو( كا

ة اس

درر ال

شھل ا

خالوم

منیالل

ز اركی

لتري

شھل ال

معدال

.تأثير درجة الحرارة على المعدل الشهري لتركيز األلمنيوم في محطة خواجة خليل): 10(الشكل

Al(OH)4حيث يتواجد بالجذر ) 6(إذ وجد أن ذوبانية األلمنيوم تزداد بزيادة األس الهيدروجيني فوق ] 25[له ، لذلك -

أي (بهدف تقليل تركيز األلمنيوم في المـاء المرشـح pHفي المحطة لخفض الـ H2SO4ة حامض قد يلجأ إلى إضافتجدر اإلشارة ). السيطرة على االلمنيوم المذاب أو الراسب بالتحكم بمدى ذوبانية االلمنيوم من خالل االس الهيدروجيني

أمـا 7.84ألس الهيدروجيني حسب هـذه الدراسـة المعدل السنوي ل(إلى إن المياه في نهر دجلة غالبا ما تكون قاعدية .للسنة الماضية) 0.104= االنحراف القياسي

: مستوى األلمنيوم في ماء الشبكة: ثالثا تم اختيار نقاط عشوائية ألماكن مختلفة من المناطق السكنية لتقدير تركيز األلمنيوم في مياه اإلسالة ومدى تأثير الشـبكة

فيها، وقد لوحظ في معظم الحاالت ان تركيز األلمنيوم مقارب جدا لتركيز األلمنيـوم فـي ميـاه على مستوى األلمنيوميبين معـدل فـرق ) 3(الجدول (المحطة التي تغذي تلك المنطقة وذلك يدل على عدم تأثير الشبكة على تركيز األلمنيوم

ركيزه في الماء المنتج من المشـروع المغـذي تركيز االلمنيوم لقراءات مختارة عشوائيا في بعض مناطق الشبكة عن تفي قضاء تلكيف والذي يستلم (وقد لوحظت حالة مميزة بارتفاع تركيز األلمنيوم في احد أحواض الخزن ). لهذه المناطق

عن ما موجود في المحطة، وقد عزي ذلك إلى ان األنابيب او الخزانات التي تكون جديـدة ) Bمن محطة االيسر الجديد . في ماء الشبكة أو الحوض) يسبب ذوبان بعض مواد التبطين(تسبب تزايدا في تركيز األلمنيوم تة بمونة االسمنومبطن

تولكن بمرور الوقت ينعدم هذا التأثير لألنابيب والخزانات المبطنة بمونة االسمن]. 27[و] 26[وهذا ما بينه.

الشبكة عنه في الماء المنتج من المشروع لقراءات عشوائية معدل الفرق بين تركيز االلمنيوم في ماء ): 3(الجدول .في بعض المناطق

عدد العيناتالمشروعالمنطقة-اخذت في أشهر شباط(

)نيسان-آذار

معدلالفارق بين تركيز االلمنيوم في الشبكة عن

)(ppbالمشروع

-B3حي الزهور-A4الدواسة

+B32تلكيف-C4حي العربي


24

الستنتاجاتا.(ppb 50)يتواجد األلمنيوم في مياه نهر دجلة بتراكيز اقل من الحدود التي سمحت بها المنظمات العالمية -1) حتى وإن كانت ضـمن المواصـفات (قد يتواجد األلمنيوم في مياه الشرب في مدينة الموصل بتراكيز مقلقة -2

.يوم في الماء الناتجحين استعمال الشب وعدم السيطرة على تزايد تركيز األلمنلم توجد عالقات واضحة لأللمنيوم بالمؤشرات األخرى في مياه المحطات المدروسة بسبب عدم انتظام إضافة -3

.الشب فيها

التوصياتلتقليل األلمنيـوم المتبقـي فـي المـاء pHالسيطرة على عملية إضافة الشب ونتاجاتها من خالل التحكم بال -1

.المرشح.مخثرات بديلة عن الشب للتخلص من المحاذير الصحية لأللمنيومالتفكير باستخدام-2ككثيـر (اجراء مزيد من الدراسات حول الموضوع وبالذات في المدن التي تستمر باضافة الشب طوال السنة -3

). من مشاريع االسالة في مدينة بغداد

المصادر1- Association of California Water Agencies ACWA (2000) "Review of the Proposed

Public Health Goal for Aluminum in Drinking water" Sacramento , CA.2- Peterson, H. (2005). (Aluminum Facts & Information)(Saskatchewan Research

Council, Saskatoon) . Pure Water Products, LLC . Denton , TX.http://www.pwgazette.com/.

3- Agency for Toxic Substances and Disease Registry ATSDR(2006) . (Fact Sheet aboutAluminum) . Division of Toxicology and Environmental Medicine ToxFAQsTM.Internet address is http://www.atsdr.cdc.gov/toxfaq.html.

4- Health Protection Branch of Health Canada " Aluminum in Drinking Water andHuman Health". Health Canada/Santé Canada, Publications, Ottawa, Ontario, K1A0K9, http://www.esemag.com/0197/facts.html.

5- USEPA (1991). National Secondary Drinking Water Regulations; Final Rule. Fed.Reg., 56:20:3526 (Jan. 30, 1991).

6- USEPA (1998). Announcement of the Drinking Water Contaminant Candidate List.Notice. Fed. Reg., 63:40:10274-10287 (March 2, 1998).

7- Health Canada (1998). “Aluminum” Guidelines for Drinking Water Quality,(Nov.1998).

8- WHO (1996). Guidelines for drinking-water quality. Second Edition. Geneva (1996).9- WHO (1998). Guidelines for drinking-water quality. Second Edition. Addendum to

Volume 2. Geneva.10- Klatzo, I., Wismiewsky, H., and Streicher, E. (1965). " experimental production

neorofibrillary degeneration" Jour of Neuropathology Experimental Neurology. Vol24. (1), pp187-199. (cited in reference 1).

11- Krapper, D. R., Krishnan, S.S., and Dalton, A.J. (1973). "Brain Aluminum inAlzheimers disease and experimental neorofibrillary degeneration" Science, vol 180.pp 511-513.

12- Platts, M. M., Goode, C. C., and Hislop, J. S. (1977). "composition of domestic watersupply and the incidence of fractures and encephalopathy in patients on homedialyses." British Medical Journal. Vol.2 (6078). (cited in reference 1).

13- Srinivasan, P. T and. Viraraghavan T. (2004). " Influence of Natural Organic Matter(NOM) on the Speciation of Aluminum during Water Treatment." Jour. Of Water , Airand Soil Pollution . Vol. 153. pp. 35-45.

http://:@www.pwgazette.com/

http://:@www.atsdr.cdc.gov/toxfaq.html

http://:@www.esemag.com/0197/facts.html


25

14- Driscoll, C.T. and Letterman, R.D. (2006). "Factors regulating residual aluminiumconcentrations in treated waters." Environmetrics, 3: pp287–309. Copyright © 2008John Wiley & Sons, Ltd.

15- Cech, I., & Montera J, (2000) " Spatial variation in total aluminum concentration indrinking water supplies studied by geographic Information system (GIS) Methods ".Water Research, Vol. 34, Issue 10 pp 2703-2712. (Inter Net).

16- Chow, C.W.K. , Thomas, S.D., Davey, E.D., Mulcahy, D.E. & Drikas, M., (2003) "Development of an on – line electrochemical analyzer for trace level Aluminum "Analytical Chimica Acta. Vol. 499, Issue 1-2. pp 173-181 (Inter Net).

17- Miller, R.G., Kopfler, F.C., Kelty, K.C., Stober, J.A. and Ulmer, N.S. (1984). "Theoccurrence of aluminum in drinking water". J. Am. Water Works Assoc., 76(1) pp 84-91.

18- Hill, R.J. and Hill, M. (1989). "An exposure assessment of the health hazardsassociated with the intake of aluminium." Part II of a report on the effects ofaluminium on human health. Prepared for the Department of Health and Welfare,Ottawa.

19- Driscoll, C.T, and Letterman R.D, (1988) " Chemistry and Fate of Al(III) in TreatedDrinking Water ". Jour. Of Environmental Engg. Div., ASCE. Vol. 114 , No. 1. pp21-37.

20- APHA, AWWA, WEF. (2005). “Standard Methods for the Examination of water andwastewater”, 21st ed. Washington, D.C., USA.

21- Schecher, W.D.,& Driscoll, C.T. (1987). " An evaluation of uncertainty associatedwith Al Equilibrium Calculations " Water Resources Research., 23(4), pp 525-534.

22- Van Benschoten, J.E, Jensen, J.N., and Rahman, Md.A., (1994) " Effects ofTemperature and pH on Residual Aluminum in Alkaline – Treated Waters" Jour. OfEnvir. Engg. Vol. 120 No. 3, pp 543-559.

23- Jones, K.C. and Bennett, B.G.(1986). "Exposure of man to environmental aluminum— an exposure commitment assessment." Sci. Total Environ., vol. 52: pp 65–82 .

24- Edwards, M. & Krech, S. (2002). " Controls Solubility on Aluminum in drinkingwater at relatively low and high pH." Water Research Vol. 36, Issue 17, pp 4356-4368(Inter Net).

25- Cohen, J.M., and Hannah, S.A. (1971). " Coagulation & Flocculation " Water Qualityand Treatment, 3rd Ed., McGraw-Hill, New York, N,Y., 66-122.

26- Costello, J.J. (1984) " Post precipitation in distribution system " Jour. Of Am. WaterWork Assoc., 76(11), 46-49.

27- Berend, K. and T. Trouwborst. 1999. "Cement–mortar Pipes as a Source ofAluminum." Journal AWWA, 91(7):91-100.

جامعة الموصل–جراء البحث في كلیة الھندسة تم ا


26

التنبؤ المبكر في حدوث الصدمات السمية في أنظمة المعالجة البيولوجية التي تعمل بأسلوب الحماة المنشطة

معن هاشم محمودأحمد ياسين شهابرياض محمود صالح

[email protected]

وتقاناتهاالبيئةلومعكليةالهندسةكلية/ المدنيةالهندسةقسمالتلوثعلىوالسيطرةالبيئةبحوثمركزجامعة الموصلجامعة الموصلجامعة الموصل

:الخالصةلذلك جـرى . تعد الصدمات الحاصلة في وحدات الحمأة المنشطة من المشاكل المهمة التي قد تضر بعمل المحطة البايولوجية

تتمثل بحساب استهالك األوكسجين في الكتلة الحية األولى . في هذه الدراسة اختبار طريقتين منفصلتين للتنبؤ المبكر بحصول الصدمةSpecific Oxygen Uptake rate SOUR والثانية تتمثل بمراقبة الصور المجهرية لنماذج من الحمأة المـأخوذة مـن حـوض

سليط نوعين وت) المزج التام-تعمل بأسلوب الحمأة المنشطة(لتر 10وتم العمل مختبريا باستخدام أحواض زجاجية بحجم . التهويةأثبتت الدراسة بان طريقتي التنبؤ كانتا ناجحتين في الكشف ). السيانيد(واألخر ال عضوي ) الفينول(من المواد السمية احدها عضوي

في ) تصاعد حاد عند تسليط الفينول وانخفاض حاد عند تسليط السيانايد(SOURعن مقدمة صدمة إذ حصل تغاير كبير في مؤشر اما الطريقة الصورية فقد اثبت . مما يدل على صالحية الطريقة في تخمين حدوث صدمة في حوض التهوية) يقةدق15(وقت وجيز

اذ تحولت من النمو المتكتل الى النمو الخيطي بشكل ملحـوظ (النتائج تغير شكل نمو اللبادات البايولوجية اعتمادا على نوع الصدمة . ذلك بوقت وجيز ايضا ال يزيد على نصف ساعة) عصوي عند تسليط السيانيدعند تسليط الفينول والى النمو المتشتت ال

. الحمأة المنشطة، الصدمة السمية، التنبؤ المبكر للصدمات: الكلمات الدالة

Early Prediction Of Toxic Shocks Happening In Activated SludgeBiological Systems

Ma'an HashimMahmood

Ahmed Y. ShehabRiyadh M. Saleh Al-Obaidi

College of Env. Science andTechnology

College of Engg. (Civil Dept.)Environment ResearchCenter

Mosul UniversityMosul UniversityMosul University

Abstract:The shocks became an important issue in operating wastewater treatment plant, because it

may lead to biological unit damage in a short time. This study had been done to experience twoseparated ways in toxic shock happening prediction. Two glass basin (10L volume) used to conductthe study. The work was with completely mixed activated sludge. The studied ways of predictionwere 1-the specific oxygen uptake rate (SOUR) of biomass in aeration tank , and 2-microscopicimages monitoring. Two types of toxic material were used , the first was phenol (organic) andcyanide (inorganic inhibitors) with 40mg/l concentration in each of the basin separately. The resultsrevealed that the two ways were useful in shock prediction. SOUR has raised with phenol shock in ashort time , and has sharp dropped with cyanide shock (about 15 min.). the microscopic imagesrevealed that filamentous growth happened in the bioflocs after short time of phenol shock. While adispersed growth and pinpoint flocculation has appeared after short time of cyanide shock (leadingto the biomass damage).

Key words: activated sludge, toxic shock, shocks early prediction

2009/3/12قبل في 2009/1/5أستلم في

التنبؤ المبكر في حدوث الصدمات السمية في أنظمة المعالجة البيولوجية التي تعمل بأسلوب الحماة المنشطة: صالح

27

المقدمةوعلى الـرغم . بلدان العالمفي مختلف كبيرانظام الحماة المنشطة انتشارا بالعاملةتنتشر محطات المعالجة البيولوجية

) Shocks(من هذا االنتشار الواسع اال ان هذه المحطات غالبا ما تعاني من مشاكل تشغيلية عديدة، لعل من اهمها الصدمات ف جزئـي او قتتسبب هذه الصدمات في إعاقة في عمل المحطة وإرباكها وربما تؤدي الى تو. كيةبنوعيها السمية والهيدرولي

.]1[تنفصل كتلة االحياء المجهرية عن المياه المعالجة في حوض الترسيب الثانويكلي للمحطة خاصة عندما الالحفاظ على استقارية عمل امرين اولهمابرزت اهمية مراقبة عمل الحمأة المنشطة من ناحية وجود المواد السمية من خالل

تتسبب السمية في ظهور مشاكل تشـغيلية مثـل تغيـر حيث. حماية المستلمات المائية من السمياتاالخر ومحطة المعالجةاو تشتت Bulkingترسيب قد تتأتى من انتفاخ الحمأة المشاكل و،خصائص الترسيب وهذه قد تحتاج الى وقت الستصالحها

.]2[وكالهما يمكن ان يحدث بسبب اهمال صدمة سمية deflocculatingات اللبادفي اتخاذ االجراءات التـي مـن يخدم كثيرا البايولوجية المعالجة ان التنبؤ المبكر بالصدمات التي يمكن ان تحصل في وحدة

التي قد تتعرض لها خصوصا فيما لـو شأنها حماية الوحدة من االنهيار وانقاذ الكتلة الحية من الخمول الكلي جراء الصدمة التغـاير الهيـدروليكي تمثـل وهـي (إن الكشف عن الصدمات الهيدروليكية امر يسير وواضح وبالرغم من . كانت سمية

المعادلـة بسهولة مالحظته وقد يسهل امتصاص تلك الصدمات بواسـطة احـواض للعيان ويمكنبائن أمروهو)الحاصل. مبكرالحقيقية تكمن في الكشف عن الصدمات السميةاالصعوبة اال أنت البايولوجية ،المنشأة في مقدمة الوحدا

مقياس معامل الحمأة الحجمي يعد)Sludge Volume Index SVI ( من المقاييس المهمة في مراقبة عمل حوض الترسيبوقد لوحظ ان ،عمل حوض الترسيبوفي حالة كون هذا القياس خارج الحدود التصميمية يسوء،وخصائص الترسيب للحمأة

مقياسا متـأخرا ) SVI(لصدمة سمية او عضوية، لذا عد المعالجةمن أهم أسباب تراجع ترسيب الحمأة هو تعرض حوضلـذا ] 3[باالضافة الى انه ال يعطي انطباعا عن نوعية المشكلة الحاصلة للكتلة الحيـة ) بعد وقوعها(للتنبؤ بحصول الصدمة

. اع وسائل تنبؤ مبكرة يمكن ان تنفع في تدارك عمل الوحدة البايولوجيةتطلب إتب

الدراسات السابقةاستخدام حساب تنفس الحمأة للتحسس من وجود صدمة سمية في الحمأة المنشطة، واعتبرا هـذه الطريقـة ]2[اقترح

للتخمين في وجود مواد سمية في الفضـالت طريقة مثالية لهذا الشأن على الرغم من تأخر اعتمادها في كثير من المحطات .الداخلة

. ان فعالية الترويق في الحمأة المنشطة يمكن تحديدها بدقة من خالل خصائص اللبادات]4[اعتبر أخرىفي دراسة ومنظومـة حيث انشئتSBR (Sequencing Batch Reactor)على محطة تعمل بالجرعة المتتابعة اعتمدت الدراسةوقد ان تعمل تلقائيا في أخذ النماذج وتحليلها حاسوبيا ومن ثم تحديد درجة فعالية الترسيب الحاصلة في المحطة المختبريـة يمكن

الـى ان وخلصت الدراسـة . مستمر الى الحاسوب لتحليلهاشكلباالعتماد على مجهر ضوئي وكاميرا تصوير تنقل الصور ب.اتيكية للتقييم السريع لحجم وبنية اللبادات البايولوجية ومن ثم تقييم عملية التلبيدنظام تحليل الصور المطور يمثل وسيلة اتوم

هوائيـا حـين فقد استخدموا التحليل الكمي للصور المجهرية في مراقبة التغيرات الهيكلية للحمأة العاملـة ال ]5[اما عرضة لصدمة سمية، وأهم تلك المؤشـرات حدوث الصدمات، وقد اعتمدوا على مؤشرات عدة في تفسير صورة الحمأة المت

وهـذا . total aggregate projected areaالى المساحة المتراكمـة الكليـة Length of Filamentنسبة طول الشعاع وقد اشاروا الى حصـول تغيـرات سـريعة فـي . داخل حوض المفاعل) النشاط(المؤشر يحدد الحركية الحاصلة للبكتريا

، وقد ادت الصدمة الى surfactantالسيرفاكتانت منmg/L 300حمأة عند تعرضها لصدمة بتركيز ال) شكل(مورفولوجية .بشكل ملحوظتزايد البكتريا الشعاعية

سود فيـه الفطريـات تSBRلحوض ) بالمجهر( تابعوا فيها تعاقب التغيرات المورفولوجية ]6[وفي دراسة اجراها واألخـرى ،)pH = 3.5( إحداهما بتخفيض األس الهيدروجيني انخفاضا حادا نوعين من الصدماتاثناء تعريض الحوض ل

وقد الحظوا انه رغم تغير الخصـائص الشـكلية . (Gallic Acid)بتسليط تركيز عال من الفينول، متمثال بحامض الجاليك )(Fungal – based SBRيـات سـودها الفطر تلم تتأثر، كما بينوا ان الحمأة التـي CODـللحمأة فإن كفاءة المعالجة لل

( SVIبينما تراجعت بعض خصائص الترسيب للحمأة من خالل تصاعد قيمـة .يمكن ان تتأقلم على الفينول بسرعة وتزيله).Inhibitionفي بعض المراحل من االعاقة او التثبيط ml/g 370حيث وصلت الى للمحطة مـن اتخـاذ اجـراءات اعي يمكن المشغلين الى ان الكشف المبكر عن وجود بكتريا بنمو شع] 7[وقد اشار

. سريعة تحمي المحطة من الحمأة جراء سوء الترسيب ، ومن تلك االجراءات الكلورة كحل مؤقت للمشكلة


28

البحثأهدافSpecific Oxygen(دراسة إمكانية استخدام اختبار المعدل النوعي الستهالك األحياء المجهرية لألوكسـجين .1

Uptake Rate SOUR ( ية في أحواض المعالجة البيولوجية التي تعملفي الكشف المبكر عن الصدمات السم.بأسلوب الحماة المنشطة ذات المزج التام

لحماة المنشطة في التنبؤ المبكر عن الصدمات السمية فـي احـواض ادراسة استخدام الصور المجهرية لعينات .2.الحماة المنشطة ذات المزج التامل باسلوبمالمعالجة البيولوجية التي تع

مواد وطرائق العملاللترات، يتألف الحـوض مـن 10لتحقيق الدراسة تم اعداد حوضين زجاجيين بحجم : وصف المنظومة المختبرية.1

وقـد .]A(،]8:1(لتر وكما في الشـكل رقـم 2.5لتر، والثاني للترسيب بحجم 7.5األول للتهوية بحجم : جزئينلتوفير األوكسجين وتحقيق المزج الكامل في نفس الوقت فـي (compressor)ة هواء كهربائية خدمت ضاغطاست

. حوض التهوية

المحطات التي تعمل بنظام الحماة المنشطة ذات المزج التام تكون التغذية فيها باسلوب الجريان المستمرغالبيةان وذلك باستخدام وباالعتماد على الجاذبية األرضية الدراسة، لذا تم اعتماد هذا األسلوب في تغذية األحواض بهذه ]9[

منظومة تتكون من حوضين األول يستخدم لتجهيز مياه الفضالت والثاني يحافظ على توفير ضغط ثابت في أنابيب لضمان انتظام التصاريف ) على منسوب هيدروستاتيكي ثابت في حوض الفضالت الرئيسباالعتماد(التجهيز

.)B:1وكما في الشكل (أحواض المعالجةالداخلة الى تعتمد على الحليب الجاف في (فضالت بخصائص مصطنعة تم تشغيل المنظومة وتغذيتها بمياه : تشغيل المنظومة.2

الجدول ، )تحضيرها لضمان عدم وجود مواد غريبة قد تسبب صدمة مشتركة فيما لو استخدمت فضالت اعتياديةوالجل ضمان عمل المنظومة باسلوب الحمأة . المستخدمة في المعالجةللمياهلهامةالعامة اصئيبين الخصا) 1(رقم

وقد تم في بداية التنمية .]10[، )2(المنشطة ذات المزج التام تم اعتماد المعاير التشغيلية المثبتة في الجدول رقم فضالت مستشفى مدينة لالحياء المجهرية اخذ بذور الحمأة المنشطة من حوض التهوية لمحطة معالجة مياه

. الموصل العام

. )احواض التهوية والترسيب الذاتي(شكل وأبعاد االحواض المستخدمة في الدراسة : ):1A(الشكل

18cm20cm

5cm

8cm

20cm

الترسیبالتھویة

Sec. BB Sec. AA

حوض التھویةلتر7.5

حوض الترسیب

لتر2.5

A

BB


29

.مخطط يمثل منظومة التشغيل المتبعة في الدراسة:):1B(الشكل ) Steady State(ب من حالة االستقرار والثبات بالنتائج وبعد الوصول الى حالة من نتائج التشغيل تقر

أي بعد اكتمال التنمية ووصول تركيز االحياء المجهرية الى الحدود (والتي استغرقت اسبوعين تقريبا من التشغيل مادة ، تمت اضافة المواد السمية التي يتوقع ان تشكل صدمة ما لألحياء المجهرية وهما ))2(المشار لها في الجدول

إضافة المادتين الى حوضي التجهيز تتم، حيث الفينول ومادة السيانيد متمثلة بمادة سيانيد البوتاسيوم الحيديديكيبحساب الكمية المالئمة لجعل تركيز كل من المادتين السميتين في الفضالت ) ذوا المنسوب الهيدروستاتيكي الثابت(

تعريض بهدف لكل منهما )نوعا ماالعالي(اختيار هذا التركيز تم وقد ) لتر/ملغم40(الداخلة لحوض التهوية . ]11[ة كشرط لحصول الصدمة لظروف قاسيينالحوض

اضيفت مادة الفينول الى مياه (حوضين لالداخلة لمياه الإضافة هاتين المادتين الى تتمتجدر االشارة الى انه وذلك بعد ) لسيانيد الى المياه التي تغذي الحوض الثانيالفضالت التي تغذي الحوض االول بينما اضيفت مادة ا

).steady state condition(التي سبق ذكرهاام عمل المنظومة ووصولها الى حالة االستقرار التشغيليظأنت

:الخصائص الهامة للمياه المستخدمة في تغذية االحواض المختبرية):1(الجدول

:

الوحدةالتركيزالخاصية

COD(500-300mg/l(يميائي لالوكسجين المتطلب الك

BOD(430-260mg/l(المتطلب الحيوي لالوكسجين

7mg/l-3النيتروجين الكلي

3mg/l-1الفوسفور الكلي

-pH(6.8 -8.1(الرقم الهيدروجيني

فضالتحوض ال

حوض

1التهويةحوض

2التهوية

اضافة الفینول بالكمیة المشار لھا

اضافة السیانید لھابالكمیة المشار

حوضا التجھیز ذوا المنسوب 40(الھیدروستاتیكیي الثابت

)لتر

صمام تثبیت المنسوب المائي


30

المعايير التشغيلية المتبعة في الدراسة:)2(الجدول

تتم وقد

:يليماخالل فترة العمل متابعة

a. حساب المعامل الحجمي للحماة)SVI:(ظهور حالة ضي التهوية باستمرار قبل وبعد حيث تم اخذ عينات من حوحيث تم هذا الفحص ولكال الحوضين) حداث الصدمةأساعة بعد 25استمر اجراء هذا االختبار لمدة (الصدمة

. ]12[حسب ما ورد في المصدر b.حص فSOUR : ر استمر إجراء هذا االختبا(دمةاالصوصول المادةهذا االختبار باستمرار قبل وبعد إجراءتم

المذاب في الماء نوع ولكال الحوضين وذلك باستخدام جهاز قياس األوكسجين) حداث الصدمةأساعة بعد 25لمدة )EXTECH; model 407510 (االختبارية باستخدام اوراق حواضقياس تركيز االحياء المجهرية في االو

النوعي الستهالك االحياء المجهرية يحتسب المعدل ].12[المصدر وحسب )Ashless(رمادالعديمة بقايايح شتر:كما يلي) SOUR(لالوكسجين

c.لعينات بلوغ حالة الصدمةقبل وبعد )مرة100(التقاط صور مجهرية بقوة تكبير تم:اختبار الصور المجهريةلصدمة حيث تم احداث ابدء ساعة بعد ) 2(العينات من الحوضين لمدة بأخذماخوذة من الحوضين وتم االستمرار

وفحصت مجهريا للتعرف على (Gram stain)في كل مرة تحضير أغشية من المسحات صبغت بصبغة كرام ].13[ا أشكال الخاليا البكتيرية ثم صورت فوتوغرافي

المناقشة واالستنتاجات:في التنبؤ عن الصدمةSOURدور حساب معدل : أوال

لمهمة التي يمكن من خاللها التعرف على حيوية الكتلة الحيـة ونشـاطها داخـل يعد هذا االختبار من االختبارات اوفـي . ]12[ويمكن من خالل هذا االختبار االستدالل على تغير الظروف التشغيلية في هـذه األحـواض . أحواض التهوية

للنماذج المأخوذة مـن ) SOUR(الظروف الطبيعية لعمل حوض التهوية بأسلوب المزج التام تتساوى تقريبا قيم هذا المعامل حوض التهوية بثبوت الظروف التشغيلية لهذا الحوض، بعبارة أخرى تكون العالقة المرسومة لهذا العامل مع الزمن خطيـة

، ومن هنا فانه يمكن التنبؤ بوقت حدوث صدمة سمية ألحواض التهوية التـي )الميل يساوي صفر تقريبا(من الدرجة صفر .]14[ب وذلك من خالل مالحظة التغير في ميل العالقة التي تربط هذا العامل بالزمنتعمل بهذا األسلو

). الحوض األول(مع الزمن وذلك عند إحداث صدمة عضوية باستخدام مادة الفينولSOURيبين عالقة ) 2(الشكلوذلك النتظام الظروف ) لالفينووصولوقت (مع الزمن قبل الساعة صفرSOURيالحظ من العالقة المرسومة تساوي قيم

في حين ازدادت قيم هذا المعامل تدريجيا بعد الصدمة لتصل إلى أعلى قيمة لها بعد ساعتين من ،التشغيلية لهذا الحوضحيث استفادت ) الفينول(يعود إلى الطبيعة العضوية للمادة المضافة )SOUR(ان السبب وراء زيادة قيم . الزمن صفر

الوحدةمقدارالالخاصية

5hourالهيدروليكيزمن المكوث

F/M(0.4 ± 0.11/day(نسبة الغذاء إلى األحياء المجهرية

Cθ(8day(معدل عمر األحياء المجهرية

2500mg/l-1500معدل تركيز األحياء المجهرية


31

لمواد العضوية كغذاء لها مما أدى إلى هذه الزيادة في قيم هذا العامل وذلك على الرغم من حدوث األحياء المجهرية من الكفلذلها ، اماسيكنأي ان األحياء المجهرية اعتبرت الفينول غذاءا ولم . ]SVI] (15(الصدمة بدليل االرتفاع الواضح لقيم .ازداد نشاطها ولم يكن مثبطا لنموها

التنبؤ المبكر بحدوث هذه الصدمة فانه يمكن االستدالل عليها من خالل تغير الميل في العالقة التي تربط وفيما يتعلق بمع الزمن من الساعة صفر وحتى الساعة الثانية من وقت حدوث الصدمة، وعلى الرغم من ارتفاع قيم ) SOUR(قيم

)SVI (لحدوث هذه الصدمة بسبب اقتراب هذه القيمفي هذا الوقت اال ان هذا االختبار لم يعطي إنذارا قطعيا)SVI ( منتجدر اإلشارة إلى إن التحسس بوجود صدمة . ساعة) 2-0(المحددات الطبيعية لعمل أحواض التهوية ضمن هذه الفترة

الى ساعات SVIـبينما تأخر تأثر ال. المادة الصادمةوصولبعد كان مبكرا ولفترة وجيزة جداSOURعضوية بفحص . د حصول الصدمةبع

:صدمة السيانايدالسيانايد مركب (تم اختيار مادة السيانايد كمادة سمية ومثبطة للنشاط البكتيري، ) طةمثب(لتحقيق صدمة سمية فعلية

األوكسجين، وقد أدى ذلك الى تراجع آني في استهالك )ويظهر مع العديد من المطروحات الصناعيةغير عضويسام جدامع الزمن قبل حدوث الصدمة ) SOUR(يالحظ ثبوت قيم . )3(ل على حصول صدمة حادة وكما مبين في الشكلمما يد

) 3(بينه الشكل يومن ثم بدأ التراجع في نشاط األحياء المجهرية بشكل ملحوظ وكما ) وقت إضافة السيانيد(وبعد الساعة صفرتثبيط عمل األحياء المجهرية في عملية أكسدة المركبات العضويةوذلك بسبب التأثير السمي لمركب السيانايد الذي أدى إلى

دخول مركب السيانايد منآنيا بعد) SOUR(اي انه بعبارة أخرى يمكن التنبؤ بحدوث هذه الصدمة بمراقبة قيم . ]11[.المسبب لهذه الصدمة الى حوض التهوية

.ن عند إحداث صدمة عضوية باستخدام الفينولمع الزم) SVI(و) SOUR(تغاير : )2(الشكل

وذلك بسبب تراجع خصائص الترسيب بعدد الصدمة بمركب السيانيد SVIوقد تعذرت مراقبة مؤشر الحمأة الحجمي كما موضح في الفقرة (pin flocوي صبشكل ملحوظ وتحول حالة اللبادات البايولوجية الى النمو المشتت او التجمع الع

. SVIـفي فحص الsludge Blanketبطانية الحمأة وغياب)ثانيا


32

.عضوية باستخدام مركب السيانيدمع الزمن عند إحداث صدمة ال) SOUR(تغاير :)3(الشكل

:المبكر بحدوث الصدمات السميةدور الصور المجهرية للحمأة المنشطة في التنبؤ: ثانياحوض التهوية من بيئة متناسقة من األحياء المجرية، حيث تشكل البكتريا فيها النسبة تتكون الكتلة الحية الموجودة في

(higher organisms(في حين تمثل النسبة المتبقية أحياء مجهرية راقية %) 95(األكبر (protozoa, rotifers,….(ظروف التشغيلية لحوض التهوية طبيعية ام ة المنشطة يمكن معرفة فيما اذا كانت الأومن خالل المعاينة المجهرية للحم. ]16[

):4الشكل ( المكونة للحماة المنشطة عند المعاينة المجهرية بإحدى األشكال الثالثة االتية) floc(ال، حيث تظهر اللبادة ) filamentous bulky(عائمة خيطية ·

)nonbulky(غير عائمة متكتلة او ·

) pinpoint(او عصوية مشتته ·يسود عند المعاينة المجهرية للعينات الماخوذة من حوض تهوية يعمل في ظروف ) غير عائمة(اني للبادة ان الشكل الث

عند الظروف التشغيلية غير الطبيعية ) مشتتة(او الثالث ) عائمة خيطية(تشغيلية طبيعية في حين تتخذ اللبادة الشكل األول .]5[لحوض التهوية. ث الصدمة السميةاحدإقبل ) األول والثاني(ت أخذت من األحواض اإلختبارية مجهرية لعيناايبين صور) 5(الشكل

والسبب في ذلك يعود للظروف التشغيلية ) غير عائمة(يتبين من هذه الصور المجهرية ان شكل اللبادة كان من النوع الثاني.الطبيعية التي كان يعمل بها كال الحوضين قبل إحداث الصدمة السمية

صورا مجهرية لعينات أخذت من الحوض األول بعد إحداث الصدمة العضوية باستخدام الفينول )6(الشكل بينما يبينfilamentous(حياء المجهرية لالالخيطي الشكليالحظ بوضوح . ساعة من وقت حدوث الصدمة2، 0.5،1بعد مرور

organisms (األول عائمة خيطية في هذه الصور المجهرية أي إن شكل اللبادة كان من النوع)filamentous bulking(،والسبب في ذلك يعود الى الطبيعة العضوية لمادة الفينول والتي أدت إلى حدوث زيادة في نسبة الغذاء إلى األحياء المجهرية

)F/M .(زيادة نسبة أنمعلوم من الو)F/M (تام يمكن في أحواض المعالجة التي تعمل بنظام الحماة المنشطة ذات المزج الولذلك فان استخدام اختبار .]9[ؤدي الى ظهور األحياء المجهرية الخيطية في لبادة الحماة المنشطة لتلك األحواض تان

من خالل تغير ) او اقلساعة0.5(في زمن قياسي ) صدمة الفينول(الصور المجهرية يتيح التنبؤ المبكر للصدمات العضوية .ظهور األحياء المجهرية الخيطية والتي تمتد بشكل واضح خارج حدود تلك اللباداتشكل لبادات األحياء المجهرية و


33

خذت من الحوض الثاني بعد إحداث الصدمة الالعضوية باستخدام يبين صورا مجهرية لعينات أف) 7(الشكل أما في لبادات الحمأة يالحظ بوضوح حدوث حالة تشتت. ساعة من وقت حدوث الصدمة)2، 0.5،1(السيانايد بعد مرور

ان سبب هذا ). pinpoint(مشتته عصوية ، إلى )nonbulky(المنشطة وتحول شكلها من الشكل الطبيعي غير عائمة التحول في شكل لبادات الحماة المنشطة يعود الى التاثير السمي لمركب السيانيد الذي أدى الى تثبيط عمل األحياء المجهرية

]17[ .بشكل واضح ) صدمة السيانيد(بار الصور المجهرية يتيح التنبؤ المبكر للصدمات الالعضوية يتضح ان استخدام اخت

تقريبا من زمن دخول المادة السمية الى مياه الفضالت وذلك من خالل تغير شكل لبادات االحياء ) ساعة1(بعد مرور ) .pinpoint(المجهرية وتحولها الى الشكل المشتت

B A) 100X(يبين صورة مجهرية لعينات اخذت من حوضي التهوية قبل الصدمة بقوة تكبير ): 5(الشكل

)A ، الحوض االولBالحوض الثاني(.

].5[شكل تخطيطي للبادة الحمأة المنشطة تحت المجهر): 4(الشكل


34

: االستنتاجاتارتفاع استهالك االوكسجين الفجائي يعني حدوث صدمة عضوية في حوض التهوية ، بينما انخفاضه بشكل حاد -1

. الى حوض التهوية) تكون العضويةقد(بوقت قصير يعني دخول مادة سامة تتسبب الصدمة العضوية بالنمو الخيطي للحمأة ، بينما تسبب الصدمة الالعضوية نموا مشتتا للحمأة في حوض

: التوصيات تحري امكانية االستفادة من نتائج الدراسة في تشغيل المحطات المحلية وتجهيز هذه المحطات بالمعدات الالزمة -1

حوص المستخدمة في الكشف عن الصدمات قبل ظهور نتائجها السلبية على الوحدة البايولوجية بشكل العتماد الف.خاص وعلى المحطة بشكل عام

اجراء المزيد من الدراسات حول الموضوع ، وخصوصا تأثير درجة الحرارة على مدى مقاومة الحمأة المنشطة -2. ةوكذلك نسبة ترجيع الحمأة الى حوض التهوي. للصدمات

. التهوية وكذلك ظهور اللبادات العصوية المشتتة -2

: المصادر 1- Paul, N.C. (1995). Handbook of water and wastewater treatment technology. Marcel

Dekker, Inc.2- Davies, P.S; Murdoch, F. (2001) " The Increasing importance of assessing toxicity in

determining sludge health and management policy " paper presented in BHr GroapSeminar on (sludge management), Cranfield U.S.A.

من الحوض األول عند إحداث صدمة الفينول لعينات أخذت) 100X(صورة مجهرية بقوة تكبير): 6(الشكل

من الصدمةساعة2بعد من الصدمةساعة1بعد من الصدمةساعة0.5بعد

من الصدمةساعة2بعد من الصدمةساعة1بعد من الصدمةساعة0.5بعد

لعينات أخذت من الحوض الثاني عند إحداث صدمة السيانايد ) 100X(صورة مجهرية بقوة تكبير): 7(الشكل


35

3- Gerardi, M.H. (2002) “Settlebiliy problems and loss of solids in the activated sludgeprocess”, John Wiley & sons, Canada.

4- Govoreanu, R.; Vandegehuchte, k; Saveyn, H; Nopens, I; Clercq , B; Meeren, P. V;Vanrolleghem, P. A; (2002) " An Automated Image Analysis System for On – Linestructural characterization of the Activated Sludge Flocs" Med. Fac. Landbouww.University Gent, 76/4, pp 175-178.

5- Costa, J.C.; Abreu, A.A.; Ferreira, E.C.; Alves, M.M.; (2007) " QuantitativeImage Analysis as a Diagnostic Tool for Monitoring Structural Changes of AnaerobicGranular Sludge During Detergent Shock Loads " Biotechnology and Bioengineering,Vol. 98, No. 1, pp 60-68.

6- Durso, A.D, Gapes, D; and Bravi, M,; 2008) " Performance of a fungal based SBR underpH extreme and shock phenolic exposure " Water Science & Technology , 58.4, pp 925-930.

7- Jenkins, Davis , Richard. M. G. and Daigger, G.T. (1993). " Manual on the Causes andControl of Activated sludge Bulking and Foaming" 2nd edition , Boca Rotan, Florida:Lewis Publishers.

8- Ramalho ,R.S. (1979). “Introduction to Wastewater Treatment Processes”. AcademicPress Inc. Canada.

9- Eckenfelder, W.W. (2000) "Industrial water pollution control", McGraw-Hill, New York,third edition.

10- Metcalf &Eddy (1979). “Wastewater Engineering, Treatment, Disposal and Re-use.”Revised by Tchobanoglous and F.L Burton, McGraw Hill,Inc. New York .USA.

كلية الهندسة المدنية، " المعالجة البايولوجية للمطروحات النفطية السائلة). "2001(العبيدي ، رياض محمود -11.جامعة الموصل ، اطروحة ماجستير

12- APHA, AWWA, WEF. (2005). “Standard Methods for the Examination of water andwastewater”, 21st ed. Washington, D.C., USA.

13- Koneman, E.W.; Allen, S.D.; Janda, .WM.; Screchenberger, D.C. & Winn, W.C. (1997)"Color atlas and textbook of diagnostic microbiology", 5thed., Lippincott-RavenPublishers, Philadelphia, USA.

14- Von Sperling,M. (1994)."Solids Management for the Control of Extended AerationSystems". Water SA. Vol.20, No.1.

15- Reitano , A.J. (1982). "Start up and operation of a refinery activated sludge plant".Proceeding of the 36th industrial wastewater conference, Purdue University, Ann ArborScience Publishers. Paul, N.C. (1995). Handbook of water and wastewater treatmenttechnology. Marcel Dekker, Inc.

16- Noah, M. (2003) "Explaining the activated sludge process", National Small FlowsClearinghouse-West Virginia University, Vol. 14, No. 2, pp. 293-304.

17- Kerri, K.D.(2001).Operation of wastewater treatment plants. Vol. II, 5th ed., office ofwater programs, California state university, Sacramento, USA.

جامعة الموصل–راء البحث في كلیة الھندسة تم اج


36

استخدام طريقة السمبلكس لتحقيق اقل كلفة انتاج في معمل النجف لاللبسة الرجالية

ناظم ابراهيم الصفار

مدرس مساعدجامعة الموصل- كلیة الھندسة / قسم الھندسة المدنیة

الخالصةيب بحوث العمليات ، هـذا كان القدر حتميا ان يجعل من نشوب الحرب العالمية الثانية هو مدخل اجبارى لتطوير واسال

" هى صفحات خصبة لتطوير وحل معظم الغازة على ايدى العلماء االنكليـز ) العمليات(العلم الذى كانت ساحات القتال ]1[ .

من اهم االساليب في بحوث العمليات في معالجـة بعـض Linear Programmingتعتبر البرمجة الخطية دارية ، الصناعية ، الخدمية واالقتصادية التي تواجهها االدارة من حيـث كيفيـة المشاكل سواءا فى بعض المشاريع اال

تخصيص الموارد من ايدى عاملة ، مواد اولية ، آليات ، ورؤؤس اموال الستخدامها بافضل طريقة اقتصـادية ممكنـة الرباح الى حدها االعظم او من اجل زيادة اMininmization سوءا من اجل تقليل الكلف االنتاجية الى حدها االصغر

Maximization وذلك التخاذ القرارات المثالية بحيث يؤمن االستغالل االمثل لهذة الموارد المتاحة.االسلوب الرياضي لطريقة السمبلكس البرمجة الخطية ، ومن ثم استخدامها فـى استعراض يتناول هذا البحث

لبسة الرجالية بصدد تحديد كمية االنتـاج فـى احـدى خطوطـة احدى المؤسسات الصناعية اال وهى معمل النجف لالوفقـا لقيـود االنتـاج المتمثلـة Minimizationاالنتاجية وهو خط الجاكيت فقط وذلك للحصول على اقل كلفة انتاج

.بساعات العمل المتاحة للمراحل االنتاجية وكمية االنتاج من اجل التوافق مع طموحات ادارة المعمل

Using the Simplex Method to Minimize the ProductionCost in Najaf Factory for Men Clothes

Nathem Ibrahem Al-Safar

Assistant LecturerCivil Engineering Department - University of Mosul

Astract Operational Research had its origins during the Second Word War as the result of thecooperation of scientists with senior officers of the Royal Air Force , to look into severalmilitary problems ." In 1947, G . Dantzig developed an efficient method called , the simplex method, which canbe used with the aid of the computer to solve linear programming problems even withthousands of constraints and thousands of variables in order to find their optimal solutions "[2] . This research is aiming to revise comprehensively the procedure of Simplex methodand to use the computer programme WINQSB in order to obtain the optimal decision tominimize the production cost for three different jackets models in Najaf Factory for MenClothes .

Key Word : Linear Programing , Simplex , Minimization , Constrints , Objective Function ,Optimal Sulotion ,Variables , Pivot Operation .

2009/5/5قبل في 2008/10/15أستلم في

استخدام طریقة السمبلكس لتحقیق اقل كلفة انتاج في معمل النجف لاللبسة الرجالیة: الصفار

37

Introduction:المقدمــة -1المجاالت المدنية تعتبر بحوث العمليات من العلوم التطبيقية الحديثة التى احرزتتطبيقها نجاحا واسعا فى "

والعسكرية على السواء ، لقد تشكل اول عنصر تنظيمى لبحوث العمليات خالل الحرب العالمية الثانية ، حيث ظهرت العديد من المعضالت التعبوية والسوقية لقوات الحلفاء وكان يصعب الحصول على حلول لتلك المعضالت من قبل جهة

مختلطة تضم عدد ستشاريةاقيادة العامة لقوات الحلفاء تشكيل اول مجموعةمعينة ذات اختصاص واحد ولذلك قررت الوقد اطلق على االساليب الفنية الرياضية . من العلماء االختصاصين للتعاون وتقديم المشورة لقيادة القوات المسلحة

.]Operation Research"]3المتقدمة لتحليل المعضالت العسكرية اسم بحوث العمليات من اهم االساليب فى بحوث العمليات ، حيث تستخدم عادة البرمجة الخطية فى معالجة وتعتبر البرمجة الخطية

بعض المعضالت سواءا االدارية ،الصناعية ، واالقتصادية التى تواجهها االدارة وذلك التخاذ القرارات المثالية المختلفة Constraintsوقيـود Variables) المتمثلة بـالمتغيرات ( مختلفة بصدد توزيع الموارد المتاحة فى حالة وجود بدائل

او باعلى مستوى من Minimizationبالشكل الذى يؤدى الى االستغالل االمثل لهذة الموارد المتاحة سواءا باقل كلفة .Maximizationاالرباح

هتم بتطوير اسـاليب البرمجـة اول من اG.B. Dantzigويعتبر العالم الرياضى االمريكى جورج دانتزك لحل مسائل البرمجة الخطية ، حيث انها تعتبـر طريقـة 1947فى عام Simplexالخطية باستخدام طريقة السمبلكس

.كفوءة جدا فى حل المسائل الصغيرة والكبيرة وخاصة باستعمال الحاسبات االلكترونية ى لطريقة السمبلكس فى حل مسائل البرمجة الخطيـة والـى ويهدف هذا البحث الى القاء الضوء على االسلوب الرياض

او Minimizationمجال استخدامها فى الكثير من المشاريع منها الصناعية والخدمية سوءا من اجل تقليل كلفة انتـاج طريقة وقد تم اختيار معمل النجف كواحد من المشاريع التى يمكن فية استخدام هذة ال. Maximization زيادة االرباح

انتـاج بحيـث يحقـق اقـل كلفـة علـى سـبيل التطبيـق بهدف وضع برنامج خاص للالنتاج فى خط الجاكيت فقطMinimization فى هذا الخط والتى تمثل دالة الهدفObjective Function فى ظل القيـودConstraints مـن

.حات وخطة ادارة المعمل المذكور حيث ساعات العمل بالمراحل االنتاجية وكمية االنتاج لتتماشى مع طمو

Linear Programming ( L.P(البرمجة الخطية-2

:المقدمــة2-1مع كبر حجم المنشآت ، وتعدد اوجة نشاطها ظهر الكثير من المتغيرات والمشاكل ، التى تؤثر فـى امكانيـة

عد على اتخاذ الكثير من القـرارات الحرجـة اتخاذ قرار سليم ، االمر الذى تطلب ضرورة البحث عن اسلوب جديد يسا.التى تواجة االدارة العليا للمنشآت

. وتعتبر البرمجة الخطية احد االساليب العلمية الحديثة لبحوث العمليات التى تساعد على اتخاذ القرار المناسب ، ثم تابع تطورة فـى 1920وقد ساهم كل من االقتصاديين والرياضيين فى تطوير هذا االسلوب الذى بدا ظهورة عام

Simplexحين اكتشـف طريقـة السـمبلكس G.B. Dantzigعلى يدى العالم الرياضى جورج دانتزك 1947عام Method .

:تعريف البرمجة الخطية 2-2تعرف البرمجة الخطية بانها اسلوب رياضى حديث يستخدم كاداة اليجـاد افضـل االسـتخدامات للمـوارد

وتعنى امكانية استخدام االسلوب اليجاد البرامج ) البرمجة ( متاحة لدى المنشأ ، ولهذا االسلوب جانبان هما المحدودة الالمختلفة الستخدام الموارد المحدودة المتاحة لدى المنشأة وبما يتالءم مع القيود المفروضة على هذة الموارد ثم اختيـار

وتعنى ان العالقات بين كافـة المتغيـرات المحـدة للمسـالة ) الخطية(أفضل هذة البرامج التى تحقق هدف المنشأة ، و.] 4[" المبحوثة عالقات خطية

:استخدامات البرمجة الخطية 2-3تستخدم البرمجة الخطية فى أتخاذ القرار المناسب بتخصيص الموارد االقتصادية المحدودة المتاحة لدى المنشأة

مكنة من الكفاءة سواء كان ذلك بتحقيق اقصى ربح ام اقل كلفة ، واليقتصر اسـتخدام بالشكل الذى يحقق اقصى درجة مالبرمجة الخطية على نشاط معين ، بل تستخدم فى كافة االنشطة الصناعية والزراعية والخدمية والعسكرية لعالج العديد

. من المشاكل التى تواجة هذة االنشطة


38

ومـن هـذة الى استخدام البرمجة الخطية فى حل المسـائل المتعلقـة بالتخصـيص هناك العديد من االسباب التى ادت :االسباب

.خطية وجود انواع كثيرة من المسائل ممكن التعبير عنها كنماذج-1.توفر االساليب الكفؤة لحل مسائل البرمجة الخطية -2.توفر العديد من برامج الحاسوب الجاهزة لحل مسائل البرمجة الخطية -3

:الشروط االساسية الستخدام البرمجة الخطية 2-4:يتطلب حل مسائل البرمجة الخطية الى الشروط التالية

السـلع تكون انواع كان( المتاحة الستغالل الموارد واالمكانياتVariables) متغيرات ( توفر عدة بدائل -1.ة غير سالبة ، وامكانية تمثيلها برموز جبري) المؤمل انتاجها

بشـكل ) قليل الكلفةكان يكون تعظيم الربح او( امكانية التعبيرعن هدف المسالة التى تسعى االدارة لتحقيقة -2. Objective Functionصيغة رياضية تسمى دالة الهدف

تكـون كـان ( المتاحة اتالتى تحدد من استخدام الموارد واالمكانيConstriantsامكانية التعبير عن القيود -3Setالخطيـة المتراجحات او من المعـادالت على شكل مجموعة من) ساعات العمل او كميات المواد االولية

Constriants.Linear ويطلق على المسائل التى تتضـمن هـاذين الشـرطين االخيـرين اسـم مسـائل البرمجـة الخطيـة

Programming Problems ( L.P.S ).مـن اى معـادالت (ان تكون العالقات بين المتغيرات فى مجموعة المتراجحات او المتساويات عالقة خطية-4

) .الدرجة االولى .محدودية كمية الموارد واالمكانيات المتاحة التى يمكن استغاللها -5

Formulation of L.P Models:صياغة نماذج البرمجة الخطية2-5:يتضمن انشاء نموذج البرمجة الخطية الخطوات التالية

مسالة قيد البحث ويعبر عنهـا فى، وغالبا ما تكون هو الشى المطلوب تحديدةVariblesتحديد متغيرات المسالة -1.برموز جبرية

البحث والتى يعبر المسالة قيديات فى، وغالبا ما تكون الموارد المتاحة واالمكانConstriantsتحديد قيود المسالة -2.عنها بمتراجحات او متساويات وجميعها تكون خطية

.الكلفة ، وهى المعادلة التى تقيس الربح اوObjective Function تحديد دالة الهدف للمسالة -3

Methods of Solving ( L.P.S: (طرائق حل مسائل البرمجة الخطية 2-6: ة الخطية بعدة طرق منها يتم حل مسائل البرمج

Graphical Methodالطريقة البيانية -1MethodSimplex طريقة السمبلكس -2Dual Methodطريقة النموذج المقابل -3M- Techniqueاسلوب ام الكبيرة -4The Simplex Methodطريقة السمبلكس -3

The Simplex Methodكس طريقة السمبل-3

The Principles of Simplex Method: مبادىء طريقة السمبلكس 3-1، هى اجراء تكرارى لحل مسائل البرمجة الخطية G. B.Dantzagان طريقة السمبلكس ، كما طورها

معادالت وقيود على نحو جملة المصاغة فى شكلها القياسى ، تتطلب هذة الطريقة ، اضافة الى الشكل القياسى ان تكون .]5[ " ، فيمكن عندئذ الحصول منها على حل اساسى نافذ مباشر


39

فى حل مسائل البرمجة الخطية فى حالة Graphical Methodوبالرغم على قدرة وسهولة استخدام الطريقة البيانية ثالثة متغيرات ، ويرجع ذلك الى استحالة الحل وجود ثالثة متغيرات واقل ، اال انها التستخدم فى حالة وجود اكثر من

عند رسم المسالة قيد البحث بيانيا ، ولطالما ان معظم التطبيقات الهندسية والصناعية والعملية بصورة عامة تتضمن عددا كبيرا من المتغيرات ، وتعد طريقة السمبلكس مجدية فى هذا الخصوص لقدرتها على التعامل مع عدد كبير من

.رات والقيود المتغيويتم حل المسالة قيد البحث باستخدام طريقة السمبلكس من خالل عدد من الخطوات المرتبة الهادفة الى

Feasible Regionالمنطقة الحلول الممكنة Corner Point التعرف ايظا مثل الطريقة البيانية على االركان المحددة ل ركن ، واالنتقال من ركن آلخر افضل منة حتى يتم التوصل الى من كObjective Function، وتقييم العائد

.Optimal Solutionالذى يحقق افضل عائد ممكن–او الحل –الركن

:النماذج الرياضية فى البرمجة الخطية لطريقة السمبلكس 3-2:هناك نموذجان رئيسان للبرمجة الخطية وهما

:Canonical Formالنموذج العام 3-2-1او صـيغة ) Maximization(صيغة التعظيم )Objective Function(فى هذا النموذج تأخذ دالة الهدف

اكبر مـن او (متراجحات المفروضة على المسالة على شكل) Constraints(القيود بينما Minimization ) (التصغير ) . ≤, اقل من او يساوى ( او) ≥, يساوى

:هى كما يلى Minimizationيغة النموذج العام للبرمجة الخطية فى حالة التصغير وبصورة عامة فان صnn: دالة الهدف XCXCXCZMinimize +++= ........2211

:التالية وفقا للقيود b1a11X1 + a12X2 + …………… + a1nXn ≥ a21X1 +

a22X2 + …………… + a2nXn ≥ b2

am1X1 + am2X2 + …………… + amnXn ≥ bm

X1 , X2 , …………….. , Xn ≥ 0

å: اى ان=

=n

jjj XCZMinimize

1

å=

=£n

1jijij m,.......2,1ibXa عنـدما : التاليةوفقا للقيود

n,......2,1j0X j =³ عنـدما

:حيث ان

Z = دالة الهدفObjective Functionn = عدد المتغيرات بالمسالةVariablesm = عدد القيود المفروضة على المسالةConstraints

C1,C2,….Cn =فى دالة الهدفثوابت المتغيراتb1,b2,..…bn = ثوابت معادالت القيودSolution B- Vector

aij = هى المصفوفة ، حيث ان :j =1,2,3,…mi = 1,2,3,…n


40

:Standard Formالنموذج القياسي3-2-2او صـيغة ) Maximization(صـيغة التعظـيم )Objective Function(فى هذا النموذج تاخذ دالة الهـدف

معادالت ، بعـد ان تـم المفروضة على المسالة على شكل) Constraints(القيود بينما Minimization ) (التصغير للقيد االول لكى يصـبح علـى S1ات وذلك باضافة كمية موجبة مثل تحويل المتراجحات فى النموذج العام الى المساو

للقيد االخير، وبذلك يتكون النمـوذج Smواخيراضافة،....... .للقيد الثانى ، وهكذا S 2شكل مساواة وكذلك اضافة :كما يلى Minimizationالقياسى لطريقة السمبلكس فى حل مسائل البرمجة الخطية لحالة التصغير

nn XCXCXCZMinimize +++= ........2211 : دالة الهدف

a11X1 + a12X2 + ……………… + a2nXn+S1 = b1 : وفقا للقيود التالية a21X1 + a22X2 + …………… + a2nXn+S2 = b2

am1X1 + am2X2 + …………… + amnXn+Sm = bm

X1 , X2 , X3 ,…………….. , Xn ≥ 0 S1 , S2 , S3 ,…………….. , Sm ≥ 0

åå: أي ان ==

+=m

ii

n

jjj SXCZMinimize

11

0

å: ود التاليةوفقا للقي=

==+n

1jiijij m,.......2,1ibSXa

، Non-BasicVariablesبالمتغيرات الغير اساسـية او المكملـة )X1,X2,…..,Xn(حيث يطلق االن علىويمكن تمثيـل . Basic-Variablesبالمتغيرات االساسية او الخاملة ) S1,S2,…..,Sm(بينما يطلق على المتغيرات

Initial Simplex Tableauلطريقة السمبلكس ) او المبسط ( االبتدائى هذه البيانات على شكل جدول ويسمى بالجدول :وكما يلي

Initial Simplex Tablea الجدول االبتدائى لطريقة السمبلكس

Non BasicVariables

BasicVariables

X1 X2 X3 ...n S1 S2 S3 ...Sm

SolutionB -

vectorالثابت

ZObjective-

Function

-C1 -C2 -C3 ... Cn 0 0 0 0 0

S1 a11 a12 a13 .. a1n 1 0 0 - b1S2 a21 a22 a33 ...a2n 0 1 0 - b2S3 a31 a32 a33 ...a1n 0 0 1 - b3

0

Sm am1 am2 am3 ...amn 0 0 0 1 bm


41

يكتب فى صـف دالـة :اعالة كما يلى االبتدائى وتكتب بيانات المسالة المبحوثة فى جدول طريقة السمبلكس –يكتب معاملة X1، تحت كل متغيرمعاملة ، فمثال تحت Zالهدف C1 وتحت المتغير ،X2 يكتـب معاملـة– C2

a11يكتـب معاملـة X1تحت كل متغير معاملة ، فمثال تحت المتغير S1وهكذا ، وكذلك يكتب فى صف القيد االول الى قيم المتغيـرات االساسـية ، Solution B - Vectorويشير الثابت .وهكذا a12يكتب معاملة X2وتحت المتغير

Smفى القيد االخير للقيد Xnالى معامل amnبينما يشير .وهكذا S1=b1وبعبارة اخرى S1يشير قيمة b1فمثال .الموجود فية

بعد وضع مسالة البرمجة الخطية على شكل الجدول االبتدائى يبدأ العمل الحسابى فى طريقة السمبلكس ، والتـى هـى .Pivot Operation الذى يطلق علية عملية المحور Matrix Transformationعبارة عن تحويل مصفوفى

:خطوات حل مسائل البرمجة الخطية بطريقةالسمبلكس3- 3:تتلخص خطوات الحل بطريقة السمبلكس بما يلي

Constraints والقيـود Objective Functionصياغة المسالة قيد البحث رياضيا وذلك بتكوين دالة الهـدف -1Canonicalلتاخذ شكل النموذج العام للبرمجة الخطية Form.

هـو ان ايـة مسـالة Minimizationعن حالة التقليل Maximizationان الفرق بين حالة التعظيم حيث للعلم، -x1ضرب دالة الهدفمن خالل ) التصغير ( تعظيم يمكن تحويلها الى حالة التقليل

.Minimize ( Z ) = Maximize ( - Z ):اى ان Basic variables القيود الى معادالت جبرية وذلك باضافة لها متغيرات اساسية ) متراجحات(ات تحويل متباين-2

.Slack variablesاو ما تسمى بالمتغيرات المكملة يساوي المعامل الحسابي لكل منها بعد وضعO.Fاضافة المتغيرات االساسية او الخاملة هذه الى دالة الهدف-3

السـمبلكس المسالة شـكل النمـوذج القياسـى لطريقـة ، وبذلك تاخذ-x1دالة الهدف ثم ضرب صفرا ومنStandard Form.

. يتضمن البيانات اعالة Simplex Tableau Initial" االبتدائىجدول السمبلكس "انشاء -4:وفقا للخطوات التالية Pivot Operationاجراء عملية المحور -5

عنصـر على اكبـر وهو العمود الذي يحتوى: Pivotal Column) المتغير الداخل( تحديد العمود المحوري -أ.ازاء المتغير الغير اساسى، والذى يسمى هذا االخير بالمتغير الداخل موجب في دالة الهدف ،

قيمـة أي ) موجبـة (ناتج قسمة وهو العنصر الذي يعطي اقل : Pivotal Elementتحديد العنصر المحوري -ب. على العنصرالذى يقع في العمود المحوري ازاه ) VectororSolution(ثابت اى معادلة

المحوري وهو الصف الذي يحتوي على العنصر: Pivotal Row) المتغير الخارج(تحديد الصف المحوري -ج.ير بالمتغيرالخارج ، والذى يسمى هذا االخ، ازاء المتغير االساسى

والتي يحصل عليهـا مـن First Basic Pivotal Equationالمحورية االساسية االولى ) الصف(تكوين المعادلة -دPivotal على قيمـة العنصـر المحـوري نفسـه Pivotal Rowقسمة كل عنصر من عناصر الصف المحوري

Element.( معامـل وفقا للمعادلة المحورية االساسية االولى من عكس اشـارة تكوين بقية معادالت القيود ودالة الهدف-ل

Coefficient ثم الضـرب دالة الهدف تلك المعادلة ودالة الهدف، ) وهو العنصر الذي يقع تحت العمود المحورى:ان المراد تكوينها أيالمعادلةفي المعادلة المحورية االساسية االولية ومن ثم الجمع مع تلك

- Coefficient [First Basic Pivotal Equation] + [Equation to be changed ]

- First Basic Solution Tableauبعد اجراء العملية المحورية" جدول السمبلكس للحل االساسى االول"انشاء -6. (

في حالة ) Cj > 0(الصفر دالة الهدف اكبر من يتحقق الحل االمثل للمسالة المبحوثة عندما تصبح جميع عناصر -7أي جميع عناصر دالة الهدف ذات قيم موجبة او صفرية ، او عندما تصبح جميع Maximizationالتنظيم التعظيم

أي جميع عناصر دالـة الهـدف ذات قـيم Minimizationفي حالة التصغير )Cj < 0(دالة الهدف اصغر من الصفر لحل االمثل لدالـة الهـدف ، او اثانية او ثالثة والى ان يتم تحقيق) 5(في حالة تعذر ذلك تعاد الخطوة رقم اما. سالبة


42

بصيغة اخرى يستمر الحل بايجاد الحلول الممكنة االساسية والى ان يحصل على حل ممكن اساسـى اليمكـن تطـويرة

.Optimal Solutionفيصبح هذا هو الحل االمثل :لحاسوب فى حل مسائل البرمجة الخطية استخدام ا-4

، وقد نجحـت 1952لقد ظهرت الحاجة الستخدام الحاسوب في حل مسائل البرامج الخطية بصورة عامة عام ، وبعد هـذا التـاريخ طـورت 1957اول محاولة لحل مسائل البرمجة بطريقة السمبلكس باستخدام الحاسوب في عام

بسرعة كبيرة ،وقد اصبحت استخدامات البرمجة الخطية في الوقت الحاضر تشـمل سائل البرمجة الخطية ل ماساليب حمعظم ميادين الحياة العملية ، حيث استخدمت في معالجة المسائل الكبيرة في المشاريع الضخمة كاالعمـال االنشـائية،

البتروكيمياويـات ، المشروعات الصناعية ، اعمال الصيانة الضخمة في حقول البترول ، برامج الفضـاء ، صـناعة Constraintsوالقيـود Variablesالمتغيـرات وغيرها بحيث اصبحت فيها نماذج البرمجة الخطية فيها تحتوى مئات

والتي اليمكن حلها بالطرق الحسابية اليدوية ، لذا اصبح استخدام الحاسوب فى هذا المجال ذات مسالة ضرورية ، وقـد طبيق مسائل البرمجة الخطية بشكل اوسع ، ومن البديهي انه باستخدام الحاسـوب تم استخدام الحاسوب لتطوير حل وت

فان الوقت المطلوب للعمليات الحسابية اصبح اقل بكثير عن الوقت المطلوب النجاز العمليات الحسابية بالطرق اليدوية ، اك العديد مـن بـرامج الحاسـوب اعتمادا على كفاءة برنامج الحاسوب المستخدم ، في الوقت الحاضر نجد ان هنوذلك

منها البرنامج الذى تم استخدامة فى التوصل الـى نتـائج هـذا , الجاهزة التى تستخدم فى حل مسائل البرمجة الخطية :البحث وهو

Linear and Integer Programming/Win QsB Version1.00 for Windows

والزمن المستغرق فـي وعموما تقاس عادة كفاءة أي برنامج حاسوب يستخدم في البرمجة الخطية من خالل دقة النتائجوان كل برنامج مـن هـذة . رنامج أكفى وكلما كان زمن تنفيذ البرامج قصيرا كلما اعتبر الب. الوصول الى هذه النتائج

البرامج المستخدمة في حل مسائل البرمجة الخطية له مزاياه الخاصة ، ويتوقف تفضيل برنامج على اخـر علـى عـدة التكلفة ، المرونة واالستخدام ، الدقة، ، سرعة ادخال البيانات ، والوصول الى الحل والوقت الالزم للتنفيذ : عوامل منها

.

لتقليل كلفةاالنتاج بمعمل النجف لاللبسةالرجالية تخدام طريقة السمبلكساس-5

:نبذة مختصرة عن المعمل5-1تأسس المعمل في البداية كمنشاة ذات كيان اداري مستقل تحت اسم المنشاة العامة لاللبسة الرجالية في النجـف

ة العامة للخياطة في بغداد واعتبر بذلك معمـال تابعـا لهـذه تم ربطها بالمؤسسة ومن ثم دمجها بالمنشا2/2/1985في ان الهدف من تاسيس المعمل هو انتاج االلبسة الرجالية المختلفة وهي السراويل ، والجاكيتـات ، والبـدالت . المنشاة

1/4/1986جرى االنتاج التجريبي في المعمل اعتبـارا مـن .الكاملة ، والمعاطف ، والسفاري ، والقماصل والى ذلك .بعد ان تم تشغيل خط السروال والقمصلة ثم تلى ذلك خط الجاكيت

ان المعمل يقسم الى عدد من الدوائر والشعب ومن اهم تلك الدوائر والشعب فيه هي الدائرة الفنية التـى تتـالف هـذة :مماياتى

المجهزين بشأن توريد وهي الشعبة المسؤولة عن دراسة العروض المقدمة ومفاتحة : الشعبة الفنية -1.المواد المطلوبة وقطع الغيار الى المعمل

وهي المسؤولة عن كافة االعمال الهندسـية فـي المعمـل ويـتم انجـاز اعمالهـا مـن خـالل : رئاسة الهندسة -2.والورشة العامةالخدمات الهندسية المدنية الكهرباء ،: اربعة شعب رئيسية وهي

وهي الدائرة المسؤولة عن كافة العمليات االنتاجية ولكافة انواع المنتجات : دائرة االنتاج -3:وتتركز فعاليات ونشاطات هذه الدوائر على عدد من االقسام وكما يلي

التي يتطلب ةلأللبس)Models(القسم المسؤول عن اعداد كافة التصاميم والنماذج وهو : قسم التصميم -أ.االمر تهيئتها للعمليات االنتاجية

المعدة في قسم وهو القسم المسؤول عن اعداد اوامر العمل الخاصة لتنفيذ التصاميم: قسم التحضيرات -ب.التصاميم

االقسام السابقة وهو القسم المسؤول عن خياطة كافة البدالت التي تهيأت مستلزماتها فى: قسم الخياطة -جخط المعطف ،خط الجاكيت ، خط: والذي يتضمن اربعة خطوط انتاجية رئيسية وهى

. السراويل ، خط السفاريالخياطة المختلفة وهو القسم المسؤول عن تهيئة االيدي الماهرة المطلوبة لتأدية عمليات: مركز التدريب -د

.في الخطوط االنتاجية المذكورة اعاله


43

.وهو القسم المسؤول عن عمليات التجهيز النهائي لالنتاج : قسم التجهيز -ه المسؤول عن معالجة العطالت والتوقفات في المكائن والمعدات التي تؤلف وهو القسم:قسم الصيانة -و

.الخطوط االنتاجيةوهو القسم المسؤول عن كافة النشاطات المتعلقة بالفحص ومراقبة جودة : قسم السيطرة النوعية -ز

. االنتاج

:مشكلة تقليل كلفة االنتاج فى خط الجاكيت بالمعمل بيانات5-2

:نوع وكمية االنتاج لخط الجاكيت : 5-2-1ضمن اطار خطط االنتاج السنوية المقررة لها من االدارة العليا ومن دراسة السوق للطلب السنوى لالنتاج فان

لك بين فترة واخرى مختلف المـوديالت مـن المعمل يطرح الى االسواق المحلية والجمعيات وباسعار مدعومة للمستهالجاكيتات الرجالية ، وقد تم اختيار ثالثة نماذج من هذة الموديالت مع كمية االنتاج المحددة فيهـا اسـبوعيا لغـرض دراستها بهدف تحديد نوعية وكمية االنتاج فيها لتقليل كلفة االنتاج فى خط الجاكيت فقط بحيث تحقق االستغالل االمثـل

:كانيات المتاحة بمراحلها االنتاجية وهى كما يلى لالم

موديل الجاكيتات وكمية انتاجها االسبوعى المحددة يوضح ) 1(جدول رقم

)عدد(كمية االنتاج االسبوعية المتاحة موديل الجاكيت

A250B225C220

:وديل جاكيت حساب االوقات النتاج كل م: 5-2-2بالمعمـل حيث بموجب العمليات والنشاطات المطلوبة في قسم التحضيرات وقسم التصـميم وقسـم الخياطـة

( كون الوقت الالزم النتاج كل وحدة من موديل الجاكيتات الثالثـة والجداول والبيانات التى حصل عليها من المعمل يA ،B ،C ( وكذلك ان ساعات العمل المتاحة اسبوعيا لكل مرحلة انتاجية هى عبر المراحل االنتاجية المطلوبة لها ،

:واضحة بالجدول ادناة

فى المراحل االنتاجيةوساعات العمل المحددة يوضح االوقات الالزمة النتاج كل موديل جاكيت) 2(جدول رقم

) ساعة(الوقت الالزم لالنتاج)المنتوج ( موديل الجاكيت المراحل االنتاجية CBA

)التحضير ( المرحلة االنتاجية االولى 51.71.51 .1

)التفصيل ( المرحلة االنتاجية الثانية 1.441.481.46

)الخياطة ( المرحلة االنتاجية الثالثة 1.831.491.18

المتاحة اسبوعيا ساعات العمل 520050005400

:حساب الكلفة االنتاجية النتاج كل موديل جاكيت : 5-2-3تم حساب كلفة الوحدة الواحدة من انتاج كل موديل من الموديالت الثالثة من خالل االخذ بنظر االعتبار كافـة

:الكلف المرتبطة بذلك والتي تشمل على ما يليوتشمل هذه كلفة االقمشة ، ( كادر الفني وكلفة المواد االولية وتشمل هذه اجور ال: الكلف المباشرة-1

) الخيوط واالزرار وكافة المواد االخرى الداخلة بانتاج كل من وحدة من هذه الوحدات.في المعمل


44

، والصيانة للمكائن والمعدات ، واالندثارات ، وتشمل هذه اجور الكادر االدارى : الكلف الغير مباشرة-2. ، السالمة المهنية، الخ) الخ....ماء ، كهرباء ، هاتف ، (اجور الخدمات

:ادناه ) 3(عدا االرباح هي واضحة في الجدول رقم ) المباشرة والغير مباشرة (وقد كانت مجموع هذه الكلف االنتاجية

يوضح الكلفة الكلية النتاج كل موديل جاكيت) 3(جدول رقم

للوحدة الواحدةالكلفة االنتاجية)المنتوج ( نوع الجاكيت )دينار (

A8000B10000C12000

:ت بالمعمل بيانيا اعداد مشكلة تقليل كلفة االنتاج فى خط الجاكي5-4) 3(و )2(، ) 1(م عند تجميع البيانات المتعلقة بانتاج الموديالت الثالثة من الجاكيت ، والموضحة فى الجداول رق

: فتظهر بيانيا مسالة كما يلى

يوضح البيانات المتوفرة لمسالة تقليل كلفة االنتاج فى خط الجاكيت بالمعمل ) 4(جدول رقم

ساعات مل الع

المتاحة اسبوعيا

الوقت الالزم لالنتاج )الموديل(نوع الجاكيت ) ساعة(

المراحل االنتاجية CBA

)التحضير ( المرحلة االنتاجية االولى 54001.51.71.5

)التفصيل (المرحلة االنتاجية الثانية 50001.51.61.46

)الخياطة ( المرحلة االنتاجية الثالثة 52001.51.751.4

)دينار(الكلفة االنتاجية 12000100008000----

طريقـة خطوات حل مسالة تقليل كلفة االنتاج فى خط الجاكيت بالمعمل باستخدام5-5: السمبلكس

صياغة المسالة قيد البحث رياضيا وذلك بتكوين ودالة الهدف والقيود لتاخذ شكل النموذج العـام للبرمجـة : 5-5-1:وكما يلى ) .4(من البيانات فى جدول وذلك Canonical Form الخطية

3Minimize Z = 8000 X1 + 10000 X2 + 12000 X: دالة الهدف -1

≤ 1.51X1 + 1.7X2 + 1.5X3 5400: قيود ساعات العمل االسبوعية-2 1.46 X1 + 1.48X2 + 1.44X3 ≥ 5000 1.18 X1 + 1.49X2 + 1.83X3 ≥ 5200

X1 ≥ 250 X2 : قيود االنتاج االسبوعى -3 ≥ 225


45

X3 ≥ 220

X1 , X2 , X3 ≥ 0 : قيد عدم السالبية -4

:افتراض ان على

X1 = تمثل عدد الوحدات الواجب انتاجها اسبوعيا من موديل الجاكيت)A. (

X2 = تمثل عدد الوحدات الواجب انتاجها اسبوعيا من موديل الجاكيت)B. (

X3 = تمثل عدد الوحدات الواجب انتاجها اسبوعيا من موديل الجاكيت)C. (

Z = دالة الهدفObjective Function , تحديد اقل كلفة انتاج وهي Minimization.

S(Slack(وذلك باضافة لها متغيرات اساسية او خاملـة القيود الى معادالت) متراجحات(تحويل متباينات : 5-5-2VariablesBasic or ثم اضافة هذة المتغيرات الى دالة الهدف بعد وضع المعامل الحسـابى لمعامالتهـا يسـاوى ،

: سالة شكل النموذج القياسى لطريقة السمبلكس ، وكما يلى صفرا لتاخذ الم

Minimize Z = 8000 X1 +10000 X2 +12000 X3 +0S1 + 0S2 + 0S3

Subject to :

5400 1.51 X1 + 1.7 X2 + 1.5 X3 + S1 =

1.46 X 1 + 1.48 X2 + 1.44 X3 + S2 = 5000

1.18 X1 + 1.49 X2 + 1.83 X3 + S3 = 5200

X1 + S4 = 250

X2 + S5 = 225

X3 + S6 = 220. من المعلومات اعالةلطريقة السمبلكس االبتدائى الجدول انشاء : 5-5-3

خط الجاكيت بالمعمليمثل الجدول االبتدائى لطريقة السمبلكس لمسالة تقليل كلفة االنتاج فى) 5( جدول Initial Simplex Tableau

P.C

S6S5S4S3S2S1X3X2X1الثابتمتغيرات غير

متغيرات اساسية اساسية

000000012000100008000Z

54000000011.51.71.51S1

50000000101.441.481.46S2

52000001001.831.491.18S3

250001000001S4


46

: Pivot Operationاجراء عملية المحور : 5-5-4:وتتم ذلك وفقا للخطوات التالية

عنصـر على اكبـر وهو العمود الذي يحتوى: Pivotal Column) المتغير الداخل( تحديد العمود المحوري -أ، ازاء المتغيـر هو العمود المحورى ) 12000(وبذلك يعتبرالعمودالذى يقع فية العنصر موجب في دالة الهدف ،

X3 والذى يسمى هذا االخير بالمتغير الداخل ،.قيمـة أي ) موجبة(وهو العنصر الذي يعطي اقل ناتج قسمة : Pivotal Elementتحديد العنصر المحوري -ب

وبـذلك يكـون . ري ازاها على العنصرالذى يقع في العمود المحو) VectororSolution(ثابت اى معادلة .هو العنصر المحورى ) 1( العنصر

وهو الصف الـذي يحتـوي علـى العنصـر : Pivotal Row) المتغير الخارج(تحديد الصف المحوري -جالخير هذا ا،والذى يسمى S6ازاء المتغير ) 1(المحوري، وبذلك يعتبر الصف الذى يقع فية العنصر المحورى

.بالمتغيرالخارج قسمة كـل والتي يحصل عليها من First Basic Pivotal Equation تكوين المعادلة المحورية االساسية االولى -د

الجديـدة ، S6معادلـة هذة تعتبرعنصر من عناصر الصف المحوري على قيمة العنصر المحوري نفسه ، والتى:وتكون كما بلى

)220 :1 ،0 ،0 ،0 ،0 ،0 ،1 ،0 ،0(معامـل التكوين بقية معادالت القيود ودالة الهدف وفقا للمعادلة المحورية االساسية االولـى مـن عكـس اشـارة -ل)Coefficientثم الضرب فـي المعادلـة الة الهدفودكل معادلة) رى ، وهو العنصر الذي يقع تحت العمود المحو

.المراد تكوينها او دالة الهدفالمعادلةالمحورية االساسية االولية ومن ثم الجمع مع تلك: الجديدة كما يلى Z ويحصل على صف دالة الهدف

-12000 ( 0 , 0 , 1 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 1 : 220 )= ( 0 , 0 , -12000 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , -12000 : -2640000 )+ (8000,10000, 12000 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 : 5400 )

8000 , 10000 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , -12000 : - 2640000

:الجديدة وكما يلى S1وبالطريقة نفسها يحصل على معادلة

- 1.5 ( 0 , 0 , 1 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 1 : 220 )

= ( 0 , 0 , -1.5 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , -1.5 : - 330 ) + ( 1.51 , 1.7 , 1.5 , 1 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 : 5400 )

1.51 , 1.7 , 0 , 1 , 0 , 0 , 0 , 0 , -1.5 : 5070

:الجديدة وكما يلى S2وكذلك يحصل على معادلة

- 1.44 ( 0 , 0 , 1 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 1 : 220 )

= ( 0 , 0 , - 1.44 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , -1.44 : - 316.8 )+ ( 1.46 , 1.48 , 1.44 , 0 , 1 , 0 , 0 , 0 , 0 : 5000 )

225010000010S5

220100000100S6


47

( 1.46 , 1.48 , 0 , 0 , 1 , 0 , 0 , 0 , - 1.44 : 4683.2 )

: الجديدة وكما يلى S3وكذلك يحصل على معادلة

- 183 ( 0 , 0 , 1 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 1 : 220 )

= ( 0 , 0 , - 1.83, 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , - 1.83 : - 402.6 ) + ( 1.18 , 1.49 , 1.83 , 0 , 0 , 1 , 0 , 0 , 0 : 5200 )

1.18 , 1.49 , 0 , 0 , 0 , 1 , 0 , 0 , - 1.83 : 4797.4

S4وبنفس الطريقة يحصل على كل من معادلة , S5 الجديتيبن ، وبتكوين هذة المعادالت الجديدة مـن حيـث دالـة. والقيود فان عملية المحور قد انجزت

Pivot -Operation بعد اجراء عملية المحور" جدول السمبلكس للحل االساسى االول " انشاء :5-5-5:ما يلى

خط الجاكيت بالمعمللمسالة تقليل كلفة االنتاج فىجدول السمبلكس للحل االساسى االوليمثل) 5( جدول Simplex Tableau – Iteration 1

عندما تصـبح Minimizationيتحقق الحل االمثل عموما الية مسالة مى البرمجة الخطية لحالة التصغير : 5-5-6او بصـيغة اخـرى مما يتطلب هذا الى تطوير الحل باسـتمرار )Cj < 0(جميع عناصر دالة الهدف اصغرمن الصفر

Optimal Solutionفيصبح هذا هو الحل االمثل يستمر الحل والى ان يحصل على حل ممكن اساسى اليمكن تطويرة ) 10000، 8000( هنا يالحظ ان دالة الهدف الزالت تحتوى على عنصريين موجبين وهمـا ) 5(، وفى الجدول رقم

الخطوتين السابقتين ثانية او ثالثة فـى بعد اجراء عملية المحور االولى ، وهذا يعنى ضرورة االستمرار بالحل واعادة

.ة والى ان تصبح جميع عناصر دالة الهدف ذات قيم سالبة او صفرية كل مر

برنامج الحاسوب لطريقـة نتائج حل مسالة تقليل كلفة االنتاج فى خط الجاكيت بالمعمل باستخدام-6: Linear and Integer ProgrammingWin QSB / السمبلكس

S6S5S4S3S2S1X3X2X1الثابت

متغيرات غيراساسية

متغيرات اساسية

-2640000

-12000000000100008000Z

507000-1.510011.51.70S1

4683.200-1.460101.441.480S2

4797.40001001.831.491.18S3

250001000001S4

225010000010S5

220100000100S6


48

قيود هيكلية ) 6(و) X1, X2, X3 ( Variablesرات متغي) 3(لكون مسالة البرمجة الخطية هذة تتالف من Constrints وان حل هذة المسالة بالطريقة اليدوية يتطلب بدون شك الى جهد متمز ، مما يجعل هذا الى ضرورة ،

، وذلك من اجل التوصل الى قيمة اقل كلفة انتج لخط Win QSBاستخدام برنامج حاسوب لطريقة السمبلكس مثل فقط وكذلك لتحديد نوعية وكمية االنتاج للمعمل من خالل جهد بسيط ونتائج ادق ، وعموما النتائج التى حصل الجاكيت

:وكما يلى ) 1(عليها من البرنامج هى واضحة فى الشكل رقم

عراقىدينار 830 645 34 = اقل كلفة لالنتاج االسبوعى فى خط الجاكيت فقط بالمعمل عدد وحدةA =970عدد الوحدات الواجب انتاجها اسبوعيا من جاكيت موديل

وحدة B= 1277الوحدات الواجب انتاجها اسبوعيا من جاكيت موديل وحدةC=1176 عدد الوحدات الواجب انتاجها اسبوعيا من جاكيت موديل

خط الجاكيت بالمعملاالنتاج فىمسالة تقليل كلفةيوضح نتائج ) 1(شكل رقم Simplex Tableau – Iteration 9

:ةـــالخاتمتخدام في العديد من مسـائل البرمجـة سهلة االس) Graphical method (بالرغم من كون الطريقة البيانية

الخطية في حالةعدد المتغيرات التزيد عن ثالثة ، اال انها مقصورة االستخدام عندما يزيد عدد المتغيرات عـن ذلـك ، ويرجع السبب فى ذلك الى استحالة الحل عند رسم المسالة المبحوثة بيانيا، وطالما ان معظم التطبيقات العملية لمسـائل

( الخطية تتضمن عددا كبيرا من المتغيرات ، فانة يحتاج الى اسلوب اخر ، لذا قام العالم جـورج دانتـزك البرمجة G.Dantzig ( بتصميم طريقة رياضية تعرف بطريقة السمبلكس ) Simples method ( والتى يتم حل المسائل فيهـا

تالى ليساعد االدارة فى عمليـة اتخـاذ القـرار من خالل خطوات رياضية متكررة للوصول الى الهدف فى المسالة وبال.المناسب بالشكل الذى يؤمن تحقيق االستخدام االمثل للموارد المتاحة

:ويكن تلخيص الخطوات الحسابية لطريقة السمبلكس فى حل مسائل البرمجة الخطية لحالة التصغير كما يلى .للبرمجة الخطية صياغة المسالة المبحوثة رياضيا لتاخذ النموذج العام -1.تحويل المسالة من النموذج العام للبرمجة الخطية الىالنموذج القياسى -2.انشاءالجدول االبتدائى لطريقة السمبلكس -3استخراج الحل االساسى االبتدائى باجراء عملية المحور-4.انشاء الجدول االساسى االول لطريقة السمبلكس -5.هو الحل االمثل ول الى ان يحصل على حل اساسى آخر اليمكن تطويرة فيصبح االخيرتطوير الحل االساسى اال-5


49

وتحتل طريقة السمبلكس في الوقت الحاضر مركزا مرموقا في مجال بحوث العمليات ولها تطبيقاتها الواسـعة ائل البرمجـة الخطيـة في الكثير من المجاالت العلمية والصناعية واالدارية وخاصة بعد استخدام الحاسوب في حل مس

وربما يكون السبب الرئيسي الذي جعل طريقة السـمبلكس او . من االعمدة Nمن الصفوف و Mوالتي تتضمن على البرمجة الخطية بصورة عامة واحد من اهم االساليب الناجحة في بحوث العمليات هو الوقت القصير المستغرق في حل

في الوقت الحاضر هناك الكثير مـن البـرامج الجـاهزة المسـتخدمة لطريقـة اية مسالة باستخدام الحاسوب ، لذا نجد . السمبلكس للحصول على القرار االمثل بصدد توزيع الموارد المتاحة

تم اختيار معمل النجف لاللبسة الرجالية كواحد من المجاالت التى يمكن فيها استخدام البرمجة الخطية بطريقة السمبلكس فة لالنتاج فى خط الجاكيت فقط على وجة التحديد من اجل تحديد نوع وكمية االنتاج فية ، وكانـت بصدد ايجاد اقل كل

فان حلها يتطلب االى Constrintsقيود هيكلية ) 6( و Variablesمتغيرات ) 3(هذة المسالة المبحوثة تتالف من WinQsB جهد كبير بحيث اصبح من الضرورى استخدام برنامج الحاسوب

هى كمـا Pivot Operationلعملية المحورIterationعملية تكرار ) 9( كانت النتائج التى تم التوصل اليها بعد :يلى

عراقىدينار 830 645 34 = اقل كلفة انتاج اسبوعية فى خط الجاكيت بالمعمل عدد وحدةA =970ن جاكيت موديل ماسبوعياعدد الوحدات الواجب انتاجها

وحدة B=1277الوحدات الواجب انتاجها اسبوعيا من جاكيت موديل وحدةC=1176 عدد الوحدات الواجب انتاجها اسبوعيا من جاكيت موديل

وبمعدل انتـاج اسـبوعى يبلـغ ) (A,B,Cوف يقوم بانتاج الثالثة انواع من موديل الجاكيتاتوهذا يعنى ان المعمل سوحدة على التوالى ، مما يودى هذا الى الحصول على اقل كلفة ممكنة لالنتاج االسـبوعى ) 1176و 1277و 970(

.عراقىدينار 830 645 34تبلغ

:المصــــادر " مـدخل الـى بحـوث العمليـات " الزبيـدى ، علـى خليـل ، –الشمرتى ، حامد سعد نور -1. 17ص .2007، الطبعة االولى ، عمان-، دار مجدوالى

2- Winston , wayne l ," Operation Research Application and Algoriths "pws-KENT Publishing Company – Boston , 1987 , P.no.45.،

-، وزارة التعليم العالى والبحـث العلمـى " بحوث العمليات "، عبد ذياب ،جزاع–3.17ص . 1988الطبعة الثانية ، -بغدادجامعة

زارة التعلـيم العـالي ، و"بحوث العمليات لالدارة الهندسية " عادل ، مازن بكر ، –4.17ص. 1986، الجامعة التكنولوجية–العلمي والبحث

، المركز العربى للتعريب والترجمة والتـاليف والنشـر " بحوث العمليات " بقجة جى ، صباح ، –5.33ص . 1998بدمشق ،

6- Moskowitz , Herbert , " Operation Research Techniques forManagement " , PRETICE – HALL , INC , 1979 .



50

تصميم المكبر الليفي المطعم بايونات االربيوم باستخدام واجهة المستخدم الرسومية

العبايجيقفرات يونس عبد الرزا

جامعة الموصل قسم هندسة البرمجياتE-Mail: [email protected]

الخالصةإصدارmatlab ضمن برنامج (GUI)باستخدام واجهة المستخدم الرسوميةآالبحث قدمنا برنامجافي هذ

من (EDFA)حيث يقوم هذا البرنامج بإعطاء المستخدم أمكانية تصميم المكبر الليفي المطعم بايونات االربيوم(6.5).ليتسنى للمستخدم اختيار وتصميم المكبر من ناحية حيث السهولة والمرونة واألشكال التوضيحية واالختيارات الكثيرة

.كسب المكبر وشكل الضوضاء واللذان يعتبران من العناصر المهمة في تصميم أي مكبر

. المكبر الليفي المطعم بايونات االربيوم,واجهة المستخدم الرسومية,(6.5)إصدارmatlab: الكلمات الدالة

Design The Erbium Doped Fiber Amplifier by using Graphic UserInterface(GUI)

Furat.y.Abdul-Razak

Dept.of Software Eng., University of Mosul,IraqE-Mail: [email protected]

AbstractIn this paper we introduction a new design programming to graphic user interface

(GUI) in MATLAB v.6.5. this program gives to the user ability of using it in the design of theErbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) through the easiness, flexibility, and clear figureswith multi options to help the user to choose and design the amplifier through the best gainand noise figure.

Key Word: matlab v.6.5, GUI Programming, Erbium Doped Fiber Amplifier.

2009/4/7قبل في 2008/11/2أستلم في

م المكبر الليفي المطعم بايونات االربيوم باستخدام واجهة المستخدم الرسوميةالعبايجي تصمي

51

:مقدمةال-1كسب منذ أربعة عقود تم اكتشاف أهمية استخدام األيونات األرضية النادرة والتي تمتاز بوسط ذو عامل

Erbium) البحث إذ أن هذه المكبرات الليفية لم تدخل حيز. تخدامها في تكوين مكبر ليفي ضوئي موجب عند اسهي من العناصر المعدنية ( االربيوم أن مادة.والتطوير أال بعد تحقيق اقل فقد في التطعيم الخاص باأللياف الضوئية

هذه (في تطعيم جزء من لب الليف هذه االيونات فعندما تستخدم ). Er+3(األرضية النادرة ورمزها األيوني هو ومع وجود قوة ضخ خارجية فأننا سوف نحصل على مكبر ) يكالاأليونات تطعم مع مادة الليف الضوئي مثل زجاج الس

).”Erbium Doped Fiber Amplifier ”EDFA(ليفي مطعم بأيونات االربيوم.Er3+([1](لضوئي بأيونات االربيوم من الليف اضيقعملية تطعيم جزء ) 1(ويبين الشكل

ولغرض تحقيق إثارة لإللكترونات الواقعة في المدار الخارجي وجعلها تكون في حاالت الطاقـة العاليـة يـتم استخدام مضخ ضوئي خارجي عبر قارن ليفي ، إذ تمر عبر اإلدخال األخر للقارن الليفي األشـعة الضـوئية السـاقطة

.[1,2]المراد تكبيرها ) C(يعمل بكفاءة عالية فقط عند مدى من األطوال الموجية والتي هي حزمة) EDFA(إذ أن مكبر االربيوم

في الوقت الحاضر جاري البحث ,))1570-1610(nmتتراوح مابين )(L(وحزمة )) nm)1530-1565تتراوح مابين ((S(والتطوير حول هذا المكبر لكي يعمل عند حزمة ،والذي فيه يتحقق اقل فقد ))1455-1510(nmتتراوح مابين )

أن الكسب لمكبر االربيوم قد تم إنجازه بواسطة ايونات االربيوم المحفزة عن طريق ظاهرة .[2,3]لليف الضوئيإذا أن هذه الظاهرة تعتمد على حاالت الطاقة , والتي تتم من خالل تحقيق ظاهرة االنقالب التعدادي, االنبعاث المحفز

.ستخدمة في التطعيملاليونات المأن . [3,2,1]من الممكن أن تتعرف على خصائص هذا المكبر وطريقة عمله فهي موضحة في المصادر

الفائدة الكبيرة لهذا المكبر في عالم االتصاالت قادتنا بان تقدم هذا البرنامج ليتسنى للمستخدم سهولة تصميم هذا المكبر .نامج لم يكن معهودا من قبل بهذه الصيغة السهلة والواضحةحيث أن هذا البر.حسب المنظومة الخاصة به

Graphical User Interface(GUI):واجهة المستخدم الرسومية -2حيث يمكن buttons, text fields, sliders هو واجهة المستخدم الرسومية التي تبين خواصه الهيكلية مثل

objectوعليه يجب أن تبرمج كل . (uicontrol objects)ضمن أساليب مختلفة من تنفيذ هذه الواجهة كشكل نوافذ تت.[4]ألداء العمل المقصود عندما تنشط من قبل المستخدم

أن عملية التطبيق لبيئة تطوير واجهة المستخدم الرسومية تتضمن مهمتين أساسيتين هما أوال عرض مكونات . كونات واجهة المستخدم الرسوميةواجهة المستخدم الرسومية وثانيا برمجة م

الذي يعطي سهولة في عرض المكونات بشكل Guideأن تنفيذ واجهة المستخدم الرسومية تتم من خالل استخدام الدليل :[4,5,6]تفاعلي ولتوليد الملفين اآلتين

a- FIG-File : يضم مصطلح شكل واجهة المستخدم الرسومية وكل التفرعاتaxes and uicontrols.Objectباإلضافة إلى قيم خصائص

b -M-File:الذي يضم كل الدوال التي تنطلق وتسيطر على واجهة المستخدم الرسومية واالستدعاء الخلفي.يعرف كدالة ثانوية

:للبدء بعملية تنفيذ واجهة المستخدم الرسومية تتضمن األقسام التاليةM-File&Fig-Fileارات اختيار خيارات تطبيق الدليل لتهيئة كآل من خي·.للبدء بعرض واجهة المستخدم الرسومية(Layout Editor)استعمال محرر التخطيط·.M-Fileلفهم تقنيات البرمجة المستعملة في تطبيق M-Fileفهم تطبيق ·

في لب الليفتطعيم أيونات االربيوم) 1(الشكل


52

.تطبيق التقنيات لرؤية مجموعة األمثلة التي تعرض التقنيات المفيدة لتنفيذ واجهة المستخدم الرسومية·:[4]وهي, مجموعة أدوات التخطيط التي تبسط عملية تكوين واجهة المستخدم الرسوميةMATLABمن الـ يتض

.في شكل النافذةObjectsيضيف ويرتب الـ : محرر التخطيط·.حسب عالقتها مع بعضها البعضObjectsيرتب الـ : (Alignment Tool)ترتيب األداة··Property inspector :يضم قيم الخصائص.. الحاليةmatlabيتصفح اويالحظ القائمة المرتبة من تحميل الرسومات في دورة الـ : Objectsمتصفح الـ ·

:M-file & FIG-fileتكوين -3& M-fileمن خيارات تطبيق الدليل إذا كنت تريد الدليل ينشئ كأل من M-file & FIG-fileاختيار توليد

FIG-file.:M-fileلذي يمكنك أن تختار أيا من العناصر التالية في أطار تشكيل عندما تختار هذا الخيار ا

.توليد نماذج دوال االستدعاء الخلفي·.يسمح بتطبيق حالة واحدة للتنفيذ·.استعمال مخطط لون خلفية النظام·

:الشكل األتي يبين واجهة البرنامج لتصميم واجهة المستخدم الرسومية

التي يوفرها هذا البرنامج حيث بلمسة Guicontrolsعلى اليسار جميع الـ من خالل الشكل أعاله نالحظومن خالل المساعدة .المراد تصميمهاةبسيطة على هذه المكونات وسحبها إلى مساحة التخطيط تستطيع أن تصمم الواجه

.[7]تستطيع أن تستخدم هذه المكونات في تصميم واجهتكmatlabالتي يقدمها الـ

:النتائج والمناقشة-4في تصميم برنامجنا هذا أعطى للمستخدم كافة الخيارات المتاحة في تصميم المكبر الليفي المطعم بايونات

حيث الشكل أدناه يبين واجهة البرنامج المصمم . االربيوم

(GUI) واجھة المستخدم الرسومیة واجھة تصمیم برنامج(2)الشكل


53

فرها هذا البرنامج قد استخدمت لكي تبين إمكانية هذا من خالل الشكل اعاله نالحظ إن جميع المكونات التي و.البرنامج من حيث التصميم

إن الخيارات التي أعطاها هذا التصميم توفر للمستخدم كافة األدوات التي من خاللها يستطيع أن يصمم المكبر هم األدوات في واللذان يعتبران من أ, ( Noise Figure)المراد تصميمه من حيث كسب المكبر وشكل الضوضاء

نالحظ من الشكل اعاله إن جهة اليسار هي قيم اإلدخال التي تساهم في تصميم المكبر الليفي المطعم .تصميم أي مكبرmulti)أو متعدد األنماط(single mode)بايونات االربيوم من حيث نوع الليف المستخدم إن كان أحادي النمط

mode).أيضا ممكن أن تختار طول المكبر(EDFA Length)وقدرة اإلدخــال (Input Power)وقدرةوالطـول ) 980nm ,1480nmهنـاك نوعان همـا (والطول ألموجي للمضخ (Pumping Power)المضخ

والمقطع (absorption cross section) والمقطع العرضي لالمتصاص ألموجـي إلشارة اإلدخال المــراد تكبيرهاممكن أن تعرف الكثير عن هذه [1,2]عن طريق المصادر. Emission cross section)(العرضي لالنبعاث

بعد اختيار قيم اإلدخال أعاله لتصميم المكبر المراد استخدامه تستطيع أن تنفذ البرنامج عن طريق الضغط على .العناصر. (submit and store result)االختيار

لیف أحادي النمط مع الطول ألموجي للمضخ ( واجھة البرنامج بعد التنفیذ(4)الشكل(980nm

(EDFA)واجھة البرنامج لتصمیم المكبر اللیفي المطعم بایونات االربیوم(3) الشكل


54

حيث تبين قيم كل , Results list)(بعد التنفيذ نالحظ النتائج على جهة اليمين من البرنامج في قائمة النتائجقد (Remove)واختيار إزالة(plot)من كسب المكبر وشكل الضوضاء أيضا نالحظ بعد التنفيذ أن االختيار رسم

بالضغط على (أو ممكن رسم النتائج ) بالضغط على االختيار إزالة(تزيل النتائجأصبحا مفعلين بحيث عن طريقهم أما أنالشكل أدناه يبين رسم النتائج حسب القيم التي استخدمت في االدخاالت الموجودة على البرنامج ).االختيار رسم

أحادي النمط مع الطول (واجھة البرنامج بعد التنفیذ (8) الشكل1480nm)ألموجي للمضخ

(1480nm)متعدد األنماط مع الطول ألموجي للمضخ (واجھة البرنامج بعد التنفیذ(7)الشكل


55

. برنامج في عملية تصميم المكبرأيضا ممكن أن نبين أدناه مثال أخر على أمكانية هذا النفس قيم (الشكل أدناه يبين رسم النتائج حسب القيم التي استخدمت في االدخاالت الموجودة على البرنامج أعاله

). 1480nmإلى 980nmاالدخاالت مع التغير في الطول ألموجي للمضخ من

النتائج مع بعضها ليتسنى للمصمم أن يجري عملية مقارنة بين نتائجه حتى يعطي هذا البرنامج أيضا إمكانية أظهار . واألشكال أدناه تبين هذه اإلمكانية. يستطيع أن يختار أفضل تصميم للمكبر من حيث كسب المكبر وشكل الضوضاء

تهاء من حيث بعد االن, من خالل النظر لواجهة البرنامج نالحظ أن هناك أمكانية أخرى يوفرها للمستخدمأو طلب المساعدة أما عن طريق االنترنيت أو مساعدة الـ ) Closeعن طريق االختيار (التصميم يمكن غلق البرنامج

Matlab)عن طريق االختيارHelp .(

مقابل شكل الضوضاء مع التغیر في قدرة أشارة اإلدخال كسب المكبر(6)الشكل(980nm))الیمین اللیف أحادي النمط والیسار متعدد األنماط عند (

كسب المكبر مقابل شكل الضوضاء مع التغیر في قدرة أشارة اإلدخال (9) الشكل (1480nm))الیمین اللیف أحادي النمط والیسار متعدد األنماط عند(


56

مستخدم مرونة في عملية أن الخيارات المتعددة التي يوفرها برنامج واجهة المستخدم الرسومية تعطي للحيث يوفر أمكانية عرض جميع عمليات التنفيذ بحيث تكون قيم كل من , التصميم للمكبر الليفي المطعم بايونات االربيوم

بحيث يمكن أن تختار أيا من هذه النتائج لرسم .كسب المكبر وشكل الضوضاء موجودة أمامك في قائمة عرض النتائجمجتمعة مع غيرها في شكل واحد حتى يستطيع المستخدم أن يجري عملية مقارنة بين النتائج كل واحدة منها لوحدها أو

وفي حالة إدخال قيم اكبر من المدى المسموح به .كما موضح في اإلشكال سابقا, ويختار أفضل نتيجة لتصميمه للمكبرمن عشر مرات هذه الحالة أكثروإذا تكررت ) invalid entry(في التصميم سوف تظهر رسالة تبين خطا اإلدخال

.والشكل أدناه يبن هذه اإلمكانية على واجهة البرنامج. سوف يغلق البرنامج

كسب المكبر مقابل شكل الضوضاء مع التغیر في قدرة أشارة اإلدخال (10) الشكل-1480nm)الیمین أحادي النمط والیسار متعدد األنماط مع التغیر في الطول ألموجي للمضخ من(

980nm

كسب المكبر مقابل شكل الضوضاء مع التغیر في قدرة أشارة اإلدخال(11) الشكل)عدة نتائج في رسم واحد(


57

:االستنتاجات واألعمال المستقبلية-5:يمكن أن نوضح االستنتاجات بعدة نقاط

.مرونة في تصميم المكبر الليفي المطعم بايونات االربيوم.1.اجهة المستخدم الرسومية خيارات عديدة للتصميم وعمليات التنفيذيعطي برنامج و.2.يوفر سرعة عالية في التصميم وأجراء مقارنة بين النتائج بحيث تختار أفضل نتيجة.3.سهولة في التعامل مع البرنامج بصورة واضحة ودقيقة.4

: أما بالنسبة لألعمال المستقبلية فيمكن أن تتلخص بعدة نقاط.ل القيم الفيزيائية في عملية التصميم مثل كمية التطعيم ونوعية مادة الليف والخيمكن إدخا.1لما له أهمية في االتصاالت (WDM)يمكن ادخال عملية تصميم االتصال المتعدد بتقسيم الطول الموجي .2

.الحديثةكون هناك عدة أمكانية إضافة المرشحات في عملية التصميم والتي تعتبر مهمة في تسوية الكسب عندما ي.3

. (WDM)أشارات ادخال على نفس خط اإلرسال مع إذ يتركب هذا المكبر من )Hybrid Amplifier(عمل التصميم يضم نوع أخر من المكبرات والذي يسمى .4

. حيث يستخدم في عملية تسوية الكسب, مكبر االربيوم ومكبر رامان:References:المصادر

[1]: Max Ming-Kang Lin “Principles and Applications of optical Communications “,McGraw-hill, New York, 1998. [2]: Gerd keiser, “Optical Fiber Communications “,McGraw-Hill Higher Education,

www.mhhe.comInternational Editions 2000, and the web site [3]: Furat Younis AL-Abaje “Characteristics of Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA)”,M.Sc Thesis in Computer Engineering, University of mosul, Iraq, 2004.

8865.html-creating_guis/f6[4]: http://www.mathworks.com/access/helpdesk/help/techdoc/http://www.mathworks.com/access/helpdesk/help/techdoc/ref/num2str.html.[5]:

[6]: Doug Schwarz “GUI Programming in MATLAB 5”,20 February1997, http://instruct1.cit.cornell.edu/courses/bionb441/ GUIde sign/ guiprog.html. [7]: “ GUI Programming in MATLAB V. 6.5”

الشكل(12)ة عملیات تنفیذ في قائمة النتائجواجھة البرنامج یوضح عد


http://:@www.mhhe.com/

Documents

J. Al-Rafidain Engineering Vol.18, No.1 (2010)