Разработка моделей машинного обучения для прогнозирования прочности на сдвиг железобетонной балки: сравнительное исследование

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 1723 (2023) Цитировать эту статью

1661 Доступов

2 цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Стержни из армированного волокном полимера (FPR) широко используются в качестве материала-заменителя стальной арматуры в железобетонных элементах в зонах коррозии. На сопротивление сдвигу железобетонных элементов из стеклопластика могут влиять свойства бетона и поперечные хомуты из стеклопластика. Следовательно, изучение механизма прочности на сдвиг (Vs) является одним из важнейших при предварительном проектировании железобетонных элементов. В этом исследовании изучается способность трех моделей машинного обучения (ML), называемых M5-Tree (M5), экстремальной обучающей машины (ELM) и случайного леса (RF), в прогнозировании Vs 112 испытаний на сдвиг железобетонной балки из стеклопластика с поперечной арматурой. Для создания матрицы прогнозирования разработанных моделей ML был проведен статистический корреляционный анализ для создания подходящих входных моделей для прогнозирования Vs. Для оценки эффективности предложенных моделей использовались статистический анализ и графические подходы. Результаты показали, что все предложенные модели в целом хорошо работали для всех входных комбинаций. Однако модели ELM-M1 и M5-Tree-M5 показали меньшие показатели точности по сравнению с другими разработанными моделями. Исследование показало, что наилучшую производительность прогнозирования показала древовидная модель M5 с использованием девяти входных параметров, с коэффициентом детерминации (R2) и среднеквадратической ошибкой (RMSE), равными 0,9313 и 35,5083 КН соответственно. Результаты сравнения также показали, что ELM и RF показали значительные результаты с менее незначительными характеристиками, чем модель M5. Результаты исследования способствуют формированию базовых знаний по исследованию влияния хомутов на V железобетонной балки из стеклопластика с возможностью применения различных компьютерных моделей.

Композиты из армированного волокном полимера (FPR) все чаще используются для армирования бетонных балок для усиления изгиба или сдвига1,2. Эти композиты использовались в качестве замены стальных стержней для армирования бетонных конструкций в агрессивных средах. В этих обстоятельствах применение хомутов из стеклопластика имеет больше преимуществ, чем использование продольной арматуры, поскольку они расположены как внешний стержень по отношению к изгибной арматуре3. Материалы FRP были применены для предотвращения проблемы коррозии, которая считается серьезной проблемой в строительных конструкциях4,5. Стержни из стеклопластика характеризуются способностью противостоять коррозии, легким весом, высокой прочностью и хорошей усталостной выносливостью6. Однако у них есть некоторые недостатки, такие как низкий модуль упругости и линейная упругость, что приводит к разрушению, что указывает на более низкое упругое поведение по сравнению со стальной арматурой.

Прочность на сдвиг (Vs) железобетонной балки является результатом нескольких механизмов, таких как сопротивление сдвигу бетона без трещин, силы трения из-за блокировки агрегатов, остаточное сопротивление растяжению между наклонными трещинами и Vs, обеспечиваемое действием дюбеля и поперечных стержней7,8. Дюбельное действие использует продольные стержни для передачи поперечных сил9. Замки заполнителя и потрескавшиеся поверхности передают трение сдвига бетона. На сдвиговое трение бетона влияют размер заполнителя, размер трещин и прочность бетона10. Высокого трения сдвига можно достичь за счет увеличения размера трещины и заполнителя10. Глубина зоны сжатия и прочность бетона также повлияли на Vs. Уменьшение Vs в бетонных элементах имеет низкую прочность бетона и неглубокую зону бетона без трещин10. Остаточная прочность на растяжение является важным фактором, влияющим на силы сдвига в бетонных элементах с небольшой шириной трещин11.

В железобетоне FRP механизм другой. Механические характеристики стержней из стеклопластика влияют на сопротивление сдвигу традиционной стальной арматурной балки. вклад сжатого бетона в железобетонную балку из стеклопластика отличается от традиционной железобетонной балки12. Основное отличие заключается в том, что нейтральная ось стержня из стеклопластика находится ниже, чем у стали, до достижения предела текучести. FRP-стержень не достигает предела текучести, поэтому площадь сжатия не уменьшается при увеличении нагрузки вплоть до разрыва. Использование стержней FRP в железобетонной балке приводит к низкой жесткости при сдвиге, увеличению ширины трещин, уменьшению сил трения и уменьшению остаточных напряжений между наклонными трещинами. Экспериментальное исследование13 пришло к выводу, что Vs продольной арматуры стержней из стеклопластика ниже, чем стальной арматуры при использовании в бетонной конструкции. Исследование12 показало, что влиянием продольных стержней на Vs можно пренебречь, поскольку оно меньше влияния другого механизма.