Desenvolvimento de modelos de aprendizado de máquina para previsão de resistência ao cisalhamento de vigas de concreto armado: um estudo comparativo

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 1723 (2023) Citar este artigo

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Barras de polímero reforçado com fibra (FPR) têm sido amplamente utilizadas como material substituto de reforço de aço em elementos de concreto armado em áreas de corrosão. A resistência ao cisalhamento do elemento de concreto armado com FRP pode ser afetada pelas propriedades do concreto e pelos estribos transversais de FRP. Portanto, o estudo do mecanismo de resistência ao cisalhamento (Vs) é um dos procedimentos altamente essenciais para o pré-projeto de elementos de concreto armado. Esta pesquisa examina a capacidade de três modelos de aprendizado de máquina (ML) chamados M5-Tree (M5), máquina de aprendizado extremo (ELM) e floresta aleatória (RF) na previsão de Vs de 112 testes de cisalhamento de vigas de concreto armado FRP com armadura transversal. Para gerar a matriz de predição dos modelos de ML desenvolvidos, foi realizada análise de correlação estatística para gerar os modelos de entradas adequados para predição de Vs. Avaliação estatística e abordagens gráficas foram utilizadas para avaliar a eficiência dos modelos propostos. Os resultados revelaram que todos os modelos propostos tiveram um bom desempenho geral para todas as combinações de insumos. Porém, os modelos ELM-M1 e M5-Tree-M5 exibiram menor desempenho de precisão em comparação com os demais modelos desenvolvidos. O estudo mostrou que o melhor desempenho de predição foi revelado pelo modelo de árvore M5 usando nove parâmetros de entrada, com coeficiente de determinação (R2) e raiz do erro quadrático médio (RMSE) iguais a 0,9313 e 35,5083 KN, respectivamente. Os resultados da comparação também indicaram que ELM e RF obtiveram resultados significativos com um desempenho menos ligeiro que o modelo M5. O resultado do estudo contribui para o conhecimento básico da investigação do impacto dos estribos no Vs da viga de concreto armado FRP com potencial de aplicação de diferentes modelos de auxílio computacional.

Compósitos de polímeros reforçados com fibras (FPR) têm sido cada vez mais utilizados no reforço de vigas de concreto para reforço por flexão ou cisalhamento1,2. Esses compósitos foram utilizados como substitutos de barras de aço para reforço de estruturas de concreto em ambiente corrosivo. Nestas circunstâncias, a aplicação de estribos de PRFV apresenta mais vantagens do que a utilização de vergalhões longitudinais, pois estão localizados como uma barra externa em relação à armadura de flexão3. Materiais FRP têm sido aplicados para prevenir o problema de corrosão que é considerado um problema sério em estruturas de engenharia civil4,5. Barras FRP caracterizadas por sua capacidade de resistir à corrosão, peso leve, alta resistência e boa resistência à fadiga6. No entanto, eles apresentam algumas desvantagens, como baixo módulo de elasticidade e desempenho elástico linear que leva à falha, o que indicou menor comportamento elástico em comparação com o reforço de aço.

A resistência ao cisalhamento (Vs) da viga de concreto armado é resultado de vários mecanismos como a resistência ao cisalhamento do concreto não fissurado, forças de atrito devido ao intertravamento dos agregados, resistência à tração residual entre fissuras inclinadas e o Vs fornecido pela ação de pino e barras transversais7,8. A ação de pino utiliza barras longitudinais para transferir as forças de cisalhamento9. O intertravamento agregado e as superfícies fissuradas transferem o atrito de cisalhamento do concreto. o atrito de cisalhamento do concreto é influenciado pelo tamanho do agregado, tamanho da fissura e resistência do concreto10. Alto atrito de cisalhamento pode ser alcançado aumentando o tamanho da trinca e do agregado10. A profundidade da área de compressão e a resistência do concreto também afetaram os Vs. As diminuições Vs nos membros de concreto apresentam baixa resistência do concreto e área rasa de concreto não fissurado10. A resistência à tração residual é um fator significativo que contribui para as forças de cisalhamento em membros de concreto com pequena abertura de fissuras11.

No concreto armado com FRP, o mecanismo é diferente. As características mecânicas das barras FRP afetam o resultado da resistência ao cisalhamento da viga de reforço de aço tradicional. a contribuição do concreto comprimido para a viga de concreto armado com FRP é diferente da viga de concreto armado tradicional12. A principal diferença é que o eixo neutro da barra FRP é inferior ao do aço antes de atingir o ponto de escoamento. A barra FRP não atinge o limite de escoamento, o que faz com que a área de compressão não diminua enquanto a carga aumenta até a ruptura. O uso de barras de FRP em vigas de concreto armado leva a baixa rigidez ao cisalhamento, aumenta a largura da fissura, diminui as forças de atrito e reduz a tensão residual entre fissuras inclinadas. O estudo experimental de13 concluiu que o Vs da armadura longitudinal das barras de FRP é inferior ao da armadura de aço quando utilizada em estrutura de concreto. O estudo de12 indicou que a influência das barras longitudinais no Vs pode ser desprezada por ser menor que a influência de outros mecanismos.