Sviluppo di modelli di machine learning per la previsione della resistenza a taglio di travi in ​​cemento armato: uno studio comparativo

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 1723 (2023) Citare questo articolo

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Le barre in polimero fibrorinforzato (FPR) sono state ampiamente utilizzate come materiale sostitutivo dei rinforzi in acciaio negli elementi in cemento armato nelle aree soggette a corrosione. La resistenza al taglio dell'elemento in cemento armato FRP può essere influenzata dalle proprietà del calcestruzzo e dalle staffe trasversali in FRP. Pertanto, lo studio del meccanismo della resistenza a taglio (Vs) è uno degli aspetti essenziali per la procedura di pre-progettazione degli elementi in cemento armato. Questa ricerca esamina la capacità di tre modelli di machine learning (ML) chiamati M5-Tree (M5), extreme learning machine (ELM) e random forest (RF) nel prevedere i V di 112 prove di taglio di travi in ​​cemento armato FRP con rinforzo trasversale. Per generare la matrice di previsione dei modelli ML sviluppati, è stata condotta un'analisi di correlazione statistica per generare i modelli di input adatti per la previsione Vs. Per valutare l'efficienza dei modelli proposti sono stati utilizzati valutazioni statistiche e approcci grafici. I risultati hanno rivelato che tutti i modelli proposti hanno funzionato in generale bene per tutte le combinazioni di input. Tuttavia, i modelli ELM-M1 e M5-Tree-M5 hanno mostrato prestazioni di precisione inferiori rispetto agli altri modelli sviluppati. Lo studio ha dimostrato che la migliore prestazione di previsione è stata rivelata dal modello dell'albero M5 utilizzando nove parametri di input, con coefficiente di determinazione (R2) e errore quadratico medio (RMSE) pari rispettivamente a 0,9313 e 35,5083 KN. I risultati del confronto hanno anche indicato che ELM e RF hanno ottenuto risultati significativi con prestazioni meno lievi rispetto al modello M5. I risultati dello studio contribuiscono alle conoscenze di base relative allo studio dell'impatto delle staffe sulle V delle travi in ​​cemento armato FRP con la possibilità di applicare diversi modelli di ausilio informatico.

I compositi polimerici fibrorinforzati (FPR) sono stati sempre più utilizzati nell'armatura di travi in ​​calcestruzzo per il rinforzo a flessione o a taglio1,2. Questi compositi sono stati utilizzati come sostituti delle barre di acciaio per rinforzare strutture in calcestruzzo in ambienti corrosivi. In queste circostanze, l'applicazione delle staffe in FRP presenta maggiori vantaggi rispetto all'utilizzo di armature longitudinali perché si trovano come barra esterna rispetto al rinforzo a flessione3. I materiali FRP sono stati applicati per prevenire il problema della corrosione che è considerato un problema serio nelle strutture di ingegneria civile4,5. Barre FRP caratterizzate dalla capacità di resistere alla corrosione, leggerezza, elevata resistenza e buona resistenza alla fatica6. Tuttavia, presentano alcuni inconvenienti, come il basso modulo di elasticità e le prestazioni elastiche lineari che portano al cedimento, il che indica un comportamento elastico inferiore rispetto al rinforzo in acciaio.

La resistenza a taglio (Vs) della trave in cemento armato è il risultato di diversi meccanismi come la resistenza a taglio del calcestruzzo non fessurato, le forze di attrito dovute all'incastro degli aggregati, la resistenza a trazione residua tra fessure inclinate e la Vs fornita dall'azione dei tasselli e dalle barre trasversali7,8. L'azione del tassello utilizza barre longitudinali per trasferire le forze di taglio9. Gli incastri degli aggregati e le superfici fessurate trasferiscono l'attrito di taglio del calcestruzzo. l'attrito di taglio del calcestruzzo è influenzato dalla dimensione dell'aggregato, dalla dimensione della fessura e dalla resistenza del calcestruzzo10. È possibile ottenere un elevato attrito di taglio aumentando la dimensione della fessura e dell'aggregato10. Anche la profondità dell'area di compressione e la resistenza del calcestruzzo hanno influenzato il Vs. Vs diminuzioni negli elementi in calcestruzzo ha una bassa resistenza del calcestruzzo e un'area superficiale di calcestruzzo non fessurato10. La resistenza a trazione residua è un fattore significativo che contribuisce alle forze di taglio negli elementi in calcestruzzo con fessura di piccola ampiezza11.

Nel cemento armato FRP il meccanismo è diverso. Le caratteristiche meccaniche delle barre in FRP influenzano il risultato di resistenza a taglio della tradizionale trave di rinforzo in acciaio. il contributo del calcestruzzo compresso alla trave in cemento armato FRP è diverso dalla tradizionale trave in cemento armato12. La differenza principale è che l'asse neutro della barra FRP è inferiore a quello dell'acciaio prima di raggiungere il punto di snervamento. La barra in FRP non raggiunge il punto di snervamento per cui l'area di compressione non diminuisce all'aumentare del carico fino alla rottura. L'utilizzo di barre FRP nelle travi in ​​cemento armato porta ad una bassa rigidezza a taglio, aumenta l'ampiezza delle fessure, diminuisce le forze di attrito e riduce la tensione residua tra le fessure inclinate. Lo studio sperimentale di 13 ha concluso che il Vs dell'armatura longitudinale delle barre in FRP è inferiore rispetto all'armatura in acciaio quando vengono utilizzate nella struttura in calcestruzzo. Lo studio di 12 ha indicato che l'influenza delle barre longitudinali su Vs può essere trascurata perché è inferiore all'influenza di altri meccanismi.