鉄筋コンクリート梁のせん断強度予測のための機械学習モデルの開発：比較研究

Scientific Reports volume 13、記事番号: 1723 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

繊維強化ポリマー (FPR) バーは、腐食領域の鉄筋コンクリート要素の鋼鉄筋の代替材料として広く使用されています。 FRP 鉄筋コンクリート要素のせん断抵抗は、コンクリートの特性と FRP 横あばら筋の影響を受ける可能性があります。 したがって、せん断強度 (Vs) メカニズムの研究は、鉄筋コンクリート要素の事前設計手順において非常に重要な要素の 1 つです。 この研究では、横鉄筋を備えた FRP 鉄筋コンクリート梁の 112 回のせん断試験の V を予測する際の、M5 ツリー (M5)、エクストリーム ラーニング マシン (ELM)、およびランダム フォレスト (RF) と呼ばれる 3 つの機械学習 (ML) モデルの能力を検証します。 開発された ML モデルの予測行列を生成するために、統計的相関分析が実行され、Vs 予測に適した入力モデルが生成されました。 統計的評価とグラフィカルなアプローチを使用して、提案されたモデルの効率を評価しました。 結果から、提案されたすべてのモデルがすべての入力の組み合わせに対して全般的に良好なパフォーマンスを示したことが明らかになりました。 ただし、ELM-M1 および M5-Tree-M5 モデルは、他の開発モデルと比較して精度性能が劣っていました。 この研究では、9 つ​​の入力パラメータを使用した M5 ツリー モデルによって最良の予測パフォーマンスが得られ、決定係数 (R2) と二乗平均平方根誤差 (RMSE) がそれぞれ 0.9313 KN と 35.5083 KN に等しいことが示されました。 比較結果は、ELM と RF が M5 モデルよりもわずかなパフォーマンスではあるものの、有意な結果を実行したことも示しました。 この研究結果は、FRP 鉄筋コンクリート梁の V に対するあばらの影響を調査するための基礎知識に貢献し、さまざまなコンピュータ支援モデルを適用できる可能性があります。

繊維強化ポリマー (FPR) 複合材料は、曲げまたはせん断強化のためのコンクリート梁の補強にますます使用されています 1,2。 これらの複合材料は、腐食環境下でコンクリート構造物を補強するための棒鋼の代替品として使用されました。 このような状況では、FRP スターラップの適用は、曲げ補強の点で外側の鉄筋として配置されるため、縦鉄筋を使用するよりも有利です3。 FRP 材料は、土木構造物において深刻な問題と考えられている腐食問題を防止するために適用されています4,5。 耐食性、軽量、高強度、優れた疲労耐久性を特徴とするFRPバー6。 しかし、それらには、弾性率が低く、線形弾性性能が破壊につながるなどのいくつかの欠点があり、鉄筋補強材と比較して弾性挙動が低いことが示されました。

鉄筋コンクリート梁のせん断強度（Vs）は、ひび割れのないコンクリートのせん断抵抗、骨材のかみ合いによる摩擦力、傾斜したひび割れ間の残留引張抵抗、ダボ作用と横筋によってもたらされるVsなど、いくつかのメカニズムの結果です7、8。 ダボ動作では、縦方向のバーを使用してせん断力を伝達します9。 骨材のかみ合いとひび割れた表面はコンクリートのせん断摩擦を伝えます。 コンクリートのせん断摩擦は、骨材のサイズ、ひび割れのサイズ、コンクリートの強度に影響されます10。 高いせん断摩擦は、亀裂と骨材のサイズを大きくすることで達成できます10。 圧縮領域の深さとコンクリート強度も Vs に影響を与えます。 コンクリート部​​材の Vs 低下は、コンクリート強度が低く、コンクリートのひび割れのない領域が浅い10。 残留引張強さは、亀裂幅が小さいコンクリート部​​材のせん断力に寄与する重要な要素です11。

FRP鉄筋コンクリートでは仕組みが異なります。 FRP バーの機械的特性は、従来の鉄筋補強梁のせん断抵抗の結果に影響を与えます。 FRP 鉄筋コンクリート梁に対する圧縮コンクリートの寄与は、従来の鉄筋コンクリート梁とは異なります12。 主な違いは、降伏点に達する前に FRP バーの中立軸が鋼よりも低いことです。 FRPバーは降伏点に達しないため、破断までの荷重を増加させても圧縮面積は減少しません。 鉄筋コンクリート梁に FRP バーを使用すると、せん断剛性が低くなり、亀裂の幅が増加し、摩擦力が減少し、傾斜した亀裂間の残留張力が減少します。 による実験研究13は、コンクリート構造物に使用した場合、FRP鉄筋の縦方向鉄筋のVsは鋼鉄筋よりも低いと結論付けています。 による研究12は、Vsに対する縦棒の影響は他の機構の影響よりも低いため無視できることを示しました。