철근 콘크리트 보의 전단강도 예측을 위한 기계학습 모델 개발: 비교 연구

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 1723(2023) 이 기사 인용

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섬유 강화 폴리머(FPR) 바는 부식 영역의 철근 콘크리트 요소에서 철근 보강재의 대체 재료로 널리 사용되어 왔습니다. FRP 철근 콘크리트 요소의 전단 저항은 콘크리트 특성과 가로 FRP 스터럽의 영향을 받을 수 있습니다. 따라서 전단강도(Vs) 메커니즘을 연구하는 것은 철근 콘크리트 요소의 사전 설계 절차에 매우 필수적인 것 중 하나입니다. 본 연구에서는 횡방향 철근이 포함된 FRP 철근 콘크리트 빔의 112회 전단 테스트의 VS를 예측하는 데 있어 M5-Tree(M5), Extreme Learning Machine(ELM) 및 Random Forest(RF)라는 세 가지 기계 학습(ML) 모델의 능력을 조사합니다. 개발된 ML 모델의 예측 행렬을 생성하기 위해 Vs 예측에 적합한 입력 모델을 생성하기 위해 통계적 상관 분석을 수행했습니다. 제안된 모델의 효율성을 평가하기 위해 통계적 평가와 그래픽 접근 방식이 사용되었습니다. 결과는 제안된 모든 모델이 일반적으로 모든 입력 조합에 대해 잘 수행되는 것으로 나타났습니다. 그러나 ELM-M1과 M5-Tree-M5 모델은 다른 개발 모델에 비해 정확도 성능이 떨어지는 것으로 나타났다. 연구에 따르면 결정 계수(R2)와 평균 제곱근 오차(RMSE)가 각각 0.9313KN과 35.5083KN인 9개의 입력 매개변수를 사용하는 M5 트리 모델이 최고의 예측 성능을 나타냈습니다. 비교 결과에서도 ELM과 RF는 M5 모델에 비해 약간의 성능은 떨어지지만 유의미한 결과를 보여주었다. 연구 결과는 다양한 컴퓨터 지원 모델을 적용할 수 있는 잠재력을 가지고 FRP 철근 콘크리트 빔의 Vs에 대한 등자 영향을 조사하는 기본 지식에 기여합니다.

섬유 강화 폴리머(FPR) 복합재는 굽힘 또는 전단 강화를 위해 콘크리트 빔을 강화하는 데 점점 더 많이 사용되고 있습니다1,2. 이러한 복합재는 부식 환경에서 콘크리트 구조물을 강화하기 위한 철근 대체재로 사용되었습니다. 이러한 상황에서 FRP 스트럽을 적용하는 것은 종방향 철근을 사용하는 것보다 휨 철근을 외부 철근으로 위치시키기 때문에 더 유리합니다3. 토목구조물4,5에서 심각한 문제로 여겨지는 부식문제를 방지하기 위해 FRP재료를 적용하였다. 부식 방지 능력, 경량, 고강도 및 우수한 피로 내구성을 특징으로 하는 FRP 바6. 그러나 탄성계수가 낮고 선형 탄성 성능이 저하되어 철근에 비해 탄성 거동이 낮은 등의 단점이 있습니다.

철근 콘크리트 빔의 전단 강도(Vs)는 균열되지 않은 콘크리트의 전단 저항, 골재 연동으로 인한 마찰력, 경사 균열 사이의 잔류 인장 저항, 다월 작용 및 가로 막대에 의해 제공되는 Vs와 같은 여러 메커니즘의 결과입니다. 다웰 동작은 세로 막대를 사용하여 전단력을 전달합니다9. 골재 인터록과 균열된 표면은 콘크리트의 전단 마찰을 전달합니다. 콘크리트의 전단마찰은 골재의 크기, 균열의 크기, 콘크리트의 강도에 영향을 받는다10. 균열 및 골재의 크기를 증가시키면 높은 전단 마찰을 얻을 수 있습니다10. 압축 영역의 깊이와 콘크리트 강도도 Vs에 영향을 미쳤습니다. 콘크리트 부재의 VS 감소는 콘크리트 강도가 낮고 균열이 없는 콘크리트 면적이 얕기 때문입니다10. 잔류 인장 강도는 균열 폭이 작은 콘크리트 부재의 전단력에 영향을 미치는 중요한 요소입니다11.

FRP 철근 콘크리트에서는 메커니즘이 다릅니다. FRP 바의 기계적 특성은 전통적인 철근 보강 빔의 전단 저항 결과에 영향을 미칩니다. FRP 철근 콘크리트 빔에 대한 압축 콘크리트의 기여는 전통적인 철근 콘크리트 빔과 다릅니다. 주요 차이점은 FRP 바의 중립축이 항복점에 도달하기 전에 강철보다 낮다는 것입니다. FRP 바는 항복점에 도달하지 않아 압축 면적이 감소하지 않고 파단까지 하중이 증가합니다. 철근 콘크리트 보에 FRP 철근을 사용하면 전단 강성이 낮아지고 균열 폭이 증가하며 마찰력이 감소하고 경사 균열 사이의 잔류 장력이 감소합니다. 13의 실험 연구에서는 콘크리트 구조물에 사용할 때 FRP 철근의 종방향 철근 Vs가 철근 철근보다 낮다는 결론을 내렸습니다. 12의 연구에서는 Vs에 대한 세로 막대의 영향이 다른 메커니즘의 영향보다 낮기 때문에 무시할 수 있음을 나타냅니다.