Développement de modèles d'apprentissage automatique pour la prédiction de la résistance au cisaillement des poutres en béton armé : une étude comparative

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 1723 (2023) Citer cet article

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Les barres en polymère renforcé de fibres (FPR) ont été largement utilisées comme matériau de substitution pour le renforcement en acier des éléments en béton armé dans les zones de corrosion. La résistance au cisaillement des éléments en béton armé FRP peut être affectée par les propriétés du béton et des étriers transversaux en FRP. Par conséquent, l’étude du mécanisme de résistance au cisaillement (Vs) est l’une des étapes essentielles de la procédure de pré-conception des éléments en béton armé. Cette recherche examine la capacité de trois modèles d'apprentissage automatique (ML) appelés M5-Tree (M5), machine d'apprentissage extrême (ELM) et forêt aléatoire (RF) à prédire les Vs de 112 essais de cisaillement de poutres en béton armé FRP avec armature transversale. Pour générer la matrice de prédiction des modèles ML développés, une analyse de corrélation statistique a été effectuée pour générer les modèles d'entrées appropriés pour la prédiction Vs. Une évaluation statistique et des approches graphiques ont été utilisées pour évaluer l'efficacité des modèles proposés. Les résultats ont révélé que tous les modèles proposés fonctionnaient généralement bien pour toutes les combinaisons d'entrées. Cependant, les modèles ELM-M1 et M5-Tree-M5 présentaient des performances de précision inférieures à celles des autres modèles développés. L'étude a montré que les meilleures performances de prédiction ont été révélées par le modèle d'arbre M5 utilisant neuf paramètres d'entrée, avec un coefficient de détermination (R2) et une erreur quadratique moyenne (RMSE) égaux à 0,9313 et 35,5083 KN, respectivement. Les résultats de la comparaison ont également indiqué que ELM et RF ont obtenu des résultats significatifs avec des performances moins légères que le modèle M5. Le résultat de l'étude contribue aux connaissances de base sur l'étude de l'impact des étriers sur les Vs des poutres en béton armé FRP avec la possibilité d'appliquer différents modèles d'aide informatique.

Les composites polymères renforcés de fibres (FPR) sont de plus en plus utilisés dans le renforcement des poutres en béton pour le renforcement par flexion ou par cisaillement1,2. Ces composites ont été utilisés en remplacement des barres d'acier pour renforcer les structures en béton en environnement corrosif. Dans ces circonstances, l'application d'étriers FRP présente plus d'avantages que l'utilisation de barres d'armature longitudinales car elles sont situées comme une barre extérieure par rapport au renforcement de flexion3. Des matériaux FRP ont été appliqués pour prévenir le problème de corrosion qui est considéré comme un problème sérieux dans les structures de génie civil4,5. Barres FRP caractérisées par leur capacité à résister à la corrosion, leur légèreté, leur haute résistance et leur bonne endurance à la fatigue6. Cependant, ils présentent certains inconvénients tels qu'un faible module d'élasticité et des performances élastiques linéaires conduisant à une rupture, ce qui indique un comportement élastique inférieur à celui des armatures en acier.

La résistance au cisaillement (Vs) d'une poutre en béton armé est le résultat de plusieurs mécanismes tels que la résistance au cisaillement du béton non fissuré, les forces de frottement dues au verrouillage des granulats, la résistance à la traction résiduelle entre les fissures inclinées et les Vs fournis par l'action des chevilles et des barres transversales7,8. L'action des chevilles utilise des barres longitudinales pour transférer les forces de cisaillement9. Les surfaces de verrouillage des agrégats et les surfaces fissurées transfèrent le frottement de cisaillement du béton. Le frottement de cisaillement du béton est influencé par la taille des granulats, la taille des fissures et la résistance du béton10. Un frottement de cisaillement élevé peut être obtenu en augmentant la taille des fissures et des agrégats10. La profondeur de la zone de compression et la résistance du béton ont également affecté les Vs. Les diminutions Vs des éléments en béton ont une faible résistance du béton et une zone de béton non fissurée peu profonde10. La résistance à la traction résiduelle est un facteur important qui contribue aux forces de cisaillement dans les éléments en béton présentant une faible largeur de fissure11.

Dans le béton armé FRP, le mécanisme est différent. Les caractéristiques mécaniques des barres FRP affectent le résultat de résistance au cisaillement des poutres de renfort en acier traditionnelles. la contribution du béton comprimé aux poutres en béton armé FRP est différente de celle des poutres en béton armé traditionnelles12. La différence majeure est que l'axe neutre de la barre FRP est plus bas que celui de l'acier avant d'atteindre la limite d'élasticité. La barre FRP n'atteint pas la limite d'élasticité, ce qui empêche la zone de compression de diminuer tout en augmentant la charge jusqu'à la rupture. L'utilisation de barres FRP dans les poutres en béton armé conduit à une faible rigidité au cisaillement, augmente la largeur des fissures, diminue les forces de frottement et réduit la tension résiduelle entre les fissures inclinées. L'étude expérimentale de13 a conclu que le Vs du renforcement longitudinal des barres FRP est inférieur à celui du renforcement en acier lors de l'utilisation dans une structure en béton. L'étude de12 a indiqué que l'influence des barres longitudinales sur Vs peut être négligée car elle est inférieure à l'influence d'autres mécanismes.