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Tipo: TCC
Título: Aplicação de algoritmos de aprendizagem de máquinas para previsão de abatimento de tronco de cone e resistência à compressão de concretos convencionais
Título em inglês: Application of machine learning algorithms to predict truncated cone slump and compressive strength of conventional concrete
Autor(es): Passos, Igor Lira
Orientador: Babadopulos, Lucas Feitosa de Albuquerque Lima
Palavras-chave: Concreto convencional;Resistência à compressão;Abatimento de tronco de cone;Modelos de aprendizado de máquina;Análise de sensibilidade
Data do documento: 2022
Citação: PASSOS, Igor Lira. Aplicação de algoritmos de aprendizagem de máquinas para previsão de abatimento de tronco de cone e resistência à compressão de concretos convencionais. 2022. 101 f. TCC (Graduação em Engenharia Civil) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2022.
Resumo: Os algoritmos de aprendizado de máquinas é um assunto em destaque na tecnologia do concreto, uma vez que apresentam excelente resultados na previsão de propriedades do concreto. Sob este prisma, o presente trabalho visa aplicar esses algoritmos na previsão de resistência à compressão e abatimento de tronco de cone de concretos convencionais. Três métodos de aprendizado de máquinas são desenvolvidos – Rede Neural Artificial (RNA), Floresta Aleatória (FA) e Máquina de Vetores de Suporte (SVM) – para classificação e regressão dos dados. Os modelos são avaliados por métricas estatísticas – Raiz Quadrada do Erro Médio, Erro Médio Absoluto, Acurácia, Precisão, Recall, e F1- score – usando técnicas de validação cruzada na otimização de hiperparâmetros e treino dos modelos. Cerca de 2750 dosagens de concreto são coletadas de artigos publicados na literatura, a partir dos quais foram criadas duas bases de dados. As variáveis de entrada dos modelos consistem no consumo dos materiais envolvidos, seja cimento, água, agregado miúdo, agregado graúdo, cinza volante, escória e plastificante. Em linhas gerais, os modelos apresentaram desempenho semelhante em todos os casos. A RNA performou melhor nas regressões para previsão de resistência (R²= 0,692) e abatimento (R² = 0,796). A RNA obteve a melhor acurácia de 52% para prever a classe de resistência, e a SVM apresentou a melhor acurácia de 76% na previsão da classe de abatimento. Os modelos com melhor desempenho foram interpretados por meio de análise de sensibilidade, investigando como a mudança no consumo de cada material influenciava na saída dos modelos, e os padrões de dosagem encontrados estavam de acordo com a literatura. Dessa forma, as ferramentas desenvolvidas neste trabalho são validadas, por apresentarem boa performance e interpretabilidade condizente com a literatura, e podem ser empregadas em um processo de dosagem, para determinar um traço inicial que atenda requisitos de resistência e abatimento.
Abstract: Over the last decades, machine learning techniques have been an important subject in concrete research since they achieve an excellent performance in predicting concrete properties. In this regard, this study concentrates on the use of machine learning methods to forecast the Compressive Strength (CS) and slump of conventional concrete. Three distinct ensemble machine learning techniques were used – Artificial Neural Network (ANN), Random Forest (RF) and Support Vector Machine (SVM) – for regression and classification. These methods were evaluated with statistical metrics – Root Mean Squared Error, Mean Absolute Error, Accuracy, Precision, Recall and F1-score – using cross validation technique for hyperparameters tuning and model training. More than 2750 concrete mix proportions were collected from previously published research papers and compiled in two datasets. The inputs are the components contents of concrete, including cement, water, fine aggregate, coarse aggregate, fly ash, slag and plasticizer. In general, the models showed a similar performance in all simulations. ANN performed better in regressions to predict CS (R² = 0.796) and slump (R² = 0.692). Moreover, ANN achieved the best accuracy of 52% to predict the class of CS, and the SVM obtained the best accuracy of 76% in to predict the slump class. The variation in CS and slump were achieved by varying the components contents in a sensitivity analysis. The effect of each component content in the concrete properties was investigated by evaluating the models, and the observed patterns of dosage were in accordance with those described in the literature. Therefore, the proposed models, by a high agreement with scientific studies and good performance, could be used as efficient tools to determine mix proportions that meet requirements of CS and slump.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/68393
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