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Tipo: Dissertação
Título: Modelagem do comportamento cisalhante de descontinuidades rochosas utilizando redes neurais artificiais do tipo função de base radial
Título em inglês: Modeling the shear behavior of rock discontinuities using artificial neural networks of the radial basis function type
Autor(es): Souza, Wana Maria de
Orientador: Dantas Neto, Silvrano Adonias
Coorientador: Barreto, Guilherme de Alencar
Palavras-chave em português: Descontinuidades rochosas;Redes neurais artificiais;Dilatância de solos;Funções de base radial;Tensão cisalhante
Palavras-chave em inglês: Rock discontinuities;Artificial neural networks;Soil dilatancy;Radial basis functions;Shear stress
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL::GEOTECNICA
Data do documento: 2024
Citação: SOUZA, Wana Maria de. Modelagem do comportamento cisalhante de descontinuidades rochosas utilizando redes neurais artificiais do tipo função de base radial. 2024. 219 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil - Geotecnia) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2024.
Resumo: Um dos principais desafios na análise e dimensionamento de estruturas geotécnicas implantadas em maciços rochosos é a estimativa realista do comportamento cisalhante das suas descontinuidades. Dada a sua importância, diversos modelos têm sido desenvolvidos. Entretanto, apesar de adequados esses modelos apresentam limitações, sobretudo devido a disponibilidade de ensaios para validá-los, pois tratam-se de ensaios realizados em grande escala. Modelos alternativos baseados em Redes Neurais Artificiais (RNA) do tipo Percpetron Multicamadas (MLP), lógica fuzzy e sistema neuro-fuzzy também foram desenvolvidos, porém estes modelos também apresentam limitações, uma vez que a MLP exige um esforço computacional mais elevado quando comparado a outros tipos de RNA. Em relação a lógica fuzzy e o sistema neuro-fuzzy as limitações se dão pela dependência dos intervalos atribuídos às suas variáveis de entrada durante o processo de modelagem. Neste trabalho, foi proposta a utilização das Redes Neurais Artificiais (RNA) baseadas em funções de base radial (RBF, Radial Basis Function) no desenvolvimento de modelos alternativos para a previsão do comportamento cisalhante das descontinuidades rochosas com e sem preenchimento, sob condições de carga normal constante (CNL) e rigidez normal constante (CNS), tendo em vista a sua capacidade de lidar adequadamente com problemas não lineares com uma única camada oculta e um menor tempo de processamento. Para tanto, foram desenvolvidos diversos modelos neurais, e por meio de comparações gráficas de dados experimentais e validações feitas utilizando-se descontinuidades hipotéticas, foi selecionado o modelo de melhor desempenho, sendo este obtido por meio de função de base gaussiana de abertura (spread) de 0,5 e erro quadrático médio desejado (goal) de 0,0002. O modelo apresenta como variáveis de entrada a rigidez normal externa (, a tensão normal inicial (0, o coeficiente de rugosidade da junta (JRC), a resistência à compressão uniaxial da rocha intacta (, o ângulo de atrito básico da rocha (, a razão da amplitude do preenchimento pela amplitude da aspereza (⁄), o ângulo de atrito do preenchimento () e o deslocamento cisalhante (. O modelo selecionado contempla duas variáveis de saída, isto é, a tensão cisalhante e a dilatância. Este, por sua vez, apresenta uma arquitetura de 8-182-2 e coeficientes de determinação superiores a 0,97 para as variáveis preditas, e um root mean-square error (RMSE) igual ou inferior a 0,0255 para os conjuntos de treinamento e teste. As análises de desempenho estatístico sugerem um modelo de excelente ajuste e as validações e comparações com dados hipotéticos e experimentais indicaram que o modelo proposto é capaz de representar de forma coerente a influência das variáveis de entrada no comportamento cisalhante. Em suma, a rede RBF demonstra capacidade de modelar as relações complexas inerentes ao comportamento cisalhante das descontinuidades rochosas e se mostra um método alternativo para a estimativa da tensão cisalhante e dilatância de forma rápida e econômica para aplicações diárias da engenharia, uma vez que permite a obtenção de equações para o fenômeno modelado
Abstract: One of the main challenges in the analysis and design of geotechnical structures implemented in rock masses is the realistic estimation of the shear behavior of discontinuities. Owing to their importance, several models have been developed. However, despite being adequate, these models have limitations, mainly due to the availability of tests to validate them, as these are large-scale tests. Alternative models based on Artificial Neural Networks (ANN) of Multilayer Perceptron (MLP) type, fuzzy logic, and neuro-fuzzy systems have also been developed. However, these models also have limitations considering that MLP requires a higher computational effort compared to other types of ANN. Regarding fuzzy logic and neuro-fuzzy systems, limitations arise from the dependence on the intervals assigned to their input variables during the modeling process. In this study, the use of artificial neural networks (ANN) based on Radial Basis Functions (RBF) was proposed for the development of alternative models to predict the shear behavior of rock discontinuities with and without infill under conditions of constant normal load (CNL) and constant normal stiffness (CNS), considering their ability to adequately handle nonlinear problems with a single hidden layer and a shorter processing time. To achieve this, various neural models were developed, and the best-performing model was selected through graphical comparisons of experimental data and validations using hypothetical discontinuities. This model was obtained using a Gaussian basis function with a spread of 0.5 and a desired mean squared error of 0.0002. The input variables included external normal stiffness (, initial normal stress (0, joint roughness coefficient (JRC), uniaxial compressive strength of intact rock (, basic friction angle of the rock (, the ratio of infill thickness to asperity amplitude (t⁄a), the infill friction angle (), and shear displacement (h). The selected model includes two output variables, that is, shear stress and dilatation. This, in turn, presents an architecture of 8-182-2 and coefficients of determination greater than 0.97 for the predicted variables, with a root mean square error (RMSE) equal to or less than 0.0255 for both the training and testing data sets. Statistical performance analyses suggested an excellent fitting model, and validations and comparisons with hypothetical and experimental data indicated that the proposed model can consistently represent the influence of input variables on shear behavior. In summary, the RBF network demonstrates the ability to model the complex relationships inherent in the shear behavior of rock discontinuities and proves to be an alternative method for estimating shear stress and dilatancy quickly and economically for everyday engineering applications, as it allows the derivation of equations for the modeled phenomenon.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/78792
ORCID do(s) Autor(es): https://orcid.org/0000-0002-1269-6661
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/9112765032231972
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0002-9951-4938
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/0235333924628000
ORCID do Coorientador: https://orcid.org/0000-0002-7002-1216
Currículo Lattes do Coorientador: http://lattes.cnpq.br/8902002461422112
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
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