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Tipo: TCC
Título: Uso de ferramentas de inteligência artificial para previsão de propriedades de resistência à compressão de concretos de alto desempenho e de ultra alto desempenho
Título em inglês: The use of artificial inteligence models to predict compressive strength of high performance and ultra high performance concrete
Autor(es): Pinheiro, Luciany Lopes
Orientador: Babadopulos, Lucas Feitosa de Albuquerque Lima
Palavras-chave: Concreto de alto desempenho (CAD);Concreto de ultra alto desempenho (CUAD);Dosagem de concreto;Aprendizagem de máquina;Análise de dados
Data do documento: 2022
Citação: PINHEIRO, Luciany Lopes. Uso de ferramentas de inteligência artificial para previsão de propriedades de resistência à compressão de concretos de alto desempenho e de ultra alto desempenho. 2022. 88 f. TCC (Bacharelado em Engenharia Civil) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2022.
Resumo: Os avanços na produção de concreto estão acelerados, possibilitando a confecção de concretos mais resistentes. Concretos de alto desempenho (CAD) já fazem parte do cotidiano das principais concreteiras, assim como se espera para Concretos de ultra alto desempenho (CUAD). Todavia seus métodos de dosagem não acompanharam o avanço no seu desenvolvimento, demandando tempo e recurso nos processos de formulação. Devido ao fato de a maioria dos métodos de dosagem utilizarem gráficos e tabelas com capacidade limitada de previsão para novos concretos, estes requerem sucessões de ajustes de traço. Desta forma, faz se necessária a criação de novas ferramentas capazes de analisar a influência dos materiais constituintes da mistura e prever o comportamento do concreto a partir de uma dada composição. Para esta tarefa, os modelos de aprendizagem de máquina são opções potenciais, pois vêm sendo aplicados nas mais diversas áreas para previsão a partir de conjuntos complexos de variáveis de entrada. Áreas de saúde, economia e engenharia civil são exemplos das que já usam frequentemente estes modelos. Na engenharia civil, um problema relevante é justamente o da previsão de comportamento dos mais diversos tipos de concreto a partir de sua composição. As características mais estudadas são a resistência, a trabalhabilidade e a durabilidade. Os CADs e CUADs em geral são muito fluidos e nem sempre a literatura detalha o comportamento no estado fresco, então o foco do presente trabalho foi a resistência à compressão. Logo, este trabalho desenvolveu ferramentas de previsão de resistência à compressão para ambos utilizando bancos de dados atualizados pela pesquisa a partir de estudos publicados na literatura. Na análise exploratória preliminar, constatou-se que esses dois tipos de concreto têm diferenças acentuadas e não é recomendada uma análise conjunta. Separadamente, foram analisadas as correlações e influências dos materiais constituintes na resistência à compressão. Para a criação da ferramenta de previsão, foram testados modelos de Regressão Linear, de Árvore de Regressão, de Floresta Aleatória e de Rede Neural Artificial (RNA) com o processo de validação cruzada. O modelo de RNA apresentou melhor performance de predição, apresentando os valores de R² igual a 0,85 para CAD e 0,86 para CUAD. Os melhores modelos foram, em seguida, analisados por meio de análise de sensibilidade para investigar a interpretação dos comportamentos dos concretos em função de suas composições e comparar com os comportamentos esperados conforme literatura. Os modelos apresentaram boa performance de previsão e interpretação física adequada.
Abstract: Advances in concrete production are accelerating, making it possible to make more resistant concretes. High performance concrete (HPC) is already part of the daily life of the main concrete companies, as expected for ultra-high performance concrete (UHPC) in the future. However, its dosage methods did not follow the progress in its development, demanding time and resources in the formulation processes. Since most dosage methods use graphs and tables with limited predictive capacity for new concretes, these require a succession of mix adjustments. In this way, it is necessary to create new tools capable to analyse the influence of the materials in the mixture and predict the behaviour of concrete from a given composition. For this task, machine learning models are potential options, as they have been applied in the most diverse areas for prediction from complex sets of input variables. Health, economics and civil engineering are examples of those that already frequently use these models. In civil engineering, a relevant problem is precisely that of predicting the behaviour of the most diverse types of concrete based on their composition. The most studied characteristics are strength, workability and durability. HPC and UHPC in general are very fluid and the literature does not always detail the behavior in the fresh state, so the focus of the present work was the compressive strength. Therefore, this work developed compressive strength prediction tools for both databases updated by this research from studies published in the literature. In the preliminary exploratory analysis, it was found that these two types of concrete have great differences and a joint analysis is not recommended. Separately, the correlations and influences of the constituent materials on the compressive strength were analysed. For the creation of the prediction tool, Linear Regression, Regression Tree, Random Forest and Artificial Neural Network (ANN) models were tested with the cross-validation process. The ANN model presented better prediction performance with a R² values equal to 0.85 for HPC and 0.86 for UHPC. The best models were then analysed by its sensitivity to investigate the interpretation of concrete behaviour as a function of its composition and compare with the expected behaviour according to the literature. The models showed good prediction performance and adequate physical interpretation.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/68403
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