Explainable machine learning model and reliability analysis for flexural capacity prediction of RC beams strengthened in flexure with FRCM

抗弯强度 均方误差 结构工程 稳健性(进化) 平均绝对百分比误差 钢筋 回归分析 支持向量机 数学 计算机科学 统计 工程类 人工智能 生物化学 基因 化学
作者
Tadesse G. Wakjira,Mohamed Ibrahim,Usama Ebead,M. Shahria Alam
出处
期刊:Engineering Structures [Elsevier]
卷期号:255: 113903-113903 被引量:120
标识
DOI:10.1016/j.engstruct.2022.113903
摘要

This paper presents a data-driven approach to determine the load and flexural capacities of reinforced concrete (RC) beams strengthened with fabric reinforced cementitious matrix (FRCM) composites in flexure. A total of seven machine learning (ML) models such as kernel ridge regression, K-nearest neighbors, support vector regression, classification and regression trees, random forest, gradient boosted trees, and extreme gradient boosting (xgBoost) are evaluated to propose the best predictive model for FRCM-strengthened beams. Beam geometry, internal steel reinforcement area, FRCM reinforcement area, and mechanical characteristics of concrete, steel, and FRCM are the main input parameters included in the database. Among the studied ML models, the xgBoost model is the most accurate model with the highest coefficient of determination (R2=99.3%) and least root mean square (RMSE), mean absolute error (MAE), and mean absolute percentage error (MAPE). A comparative study of the performance of the proposed and existing analytical models revealed the superior predictive capability and robustness of the proposed model. The predicted flexural and load capacities of the beams based on the existing analytical models are highly scattered and either over-conservative or unsafe. A unified SHapley Additive exPlanations approach is employed to explain the output of the best ML model and identify the most significant input features and interactions that influence the capacity of FRCM-strengthened RC beams in flexure. Furthermore, a reliability analysis is performed to calibrate the resistance reduction factor (ϕ) to achieve a specified target reliability index (βT=3.5).
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