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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/49708| ORCID: | http://orcid.org/0000-0001-6824-2258 |
| Document type: | Dissertação |
| Access type: | Acesso Aberto |
| Title: | Desenvolvimento de um modelo constitutivo para solos arenosos reforçados com fibras utilizando redes neurais artificiais |
| Alternate title (s): | Development of a constitutive model for fiber-reinforced sandy soils using artificial neural networks |
| Author: | Rodrigues, João Paulo de Araújo |
| First Advisor: | Maedo, Michael Andrade |
| First member of the Committee: | Guimarães, Leonardo José do Nascimento |
| Second member of the Committee: | Nogueira, Caio Gorla |
| Summary: | O reforço de solos arenosos com fibras distribuídas aleatoriamente melhora significativamente suas propriedades mecânicas, impondo desafios à modelagem constitutiva devido às complexas interações não-lineares entre a matriz e o reforço. Este trabalho desenvolve um modelo constitutivo baseado em Redes Neurais Artificiais (RNA) para prever o comportamento tensão-deformação de uma areia uniforme reforçada com fibras poliméricas. A metodologia emprega uma abordagem híbrida em duas fases, combinando dados experimentais de ensaios triaxiais com dados sintéticos gerados por meio de uma adaptação do modelo Cam-Clay modificado. A base experimental, obtida na Universidade Federal da Bahia, abrange teores de fibra de 0%, 0,5% e 1,0%, comprimentos de fibra de 12,5 mm, 25 mm e 51 mm, e tensões de confinamento de 50, 100, 200 e 300 kPa, e dela se utilizaram os 24 ensaios de compressão triaxial drenada convencional, totalizando 1.207 pontos. A geração de dados sintéticos produziu cerca de 19,5 mil pontos, distribuídos em 42 cenários, expandindo o domínio experimental para incluir níveis intermediários de confinamento. A arquitetura adotada é uma rede neural do tipo perceptron multicamadas (Multilayer Perceptron, MLP) que mapeia diretamente as condições de ensaio e o nível de deformação axial nas variáveis de estado de interesse, a saber, a tensão desviadora, a tensão média efetiva e a deformação volumétrica. O treinamento combina pré-treinamento com os dados sintéticos fisicamente consistentes e ajuste fino, por aprendizado por transferência, com os dados experimentais. A validação, conduzida por validação cruzada exaustiva do tipo leave-one-out, resultou em coeficiente de determinação agregado de 0,977 para a tensão desviadora, 0,991 para a tensão média efetiva e 0,914 para a deformação volumétrica. O modelo reproduz a mobilização progressiva das fibras, o pico de resistência e a transição para o comportamento dilatante, oferecendo uma alternativa computacionalmente eficiente aos modelos analíticos tradicionais de difícil calibração. |
| Abstract: | The reinforcement of sandy soils with randomly distributed fibers significantly improves their mechanical properties, posing challenges to constitutive modeling due to complex nonlinear interactions between the matrix and the reinforcement. This work develops a constitutive model based on Artificial Neural Networks (ANN) to predict the stress-strain behavior of a uniform sand reinforced with polymeric fibers. The methodology employs a two-phase hybrid approach, combining experimental triaxial test data with synthetic data generated through an adapted Modified Cam-Clay model. The experimental database, obtained at the Federal University of Bahia, encompasses fiber contents of 0%, 0.5%, and 1.0%, fiber lengths of 12.5, 25, and 51 mm, and confining stresses of 50, 100, 200, and 300 kPa; from it, the 24 conventional drained triaxial compression tests were used, totaling 1,207 points. The synthetic data generation produced about 19.5 thousand points across 42 scenarios, expanding the experimental domain to include intermediate confinement levels. The adopted architecture is a multilayer perceptron (MLP) neural network that directly maps the test conditions and the axial strain level onto the state variables of interest, namely the deviatoric stress, the mean effective stress, and the volumetric strain. Training combines pre-training with the physically consistent synthetic data and finetuning, through transfer learning, with the experimental data. Validation, carried out by exhaustive leave-one-out cross-validation, yielded an aggregate coefficient of determination of 0.977 for the deviatoric stress, 0.991 for the mean effective stress, and 0.914 for the volumetric strain. The model reproduces the progressive mobilization of the fibers, the peak strength, and the transition to dilatant behavior, offering a computationally efficient alternative to traditional analytical models that are difficult to calibrate. |
| Keywords: | Solo reforçado com fibras Redes neurais artificiais Modelo constitutivo Ensaio Triaxial Cam-clay modificado Aprendizado por Transferência Fiber-reinforced soil Artificial Neural Networks Constitutive model Triaxial Test Modified cam-clay Transfer Learning |
| Area (s) of CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL::GEOTECNICA |
| Subject: | Engenharia civil |
| Language: | por |
| Country: | Brasil |
| Publisher: | Universidade Federal de Uberlândia |
| Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil |
| Quote: | RODRIGUES, João Paulo de Araújo. Desenvolvimento de um modelo constitutivo para solos arenosos reforçados com fibras utilizando redes neurais artificiais. 2026. 89 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2026.592. |
| Document identifier: | http://doi.org/10.14393/ufu.di.2026.592 |
| URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/49708 |
| Date of defense: | 29-Jul-2026 |
| Sustainable Development Goals SDGs: | ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação. |
| Appears in Collections: | DISSERTAÇÃO - Engenharia Civil |
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