The use of waste materials as a binder or aggregate in the concrete mixture is a great step towards sustainability in the construction industry. Waste rubber (WR) can be used as coarse and fine aggregates in concrete and improves the crack resistance, impact resistance, and fatigue life of the produced concrete. However, the mechanical properties of rubberized concrete degrade significantly by replacing the natural aggregate with WR. To have accurate estimations of the mechanical properties of rubberized concrete, two machine learning methods consisting of artificial neural network (ANN) and neuro-fuzzy system (NFS) were served in this study. To do this, a comprehensive dataset was collected from reliable literature, and two scenarios were addressed for the selection of input variables. In the first scenario, the critical ratios of the rubberized concrete and the concrete age were considered as the input variables. In contrast, the mechanical properties of concrete without WR and the percentage of aggregate volume replaced by WR were assumed as the input variables in the second scenario. The results show that the first scenario models outperform the models proposed by the second scenario. Moreover, the developed ANN models are more reliable than the proposed NFS models in most cases.
Gold nanoparticles have recognized a promising drug carriers in many diseases. These nanoparticles could carry anti-inflammatory drugs in the case of muscle injury and for fatigue relief. On the other hand, specific surface of this kind of nanoparticles could be critical in amount of drug they could carry. Therefore, in this study, we explore different methodology and influencing parameters on the specific surface of gold nanoparticles. After specifying the main parameters, different machine learning and artificial neural network are adopted to model the effects of different parameters. Furthermore, response surface methodology is utilized to obtain a quadrilateral relationship between different parameters and specific surface. The results indicate that concentration of the gold salt solution is the most important parameter in increasing the size of gold nanoparticle and, as a consequence, increasing specific surface. Moreover, the ability of gold nanoparticles in prolonging retention of the drugs is discussed in detail.
Knowledge of minimum horizontal stress (Shmin) is a significant step in determining full stress tensor. It provides crucial information for the production of sand, hydraulic fracturing, determination of safe mud weight window, reservoir production behavior, and wellbore stability. Calculating the Shmin using indirect methods has been proved to be awkward because a lot of data are required in all of these models. Also, direct techniques such as hydraulic fracturing are costly and time-consuming. To figure these problems out, this work aims to apply the long-short-term memory (LSTM) algorithm to Shmin time-series prediction. 13956 datasets obtained from an oil well logging operation were applied in the models. 80% of the data were used for training, and 20% of the data were used for testing. In order to achieve the maximum accuracy of the LSTM model, its hyper-parameters were optimized significantly. Through different statistical indices, the LSTM model's performance was compared with with other machine learning methods. Finally, the optimized LSTM model was recommended for Shmin prediction in the well logging operation.
Kaloop, Mosbeh R.;Bardhan, Abidhan;Hu, Jong Wan;Abd-Elrahman, Mohamed
Advances in nano research
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제13권5호
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pp.499-512
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2022
This study investigates the efficiency of ensemble machine learning for predicting the lightweight-aggregate concrete (LWC) characteristics. A stacking ensemble (STEN) approach was proposed to estimate the dry density (DD) and 28 days compressive strength (Fc-28) of LWC using two meta-models called random forest regressor (RFR) and extra tree regressor (ETR), and two novel ensemble models called STEN-RFR and STEN-ETR, were constructed. Four standalone machine learning models including artificial neural network, gradient boosting regression, K neighbor regression, and support vector regression were used to compare the performance of the proposed models. For this purpose, a sum of 140 LWC mixtures with 21 influencing parameters for producing LWC with a density less than 1000 kg/m3, were used. Based on the experimental results with multiple performance criteria, it can be concluded that the proposed STEN-ETR model can be used to estimate the DD and Fc-28 of LWC. Moreover, the STEN-ETR approach was found to be a significant technique in prediction DD and Fc-28 of LWC with minimal prediction error. In the validation phase, the accuracy of the proposed STEN-ETR model in predicting DD and Fc-28 was found to be 96.79% and 81.50%, respectively. In addition, the significance of cement, water-cement ratio, silica fume, and aggregate with expanded glass variables is efficient in modeling DD and Fc-28 of LWC.
A probabilistic seismic damage analysis is an essential procedure to identify seismically vulnerable structures, prioritize the seismic retrofit, and ultimately minimize the overall seismic risk. To assess the seismic risk of multiple structures within a region, a large number of nonlinear time-history structural analyses must be conducted and studied. As a result, each assessment requires high computing resources. To overcome this limitation, we explore a deep learning-based metamodel to enable the prediction of the mean and the standard deviation of the seismic damage distribution of track-on steel-plate girder railway bridges in Korea considering the geometric variation. For machine learning training, nonlinear dynamic time-history analyses are performed to generate 800 high-fidelity datasets on the seismic response. Through intensive trial and error, the study is concentrated on developing an optimal machine learning architecture with the pre-identified variables of the physical configuration of the bridge. Additionally, the prediction performance of the proposed method is compared with a previous, well-defined, response surface model. Finally, the statistical testing results indicate that the overall performance of the deep-learning model is improved compared to the response surface model, as its errors are reduced by as much as 61%. In conclusion, the model proposed in this study can be effectively deployed for the seismic fragility and risk assessment of a region with a large number of structures.
The application of ML approaches in determining the resisting capacity of fire damaged RC columns is introduced in this paper, on the basis of analysis data driven ML modeling. Considering the characteristics of the structural behavior of fire damaged RC columns, the representative five approaches of Kernel SVM, ANN, RF, XGB and LGBM are adopted and applied. Additional partial monotonic constraints are adopted in modelling, to ensure the monotone decrease of resisting capacity in RC column with fire exposure time. Furthermore, additional suggestions are also added to mitigate the heterogeneous composition of the training data. Since the use of ML approaches will significantly reduce the computation time in determining the resisting capacity of fire damaged RC columns, which requires many complex solution procedures from the heat transfer analysis to the rigorous nonlinear analyses and their repetition with time, the introduced ML approach can more effectively be used in large complex structures with many RC members. Because of the very small amount of experimental data, the training data are analytically determined from a heat transfer analysis and a subsequent nonlinear finite element (FE) analysis, and their accuracy was previously verified through a correlation study between the numerical results and experimental data. The results obtained from the application of ML approaches show that the resisting capacity of fire damaged RC columns can effectively be predicted by ML approaches.
The epicentral region of earthquakes is typically where liquefaction-related damage takes place. To determine the maximum distance, such as maximum epicentral distance (Re), maximum fault distance (Rf), or maximum hypocentral distance (Rh), at which an earthquake can inflict damage, given its magnitude, this study, using a recently updated global liquefaction database, multiple ML models are built to predict the limiting distances (Re, Rf, or Rh) required for an earthquake of a given magnitude to cause damage. Four machine learning models LSTM (Long Short-Term Memory), BiLSTM (Bidirectional Long Short-Term Memory), CNN (Convolutional Neural Network), and XGB (Extreme Gradient Boosting) are developed using the Python programming language. All four proposed ML models performed better than empirical models for limiting distance assessment. Among these models, the XGB model outperformed all the models. In order to determine how well the suggested models can predict limiting distances, a number of statistical parameters have been studied. To compare the accuracy of the proposed models, rank analysis, error matrix, and Taylor diagram have been developed. The ML models proposed in this paper are more robust than other current models and may be used to assess the minimal energy of a liquefaction disaster caused by an earthquake or to estimate the maximum distance of a liquefied site provided an earthquake in rapid disaster mapping.
Accurately predicting the failure modes of reinforced concrete (RC) columns is essential for structural design and assessment. In this study, the challenges of imbalanced datasets and complex feature selection in machine learning (ML) methods were addressed through an optimized ML approach. By combining feature selection and oversampling techniques, the prediction of seismic failure modes in rectangular RC columns was improved. Two feature selection methods were used to identify six input parameters. To tackle class imbalance, the Borderline-SMOTE1 algorithm was employed, enhancing the learning capabilities of the models for minority classes. Eight ML algorithms were trained and fine-tuned using k-fold shuffle split cross-validation and grid search. The results showed that the artificial neural network model achieved 96.77% accuracy, while k-nearest neighbor, support vector machine, and random forest models each achieved 95.16% accuracy. The balanced dataset led to significant improvements, particularly in predicting the flexure-shear failure mode, with accuracy increasing by 6%, recall by 8%, and F1 scores by 7%. The use of the Borderline-SMOTE1 algorithm significantly improved the recognition of samples at failure mode boundaries, enhancing the classification performance of models like k-nearest neighbor and decision tree, which are highly sensitive to data distribution and decision boundaries. This method effectively addressed class imbalance and selected relevant features without requiring complex simulations like traditional methods, proving applicable for discerning failure modes in various concrete members under seismic action.
Domain Name Systems (DNS) provide critical performance in directing Internet traffic. It is a significant duty of DNS service providers to protect DNS servers from bandwidth attacks. Data mining techniques may identify different trends in detecting anomalies, but these approaches are insufficient to provide adequate methods for querying traffic data in significant network environments. The patterns can enable the providers of DNS services to find anomalies. Accordingly, this research has used a new approach to find the anomalies using the Neural Network (NN) because intrusion detection techniques or conventional rule-based anomaly are insufficient to detect general DNS anomalies using multi-enterprise network traffic data obtained from network traffic data (from different organizations). NN was developed, and its results were measured to determine the best performance in anomaly detection using DNS query data. Going through the R2 results, it was found that NN could satisfactorily perform the DNS anomaly detection process. Based on the results, the security weaknesses and problems related to unpredictable matters could be practically distinguished, and many could be avoided in advance. Based on the R2 results, the NN could perform remarkably well in general DNS anomaly detection processing in this study.
In this study, we investigated the effectiveness of an ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) technique on the mechanical and wear properties of tungsten carbide (WC). The UNSM technique is a newly developed surface modification technique that increases the mechanical properties of materials by severe plastic deformation. The objective of this study was to improve the wear resistance of press die made of WC by applying the UNSM technique. We observed the microstructures of the untreated and UNSM-treated specimens using a scanning electron microscope (SEM), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) was used to investigate the chemical composition. The SEM observations showed the pore size and the number of pores decreased after the UNSM treatment. We assessed the wear behavior of both the untreated and UNSM-treated specimens using a scratch test. The test results showed that the wear resistance of the UNSM-treated specimens increased by about 46% compared with the untreated specimens. This may be attributed to increased hardness, reduced surface roughness, induced compressive residual stress, and refined grain size following the application of the UNSM technique. In addition, we found that the UNSM treatment increased the carbon concentration to 63% from 33%. We expect that implementing the findings of this study will lead to an increase in the life of press dies.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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