Експериментальне випробування плити перекриття складної геометрії, виконаної за допомогою технології 3DCP
DOI:
https://doi.org/10.32347/2522-4182.17.2025.102-118Ключові слова:
3DCP, топологічна оптимізація, експериментальне випробування, прогини, рівномірно розподілене навантаженняАнотація
У статті наведено результати комплексного експериментального дослідження залізобетонної тонкостінної плити складної геометрії, виготовленої методом 3D-друку бетоном (3DCP). Метою роботи є оцінювання напружено-деформованого стану, жорсткісних характеристик та загальної працездатності плити з внутрішньою структурою, сформованою на основі принципів раціонального перерізу та топологічного формоутворення. Досліджуваний зразок розміром 2200×2200 мм містив систему криволінійних ребер та комірчастих порожнин, надрукованих шарами завтовшки 20 мм. Така геометрія забезпечувала перерозподіл матеріалу відповідно до очікуваних полів напружень та мала на меті покращення конструктивної ефективності при зменшенні маси.
Випробування здійснювались на жорсткому просторовому сталевому стенді з опиранням плити по контуру. Навантаження прикладалося поетапно шляхом укладання чавунних мірних блоків масою 21 кг та важких бетонних блоків ФБС масою 518 кг, що забезпечували еквівалентне рівномірно розподілене навантаження. Загалом виконано 12 етапів навантаження з витримкою 15 хв на кожному кроці, а максимальний тиск на поверхню становив 25.06 кН/м². Геометричну деформативність контролювали трьома високоточними прогиномірами (0.01 мм), тоді як локальні деформації фіксували десять тензометричних датчиків із базою 20 мм, наклеєних у характерних зонах верхньої та нижньої поверхонь плити.
Аналіз отриманих результатів показав, що плита працює у межах лінійно-пружної деформативності в усьому діапазоні навантажень. Максимальний прогин у центрі досяг 2.06 мм, а після повного розвантаження зменшився до 0.63 мм, що підтверджує значну частку зворотних деформацій та відсутність пошкоджень у матеріалі. Показання тензодатчиків засвідчили рівномірний розвиток стискаючих і розтягуючих деформацій, їх кореляцію з полем згинальних моментів та відсутність локальних зон концентрації напружень. Деформаційні криві не містили стрибків або аномалій, що вказує на цілісність міжшарових з’єднань і відсутність ознак руйнування.
Отримані результати підтверджують ефективність застосування технології 3DCP для створення несучих плит перекриття складної внутрішньої структури, демонструють високу жорсткість та надійність друкованого елемента й підкреслюють перспективи розвитку топологічно оптимізованих залізобетонних конструкцій у сучасному будівництві.
Посилання
Buswell, R. A., De Silva, W. L., Jones, S. Z., & Dirrenberger, J. (2018). 3D printing using concrete extrusion: A roadmap for research. Cement and Concrete Research, 112, 37–49. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.05.006
Liu, D., Duan, Z., Li, L., Liu, J., & Li, Z. (2023). 3D printing concrete structures: State of the art, challenges, and opportunities. Construction and Building Materials, 405, 133364. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.133364
Rehman, A. U., Kim, J. H., & Jang, J. G. (2021). 3D concrete printing: A systematic review of rheology, mix designs, mechanical, microstructural, and durability characteristics. Materials, 14(14), 3800.
https://doi.org/10.3390/ma14143800
Fasihi, A., Ghourchian, S., Lark, R. J., et al. (2024). From pumping to deposition: A comprehensive review of 3D concrete printing material characterization test methods. Construction and Building Materials, 432, 134968. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.134968
Zhuang, Z., Xu, F., Ye, J., et al. (2024). A comprehensive review of sustainable materials and toolpath optimization in 3D concrete printing. npj Materials Sustainability, 2, 12. https://doi.org/10.1038/s44296-024-00017-9
Jipa, A., & Dillenburger, B. (2022). 3D Printed Formwork for Concrete: State-of-the-Art, Opportunities, Challenges, and Applications. 3D Printing and Additive Manufacturing, 9(2), 86–107.
https://doi.org/10.1089/3dp.2021.0024.
Burger, J. J., Mata-Falcón, J., & Dillenburger, B. (2022). Design and fabrication of optimised ribbed concrete floor slabs using large-scale 3D printed formwork. Automation in Construction, 144, 104599.
https://doi.org/10.1016/j.autcon.2022.104599 .
Mata-Falcón, J., Burger, J. J., & Dillenburger, B. (2022). Digitally fabricated ribbed concrete floor slabs. RILEM Technical Letters, 7, 68–78. https://doi.org/10.21809/rilemtechlett.2022.161
Jipa, A., Barentin, C., Javier, C., et al. (2019). 3D-Printed formwork for integrated funicular concrete slabs. In Proceedings of the IASS Symposium 2019(6), 1-10. https://doi.org/10.3929/ethz-b-000387460
Aghaei Meibodi, M., Bernhard, M., Jipa, A., et al. (2018DF). The Smart Takes from the Strong: 3D printing stay-in-place formwork for concrete slab construction. In E. Doubrovski, M. R. Tamke, M. R. Thomsen, et al. (Eds.), Fabricate 2017: Rethinking Design and Construction (pp. 210–217). UCL Press.
https://doi.org/10.3929/ethz-b-000237103
Aghaei Meibodi, M., Jipa, A., Giesecke, R., et al. (2018). Smart Slab: Computational design and digital fabrication of a lightweight concrete slab. In ACADIA 2018: Recalibration: on imprecision and infidelity (pp. 434–443). https://doi.org/10.52842/conf.acadia.2018.434
Ma, J., Gomaa, M., Bao, D. W., Rezaee Javan, A., & Xie, Y. M. (2022). PrintNervi – Design and construction of a ribbed floor system in the digital era. Journal of the International Association for Shell and Spatial Structures, 63(2), 241–251.
https://doi.org/10.20898/j.iass.2022.017
Bendsøe, M. P., & Sigmund, O. (2004). Topology Optimization: Theory, Methods and Applications. Springer.
https://doi.org/10.1007/978-3-662-05086-6
Demchyna, B., Vozniuk, L., Surmai, M., Havryliak, S., & Famulyak, Y. (2023). Experimental study of the dome model made using a 3D printer from PLA plastic. AIP Conference Proceedings, 2949(1), 020025.
https://doi.org/10.1063/5.0165270
Demchyna, B., Vozniuk, L., Surmai, M., Burak, D., & Shcherbakov, S. (2024). 3D printing technology for monolithic beams with the possibility of reinforcing bars. Bulletin of Lviv National Environmental University. Series Architecture and Construction, 25, 32–37. [in Ukraine]
https://doi.org/10.31734/architecture2024.25.032
Huang, X., & Xie, Y. M. (2010). Evolutionary Topology Optimization of Continuum Structures: Methods and Applications. John Wiley & Sons.
https://doi.org/10.1002/9780470689486
Xia, L., Xia, Q., Huang, X., & Xie, Y. M. (2018). Bi-directional evolutionary structural optimization on advanced structures and materials: A comprehensive review. Archives of Computational Methods in Engineering, 25(1), 437–478.
https://doi.org/10.1007/s11831-016-9203-2
Stoiber, N., & Kromoser, B. (2021). Topology optimization in concrete construction: A systematic review on numerical and experimental investigations. Structural and Multidisciplinary Optimization, 64(3), 1725–1749.
https://doi.org/10.1007/s00158-021-03019-6
Bialkowski, S. (2018). Topology Optimisation Influence on Architectural Design Process – Enhancing Form Finding Routine by tOpos Toolset Utilisation. In Proceedings of the eCAADe 2018 Conference (pp. 139–148). https://doi.org/10.52842/conf.ecaade.2018.1.139
Tang, T., Wang, L., Zhu, M., Zhang, H., Dong, J., Yue, W., & Xia, H. (2024). Topology Optimization: A Review for Structural Designs Under Statics Problems. Materials, 17(23), 5970.
https://doi.org/10.3390/ma17235970
Hager, I., Maroszek, M., Mróz, K., et al. (2022). Interlayer bond strength testing in 3D-printed mineral materials for construction applications. Materials, 15(12), 4112.
https://doi.org/10.3390/ma15124112
Kalmykov, O., Gaponova, L., Reznik, P., & Grebenchuk, S. (2017). Use of information technologies for energetic portrait construction of cylindrical reinforced concrete shells. MATEC Web of Conferences, 116, 02017. [in Ukraine]
https://doi.org/10.1051/matecconf/201711602017
Shmukler, V., Petrova, O., Reznik, P., Hamad, F. S., & Sosnowska, M. (2019). Improvement of the structural parameters of the reinforced concrete support in a mesh cage. AIP Conference Proceedings, 2077(1), 020048. https://doi.org/10.1063/1.5091909
Kalmykov, O. O., Reznik, P. A., V’iunkov-skyi, V. P., Demianenko, I. M., & Buldakov, O. O. (2025). Towards the optimization of reinforced concrete slab topology. Municipal Economy of Cities. Series: Information Technology and Engineering, 192, 228–235. [in Ukraine]
https://doi.org/10.33042/3083-6727-2025-4-192-228-235
Shmukler, V. S., Vozniuk, L. I., & Berezhna, K. V. (2022). Energy portrait of the structural system as a criteria for option design. Bulletin of Kharkov National Automobile and Highway University, 98, 136–143. [in Ukraine]
https://doi.org/10.30977/BUL.2219-5548.2022.98.0.136
Sanjayan, J. G., Nematollahi, B., Xia, M., & Marchment, T. (2018). Effect of surface moisture on inter-layer strength of 3D printed concrete. Construction and Building Materials, 172, 468–475.
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.03.232
Skibicki, S., Dvorak, R., Pazdera, L., et al. (2024). Anisotropic mechanical properties of 3D printed mortar by standard flexural and compression test and acoustic emission. Construction and Building Materials, 452, 138957. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.138957
Reznik, P. A., Petrenko, D. H., Volodymyrov, A. V., Alataiev, D. A., & Maksymenko, V. O. (2025). Strength anisotropy of 3d-printed concrete: experimental investigation and statistical analysis. Scientific Bulletin of Construction, 112(1), 248–255. [in Ukraine]
https://doi.org/10.33042/2311-7257.2025.112.1.30
Zhang, K., Lin, W., Zhang, Q., et al. (2024). Evaluation of anisotropy and statistical parameters of compressive strength for 3D printed concrete. Construction and Building Materials, 440, 1374417.
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.137417
Panda, B., Noor Mohamed, N. A., Paul, S. C., Bhagath Singh, G., Tan, M. J., & Šavija, B. (2019). The Effect of Material Fresh Properties and Process Parameters on Buildability and Interlayer Adhesion of 3D Printed Concrete. Materials, 12(13), 2149.
https://doi.org/10.3390/ma12132149
Kalmykov, O. O., & Binkevych, K. O. (2024). Experimental determination of floor panels deformability of a large-panel system building after renovation. Scientific Bulletin of Construction, 110, 42–52. [in Ukraine]
https://doi.org/10.33042/2311-7257.2024.110.1.7
Kripak, V., Kolyakova, V., & Gaidai, M. (2021). Research on the effectiveness of reinforced concrete monolithic floors with hollow liners. Building constructions. Theory and practice,(9), 15–29.[in Ukraine]
https://doi.org/10.32347/2522-4182.9.2021.15-29
Demchyna, B., Voznyuk, L., Burak, D., & Shcherbakov, S. (2024). 3D printing of beams with the possibility of installing transverse reinforcement, taking into account the peculiarities of the construction printer. Building construction. Theory and practice, (14), 57–66. [in Ukraine]
