Технологічні аспекти зведення бетонної оболонки за допомогою 3D-друку бетоном
DOI:
https://doi.org/10.32347/2522-4182.17.2025.141-152Ключові слова:
бетонна оболонка, 3D-друк бетоном, опалубка з пінопасту, адитивні технологіїАнотація
У статті основна увага приділена технологічним аспектам виготовлення залізобетонної оболонки за допомогою 3D-друку бетону в поєднанні з полістирольною опалубкою. Було проведено комплексний огляд літератури для аналізу останніх досягнень у методах адитивного виробництва оболонкових конструкцій, з особливим акцентом на розробці та застосуванні гнучких та незнімних опалубочних систем. Було реалізовано покрокову процедуру виготовлення тестового елемента оболонки, включаючи створення цифрової параметричної моделі, а потім виготовлення спеціальної полістирольної форми. Форму було зібрано з використанням шаруватих пінопластових листів, які були вирізані за заздалегідь визначеними шаблонами, склеєні за допомогою клеїв та вручну вдосконалені для забезпечення геометричної точності.
Цифрову модель було оброблено в програмному забезпеченні CAD та перетворено у формат, придатний для слайсування. Операція слайсування була виконана для визначення висоти шару, напрямку друку та траєкторій руху сопла. На основі згенерованого G-коду для виконання процесу адитивного нашарування було використано роботизований бетонний принтер (консольного типу, «UTU 3D»). Бетон укладався шар за шаром на попередньо встановлену пінополістирольну форму, починаючи з нижнього кільця, яке було армовано вбудованими сталевими стрижнями для розміщення вантажопідйомних гаків. Тиксотропна бетонна суміш використовувалася для підтримки стабільності кожного нанесеного шару та запобігання сповзання по криволінійній поверхні форми. Були введені короткі паузи між шарами для керування твердінням та підтримки міжшарового зчеплення.
Готовій оболонці дали затвердіти в нормальних умовах до досягнення бажаної структурної міцності. Дослідження підтвердило доцільність та ефективність поєднання опалубки на основі полістиролу та 3D-друку для створення тонкостінних криволінійних бетонних конструкцій, що пропонує значний потенціал для використання як в експериментальних, так і в промислових цілях у будівельній галузі.
Подальші дослідження спрямовані на проведення повномасштабних випробувань оболонки під дією кваз-рівномірного статичного навантаження з метою визначення несучої здатності та деформативності конструкції.
Посилання
Buswell, R.A., Leal de Silva, W.R., Jones, S.Z., Dirrenberger, J. (2018). 3D printing using concrete extrusion: A roadmap for research, Cement and Concrete Research, (112), 37-49. ISSN 0008-8846. [in English].
https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.05.006
Ma G., Buswell R., Leal da Silva W., Wang L., Xu J., Jones S. (2022). Technology readiness: A global snapshot of 3D concrete printing and the frontiers for development. Cement and Concrete Research. [in English]. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2022.106774.
Kimura, T., Hayashi, S., Muto, T., Yamasaki, K., Sakai, Y., Gondo, T. (2024). Form-finding for free-curved reinforced concrete shell structure considering structural performance and construction formwork. Engineering Structures. 301. 117332. [in English]. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2023.117332
UTU-3D. https://www.utu.com.ua/
Reznik, P., Lugchenko, O., Volodymyrov, A., Tenesesku, V., Alatayev, D., Buldakov, O. (2025) Chyselne modeliuvannia zalizobetonnykh balok iz neznímnoiu 3D-drukovanoiu opalubkoiu [Numerical analysis of 3D printed permanent formwork for reinforced concrete]. Collected scientific works of Ukrainian state university of railway transport, (212), 82–100. [in Ukrainian].
https://doi.org/10.18664/1994-7852.212.2025.336411
Reznik, P., Petrenko, D., Volodymyrov, A., Maksymenko, V., Alatayev, D. (2025). Anizotropiia mitsnosti 3D-drukovanoho betonu: eksperymentalne doslidzhennia ta statystychnyi analiz [Strength anisotropy of 3D-printed concrete: experimental investigation and statistical analysis]. Naukovyi visnyk budivnytstva, (112), 248-257. [in Ukrainian].
https://doi.org/10.33042/2311-7257.2025.112.1.30
Savytskyi, M., Konoplianyk, O., Myslytska, A., Liasota, O. (2020). Determination of physico-mechanical characteristics of concrete for 3D printing building designs. Bulletin of Prydniprovs’ka State Academy of Civil Engineering and Architecture, (2), 59–68. [in Ukrainian].
https://doi.org/10.30838/J.BPSACEA.2312.280420.64.622
Savytskyi, M. V., Ivantsov, S. V., Nikiforova, T. D., Zinkevych, O. H., Khalaf, I. (2020). Stress-strain state of structural elements of buildings constructed using 3D printing technology. Bulletin of Prydniprovs’ka State Academy of Civil Engineering and Architecture, (3), 265–266. [in Ukrainian]
https://doi.org/10.30838/J.BPSACEA.2312.070720.92.645
Vozniuk, L. I., Shcherbakov, S. O., Surmai, M. I., Demchyna, K. B. (2024). Design and manufacture of arches with reinforcement using 3D printing Resource-saving materials, structures, buildings and structures, (45), 401–408. [in Ukrainian].
https://doi.org/10.31713/budres.v0i45.46
Vozniuk, L. I., Burak, D. Yu., Demchyna, K. B., Hovorukha, Yu. (2025). Test results of a beam produced by 3D printing without transverse reinforcement Resource-saving materials, structures, buildings and structures,(48), 133–140. [in Ukrainian].
Shmukler, V., Reznik, P., Krul, Yu., Volodymyrov, A., Binkevych, K. (2024). Design features of the new system for the reconstruction and renovation of large panel buildings. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 1376, 012012. [in English].
https://doi.org/10.1088/1755-1315/1376/1/012012
Shatov, S. V., Savytskyi, M. V., Holubchenko, O. I., Matsiuk, I. M., Shliakhov, E. (2022). Research of optional equipment solutions for 3D-printing of building products. Ukrainian Journal of Civil Engineering and Architecture, 80–88. [in English].
https://doi.org/10.30838/J.BPSACEA.2312.220222.80.836
Demchyna, B. H., Vozniuk, L. I., Burak, D. Yu., Shcherbakov, S. O. (2024). 3D uvannia poperechnoho armuvannia, printing of beams with the possibility of transverse reinforcement, considering the peculiarities of the construction printer. Building Constructions. Theory and Practice, (14), 57-66. [in Ukrainian]
https://doi.org/10.32347/2522-4182.14..2024.57-66
Ivaniuk, E., Pukhkaiev, D., Reichle, M., Zhao, W., Mey, J., Krombholz, M., Tošić, Z., Assmann, U., Klinkel, S., Mechtcherine, V. (2025). Robotic Assembly of Modular Concrete Shells Using Falsework. Developments in the Built Environment, 21, 100616. [in English]. https://doi.org/10.1016/j.dibe.2025.100616
Bedarf, P., Calvo Barentin, C., Schulte, D., Şenol, A., Jeoffroy, E., Dillenburger, B. (2023). Mineral composites: stay-in-place formwork for concrete using foam 3D printing. Architecture, Structures and Construction, 3. [in English].
https://doi.org/10.1007/s44150-023-00084-x
Li, W., Lin, X., Bao, D.W., Xie, Y. (2022). A review of formwork systems for modern concrete construction. Structures. 38. 52-63. [in English]. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2022.01.089
Costanzi, C.B., Ahmed, Z.Y., Schipper, H.R., Bos, F.P., Knaack, U., Wolfs, R.J.M. (2018). 3D Printing Concrete on Temporary Surfaces: The Design and Fabrication of a Concrete Shell Structure. Automation in Construction, 94, 395–404. [in English].
https://doi.org/10.1016/j.autcon.2018.06.013
Burger, J., Lloret, E., Scotto, F., Demoulin, T., Gebhard, L., Mata-Falcón, J., Gramazio, F., Kohler, M., Flatt, R. (2020). Eggshell: Ultra-Thin Three-Dimensional Printed Formwork for Concrete Structures. 3D Printing and Additive Manufacturing, 7(1), 13–22. [in English]. https://doi.org/10.1089/3dp.2019.0197
Wang, X., Yuan, P.F., Xie, M., Leach, N., Yao, J. (2020). 3D-Printed Bending-Active Formwork for Shell Structures. In Architectural Intelligence (pp. 245–256). Springer, Singapore. [in English].
https://doi.org/10.1007/978-981-15-6568-7_18
Shmukler, V.S. (2022). Pro odyn pidkhid formuvannia tekhnolohii proiektuvannia ratsionalnykh konstruktsii. [About one approach to the formation of design technology of rational designs]. Visnyk Kharkivskoho natsionalnoho avtomobilno-dorozhnoho universytetu, (98), 93–113. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.30977/BUL.2219-5548.2022.98.0.93
Lugchenko, O., Reznik, P., Petrova, O., Tenesesku, V. (2023). Numerical Verification of the Positive Gaussian Curvature Shell Topological Optimization Approach. In Smart Technologies in Urban Engineering. Lecture Notes in Networks and Systems (Vol. 807, pp. 164–176). Springer, Cham. [in English]. https://doi.org/10.1007/978-3-031-46874-2_15
Shmukler, V. (2017). Novi enerhetychni pryntsypy ratsionalizatsii konstruktsii [New energy principles of structures rationalization]. Zbirnyk naukovykh prats UkrDUZT, (167), 120–132. [in Ukrainian].
https://doi.org/10.18664/1994-7852.167.2017.97206
Babaev, V., Ievzerov, I., Evel, S., Lantoukh-Liashchenko, A., Shevetovsky, V., Shimanovskyi, O., Shmukler, V., Sukhonos, M. (2019). Rational Design of Structural Building Systems. Berlin: DOM publishers. ISBN 978-3-86922-733-7. [in English].
https://dom-publishers.com/products/rational-design-for-structural-building-systems
Atarihuana, S., Fernández, F., Erazo, J., Narváez, M., Hidalgo, V. (2024). Optimal Strategies for Filament Orientation in Non-Planar 3D Printing. Processes, 12(12), 2811. [in English]. https://doi.org/10.3390/pr1212281
da Silveira Júnior, J.G., de Moura Cerqueira, K., de Araújo Moura, R.C., de Matos, P.R., Rodriguez, E.D., de Castro Pessôa, J.R., Tramontin Souza, M. (2024). Influence of Time Gap on the Buildability of Cement Mixtures Designed for 3D Printing. Buildings, 14(4), 1070. [in English].
