Дослідження напружено-деформованого стану перекриттів виготовлених методом будівельного 3D-друку
DOI:
https://doi.org/10.32347/2522-4182.18.2026.119-129Ключові слова:
будівельний 3D-друк, адитивні технології, конструкції перекриття, армуванняАнотація
У даній роботі наведено результати експериментальних досліджень конструкцій перекриття, виготовлених із застосуванням технології будівельного 3D-друку, з акцентом на особливостях їх створення та армування. Узагальнено сучасний стан розвитку технології будівельного 3D-друку, зокрема в частині матеріалів і напрямів наукових досліджень. Висвітлено основні наукові підходи у даній сфері, проаналізовано застосовувані матеріали та розглянуто існуючі концепції армування, що можуть бути використані при виготовленні конструкцій методом 3D-друку. Запропоновано конструкцію балкового елемента у вигляді плоскої ферми, що дозволяє підвищити ефективність використання матеріалу та зменшити його власну вагу.
Наведено опис технології виготовлення зразків за допомогою 3D-принтера портального типу з використанням бетонної суміші та традиційного армування сталевими стержнями, яке інтегрувалося в процес друку шляхом ручного укладання між шарами. Представлено методику та результати експериментальних випробувань із визначення несучої здатності зразків. Встановлено характерні стадії роботи конструкції, зокрема появу перших тріщин, їх розвиток та руйнування, а також зони їх локалізації.
Виявлено наявність резерву несучої здатності після початку тріщиноутворення і до повного руйнування конструкції та загальну стабільність експериментальних результатів.
Отримані результати підтверджують працездатність запропонованого конструктив-ного рішення та можливість застосування традиційних методів армування у конструкціях виконаних за допомогою адитивних технологій. Крім того, отримані дані можуть бути використані для подальших розрахунків конструкцій та прогнозування їх роботи при зміні вихідних параметрів. Робота має практичне значення для розвитку технологій будівельного 3D-друку та їх застосування у відновленні пошкоджених об’єктів внаслідок повномасштабної агресії російської федерації.
Посилання
Salet, T. A. M., Ahmed, Z. Y., Bos, F. P., & Laagland, H. L. M. (2018). Design of a 3D printed concrete bridge by testing. Virtual and Physical Prototyping, 13(3), 222–236. https://doi.org/10.1080/17452759.2018.1476064
Asprone, D., Auricchio, F., Menna, C., & Mercuri, V. (2018). 3D printing of reinforced concrete elements: Technology and design approach. Construction and Building Materials, 165, 218–231.
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.01.018
Burger, J., Huber, T., Lloret, E., Mata-Falcón, J., Gramazio, F., & Kohler, M. (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
Демчина, Б., Вознюк, Л., Бурак, Д., & Щербаков, С. (2024). 3D друк балок із можливістю влаштування поперечного армування, враховуючи особливості роботи будівельного принтера. Будівельні конструкції. Теорія і практика, (14), 57–66. https://doi.org/10.32347/2522-4182.14.2024.57-66
Guan, J., Wang, L., & Ma, G. (2022). Performance evaluation of reinforced concrete beam with 3D-printed permanent formwork. SSRN Electronic Journal, 1-38. https://doi.org/10.2139/ssrn.4117121
Резнік, П, Лугченко, О., Володимиров, А., Тенесеску, В., Алатаєв, Д., & Булдаков, О. (2025). Чисельне моделювання залізобетон-них балок із незнімною 3D-друкованою опалубкою. Збірник наукових праць УкрДУЗТ, 212, 82–100. https://doi.org/10.18664/1994-7852.212.2025.336411
Teneșesku, V. (2025). Technological aspects of fabricating a reinforced concrete shell using 3D concrete printing. Building Сonstructions. Theory and Practice, (17), 141–152. https://doi.org/10.32347/2522-4182.17.2025.141-152
Kalmykov, O., Reznik, P., Furman, I., & Demianenko, I. (2025). Experimental testing of a complex-geometry floor slab manufactured using 3DCP technology. Building Сonstruc-tions. Theory and Practice, (17), 102–118. https://doi.org/10.32347/2522-4182.17.2025.102-118
Wangler, T., Roussel, N., Bos, F. P., Salet, T. A. M., & Flatt, R. J. (2019). Digital concrete: A review. Cement and Concrete Research, 123, 105780. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2019.105780
Labonnote, N., Rønnquist, A., Manum, B., & Rüther, P. (2016). Additive construction: State-of-the-art, challenges and opportunities. Automation in Construction, 72, 347–366. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2016.08.026
Cao, X., Yu, S., Cui, H., & Li, Z. (2022). 3D printing devices and reinforcing techniques for extruded cement-based materials: A review. Buildings, 12(4), 453. https://doi.org/10.3390/buildings12040453
Савицький, М., Іванцов, С., Нікіфорова, Т., Зінкевич, О., & Халаф, І. (2020). Напру-жено-деформований стан конструктивних елементів будівель, зведених із використанням технології 3D-друку. Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури, 3(265–266), 80–88. https://doi.org/10.30838/J.BPSACEA.2312.070720.92.645
Anton, A., Reiter, L., Wangler, T., Frangez, V., Flatt, R. J., & Dillenburger, B. (2020). A 3D concrete printing prefabrication platform for bespoke columns. Automation in Construction, 122, 103467.
https://doi.org/10.1016/j.autcon.2020.103467
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. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.05.006
Jo, J. H., Jo, B. W., Cho, W., & Kim, J.-H. (2020). Development of a 3D printer for concrete structures: Laboratory testing of cementitious materials. International Journal of Concrete Structures and Materials, 14, 13. https://doi.org/10.1186/s40069-019-0388-2
Le, T. T., Austin, S. A., Lim, S., Buswell, R. A., Law, R., Gibb, A. G. F., & Thorpe, T. (2012). Mix design and fresh properties for high-performance printing concrete. Materials and Structures, 45, 1221–1232. https://doi.org/10.1617/s11527-012-9828-z
Al-Noaimat, Y. A., Ghaffar, S. H., Chougan, M., & Al-Kheetan, M. J. (2023). A review of 3D printing low-carbon concrete with one-part geopolymer: Engineering, environmental and economic feasibility. Case Studies in Construction Materials, 18, e01818. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2022.e01818
Дворкін, Л., Житковський, В., Степасюк, Ю., & Марчук, В. (2019). Ефективні будівельні розчини для 3D-принтерів. Будівельні матеріали та вироби, 101, 16–21. https://doi.org/10.48076/2413-9890.2020-101-03
Marchment, T., & Sanjayan, J. (2020). Mesh reinforcing method for 3D concrete printing. Automation in Construction, 109, 102992. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2019.102992
Gebhard, L., Mata-Falcón, J., Anton, A., Dillenburger, B., & Kaufmann, W. (2021). Structural behaviour of 3D printed concrete beams with various reinforcement strategies. Engineering Structures, 240, 112380. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2021.112380
Konoplianyk, O., Sopilnyak, A., Sirenok, K., Sereda, S., & Yarova, T. (2024). Constituent components of 3D printing in construction: Mixture, reinforcement and their main characteristics. E3S Web of Conferences, 534, 01009. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202453401009
Ma, G., Li, Z., Wang, L., & Bai, G. (2018). Micro-cable reinforced geopolymer composite for extrusion-based 3D printing. Materials Letters. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.09.159
Hambach, M., Rutzen, M., & Volkmer, D. (2019). Properties of 3D-printed fiber-reinforced Portland cement paste. In 3D Concrete Printing Technology (pp. 73–113). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-815481-6.00005-1
Kloft, H., Empelmann, M., Hack, N., Herrmann, E., & Lowke, D. (2022). Reinforcement strategies for 3D concrete printing. Civil Engineering Design, 2, 131–139. https://doi.org/10.1002/cend.202000022
Савицький, М., Конопляник, О., Мислицька, А., & Лясота, О. (2020). Визначення фізико-механічних характерис-тик бетонів для 3D-друку будівельних конструкцій. Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури, 2(263–264) https://doi.org/10.30838/J.BPSACEA.2312.280420.64.622
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 А. Сопільняк, К. Сіренок
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами: Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
