9Влияние расположения напечатанных бетонных слоев на прочность конструкции
Кротов Олег Михайлович
магистрант, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, krotovom@mail.ru
Птухина Ирина Станиславовна
к.т.н., доцент, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, irena_ptah@mail.ru
Морозова Юлианна Андреевна
магистрант Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Строительная ЗД-печать сегодня позволяет возводить здания и сооружения за несколько дней. Данная возможность появилась после создания крупногабаритных принтеров, рабочая площадка которых позволяет печатать здание целиком, а также специальных смесей, содержащих в себе пластифицирующие и иные добавки. В данной работе проводится определение прочности напечатанных конструкции в зависимости от направления приложения нагрузки относительно слоев. Определяется наиболее подходящее расположение напечатанных слоев в конструкции. Ключевые слова: строительная ЗД-печать, лабораторный строительный ЗД-принтер, прочность на сжатие, напечатанные слои
(О
сч о сч
Каждый год строительная индустрия получает запросы из реального мира о создании более комфортных и доступных домов [1]. В связи с этим возникает вопрос о качестве строительных материалов, инновационных методах в строительстве, действующих стандартах [2]. Конечно, традиционное строительство прилагает усилия для достижения таких требований, но, тем не менее, эти процессы осуществляются в том же темпе и нуждаются в модификациях [3, 4].
Монолитные работы в строительстве занимают первое место среди существующих методов монтажа каркаса здания благодаря тому, что железобетон обладает высокой прочностью на сжатие и растяжение по сравнению с деревом и кирпичом [5]. Именно поэтому он широко используется при строительстве жилых многоквартирных домов [6, 7]. Однако процесс строительства всегда занимает слишком много времени и также может быть остановлен из-за нехватки финансирования [8]. Эта проблема существует в каждой стране, и ее необходимо решать.
Прогресс строительных технологий следует за развитием автоматизации. Главным изобретением за последнее десятилетие является строительный принтер, который открыл путь к технологии нового строительства - 3D-печати бетоном ^СР) [9, 10]. Теперь для организации печати здания требуется меньше людей. Один человек в команде всегда сидит рядом с оператором компьютера, другой следит за движениями экструдера - печатающей головки строительного принтера, выдавливающей смесь из сопла, согласно заданной в программе траектории [11].
В качестве материала для испытаний использовали готовую бетонную смесь с классом бетона В30 (марка М400). Эта смесь использовалась для испытания 3 типов образцов на сжатие: монолитных, с поперечными слоями и продольных. Испытания проводились в 2 направлениях - перпендикулярном и боковом.
Первый этап работы состоял в выборе формы образцов для тестирования. Поскольку целью работы является сравнение прочностных характеристик, размеры образцов унифицированы. Слои расположены в двух направлениях - продольно и поперечно. После печати образцы были выровнены по одинаковым размерам, а именно отшлифованы.
Печать выполнялась на строительном принтере портального типа. Рабочая площадь принтера для этого исследования составляла 700x700x700 мм. Этих размеров достаточно для удобной работы принтера, а также для добавления смеси в печатающую головку.
Для печатных образцов выбираются 2 направления приложения нагрузки: перпендикулярное и боковое.
Таблица 1
/?И;,Г, МПа Время задержки
5 10 15 20 25 30 40
Направление перпендикулярно 13,8 13,9 14,0 14,2 14,3 14,3 14,7
Направление в бок 10,5 10,8 11,1 11,2 11,3 11,4 11,4
Монолитный элемент 20,7
Основываясь на результатах таблицы, мы построим график для визуального сравнения результатов тестирования (рис. 2).
Снижение прочности при изгибе в случае приложения боковой нагрузки может быть связано с тем, как ведет себя каждый слой при приложении нагрузки.
Для определения прочности на сжатие необходимо знать разрывную нагрузку и площадь рабочей поверхности прижимной пластины. В этой статье используются стандартные размеры плит, а именно, 5 = 40x40 м. После тестирования и определения разрывной нагрузки мы рассчитываем прочность на сжатие монолитных и печатных балок с 20-минутной задержкой по времени в перпендикулярном и боковом направлениях по формуле: Р 42720
К,
сж(пер,2а)
1600
= 26,7 МШ
(2)
Таблица 2
Рисунок 1. Непрерывная печать
На основании результатов испытаний балок на сжатие и изгиб были получены две таблицы с результатами испытаний с 7 различными временными задержками. Чтобы определить прочность балок на изгиб, необходимо знать разрывную нагрузку, квадратное поперечное сечение балок и расстояние между опорами. В этой работе используются стандартные размеры балок и расстояния между опорами, а именно Ь = 40 мм, £ = 160 мм. После тестирования и определения разрывной нагрузки мы рассчитываем прочность монолитных и печатных балок с 20-минутной задержкой по времени в перпендикулярном и боковом направлениях на изгиб по формуле:
_ 1,5 * £ * I _ 1,5 ■ 6,1 ■ 1000 ■ 100 _
^изг(пер,20) --р---^-- 14'3 МПа
йеж, МПа Время задержки
5 10 15 20 25 30 40
Направление перпендикулярно 24,3 25,4 26,1 26,7 27,7 28,5 29,1
Направление в бок 17,8 18,6 19,0 19,5 20,3 20,8 21,3
Монолитный элемент 38,9
Из таблицы видно, что, по аналогии с испытаниями на изгиб, послойно напечатанные балки обладают меньшей прочностью, чем монолитные. Прочность балок, испытанных в перпендикулярном направлении, на 20-25% меньше, чем у сплошных балок.
У / / / / Л
- '■- -3=Г
Рисунок 2. Результаты испытаний на изгиб
Рисунок 3. Результаты испытаний на изгиб
Самая высокая средняя прочность на сжатие была при перпендикулярном направлении приложения нагрузки. Вероятно, это связано с высоким давлением, оказываемым на материал в этом направлении во время процесса экструзии. Самая низкая средняя прочность на сжатие была неизменно обнаружена для бокового направления. Боковое направление оказывает наименьшее давление во время схватывания.
О *
О X
о 3
5 *
и
с т ■и о
5 Т
Ф
а т
о
Т
а
8)
Исходя из результатов исследования, можно сделать вывод, что время набора прочности смеси после замешивания существенно влияет на прочность конструкции и может приблизить прочность слоистого элемента к монолитному, что сделает строительную печать более выгодной, чем традиционное строительство.
Рассматривая вариант использования печатных конструкций, оптимальным вариантом является горизонтальное расположение слоев, когда нагрузка воспринимается структурой в перпендикулярном направлении.
Литература
1. Ватин Н.И., Чумадова Л.И., Гончаров И.С., Зыкова В.В., Карпеня А.Н., Ким А.А., Финашенков Е.А. 3д печать в строительстве // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2018. №1. С. 27-46.
2. Абрамян С.Г., Илиев А.Б., Липатова С.И. Современные строительные аддитивные технологии. Часть 2 // Инженерный вестник Дона. 2018. №1. С. 1-11.
3. Финашенков E.A. 3D-печать в строительстве // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2019. №52. С.27-46.
4. Xu, J.: Volume-forming 3D concrete printing using a variable-size square nozzle // Automation Construction.2019. Vol. 104. P. 95-106.
5. Wei, Y., Tay, D., Qian, Y., Tan, M.J.: Printability region for 3D concrete printing using slump and slump flow test // Compos. Part B. 2019.174. P. 104-118.
6. Papachristoforou, M., Mitsopoulos, V., Stefanidou, M. Mechanics of Materials Evaluation of workability parameters in 3D printing concrete // Procedia Struct. Integr. 2018. Vol. 10. P. 155-162.
7. Kruger, J., Zeranka, S., Zijl, G. Van. Automation in Construction 3D concrete printing : A lower bound analytical model for buildability performance quantification // Automation Construction. 2019. Vol. 106. P. 112-143.
8. Hosseini, E., Zakertabrizi, M., Korayem, A.H., Xu, G.AC SC. Cem. Concr. // Compos. 2020. Vol. 2. P. 102108.
9. Duballet, R., Baverel, O., Dirrenberger, J. Automation in Construction Classification of building systems for concrete 3D printing // Automation Construction. 2019. Vol. 83. P. 247-258.
10.Schutter, G. De, Lesage, K., Mechtcherine, V., Naidu, V., Habert, G., Agusti-juan, I. Cement and Concrete Research Vision of 3D printing with concrete — Technical , economic and environmental potentials. Cem. // Concr. Res. 2021. Vol. 42. P.21-43.
11.Asprone, D., Auricchio, F., Menna, C., Mercuri, V. 3D printing of reinforced concrete elements : Technology and design approach. // Constr. Build. Mater. 2020. Vol. 165. P. 218-231.
The influence of the location of printed concrete layers on the strength of the structure
Krotov O.M., Ptukhina I.S., Morozova Yu.A.
Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University
Construction 3D printing today allows you to erect buildings and structures in a few days. This opportunity appeared after the creation of large-sized printers, the working platform of which allows you to print the entire building, as well as special mixtures containing plasticizing and other additives. In this paper, the strength of the printed structures is determined depending on the direction of application of the load relative to the layers. The most suitable arrangement of the printed layers in the structure is determined.
Keywords: construction 3D printing, laboratory construction 3D printer, compressive strength, printed layers
References
1. Vatin N.I., Chumakova L.I., Goncharov I.S., Zykova V.V., Karpine A.N., Kim A.A., Finashenkov E.A. 3d printing in construction // Construction of unique buildings and structures. 2018. No. 1. p. 27-46.
2. Abramyan S.G., Aliev A.B., Lipatova S.I. Modern additive construction technologies. Part 2 // Engineering Bulletin of the Don. 2018. No. 1. P. 111.
3. Finashenkov E.A. 3D printing in construction // Construction of unique buildings and structures. 2019. No.52. p.27-46.
4. Xu, J.: Volume-forming 3D concrete printing using a variable-size square nozzle // Automation Construction.2019. Vol. 104. P. 95-106.
5. Wei, Y., Tay, D., Qian, Y., Tan, M.J.: Printability region for 3D concrete printing using slump and slump flow test // Compos. Part B. 2019.174. P. 104-118.
6. Papachristoforou, M., Mitsopoulos, V., Stefanidou, M. Mechanics of Materials Evaluation of workability parameters in 3D printing concrete // Procedia Struct. Integr. 2018. Vol. 10. P. 155-162.
7. Kruger, J., Zeranka, S., Zijl, G. Van. Automation in Construction 3D concrete printing: A lower bound analytical model for buildability performance quantification // Automation Construction. 2019. Vol. 106. P. 112-143.
8. Hosseini, E., Zakertabrizi, M., Korayem, A.H., Xu, G.AC SC. Cem. Concr. // Compos. 2020. Vol. 2. P. 102-108.
9. Duballet, R., Baverel, O., Dirrenberger, J. Automation in Construction Classification of building systems for concrete 3D printing // Automation Construction. 2019. Vol. 83. P. 247-258.
10. Schutter, G. De, Lesage, K., Mechtcherine, V., Naidu, V., Habert, G., Agusti-juan, I. Cement and Concrete Research Vision of 3D printing with concrete — Technical , economic and environmental potentials. Cem. // Concr. Res. 2021. Vol. 42. P.21-43.
11. Asprone, D., Auricchio, F., Menna, C., Mercuri, V. 3D printing of reinforced concrete elements: Technology and design approach. // Constr. Build. Mater. 2020. Vol. 165. P. 218-231.
(0 СЧ
о
СЧ
