В новом научном обзоре анализируется поведение бетона, изготовленного с помощью 3D-печати, при землетрясениях и определяются области, в которых технология должна быть усовершенствована для получения разрешения на использование в соответствии с строительными нормами.
Авторы проводят обзор методов экструзионной печати в строительстве и обобщают разрозненные данные о пластичности, демпфировании, жесткости и рассеивании энергии. Они рассматривают 3D-печатный бетон (3DPC) как перспективный путь к геометрической свободе, эффективности использования материалов и автоматизации на строительной площадке, однако также перечисляют известные проблемы: анизотропию, возникающую из-за послойного нанесения, слабое межслойное сцепление и сложность интеграции арматуры. Заявленные значения прочности на сжатие находятся в диапазоне 20–70 МПа, а модуля упругости — в диапазоне 15–30 ГПа, но динамическое поведение определяется в основном границами раздела и ориентацией печати.
Что особенно важно, в статье приводятся цифры. Образцы, нагруженные перпендикулярно направлению валиков, могут потерять примерно тридцать процентов прочности на растяжение; испытания на гистерезис часто показывают на 20–40 процентов меньшее рассеивание энергии, чем у литого бетона, если не добавлять волокна или не проводить постобработку. Эффективные коэффициенты демпфирования обычно находятся в диапазоне 3–6 процентов, с большей изменчивостью, чем у обычного железобетона, поскольку межслойное микротрещинообразование добавляет фрикционное рассеивание и неопределенность.
Почему напечатанный бетон ведет себя по-разному при сейсмической нагрузке
В условиях сейсмической нагрузки направленность имеет значение. Плоскости слоев выступают в качестве предпочтительных путей разрушения, поэтому зарождение трещин, расслоение и снижение жесткости, как правило, локализуются на границах раздела. Это плохо сочетается с предположениями о пластичности, заложенными в современных правилах проектирования железобетонных конструкций, которые предполагают однородное поведение материала и хорошо детализированную арматуру. В обзоре отмечается, что армирование остается узким местом для 3D-проектирования: печать вокруг каркасов затрудняет автоматизацию, последующая установка увеличивает трудозатраты, а стратегии с использованием FRP или только волокон пока не обеспечивают целевые показатели пластичности, кодифицированные в ACI 318 и Еврокоде 8.
Доказательства получены с помощью вибростенда, псевдодинамических и квазистатических циклических испытаний. Хотя эти методы позволяют оценить различные аспекты сейсмического отклика, они сходятся в двух основных моментах: ориентация печати и межслойная адгезия определяют режимы разрушения, а разрыв между мелкомасштабными образцами и полномасштабными стенами остается значительным. Авторы также отмечают достижения в моделировании, от границ когезионных зон до анизотропной механики повреждений, но подчеркивают, что калибровочных данных мало, а лабораторные протоколы различаются.
Оптимизация, доказательства и путь к созданию кодов
Обнадёживает оптимизация формы и топологии. Поскольку 3D-проектирование не ограничено опалубкой, проектировщики могут напрямую добиваться оптимального соотношения жёсткости и веса, а также настраивать динамику. В рассмотренных примерах сообщается о повышении боковой прочности до 25 процентов и поглощении энергии на 18 процентов в оптимизированных сдвиговых стенах по сравнению с прямоугольными конструкциями, а также о решетчатых колоннах, которые примерно на 30 процентов легче, но при этом сохраняют целевые значения периода колебаний и улучшают демпфирование. Криволинейные оболочки, настроенные в сторону, противоположную доминирующим частотам колебаний грунта, показали примерно на 15 процентов более высокую основную частоту и более равномерное распределение напряжений.
Эти преимущества важны и с экономической точки зрения. Меньшая масса снижает инерционные силы и расход бетона, а оптимизированные формы соответствуют роботизированной экструзии, что смещает акцент в проектах в сторону уменьшения количества человеческого фактора. Тем не менее, авторы проявляют осторожность: производительность не количественно оценена, ограничения по возможности печати не всегда включены в процедуры оптимизации, а практические схемы армирования должны развиваться совместно с геометрией, чтобы избежать хрупких разрушений.
Стандартизация — ещё один важный этап. Специальных положений по сейсмостойкости для 3D-проектирования пока нет. В обзоре приводятся примеры ранних работ ASTM, RILEM и ISO, а также предлагаются прагматичные адаптации: коэффициенты снижения прочности и пластичности, зависящие от ориентации, минимальные межслойные сдвиговые критерии и критерии приемлемости сохранения жесткости при циклической нагрузке. До тех пор, пока такие меры не будут формализованы, инженеры будут продолжать полагаться на испытания, специфичные для конкретного проекта, и консервативные предположения.
Что читателям следует посмотреть дальше? Полномасштабные стены и каркасы с проверенными стратегиями армирования, согласованные циклические протоколы в разных лабораториях и замкнутый цикл контроля качества, измеряющий межслойное сцепление в реальном времени. Авторы также выступают за оптимизацию с помощью ИИ, связанную с гибридными испытаниями, и за встраивание датчиков мониторинга состояния конструкций во время печати, чтобы отслеживать демпфирование, растрескивание и смещение в процессе эксплуатации.
Свобода формы обладает огромной силой, но землетрясениям противостоят лишь пластичность.
Источник: Международный журнал гражданского строительства ( PDF)
По вопросам 3d печати, 3d сканированию, обучению в Краснодаре писать сюда:
телеграм — https://t.me/fidller
max — https://max.ru/u/f9LHodD0cOIGiBB1zqbYHFbw7XCslKRI5o6aikK4IGNDZtFio4aCgGJ1gUQ
почта — shope@fidller.com
все о кино тут — https://news.fidller.com
наш магазин — https://fidller.com
мы в телеграм — https://t.me/fidller_com
группа 3д печати — https://vk.com/3d_krd_123
https://t.me/pechat3dkrd
Спасибо!
Теперь редакторы в курсе.