Elucidation and evaluation of nonlinear behavior of 3D-printed fiber-reinforced concrete structures

3D 打印纤维增强混凝土结构非线性行为的阐明和评估

• 批准号: 21K18173
• 负责人: 白井 和貴
• 金额: $ 16.64万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-07-09 至 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K18173/
• 关键词: 積層造形; 三次元プリンティング; 3DP; 繊維強化コンクリート; 繊維補強コンクリート

2022年度には、三次元プリンティング（3DP）装置を構成するロボットアーム設備の導入を実施するとともに、3DPモルタルの試験練りおよびポンプ圧送試験を実施した。また、幾何学的非線形を考慮した有限要素法（FEM）解析により、未硬化の3DPモルタルが変形して倒壊に至る挙動の再現を試みた。FEM解析では、自重による鉛直荷重に加えて、3DP施工中または施工直後に中小地震・風荷重・環境振動などを受ける状況を想定し、水平荷重も作用させた。想定する解析対象は、3DPモルタルの概ね直方体の要素構造体とした。解析モデルの平面寸法は、幅（X方向）50 mm、奥行き（Z方向）200 mmとした。高さ（Y方向）寸法は、100、200、300、400、800 mmの5種類とした。X-Y断面を2次元平面応力要素を用いてモデル化し、要素サイズは5 mm角とした。材料は弾性を仮定した。材料のヤング係数は、3種類の経過時間（0、15、90 min）を想定してそれぞれ設定した。3DP施工時のばらつきの発生を考慮し、初期不整有りと無しの2種類を設定した。載荷は、静的荷重制御とし、まずモデル全体（各要素）に自重相当の荷重を鉛直（Y方向）下向きに載荷し、その後に水平力（X方向）をモデル全体（各要素）に一様分布荷重として載荷した。水平力の大きさは、自重の大きさに対してある比率を乗じた値として設定した。FEM解析の結果、モデルの高さ、経過時間、初期不整の有無が変形および倒壊挙動に大きな影響を及ぼすことが分かった。さらに、繊維補強代替モルタル材料でつくられた構造体の力学性能に関する研究発表（国内学会発表および査読付き英文ジャーナル論文刊行）を行った。

2022财年，我们将引进构成3D打印（3DP）装置的机械臂设备，并测试捏合和泵送3DP砂浆。此外，我们尝试使用考虑几何非线性的有限元法 (FEM) 分析来重现未固化 3DP 砂浆变形和倒塌的行为。在有限元分析中，除了由于自身重量产生的垂直荷载外，还施加了水平荷载，假设建筑物在 3DP 施工期间或施工后会受到中小地震、风荷载、环境振动等影响。假设的分析目标是3DP砂浆的大致长方体单元结构。分析模型的平面尺寸为宽度（X方向）50mm、深度（Z方向）200mm。高度（Y方向）尺寸为100、200、300、400、800mm。 X-Y截面采用二维平面应力单元建模，单元尺寸为5 mm见方。假设该材料是有弹性的。假设三种类型的经过时间（0、15和90分钟）来设定材料的杨氏模量。考虑到3DP施工过程中出现的变化，设置了两种类型：有初始不规则性和无初始不规则性。加载为静载荷控制；首先对整个模型（各单元）垂直向下（Y方向）施加相当于自身重量的载荷，然后对模型均匀施加水平力（X方向）。整个模型（每个元素）作为分布式负载加载。水平力的大小设定为自重大小乘以一定比例所得到的值。有限元分析的结果发现，模型的高度、经过的时间以及初始不规则性的存在与否对变形和倒塌行为有很大影响。此外，我们还发表了关于纤维增强替代砂浆材料结构机械性能的研究（在国内会议上发表并发表了同行评审的英文期刊文章）。

项目成果

Experimental investigation on the mechanical and interfacial properties of fiber-reinforced geopolymer layer on the tension zone of normal concrete

• DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.129568
• 发表时间: 2022-12
• 期刊: Construction and Building Materials
• 影响因子: 7.4
• 作者: K. Shirai;Junta Horii;Koki Nakamuta;W. Teo

Heriot Watt University Malaysia(マレーシア)

马来西亚赫瑞瓦特大学（马来西亚）