Stress-Strain State Analysis of a Shallow Spherical Shell Fabricated Using 3DCP

Olena Petrova; Dmytro Petrenko; Vladyslav Tenesesku; Oleksii Buldakov

doi:10.26906/znp.2025.65.4210

Автор(и)

Олена Петрова Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова
Дмитро Петренко Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова
Владислав Тенесеску Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова
Олексій Булдаков Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова

DOI:

https://doi.org/10.26906/znp.2025.65.4210

Ключові слова:

бетони 3D-друку (3DCP), міцність на розтяг при згині, просічно-витяжний лист, скінченно-елементне моделювання, незнімна опалубка

Анотація

У статті розглянуто напружено-деформований стан та несучу здатність пологої сферичної оболонки покриття, виготовленої методом екструзійного 3D-друку бетоном. Метою дослідження є встановлення деформативності оболонки при дії квазірівномірно розподіленого навантаження та числове прогнозування її граничної несучої здатності на основі верифікованої скінченно-елементної моделі.

Об’єктом дослідження є оболонка діаметром 2.2 м, зі стрілою підйому 0.3 м та фактичною товщиною 80 мм, армована по опорному кільцю стрижнями Ø10 A500C. Навантаження створювалося ступінчасто шляхом укладання мішків із піском, рівномірно розподілених по площі оболонки (2.968 м²). Максимальне експериментальне навантаження становило 20.25 кН/м², що відповідало сумарній масі 6.13 т. Вертикальні переміщення вимірювалися механічними прогиномірами, а відносні деформації — тензометричними датчиками. Отримано, що максимальний прогин у центральній зоні досяг 0,235 мм при навантаженні 13,74 кН/м², що свідчить про високу просторову жорсткість оболонки.

Побудовану тривимірну скінченно-елементну модель у ПК LS-DYNA було верифіковано за експериментальними даними; розбіжність не перевищила 17 %. Числовим шляхом встановлено, що руйнування оболонки настає при навантаженні 228.4 кН/м², що відповідає сумарній вазі 67.8 т. Отримані результати підтверджують ефективність застосування 3D-друку бетоном для оболонкових конструкцій.

Посилання

1. Reznik, P., Lugchenko, O., Volodymyrov, A., Tenesesku, V., Dzhamaldii, A., & Buldakov, O. (2025). Numerical analysis of 3D printed permanent formwork for reinforced concrete. Collection of Scientific Works of the Ukrainian State University of Railway Transport, 82–100. https://doi.org/10.18664/1994-7852.212.2025.336411 DOI: https://doi.org/10.18664/1994-7852.212.2025.336411

2. Surehali, S., Tripathi, A., & Neithalath, N. (2023). Anisotropy in additively manufactured concrete specimens under compressive loading—Quantification of the effects of layer height and fiber reinforcement. Materials, 16(15), 5488. https://doi.org/10.3390/ma16155488 DOI: https://doi.org/10.3390/ma16155488

3. Wolfs, R. J. M., Bos, F. P., & Salet, T. A. M. (2019). Hardened properties of 3D printed concrete: The influence of process parameters on interlayer adhesion. Cement and Concrete Research, 119, 132–140. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2019.01.009 DOI: https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2019.02.017

4. Ding, T., Xiao, J., Zou, S., & Zhou, X. (2020). Anisotropic behavior in bending of 3D printed concrete reinforced with fibers. Composite Structures, 254, 112808. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.112808 DOI: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.112808

5. Demchyna, B., Vozniuk, L., Surmai, M., Burak, D., & Shcherbakov, S. (2024). 3D printing technology for monolithic beams with the possibility of reinforcing bars. Bulletin of Lviv National Environmental University. Series: Architecture and Construction, 25, 32–37. https://doi.org/10.31734/architecture2024.25.032 DOI: https://doi.org/10.31734/architecture2024.25.032

6. Zeng, J.-J., Yan, Z.-T., Jiang, Y.-Y., & Li, P.-L. (2024). 3D printing of FRP grid and bar reinforcement for reinforced concrete plates: Development and effectiveness. Composite Structures, 335, 117946. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.117946 DOI: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.117946

7. Zhang, D., Feng, P., Zhou, P., Xu, W., & Ma, G. (2023). 3D printed concrete walls reinforced with flexible FRP textile: Automatic construction, digital rebuilding, and seismic performance. Engineering Structures, 291, 116488. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2023.116488 DOI: https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2023.116488

8. Chen, Y., Zhang, Y., Pang, B., et al. (2022). Steel fiber orientational distribution and effects on 3D printed concrete with coarse aggregate. Materials and Structures, 55, 100. https://doi.org/10.1617/s11527-022-01943-7 DOI: https://doi.org/10.1617/s11527-022-01943-7

9. Surianinov, M., Astafiev, D., Pidgorna, I., Volkov, A., & Baydalinov, A. (2023). Experimental study of long reinforced concrete cylindrical shells subjected to distributed loading. In Progress in Engineering Sciences (pp. 1–8). Trans Tech Publications. https://doi.org/ 10.32347/2076-815x.2023.83.314-324

10. Meza-de Luna, M., Rodríguez, A., & Torres, J. (2024). Experimental Study of Innovative FRC Dome-Shaped Structures with Industrial, Recycled, and Alternative Reinforcing under Compressive Load. Ingeniería e Investigación, 44(1). https://doi.org/10.15446/ing.investig.105266 DOI: https://doi.org/10.15446/ing.investig.105266

11. Du, W., Zhu, L., Zhang, H., Zhou, Z., Wang, K., & Uddin, N. (2023). Experimental and Numerical Investigation of an Innovative 3DPC Thin-Shell Structure. Buildings, 13(1), 233. https://doi.org/10.3390/buildings13010233 DOI: https://doi.org/10.3390/buildings13010233

12. López, D., Bernat-Maso, E., Saloustros, S., Gil, L., Roca, P. (2023). Experimental testing and structural analysis of composite tile – reinforced concrete domes, Engineering Structures, 292, 116512, https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2023.116512 DOI: https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2023.116512

13. Yemelyanova, T., & Lobanova, T. (2021). Stress–strain behavior of reinforced concrete cylindrical tanks under hydrostatic loading: Experimental validation. Construction and Civil Engineering, 1, 42–52. https://doi.org/10.32851/tnv-tech.2021.1.7 DOI: https://doi.org/10.32851/tnv-tech.2021.1.7

14. Gaponova, L. V., Kalmykov, O. A., & Grebenchuk, S. S. (2015). Experimental–theoretical research of the stress–strain state of a spherical shell covering. Collection of Scientific Works of UkrDUZT, 157, 102–113. https://doi.org/10.18664/1994-7852.157.2015.61641 DOI: https://doi.org/10.18664/1994-7852.157.2015.61641

15. Tenesesku, V. (2025). Technological aspects of fabricating a reinforced concrete shell using 3D concrete printing. Building Constructions: Theory and Practice, 17(4), 141–152. https://doi.org/10.32347/2522-4182.17.2025.141-152 DOI: https://doi.org/10.32347/2522-4182.17.2025.141-152

16. Shmukler, V. S., Chuprynin, A. A., & Abbasi, R. (2009). Device for full-scale testing of slabs and shells (Ukrainian utility model patent No. 44125).

17. Reznik, P., Volodymyrov, A., Maksymenko, V., & Alatayev, D. (2025). Strength anisotropy of 3D-printed concrete: Experimental investigation and statistical analysis. Scientific Bulletin of Construction, 112. https://doi.org/10.33042/2311-7257.2025.112.1.30 DOI: https://doi.org/10.33042/2311-7257.2025.112.1.30

18. Henkel Bautechnik Ukraine. (2024, October 3). Ceresit 3D mixture testing protocol (Laboratory report, 2 pp.).

19. LS-DYNA. (2025). LS-DYNA official website. https://lsdyna.ansys.com/

20. Murray, Y. D., Abu-Odeh, A., & Bligh, R. (2006). Evaluation of concrete material model 159 (FHWA-HRT-05-063). Federal Highway Administration.