Experimental and numerical study of full-scale reinforced concrete beams with 3DCP permanent formwork

Petro Reznik; Anton Volodymyrov; Dzhamaldii Alataiev; Vladyslav Maksymenko

doi:10.26906/znp.2025.65.4215

Автор(и)

Петро Резнік Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова
Антон Володимиров Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова
Джамалдій Алатаєв Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова
Владислав Максименко Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова

DOI:

https://doi.org/10.26906/znp.2025.65.4215

Ключові слова:

3D-друк бетону, незнімна опалубка, залізобетонна балка, метод скінченних елементів, отенційна енергія деформації

Анотація

У статті наведено оцінку ефективності коробчастої незнімної опалубки, виготовленої за технологією 3D-друку бетону, для повномасштабних залізобетонних балок шляхом її експериментально-теоретичного аналізу. В роботі встановлено вплив 3D-друкованої оболонки на жорсткість, тріщиностійкість і граничну несучу здатність при чотириточковому згині, а також виконано чисельну верифікацію результатів та оцінку за енергетичним критерієм. Проведено повномасштабне випробування 8 балок однакової геометрії (L=3220 мм, b=200 мм, h=320 мм) із бетонним ядром класу C20/25 та 3D-друкованою оболонкою, матеріальні характеристики якої прийнято за попереднім експериментальним дослідженням і наближено до класу C16/20. Розглянуто зразки з малим поперечним армуванням, без поперечного армування, а також з поперечим армуванням та локальними пошкодженнями оболонки. Візуальні спостереження підтвердили згинно-зсувний механізм руйнування з домінуючою похилою тріщиною в приопорній зоні та відсутність протяжної деламінації оболонки від ядра. Порівняння з нормативними показниками міцності показало близькі розрахункові рівні за згином (MRd 34.2 кНм для RC+3DCP та 32.7 кНм для RC) і суттєву різницю за поперечною силою. Нелінійні моделі з мікроплощинною моделлю бетону відтворили огинаючу експериментальних кривих; гранична сила становила 81.9 кН для варіанта з опалубкою та 77.1 кН без опалубки. Енергетичний аналіз за критерієм Василькова–Шмуклера показав концентрацію щільності потенційної енергії деформації у зонах тріщиноутворення та зменшення сумарної енергії для бетонного ядра з друкованою опалубкою до 49.64% в порівнянні з чисто бетонною конструкцією при однакових зовнішніх діях, що інтерпретується як підвищення жорсткості і ефективніша зсувна робота композитного перерізу. Результати обґрунтовують доцільність застосування 3D-друкованої опалубки та окреслюють кроки до масштабування рішення на повторювані елементи і вузли каркасних систем.

Посилання

1. Buswell, R. A., De Silva, W. L., 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.

2. Jipa, A., & Dillenburger, B. (2022). 3D printed formwork for concrete: State-of-the-art, opportunities, challenges, and applications. 3D Printing and Additive Manufacturing, 9(2), 84–107. https://doi.org/10.1089/3dp.2021.0024.

3. Nan, B., Qiao, Y., Leng, J., & Bai, Y. (2025). Advancing structural reinforcement in 3D-printed concrete: Current methods, challenges, and innovations. Materials, 18(2), 252. https://doi.org/10.3390/ma18020252.

4. Zhu, B., Nematollahi, B., Pan, J., et al. (2021). 3D concrete printing of permanent formwork for concrete column construction. Cement and Concrete Composites, 121, 104039. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2021.104039.

5. Jipa, A., Bernhard, M., Meibodi, M., et al. (2016). 3D-printed stay-in-place formwork for topologically optimized concrete slabs. In TxA Emerging Design + Technology (pp. 97–107). UCL Press. https://doi.org/10.3929/ethz-b-000237082

6. Bedarf, P., Calvo-Barentin, C., Martinez Schulte, D., Şenol, A., Jeoffroy, E., & Dillenburger, B. (2023). Mineral composites: Stay-in-place formwork for concrete using foam 3D printing. Architecture, Structures and Construction, 3(2), 251–262. https://doi.org/10.1007/s44150-023-00084-x.

7. Guan, J., Wang, L., Huang, Y., & Ma, G. (2025). 3D printed concrete composite slabs fabricated by prestress reinforced permanent formwork: Design, manufacturing, and performance. Engineering Structures, 325, 119446. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2024.119446.

8. Raza, S., Manshadi, B., Sakha, M., Widmann, R., Wang, X., Fan, H., & Shahverdi, M. (2025). Load transfer behavior of 3D printed concrete formwork for ribbed slabs under eccentric axial loads. Engineering Structures, 322, 119148. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2024.119148.

9. Raza, S., Sakha, M., Hassan, Z., Manshadi, B., Wang, X., Fan, H., Dillenburger, B., & Shahverdi, M. (2025). Flexural behavior of stay-in-place load-bearing 3D-printed concrete formwork for ribbed slabs. Engineering Structures, 338, 120531. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2025.120531.

10. Sakha, M., Raza, S., Wang, X., Fan, H., Pichler, N., & Shahverdi, M. (2026). Design optimization and assessment of stay-in-place 3D printed concrete formwork for slabs. Automation in Construction, 181, 106572. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2025.106572

11. Martins, M., Lameiras, R., & Alencar, G. (2023). Permanent formwork of textile reinforced concrete (TRC) for composite concrete slabs (Version v1) [Conference paper]. Zenodo. https://doi.org/10.5281/zenodo.8133259

12. Arunothayan, A. R., Ramesh, A., & Sanjayan, J. G. (2024). Fire resistance of 3D printed ultra-high performance concrete panels. Journal of Building Engineering, 98, 111100. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.111100

13. Reznik, P. A., Petrenko, D. H., Volodymyrov, A. V., Alataiev, D. A., & Maksymenko, V. O. (2025). Strength anisotropy of 3D-printed concrete: Experimental investigation and statistical analysis. Scientific Bulletin of Construction, 112(1), 248–255. https://doi.org/10.33042/2311-7257.2025.112.1.30

14. Guan, J., Wang, L., Huang, Y., Ma, G., & Tao, Y. (2024). Evaluation of the performance of reinforced concrete beams with 3D-printed permanent formwork. Journal of Intelligent Construction, 2(4), 9180030. https://doi.org/10.26599/JIC.2024.9180030

15. Budiman, F., Halim, A., Chandra, J., & Pudjisuryadi, P. (2023). Flexural and shear behavior of 3D printed reinforced concrete beams: An experimental study. Civil Engineering Dimension, 25(1), 1–9. https://ced.petra.ac.id/index.php/civ/article/view/25350

16. Ter Haar, B., Kruger, J., & van Zijl, G. (2024). Off-site 3D printed concrete beam design and fabrication. Journal of Building Engineering, 89, 109117. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.109117

17. 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

18. Chen, Y., Zhang, W., Zhang, Y., Liu, Z., et al. (2025). A novel in-process rebar integration method for 3D printing reinforced concrete beams and performance evaluation. Virtual and Physical Prototyping, 20(1). https://doi.org/10.1080/17452759.2025.2536556

19. Zhang, S., Kalus, M., Engel, S., Hegger, J., & Claßen, M. (2023). Development of an innovative 3D-printing process for reinforced concrete – AMoRC method. In A. Jędrzejewska et al. (Eds.), SynerCrete 2023: International RILEM Conference (RILEM Bookseries, Vol. 44, pp. 641–652). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-031-33187-9_59

20. Qiu, M., Qian, Y., Sun, Y., & Leung, C. K. Y. (2025). Flexural performance of concrete beams via 3D printing stay-in-place formwork followed by casting of normal concrete. Journal of Sustainable Cement-Based Materials, 14(3), 417–430. https://doi.org/10.1080/21650373.2024.2377275

21. Bong, S. H., Nematollahi, B., Mechtcherine, V., Li, V. C., & Khayat, K. (2024). Three-dimensional-printed engineered, strain-hardening geopolymer composite as permanent formwork for construction of reinforced concrete beam. ACI Structural Journal, 121(2), 37–48. https://doi.org/10.14359/51739159

22. Qiu, M., Qian, Y., & Dai, J.-G. (2024). Enhancing the flexural performance of concrete beams with 3D-printed UHP-SHCC permanent formwork via graded fiber volume fraction. Composite Structures, 341, 118211. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118211

23. Wang, C., Yin, S., Zhao, Y., & Li, Y. (2025). Flexural behavior of composite beams with textile reinforced concrete (TRC) permanent formwork considering interface characteristics. Journal of Building Engineering, 99, 111602. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.111602

24. Wang, H., Shen, J., Sun, X., Dong, W., & Gao, J. (2025). Numerical investigation on shear behaviour of reinforced concrete beam with 3D printed concrete permanent formwork. Journal of Building Engineering, 100(11), 111706. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.111706

25. Lee, M., Mata-Falcón, J., & Kaufmann, W. (2022). Shear strength of concrete beams using stay-in-place flexible formworks with integrated transverse textile reinforcement. Engineering Structures, 271, 114970. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2022.114970

26. Li, L., Shang, C., & Wang, X. (2025). Study on the shear performance of MMOM stay-in-place formwork beams reinforced with perforated steel pipe skeleton. Buildings, 15(15), 2638. https://doi.org/10.3390/buildings15152638

27. Demchyna, B., Vozniuk, L., Surmai, M., Havryliak, S., & Famulyak, Y. (2023). Experimental study of the dome model made using a 3D printer from PLA plastic. AIP Conference Proceedings, 2949(1), 020025. https://doi.org/10.1063/5.0165270

28. 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

29. Reznik, P., Lugchenko, O., Volodymyrov, A., Tenesesku, V., Alatayev, D., & Buldakov, O. (2025). Numerical analysis of 3D printed permanent formwork for reinforced concrete. Collected Scientific Works of the Ukrainian State University of Railway Transport, 212, 82–100. https://doi.org/10.18664/1994-7852.212.2025.336411

30. Kalmykov, O., Gaponova, L., Reznik, P., & Grebenchuk, S. (2017). Use of information technologies for energetic portrait construction of cylindrical reinforced concrete shells. MATEC Web of Conferences, 116, 02017. https://doi.org/10.1051/matecconf/201711602017

31. Shmukler, V. S., Vozniuk, L. I., & Berezhna, K. V. (2022). Energy portrait of the structural system as a criteria for option design. Bulletin of Kharkov National Automobile and Highway University, 98, 136–143. https://doi.org/10.30977/BUL.2219-5548.2022.98.0.136

32. Kalmykov, O. O., Reznik, P. A., V’iunkovskyi, V. P., Demianenko, I. M., & Buldakov, O. O. (2025). Towards the optimization of reinforced concrete slab topology. Municipal Economy of Cities. Series: Information Technology and Engineering, 192, 228–235. https://doi.org/10.33042/3083-6727-2025-4-192-228-235

33. Shmukler, V., Petrova, O., Reznik, P., Hamad, F. S., & Sosnowska, M. (2019). Improvement of the structural parameters of the reinforced concrete support in a mesh cage. AIP Conference Proceedings, 2077(1), 020048. https://doi.org/10.1063/1.5091909

34. Nguyen, M. H., Phan, H. N., Fujikura, S., Thay, V., Nguyen, V. H., Pham, N. P., & Mai, T. T. T. (2025). Experimental and theoretical analyses for flexural performance of reinforced concrete beams using ultra-high-performance concrete permanent formwork panels embedded with reinforcement grids. Structural Concrete, 1–25. https://doi.org/10.1002/suco.70392

35. ДСТУ Б В.2.6-156:2010. Конструкції будинків і споруд. Бетонні та залізобетонні конструкції з важкого бетону. Правила проектування. Національний стандарт України. Чинний від 01.06.2011. Київ: Мінрегіонбуд України, 2011.