Prototypical implementation of an additively manufactured modular ceiling and load-bearing capacity investigations of 3D-printed slab modules

Abstract

Tato práce zkoumá prototypové provedení aditivně vyráběného modulárního stropního systému se zaměřením na jeho výrobní proces, konstrukční vlastnosti a dopad na životní prostředí. Výzkum zkoumá nejmodernější techniky 3D tisku betonu založené na vytlačování (3DCP) a zdůrazňuje jejich potenciál optimalizovat využití materiálu ve stavebnictví snížením hmotnosti betonu až o 70 %. Byl vyvinut, vytištěn, sestaven a otestován demonstrátor obsahující pět modulů stropního systému. Moduly, včetně sloupových a polních modulů, byly vyrobeny z betonu vyztuženého uhlíkem a jsou spojeny využitím předpínacích sil k vytvoření vnitřní tlakové síly. Práce se zabývá výzvami v procesu 3D tisku, včetně chování materiálu, integrace výztuže a zlepšení spojů. Pro vyhodnocení nosnosti tištěných modulů byly provedeny analýzy konečných prvků a konstrukční zkoušky, například zkoušky děrováním ve smyku a ohybem. Byla také navržena koncepce automatizované výroby modulů, jejímž cílem je pokročit směrem k plné automatizaci 3DCP. Zjištěné poznatky prokazují proveditelnost modulárních žebrových stropních systémů pro reálné aplikace a zdůrazňují jejich konstrukční životaschopnost, přínos pro životní prostředí a potenciál revoluce ve stavební praxi. Notice: This text has been automatically translated by www.deepl.com

This thesis investigates the prototypical implementation of an additively manufactured modular ceiling system, focusing on its production process, structural performance, and environmental impact. The research explores state of the art extrusion-based 3D concrete printing (3DCP) techniques, highlighting their potential to optimize material usage in the construction industry by reducing concrete mass by up to 70 %. A demonstrator containing five modules of the ceiling system was developed, 3D-printed, assembled, and tested. The modules, including column-modules and field-modules, were fabricated using carbon-reinforced concrete and are connected by utilizing prestressing to create an internal compression force. The thesis addresses challenges in the 3D-printing process, including material behavior, reinforcement integration, and bond improvement. Finite element analyses and structural tests, such as punching shear and bending tests, were carried out to evaluate the load-bearing capacity of the printed modules. A concept for automated module production was also proposed, aiming to advance toward full automation in 3DCP. The findings demonstrate the feasibility of modular ribbed ceiling systems for real-world applications, emphasizing their structural viability, environmental benefits, and potential to revolutionize construction practices.