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

• Project/Area Number: 21K18173
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 23:Architecture, building engineering, and related fields
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 白井 和貴 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (20610968)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 長沼 一洋 日本大学, 理工学部, 特任教授 (50755048)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2025: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2024: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2023: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2022: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2021: ¥9,750,000 (Direct Cost: ¥7,500,000、Indirect Cost: ¥2,250,000)
• Keywords: 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

Outline of Research at the Start

近年、コンクリート材料の三次元プリンティング（3DP）技術が急速に進展している。本研究の目的は、3DPで積層造形された繊維強化コンクリート構造を対象とし、破壊に至るまでの非線形挙動を解明するとともに、保有性能を精度よく評価できる解析手法を構築することである。実施項目は、(1)3DP装置製作と材料試験による材料特性データ取得、(2)載荷実験による部材の非線形力学挙動把握、(3)有限要素法解析による非線形性能の予測手法構築、である。

Outline of Annual Research Achievements

2023年度には、三次元プリンティング（3DP）システムの構築を実施した。3DPシステムは、ポンプ、ホース、ロボットアーム、ノズル等から構成される。ロボットアームを予めプログラミングした経路と速度で制御することにより3DPモルタル構造体を積層施工した。3DPシステムを用いて、3DPモルタル単独の試験体を作製した。さらに、3DPモルタルと後打ちコンクリートの複合試験体を作製した。試験体には、3DP積層施工の方向が異なる試験体も用意した。これらの試験体に対して、各種の力学実験（圧縮強度試験、割裂引張強度試験、曲げ強度試験、せん断試験）を実施した。せん断試験は、スリットを設置することでせん断破壊の弱点部分を設けた要素試験体を用いて1面せん断の圧縮載荷を実施した。これらの実験の結果、単独の3DPモルタル試験体では、積層方向の違いによってせん断強度に差異が生じた。3DPモルタルの積層面は横ずれ方向に関して他の直交方向と比べてせん断強度が低くなった。3DPモルタルと後打ちコンクリートの複合試験体では、単独の試験体と比べてせん断強度が明確に低下した。また、2022年度から引き続いて、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検討を行った。さらに、幾何学的非線形を考慮したFEM解析に基づく未硬化3DPモルタルの変形挙動に関する数値シミュレーションの検討から得られた研究成果について、国内学会（1件）および国際会議（1件）にて発表を行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

実験の進捗については当初計画と比べて遅れが生じているものの、有限要素法（FEM）解析などは順調に進捗しており、全体としては概ね順調に推移していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究の推進方策に関しては、2023年度に引き続いて、3DP積層施工されたモルタル供試体の各種力学試験と非線形有限要素法（FEM）解析などを行うとともに、3DPで製作された部材試験体の載荷実験の準備・実施を行う計画である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Heriot Watt University Malaysia(マレーシア)
• [Int'l Joint Research] Heriot Watt University Malaysia(マレーシア)
• [Int'l Joint Research] Heriot Watt University Malaysia(マレーシア)
• [Journal Article] Experimental investigation on the mechanical and interfacial properties of fiber-reinforced geopolymer layer on the tension zone of normal concrete (2022)
  • Author(s): Shirai Kazutaka、Horii Junta、Nakamuta Koki、Teo Wee
  • Journal Title: Construction and Building Materials Volume: 360 Pages: 129568-129568
  • DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.129568
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 3Dプリンティングモルタルの未硬化時の変形挙動に関するFEM解析 (2023)
  • Author(s): 白井和貴、長沼一洋
  • Organizer: 日本建築学会大会
• [Presentation] Finite Element Analyses on Deformation Behavior of Fresh 3D Printing Mortar (2023)
  • Author(s): Shirai Kazutaka
  • Organizer: The 2nd International Conference on 3D Printing & Additive Manufacturing
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 短繊維補強ジオポリマー硬化体の力学性能に関する基礎検討 その３：曲げ試験 (2022)
  • Author(s): 堀井純太、白井和貴
  • Organizer: 日本建築学会大会