重慶大学の Chen Zhaohui 氏と Zhang Zhigang 氏のチーム: コンクリート構造物の 3D プリント: 最先端の技術、課題、そして機会!

出典: 溶接科学

3Dプリントコンクリート技術は、材料の準備、幾何学的モデリング、構造設計、施工を統合しており、グリーン、低炭素、インテリジェントな建物の本質的な利点を備えており、近年急速に発展しています。最近、重慶大学土木工学部の陳兆輝教授と張志剛准教授のチームが、コンクリート構造物の3Dプリント技術について詳細に説明した最新のレビュー記事「3Dプリントコンクリート構造物：最新技術、課題、機会」を「建設と建築材料」（中国科学院第1ゾーン、トップ、インパクトファクター7.4）誌に掲載しました。 Chen Zhaohui教授とZhang Zhigang准教授が共同責任著者です。

印刷材料と印刷技術の特殊性により、3D プリントコンクリートは独特の巨視的異方性を示しますが、3D プリントコンクリートの構成関係に関する現在の研究は不十分です。 3Dプリントコンクリートの工学的事例は数多くあるが、成熟した構造補強方法と定量的な構造支持力解析の理論と方法はまだ研究する必要がある。材料と印刷プロセスの特定の要件に適応し、材料を効率的に使用するためには、3D プリントされたコンクリート構造物に最適な設計が不可欠です。 3D プリントコンクリートの最適化設計の分野はまだ初期段階にあります。最後に、プレート、シェル、梁、アーチ構造の印刷、接続、構築方法は、3D プリントされたコンクリート構造の多面的な参考資料となります。一般的に、3D プリントされたコンクリート材料と構造の選択、および構造の設計と建設には問題があります。これを基に、エンジニアリングの事例と組み合わせて、材料の機械的特性、構造形式、最適化された設計、接続構築方法の 4 つの側面からレビューを実施します。

仕事のハイライト（1）3Dプリントコンクリート構造物の最新技術のレビュー。
（２）3Dプリントされたコンクリート構造物が直面している現在の課題について説明してください。
（３）３Ｄプリントコンクリート構造物の将来的な可能性を示す。
図1. 3DPC柱プロファイルの製造：（a）不規則空間トラス形状柱、（b）可変断面柱。
図 2. 3DPC 同期補強技術。図 3. 3DPC アーチ橋: (a) 鉄筋コンクリートアーチ橋、(b) 押し出しアーチ橋。
1997 年にコンクリート 3D プリントの概念が提案されて以来、3DPC 技術に関する広範な研究が行われてきました。 3DPC 構造の設計、最適化、建設に関する深い知識と豊富な経験により、資材と労働者の需要を削減できる建設方法として 3DPC 技術が有効に活用されるようになりました。この論文では、材料特性、構造形態、最適化された設計、接続方法という 4 つの側面から 3DPC 構造を包括的にレビューし、3DPC 技術のさらなる発展に向けた課題と将来の機会について説明します。以下の結論を導き出すことができます。

（１）３ＤＰＣ技術は、積層造形プロセスを通じてコンクリート構造物を形成する３Ｄプリント技術である。この特殊な構築技術により、3DPC の層間およびバンド間界面に初期欠陥が発生し、3DPC 構造のパフォーマンスが低下します。通常のコンクリートとは異なり、3DPC は異なる荷重方向における性能が一定ではなく、異方性があります。適切な 3DPC ミックスは印刷性と強度の両方を提供する必要があり、多くの場合、エンジニアは材料構成を設計する際にバランスを取る必要があります。さらに、印刷技術 (層間間隔時間と印刷速度) と印刷ノズルのパラメータ (高さ、形状、サイズ) も 3DPC の機械的特性に影響します。

（２）３ＤＰＣ構造は、一般構造物と同様に、主に圧縮部材（壁、柱、アーチ）と曲げ部材（梁、板）の２つに分類される。圧縮部材は、コンクリートの圧縮特性を最大限に活用でき、断面設計も容易なため、3DPC 構造で最も広く使用されている形式です。 3DPC の曲線部材の場合、通常の梁構造の代わりにトラスシステムが適しています。さらに、従来のプレート構造ではリブ設計を採用しており、3DPC 構造の自重を軽減できます。一方、3DPC構造に適用可能な補強技術も提案されている。横方向補強技術は圧縮部材に広く使用され、一方、ポストテンション補強技術は主に曲げ部材に使用されます。

（３）構造最適化設計は、３ＤＰＣの高い自由度を活かし、より少ない材料でより良い性能を達成することができる。一般的に使用される最適化方法には、材料密度に基づくトポロジー最適化と境界条件に基づくトポロジー最適化があります。曲げ部材の最適設計は圧縮部材の最適設計よりも複雑です。この研究では、長方形グリッドとトラスグリッドがそれぞれ圧縮性能と曲げ性能において優れていることが示されています。さらに、印刷技術も材料特性や構造形態に応じて最適化する必要があります。一般的に、構造と印刷技術の協調的な最適化が構造最適化の最終目標です。

（４）プレハブ３ＤＰＣ構造では、部材の接合方法が構造信頼性確保の基礎となる。現在、3DPC構造に使用されている接続方法には、ポストテンション鋼棒接続、機械接続、押し出し接続などがあります。押し出し接合方式は圧力の伝達に適しており、アーチ構造やシェル構造によく使用されます。曲げ部材は主にポストテンション鉄筋接合方式と機械接合方式を採用しています。また、アセンブリ構造における接続方法は、3DPC構造を参照することもできます。

連絡先著者<br /> Chen Zhaohui、工学博士、教授、博士課程の指導者。 1998年に清華大学土木工学部を卒業し、工学博士号を取得。 1998年より重慶大学土木工学部で教鞭を執る。2004年から2006年にかけては、米国プリンストン大学土木環境工学部の上級客員研究員を務めた。彼は、国家宝鋼優秀教師賞、国家徐智倫機械優秀教師賞、重慶大学優秀教師賞、重慶大学唐立新優秀教師賞、重慶大学「最も人気のある教師」賞を受賞しました。主な研究方向: 構造非線形解析の理論と方法、ランダムフィールドと信頼性の理論と応用、3D プリントされたコンクリート構造の最適化設計の原理と方法、都市インフラ工学のリスク分析の理論と方法。主な成果は、パラメータランダム場下における斜面安定性信頼性、柔軟構造物の非線形解析法、都市地下パイプラインネットワークの安全性解析と監視に関する研究に反映されています。彼は、「第11次5カ年計画」国家水質汚染防止処理重点プロジェクト、「第13次5カ年計画」高性能鋼構造システム研究・実証応用、中国国家自然科学基金総合プロジェクト、教育部重点科学技術研究プロジェクトなど、10件以上の国家、省、省レベルの科学研究プロジェクトを主宰し、研究を行った。国家標準「既存コンクリート構造物の耐久性評価基準」の編纂に参加し、湖南省チェンチョウスポーツセンタースタジアムの風洞試験研究、重慶鵝公岩橋の静的安定性能研究、重慶軌道交通10号線南鶏門長江大橋ケーブルの安全性研究など、いくつかの主要な工学プロジェクトを担当した。彼は 5 件の発明特許と 4 件のコンピュータソフトウェア著作権を取得しています。彼は120本以上の学術論文を発表している。彼は著書『Random Fields: Analysis and Synthesis』（Higher Education Press）やモノグラフ『Theory and Application of Safety Monitoring and Early Warning of Mountain Urban Drainage Network Structures』（Science Press）を出版・翻訳し、3 冊の教科書を編集しました。

張志剛（男性）は山東省聊城市生まれ。博士号、准教授、博士課程の指導者。 2016年にサウスイースト大学で博士号を取得。2013年9月から2015年9月までの2年間、ミシガン大学で交換留学し、ECC材料（曲げられるコンクリートの一種）の発明者であるVictor C. Li教授に師事。主な研究分野は、高延性セメント系複合材料（ECC）とその構造挙動です。現在、国内外の学術誌に40本近くの論文を発表しており、そのうち40本以上（第一著者または責任著者として）がSCIに掲載されています。責任者として、国家自然科学基金プロジェクト2件、第14次5カ年計画国家重点研究開発計画サブプロジェクト1件、省・省レベルプロジェクト2件、土木工学業界重点実験室公開プロジェクト2件を主宰しています。

論文引用
Liu D、Zhang Z、Zhang X、他「3Dプリントコンクリート構造物：最新技術、課題、機会[J]」建設・建築材料、2023年、405：133364。

https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.133364

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