An experimental and numerical evaluation of the stability of 3D concrete printed overhanging walls

This thesis investigates the stability of straight vertical and overhanging walls produced using 3D Concrete Printing. The research focuses specifically on the printing process, encompassing both experimental testing and numerical simulations. The experimental phase assessed the fresh-age mechanical properties of the printed material using Uniaxial Unconfined Compression Tests. Results revealed an exponential increase in elastic stiffness and compressive strength over time. A subsequent failure analysis examined the effects of out-of-plane angles and wall lengths on collapse height, showing that both factors significantly influenced stability, with longer walls exhibiting greater failure heights. The numerical validation employed a Particle Finite Element Method model to simulate the extrusion and buildup process of the walls, incorporating a novel Elasto Visco Plastic model, which was validated against experimental data for 3DCP. While the numerical model accurately reproduced the layer shape, it tended to underestimate the walls' buildability. Finally, an analytical predictive model for vertical wall failure was compared with experimental collapse heights. Results indicated that both the numerical and the analytical models considerably underestimates the actual failure heights, suggesting that further examination of material properties or printing conditions is required.

Il presente lavoro di tesi ha come scopo l'analisi della stabilità di muri verticali e inclinati realizzati tramite la stampa 3D del calcestruzzo. La ricerca si concentra in particolare sul processo di stampa, comprendendo sia prove sperimentali che simulazioni numeriche. Durante la fase sperimentale, si sono valutate le proprietà meccaniche del calcestruzzo stampato allo stato fresco attraverso prove di compressione uniassiale non confinata. I risultati hanno evidenziato un aumento esponenziale nel tempo del modulo elastico e della resistenza a compressione. Successivamente, è stata eseguita un'analisi sperimentale a collasso dei muri, studiando l'influenza dell'angolo di inclinazione fuori piano e della lunghezza del muro sull'altezza di collasso. Si è osservato che entrambi i parametri influenzano significativamente la stabilità, con muri più lunghi che presentano altezze di collasso maggiori. Nella fase di simulazione numerica, si è utilizzato un modello basato sul Metodo degli Elementi Finiti Particellari per riprodurre il processo di estrusione e costruibilità dei muri, adottando un nuovo legame costitutivo elastoviscoplastico. Quest'ultimo è stato validato con dati sperimentali relativi alla stampa 3D del calcestruzzo. Sebbene il modello numerico riproduca accuratamente la forma degli strati, esso tende a sottostimare la costruibilità dei muri. Infine, un modello analitico per il collasso di muri verticali è stato impiegato per confrontare i risultati ottenuti con quelli sperimentali. In generale, si è riscontrato che sia il modello numerico che quello analitico sottostimano considerevolmente le reali altezze di collasso, il che suggerisce la necessità di effettuare ulteriori studi sulle proprietà dei materiali stampabili e sulle condizioni di stampa.