Off-site 3D concrete printing construction system for structural building frames
Date
2024-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The human population and urbanisation continue to rise. To provide the economic and social benefits that cities promise, the supply of affordable and adequate housing must match the growing urban population, especially in developing countries. Developing countries, such as South Africa, need to provide adequate housing for millions of people residing in informal settlements. The problem requires a multi-faceted solution. One part of the solution is to improve the productivity of the construction industry through industrialisation. 3D concrete printing (3DCP) and off-site construction (OSC) is a construction technology and approach that promises increased industrialisation and productivity. Structural frames are effective solutions for multi-storey residential buildings. Although 3DCP has successfully been used in several construction projects, few of these projects are multi-storey buildings and none of the buildings utilises a 3D printed concrete (3DPC) structural frame. The lack of research on the use of 3DCP to construct structural frames and the need for the development of 3DCP design and fabrication techniques for multi-storey buildings is identified. Furthermore, the potential to increase the productivity of a construction system by employing OSC techniques is acknowledged. Therefore, this study aims to develop and experimentally evaluate the feasibility of an off-site 3DCP construction system for structural frames of low-rise residential buildings . This dissertation starts by laying a foundation for the development of the construction system using a systematic literature review of both OSC and 3DCP. Thirty-four stakeholder-linked targeted actions which aim to enable the success of off-site 3DCP construction systems are determined. A target frame for the construction system is defined by considering the problem statement and motivation of the dissertation and by conducting case studies of local affordable housing projects. An ideal concept of the off-site 3DCP construction system is defined and a development strategy is formulated using systems engineering tools. Two of the tasks from the development strategy are completed. A novel 3DPC beam is designed, fabricated, and experimentally tested. The beam design methods accurately predicted the flexural resistance of the beam within 6%, however. The study identified that alternative shear design equations are required to predict the shear capacity of 3DPC beams without shear reinforcement. A novel 3DPC https://scholar.sun.ac.za iii pinned demountable beam-column connection is developed, fabricated, and experimentally tested. The connection successfully surpasses the required rotation without undergoing damage, validating its classification as a pinned connection. In essence, this dissertation determines: what is necessary to develop an off-site 3DCP construction system; what the user should be able to build with the construction system, what the construction system should consist of and how can it be developed; how to design and fabricate an off-site 3DPC beam; and how to design and fabricate a demountable pinned 3DPC beam-column connection. The tasks of the defined development strategy that are successfully completed show that 3DPC elements and connections have significant potential to be suitable for structural frames. The off-site 3DCP construction system is shown to be feasible for further development towards the realisation of a full-scale 3DPC structural frame.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die menslike bevolking en verstedeliking neem steeds toe. Om die ekonomiese en maatskaplike voordele te bied wat stede inhou, moet die aanbod van bekostigbare en voldoende behuising ooreenstem met die groeiende stedelike bevolking, veral in ontwikkelende lande. Ontwikkelende lande, soos Suid-Afrika, moet voldoende behuising verskaf aan miljoene mense wat in informele nedersettings woon. Die probleem vereis 'n veelsydige oplossing. Een deel van die oplossing is om die produktiwiteit van die konstruksiebedryf deur industrialisasie te verbeter. 3D-betondrukwerk (3DBD) en konstruksie buite die terein (KBT) is 'n konstruksietegnologie en benadering wat verhoogde industrialisasie en produktiwiteit beloof. Strukturele rame is effektiewe oplossings vir veelverdieping residensiële geboue. Alhoewel 3DBD suksesvol in verskeie konstruksieprojekte gebruik is, is min van hierdie projekte veelverdieping geboue en geen van die geboue gebruik 'n 3D gedrukte beton (3DGB) strukturele raam nie. Die gebrek aan navorsing oor die gebruik van 3DBD om strukturele rame te bou en die behoefte aan die ontwikkeling van 3DBD ontwerp en vervaardigingstegnieke vir meerverdiepinggeboue word geïdentifiseer. Verder word die potensiaal om die produktiwiteit van 'n konstruksiestelsel te verhoog deur KBT tegnieke te gebruik, erken. Daarom het hierdie studie ten doel om die uitvoerbaarheid van 'n af terrein 3DBD-konstruksiestelsel vir strukturele rame van lae residensiële geboue te ontwikkel en eksperimenteel te evalueer. Hierdie proefskrif begin deur 'n grondslag te lê vir die ontwikkeling van die konstruksiestelsel deur 'n sistematiese literatuuroorsig van beide KBT en 3DGB te gebruik. Vier-en-dertig belanghebbende-gekoppelde geteikende aksies wat daarop gemik is om die sukses van buite terrein 3DBD konstruksiestelsels moontlik te maak, word bepaal. 'n Teikenraamwerk vir die konstruksiestelsel word gedefinieer deur die probleemstelling en motivering van die proefskrif te oorweeg en deur gevallestudies uit te voer van plaaslike bekostigbare behuisingsprojekte. 'n Ideale konsep van die buite terrein 3DBD konstruksiestelsels word gedefinieer en 'n ontwikkelingstrategie word geformuleer deur gebruik te maak van stelselingenieursbeginsels. Twee van die take van die ontwikkelingstrategie is voltooi. 'n Nuwe 3DGB-balk word ontwerp, vervaardig en eksperimenteel getoets. Die balkontwerpmetodes het die buigweerstand van die balk binne 6% akkuraat voorspel, maar alternatiewe ontwerpoplossings word benodig om die skuifweerstand te voorspel. 'n Nuwe 3DGB-geskarnierde verwyderbare balk-kolom-verbinding word ontwikkel, vervaardig en eksperimenteel getoets. Die verbinding voldoen aan die vereiste rotasie kriteria sonder om skade te ondergaan, wat sy klassifikasie as 'n geskarnierde verbinding bevestig. In wese bepaal hierdie proefskrif: wat nodig is om 'n buite terrein 3DBD konstruksiestelsels te ontwikkel; wat die gebruiker moet kan bou met die konstruksiestelsel, waaruit die konstruksiestelsel moet bestaan en hoe dit kan ontwikkel word; hoe om 'n buite terrein 3DGB balk te ontwerp en te vervaardig; en hoe om 'n 3DGB-geskarnierde verwyderbare balk-kolom-verbinding te ontwerp en te vervaardig. Die take van die gedefinieerde ontwikkelingstrategie wat suksesvol voltooi is, toon dat 3DGB-elemente en verbindings aansienlike potensiaal het om geskik te wees vir strukturele rame. Daar word getoon dat die buite terrein 3DBD-konstruksiestelsel haalbaar is vir verdere ontwikkeling tot die verwesenliking van 'n volskaalse 3DGB-strukturele raam.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die menslike bevolking en verstedeliking neem steeds toe. Om die ekonomiese en maatskaplike voordele te bied wat stede inhou, moet die aanbod van bekostigbare en voldoende behuising ooreenstem met die groeiende stedelike bevolking, veral in ontwikkelende lande. Ontwikkelende lande, soos Suid-Afrika, moet voldoende behuising verskaf aan miljoene mense wat in informele nedersettings woon. Die probleem vereis 'n veelsydige oplossing. Een deel van die oplossing is om die produktiwiteit van die konstruksiebedryf deur industrialisasie te verbeter. 3D-betondrukwerk (3DBD) en konstruksie buite die terein (KBT) is 'n konstruksietegnologie en benadering wat verhoogde industrialisasie en produktiwiteit beloof. Strukturele rame is effektiewe oplossings vir veelverdieping residensiële geboue. Alhoewel 3DBD suksesvol in verskeie konstruksieprojekte gebruik is, is min van hierdie projekte veelverdieping geboue en geen van die geboue gebruik 'n 3D gedrukte beton (3DGB) strukturele raam nie. Die gebrek aan navorsing oor die gebruik van 3DBD om strukturele rame te bou en die behoefte aan die ontwikkeling van 3DBD ontwerp en vervaardigingstegnieke vir meerverdiepinggeboue word geïdentifiseer. Verder word die potensiaal om die produktiwiteit van 'n konstruksiestelsel te verhoog deur KBT tegnieke te gebruik, erken. Daarom het hierdie studie ten doel om die uitvoerbaarheid van 'n af terrein 3DBD-konstruksiestelsel vir strukturele rame van lae residensiële geboue te ontwikkel en eksperimenteel te evalueer. Hierdie proefskrif begin deur 'n grondslag te lê vir die ontwikkeling van die konstruksiestelsel deur 'n sistematiese literatuuroorsig van beide KBT en 3DGB te gebruik. Vier-en-dertig belanghebbende-gekoppelde geteikende aksies wat daarop gemik is om die sukses van buite terrein 3DBD konstruksiestelsels moontlik te maak, word bepaal. 'n Teikenraamwerk vir die konstruksiestelsel word gedefinieer deur die probleemstelling en motivering van die proefskrif te oorweeg en deur gevallestudies uit te voer van plaaslike bekostigbare behuisingsprojekte. 'n Ideale konsep van die buite terrein 3DBD konstruksiestelsels word gedefinieer en 'n ontwikkelingstrategie word geformuleer deur gebruik te maak van stelselingenieursbeginsels. Twee van die take van die ontwikkelingstrategie is voltooi. 'n Nuwe 3DGB-balk word ontwerp, vervaardig en eksperimenteel getoets. Die balkontwerpmetodes het die buigweerstand van die balk binne 6% akkuraat voorspel, maar alternatiewe ontwerpoplossings word benodig om die skuifweerstand te voorspel. 'n Nuwe 3DGB-geskarnierde verwyderbare balk-kolom-verbinding word ontwikkel, vervaardig en eksperimenteel getoets. Die verbinding voldoen aan die vereiste rotasie kriteria sonder om skade te ondergaan, wat sy klassifikasie as 'n geskarnierde verbinding bevestig. In wese bepaal hierdie proefskrif: wat nodig is om 'n buite terrein 3DBD konstruksiestelsels te ontwikkel; wat die gebruiker moet kan bou met die konstruksiestelsel, waaruit die konstruksiestelsel moet bestaan en hoe dit kan ontwikkel word; hoe om 'n buite terrein 3DGB balk te ontwerp en te vervaardig; en hoe om 'n 3DGB-geskarnierde verwyderbare balk-kolom-verbinding te ontwerp en te vervaardig. Die take van die gedefinieerde ontwikkelingstrategie wat suksesvol voltooi is, toon dat 3DGB-elemente en verbindings aansienlike potensiaal het om geskik te wees vir strukturele rame. Daar word getoon dat die buite terrein 3DBD-konstruksiestelsel haalbaar is vir verdere ontwikkeling tot die verwesenliking van 'n volskaalse 3DGB-strukturele raam.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2024.