Geometry-Resolved Modelling of Fresh and Hardened Behaviour in 3D Concrete Printing Process Parameters and Structural Performance

Abstract

Questa tesi indaga come la modellazione agli elementi finiti con geometria esplicita possa supportare la valutazione strutturale di elementi in calcestruzzo stampati in 3D con architetture interne di riempimento. Il lavoro esamina innanzitutto i vincoli allo stato fresco della stampa 3D del calcestruzzo, in cui pompabilità e costruibilità determinano se un elemento stampato possa essere realizzato senza collasso o instabilità. Dopo l’indurimento, lo stesso processo strato per strato lascia giunti freddi, vuoti, debolezze tra gli strati e difetti locali di stampa; di conseguenza, gli elementi stampati non possono essere trattati semplicemente come calcestruzzo gettato omogeneo. Lo studio numerico principale utilizza Abaqus/Explicit e il modello Concrete Damaged Plasticity per modellare nove provini di calcestruzzo stampato in 3D con riempimento interno: topologie Grid, Triangle e Wave a tre livelli di densità, soggette a compressione assiale e carico laterale. I modelli utilizzano proprietà di malta C20 derivate analiticamente, senza calibrazione sui risultati sperimentali. Uno studio parallelo su PLA isola la risposta dovuta alla sola geometria e aiuta a separare gli effetti della topologia da quelli del danneggiamento del calcestruzzo e della produzione. I risultati mostrano che la modellazione con geometria esplicita può cogliere tendenze assiali utili legate alla densità e la localizzazione del danno quando la risposta è governata dal danneggiamento del calcestruzzo e dai percorsi di carico risolti geometricamente. Tuttavia, la capacità laterale viene fortemente sovrastimata quando il collasso è governato da giunti freddi, frattura dei nodi e debolezza tra gli strati, poiché questi meccanismi non sono rappresentati esplicitamente nel modello continuo. Lo stesso schema di modellazione viene poi esteso allo screening progettuale a flessione su tre punti di elementi trave stampati in 3D, utilizzando dati misurati dei materiali C50 e C90 e rinforzo in GFRP. La config

This thesis investigates how geometry-resolved finite element modelling can support the structural assessment of 3D concrete printed elements with internal infill architectures. The work first reviews the fresh-state constraints of 3D concrete printing, where pumpability and buildability govern whether a printed element can be produced without collapse or buckling. After hardening, the same layer-by-layer process leaves cold joints, voids, interlayer weakness, and local printing defects, meaning that printed elements cannot be treated simply as homogeneous cast concrete. The main numerical study uses Abaqus/Explicit and Concrete Damaged Plasticity to model nine 3D printed concrete infill specimens: Grid, Triangle, and Wave topologies at three density levels, under axial compression and lateral loading. The models use analytically derived C20 mortar properties without calibration to the experimental targets. A parallel PLA screening study isolates the geometry-only response and helps separate topology effects from concrete damage and manufacturing effects. The results show that geometry-resolved modelling can capture useful axial density trends and damage localisation when bulk concrete damage and resolved load paths govern the response. However, lateral capacity is strongly overestimated when cold joints, junction fracture, and interlayer weakness control failure, because these mechanisms are not explicitly represented in the continuum model. The same modelling framework is then extended to three-point bending design screening of 3D printed beam concepts using measured C50 and C90 material data and GFRP reinforcement. The reinforced Triangle-C90-GFRP configuration gives the best numerical balance of target load, energy absorption, and mass, but remains a design candidate until physical bending tests are available. The thesis concludes that geometry-resolved CDP is useful as a design and interpretation tool for topology comparison, density studies, damage localisatio