Published August 1, 2023 | Version v1
Publication Metadata-only

Mechanical responses of buoyant bio-inspired foamed concrete structures

Creators

  • 1. RMIT University
  • 2. Ho Chi Minh City University of Technology

Description

This work proposes a new type of lightweight cellular foamed concrete (FC) inspired by natural cellular structures with controllable mechanical properties for different prefabricated engineering applications. The 3D printed formworks are inspired by the lattice structure and triply periodic minimal surface (TPMS) architectures, including gyroid and primitive prototypes. These 3D printed sacrificial thermoplastic Polylactic Acid (PLA) formworks were then infiltrated with two types of foamed concrete with different densities of 600 kg/m3 and 800 kg/m3 and subjected to uniaxial compressive loadings. Furthermore, the X-ray computed tomography (CT) scan was conducted on the prefabricated structures to further observe the PLA-foamed concrete contact region and to investigate the air void characteristics. Numerical simulation was employed for further investigation on the structural performance and failure mechanism of three bio-inspired structures (TPMS-Primitive, -Gyroid, and strut-based lattice). By both numerical and experimental investigations, the gyroid cellular structure yields the highest compressive capacity, followed by the primitive and lattice structures, respectively. Furthermore, based on the X-ray micro-CT scan, the bio-inspired architecture of the moulds showed a significant effect on the size and distribution of air voids, which highly influenced the compressive strength of the infiltrated foamed concrete.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يقترح هذا العمل نوعًا جديدًا من الخرسانة الرغوية الخلوية خفيفة الوزن (FC) مستوحاة من الهياكل الخلوية الطبيعية مع خصائص ميكانيكية يمكن التحكم فيها لمختلف التطبيقات الهندسية الجاهزة. القوالب الجاهزة المطبوعة ثلاثية الأبعاد مستوحاة من البنية الشبكية وبنيات الحد الأدنى من السطح الدوري الثلاثي (TPMS)، بما في ذلك النماذج الدوارة والبدائية. ثم تم تسلل هذه القوالب المصنوعة من حمض البولي لاكتيك الحراري المطبوع ثلاثي الأبعاد بنوعين من الخرسانة الرغوية بكثافات مختلفة تبلغ 600 كجم/م 3 و 800 كجم/م 3 وتعرضت لتحميلات ضاغطة أحادية المحور. علاوة على ذلك، تم إجراء التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية (CT) على الهياكل الجاهزة لزيادة مراقبة منطقة التلامس الخرسانية الرغوية لجيش التحرير الشعبي والتحقيق في خصائص الفراغ الهوائي. تم استخدام المحاكاة العددية لمزيد من التحقيق في الأداء الهيكلي وآلية الفشل لثلاثة هياكل مستوحاة من الأحياء (TPMS - Primitive، - Gyroid، والشبكة القائمة على الدعامات). من خلال كل من التحقيقات العددية والتجريبية، ينتج الهيكل الخلوي الدرقي أعلى قدرة ضاغطة، تليها الهياكل البدائية والشبكية، على التوالي. علاوة على ذلك، استنادًا إلى مسح الأشعة السينية بالأشعة المقطعية الدقيقة، أظهرت البنية المستوحاة من القوالب تأثيرًا كبيرًا على حجم وتوزيع الفراغات الهوائية، مما أثر بشكل كبير على قوة الضغط للخرسانة الرغوية المتسللة.

Translated Description (French)

Ce travail propose un nouveau type de béton cellulaire moussé (FC) léger inspiré des structures cellulaires naturelles avec des propriétés mécaniques contrôlables pour différentes applications d'ingénierie préfabriquées. Les coffrages imprimés en 3D s'inspirent de la structure en treillis et des architectures à surface minimale triplement périodique (TPMS), y compris les prototypes gyroïdes et primitifs. Ces coffrages d'acide polylactique (PLA) thermoplastiques sacrificiels imprimés en 3D ont ensuite été infiltrés avec deux types de béton expansé de densités différentes de 600 kg/m3 et 800 kg/m3 et soumis à des charges de compression uniaxiales. En outre, la tomodensitométrie (CT) à rayons X a été réalisée sur les structures préfabriquées pour observer davantage la région de contact en béton expansé de PLA et pour étudier les caractéristiques des vides d'air. La simulation numérique a été utilisée pour une étude plus approfondie sur la performance structurelle et le mécanisme de défaillance de trois structures bio-inspirées (TPMS-Primitive, -Gyroid, and strut-based lattice). Par des investigations numériques et expérimentales, la structure cellulaire du gyroïde donne la plus grande capacité de compression, suivie par les structures primitives et en treillis, respectivement. En outre, sur la base du micro-TDM aux rayons X, l'architecture bio-inspirée des moules a montré un effet significatif sur la taille et la distribution des vides d'air, ce qui a fortement influencé la résistance à la compression du béton expansé infiltré.

Translated Description (Spanish)

Este trabajo propone un nuevo tipo de hormigón celular espumado (FC) ligero inspirado en estructuras celulares naturales con propiedades mecánicas controlables para diferentes aplicaciones de ingeniería prefabricada. Los encofrados impresos en 3D están inspirados en la estructura de celosía y las arquitecturas de superficie mínima triplemente periódica (TPMS), incluidos los prototipos giroscópicos y primitivos. Estos encofrados de Ácido Poliláctico (Pla) termoplástico de sacrificio impresos en 3D se infiltraron con dos tipos de hormigón espumado con diferentes densidades de 600 kg/m3 y 800 kg/m3 y se sometieron a cargas de compresión uniaxiales. Además, se realizó la tomografía computarizada (TC) de rayos X en las estructuras prefabricadas para observar más a fondo la región de contacto del concreto espumado con Pla y para investigar las características del vacío de aire. Se empleó la simulación numérica para una mayor investigación sobre el rendimiento estructural y el mecanismo de falla de tres estructuras bioinspiradas (TPMS-Primitive, -Gyroid y enrejado basado en puntales). Tanto por investigaciones numéricas como experimentales, la estructura celular del giroide produce la mayor capacidad de compresión, seguida de las estructuras primitiva y reticular, respectivamente. Además, en base a la micro tomografía computarizada de rayos X, la arquitectura bioinspirada de los moldes mostró un efecto significativo en el tamaño y la distribución de los huecos de aire, lo que influyó en gran medida en la resistencia a la compresión del hormigón espumado infiltrado.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
الاستجابات الميكانيكية للهياكل الخرسانية الرغوية المستوحاة من الطفو الحيوي
Translated title (French)
Réponses mécaniques des structures flottantes en béton expansé bio-inspiré
Translated title (Spanish)
Respuestas mecánicas de estructuras flotantes de hormigón espumado bioinspirado

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4377137039
DOI
10.1016/j.conbuildmat.2023.131731

Is supplement to
https://openalex.org/W4285182756 (Other)
https://openalex.org/W3194371431 (Other)
https://openalex.org/W3045946879 (Other)
https://openalex.org/W2991573901 (Other)
https://openalex.org/W2897408495 (Other)
https://openalex.org/W2591600894 (Other)
https://openalex.org/W2244570601 (Other)
https://openalex.org/W2058552998 (Other)
https://openalex.org/W2052418321 (Other)
https://openalex.org/W2006503866 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Vietnam

References

  • https://openalex.org/W1548066750
  • https://openalex.org/W1619336816
  • https://openalex.org/W1726501762
  • https://openalex.org/W1971481904
  • https://openalex.org/W1973929661
  • https://openalex.org/W1978379792
  • https://openalex.org/W1979214972
  • https://openalex.org/W1981934934
  • https://openalex.org/W1993137198
  • https://openalex.org/W2003922525
  • https://openalex.org/W2027137968
  • https://openalex.org/W2029274644
  • https://openalex.org/W2042027617
  • https://openalex.org/W2050117885
  • https://openalex.org/W2065071450
  • https://openalex.org/W2074632304
  • https://openalex.org/W2079930781
  • https://openalex.org/W2084178409
  • https://openalex.org/W2098459033
  • https://openalex.org/W2109520485
  • https://openalex.org/W2140729981
  • https://openalex.org/W2165068471
  • https://openalex.org/W2267822381
  • https://openalex.org/W2342362794
  • https://openalex.org/W2477192699
  • https://openalex.org/W2477846580
  • https://openalex.org/W2524341787
  • https://openalex.org/W2588363712
  • https://openalex.org/W2604368432
  • https://openalex.org/W2610613156
  • https://openalex.org/W2778170818
  • https://openalex.org/W2779341497
  • https://openalex.org/W2789271228
  • https://openalex.org/W2789285902
  • https://openalex.org/W2792252512
  • https://openalex.org/W2802387668
  • https://openalex.org/W2886286816
  • https://openalex.org/W2889278436
  • https://openalex.org/W2889316653
  • https://openalex.org/W2906529300
  • https://openalex.org/W2919312428
  • https://openalex.org/W2961886349
  • https://openalex.org/W2995303686
  • https://openalex.org/W2999502409
  • https://openalex.org/W3001127192
  • https://openalex.org/W3002403555
  • https://openalex.org/W3037631294
  • https://openalex.org/W3137854880
  • https://openalex.org/W3161366894
  • https://openalex.org/W3195009353
  • https://openalex.org/W3211017395
  • https://openalex.org/W4220660116
  • https://openalex.org/W4225095248
  • https://openalex.org/W4244978990
  • https://openalex.org/W4247407820
  • https://openalex.org/W784640385