COOP Project: Energy piles under combined loading
Projet COOP: Pieux énergétiques sous sollicitations combinées
Résumé
The growing energy needs of urban areas and the environmental context are leading to the development of new geothermal technologies. In this context, energy geostructures, such as thermo-active (or energy) piles, were developed in the early 1980s and consist of heat exchanger tubes fixed to the reinforcement cages of foundation piles to extract/inject heat from/into the ground to meet the heating and cooling needs of buildings. Their specificity lies in their dual function: structural support and energy exchanger. Therefore, two aspects can be critical and should be considered in their design. The first is the nature of the cyclic thermal load acting along the energy pile, which can affect its mechanical response. Consequently, the cyclic thermal loading can cause a variation in the shear stresses at the soil-pile interface, thereby affecting the pile's load-bearing capacity. The second aspect concerns the adaptation of the design under combined lateral and axial loading, i.e. the interaction between lateral (or axial) loading and the axial (or lateral) behaviour of the energy piles, coupled with volumetric thermal loading acting on the surrounding soil and along the pile. These configurations are the most favourable for the installation of heat exchange tubes, as they mechanically require reinforcement cages along the entire lenght of the pile. The objective of the COOP project, funded by the French National Research Agency (ANR), is to improve the knowledge of the behaviour of energy piles under these complex load configurations by proposing different research topics, from real experimental case studies to physical centrifuge modelling and numerical modelling, with the final aim of providing engineers with a relevant tool for the design of energy piles under combined loading.
Les besoins énergétiques croissants des zones urbaines et le contexte environnemental conduisent au développement de nouvelles technologies de géothermie. Dans ce contexte, les géostructures énergétiques, telles que les pieux thermoactifs (ou énergétiques), ont été développées au début des années 1980 et consistent en des tubes échangeurs de chaleur fixés aux cages de renforcement des pieux de fondation pour extraire/injecter de la chaleur du/dans le sol afin de répondre aux besoins de chauffage et de refroidissement des bâtiments. Leur particularité réside dans leur double fonction : rôle structural et échangeur d'énergie thermique. Par conséquent, deux aspects peuvent être critiques et doivent être pris en compte dans leur dimensionnement. Le premier est la nature de la charge thermique cyclique, qui agit sur toute la longueur du pieu et qui peut affecter sa réponse mécanique. Par conséquent, une charge thermique cyclique peut entraîner une modification des contraintes de cisaillement à l'interface sol-pieu et donc impacter la capacité portante du pieu. Le deuxième aspect concerne l’adéquation de la méthode de calcul à une charge transversale et axiale combinée, c'est-à-dire l'interaction entre la charge transversale (ou axiale) et le comportement axial (ou latéral) des pieux énergétiques, associée à une charge thermique volumétrique agissant sur le sol environnant et le long du pieu. Ces configurations sont les plus favorables à l'installation de tubes d'échange de chaleur, car elles nécessitent mécaniquement des cages de renforcement sur toute la hauteur du pieu. L'objectif du projet COOP, financé par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR), est d'améliorer la connaissance du comportement des pieux énergétiques sous ces configurations de charge complexes en proposant différents thèmes de recherche, allant d'études de cas expérimentaux réels à la modélisation physique en centrifugeuse et à la modélisation numérique, dans le but final de fournir aux ingénieurs un outil pertinent pour le dimensionnement de pieux énergétiques sous chargements combinés.
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Géotechnique
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