Thermo-mechanical behaviour of steel energy piles

Abstract

Energipeler kan benyttes som et bærekraftig verktøy i overgangen til renere energikilder ved å benytte seg av den relativt stabile temperaturen i bakken. Siden boligsektoren står for en betydelig del av klimagassutslippene og energiforbruket, er fokuset på mer miljøvennlige byggemetoder stort og økende. Pelefundamenter er en nødvendighet i mange byggeprosjekter, og energipeler gir en sømløs måte å utvinne geotermisk energi på uten behov for ekstra plass.

Denne masteroppgaven studerer energipeler i stål. Siden energipeler er utsatt for temperaturendringer, vil utvidelse og sammentrekning av pelen føre til en viss grad av ekstra tøyninger og spenninger avhengig av grensebetingelsene. Målet med denne oppgaven er å vurdere to ulike metoder for den termo-mekaniske oppførselen til energipeler i stål.

To ulike metoder ble benyttet, en analytisk fjærmodell, samt en numerisk modell i elementmetodeprogrammet Plaxis 2D ved bruk av aksesymmetri. Grunnforholdene brukt i denne oppgaven er hentet fra energipelen installert ved Lambeth College i Sør-London. Grunnen er modellert som et 4 meter tykt drenert lag over et mektig lag med høyt plastisk London-leire, hvor leiren antas å virke udrenert. To tilfeller av inspenningsgrad ble studert, et tilfelle hvor pelen er fullt innspent i topp, samt et tilfelle uten innspenning. For å vurdere påvirkningen graden av mekanisk belastning har på den samlede termo-mekaniske responsen, ble den påførte mekaniske belastningen satt til å være henholdsvis 30 % og 50 % av pelens beregnede bæreevne. Pelen ble deretter utsatt for en temperaturendring på +- 10 grader.

Resultatene viste betydelig større termisk induserte forskyvninger og aksialkrefter for den numeriske modellen sammenlignet med den analytiske løsningen. Helningen til t-z- og q-z-kurven i den analytiske løsningen ble kalibrert ved bruk av empiriske kurver fra American Petroleum Institute sin standard. Dette resulterte i et stivere grensesnitt sammenlignet med den numeriske modellen, og understreker viktigheten av stedsspesifikke felttester eller numeriske løsninger for å oppnå en mer omfattende forståelse av energipelens oppførsel.

Energy piles can provide a viable approach towards the shift to cleaner energy by taking advantage of the relatively stable temperature of the subsurface. As the residential sector stands for a substantial part of the greenhouse gas emissions and energy consumption, the focus on more environmental construction is profound and increasing. Pile foundations are a necessity in many building projects, and energy piles offer a seamless way of extracting geothermal energy without the need for additional space.

This master thesis studies energy piles in steel. Given that energy piles are subjected to temperature changes, the expansion and contraction of the pile give rise to additional strains and stresses dependent on the boundary conditions. The aim of this thesis is to assess two different design procedures for the thermo-mechanical response of steel energy piles.

Two different methods were employed, one analytical spring model based on the load transfer method, as well as one numerical model in the FEM software Plaxis 2D using axisymmetric conditions. The soil conditions used in this thesis were taken from the Lambeth College energy pile situated in South London. The ground was modelled as a 4 meter thick drained layer over a deposit of high-plasticity London clay, where the clay was thought to act in an undrained manner. Two extremes of head restraint was studied, one fully restrained pile and one free to move at top. To assess the influence the degree of mechanical load had on the coupled thermo-mechanical response, two magnitudes of load equivalent to 30 % and 50 % of the pile's calculated bearing capacity was applied. Consequently, the pile was subjected to a change in temperature of +- 10 degrees.

The results showed significantly higher thermally induced displacements and axial loads for the numerical model compared to the analytical solution. The slope of the t-z and q-z curve in the analytical solution was calibrated using empirical curves from the standard provided by American Petroleum Institute. This resulted in a stiffer interface compared to the numerical model and underlines the importance of site-specific field tests or numerical solutions in order provide a more comprehensive understanding of the pile's response.