Fundatii izolate pe piloti energetici. Studiu de caz

Contextul actual al cresterilor preturilor la energie precum si legislatia si directivele europene cu privire la reducerea emisiilor de carbon au creat necesitatea gasirii unor solutii sustenabile si integrate pentru cresterea capacitatii utilizarii surselor de energie locale si regenerabile. Energia geotermala este una dintre cele mai complexe surse de energie regenerabile datorita posibilitatilor foarte variate de exploatare. O zona inovatoare a energiei geotermale de suprafata este reprezentata de structurile geoenergetice. Structurile geoenergetice presupun utilizarea structurilor geotehnice de rezistenta din beton armat si transformarea lor in generatoare de energie regenerabila pentru incalzirea si racirea cladirilor noi avand ca sursa terenul de fundare.

In acest articol este prezentat un studiu de caz privind implementarea unui proiect real folosind structuri geoenergetice, primul de acest tip din Romania, in cadrul planului de extindere a Spitalului Judetean de Urgenta Oradea. Proiectul se refera la realizarea unui sistem de fundare format din fundatii izolate pe piloti energetici care asigura sursa de energie pentru incalzirea si racirea spitalului.

Ca parte a sistemelor de energie geotermala de mica adancime, geostructurile energetice reprezinta un domeniu multi-disciplinar care combina concepte din diferite domenii, ca: energia geotermala, inginerie geotehnica si structurala, instalatii etc. Energia geotermala este energia termica stocata de Terra si se refera in general la acea parte a energiei stocate care poate fi extrasa si convertita in energie utilizata pentru incalzirea si racirea imobilelor. Considerand procesul de descompunere continua a izotopilor radioactivi din rocile crustale, se poate afirma ca energia termica stocata in scoarta terestra este inepuizabila [1].

Sistemul inovator din spatele geostructurilor energetice consta in utilizarea cu dublu rol a elementelor de beton care intra in contact cu pamantul: un rol structural si unul energetic. Rolul structural este acela de a asigura stabilitatea mecanica a fundatiilor, structurilor de sprijin, peretilor tunelurilor etc. Din punct de vedere energetic, rolul elementelor de beton este de a face transferul termic cu pamantul, care este atat sursa de extragere (pentru incalzire), cat si de injectare a caldurii (pentru racire).

Cu toate ca la nivel mondial tot mai multe tipuri de structuri se echipeaza energetic (peretii mulati, tunele sau structuri de sprijin), pilotii energetici raman in continuare elementele echipate cel mai des cu scopul de a efectua transferul termic cu pamantul. Din punct de vedere energetic, performanta acestora este intre 40 W/m si 100 W/m [2]. In general, cand se folosesc pilotii ca elemente de transfer termic al unei geostructuri energetice, radierul este sistemul de fundare utilizat pentru legarea pilotilor la partea superioara.

In acest articol va prezentam conceptele initiale ale unui model diferit de fundatie energetica, constand intr-un sistem de fundatii izolate pe piloti energetici. Fundatiile au fost proiectate pentru extinderea Spitalului Judetean de Urgenta Oradea, prima cladire din Romania fundata pe piloti energetici. Comparativ cu un sistem de fundare de tip radier general, acest tip de fundatie implica o serie de particularitati precum rigiditatea diferita si distanta dintre piloti limitata la dimensiunile fundatiilor, particularitati care isi pun amprenta atat asupra comportamentului termo-mecanic cat si asupra performantelor energetice. Scopul principal al acestei prezentari este de a ilustra si sublinia diferentele din punct de vedere al comportamentului termo-mecanic intre sistemul de fundare de tipul fundatie izolata pe piloti si sistemul de fundare in care pilotii ar fi legati la partea superioara de un radier general.

CARACTERISTICILE AMPLASAMENTULUI

Amplasamentul studiat se afla in Oradea, la baza unui versant cu potential ridicat de producere a alunecarilor de teren, fiind adiacent Spitalului Judetean de Urgenta existent. Studiul geotehnic efectuat pe amplasament a pus in evidenta doua complexe litologice principale. Partea superioara, intre 4 m si 6 m, este compusa din argile nisipoase cafeniu-galbui puternic compresibile, in continuarea carora se afla un strat de baza format din argile si argile prafoase cenusii vartoase si tari. Nivelul apei subterane a fost interceptat la adancimea de 1,00 m fata de cota terenului natural, amplasamentul fiind caracterizat prin infiltratii puternice provenite din zona de versant. Caracteristicile fizico-mecanice conform studiului geotehnic si investigatiilor ulterioare (perioada executiei) ale terenurilor interceptate sunt prezentate in Tabelul 1.

Proiectarea geostructurilor energetice necesita o caracterizare mai complexa a amplasamentului, pe langa informatiile cu privire la stratigrafie si parametri fizico-mecanici ai terenurilor interceptate, un set nou de parametri reprezentat de caracteristici termice ale terenului fiind necesar. Acesti parametri sunt necesari pentru o proiectare tehnic corecta a fundatiilor din punct de vedere al comportamentului termo-mecanic, dar in acelasi timp si eficienta din punct de vedere energetic. Determinarea acestor parametri poate fi deseori dificila, mai ales in zonele in care implementarea geostructurilor energetice este inca la inceput. Pentru o caracterizare cat mai precisa a amplasamentului din punct de vedere energetic, interpretarea datelor din teste in situ ca Testul de Raspuns Termic (TRT) este recomandata in cazul amplasamentelor unde se doreste implementarea geostructurilor energetice [3]. In acest sens, pe amplasamentul noii constructii a fost efectuat un Test de Raspuns Termic intr-un foraj echipat pe o adancime care sa corespunda cu adancimea pilotilor echipati energetic, in urma interpretarii datelor din testul efectuat fiind determinati o serie de parametri termici ce caracterizeaza terenul (Tabelul 2).

ANALIZA TERMO-MECANICA A PILOTILOR ENERGETICI

Una dintre situatiile de proiectare care trebuie luate in calcul in cazul proiectarii geostructurilor energetice este comportarea termo-mecanica a fundatiilor. Analiza termo-mecanica a pilotilor energetici trebuie sa fie facuta pentru ambele sezoane ale anului, cald si rece. Prima situatie este aceea in care se injecteaza caldura in teren pentru racirea cladirii, moment in care pilotii sunt supusi unui fenomen de dilatare, iar cea de-a doua situatie este aceea cand caldura injectata in sezonul cald se extrage in timpul sezonului rece pentru a facilita incalzirea cladirii unde pilotii energetici au fost instalati. In momentul in care pilotii liberi la capete sunt supusi unei incarcari termice, acestia se vor contracta/dilata direct proportional cu coeficientul de expansiune termica a_c (me/°C) si diferenta de temperatura (°C) [4], in conformitate cu ecuatia 1:

e_T-Liber = a_cDT                 (1)

unde

e_T-Liber reprezinta deformatia termica libera a unui pilot liber la ambele capete [5].

In realitate, pilotii sunt incastrati in teren, si in majoritatea cazurilor la partea superioara a acestora se afla o fundatie de tip radier general. Prin urmare, contractarea/dilatarea va fi limitata in functie de tipul de pamant si de gradul de incastrare de la capete, rezultand astfel e_T-Blocat, Ecuatia 2 [6]:

e_T-Blocat = e_T-Liber – e_T          (2)

unde

e_T-Blocat reprezinta deformatiile blocate de pamant si gradul de incastrare de la capete, iar e_T reprezinta deformatiile masurate, date de incarcarile termice suplimentare. Considerand acestea, efortul suplimentar s_T indus de incarcarile termice poate fi definit conform ecuatiei 3 [7]:

s_T = – E(a_cDT – e_T)                    (3)

unde

E reprezinta modulul de elasticitate al sectiunii de calcul, iar semnul minus indica faptul ca deformatiile blocate la interfata pilot-pamant actioneaza ca o forta de sens contrar deformatiei pilotului.

Studiul de caz vizeaza o structura noua cu un numar de 3 nivele, avand ca sistem structural stalpi cu plansee dala, cu deschideri intre stalpi de aproximativ 7,0 m. Date fiind caracteristicile geotehnice slabe ale partii superioare a terenului de fundare, sistemul de fundare ales a fost cel de fundatii indirecte pe piloti, de 10 m lungime, piloti legati la partea superioara de o fundatie izolata. Distributia eforturilor termo-mecanice in cazul unor piloti flotanti incastrati la partea superioara si supusi incalzirii este prezentata in figura 1.

Numarul de piloti energetici proiectati pentru fundatii este intre 4 si 8, in functie de incarcarile transmise. Pentru a putea surprinde comportamentul real la actiunea termica, 7 dintre cei 230 piloti energetici au fost echipati cu diferite tipuri de senzori. Trei dintre piloti au fost echipati cu senzori de temperatura de tip NTC, pentru a putea surprinde distributia temperaturii pe configuratii diferite ale dispunerii tubulaturii, iar 4 dintre piloti au fost echipati cu marci tensiometrice cu fir vibrant in scopul masurarii distributiei eforturilor suplimentare induse de incalzirea/ racirea pilotului. Sectiunile la care au fost pozitionate marcile tensiometrice au fost alese astfel incat distributia eforturilor sa fie surprinsa in puncte-cheie. Nivelul montat la partea superioara (S1 – 0,50 m) are rolul de a evalua incarcarile finale transmise de suprastructura, precum si rigiditatea dintre pilot si fundatie. Nivelul montat la partea inferioara (S4 – 8,50 m) are rolul de a surprinde cat din eforturile transmise pilotilor sunt preluate de rezistenta de frecare laterala si cat din efort va fi transmis mai departe rezistentei pe varf a pilotului, iar sectiunile intermediare (S2 – 2,50 m si S3 – 5,60 m) au rolul de a contura cat mai exact comportamentul termo-mecanic al pilotilor (fig. 2).

Pentru a verifica integritatea senzorilor si distributia preliminara a eforturilor au fost efectuate un numar de 4 citiri. Primele 2 citiri reprezinta citirea de referinta, efectuata la aproximativ 52 de zile dupa turnarea pilotilor [8], urmatoarele 2 citiri fiind efectuate in diferite etape ale constructiei. In figura 3 se pot observa cateva lucruri esentiale, necesare in caracterizarea ulterioara a comportamentului termo-mecanic al pilotilor. Primul aspect care reiese din citirile efectuate este faptul ca rigiditatea conexiunii dintre fundatie si pilot este una mica, majoritatea incarcarilor fiind transmise direct pilotilor. Alt aspect important ce reiese din citirile preliminare efectuate este acela ca o buna parte din incarcari va fi transmisa pe varful pilotului iar rezistenta la frecare laterala in primii 6,00 m este conform asteptarilor pentru un teren cu compresibilitate foarte mare.

Pentru a putea surprinde eforturile termo-mecanice din incalzirea pilotilor, si a compara cu situatia in care pilotii ar fi fost legati la partea superioara de un radier general, s-a efectuat o analiza numerica folosind programul ThermoPile. Pentru analiza a fost considerata o fundatie izolata cu 4 piloti, pentru care s-a luat in calcul o incarcare de 720 kN pentru un pilot unitar, indiferent de gradul de incastrare de la partea superioara. Pentru a putea evalua rigiditatea interactiunii dintre pilot si fundatie s-a folosit Ecuatia 4, propusa de Gorbunov-Posadov si Serebrjanyi in anul (1961):

unde

K_H este rigiditatea care caracterizeaza interactiunea dintre pilot si fundatie, E_s este modulul de deformatie al pamantului, B si L sunt dimensiunile fundatiei, n este coeficientul lui Poisson pentru teren iar r₀ este un factor de deplasare [9].

Considerand caracteristicile terenului si dimensiunile fundatiei (2,80 m x 2,80 m), in cazul fundatiei izolate pe piloti, valoarea rigiditatii K_H rezultate este de 45,3 MPa/m, iar in cazul unei fundatii de tip radier general cu dimensiunea de 36 m x 54 m valoarea rigiditatii K_H rezultate este de 725 MPa/m.

In figura 4.a) si 4.b) eforturile de compresiune induse de eforturile termice de incalzire sunt considerate ca pozitive, iar in figura 5.a) si 5.b) semnul negativ este aferent unei deplasari de sus in jos. In cazul fundatiei izolate se poate observa rigiditatea mica a conexiunii dintre pilot si fundatie, fapt pentru care eforturile tind spre valoarea de 0 in zona de fundatie, comparativ cu fundatia de tip radier general in care eforturile in zona de incastrare ajung pana la valoarea de 325 kPa, in cazul unui interval de temperatura de +15°C. In zona „punctului nul”, punct in care deformatiile induse de eforturile termice suplimentare sunt 0, valoarea maxima a eforturilor suplimentare in cazul fundatiilor izolate este cu aproximativ 150 kPa mai mica comparativ cu o fundatie de tip radier general. In cazul fundatiei de tip radier general se poate observa ca pentru un interval de temperatura de +15°C se atinge efortul suplimentar maxim indus de eforturile termice suplimentare care poate fi sustinut de terenul de la baza pilotului.

Si in ceea ce priveste deformatiile si pozitia punctului nul se pot observa diferente semnificative. In cazul fundatiei izolate pozitia punctului nul se afla la 5,75 m, pozitie pentru care deformatia la partea superioara a pilotului este de 0,055 mm/°C (DT>0), comparativ cu cazul fundatiei de tip radier general pentru care deformatia este de 0,025 mm/°C (DT>0), pentru o pozitie a punctului nul la adancimea de 2,82 m.

CONCLUZII

Prezenta lucrare s-a concentrat pe studiul de caz al primei structuri geoenergetice pe piloti energetici sub fundatii izolate din Romania, cladire monitorizata din punct de vedere al comportamentului termo-mecanic si al performantei energetice pe termen lung. Particularitati ale fundatiei izolate pe piloti energetici, comparativ cu sistemul clasic de fundatie pe piloti energetici legati la partea superioara de un radier general, au fost prezentate cu scopul de a evidentia influenta rigiditatii de la partea superioara a pilotilor energetici asupra comportarii termo-mecanice a acestora.

Din evaluarile prezentate, pentru proiectul analizat, eforturile si deformatiile suplimentare induse de variatiile de temperatura de la nivelul pilotilor energetici se afla in limitele acceptate de catre normativele aflate in vigoare. Totusi, avand in vedere numarul mare al factorilor care influenteaza atat performanta energetica cat si comportarea mecanica, este important ca la proiectarea geotehnica a acestor tipuri de structuri sa fie luat in considerare efectul variatiilor de temperatura asupra eforturilor si deformatiilor structurii geotehnice.

BIBLIOGRAFIE

[1] Manzella, A. (2014). Geothermal energy. EPJ Web of Conferences, p. 22;

[2] Di Donna, A., Barla, M., Amis, T. (2017). Energy Geostructures: Analysis from research and systems installed around the World. Proceedings of the 42nd Annual Conference on Deep Foundations, LA, USA. p. 11;

[3] Jensen-Page, L., Loveridge, F., Narsilio, G. A. (2019). Thermal response testing of large diameter energy piles, Energies 12(14), p. 2.700;

[4] Laloui, L., Nuth, M., Vulliet, L. (2006). Experimental and numerical investigations of the behaviour of a heat exchanger pile. Int. J. Numer. Anal. Meth. Geomech. 30(8), pp. 763-781;

[5] Bourne-Webb, P. J., Amatya, B., Soga, K. (2013). A framework for understanding energy pile behaviour. Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Geotechnical Engineering 166(2), pp. 170-177;

[6] Amatya, B. L., Soga, K., Bourne-Webb, P. J., Amis, T., Laloui, L. (2012). Thermo-mechanical behaviour of energy piles. Géotechnique 62(6), pp. 503-519;

[7] McCartney, J.S., Murphy, K.D. (2012). Strain distributions in full-scale energy foundations (DFI Young Professor Paper Competition 2012). DFI Journal – The Journal of the Deep Foundations Institute 6(2), pp. 26-38;

[8] Fellenius, B. H., Kim, S. R., Chung, S. G. (2009). Long-term monitoring of strain in instrumented piles. J. Geotech. Geoenviron. Eng. 135(11), pp. 1583-1595;

[9] Laloui, L., Rotta Loria, A. F. (2019). Analysis and design of energy geostructures: theoretical essentials and practical application;

[10] Rotta Loria, A.F., Laloui, L. (2017). Displacement interaction among energy piles bearing on stiff soil strata. Computers and Geotechnics 90, pp. 144-154.

(Lucrare prezentata in cadrul

celei de-a XIV-a Conferinte Nationale de Geotehnica si Fundatii CNGF,

Bucuresti, 2-3 iunie 2021)

Autori:

s.l. dr. ing. Iulia Prodan,
drd. ing. Octavian Bujor,
prof. dr. ing. Augustin Popa – Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca
ing. Horia Ban – SC Termoline SRL, Oradea

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 190 – aprilie 2022, pag. 56