Application of the energy geostructures to the temperature regulation and optimization of the road constructions

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: VSS2010/503
• Projekttitel Englisch: Application of the energy geostructures to the temperature regulation and optimization of the road constructions

Schlüsselwörter (Englisch)

Foundations – Soils – Climatic conditions – Safety – Frost – Environment

Schlüsselwörter (Französisch)

Fondations – Sols – Conditions climatiques – Sécurité – Gel – Environnement

Kurzbeschreibung (Englisch)

The idea of the project is to make possible the use of the heat of the ground in road geotechnical engineering, by employing foundation elements. The work will focus on pile founded bridge abutment. One of the advantages of the technique is to only use elements which are already required for structural reasons. The project meets the priority research domains as defined by the FOKO, and addresses:

• safety (preventing from frost formation on the roadway)
• a cost-saving, reliable and environmentally friendly technical solution, compared to de-icing salt use or electrical heating of bridge decks.

The work will consist in:

• establishing a database of the existing researches and realizations (see e.g. the Lainzer cut and cover, Austria). Projects of bridge de-frosting using solar energy stored in the ground will be analysed (Serso – Bridge N8 in Därligen, Faido, Wassen, Zürich, Stockholm).
• proposing some constructive recommendations, relying on the use of numerical modelling tools to simulate the thermo-mechanical behaviour of heat exchanger piles.
• Assess the feasibility of such systems on the national road network. The feasibility study will be based on the energetic efficiency criterion as well as the economical criterion.

Kurzbeschreibung (Französisch)

L’idée du projet est de rendre possible l’utilisation de l’énergie calorifique du sous-sol en géotechnique routière, à travers l’utilisation d’éléments de fondations. Le projet se focalisera sur les appuis de ponts fondés sur pieux échangeurs de chaleur. Un des avantages de la technique est qu’elle n’utilise que des éléments par ailleurs nécessaires à la stabilité des ouvrages. Ce projet répond aux domaines de recherches prioritaires définis par la FOKO. Il permet :

• Un renforcement de la sécurité (en empêchant la formation de verglas sur la chaussée)
• De proposer une solution économique, fiable, écologique, comparée à l’utilisation de sels de déglaçage ou au chauffage par des moyens électriques de tabliers de ponts

Le travail consistera à :

• Etablir une base de données des recherches et réalisations existantes (par exemple la tranchée couverte de Lainz, Autriche). Les projets de dégivrage de ponts utilisant l’énergie solaire stockée dans le sol seront analysés (Serso – pont N8 à Därligen, Faido, Wassen, Zürich, Stockholm).
• Proposer des recommandations constructives, en s’appuyant sur l’utilisation d’outils numériques de modélisation du comportement thermomécanique des pieux échangeurs de chaleur.
• Evaluer la faisabilité de tels systèmes au réseau routier national. L’étude de faisabilité s’appuiera sur le critère de rendement énergétique et le critère économique.

Projektbeschreibung (Französisch)

Le sous-sol a de très bonnes propriétés de stockage de chaleur. Il représente un potentiel d’énergie directement utilisable. Ces qualités connues depuis longtemps sont exploitées aujourd’hui grâce aux géostructures énergétiques. Une géostructure énergétique optimisée comprend deux composantes: la structure de fondation ou de soutien qui assure l’intégrité de la construction, et un système d’échange de chaleur avec le sous-sol. L’échange de chaleur consiste à absorber et conduire l’énergie calorifique du sol vers la construction via des tubes intégrés au béton des pieux, parois, semelles, radiers. Cette technologie est appliquée avec succès depuis 25 ans pour les bâtiments.

Un des avantages de la technique est qu’elle n’utilise que des éléments par ailleurs nécessaires à la stabilité des ouvrages. Elle est plus économique et durable que des systèmes géothermiques conventionnels tels que les puits d’énergie, qui nécessitent des travaux supplémentaires et une maintenance. L’utilisation de géostructures est optimisée si l’énergie calorifique est soutirée du sol en hiver entrainant un refroidissement du sol : le sol froid peut permettre de refroidir une structure comme un pont en été.

En Suisse, une installation de stockage saisonnier de chaleur dans le sol est déjà utilisée pour le déglaçage hivernal et le refroidissement estival d’un tablier de pont sur l’autoroute A8, près d’Interlaken. Cette installation n’utilise pas les fondations du pont. Par ailleurs, récemment, on a construit en Autriche, le premier tunnel thermo-actif. Qui utilise des pieux échangeurs dans une des parois moulées de l’ouvrage. Ce système énergétique fonctionne ne permanence pour le chauffage d’une école près du tunnel. La technologie vient dernièrement d’être appliquée à d’autres tunnels en Autriche (extension du métro de Vienne). En Allemagne, le pont sur l’Elbe-Lübeck Canal a été rénové de telle sorte que les échanges de chaleur sont possibles entre les structures d’appui et le sol, par le biais d’une centrale géothermique intégrée. L’utilisation de la géothermie dans ce projet permet de réchauffer le tablier en été et de refroidir la chaussée en été.

Le présent projet vise à étudier un cas concret directement applicable: les ponts fondés sur pieux échangeurs de chaleur. On étudiera d’abord le comportement thermo-hydro-mécanique d’un système composé de pieux de fondations d’un pont typique et du sol environnant. Des simulations seront menées pour analyser les champs de température dans le sol quand les pieux sont chauffés ou refroidis (pour permettre de maintenir le pont à des températures positives ou lisser les pics de température en été), ainsi que la réponse mécanique induite du système –fortement non-linéaire- (déplacements et contraintes additionnels). Ces simulations se concentreront aussi sur les effets cycliques à long terme (dus à l’alternance de phase de chauffage et de refroidissement) sur le comportement mécanique. En parallèle, la vérification ad-hoc de la structure de fondation et de la capacité portante du sol sera faite en utilisant un outil de dimensionnement pour les pieux échangeurs déjà développé par le demandeur. Dans un second temps, sur la base de la première partie de la recherche, des recommandations techniques pour l’implémentation de la technologie aux constructions nouvelles seront formulées, en termes de température admissibles dans les pieux pour permettre une régulation de la température du pont efficace, ainsi qu’en termes de dimensionnement géotechnique.

Le travail s’appuiera sur l’expertise de l’équipe de recherche dans le domaine (pieux échangeur in-situ à l’EPFL, essais de laboratoire pour la caractérisation thermo-hydro-mécanique du sol), et utilisera des outils de calcul numérique, dont un logiciel de simulation des systèmes énergétiques avec pieux échangeurs, et un code avancé d’éléments finis disponible au Laboratoire de mécanique des sols de l’EPFL. Le but des études numériques est de fournir un appui quantitatif (températures maximales, rendement, caractéristiques limites du sol et du béton) pour démontrer la fiabilité d’un dispositif de géostructures énergétiques appliquées aux ponts.

La recherche répond aux domaines de recherches prioritaires définis par la FOKO, et permet :

• Un renforcement de la sécurité (prévention de la formation de verglas sur la chaussée)
• De proposer une solution économique, fiable, écologique, comparée à l’utilisation de sels de déglaçage (corrosifs et polluant) ou au chauffage par des moyens électriques de tabliers de ponts (très peu économique).
• La réduction des coûts de maintenance et l’accroissement de la durée de service dans le cas des ponts (diminutions des contraintes thermiques et de la corrosion due aux sels).

Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser (Französisch)

Les résultats de ce projet seront utilisables par tous les acteurs du domaine (ingénieurs géotechniciens, maîtres d’ouvrage, entreprises de construction). Ils seront présentés sous la forme de recommandations techniques pour la mise en œuvre de la technologie dans les nouvelles constructions (ponts). Grâce la durabilité du projet et l’accroissement de la sécurité qu’il offre, il bénéficiera à tous les utilisateurs de la route et à la société.

Methoden (Französisch)

Les approches suivantes seront progressivement mises en œuvre pour remplir nos objectifs et finalement proposer des mesures constructives:

1) Analyse bibliographique: La base de données de la Société Suisse de Géothermie sera utilisée pour quantifier le potentiel de la technologie en suisse. Bien évidemment, les expériences suisse et autrichienne concernant les pieux échangeurs seront utilisées (cf le plan de recherche).

2) Calculs énergétiques: ils seront menés pour déterminer ce que pourraient être les possibilités des fondations en terme d’échange de chaleur pour chauffer une chaussée, en utilisant des outils numériques déjà disponibles pour les pieux échangeurs.

3) Simulations éléments finis de l’interaction pieu / sol: ces calculs utiliseront le modèle thermo-hydro-mécanique développé au LMS. Les contraintes et déformations du système seront ainsi estimées sur une base rigoureuse. Une étude de sensibilité à certains facteurs sera menée (paramètres du modèle, conditions aux limites)

4) Dimensionnement géotechnique: on utilisera les théories classiques de dimensionnement. Les résultats de l’analyse élément finis fourniront des lois complémentaires quantifiant certaines modifications spécifiques dues aux changements de température qui ne peuvent être prise en compte par une approche classique.

Spezielle Geräte und Installationen (Französisch)

Les logiciels et le parc informatique du Laboratoire de mécanique des sols de l’EPFL seront mis à contribution pour l’étude.

Allgemeiner Stand der Forschung (Französisch)

Les effets thermiques sur le comportement mécanique des sols sont avérés et ont été largement étudiés ces vingt dernières années. Des modèles thermomécaniques ont été développés, qui permettent de reproduire assez finement ces effets (Hueckel et Baldi 1990, Laloui et Cekerevac 2003, Laloui et François 2009). Laloui (1993) et Modaressi and Laloui (1997) ont développé un modèle basé sur la théorie de l’homogénéisation, et associé à un modèle constitutif thermo-plastique. Il a été démontré que le chauffage de fondations pouvait avoir un rôle important dans l’amélioration des caractéristiques du sol (Laloui et al. 2005). Dans le cas qui nous intéresse (échange de chaleur dans les fondations profondes), la problématique est la suivante :

1. quantifier les effets de la température sur la structure (déplacements additionnels, accroissement de la charge totale dans les pieux, modification de la mobilisation du frottement le long du pieu)

2. quantifier les effets de la température sur le sol lui-même, qui peut modifier certaines de ses propriétés essentielles (angle de frottement et compressibilité) ainsi que le comportement à l’interface sol-pieu.

Ces aspects sont par ailleurs influencés par le fait que la sollicitation est cyclique (saisonnière).

Ces dernières années, des tests en laboratoire et sur le terrain (Brandl 2006, Bourne-Webb et al. 2009), ainsi que des études numériques ont permis de bien comprendre le comportement des pieux échangeurs de chaleur d’un point de vue géotechnique. L’applicabilité au cas des géostructures énergétiques des modèles multi-physiques et multiphasiques prenant en compte les couplages thermo-hydro-mécaniques ayant lieu dans les sols a été démontrée. Une étude numérique complète a été conduite par Laloui et al. (2006) et Silvani et al. (2009). De plus, une étude expérimentale et numérique d’un pieu réel sur le site de l’EPFL a été réalisée par le LMS (Laloui et al. 2003). Ce pieu-test est unique au monde et permet de mesurer les contraintes, déplacements et variations de température dans le pieu équipé de tubes échangeurs de chaleur. Ce test a fourni des réponses pratiques aux interrogations des ingénieurs et entreprises de construction à propos de l’influence de la température sur les fondations. Ce travail a été couplé à une campagne de tests en laboratoire utilisant des prototypes d’appareils d’essais.

Ces dernières recherches permettent maintenant d’envisager d’appliquer la technologie dans un plus grand nombre de situations.

Projektziele (Englisch)

Energy geostructures (i.e. any structural element able to exchange heat with the ground) have been successfully used for several years for the heating/cooling of buildings. This project aims at applying the technology to road infrastructures. The case of pile founded bridge abutment will be addressed. The aim is to use energy geostructures for the thermal regulation of bridge decks (preventing from frost in winter and thermal stresses in summer), or even for the heating/cooling of adjacent buildings.

Projektziele (Französisch)

Les géostructures énergétiques (i.e. tout élément de structure capable d’échange de chaleur avec le sous-sol) sont utilisées depuis des années avec succès pour le chauffage et la climatisation de bâtiments. Ce projet vise à appliquer cette technologie aux ouvrages routiers (le cas des appuis de pont fondés sur pieux échangeurs de chaleur sera traité). Le but est de les utiliser pour la régulation thermique de tabliers de ponts (risques de verglas en hiver et contraintes thermiques en été), voire pour le chauffage/climatisation des bâtiments adjacents.

Forschungsplan (Französisch)

Les mois sont décomptés du début de la recherche.

Etape 1

§ Revue des travaux de recherche effectués dans le domaine (mois 2). Une étude bibliographique approfondie établira l’état de l’art en matière de géostructures énergétiques en construction routière. L’accent sera porté sur les réalisations autrichiennes, canadiennes et allemandes. Le chauffage géothermique des chaussées en Suisse sera au cœur de l’analyse avec en particulier l’exemple du pont thermo-régulé par géothermie de l’A8 (BE).

Etape 2

§ Simulation numérique générique d’un pont fondé sur des pieux énergétiques (mois 6). L’interaction sol/structure sera étudiée : l’équipe de recherche a démontré par exemple que la résistance à la friction d’un pieu énergétique peut être modifiée par une augmentation de température (Laloui et al. 2006). Cette étape s’appuiera sur un logiciel d’éléments finis.

Etape 3

§ Dimensionnement d’un cas pratique (mois 9). Sur la base de l’expérience acquise à l’étape précédente, on extraira les configurations optimales de fondations en termes de coût/efficacité. Cette analyse permettra le dimensionnement optimal et réaliste d’un cas pratique de pont (nombre de pieux énergétiques dans l’ensemble des fondations, pieux énergétiques pour culée et/ou piles, …).

Etape 4

§ Proposition de recommandations pour la mise en œuvre de la technique (mois 12). Cette étape, et les résultats préalablement obtenus, nous permettra d’élaborer des recommandations pour l’utilisation de la technologie dans les cas des ponts fondés sur pieux.

Les tables 1 et 2 donnent la description graphique du programme de recherche et du plan de financement.

Table 1. Planning de recherche = Graphik 1

Table 2. Allocation du financement = Graphik 2

*Le chef de projet (cat. A) étant personnel de la confédération, ses heures sont facturées la moitié du tarif SIA

Un ingénieur de recherche travaillera sur tous les aspects du projet. Le début du travail est prévu pour avril 2010. De plus, l’équipe de recherche, en particulier le Prof. L. Laloui, mettra à contribution ses compétences dans le domaine.

Zugehörige Dokumente

• VSS 2010 503 Graphik 1 und 2.pdf [PDF] 317 kB

Umsetzung und Anwendungen (Französisch)

Ce projet a pour objectif direct de fournir des recommandations techniques pour la mise en œuvre de la technologie des fondations échangeuses de chaleur. Un cas concrets sera traité : les culées et piles de pont fondées sur pieux échangeurs de chaleur.

Berichtsnummer (Deutsch)

1468

Literatur (Französisch)

Bourne-Webb P. J., Amatya B., Soga K., Amis T., Davidson C. et Payne P. 2009. “Energy pile test at Lambeth College, London: geotechnical and thermodynamic aspects of pile response to heat cycles”, Géotechnique, vol. 59, No. 3, pp. 237–248.

Brandl H. 2006. “Energy foundations and other thermo-active ground structures”, Géotechnique, vol. 56, No. 2, pp. 81–122.

Hueckel T. et Baldi, G. 1990. "Thermoplastic behavior of saturated clays: an experimental constitutive study”, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, vol. 116, pp. 1778-1796.

Laloui L. 1993. “Modélisation du comportement thermo-hydro-mécanique des milieux poreux anélastiques“, Thèse de Doctorat, Ecole Centrale Paris, France.

Laloui L. et Cekerevac C. 2003. “Thermo-plasticity of clays: an isotropic yield mechanism”, Computers and Geotechnics, vol. 30, num. 8, pp. 649-660.

Laloui L. Charlier R., Pijaudier-Cabot. G. 2005. “Coupled Multi-Physics Processes in Geomechanics”, Special issue, European Journal of Civil Engineering, vol. 9, num. 5-6, 280 p.

Laloui L. and François B. 2009. “ACMEG-T: A soil thermo-plasticity model”, Journal of Engineering Mechanics, doi: 10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0000011.

Laloui L., Moreni M. et Vulliet L. 2003. “Comportement d’un pieu bi-fonction, fondation et échangeur de chaleur“, Canadian Geotechnical Journal, vol. 40, pp. 388-402.

Laloui L., Nuth M. et Vulliet L. 2006. “Experimental and numerical investigation of the behaviour of heat exchanger pile”, International Journal for Analytical and Numerical Methods in Geomechanics, vol. 30, pp. 763-781.

Modaressi H. et Laloui L. 1997. “A thermo-visco-plastic constitutive model for clays”, International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, vol. 21, pp. 313-335.

Silvani C., Nuth M., Laloui L., et Peron H. 2009. “Understanding the thermo-mechanical response of heat exchanger piles“, First International Symposium on Computational Geomechanics (ComGeo I) - Proceedings, State of the Art Books and Monographs in Engineering Sciences, Pietruszczak et al. eds., International Centre for Computational Engineering, pp. 589-596.