Numerical analysis of the thermally induced effects in thermo-active diaphragm walls

The thermo-active diaphragm walls are traditional retaining structures that embed heat exchangers for the exploitation of the near surface geothermal energy. This thesis is dedicated to the Finite Element analysis of the heat transfer performance and the thermal effects on the stress/strain state of the diaphragm wall. A three-dimensional model of the diaphragm wall with internal heat exchangers loop is established and a thermal mechanical analysis is carried out. This 3D numerical model is dedicated to solve the following problems: firstly, the variation in temperature fields and the zone of influence of the boundary temperature due to natural environmental conditions; secondly, the variation in temperature fields due to one year heating/cooling operating mode of the geothermal system; thirdly, the structural responses of the wall caused by the excavation process and by the thermal loads. It must be emphasized that all data about the thermal input come from a monitoring programme on a real scale structure, which allowed to enhance the understanding of the heat transfer process. The comparison between the monitored data of the project and the result of the numerical analysis confirmed the reliability of the numerical analysis. Moreover, the results of the thermal mechanical analysis show that the thermally induced mechanical effects are not negligible, especially as variations of the internal axial forces and bending moments. Furthermore, a more refined calibration still can be pursued in terms of soil thermal properties and thermal boundary conditions.

Le paratie energeticamente attive sono paratie tradizionali che inglobano scambiatori di calore per lo sfruttamento dell’energia geotermica superficiale. Questa tesi è dedicata ad analisi ad elementi finiti sulla performance energetica e sugli effetti termici sullo stato tenso-deformativo della paratia. Si è messo a punto un modello 3D della paratia con il tubo scambiatore al suo interno e si è svolta un’analisi termo-meccanica. Il modello numerico è finalizzato alla soluzione dei seguenti problemi: (i) la variazione del campo di temperatura e la zona di influenza della temperatura di bordo durante normali condizioni ambientali, (ii) la variazione del campo di temperatura dovuta ad un anno di funzionamento del sistema in riscaldamento/raffrescamento, (iii) la risposta strutturale della paratia a seguito dello scavo e dei carichi termici. Occorre sottolineare che i dati di input termico derivano da un programma di monitoraggio su struttura in scala reale, che ha consentito di migliorare la comprensione del processo di trasmissione del calore. Il confronto fra dati di monitoraggio e risultati numerici ha confermato l’attendibilità dell’analisi numerica. Inoltre, i risultati dell’analisi termo-meccanica mostrano che gli effetti sullo stato della paratia non sono trascurabili, specialmente in termini di variazioni delle azioni assiali interne e dei momenti flettenti. Infine, è ancora possibile migliorare la calibrazione del modello in termini di proprietà termiche del terreno e di condizioni al contorno di temperatura.