Transient analysis of building-pile-soil interactions in thermally-activated foundations

The geothermal heat represents a renewable energy source that can be exploited today for electricity generation or for its direct use. The latter led to the introduction, among other technologies, of the thermally activated foundations, that combine two particular functions: the structural support for the buildings and the geothermal heat exchange to provide thermal energy. In particular, the geothermal piles are conventional piles equipped by heat absorber pipes installed together with the reinforcement cages. It has been demonstrated that the effect of thermal variations at the surface and inside the geothermal systems is significant and potentially of the same magnitude of that induced by the mechanical loads. Despite their widespread use in Europe, some gaps are still present for what concern their structural design, because most studies published to-date consider only simple geometries and surface thermal boundary conditions. This study aims to fill some of these gaps. The initial analysis focused on some of the modelling aspects of the problem such as the definition of the geometry, of the heating configuration of the pile and of the period of time for the thermal dynamic equilibrium, by using numerical finite element analysis performed through ABAQUS software. The time factor, the periodic temperature variations, the geometry and the thermal activation of the pile were tested on different systems following the seasonal trends of Milan’s climate, by performing both transient and steady-state analyses. The influence of the soil's thermal volumetric behaviour on pile was examined through a parametric study. The variation in time of the ground surface temperature and then of the thermally activated pile temperature, showed important differences when the transient state results were compared to the steady-state ones, affecting both the direction (compression/tension) and the magnitude of the thermally induced stresses in the pile, of the displacements and of the heat flux. The effect of the coefficient of thermal expansion of the soil was found to have a key role in the observed behaviour of the pile, because a stress release and an increment in pile’s deformations are noticed when the coefficient increases. The obtained results allow the improvement of the set of information currently available on the behavior of thermally activated piles, thanks to the representative conditions used in the analyses.

Il calore geotermico rappresenta una fonte di energia rinnovabile utilizzata oggi per la generazione di elettricità o per un uso diretto. Quest'ultimo ha portato all'introduzione, tra altre tecnologie, delle fondazioni termicamente attive, che associano due particolari funzioni: il supporto strutturale degli edifici e lo scambio geotermico con il terreno per fornire energia termica all'edificio. I pali geotermici sono pali tradizionali dotati di tubi scambiatori di calore installati insieme alle gabbie di rinforzo. È stato dimostrato che l'effetto delle variazioni termiche della superficie e dei pali termicamente attivi è potenzialmente della stessa entità di quello delle variazioni indotte dai carichi meccanici. Benché questa sia una tecnologia molto diffusa in Europa, esistono ancora molte lacune per quanto riguarda la loro progettazione strutturale, poiché la maggior parte degli studi svolti sino ad oggi considera solo geometrie semplici e condizioni al contorno termiche superficiali. Le analisi svolte per questa tesi sono incentrate all'inizio su alcuni aspetti della modellazione del problema, come la definizione della geometria, la scelta per la configurazione dei tubi e il periodo di equilibrio termico dinamico, utilizzando analisi numeriche agli elementi finiti eseguite tramite il software ABAQUS. Le variazioni periodiche della temperatura, la geometria e l'attivazione termica del palo sono state analizzate su diversi sistemi seguendo l'andamento medio delle temperature a Milano, con analisi sia in regime transitorio sia stazionario. L'influenza della risposta volumetrica termica del terreno sul comportamento del palo è stata poi esaminata attraverso uno studio parametrico. La variazione nel tempo della temperatura di superficie del terreno e poi del palo termicamente attivo, ha comportato importanti differenze tra i risultati delle analisi in regime transitorio e quelli delle analisi stazionarie, influenzando sia la direzione sia l'entità degli sforzi e spostamenti termicamente indotti nel palo. L'aumento del coefficiente di dilatazione termica del terreno ha un ruolo chiave nel comportamento del palo, poiché si è riscontrato, per i diversi casi presi in considerazione, un rilascio di stress e un incremento nelle deformazioni del palo. I risultati ottenuti permettono di ampliare il set di informazioni attualmente disponibile sul comportamento dei pali termicamente attivi, grazie all'utilizzo di condizioni molto simili a quelle reali nelle analisi svolte.