Pilotes de energía

Los pilotes de energía presentan una doble función como elementos portantes que soportan las cargas transferidas por las construcciones y

elementos intercambiadores de calor que entregan la energía para calentar y enfriar. En comparación con las pilas convencionales,

están sometidos tanto a cargas térmicas como mecánicas, que afectan su comportamiento. El diseño de pilas de energía también

requiere enfoques eficientes e inequívocos para proporcionar las verificaciones más adecuadas. A pesar de su

aumentando la implementación en toda Europa, todavía existen algunas lagunas con respecto a su diseño mecánico; especialmente en lo que respecta a los efectos de la solicitación térmica cíclica impuesta en el pilote debido a los períodos sucesivos de

calefacción y refrigeración. Se pueden encontrar muy pocos detalles sobre la elección de la solicitud térmica que el diseñador

debe tener en cuenta para el diseño de una pila de energía: número de ciclos, amplitud térmica cíclica, influencia de la

orden de carga térmica, etc. En este objetivo, este trabajo incluye el estudio de un solo pilote de energía instalado en

suelo arenoso saturado afectado por diferentes combinaciones de cargas térmicas. Basado en el análisis del pilote

desplazamientos y la distribución de las fuerzas axiales, se dan algunas recomendaciones para apreciar mejor la

impactos de la elección de la solicitación térmica impuesta en el pilote.

1. Introducción

Las pilas de energía instaladas como elementos de cimentación para edificios pueden

transferir calor entre el suelo circundante y el soporte

edificio por medio de los tubos del intercambiador de calor que se conectan a la

refuerzos de acero. Se han utilizado desde la década de 1980 [1], y su

La instalación sigue aumentando junto a otros tipos de geoestructuras termoactivas como muros de diafragma y revestimientos de túneles. A pesar de que la implementación de pilas de energía está ganando más aceptación, todavía hay

algunos cuestionamientos sobre su comportamiento termomecánico,

que restringe el desarrollo de un diseño eficiente y sin ambigüedades

procedimientos. Además, la falta de procedimientos de diseño precisos parece

un obstáculo contra la expansión de las geoestructuras termoactivas ya que esta

aumenta el costo y la duración de los proyectos.

La robustez, la facilidad de servicio y la durabilidad de las pilas de energía.

son las cuestiones fundamentales que deben afrontar los procedimientos de diseño

con. Se deben considerar muchas situaciones complejas debido a la interacción entre la pila de energía, la bomba de calor y el edificio. Entre estos

último, un tema importante está relacionado con el cambio de temperatura en

pilas de energía que ya están sometidas a cargas mecánicas del

edificio. De hecho, están sujetos a muchos sucesivos calentamientos y

fases de enfriamiento con periodos variables en función de las necesidades energéticas

y condiciones climáticas. En la práctica, en los proyectos diarios, los ingenieros de

Los encargados del diseño mecánico de las pilas de energía tienen que lidiar con un problema importante frecuente que es la elección de las solicitaciones térmicas. Varias preguntas pueden estar relacionadas con este tema: ¿cuál es el

número de cargas térmicas cíclicas en términos de calefacción y refrigeración a ser

¿considerado? ¿Cuáles son la amplitud y la media de estas cargas?

¿Cuál es la forma de la carga térmica: solicitudes de almena, sinusoidal

solicitaciones? ¿Es realmente necesario realizar un análisis transitorio? etc.

La solicitación térmica es de hecho un tema complejo que involucra al

intercambios térmicos con el suelo, incluida la conducción y la advección, y la interacción entre la pila de energía, la fuente del suelo

bomba de calor, y el edificio. La mayoría de los estudios consideran solo permanente

situaciones o la mayor diferencia de temperatura para diseñar energía

pilas [2]. Un enfoque termomecánico transitorio acoplado permite

tener en cuenta los posibles efectos de los cambios en la pila y en el suelo

en términos de temperaturas, deformaciones y tensiones a lo largo de la térmica

ciclos ([3,4]), pero la elección de solicitudes térmicas no se aborda claramente. La evolución espacial y temporal de la temperatura

en el suelo son difíciles de considerar, pero el diseño de energía

pilas requiere una visión clara de su influencia. Por ejemplo, Laloui et al. [5] muestran que la carga térmica aplicada conduce a aumentar dos veces

la carga axial total en el pilote. Gashti y col. [6] encuentra mayores tensiones en el

punta de pilote resultante de las variaciones de temperatura más altas causadas por el

fluctuación térmica alrededor de los tubos en U, y Rotta Loria et al. [7]

presente respuesta no lineal de la cimentación debido al aumento térmico

cargas. Bourne-Webb y col. [8] asegurado a través de datos numéricos conducidos.

simulaciones de que la contribución del suelo circundante afectado debe

no ser ignorado en el diseño de pilas de energía especialmente en el caso de

arcillas moderadamente a muy sobreconsolidadas. Este trabajo confirma la

importancia de considerar y analizar la distribución temporal y espacial de la temperatura para el diseño de pilas de energía con el fin de proponer una

forma adecuada de diseñar pilas de energía.

Este artículo tiene como objetivo centrarse en la influencia de las solicitaciones térmicas

sobre el diseño de pilas de energía mediante el análisis de su comportamiento termomecánico. Para este objetivo, el estudio de un solo pilote energético instalado en suelo arenoso saturado afectado por termomecánica acoplada

Se propone cargas. Análisis tridimensional de elementos finitos de la energía.

Las pilas se realizan utilizando el software de diferencias finitas FLAC3D. La

Los datos provienen de los resultados de las pruebas experimentales realizadas en el

Norte de Francia [9]. Se examinan varias formas de solicitaciones térmicas

para evaluar su influencia en la reacción del pilote con el objetivo de proporcionar

algunas ideas sobre la elección de la solicitud térmica adecuada para un proyecto preciso. En concreto, la influencia del período de descanso

Se considera así como variaciones reales continuas de temperatura sinusoidal. Estas diferentes alternativas en términos de solicitudes térmicas pueden

tener en cuenta la diferencia entre las estaciones o incluso para pasivo

enfriamiento. A través del estudio de los desplazamientos verticales y la distribución de esfuerzos axiales normales en el pilote, el comportamiento de la energía

se analizan las pilas. Algunas recomendaciones se proporcionan al final de la

papel para ayudar al diseñador a elegir la solicitud térmica más adecuada para garantizar la robustez y la fiabilidad del

pilas de energía en diseño.

2. Comportamiento mecánico de la pila de energía

Con el fin de desarrollar conceptos adecuados relacionados con la elección del

solicitaciones térmicas para el diseño de pilas de energía, es necesario

Considere el comportamiento de una pila típica y el primer paso es tener en cuenta

para las principales no linealidades mecánicas observadas en la carga-asentamiento

curva. Este paso es fundamental ya que las variaciones de temperatura en

la pila de energía conduce a contracciones y expansiones térmicas que son

restringido por las condiciones de fricción en la interfaz suelo-pilote y por

el suelo cerca de la pila de energía. Estas contracciones térmicas y

Las expansiones inducen algunas variaciones en términos de asentamiento y axiales.

distribución de fuerza desde un estado de equilibrio inicial debido a la carga muerta

aplicado en la cabeza del pilote.

2.1. Modele la geometría y las condiciones de contorno

La geometría del pilote y las propiedades mecánicas del suelo están adaptadas.

a partir de las pruebas de carga a gran escala realizadas por Szymkiewicz et al. [9] cerca

Dunkerque, norte de Francia (entre las tres pilas probadas, dos son de energía

pila de algo). La pila considerada es una pila de barrena de vuelo continuo (CFA) de

12 m de largo y 52 cm de diámetro.

En cuanto al suelo, en la parte superior, los 2,7 m son suelos limosos, y los

El resto son suelos arenosos limpios y muy homogéneos. El nivel freático es

1,5 m de profundidad en régimen hidrostático y se supone que el suelo está saturado desde esta profundidad. En el modelo numérico, el suelo se considera

como suelo arenoso saturado ya que los pesos unitarios de limo y arena son casi

lo mismo.

El comportamiento de las pilas de energía bajo cargas sólo mecánicas y luego termomecánicas se estudia mediante modelos numéricos mediante el código de diferencias finitas FLAC3D [10]. La pila modelada tiene un cuadrado

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