Pieux géothermiques sous sollicitations combinées – COOP

WP1 - Expériences à l'échelle réelle Deux pieux énergétiques expérimentaux (0,42 m de diamètre et 12,0 m de longueur), qui ont été installés sur le campus de l'Ecole des Ponts ParisTech, seront utilisés. Ces pieux sont équipés de tubes en PE pour la circulation du fluide caloporteur, de capteurs de température PT 100 et de capteurs à fibres optiques. En outre, des capteurs de température ont été installés dans le sol, autour des pieux. Les pieux seront initialement soumis à une charge de compression statique axiale (10, 20 ou 40 % de la charge axiale ultime), puis, au cours de l'étape suivante, une charge statique horizontale sera appliquée progressivement (30, 50 ou 70 % de la charge horizontale ultime), tandis que la charge axiale sera maintenue à un niveau constant. A chaque niveau de charge horizontale, pour simuler les conditions réelles de fonctionnement des pieux énergétiques, dix cycles thermiques avec une variation de température de -/+ 10 °C seront appliqués de manière répétée aux pieux tandis que les charges mécaniques sont maintenues constantes. WP2 : Modélisation de la centrifugeuse Des cycles thermiques seront appliqués à l'intérieur des pieux tandis que les charges mécaniques (horizontales et verticales) resteront constantes. L'accumulation du déplacement latéral (l'effet de cliquet) sera surveillée. Plusieurs couples de charges thermiques et mécaniques seront étudiés. Une étude paramétrique sera menée sur les aspects clés régissant la réponse des pieux énergétiques soumis à une charge latérale : i) le rapport d'élancement du pieu, ii) la saturation du sol et iii) la densité du sol. WP3 : Modélisation par éléments finis Les résultats expérimentaux obtenus dans les méthodes 1 et 2 seront analysés plus en détail à l'aide de la modélisation 3D par éléments finis en utilisant CESAR LCPC. Des lois constitutives avancées (tenant compte de l'élastoplasticité par durcissement cinématique et des couplages THM), pour les matériaux et les interfaces entre eux, seront utilisées pour modéliser correctement les expériences. Une fois validé, le modèle numérique sera utilisé pour simuler les expériences à grande échelle. Dans un deuxième temps, une étude systématique sera menée pour analyser l'influence de plusieurs paramètres clés (à la fois géométriques et matériels) sur la réponse globale des pieux thermiques soumis à des charges mécaniques combinées. Le résultat de ce WP sera un modèle THM pour les analyses 3D des pieux énergétiques. De plus, l'étude paramétrique finale fournira des données au WP4 et soutiendra le développement d'outils de dimensionnement pratiques pour une conception plus fiable de ces pieux.

Rapport sur l'installation et les essais préliminaires ; Base de données expérimentale des essais ; Rapport sur l'analyse des essais (articles soumis à des revues) ; Rapport sur la conception du dispositif de chargement thermomécanique et du modèle réduit de la pile énergétique ; Base de données expérimentale des essais en centrifugeuse ; Validation et calibrage du modèle numérique pour simuler le comportement de la pile d'énergie à l'échelle réelle Rapport présentant les analyses des expériences en grandeur réelle et en centrifugeuse à partir de la simulation numérique et des données obtenues à partir de l'étude paramétrique. Modèle mathématique (éléments clés pour la modélisation de la pile énergétique sous charge mécanique et thermique combinée) - vers le code (algorithmique) et le logiciel Manuels scientifiques (guide de l'utilisateur et tutoriel) - Rapport technique (comparaison avec d'autres méthodes numériques) (soumission d'un article de journal)

Les besoins énergétiques croissants liés à l’expansion des zones urbaines, couplés aux enjeux environnementaux conduisent au développement de nouvelles technologies visant à réduire les consommations énergétiques. En particulier, depuis les années 1980, une nouvelle méthode géothermique a été développée : les géostructures énergétiques. Parmi ces systèmes, on retrouve les pieux géothermiques (PGs) qui ont été largement étudiés car leur comportement thermique est assez similaire à celui des tubes échangeurs de chaleur conventionnels, avec la spécificité de la double fonction : élément de structure et de échangeur thermique. Cependant, les connaissances dans la littérature concernaient à la fois le comportement mécanique dans la direction principalement axiale du pieu et ses performances énergétiques. Par ailleurs, l'installation des PGs en France est toujours freinée par l'incertitude de leur comportement thermomécanique malgré tout l'intérêt économique et écologique de ces technologies. Parmi ces incertitudes, l'un des plus gros problèmes non résolus est l’adaptation des méthodes de calcul sous des charges latérales et axiales combinées, couplées à la sollicitation thermique volumétrique.
L'objectif du projet est d'étudier l'effet de couplage des chargements mécaniques et thermiques combinés sur le comportement global des PGs, et de construire une enveloppe de rupture globale incluant les effets de chargement thermique cyclique. Les études seront basées sur de la modélisation physique, des cas réels et de la modélisation numérique. Ce projet vise également à mieux faire comprendre le comportement des PG dans des configurations complexes, et espère débloquer certaines craintes chez les acteurs, où cette technologie peine à se développer dans les nombreux projets de construction.