Programme géothermie

Test en conditions réelles du comportement statique d’un pieu soumis

à des sollicitations thermo - mécaniques

Rapport intermédiaire de juillet 1998 rédigé par Dr L. Laloui, M. Moreni, G. Steinmann EPFL - LMS, 1015 LAUSANNE Dr A. Fromentin, Dr D. Pahud EPFL - LASEN, 1015 LAUSANNE par ordre de Office fédéral de l’énergie Juillet 1998, Projet 25’483 Contrat 66’100 Rapport intermédiaire LMS SY40-1 / LASEN n° 120.107

1

1. Introduction Ce document est le premier rapport intermédiaire du projet « Test en conditions réelles du comportement statique d’un pieu soumis à des sollicitations thermo-mécaniques ». Il porte sur la période du 1 janvier au 31 juillet 98. L’utilisation de pieux échangeurs représente une solution simple et élégante d’utiliser l’énergie de façon rationnelle. Plusieurs installations de ce type existent déjà en Suisse et à l’étranger. Mais l’étude du comportement statique d’un pieu soumis à des sollicitations thermo-mécanique n’a encore jamais été menée, et ceci représente un handicap quand il s’agit de convaincre un maître de l’ouvrage du bien-fondé d’une telle technologie. C’est d’ailleurs à la demande du bureau Passera et Pedretti SA, responsable des fondations des futurs bâtiments de l’EPFL, que ce test a été prévu. Ce rapport concerne la réalisation et l'instrumentation d’un pieu de validation ainsi que la réalisation des premières mesures in situ. Le chapitre 2 de ce rapport porte sur la présentation du test de validation en lui même, l’instrumentation réalisée et un descriptif du module de chauffage. Les premiers résultats sont présentés dans le chapitre 3. Enfin, une conclusion mentionnant le succès exceptionnel de la mise en place de l’instrumentation termine ce rapport. Les aspects financiers sont traités en annexe. 2. Expérience Ce test in-situ porte sur le comportement statique d'un pieu en conditions thermo-mécaniques. Il consiste en l'équipement d'un des pieux de l'extension du bâtiment de microtechnique (Quartier Nord EPFL - Ecublens, VD) avec des éléments de sollicitation thermique et des capteurs de force, de déformations et de température. Ce dispositif fournira le cadre adéquat pour la validation des prédictions numériques du comportement thermo-hydro-mécanique du système sol/bâtiment.

En plus de la caractérisation des aspects statiques, cet essai concerne des aspects énergétiques

du système de chauffage comme la réalisation de "test de réponse" du comportement thermique pieu-sol. L’instrumentation du pieu et les premières mesures se sont déroulées selon la chronologie suivante : phase 0 : conception et construction du pieu échangeur et de son instrumentation - janvier 98 : conception de l’instrumentation du test - du 2 au 6 février 98 : test et étalonnage des divers capteurs en laboratoire ( à titre d’exemple photo 1

et annexe A) - du 9 au 13 février 98 : pose des capteurs sur l’armature du pieu (photos 2, 3 et 4) - 16 février 98 forage du pieu et pose des tubes pour le fluide caloporteur (photo 5 et 6) - 17 février 98 mise en place de la cage d’armature et bétonnage (photos 7, 8 et 9). L’ensemble des

capteurs ont ensuite été regroupés dans un « cadre de mesure » (photo 10) - 24 février 98 premier carottage sonique pour la détermination de la qualité du béton - du 18 février au 14 mai : test 0, premières mesures (détails plus loin)

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phase 1 : cycles de chauffage-refroidissement et mesures - 15 mai 1998 : pose de la chaudière - du 15 mai au 11 juin : sollicitation thermique du pieu sans aucune charge mécanique autre que le

poids propre. La sollicitation thermique par étapes a permis de suivre le comportement du pieu sous l’effet d’une variation thermique allant de 15°C à 41°C (test 1).

- du 15 au 31 juillet : troisième campagne de mesures : sollicitation thermique du pieu soumis au poids du premier étage du bâtiment (test 2).

phase 2 : analyse des mesures et interprétation des résultats. Dans ce rapport seront présentés les résultats du test 0 et une partie du test 1. 2.1 Présentation du test

Le pieu test (diamètre 88 cm et longueur 26 m) avec échangeurs de chaleur est équipé de différents capteurs qui permettent de suivre son comportement sous l'effet combiné de la charge de l'immeuble (sollicitation mécanique) et des variations de température induites par les échangeurs (sollicitation thermique). Par différentes techniques de mesure, il devrait être possible de connaître de manière directe la déformation et la température à différents niveaux du pieu. A l'aide de mesures d'auscultation acoustique, la distribution du module de rigidité le long du pieu pourrait être estimée. En admettant une distribution de la section, vérifiée par les volumes de bétonnage et par la méthode dynamique par réflexion PIT, il est possible de déduire l'effort normal dans le pieu, et de là, la distribution de la force de frottement latérale et de réaction en pointe du pieu. Une mesure directe de la charge en pointe est prévue afin d'ajuster les valeurs déduites du frottement latéral. 2.2 Instrumentation du pieu

L'instrumentation du pieu a été conçue de sorte à permettre : - la détermination des déformations verticales et horizontales (radiales) du pieu - la détermination de la répartition du frottement latéral en fonction de la température - l'estimation des répartitions des champs thermiques dans le pieu - l'estimation des efforts normaux en tête du pieu sous les charges de service du bâtiment - la connaissance de l'évolution de la charge en pointe en fonction de la température.

L’instrumentation adoptée comprend les capteurs suivants :

• 24 extensomètres à corde vibrante TELEMAC C110 qui permettent de mesurer les déformations verticales et la température dans le pieu (photos 1 et 2).

• 24 capteurs fibres optiques d’un mètre de longueur qui permettent de mesurer les déformations verticales dans le pieu (une comparaison peut être faite avec les mesures des déplacements verticaux des extensomètres à corde vibrante TELEMAC C110).

• 5 capteurs fibres optiques de deux mètres de longueur qui permettent de mesurer les déformations radiales à cinq profondeurs (photo 4).

• 1 cellule de pression TELEMAC type HCV qui permet la mesure de la valeur de la contrainte (et en connaissant la section, la détermination de la charge) en pointe du pieu (photo 3). Cette cellule de pression a été préalablement étalonnée (annexe E) afin de tenir compte des effets thermiques. La connaissance des charges en tête du pieu et en pointe, permet de vérifier les valeurs estimées des forces de frottement latérales.

• 4 extensomètres à corde vibrante TELEMAC C110 placés en tête du pieu permettent, en mesurant les déformations et en connaissant le module d'élasticité du béton, d'évaluer l'effort vertical transmis par la structure.

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Les figures 1 et 2 montrent la disposition des capteurs qui permet qu’à chaque mètre du pieu il est possible de mesurer la déformation verticale alternativement avec une fibre optique et un extensomètre à corde vibrante, ceci sur deux axes verticaux du pieu. L’ensemble de ces capteurs a été testé en laboratoire avant la pose sur la cage d’armature du pieu, un autre test a été exécuté après les avoir posés sur l’armature. Après la pose des capteurs le pieu a été équipé avec les tubes qui permettent le passage du fluide caloporteur pour le chauffage et refroidissement du pieu.

FO-575T 33029

T 33031

T 33033

T 33035

T 33034

T 33032

T 33030

T 33036

T 33037

T 33039

T 33041

T 33038

T 33040

FO-574

FO-573

FO-569

FO-570

FO-568

FO-567

FO-566

FO-565

FO-564

FO-563

FO-562

FO-561

FO-560

FO-559

FO-558

FO-557

FO-556

FO-555

FO-572

FO-554

FO-553

FO-552

FO-551

FO-571

FO-550

FO-549

FO-548

FO-478

T 33042

T 33043

T 33044

T 33045

T 33047

T 33046

T 33048

T 33049

T 33050

T 33051

T 33052

Capteur C110 n° 33034 défectueuxT 33053 T 33099

T 33101T 33100

EPFL - LMS N°SY40 15.02.98

Figure 1 : Equipement du pieu thermique EPFL

5

Il est important de souligner ici le fait que l’équipement et le bétonnage du pieu n’est pas une phase facile à réaliser. Vu la longueur du pieu (26 m) la cage d’armature de ce dernier est composée de deux parties. Pour permettre leur transport sur le lieu du forage il a fallu deux grues et une grande attention pour ne pas couper les fils des capteurs lors de la soudure des deux parties métalliques. Le bétonnage du pieu est aussi une phase délicate pour la survie des capteurs. Avec des précautions de tout premier ordre et la bonne volonté de l’entreprise des pieux qui a accepté de rallonger le temps de mise en place, nous avons réussi à avoir un taux de 95% de capteurs opérationnels. Pratiquement il a fallu un jour entier pour descendre l’armature dans le trou, et préparer le pieu pour le bétonnage.

L’ensemble de ces capteurs a été raccordé à un boîtier qui permet l’exploitation des mesures

en temps réel à l’aide d’un ordinateur (photo 10). En plus pour connaître le module d’élasticité et la géométrie réelle du pieu deux tests sont prévus :

• Contrôle par réflexion (PIT): essai d'intégrité par réflexion pour vérifier l'intégrité du pieu et sa géométrie.

• Carottage sonique: il est à réaliser dans 3 tubes de réservation pour la détermination de la qualité du béton en fonction de la profondeur du pieu, et l'évaluation du module de rigidité. Il est ainsi possible de suivre l'évolution de la rigidité du béton en fonction des variations de la température (ces mesures sont à réaliser à différentes températures du pieu).

2.3 Module de chauffage

Le rôle principal du module de chauffage est de fournir des sollicitations thermiques au pieu. Accessoirement et moyennant quelques précautions d’utilisation et de mesure, il doit également permettre d’effectuer un « test de réponse » sur des pieux ou des sondes; pour mémoire, un tel test de réponse permet de déterminer les caractéristiques thermiques du pieu (ou de la sonde) et du sol avoisinant.

La solution retenue a été de construire un module de chauffage monté sur roulette (voir figure

3); ce cube de 1,5 m d’arête, pesant environ 200 kg, est facilement transportable par camionnette. Il se compose principalement d’une chaudière électrique à faible contenance CIPAG (P = 3, 6 ou 9 kW), d’une pompe de circulation Grundfos (Q = 0 - 2,5 [m3/h], d’un vase d’expansion Stucklin (50 l) et de deux purgeurs automatiques / mélangeurs Flamcovent.

Différentes vannes permettent d’isoler certains tronçons et de faire circuler dans le pieu de

l’eau de refroidissement. Un limitateur de niveau d’eau Stucklin (Flow switch) permet d’arrêter automatiquement l’alimentation de la chaudière en cas de débit insuffisant (p.e. rupture d’un tube) et des soupapes de sécurité empêchent la pression de dépasser une valeur d’environ 3 bar dans les différents composants du module. En plus de ses trois niveaux de puissance, la température de la chaudière peut être réglée au moyen d’un thermostat; de plus, une sécurité indépendante contre la surchauffe déclenche l’alimentation de la chaudière lorsque la température de cette dernière dépasse ~90°C.

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Les tuyaux, la chaudière ainsi que le module lui-même sont isolés afin de diminuer au maximum les déperditions thermiques.

Actuellement, les températures allé et retour, la pression d’eau ainsi que le débit peuvent être

grossièrement mesurés; un système d’acquisition de données automatique pour quatre températures (Taller, Tretour, Tmodule et Text), pour le débit ainsi que pour la puissance électrique consommée par la chaudière est en phase de réalisation.

Figure 3 : Schéma du module de chauffage

Crochet grue

Chaudièreélectrique3-6-9 kW

roulette

Vased ’exp.

Flow-switch

pompeSoupapede sécurité

vanne

Dégazeur/mélangeur

Temp.dép.

Temp.ret.

Vanne deréglage

débimètre

Pression

Eau de refroidissement(in)

Eau de refroidissement(out)

Départpieu

Retourpieu

Data logger

Temp.in

Temp.out

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3. Premiers résultats 3.1 Comportement statiques du pieu Une première campagne de mesure (test 0) a été entreprise tout de suite après le bétonnage du pieu. Ces mesures permettent de contrôler le bon fonctionnement des capteurs lors de la prise du béton. La campagne de mesure a duré du 18 février au 14 mai 1998, durant laquelle la déformation des fibres optiques et des capteurs TELEMAC C110, la température et la pression au fond du pieu ont été mesurées. Naturellement tous les capteurs ont été testés en laboratoire et sur la cage métallique avant de couler le béton dans le pieu.

33052 (2.5 m)

-20

30

80

130

180

09.02.98 21.03.98 30.04.98 09.06.98

dL/L

[m

/m]

0510152025303540

Tem

p. [°

C]

dL/L

Temp.

33044 (10.5 m)

-20

30

80

130

180

09.02.98 21.03.98 30.04.98 09.06.98

dL/L

[m

/m]

0.05.010.015.020.025.030.035.040.0

Tem

p. [°

C]

dL/L

Temp.

33038 (16.5 m)

-40

10

60

110

160

09.02.98 21.03.98 30.04.98 09.06.98

dL/L

[m

/m]

0510152025303540

Tem

p. [°

C]

dL/L

Temp.

33030 (24.5 m)

-40

10

60

110

160

09.02.98 21.03.98 30.04.98 09.06.98

dL/L

[m

/m]

0510152025303540

Tem

p. [°

C]

dL/L

Temp.

Figure 4 : Déplacement et température en fonction du temps mesurés avec les extensomètres à corde

vibrante (Capteurs posés au profondeurs suivantes : 2.5 m, 10.5 m, 16.5 m, 24.5 m), test 0.

Les premiers résultats montrent que pratiquement toutes les fibres optiques fonctionnent bien. Seul un capteur TELEMAC (n° T33034) ne permet pas la mesure de la déformation. La cellule de pression fonctionne normalement.

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Les figures 4 et 5 montrent les valeurs des déformations et des températures de quelques capteurs. Dans la figure 4 on note bien que l’augmentation de la température en phase de prise du béton provoque une dilatation du pieu mesurée par les extensomètres à corde vibrante. Cette température dépasse 35°C le 18 février (le jour suivant le bétonnage) pour se stabiliser à environ 16°C - 18°C le mois de mai (voir aussi la figure 6). Les premiers points des graphiques de la figure 4 correspondent à une mesure faite le 9 février 98, avant que la cage métallique soit posée pour le bétonnage. Les capteurs à fibre optique (figure 5) donnent après la prise du béton une déformation constante en fonction du temps ; cette valeur sera le « zéro » de la deuxième campagne de mesure (sollicitation thermique du pieu sans aucune charge mécanique, test 1).

FO 548 (2-3m,)

0

1

2

3

4

5

09.02.98 21.03.98 30.04.98 09.06.98

L (m

m)

FO 478 (10-11m,)

0

1

2

3

4

5

09.02.98 21.03.98 30.04.98 09.06.98

L (m

m)

FO 570 (25-26m,)

9

10

11

12

13

14

09.02.98 21.03.98 30.04.98 09.06.98

L (m

m)

FO 571 (7m, radial)

10

11

12

13

14

15

09.02.98 21.03.98 30.04.98 09.06.98

L (m

m)

Figure 5 : Déplacements mesurés par fibres optiques (548, 478, 570 et 571) test 0. La figure 6 montre la variation de la température en fonction de la profondeur. La température du pieu se situe entre 16 et 18° C à la fin de la prise du béton (14.05.98). Ces températures dans le pieu sont hautes par rapport à la température normale d’un terrain (11-12°C). Cet écart d’environ 4°C est dû au dégagement de chaleur pendant la prise du béton, une stabilisation thermique entre le pieu et le terrain aura lieu seulement après quelques mois.

9

0

5

10

15

20

25

30

10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0

Température [°C]

Prof

onde

ur [m

]

09.02.98; Sur cadre mét.

18.02.98; Après bét.

24.02.98; 1er car. sonique

27.03.98; Excavation

06.04.98; Recépage

14.05.98; Prép. bét. dalle

Figure 6 : Variation de la température le long du pieu en fonction du temps test 0. Cette première campagne de mesure a mis en évidence le bon fonctionnement de presque tous les capteurs installés dans le pieu. La plus grande difficulté technique du projet, c-à-d la pose des capteurs et le bétonnage du pieu a été exécutée de façon presque parfaite, ceci grâce à la bonne collaboration de toutes les personne concernées. 3.2 Résultats « thermiques »

Lors du test1 effectué du 19 mai au 11 juin 1998, les mesures de température sont prises de manière manuelle (précision ± 1,5°C). Néanmoins, comme le montre la figure 7, le déroulement de l’expérience est conforme aux prévisions; sur ce diagramme, l’évolution des températures aller et retour est montrée en fonction du temps. Le débit, constant, est de l’ordre de 1 [m3/h].

La phase de chauffage du pieu (au début 6kW, puis 9 kW) a duré environ une semaine; la température moyenne maximale du fluide dans le pieu était de l’ordre de 45°C.

Lors de la phase de refroidissement, et afin d’accélérer ce processus, de l’eau industrielle

(T~10°C) a été injectée en circuit ouvert dans le pieu.

10

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

18.5.98 21.5.98 24.5.98 27.5.98 30.5.98 02.6.98 05.6.98 08.6.98 11.6.98

Date

Tem

péra

ture

°C aller pieuretour pieu

Phase de chauffage Phase de refroidissement

Passage de6 à 9 kW

Passage au refroidissementactif avec de l'eau froide

Figure 7 : Evolution de la température de l’eau circulant dans le pieu lors du premier cycle

chauffage-refroidissement , test 1. 4. Conclusion

Les premiers résultats de mesure nous permettent d’affirmer que, malgré les conditions très difficiles de travail (i.e. sur un chantier en pleine activité), cette première phase a bien fonctionné; le pieu échangeur et ses capteurs ont été installés sans trop de dégâts apparents, le module de chauffage (mis à part son système de mesure automatique) a été réalisé, testé et mis en service; le premier test a pu être mené à bien, tout en respectant les délais, condition très importante liée à l’avancement du chantier.

Si dans l’ensemble, ces premiers résultats sont conformes à notre attente, quelques surprises sont également à relever; par exemple, comme montré à la figure 6, la température moyenne du pieu après bétonnage s’élevait à environ 38°C; ce phénomène, dû à la réaction exothermique de prise du béton, pourrait, dans la pratique, compliquer l’analyse d’un test de réponse.

Actuellement, on procède au dépouillement des résultats du test 1, à l’amélioration et à la finition des différents composants de l’expérience (notamment le système d’acquisition des mesures).

Pour conclure, cette phase initiale nous a permis de montrer que l’expérience dans son ensemble fonctionne de manière satisfaisante , et laisse ainsi bien augurer de la récolte d’informations nécessaires pour apporter une réponse scientifiquement étayée concernant la problématique de l’effet de sollicitations thermiques sur la structure et le milieu avoisinant des pieux de fondation.