Estudo do comportamento de fundações por estacas tubulares metálicas utilizadas em sistemas geotérmicos superficiais

• Autor(a) principal: Murari, Milena Cardoso de Freitas
• Data de Publicação: 2022
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
• Texto Completo: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18132/tde-11082023-094054/
• topic: comportamento termomecânico; energia geotérmica superficial; energy piles; ensaios de resposta térmica; estacas trocadoras de calor; estacas tubulares metálicas; foundations; fundações; modelagem física; modelagem numérica; numerical modelling; physical modelling; steel pipe piles; surface geothermal energy; thermal response tests; thermomechanical behaviour

A utilização de fundações por estacas trocadoras de calor tem se mostrado um meio econômico e eficiente de aproveitar a energia geotérmica das camadas superficiais do solo para aquecer ou resfriar as edificações. O uso desta tecnologia, frequente em regiões de clima temperado, ainda é raro em zonas de clima tropical como o do Brasil. Em São Paulo, no campus da USP, as fundações de um edifício em construção, conhecido como CICS Living Lab, serão usadas para o resfriamento de ambientes. Para a fundação de parte do prédio, foram cravadas estacas tubulares metálicas, onde foram inseridas tubulações para realizar a troca térmica do edifício com o subsolo. Para uma melhor transferência de calor com o solo em seu entorno, as estacas tubulares precisam ser preenchidas com algum material, uma vez que o ar é um isolante térmico. Portanto, o objetivo principal desta pesquisa foi avaliar o desempenho térmico de quatro soluções diferentes de preenchimento para as estacas do prédio em construção. Os materiais testados nesta pesquisa foram: argamassa, argamassa com fibras metálicas, areia saturada e água. Ensaios de resposta térmica (TRT) foram realizados em quatro estacas preenchidas com os diferentes materiais, para verificar se alternativas mais econômicas poderiam proporcionar desempenho térmico similar às soluções convencionais de preenchimento. Para um melhor entendimento da transferência térmica entre estas estacas testadas e o solo, e para comparar o desempenho térmico de estacas de aço e de concreto, previamente foram realizados ensaios em modelo físico em laboratório, nos quais foram simuladas a troca térmica de seções de estacas trocadora de calor com areia seca e saturada. Para análise e interpretação dos ensaios de campo foram utilizados modelos analíticos e desenvolvidos modelos numéricos em 2D e 3D com o programa COMSOL. Por fim, o comportamento termomecânico da fundação trocadora de calor foi avaliado em campo por meio de prova de carga com carregamento térmico simultâneo. As principais conclusões deste trabalho foram as seguintes: (i) As soluções com melhor desempenho térmico foram as da estaca preenchida com água e com argamassa e fibras metálicas, no entanto em termos de custo a primeira é mais econômica; (ii) O desempenho térmico das estacas preenchidas com argamassa e com areia saturada foi similar, porém a segunda alternativa envolve menos custos; (iii) O satisfatório desempenho da estaca preenchida com água se deve ao efeito de convecção em seu interior, detalhado pela modelagem numérica 3D; (iv) Os resultados dos ensaios em modelo físico estão convergem com o encontrado em campo, e indicaram melhor desempenho para as seções de estacas de aço; (v) O ensaio de carregamento termomecânico ilustrou o acréscimo de tensões axiais ao longo do comprimento das estacas, devido ao efeito do carregamento térmico simultâneo, modificando o diagrama de transferência de carga ao longo da profundidade da estaca.