Response of Vertically Loaded Energy Piles Under Earthquake Excitation

Abstract

Pile foundations are deep foundation systems that are used to transfer loads from superstructure to soil by either resisting surface friction or reaching a deeper and stiffer soil layer when geotechnical properties of the soil site are not sufficient to carry the loads transferred from superstructure. Energy piles fulfill the same function along with the ground heat exchanging via heat pump systems, thus satisfying the energy demand of a building for heating-cooling operations. This feature of energy piles draws attention as an innovative system supplying a renewable energy resource. However, heat exchanging operations of energy piles cause temperature variations on pile and the surrounding soil which may cause additional load and deformations. Moreover, temperature variations may affect the elasticity modulus of soils and shear strength of cohesive soils. In this study, earthquake response of an axially energy loaded pile was investigated considering the heating effect under 2020 Izmir earthquake motion using finite element method and compared to the those of identical regular piles. We performed analyses with different soil types, geometric properties, and temperature magnitudes under steady-state heating. Based on the analysis results, heating effect on pile head stiffness with respect to geometric properties were obtained. Two important conclusions have been made; (i) the most critical effect on heating depends on mechanical loading condition of pile and thermal expansion coefficient of soil, (ii) geometric properties may affect the temperature distribution resulting in an unforeseen change in pile head stiffness.

Kazık temeller sahadaki zeminin geoteknik parametreleri üst yapıdan aktarılan yükleri taşımak için yeterli olmadığında, yükleri yüzey sürtünmesi yoluyla veya daha derindeki sert zemin katmanlarına ulaşarak aktaran derin temel sistemleridir. Enerji kazıkları ise yük taşıma görevinin yanı sıra ısı pompası sistemleri aracılığıyla zeminle ısı alışverişi sağlar, böylelikle elde edilen ısı binanın ısıtma-soğutma ihtiyacını karşılar. Enerji kazıklarının bu özelliği, yenilenebilir bir enerji kaynağı sağlayan yenilikçi bir sistem olarak dikkatleri üzerine çekmiştir. Ancak enerji kazıklarının işlemleri sırasında kazıkta ve kazık çevresindeki zeminde sıcaklık değişimleri olur, bu da zemin ve kazıkta ek yük ve deformasyonlara sebebiyet verebilir. Ayrıca zeminin elastisite modülü ve kohezyonlu zeminlerin kesme dayanımı sıcaklık değişimlerinden etkilenebilir. Bu çalışmada sonlu elemanlar yöntemiyle ısıtma etkileri dikkate alınarak oluşturulan eksenel yüklü bir enerji kazığı modelinin 2020 İzmir deprem hareketi altındaki tepkisi incelenmiş ve aynı özelliklere sahip sıradan bir kazığın deprem tepkisiyle karşılaştırılmıştır. İncelemeler farklı zemin türleri, geometrik özellikler ve sıcaklık değerleri ile kararlı durum ısıtma altında yapılmıştır. Analiz sonuçlarına dayanarak ısıtmanın geometrik özellikler açısından kazık baş rijitlik eğrisine etkisi elde edilmiştir. İki önemli bulgu bulunmuştur; (i) ısıtmanın en kritik etkisi kazığın mekanik yüklenme koşuluna ve zeminin ısıl genleşme katsayısına bağlıdır, (ii) geometrik özellikler sıcaklık dağılımını etkileyerek kazık baş rijitliğinde öngörülemeyen değişimlere sebep olabilir.