Bedeutung thermoplastischer Stoffmodelle für die Bemessung von Energiepfählen

Energiepfähle werden zunehmend als multifunktionale Gründungselemente eingesetzt, die tragende Funktionen mit der Nutzung geothermischer Energie kombinieren. Während das mechanische Verhalten in der Bemessung üblicherweise berücksichtigt wird, werden thermische Einwirkungen häufig in vereinfachter elastischer Form behandelt. Langzeitiges Heizen und Kühlen kann jedoch irreversible Bodenverformungen und Spannungsumlagerungen hervorrufen, insbesondere in weichen und geschichteten Böden. Dieser Beitrag untersucht die Relevanz thermoplastischen Bodenverhaltens für die Bemessung von Energiepfählen unter Verwendung eines thermo‐visko‐hypoplastischen Stoffmodells für feinkörnige Böden (AVISA‐T), das zyklische Belastung berücksichtigt. Das Modell wird in einem Finite‐Elemente‐Programm implementiert und anhand großmaßstäblicher Energiepfahlversuche in Delft (NL) unter unterschiedlichen axialen Lastniveaus und langzeitiger thermischer Beanspruchung evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass thermoplastische Effekte maßgeblich die Pfahlkopfverformungen sowie die Umlagerung der Normalkräfte entlang des Pfahls bestimmen können, was mit konventionellen thermo‐elastischen oder thermo‐elasto‐plastischen Ansätzen nicht erfasst wird.

Energy piles are increasingly used as multifunctional foundation elements that combine structural load‐bearing capacity with geothermal heat exchange. While mechanical behaviour is commonly addressed in design, thermal effects are often treated in a simplified elastic manner. However, long‐term heating and cooling may induce irreversible soil deformations and stress redistributions, particularly in soft and layered soils. This contribution investigates the relevance of thermoplastic soil behaviour for the design of energy piles using a thermo‐visco‐hypoplastic constitutive model for fine‐grained soils (AVISA‐T) that accounts for small‐strain effects. The model is implemented within a finite‐element framework and evaluated against field‐scale energy pile tests conducted in Delft, NL, under different axial load levels and long‐term thermal loading. The results demonstrate that thermoplastic effects may govern pile head displacements, shaft force redistribution, and the development of dragdown, which cannot be captured by conventional thermo‐elastic or thermo‐elasto‐plastic approaches.