Numerical modeling of the effect of moisture migration and evaporation on the temperature of internal wall surfaces in tunnels

Mouchan, Mansoureh (2023). Numerical modeling of the effect of moisture migration and evaporation on the temperature of internal wall surfaces in tunnels. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Tunnels are vulnerable to water infiltration. Water infiltration can cause significant damage to tunnes structure. Tunnel linings, concrete structures, and equipment can be adversely affected over time by water infiltration. Water leaks are most commonly caused by construction and expansion joints (Ji et al., 2012). Locating and characterizing the water infiltration associated with joints is a major concern for the safety and maintenance of tunnels.

The presence of water in concrete influences its heat exchange properties and temperature. The influence of heat exchanges can be detected by infrared thermography, a non-destructive imaging method that allows the temperature of a surface to be determined from a distance. Thermal imaging can locate and characterize water infiltration in different structures such as tunnels. As of yet, no quantitative method has been developed to measure infiltration in tunnels through the use of infrared thermography (M’nasri, 2020).

In this study, the effect of variation in relative humidity, air temperature, water temperature, convection coefficient, and material permeability on concrete temperature was investigated using a numerical model. A parametric study was conducted with the numerical model of an expansion joint. The numerical model was developed based on the physical model that was constructed by M'nasri (2020).

The numerical model was validated with the temperatures measured with the physical model. The good correlation obtained with the respective test cases shows that the model can be applied to evaluate the thermal behavior of the tunnel walls.

The results show the importance of relative humidity and environmental conditions on the temperature of the wall surface inside the tunnel. Joints in a higher relative humidity environment will have a higher temperature because of the slower rate of evaporation. The temperature anomaly of a leaking joint varies with the difference between the water and air temperatures. For joint permeability values between 1×10-17 m2 and 1×10-15 m2 , the environmental conditions control the temperature anomaly. For permeability greater than 1×10-13 m2 , the temperature anomaly is controlled by groundwater temperature. The temperature decrease at the joint with an increase in convection coefficient. With an increase of the temperature difference between air and water, the temperature anomaly associated with a leaking joint also increases. The results show an increase in permeability causes the joint surface to experience a higher temperature drop. For higher relative humidity, it is difficult to detect the temperature variation associated to close permeabilities.

Titre traduit

Modélisation numérique de l'effet de la migration et de l'évaporation de l'humidité sur la température des parois internes des tunnels

Résumé traduit

Les tunnels sont vulnérables aux infiltrations d'eau. L'infiltration d'eau peut causer des dommages importants à la structure des tunnels. Les revêtements des tunnels, les structures en béton et les équipements peuvent être affectés au fil du temps par l'infiltration d'eau. Les fuites d'eau sont le plus souvent causées par des joints de construction et de dilatation (Ji et al., 2012). Localiser et caractériser les infiltrations d'eau associées aux joints est une préoccupation majeure pour la sécurité et l'entretien des tunnels.

La présence d’eau dans le béton influence ses propriétés d’échange thermique et sa température. L’influence des échanges thermiques peut être détectée par thermographie infrarouge, une méthode d’imagerie non destructive qui permet de déterminer à distance la température d’une surface. L’imagerie thermique permet de localiser et de caractériser les infiltrations d’eau dans différentes structures telles que les tunnels. À ce jour, aucune méthode quantitative n’a été développée pour mesurer l’infiltration dans les tunnels grâce à l’utilisation de la thermographie infrarouge (M’nasri, 2020).

Dans cette étude, L'effet de la variation de l'humidité relative, de la température de l'air, de la température de l'eau, du coefficient de convection et de la perméabilité du matériau sur la température du béton a été étudié à l'aide d'un modèle numérique. Une étude paramétrique a été menée avec le modèle numérique d'un joint de dilatation. Le modèle numérique a été développé sur la base du modèle physique qui a été construit par M'nasri (2020).

Le modèle numérique a été validé avec les températures mesurées avec le modèle physique. La bonne corrélation obtenue avec les cas de test respectifs montre que le modèle peut être appliqué pour évaluer le comportement thermique des parois du tunnel.

Les résultats montrent l'importance de l'humidité relative et des conditions environnementales sur la température de la surface de la paroi à l'intérieur du tunnel. Les joints dans un environnement à humidité relative plus élevée auront une température plus élevée en raison du taux d'évaporation plus lent. L'anomalie de température d'un joint qui fuit varie avec la différence entre les températures de l'eau et de l'air. Pour des valeurs de perméabilité des joints comprises entre 1×10-17 m2 et 1×10-15 m², les conditions environnementales contrôlent l'anomalie de température. Pour une perméabilité supérieure à 1×10-13 m2 , l'anomalie de température est contrôlée par la température de la nappe phréatique. La diminution de température au niveau du joint augmente avec une augmentation du coefficient de convection. Avec une augmentation de la différence de température entre l'air et l'eau, l'anomalie de température associée à un joint qui fuit augmente également. Les résultats montrent qu'une augmentation de la perméabilité entraîne une chute de température plus élevée de la surface du joint. Pour une humidité relative plus élevée, il est difficile de détecter la variation de température associée aux perméabilités proches.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement for a master’s degree with thesis in construction engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 55-59).
Mots-clés libres:	infiltration d'eau, joints de dilatation, modèle numérique, température du béton, thermographie infrarouge
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Duhaime, François
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de la construction
Date de dépôt:	08 mai 2023 13:41
Dernière modification:	11 mai 2023 13:33
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3217

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