Multiscale modelling of transport processes in softwood under the fiber saturation point

Abstract

Der Werkstoff Holz erfährt zur Zeit einen starken Aufschwung im Bausektor und eine immer weitere Verbreitung sowohl im allgemeinen Bauwesen als auch im Ingenieurbau. Um den daraus resultierenden Anforderungen in der ingenieurmäßigen Bemessung gerecht werden zu können, sind genaue Kenntnisse des Werkstoffes und dessen Eigenschaften vonnöten. Die Holzfeuchtigkeit ist dabei eine ausschlaggebende Zustandsgröße des Werkstoffes Holz in Bezug auf seine technologischen und mechanischen Eigenschaften. So verändern sich die Festigkeit und Elastizität mit dem Feuchtigkeitsgehalt. Außerdem schwindet Holz bei Änderungen der Holzfeuchtigkeit im für konstruktive Anwendungen relevanten Bereich. Weiters hat die Holzfeuchte einen großen Einfluss auf die Gefährdung durch Holzschädlinge wie Pilze und Insekten. Um diese Phänomene näher untersuchen und in weiterer Folge auch numerisch modellieren zu können, ist es unabdingbar, ein Modell für den Feuchtigkeitstransport in Holz zur Verfügung zu haben. Da das Transportverhalten in Holz auch stark temperaturabhängig ist, wird parallel dazu auch ein Modell für den Wärmetransport erforderlich. In dieser Arbeit werden Modelle für beide Prozesse entwickelt und zur Validierung Modellaussagen mit entsprechenden gemessenen Werten verglichen. Nachdem die Struktur von Holz - vor allem auf der Mikroskala - geklärt ist, wird ein allgemeines Modell für Transportprozesse in Holz formuliert, das vom Verhalten auf der Zellebene auf jenes auf der Makroebene schließt. Durch die Berücksichtigung der Zellstruktur können dabei einige der Phänomene, die auf der Makroskala nur phänomenologisch nachgebildet werden können, physikalisch basiert erklärt werden. Um die Funktionsweise des Modells zu überprüfen, wird anschließend ein Vergleich mit einem Modell nach der Unit-Cell-Methode durchgeführt, welches eine genauere Beschreibung der Mikrostruktur bietet. Die Analyse des Transportverhaltens der Unit-Cell erfolgt mit Hilfe der Methode der finiten Elementen (FEM) unter Anwendung des FEM-Programms Abaqus.<br />Nachdem die Homogenisierungsschritte geklärt sind, folgt die Anwendung des entwickelten Modells auf die Simulation des Wassertransports in Holz. Nach der Definition von Grundbegriffen folgt die Ermittlung der benötigten Eingangsparameter, im speziellen Fall der Diffusionskoeffizienten von Zellwänden und Lumen. Hierbei wird sehr genau auf die Energieverhältnisse der Wassermoleküle in der Zellwand eingegangen, die einen großen Einfluss auf das gesamte Feuchtigkeitstransportverhalten von Holz haben. Anschließend erfolgt zur Modellvalidierung ein Vergleich der errechneten Werte mit gemessenen Werten aus der Literatur. Die partiellen Differentialgleichungen, die dem Modell für Wasserdiffusion in Holz zugrunde liegen, sind dieselben wie jene für Wärmeleitung in Holz. Deshalb kann das entwickelte Modell mit leichten Adaptionen auf diesen Prozess übertragen werden. Auch hier wird nach Ermittlung der Wärmeleitfähigkeiten der einzelnen Komponenten der Zellstruktur das Verhalten des Modells anhand von Literaturdaten überprüft.Mit Abschluss dieser Arbeit ist der Einstieg in das Thema "Feuchtigkeit in Holz" geschafft. Einerseits wird aufgezeigt, wo noch weiterer Forschungsbedarf nötig ist, andererseits ist mit den beiden entwickelten Modellen für Wasser- und Wärmetransport eine Basis für weitere Forschung in diese Richtung gelegt. Zusätzlich stellt diese Diplomarbeit auch den ersten Schritt meiner Forschungstätigkeit am Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen an der Technischen Universität Wien dar.<br />

Wood is currently facing a boom in the construction sector and is increasingly used, both for common building and for special civil engineering purposes. To meet the resulting high demands on wood in design and dimensioning, accurate knowledge of the material and its properties is necessary.Thereby the moisture content is one of the determining factors in matters of technological and mechanical properties of the material wood. For instance strength and elasticity vary with changing moisture content. Furthermore, wood swells and shrinks when the moisturecontent is changed in ranges typical of structural applications. Moreover, the moisturecontent has a great influence on the degradation of the material by means of fungi and insects.In order to investigate these phenomenons, and, further, also to model them, it is indispensable to have a model for the conduction of moisture through wood on one's disposal.Since the moisture transport process strongly depends on temperature, also a model for heat transport in wood is needed. In this thesis models for both processes are developed and validated by comparing model predictions for transport properties to corresponding measured values.After an introduction to the structure and microstructure of wood, an abstract model for transport processes in wood is defined that predicts the macroscopic behavior of wood from its microstructure. By consideration of the cellular structure, some phenomenons can be explained on a physical basis, that can be simulated on the macroscale only in phenomenological ways. In order to proof the suitability of the model, it is compared to a model based on the unit cell method which provides a more accurate representation of the microstructure. The transport behavior of the unit cell is analyzed by means of the finite element method (FEM), using the FEM-program Abaqus. After formulation of the required homogenization steps, the model is applied to moisturetransport in wood. After defining some fundamental terms, the input parameters are determined, in particular the diffusion coefficients of both cell walls and lumens.<br />Since the energy relationships of the water molecules in the cell wall have a great influence on the overall moisture transport behavior of wood, they are analyzed in detail. Afterwards the developed moisture transport model is compared to measured values from the literature.The partial differential equations describing the moisture transport in wood are identical to the corresponding equations for thermal conduction.<br />Thus, with few adjustment, the developed model for moisture transport can also be applied to this second process. As before, the behavior of the model is checked by comparing model predictions to experimental results from the literature, after defining the thermal conductivities of the single components of the cell assembly.With the completion of this diploma thesis insight is gained into the topic "moisture in wood".<br />On the one hand it is pointed out where further research is needed, on the other hand the developed models for water transport and thermal conduction provide a basis for further research into the influence of moisture on wood. Moreover, this diploma thesis is the first step of my future research work at the Institute for Mechanics of Materials and Structures, Vienna University.