Der Einfluss des Aufbringens von Frischbeton auf die Feuchtigkeitsverteilung in Holz-Beton-Verbundkonstruktionen mit Kerven, untersucht mittels numerischer Simulationen

Abstract

Durch den Einsatz von Holz-Beton-Verbundkonstruktionen erlebt die Verwendung von Holzwerkstoen im Massivbau einen Aufschwung. Bei Verwendung von Frischbeton gelangt jedoch Feuchtigkeit aus dem feuchten Beton in das Holz. Sowohl die mechanischen als auch die bauphysikalischen Holzeigenschaften werden durch die Holzfeuchtigkeit maßgebend beeinflusst. Um Aussagen über das Ausmaß der erhöhten Holzfeuchtigkeit aufgrund des feuchten Aufbetons zu tätigen, können Versuchsmessungen durchgeführt werden. Diese gestalten sich allerdings als sehr zeitintensiv und technisch anspruchsvoll. Ziel dieser Diplomarbeit ist es, mithilfe eines auf der Finiten-Elemente-Methode basierten Simulationstools, den Feuchteeintrag aus dem Frischbeton in eine fünflagige Brettsperrholzplatte(CLT-Platte) zu erfassen. Es soll das Ausmaß des Feuchteeintrags in das Holz beobachtet und beurteilt werden. Außerdem wird eine lokale Versiegelung der Kervenflanke als Alternative zu Trennfolien in der Fuge zwischen den Materialien untersucht. Dazu wurde ein Finite-Elemente-Modell des Kervenbereichs einer CLT-Platte erstellt. Basierend auf den Versuchsergebnissen von Muller [32] wurde der anfängliche Feuchteeintrag aus dem Beton ins Holz nachgebildet. Anschließend wurde die Feuchteeausbreitung in der CLT-Platte unter verschiedenen realen Innenklimabedingungen über zwei Jahre simuliert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass das Aufbringen von Frischbeton auf die Holzoberfläche zu einem stellenweise deutlichen Anstieg der Holzfeuchtigkeit führt. Feuchtegehalte von 20 % bis zu einem Maximalwert von etwa 84 % beschränken sich auf die direkte Umgebung der Kerve. Insgesamt wirkt sich die Erhöhung des Holzfeuchtegehalts nur auf die obersten drei Lamellen aus und hält sich über bis zu zehn Monate. Der Einfluss des Innenklimas beschränkt sich vorwiegend auf die untersten beiden Lamellen und zeigt keine signifikanten Auswirkungen auf die Feuchteentwicklung im oberen Bereich der CLT-Platte. Die lokal auftretenden Feuchtespitzen führen zu einer starken Abminderung der Festigkeit in der Schubfuge. Gerade in diesem Bereich treten jedoch hohe Schubspannungen auf. Außerdem besteht die Gefahr von schlechteren Verbundbedingungen aufgrund der feuchteinduzierten Reduzierung der Steifigkeit im Kervenbereich. Die Einteilung in die Nutzungsklassen (NKL) des Eurocode 5berücksichtigt diese Effekte nicht ausreichend. Die Norm bezieht sich dabei auf die mittlere Holzfeuchtigkeit des gesamten Bauteils. Die Simulationen zeigen, dass diese im Holzkörper, außer im ersten Monat nach dem Einbau, durchgehend unter 12 % liegt und nach ein paar Monaten in Richtung einer Ausgleichsfeuchte von 8-9 % absinkt. Das Bauteil wäre demnach der NKL 1 zuzuordnen, welche keine feuchteinduzierte Abminderung der Holzeigenschaften berücksichtigt. Mit zwei weiteren Modellen wurde untersucht, ob eine lokale Versiegelung im Kervenbereich zu einer Verbesserung der Feuchtesituation im Holz führen kann. Es wurde dazu die Durchlässigkeit an der Oberfläche der Kervenflanke um 50 % bzw. um 100 % reduziert. Es zeigt sich, dass ein relativ hoher Versiegelungsgrad erforderlich ist um den Feuchteeintrag aus dem Frischbetonmerkbar zu minimieren. Erst durch eine vollständige Versiegelung der Kervenflanke wird es möglich die Holzfeuchtigkeit in der Schubfuge auf unter 20 % zu halten. Mit dem verwendeten numerischen Simulationstool ist es möglich das Feuchteverhalten in CLT-Platten unter sich ändernden Feuchtigkeitsverhältnissen an der Oberfläche, wie das Aufbringen von Beton oder Innenklimabedingungen, nachzustellen. Somit können Aussagen über kritische Feuchtezustände und sich daraus ergebende Auswirkungen auf die Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit von CLT-Platten im Verbund mit Beton getroffen werden.

Because of the usage of timber-concrete composite constructions, wood-based materials arehaving an uplift in solid construction. However, when using fresh concrete moisture entersthe wood. The mechanical behavior as well as the building physical behavior of wood heavilydepends on the moisture content. In order to be able to make a statement about the extent of theincreased wood moisture due to the wet concrete, experiments can be carried out. Unfortunatelythose experiments are very time consuming and technically challenging.The aim of this diploma thesis is to give information about the moisture entry from theconcrete into a notched cross-laminated timber (CLT) board with five layers. The calculationsare made with a numerical simulation tool based on the finite element method. The extent ofmoisture entry into the wood is studied and evaluated. In addition, local sealings in the notchedarea of the board are examined as an alternative to the commonly used separating layer-foilsbetween concrete and wood. The simulations are conducted on a finite element model of anotched connection in a CLT-plate. Based on the data of Muller [32] the initial moisture entryfrom the concrete into the wood is reproduced. Following this, the moisture propagation issimulated for a period of two years under dierent realistic indoor climate conditions.The results show a distinct increase in moisture content in some places due to the applicationof concrete. However, moisture contents of 20 % up to a maximum of 84 % are restricted tothe direct surrounding area of the notch. Overall the increase in wood moisture content onlyaects the top three layers and holds for up to ten months. The indoor climate mostly shows aninfluence on the bottom two layers and has no significant impact on the moisture development inthe upper area of the slab.The locally occurring moisture peaks result in a significant reduction in wood strength andstiness in the shear joint. However, the highest shear stresses occur in this area particular.Furthermore, the load transfer is worsened due to the reduction in stiness of the notchedconnection. The classification into service classes within Eurocode 5 does not consider thoseeects enough. For the classification, the standard refers to the average moisture content in thewhole structural component. The simulations show that, with the exception of the first monthafter installation, the moisture content continuously is below 12 %. After a few months the woodmoisture is decreasing towards an equilibrium moisture content of 8-9 %. Therefore, the slabwould be assigned to the service class 1, which does not consider any moisture-induced reductionin wood properties.With another two models the improvement of the moisture propagation in wood due to a localsealing in the notched area was analyzed. For this purpose the permeability at the vertical surfaceof the notch was reduced by 50 % and 100 %, respectively. The results show that a relativelyhigh degree of sealing is needed to reach a noticeable reduction in moisture entry. Only with afully sealed vertical surface of the notch it is possible to keep the moisture content in the shearjoint under 20 %.With the used numerical simulation tool it is possible to reproduce the moisture behavior inCLT-slabs under varying humidity conditions like during the application of concrete or undervarying indoor climates. This allows statements to be made about critical moisture conditions andthe resulting eects on the load-bearing capacity and serviceability of CLT slabs in combinationwith fresh concrete.