Computational Hygro-thermal Analysis of Moisture Problems in Historical Buildings in a Tropical Climate

Abstract

Presence of water in historical masonry wall construction is one of the most pervasive problems that adversely affects architectural heritage, causing various considerable building surface and structural damages, subsequently could lead to indoor air quality problems. Capillary rise of ground water, so called rising damp, through masonry brick wall is the most widespread phenomenon leading to moisture presence in historical buildings. Due to the complexity of rising damp mechanisms and the number of unknown factors involved in rising damp finding appropriate solutions for rising damp mitigation has been a challenge for decades.The focus of this dissertation is placed on historical buildings and their pertinent building components constructed with traditional techniques in 19thcentury Thailand, a Southeast Asian nation governed by a tropical climate where lack of effective retrofit options persists despite the wide range of rising damp problems. A historical church with severe moisture-related deteriorations from the respective era serves as the case study. Hence, on-site visual inspection of the affected wall constructions along with numerical hygro-thermal performance simulation tools are integrated as a two-step procedure, which is used to investigate the dampness occurrence and the causes of moisture-related deteriorations. The hygro-thermal simulation was conducted using actual dimensions of the interior wall and the four exterior walls of the historical church facing four different cardinal directions.Furthermore, retrofit options for these historical walls were considered and evaluated for its effectiveness in rising damp mitigation by deploying the aforementioned hygro-thermal simulation software.The results of the investigation suggest that capillary moisture rise is the main agent that exacerbates existing moisture-related deteriorations, which can be found on the surfaces of the interior wall. Consistent with the simulation results, further findings from visual inspection also indicate that there are more severe problems on the interior wall surfaces compared to those on the exterior wall surfaces. The findings conclude that more water content exists in the interior wall than in the exterior walls. The effectiveness of wall cutting, a wellknown mechanical intervention method, was then evaluated in light of its potential as a rising damp mitigation measure. The results of the hygro-thermal analysis of the post-retrofit walls are presented. The main findings of the study can be summarized that in historical buildings, the wall cutting method appears to be an effective rising damp mitigation measure. Nevertheless, there still exists potential impact from humidity due to indoor climate and outdoor weather conditions. Moreover, the cutting wall method was found to be moreeffective for retrofitting the interior wall compared to the exterior cases. A shorter notable drying out time also appeared in the retrofitted interior wall.Since this dissertation relies mainly on simulation results, it benefited from the results of a simulation calibration effort at TU Wien, Austria. The simulation results for a retrofitted wall at TU Campus were compared with data measured at the positions within the different layers of the existing wall construction in order to evaluate the reliability of the employed simulation tool. The results show a noticeable improvement of the predictive potency of the simulation model when input variables were adjusted based on measurements.Moreover, since the reliable knowledge of material-specific parameters is essential to generating dependable simulation models, this dissertation also investigated the degree of sensitivity of hygro-thermal analysis with respect to the choice of material-specific model input data. In order to identify a subset of input variables with significant influence on the simulation results, the wall construction of a historical building located in a hot-humid climate in Thailand (Thai temple wall) is subjected to a sensitivity analysis. The results illustrating as the sensitivity degree classification (i.e., low, medium, high) of the influential input parameters were presented.

Wasser in historischem Mauerwerk ist eine der größten Bedrohungen für das architektonische Erbe. Es führt zu Schäden an Fassaden sowie der Struktur von Gebäuden und kann sogar zur Verschlechterung der Luftqualität in Innenräumen führen. Aus dem Grundwasser aufsteigende Feuchtigkeit in Mauerwerk infolge der Kapillarwirkung ist ein weitverbreitetes Phänomen und Grund für das Auftreten von Feuchtigkeit in historischen Gebäuden. Aufgrund der Komplexität der Mechanismen von aufsteigender Feuchtigkeit und der Vielzahl der damit zusammenhängende Faktoren, ist es seit Jahrzehnten eine Herausforderung, passende Lösungen hinsichtlich der Verminderung von aufsteigender Feuchtigkeit zu finden.Diese Arbeit betrachtet historische Gebäude und deren Komponenten, die im 19. Jahrhundert mit traditionellen Techniken in Thailand errichtet wurden. In diesem südostasiatischen Staat herrscht tropisches Klima und trotz einer Vielzahl von Problemen mit aufsteigender Feuchtigkeit kommen kaum effektive Sanierungsmethoden zum Einsatz. Als Fallbeispiel wird eine historische Kirche mit schweren Feuchtigkeitsschäden betrachtet. Das Auftreten der Feuchtigkeit und die Ursachen für die Feuchtigkeitsschäden wurden in zwei Schritten untersucht - erstens in Form einer Besichtigung des betroffenen Mauerwerks vor Ort und zweitens mit numerischer Simulation des hygrothermischen Verhaltens. Für die hygrothermische Simulation wurden die tatsächlichen Maße der Innenwand und der vier Außenwände, welche in vier verschiedene Himmelsrichtungen zeigen, verwendet. Ferner wurden Methoden zur Sanierung dieser historischen Wände betrachtet und hinsichtlich der Effektivität zur Verminderung der aufsteigenden Feuchtigkeit unter Einsatz der Simulation evaluiert. Die Resultate der Untersuchung besagen, dass aufsteigende Feuchtigkeit infolge der Kapillarwirkung der Hauptverursacher von Feuchtigkeitsschäden auf den Oberflächen der Innenwände ist. Die visuelle Inspektion und die Ergebnisse der Simulation deuten darauf hin, dass Innenwände größere Schäden und einen höheren Wassergehalt als Außenwände haben.Die Effektivität der mechanischen Horizontalsperre, einer bekannten Methode zur Bauwerksabdichtung, wird hinsichtlich ihres Potentials zur Verringerung aufsteigender Feuchtigkeit, analysiert und die Resultate der hygrothermischen Analyse der sanierten Wände werden präsentiert. Die Erkenntnisse dieser Arbeit legen nahe, dass die mechanische Horizontalsperre eine effektive Methode zur Verringerung aufsteigender Feuchtigkeit in historischen Gebäuden ist, wobei aber auch das Innenklima und das Wetter potentiell eine Rolle spielen können. Des Weiteren hat sich herausgestellt, dass diemechanische Horizontalsperre bei Innenwänden effektiver wirkt als bei Außenwänden, wobei die Trocknungszeit der sanierten Innenwand auchdeutlich kürzer war. Da diese Arbeit hauptsächlich auf Simulationsergebnissen beruht, hat sie von den Resultaten einer Simulationskalibrierung an der TU Wien profitiert. Die Simulationsergebnisse für eine sanierte Wand am TU Campus wurden mit Messdaten von den verschiedenen Schichten der existierenden Wand verglichen, um die Zuverlässigkeit der eingesetzten Simulationssoftware zu evaluieren. Die Ergebnisse zeigen eine merkbare Verbesserung derSimulationsresultate durch Setzen der Eingabeparameter auf Messwerte. Da das Wissen über materialspezifische Parameter essentiell für die Erstellung einer zuverlässigen Simulation ist, untersucht diese Arbeit auch den Grad der Sensitivität der hygrothermischen Analyse hinsichtlich der Wahl der materialspezifischen Eingabeparameter. Um jene Variablen zu identifizieren, welche signifikanten Einfluss auf die Simulationsergebnisse haben, wurde am Mauerwerk eines historischen Tempels in tropischem Klima (Thailand) eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt.