Numerical simulation concepts for moisture transport in wood and wood-based products, below and above the fiber saturation point, to predict moisture-induced failure mechanisms

Abstract

Holz und Holzwerkstoffe weisen ein stark feuchteabhängiges Verhalten auf. Neben dem Einfluss auf bestimmte Materialeigenschaften macht das richtungsabhängige Ausdehnungsverhalten die Holzfeuchtigkeit im Holz zu einem wichtigen Faktor, der beider Entwicklung einer Holzkonstruktion oder eines Holzproduktes zu berücksichtigen ist. Dimensionsänderungen von Holzbauteilen aufgrund von Schwankungen des Umgebungsklimas führen zu feuchteinduzierten Spannungen, die je nach Ausmaß zu Rissen führen können, so dass Feuchtigkeit eine der Hauptursachen für Schäden und im schlimmsten Fall für das Versagen von Holzkonstruktionen ist. Holz wird sowohl in der ursprünglichen Form als auch in verschiedenen Ausführungen (z.B. als Massivholz oder Spanplatte) eingesetzt und mit anderen Materialien wie Aluminium kombiniert werden.Im Einsatz auf der Baustelle oder während der Lagerung sind Schalungsträger häufig Wasser ausgesetzt, beispielsweise von Regen. Dies kann mit bestehenden multi-Fickschen Transportmodellen, die nur für Bedingungen unterhalb des sogenannten Fasersättigungspunktes (FSP) entwickelt wurden, derzeit nicht berücksichtigt werden. Andere Ansätze, die für die Holztrocknung entwickelt wurden, berücksichtigen zwar Wasser,sind aber im Bereich unterhalb des FSP vereinfacht. Ein einheitliches Modell, das diese beiden Ansätze kombiniert, fehlt bisher. Ebenso eine genauere Beschreibung der feuchteinduzierten Spannungen und Risse, die in der europäischen Norm für Holzkonstruktionen (Eurocode 5) derzeit nur mit Modifikationsbeiwerten in Abhängigkeit vom Umgebungsklima berücksichtigt werden. Da die Ermittlung dieser Spannungen, insbesondere bei der Interaktion verschiedener Materialien, komplex ist, werden Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit von Schalungsträgern mit einem aufwendigem Versuchsprogramm ermittelt.In dieser Dissertation werden die Ansätze unter- und oberhalb des FSP erstmals mit entwickelten Kopplungstermen verknüpft und in Abaqus mit einer 3D Benutzerelement-Subroutine implementiert. Dieses numerisch stabile Berechnungsmodell wird anschließend verwendet, um Holzfeuchtigkeitsfelder von 18 verschiedenen Querschnitten im Klima des Standortes Linz, Österreich, zu simulieren. Mit diesen Simulationen wird eine Methode zur Vorhersage von Holzfeuchtigkeitsfeldern für größere Querschnitte allein mit der relativen Luftfeuchtigkeit entwickelt. Damit können feuchteinduzierte Spannungen und Änderungen der Materialeigenschaften einfach in einer statischen Berechnung berücksichtigt werden. In einem weiteren Schritt werden auf Basis der simulierten Holzfeuchtigkeitsfelder feuchteinduzierte Spannungen berechnet und mit einem Mehrflächen-Versagenskriterium bewertet, um das Potenzial von Rissen während der untersuchten Zeitspanne vom 1.11.2014 bis zum 1.1.2016 zu ermitteln. Zu bestimmten Zeitpunkten werden Simulationen mit der erweiterten Finite-Elemente-Methode durchgeführt und die resultierenden Risslängen mit den Annahmen des Eurocodes 5 verglichen.Das Feuchtetransportmodell, in Kombination mit hochentwickelten Materialmodellen für sprödes und duktiles Versagen von Holz, wird auch verwendet, um das Verhalten von komplexen Holz-Aluminium-Verbundträgern in verschiedenen Feuchtezuständen während der Widerstandsprüfungen von EN 13377 zu untersuchen und um das Last-Verformungsverhalten sowie die maximale Tragfähigkeit vorherzusagen. Die in dieser Arbeit neu entwickelten Methoden sollen eine Grundlage für die Verbesserung bestehender Bemessungskonzepte legen, um in der Folge das Ausmaß feuchtebedingter Schäden in Holzkonstruktionen und Holzprodukten zu reduzieren.

Wood and wood-based products exhibit a strongly moisture-dependent behavior. In addition to the influence on certain material properties, the direction-dependent expansion behavior makes moisture in wood an important factor to consider when developing a timber structure or wood product. Dimensional changes of wooden construction elements due to variations in the surrounding climate lead to moisture-induced stresses,which, depending on their magnitude, can lead to cracking, making moisture one of the main reasons for damage and, in the worst case, failure in timber structures. Wood is also used on a large scale and in different types (e.g. as solid wood or particle board) and can subsequently be combined with other materials such as aluminum.During use but also when stored on the construction site, form work beams are often exposed to liquid water, e.g. from rain, which can currently not taken into account with existing multi-Fickian transport models, which are only applied for conditions below the so-called fiber saturation point (FSP). Other approaches, developed for kiln drying,also account for free water, but are simplified in the range below the FSP. A unified model combining these two approaches is currently missing. So does a more accurated escription of moisture-induced stresses and cracks, which are currently only considered with modification factors depending on the surrounding climate in the European standard for timber structures (Eurocode 5). Since the determination of these stresses,especially when different materials interact, is quite complex, the load-bearing capacityand service ability of formwork beams are determined with an extensive test program.In this dissertation, the approaches below and above the FSP are linked with reasonable coupling mechanisms and implemented in Abaqus within the framework of a three-dimensional user element subroutine. This numerically stable and reliable computational model is then used to simulate moisture content (MC) fields of 18 different sized cross-sections in a real climate at Linz, Austria. Based on these simulated moisturefields, a method for predicting such fields for larger cross sections solely based on relative humidity is developed. This allows moisture-induced stresses and changes in material properties due to climatic changes to be easily taken into account in a structuralanalysis. In a further step, moisture-induced stresses are calculated based on the simulated MC fields and evaluated with a multisurface failure criterion to determine the potential of cracking during the studied time span from November 1, 2014, to January1, 2016. Simulations are performed at specific points in time using the extended finite element method and the resulting crack lengths are compared to the assumptions of Eurocode 5. The moisture transport model, in combination with advanced material modelsfor brittle and ductile failure of wood, is also used to investigate the behavior of complex wood-aluminum composite beams in different moisture states during the resistancetests of EN13377 and to predict the load-deformation behavior as well as the maximum bearing capacity.The in this work presented newly developed tools and methods are intended to laya basis for improving existing design concepts, subsequently reducing the amount of moisture related damage in timber constructions and wood products.