Simulation des mechanischen Verhaltens von Brettsperrholz unter starker Feuchtebeanspruchung

Abstract

Der Einsatz von Brettsperrholz ermöglicht ein effizientes und wirtschaftliches Bauen und erfreut sich immer größerer Beliebtheit. Bei der Verwendung von Holz bzw. Holzwerkstoffen müssen die Auswirkungen der Feuchtigkeit im Holz berücksichtigt werden. Die Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften von Holz hängen unterhalb des Fasersättigungspunkts von der Holzfeuchtigkeit ab [26]. Durch Holzfeuchtigkeitsänderungen kommt es zum Quellen und Schwinden von Holz, wodurch Spannungen hervorgerufen werden, die zu Rissbildung führen können. Die Simulation des Feuchtetransports in Holz unterhalb des Fasersättigungspunkts wurde bereits ausgiebig untersucht und validiert. Um das Verhalten der Feuchtigkeit oberhalb des Fasersättigungspunkts zu beschreiben, muss zusätzlich das auftretende freie Wasser in der Modellbildung berücksichtigt werden. In dieser Diplomarbeit wurde dazu das numerische Simulationstool aus Autengruber et al. [5] verwendet. Dies ermöglichte es die Holzfeuchtigkeitstransportprozesse in einer 5-schichtigen Brettsperrholzplatte mit den Abmessungen 800×280×20 cm zu simulieren, wenn sie im Freien gelagert und dem Umgebungsklima ausgesetzt wurde. Es wird angenommen, dass sie 60 Tage lang mit freiem Wasser in Kontakt war, wobei vier verschiedene Befeuchtungsfälle untersucht wurden: eine Befeuchtung von der Unterseite, eine Befeuchtung von der Unterseite sowie seitlich bis zur halben bzw. seitlich über die gesamte Plattenhöhe und eine Befeuchtung von allen Seiten. Die Ergebnisse zeigen, dass sich nach einer 60-tägigen Befeuchtung von allen Seiten eine maximale Holzfeuchtigkeit von 90 % in Plattenmitte und von 95 % am Plattenrand einstellt. Im Anschluss daran wurden Risssimulationen mit der erweiterten Finite Elemente Methode (XFEM) durchgeführt, wobei das Mehrflächenversagenskriterium von Lukacevic et al. [23] als Rissinitiierungskriterium verwendet wurde. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass nach einer 60-tägigen Befeuchtung im Platteninneren in der Nähe der Marklagen Risse in Tangentialrichtung entstehen, weil in diesen Bereichen die radiale Zugfestigkeit überschritten wird. Eine seitliche Befeuchtung führt in der ersten Woche nach Befeuchtungsbeginn außerdem zu Rissen im Bereich des Plattenrands. Im Anschluss wurde ein Einbau der Platte als Innenwand simuliert, unter der Annahme, dass sie dabei einer 21-tägigen Trocknung (20 % relative Luftfeuchtigkeit) von allen Seiten ausgesetzt war, wobei verschiedene vorhergehende Befeuchtungsdauern untersucht wurden. Bei einer 60- tägigen vorherigen Befeuchtung von allen Seiten tritt am Trocknungsende im Platteninneren eine maximale Holzfeuchtigkeit von 66 % auf, während sie an der Plattenober- und Unterseite in der Nähe des Fasersättigungspunkts (ca. 30 %) liegt. Die Ergebnisse der Risssimulationen zeigen, dass sich am Trocknungsende an den Plattenoberflächen in der Nähe der Marklagen Risse in Radialrichtung bilden, weil in diesen Bereichen die tangentiale Zugfestigkeit überschritten wird. Mit dem verwendeten Simulationstool können die Feuchtefelder in einer Brettsperrholzplatte für eine Befeuchtung mit einer anschließenden Trocknung unter Berücksichtigung des freien Wassers simuliert werden. Außerdem können Aussagen über die daraus entstehenden Verformungen und Spannungen sowie die auftretende Rissgefährdung getroffen werden.

The use of cross-laminated timber (CLT) allows efficient and economical construction and is therefore becoming increasingly popular. When using timber or timber-based materials it is necessary to consider the effects of moisture in wood. The strength and stiffness properties of wood below the fiber saturation point depend on the moisture content [26]. Changes in moisture content cause swelling and shrinkage of wood and induce stresses that can cause cracks. The simulation of moisture transport in wood below the fiber saturation point has been examined and validated thoroughly. To describe the behavior of moisture above the fiber saturation point, the free water occurring must be considered in the modeling. In this diploma thesis the numerical simulation tool of Autengruber et al. [5] was used for this purpose. This made it possible to simulate the moisture transport processes in a 5-layer CLT panel with dimensions of 800×280×20 cm when stored outdoors and exposed to the ambient climate. It is assumed that the CLT panel was exposed to free water for 60 days, whereby four wetting cases were examined: wetting from the bottom surface, wetting from the bottom surface and up to half the panel height and over the entire panel height respectively and wetting from all surfaces. The results show that after 60 days of wetting from all surfaces, the maximum moisture content is 90 % in the panel center and 95 % at the panel edge. Subsequently, crack simulations were performed using the extended finite element method (XFEM), whereby the multisurface failure criterion of Lukacevic et al. [23] was used as the crack initiation criterion. The results show that after 60 days of wetting cracks in tangential direction occur in the panel interior near the pith because the radial tensile strength is exceeded in these areas. The wetting of the side surfaces leads to cracks near the panel edge during the first week of simulation. Subsequently, an installation of the plate in indoor climate conditions was modeled and it is assumed that the plate was exposed to a 21-day extreme drying period (20 % relative humidity) from all surfaces, whereby different previous wetting periods were examined. Following previous 60-day wetting from all surfaces the maximum moisture content at the end of the drying period is 66 % in the panel interior, while a moisture content near the fiber saturation point (approximately 30 %) can be found at the top and bottom surfaces of the panel. The results of the crack simulations show that drying causes radial cracks at the panel surfaces near the pith because the tangential tensile strength is exceeded in these areas. The simulation tool used can model moisture fields in a CLT panel for a wetting period followed by a drying period, taking into account the transport of free water. Furthermore, it allows for drawing conclusions about the resulting deformations, stresses and the risk of cracking.