Numerical prediction of moisture distributions below and above the fiber saturation point and their impact on crack behavior in timber elements

Abstract

Holz ist ein hygroskopisches Material. Aufgrund seiner strukturellen und chemischen Zusammensetzung ad- oder desorbiert es Feuchtigkeit, um mit der Umgebungsfeuchte im Gleichgewicht zu stehen. Dadurch ändert sich die in den Holzzellen gebundene Menge an Wasser und somit auch die Verteilung der Feuchtigkeit im Holz. Aufgrund dessen nimmt das Zellvolumen zu oder ab, was sich sowohl auf die Materialparameter auswirkt, als auch aufgrund des orthotropen Materialverhaltens Spannungen induziert. Je nach Intensität können dadurch Risse initiiert werden, die die Dauerhaftigkeit von Holz reduzieren und potentiell die Tragfähigkeit herabsetzen,was im schlimmsten Fall zum Versagen der Konstruktion führen kann.Neben der Vermeidung von feuchtebedingter Rissbildung ist die Kenntnis und Vorhersage von Feuchteverteilungen unter- und oberhalb des Fasersättigungspunktes in Holzbauteilen von entscheidender Bedeutung, wie beispielsweise zur Prävention von Fäulnis und Schimmelpilzwachstum,insbesondere bei unerwünschtem Wassereintritt. Daher liegt der Fokus dieser Arbeit auf der Vorhersage von Feuchtigkeitsverteilungen in Holz und Holzwerkstoffen sowie der feuchtebedingten Rissbildung.Im Winter stellen sich im Innenraum klimatische Bedingungen ein, die zu Änderungen im Feuchtefeld führen und damit auch Feuchtegradienten hervorrufen. Diese können kritische Spannungszustände induzieren, und damit Risse verursachen. Zudem wird angenommen, dass die Breite des Querschnitts diese im Innenraumklima entstehenden Spannungszustände maßgeblich beeinflusst. Weitere Details zu diesen Zusammenhängen sind essenziell um Rissbilung zu vermeiden.Um eine Korrelation zwischen Feuchtegradienten und Risstiefen herzustellen, werden zuerst numerische Simulationen durchgeführt, in denen der Einfluss von vier initialen Holzfeuchtigkeiten und verschiedenen Verringerungen der relativen Luftfeuchtigkeit auf die Rissbildung in einem Brettschichtholz- und zwei Vollholzquerschnitten untersucht wird. Diese zeigen eine Korrelation zwischen Feuchtegradienten und Risstiefe unter Innenraumklimabedingungen auf, wodurch eine konservative Vorhersage von Risstiefen möglich ist, da in den Simulationen linear-elastisches Materialverhalten angenommen wurde. Zudem kann ein Zusammenhang zwischen Querschnittsbreiten und feuchteinduzierten Spannungen in großen Brettschichtholzträgern nachgewiesen werden. Außerdem wird die Bedeutung einer an das zu erwartende Innenraumklima angepassten Holzfeuchtigkeit verdeutlicht, um erhebliche feuchteinduzierte Spannungen zu vermeiden.Ausgehend von der Korrelation zwischen Feuchtegradient und Risstiefe wird ein Ansatz entwickelt,mit dem anhand von 39 Standortdaten potenzielle Risstiefen in Außenklimata ausgesetzten Holzbauteilen abgeschätzt werden sollen. Darüber hinaus wird der Einfluss des Standorts aufdie Feuchteverteilung untersucht, wobei dieser umso größer ist, je kleiner der Querschnitt ist.Insbesondere in höheren Lagen wird ein erheblicher Einfluss auf die Feuchteverteilungen unddamit auf die Feuchtegradienten beobachtet.Der Transport von freiem Wasser konnte in einfachen Fällen sowohl bei Wasserinfiltration als auch bei Trocknung im Holz erfolgreich simuliert werden, wobei ein am Institut entwickeltes Modell dafür verwendet wurde. Um anspruchsvollere Szenarien zu simulieren, wie z. B. das Eindringen von Wasser in beschichtete Holzelemente und Brettsperrholzplatten durch Hirnholzoberflächen, wurde dieses Modell weiterentwickelt. Dadurch kann eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment erzielt werden. Zudem wird ein Verfahren zur vereinfachten Kalibrierung des Übergangskoeffizienten von freiem Wassers vorgestellt.

Wood is a hygroscopic material. Due to its structure and chemical composition, it adsorbs ordesorbs moisture to reach an equilibrium with the ambient humidity, changing the amount of bound water in the wood cells and, thus, the moisture distribution. This causes variations incell volume that not only impact material parameters but also induce stresses due to the wood’sorthotropic material behavior. Depending on the stress level, these stresses can lead to crackformation, impairing the material’s durability and potentially affecting the load-bearing capacity,which could result in structural failure in the worst case.Understanding and predicting moisture distributions in timber elements, both below and above the fiber saturation point, is crucial. This knowledge not only helps to prevent moisture-inducedcracks but also problems like decay and mold growth, especially in the event of unwanted wateringress.Winter indoor climates have been identified to cause moisture fields and, thus, moisturegradients that induce stress states, potentially leading to crack initiation. In addition, the widthof the cross section is assumed to significantly affect these stress fields resulting from indoorclimate conditions. However, more details about these correlations are needed to avoid crackformation. To investigate the relation between moisture gradients and crack depths, numericalsimulations are performed on one glued laminated timber and two solid timber cross sections.These simulations examine how four initial moisture content levels and different reductions inrelative humidity influence crack formation. Based on the simulation results, a relation between moisture gradients and crack depths under indoor climate conditions is established, allowing for a conservative prediction of crack depths as linear-elastic material behavior is considered. Further simulations show a clear correlation between cross section widths and moisture-induced stresses in large glued laminated timber cross sections. The results highlight the importance of adjusting the moisture content level in a timber element to the climate expected in the corresponding building to avoid significant moisture-induced stresses.Based on the relation between moisture gradient and crack depth, an approach is developed to estimate potential crack depths in timber elements exposed to outdoor climate conditions,using data from 39 locations. In addition, the influence of the location on moisture distributions is examined, showing an increasing impact the smaller the cross section. At higher altitudes particularly, a considerable influence on moisture distributions and, consequently, moisturegradients is observed—for both small and large cross sections.Free water transport has been successfully simulated in simple cases for both water infiltration and drying, using a model developed at the institute. To simulate more sophisticated scenarios,such as water ingress in cross-laminated timber plates through end-grain surfaces and coatedtimber elements, this model is adapted, allowing for a good agreement between simulation and experimental results. For accurate free water analyses, calibrating the mass transfer coefficient offree water is required in most cases. Therefore, a procedure is suggested to improve this process,and an additional approach is developed for specific conditions, allowing direct determination of this parameter.