Numerische Simulation des feuchteinduzierten Rissverhaltens von Holzquerschnitten unter realer Klimabeanspruchung

Abstract

Die Holzfeuchtigkeit bestimmt viele mechanische Eigenschaften, wie Festigkeit, Steifigkeit, Wärmeund Feuchteverhalten und Rohdichte. Daher ist die Kenntnis von Feuchteänderungen im Holzbau von essentieller Bedeutung für eine dauerhafte Nutzung. Da die Ausdehungskoeffizienten in den Orthotropierichtungen unterschiedlich sind und Holzfeuchtefelder durch wechselndes Klima über den Querschnitt variieren, kann Quellen und Schwinden zu Eigenspannungen im Bereich der Kurzzeitfestigkeit und dadurch zu Rissen führen. In der Diplomarbeit wurden numerische Simulationen zum gekoppelten Feuchte- und Temperaturtransport in Holzquerschnitten unter realen Klimabedingungen durchgeführt. An insgesamt 18 verschiedenen Voll-, Brettschicht- und Rundholzquerschnitten sowie Brettern wurde die Verteilung der Holzfeuchte über den Querschnitt für das Klima in Linz vom 1. November 2014 bis 31. Dezember 2015 ermittelt. Die Simulationen haben ergeben, dass sich die mittlere Holzfeuchte am Klimaverlauf der Jahreszeiten orientiert und kurzzeitige Klimaänderungen nur äußere Querschnittsbereiche betreffen. Große Querschnitte reagieren im Querschnittsinneren deutlich langsamer auf Feuchtewechsel als kleine. Während sich in der Randzone die Ausgleichsfeuchte einstellt, entsteht ab einer Querschnittsbreite von ca. 14 cm in den inneren 2/3 eine passive Zone, in der sich die Holzfeuchte nur um etwa 2% ändert. Die Einteilung in Nutzungsklassen des Eurocode 5 berücksichtigt den Einfluss der Holzfeuchte auf die Festigkeit nicht ausreichend, da keine genauen Angaben zu wechselnden Klimabedingungen gemacht werden. Die über den Querschnitt gemittelte Holzfeuchte lag im Simulationszeitraum zwischen 12% und 20%. Es zeigte sich, dass jährliche Schwankungen mit dem Verhältnis aus Querschnittsfläche- zu Umfang stark korrelieren und durch einfache Formeln abgeschätzt werden können. Somit können etwa bei der Bemessung von Verbindungsmitteln durch unterschiedliche Ausdehnungen verursachte zusätzliche Spannungen berücksichtigt werden. Mit den erhaltenen Holzfeuchtefeldern wurde eine linear elastische Spannungsberechnung durchgeführt und Verzerrungen zufolge Quellen und Schwinden sowie Temperaturänderung berücksichtigt. Die Auswertung eines Mehrflächenversagenskriteriums hat gezeigt, dass rissgefährdete Querschnittsbereiche durch Überschreitungen der tangentialen Festigkeit in der warmen Jahreszeit am Rand und in der kalten Jahreszeit im Inneren auftreten. Besonders bei kleinen Querschnitten sollte daher die Einbauholzfeuchte an die Umgebungsbedingungen angepasst werden. Für die ermittelten Zeitpunkte mit dem größten Rissrisiko wurde mit der erweiterten Finite- Elemente-Methode die Rissbildung untersucht und die maximalen Risslängen mit den Annahmen des Eurocode 5 verglichen. Es zeigte sich, dass die Abminderung der Querschnittsbreite für eine Schubbemessung nach Eurocode 5 gut mit den Ergebnissen der Simulation übereinstimmen. Für Trocknungsrisse ist die Bemessung nach Eurocode 5 bei Querschnitten mit einer Breite von über 20 cm sehr konservativ. Bei Feuchteaufnahme liefert die Simulation im Inneren der Querschnitte relative große Risse, die womöglich durch fehlende Relaxationseffekte überschätzt werden. Bei Brettschichtholzquerschnitten entstanden Risse unmittelbar neben den Leimfugen. Sie waren von ähnlicher Länge wie bei den Vollholzquerschnitten. Mit numerischen Methoden ist es möglich das Feuchte- und Rissverhalten von Holzquerschnitten unter realen Klimabedingungen zu erforschen, um die Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit von Holzkonstruktionen im Außenbereich besser zu verstehen.

Knowledge on the moisture behaviour of wood constructions for the targeted use of wood-based materials is necessary, because many mechanical properties, such as strength, stiffness, heat and moisture behaviour as well as bulk density depend on it. In addition, swelling and shrinking can lead to cracks due to stresses exceeding the short term strength criteria, because the expansion coefficients differ with respect to the orthotropic material directions and the moisture content varies over the cross-section due to changing climate. In this diploma thesis numerical simulations of the coupled moisture and heat transfer in wooden cross sections under real climate conditions were carried out. For this purpose, the relative humidity and temperature in Linz (Austria) from November 1st to December 31st were evaluated and the moisture content over the cross-sections was determined for 18 different models (solid, glue laminated, boards, logs). This has shown that the moisture content is related to the climate of the seasons and daily climatic changes only influence a rather thin boundary layer. Large cross-sections react much slower to moisture changes than small ones. While the equilibrium moisture content is reached in the outer third of the cross-sections, the inner two thirds (passive zone) with a width greater than 14 cm change only by approximately 2%. The service classes of Eurocode 5 don’t take the influence of changing moisture content on the mechanical strength into account sufficiently. No exact information on changing climatic conditions is given. The average moisture content over the cross section was between 12% and 20% during the simulation. It was found that annual extreme values of the moisture content correlate with the cross section area divided by the circumference of the cross section and can be estimated with simple equations. Linear elastic stress calculations were conducted based on the obtained moisture content fields. Expansion due to swelling, shrinking and temperature were considered. Furthermore a multi-surface failure criterion was applied. The results show that areas susceptible to cracking occur due to the exceeding of tangential streingth: in the warm season in the outer and in the cold season in the inner regions of the cross-sections. Thus, especially the initial moisture content of small cross-sections should be adapted to the ambient conditions on the building site. The extended finite element method was used to investigate the crack formation of the timesteps with the highest risk of cracking, which were obtained during the linear elastic stress calculation. The maximum lengths of the cracks were obtained and compared to the assumptions of Eurocode 5. It was found that the reduction of the cross-sectional width for shear stresses according to Eurocode 5 agrees well with the results of the simulation. For drying cracks, the design according to Eurocode 5 is especially conservative for cross sections with a width of more than 20 cm. In the case of wetting, cracks occur in the inside, which are overestimated by the simulation due to the lack of relaxation effects. In glulam cross-sections, cracks appeared directly next to the glue layers. They were of similar length as in the solid wood sections. In order to better understand the load capacity, serviceability and durability of outdoor wood structures, it is possible to investigate the moisture and crack behavior of wood cross sections under real climate conditions using numerical methods.