Preisträgerin 2020

Kurzfassung

Das Verformungsverhalten von Holzbauteilen ist zeitveränderlich und hängt von den anisotropen, feuchteabhängigen Materialeigenschaften ab. Die numerische Untersuchung komplexer zusammengesetzter Holzverbindungen ist im Rahmen der Finite-Element-Methode möglich, wenn die Bilanz- und Materialgleichungen zur Beschreibung des hygro-mechanisch gekoppelten Verformungsverhaltens von Holz bekannt sind und die Langzeitverformungen mit wachstumsbedingten Anisotropien berücksichtigt werden können.

Für die numerische Untersuchung von Fallbeispielen wird ein mechanische-hygrisch gekoppeltes Modell im Rahmen der Kontinuumsmechanik entwickelt, wobei das Deformationsverhalten mit dem Feuchtetransport verknüpft wird. Der Feuchtetransport innerhalb der Holzstruktur wird vereinfachend mit der Diffusionsgleichung für eine Holzfeuchte unterhalb der Fasersättigung beschrieben, wobei der Feuchtetransport aufgrund unterschiedlicher Transportgeschwindigkeiten von gebundenem Wasser und Wasserdampf nur näherungsweise abgebildet wird. Die Modellierung des Langzeitverhaltens von Holz erfolgt mit Hilfe rheologischer Ersatzmodelle.

Die Beschreibung der Abhängigkeit des mechanischen Verhaltens vom hygrischen Zustand erfolgt mit feuchteabhängigen Festigkeits- und Steifigkeitsparametern sowie mit zusätzlichen Deformationsanteilen aus Quellen und Schwinden sowie mechano-sorptivem Kriechen. Die Beschreibung der Feuchteaufnahme des Holzes aus der Umgebungsluft erfolgt mit der Boundary-Layer-Theorie sowie einem Exponentialansatz.

Beide Ansätze führen allerdings zu einer zu geringen Oberflächenemissivität, insbesondere in longitudinaler Materialrichtung. Das in der Arbeit gewählte hygro-mechanischen Modell wird an verschiedenen komplexen Holzverbindungen numerisch verifiziert. Die Ergebnisse zeigen einerseits die Qualität des Modells und verdeutlichen andererseits die Möglichkeiten für eine numerische Untersuchung von Zwängungen in Fügestellen unterschiedlicher Bauteile.