Sandra Wiese, M.Sc.
Mikrostrukturbasiertes Mehrfeldmodell für Holz
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Mehrfeld-Modells zur Beschreibung der Alterungsprozesse in Holz auf der Mikroebene. Das Modell soll hierbei mechanische, hygrische und thermische Einwirkungen berücksichtigen. Darüber hinaus sollen Degradationsprozesse abgebildet werden.
Die Lebensdauer eines hölzernen Bauteils ergibt sich aus den einwirkenden Einflüssen und deren gegenseitigen Abhängigkeit. Beispielsweise besteht eine starke Abhängigkeit des mecha- nischen Verhaltens von dem hygrischen und thermischen Zustand. Diese Abhängigkeit lässt sich in Form feuchte- und temperaturabhängiger Steifigkeits- und Festigkeitsparameter und zusätzlicher Deformationsanteile darstellen. Der thermische und hygrische Zustand wirkt sich zudem auf das Langzeitverhalten, d.h. die Kriechverformung, aus. Die Degradationsprozesse zeigen ebenfalls eine Abhängigkeit von dem thermischen und hygrischen Zustand. Der Abbau der Holzstruktur durch holzzerstörende Pilze erfolgt ausschließlich in einem bestimmten kli- matischen Bereich. Die Degradation von Zellulose und Lignin, welche die Hauptbestandteile des Holzes darstellen, führt zum einen zu einer Massenreduktion und zum anderen zu einer Entfestigung des Holzes. Mit einem Modell, welches die einzelnen Felder und deren Kopplung abbildet, kann eine Aussage über die Lebensdauer von Holzbauteilen getroffen werden.
Die beschriebenen Prozesse lassen sich mit der porösen Mikrostruktur des Holzes erklären. Holz ist auf der Mirkoebene betrachtet aus Zellen aufgebaut, die wiederum aus einer Zellwand und einem Hohlraum, das Zelllumen, bestehen. Zur Abbildung dieser Zellstruktur soll die Diskre- tisierung auf Grundlage der PFEM (Polygonale Finite Elemente Methode) erfolgen. Die PFEM erweitert die gängige FEM um polygonale Elemente. Somit ist es möglich, eine Holzzelle mit nur zwei Elementen abzubilden. Das Zelllumen kann mit einem konvexen polygonalen Element und die Zellwand mit einem nicht-konvexen polygonalen Element diskretisiert werden.