Numerische Simulation von Holzwerkstoffen

In Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Holzforschung WKI bearbeitet das Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP seit Mitte 2013 ein Forschungsprojekt mit dem Ziel, hygrothermische Kennwerte von Holzwerkstoffen für numerische Simulationen zu generieren. Das Vorhaben wird gefördert durch die AiF – Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen.

Die numerische Simulation findet als Methode zur Erstellung von Prognosen bereits verbreitet Anwendung. Sie reicht dabei von Wetter- oder Wahl- über Finanz- und Wachstumsvorhersagen bis zur Prognose über das Verhalten von Baustoffen und Bauteilen bei deren Beanspruchung durch mechanische und klimatische Einwirkungen. Bei der numerischen Simulation des Verhaltens von Produkten aus Holz und Holzwerkstoffen führen die relativ großen Streuungen der Materialeigenschaften häufig zu wenig aussagekräftigen Ergebnissen. Während die Streuung bei Vollholz in der Regel am größten ist, wird sie mit zunehmendem Veredlungsgrad der Werkstoffe geringer.

Neben dem Widerstand gegen Wasserdampfdiffusion sind für Holzwerkstoffe auch die Eigenschaften Porosität, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit (auch feuchteabhängig), Feuchtespeicherung, freie Wassersättigung und die Flüssigwassertransportkoeffizienten relevant. Mit diesen kann der Feuchteschutz eines Bauteils umfassend beschrieben werden.

Im Holzbau haben bauphysikalische Fragestellungen zum Wärme- und Feuchtetransport eine nennenswerte Bedeutung, da Holz und Holzwerkstoffe zum einen durch Feuchteänderungen auch Dimensionsänderungen erfahren, zum anderen weil sie bei übermäßiger Feuchte dem natürlichen Zersetzungsprozess ausgesetzt sind.

Die Materialeigenschaften zur Beschreibung des Wärme- und Feuchtetransports stehen jedoch selbst für bewährte Produkte in nur unzureichender Qualität zur Verfügung.

Verstärkt wird diese Problematik dadurch, dass in den letzten Jahren neuartige oder gänzlich neue Holzwerkstoffe und Produktgruppen, infolge an sich positiv zu bewertender Innovationen, den Holzwerkstoff- und Holzbaubereich erheblich bereichert haben. So werden heute häufiger ökologisch und ökonomisch sinnvolle Holzwerkstoffe aus nachhaltigen Rohstoffquellen angewendet, wo bis vor wenigen Jahren ausschließlich erdölbasierte Hartschäume oder Dämmstoffe mit mineralischen Fasern verwendet wurden.

Da es unpraktikabel und insbesondere unwirtschaftlich erscheint, für jedes Produkt und jede Eigenschaft den Aufwand einer umfangreichen Probenentnahme durchzuführen, sollen in diesem Vorhaben die Einflussfaktoren und deren Auswirkungen auf die jeweiligen bauphysikalischen Materialeigenschaften ermittelt werden. Der Faktor mit dem wahrscheinlich größten Einfluss ist vermutlich die Rohdichte; als weitere wesentliche Faktoren lassen sich zum jetzigen Zeitpunkt die Partikelgröße und der Anteil an Kleber und Hydrophobierungsmittel identifizieren, deren Einflüsse auf die hygrothermischen Kennwerte jedoch noch weitestgehend unbekannt sind.

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens besteht zum einen darin, für die Hersteller von Holzwerkstoffen funktionale Beziehungen zwischen Einflussparametern und den Wärme- und Feuchtekennwerten zu erstellen. Zum anderen sollen die Wärme- und Feuchtekennwerte mit Hilfe von Prognosemodellen prognostiziert werden. Ein weiteres Ziel dieses Forschungsvorhabens ist, für die Anwender genauerer Rechenverfahren eine Datenbank aufzubereiten, die es dem Anwender ermöglicht, über den Anwendungsbereich der Holzwerkstoffe Produktgruppen zu identifizieren, ohne ein Produkt bereits exakt kennen zu müssen.