Thermo-hygro-mechanische Prozesse zur Verdichtung und Umformung von Holz: Kontinuumsmechanische Materialmodellierung und Struktursimulation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Kaliske
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Mechanik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 233962626

Der Einsatz von Holz als Werkstoff, vorwiegend als Schnitt- bzw. Vollholz, für Tragstrukturen wird seit Jahrhunderten praktiziert. Moderne technologische Entwicklungen aufgrund der gestiegenen ökologischen und technischen Anforderungen zielen auf die Verbesserung der Werkstoffeigenschaften. Am Institut für Stahl- und Holzbau der TU Dresden (ISH) wird auf Basis der thermo-hygro-mechanischen Eigenschaften des Rohstoffs Holz im Zusammenhang mit Verdichtungs- und Umformprozessen die Formholztechnologie entwickelt.Die numerische Simulation des Formholzherstellungsverfahrens und des Strukturverhaltens aus Formholz gefertigter Bauteile mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente erfordert die Entwicklung eines realitätsnahen Modells zur Beschreibung des thermo-hygro-mechanischen Materialverhaltens von Holz bei großen Deformationen.Zentrales Projektziel ist die Bereitstellung numerischer Werkzeuge und Methoden für die Simulation der Herstellung und Auslegung optimaler industrieller Formholzprodukte. Parallel zu experimentellen Untersuchungen ermöglichen numerische Simulationen der Formholzherstellung und -anwendung einen weitreichenden Erkenntnisgewinn bezüglich der Effekte und Phänomene, die bei diesen Verfahren in den Strukturen auftreten.In der ersten Förderperiode ist die Basis für die Modellierung der multi-physikalischen Prozesse der Holzverdichtung und -umformung bereitgestellt worden. Zur Fortsetzung der Entwicklungen wird zunächst eine ausführliche Validierung der Erweiterung der anisotropen Materialmodellierung von Holz bei großen Deformationen um die Berücksichtigung des Einflusses von Temperatur und Feuchtigkeit anhand experimenteller Untersuchungen angestrebt. Notwendige empirische Daten werden dem Institut für Statik und Dynamik der Tragwerke vom ISH zur Verfügung gestellt.Zum weiteren Ausbau der Erkenntnisse in der zweiten Förderperiode bezüglich des Formholzherstellungsverfahrens und dessen numerischer Simulation wird auf phänomenologische Weise die aktuelle Materialdichte unter Berücksichtigung des kapillar gebundenen Wassers phänomenologisch erfasst. Die entsprechenden Entwicklungen umfassen eine Modifikation der Massenbilanz bei feuchte- und deformationsabhängigen Prozessen.Im Weiteren werden ein thermisch-hygroskopisches finites Oberflächenelement sowie zugehörige konstitutive Modelle bereitgestellt, um die Feuchteaufnahme bzw. Feuchteabgabe sowie die thermischen Konvektionsphänomene numerisch abzubilden.Im Hinblick auf weitreichende Erkenntnisse werden zur Identifikation signifikanter, beeinflussender Größen umfassende numerische Parameterstudien an den realitätsnahen Simulationen der Herstellung von Formholzprofilen durchgeführt, da es bisher nur wenige qualitative bzw. empirische Vorarbeiten zu dieser Technologie gibt. Um den Einsatz der Technologie für praktische Anwendungen demonstrieren zu können, werden abschließend anwendungs- und industrienahe numerische Struktursimulationen von Formholzbauteilen durchgeführt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen