Titelaufnahme

Titel
Multiscale modeling and experimental investigation of the hygroexpansion behavior of softwood / von Stefan Gloimüller
Weitere Titel
Mehrskalenmodellierung und experimentelle Untersuchungen des Feuchteausdehnungsverhaltens von Weichholz
VerfasserGloimüller, Stefan
Begutachter / BegutachterinBorst, Karin de ; Kolbitsch, Andreas
Erschienen2012
UmfangVI, 217 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2012
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Holz / Feuchteausdehnung / Mehrschichtige Einheitszelle / Mikrostruktur / Anisotropie / Poromechanik / Holzstrahlen / Frühholz / Spätzholz / Druckholz
Schlagwörter (EN)Wood / Hygroexpansion / Multilayered Unit Cell / Microstructure / Anisotropy / Poromechanics / Ray Cells / Earlywood / Latewood / Compression wood
Schlagwörter (GND)Weichholz / Feuchteleitung / Ausdehnung / Stoffeigenschaft / Mehrskalenmodell / Experiment
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-45887 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist frei verfügbar
Dateien
Multiscale modeling and experimental investigation of the hygroexpansion behavior of softwood [53.63 mb]
Links
Nachweis
Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Die Feuchteausdehnung bei Wasseraufnahme ist ein allseits bekanntes, auch genutztes, aber oft unerwünschtes Verhalten von Holz.

Zusätzlich besitzt Holz anisotrope Materialeigenschaften mit unterschiedlichem Verhalten in radialer (R), tangentialer (T) und longitudinaler (L) Richtung. Die Steifigkeit von Holz in R- und L-Richtung ist doppelt bzw. zehn mal so hoch als in T-Richtung.

Andererseits sind die Feuchteausdehnungskoeffizienten in R- und L-Richtung halb bzw. zehn mal so klein wie jene in T-Richtung.

Teil 1 dieser Arbeit beschäftigt sich mit der mathematischen Modellierung des Ursprungs der Feuchteausdehung, Teil 2 mit einer experimentellen Betrachtung.

Holz besteht aus Zellen, deren Wände aus mehreren Schichten bestehen (ML, P, S1, S2 und S3). Diese zeigen bedingt durch variierende Mikrofibrillenwinkel, chemische Zusammensetzungen und Schichtdicken, ein unterschiedliches Verhalten in Hinblick auf die Feuchteausdehnung. Die Materialeigenschaften auf den unterschiedlichen Längenskalen werden mit Homogenisierungsstrategien der Mikromechanik ermittelt. Der Ursprung des Quellens und Schwindens von Holz wird dabei als Druck im wassergefüllten Porenraum der Polymermatrix beschrieben. Dazu wurde das Modell im Rahmen der Poromechanik formuliert. Das poromechanische Verhalten der Holzzellen in Früh- und Spätholz wurde mit einem mehrschichtigen Einheitszellenmodell berechnet. Die erhaltenen Feuchteausdehnungskoeffizienten stimmen sehr gut mit jenen aus experimentellen makroskopischen Beobachtungen überein. Für die erste Nachbildung dieser Koeffizienten wurden nur kleine Änderungen des Wassergehaltes betrachtet, um die Theorie der kleinen Verzerrungen und Deformationen verwenden zu können. Der berechnete Druck im Porenraum von Fichtenholz, der die Feuchteausdehnung bewirkt, beläuft sich auf 0 bis 0.25 GPa.

Im zweiten Teil wurde in der ersten Versuchsserie der Quelldruck gemessen, den Holz bei behinderter Ausdehnung erzeugt. Dazu wurden Fichtenproben inklusive Kraftmesszelle in eine Einspannvorrichtung eingebaut und in einem Klimaschrank konditioniert. Es wurde der Quelldruck infolge einer Änderung der Luftfeuchtigkeit von RH =30 % auf RH = 40% gemessen. Aufgrund der Nachgiebigkeit der Kraftmesszellen wurden die Rohdaten auf Zustände mit kompletter Behinderung umgerechnet.

In einer zweiten Testserie wurden teilweise die gleichen Proben in ihrem unbehinderten Ausdehnungsverhalten untersucht. Die Luftfeuchtigkeit wurde zwischen RH = 30 % und RH = 80 % und wiederum zurück auf RH = 30 % in 10%-Schritten geändert. Dabei wird der Effekt der Hysterese des hygroskopischen Verhaltens von Holz sehr gut sichtbar. Weiters ergaben die Versuche einen nicht linearen Verlauf der Feuchteausdehnungskoeffizienten bei sich ändernden Feuchtegehältern von Holz. Der Vergleich der Ausdehnungsversuch mit und ohne Behinderung zeigt einen markanten Unterschied in den jeweiligen Ausgleichsfeuchten des Holzes bei gegebener Umgebungsluftfeuchtigkeit. Daraus wird abgeleitet, dass bei behinderter Quellung der Druck das Sorptionsverhalten beeinflusst, und au\ss erdem Phänomene wie Relaxation eine Auswirkung auf die Ergebnisse haben können.

Zusammenfassung (Englisch)

Hygroexpansion during water adsorption is a known, used, but mostly undesired characteristic of wood. In addition, wood shows an anisotropic material behavior with different characteristics in each principal direction, called radial (R), tangential (T) and longitudinal (L) direction. The stiffness in R- and L-direction is about two and ten times higher, respectively, than in T-direction. On the other hand, hygroexpansion coefficients are two and ten times smaller in R- and L-direction, respectively, than in T-direction.

Part 1 deals with a mathematical description of the origin of hygroexpansion in the framework of multiscale modeling, while Part 2 deals with experimental investigations of the hygroexpansion behavior. During the expansion of wood, the cell wall layers (ML, P, S1, S2, and S3) play different roles because of their varying microfibril angles, chemical compositions, and layer thicknesses. The material properties at each length scale, for example for the individual layers, are derived with homogenization strategies. The swelling effect of water absorbed by wood is considered as pressure in the pore space in the polymer matrix.

For describing the effect of this pressure on the mechanical behavior of wood, the model was formulated in the framework of poromechanic. The poromechanical behavior of wood cells in earlywood and latewood was calculated with a multilayered unit cell. The resulting hygroexpansion coefficients matched that of macroscopic experimental observations. For a first representation of these macroscopic coefficients, only small changes of the moisture content (+- 1 %) are considered in order to remain within the limits of the theory of small strains and deformations, respectively. The back-calculated pore pressure inside the pores, responsible for the swelling of wood, shows values between 0 and 0.25 GPa.

The second part, dealing with experimental work, contain two kinds of tests. First the macroscopic swelling force of spruce wood at restrained conditions was measured. The samples were mounted in a fixation together with a load cell. After drying to a relative humidity of RH =30 % the climate in the chamber was changed to RH = 40 %, resulting in swelling stresses. Due to the compliance of the load cell, the directly measured forces were converted to corresponding forces with a fully restraining in one direction. The second test series dealt with the free hygroexpansion of wood, where prestressed and not prestressed samples were used to measure the swelling and shrinkage in radial and tangential direction. The used range of relative humidities started at RH = 30 %, changing in steps of Delta RH = 10 % up to RH = 80 % and again down to RH = 30 %. Here the hysteresis effect of the hygroscopic behavior of wood is shown in a very good manner. The hygroexpansion coefficients showed nonlinear courses over changing moisture contents. Comparing the two test series, different equilibrium moisture contents of the samples in relation to the surrounding humidity were found. Thus, one can assume that macroscopic pressure affects the sorption behavior, and that also relaxation has an influence on the swelling pressure results.