Zentrum für leichte und umweltgerechte Bauten ZELUBA

Forschungsschwerpunkt

Numerische Simulation

 

Die numerische Simulation ist in der Wissenschaft ein unverzichtbares Werkzeug geworden, um effektiv und zielorientiert Forschung betreiben zu können. Mit der numerischen Simulation lassen sich unsichtbare Effekte visualisieren und werden Versuchsergebnisse erklärbar gemacht. Es lassen sich Prognosen erstellen und Hypothesen verifizieren. Sind die physikalischen Vorgänge erst einmal bekannt, kann mit Hilfe der numerischen Simulation der praktische Versuchsumfang erheblich reduziert werden, was zu großen Kostenersparnissen führt. Am Fraunhofer WKI arbeiten wir kontinuierlich daran, die Möglichkeiten der numerischen Simulation zu verbessern und auszuweiten – insbesondere zur Beantwortung von Fragestellungen rund um den Holzbau. 

 

© Foto Fraunhofer WKI | Friedrich Schlüter und Peter Meinlschmidt (Messung/Foto), Norbert Rüther (Simulation)

Beispielhafte Darstellung einer üblichen Zugscherprobe bei einem Versuch (links) und die während des Versuchs entstehenden Spannungen, visualisiert mit Hilfe der numerischen Simulation.

© Foto Fraunhofer WKI | Pablo Guindos

Veranschaulichung der komplexen Zusammenhänge eines Modells, das die Brennbarkeit von zellulosehaltigem Material beschreibt

© Foto Fraunhofer WKI | Pablo Guindos (Foto und Simulation)

Validierung eines einzelnen Parameters (Hier: Wärmefreisetzungsrate) mit Hilfe eines Versuchs im Cone-Kalorimeter

Die Anforderungen an die Software sind je nach Fragestellung und Anwendungszweck sehr unterschiedlich. Am Fraunhofer WKI stehen uns unterschiedliche Software-Programme zur Verfügung, die wir fallbezogen einsetzen. Zur Überprüfung der Plausibilität der Simulationen und zum Abgleich mit der Realität erfolgt immer eine Validierung der Ergebnisse mit realen Versuchen. Hierzu stehen im Fachbereich »Verfahrens- und Systemtechnik Holzwerkstoffe« diverse Versuchseinrichtungen und Messtechniken zur Verfügung, unter anderem auch optische Messtechniken.

 

Allgemeine physikalische Vorgänge

Für die Simulation physikalischer Vorgänge jedweder Art nutzen wir COMSOL Multiphysics und ANSYS. Wir können damit komplexe physikalische Fragestellungen bearbeiten und dabei Kopplungen zwischen einzelnen physikalischen Problemen definieren. Dies ist insbesondere im Holzbau wichtig, weil die mechanischen Eigenschaften des Holzes sehr stark von der Feuchte und die wiederum von der Temperatur abhängen. Durch Schwindvorgänge können sich Fugen bilden, die wiederum Einfluss auf das Temperatur- und das Feuchteprofil haben.

 

Spezifische Fragestellungen

Für die Beantwortung spezifischer Fragestellungen nutzen wir unter anderem:

Wärme- und Feuchtetransport | TUN und WUFI
TUN ist ein am Fraunhofer WKI entwickeltes Programm zur wissenschaftlichen Nutzung, ausschließlich beschränkt auf Wärme- und Feuchtetransportprobleme. Durch die hervorragenden Möglichkeiten der Parametervariationen ist das Programm ideal geeignet für Parameterstudien und zur Sensitivitätsanalyse von Konstruktionen. WUFI ist ein am Fraunhofer IBP entwickeltes Programm und ebenfalls spezialisiert auf Wärme- und Feuchtetransportvorgänge. Anders als TUN ist es nicht nur für den wissenschaftlichen Gebrauch entwickelt, sondern auch für den praktischen Anwender. Es wird oft verwendet, um Berechnungen für einen Projektbericht ohne großen zusätzlichen Aufwand darzustellen.

Brandereignisse | FDS (»Fire Dynamics Simulator«)
FDS ist ein vom NIST-Institut entwickeltes Finite-Volumen-Programm und wird unter anderem genutzt, um die Temperatur und Rauchentwicklung bei Bränden zu simulieren. Es gilt als weltweiter Standard für die brandschutztechnische Bemessung und ist somit selbstverständlich validiert. Das heißt, die Rechenergebnisse sind mit Versuchen abgeglichen worden.

Ergebnis einer Simulation: Temperatur und verkohlter Bereich eines Papiers

Die Simulation zeigt hygrothermisch induzierte Spannungen in einem Parkett, die messtechnisch nicht mit vertretbarem Aufwand ermittelt werden können. In diesem Beispiel erfolgte die Validierung anhand der real aufgetretenen Effekte – hier konkret Verformungen und Rissbildung.