Zentrum für leichte und umweltgerechte Bauten ZELUBA®

Forschungsschwerpunkt

Numerische Simulation

In der Forschung und Entwicklung ist die numerische Simulation überall dort, wo der praktische Versuchsaufwand zu hoch ist oder keine analytischen Lösungen für die spezifische Problemstellung bekannt sind, ein gefragtes Werkzeug. Validierte Simulationsmodelle ermöglichen eine Minimierung des praktischen Versuchsaufwands und können schwer bzw. nicht messbare Phänomene mit vertretbarem Aufwand darstellen. Außerdem ermöglicht die numerische Simulation Parameterstudien unter variierenden Randbedingungen schnell und automatisiert durchzuführen und Optimierungsalgorithmen anzuwenden.

 

© Fraunhofer WKI | Pablo Guindos

Mechanischer Test zum Tragverhalten von Sperrholzböden – Realversuch (rechts) und numerisches Modell (links)

© Fraunhofer WKI | Pablo Guindos

Hygrothermisch induzierte Spannungen in einem Parkett, die messtechnisch nicht mit vertretbarem Aufwand ermittelt werden können. Hier: Validierung anhand der real aufgetretenen Effekte: Verformungen und Rissbildung

© Fraunhofer WKI | Pablo Guindos

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

Am Fraunhofer WKI nutzen wir numerische Simulationen für Analysen auf Material-, Bauteil- und Systemebene. Das Spektrum unserer Anwendungsgebiete umfasst dabei neben mechanischen Modellen auch die Berechnung von Feuchte- und Wärmetransportprozessen sowie strömungsmechanische Betrachtungen. Eine weitere Kernkompetenz liegt in der Kopplung physikalischer Probleme, die uns eine ganzheitliche Betrachtung komplexer Fragestellungen erlaubt. Aufgrund der interdisziplinären Anwendungsfelder arbeitet das Simulationsteam des ZELUBA® eng mit den anderen Fachbereichen des Instituts zusammen.

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


Mechanik

Wir führen mechanische Analysen mithilfe von Finite-Elemente-Simulationen durch. Dazu zählen beispielsweise Untersuchungen zur Festigkeit, Gebrauchstauglichkeit oder zum Schwingungsverhalten im Erdbebenfall. Zur Berechnung von hybriden Strukturen verfügen wir über eine Vielfalt an Materialmodellen – unter anderem zu nichtlinearem und anisotropem Materialverhalten. Sowohl die Faserorientierung in Hölzern und faserverstärkten Werkstoffen als auch Verformungen nicht-elastischer Natur können wir damit berücksichtigen. Rissausbreitung und das mechanische Verhalten von Klebefugen bilden wir über die Kohäsivzonen-Methode ab, last- und feuchteabhängige Kriechprozesse simulieren wir mit Hilfe von viskoelastischen und mechanosorptiven Formulierungen.

 

Gekoppelte Mehrfeldsimulation

Das Verhalten von Holz und Holzwerkstoffen ist im hohem Maß abhängig von klimatischen Bedingungen. So kann beispielsweise eine veränderliche Luftfeuchte zu Quell- und Schwindprozessen in einer Fuge führen. Die sich ändernde Fugengeometrie nimmt wiederum Einfluss auf die Feuchte- und Temperaturverteilung. Durch die Kopplung von physikalischen Größen in COMSOL Multiphysics sind wir in der Lage, derartige Wechselwirkungen mit vertretbarem Aufwand abzubilden. Auch die Betrachtung strömungsmechanischer Problemstellungen ist möglich. Darüber hinaus können wir unsere Mehrfeldmodelle bedarfsgerecht um benutzerdefinierte Formulierungen erweitern.

 

Wärme- und Feuchtetransport

Mit dem Programm WUFI simulieren wir Wärme- und Feuchtetransportvorgänge für die feuchtetechnische Bewertung von Wandsystemen. Zur Berechnung von Wärmebrücken in Grundrissen nutzen wir ebenfalls die Software WinIso 2D. Auch Untersuchungen zum Innenraumklima und darauf basierende Beurteilungen zur Behaglichkeit führen wir mit WUFI durch. Auch Prognosen des Schimmelrisikos sind anhand von biohygrothermischen Modellen möglich. Um den Einfluss des Klimawandels auf Gebäudefassaden einzuschätzen, arbeiten wir mit Datensätzen aus der Klimaforschung als Eingangsparameter.

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.