Modellierung und Charakterisierung des Strukturverhaltens historischer Kulturgüter aus Holz unter hygro-mechanischer Beanspruchung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Kaliske
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Architektur, Bau- und Konstruktionsgeschichte, Bauforschung, Ressourcenökonomie im Bauwesen ; Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung seit 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 240287377

Historische Kulturobjekte aus Holz, wie historische Tafelbilder, Möbelstücke oder Musikinstrumente weisen häufig Schäden in Form von großen Deformationen oder Rissen auf. Der Grund sind hygrische Beanspruchungen aus den tages- und jahreszeitlichen Schwankungen des Raumklimas und mechanische Beanspruchungen, z.B. durch gespannte Saiten bei Instrumenten. Im Rahmen des Projekts soll die Langzeitanalyse hölzerner Strukturen unter diesen Beanspruchungen ermöglicht und somit ein objektives Werkzeug zur Entscheidungsfindung in der Konservierung bereitgestellt werden. Kritische Beanspruchungen sowie Effekte restauratorischer Eingriffe auf das Tragverhalten können anhand virtueller Experimente ermittelt bzw. untersucht werden, ohne die einzigartigen Originale zu beeinträchtigen. Mit der Prognose des Langzeitverhaltens durch zukünftige Beanspruchungen und den Klimawandel sowie der Definition tolerierbarer Klimagrenzwerte kann das Analysewerkzeug einen wichtigen Beitrag zur Bewahrung des historischen Kulturerbes leisten.Für die umfassende Langzeit-Strukturanalyse mittels der Finite-Elemente-Methode ist die Entwicklung effizienter Methoden zur Berücksichtigung zeitabhängiger Klimaeinwirkungen und Tragwerksantworten nötig. Um die Simulation großer Strukturen im Langzeitbereich mit hochgradig nicht-linearen Materialmodellen realisieren zu können, muss der numerische Rechenaufwand deutlich reduziert werden. Aus diesem Grund wird eine Multizeitskalenmethode für Strukturen aus dem Naturwerkstoff Holz, multi-physikalische Prozesse und hygrische und mechanische Beanspruchungen entwickelt.Für die Langzeitanalyse sind die erforderlichen konstitutiven Materialmodelle zur Abbildung des zeit- und feuchteabhängigen Verhaltens von Holz zu entwickeln. Feuchteinduzierte Spannungen, Kriecheffekte sowie der Einfluss von Klebfugen und Oberflächenbeschichtungen auf den Feuchtetransport und das mechanische Strukturverhalten werden mittels geeigneter Experimente untersucht. Weitgehend unbekannte zeit-, feuchte- und lastabhängige Kriech- bzw. mechano-sorptive und mikro-skalige Feuchtetransport-Charakteristiken von im musealen Bereich eingesetzten Holzarten, historischen Leimen und Lackschichten werden unter Berücksichtigung der natürlichen Variation experimentell bestimmt. Mit Hilfe der daraus abgeleiteten Materialgesetze werden geeignete Modelle entwickelt. Die neuen Methoden und Modelle werden für die Struktursimulation und Analyse der historischen Objekte verwendet. Der Einfluss der multi-physikalischen Beanspruchungen und Materialcharakteristiken und ihrer natürlichen Variation auf das Tragverhalten wird mittels Finite-Elemente-Analysen untersucht und bewertet. Die Ergebnisse der Versuche und Simulationen werden genutzt, um Grenzwerte für tolerierbare Klimaschwankungen in Museen abzuleiten und stellen damit ein potentielles Hilfsmittel für Restauratoren zur Bewertung des Klimaeinflusses und zur Prognose des Langzeit-Strukturverhaltens historischer Objekte dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen