Eine hygrothermische Bauteilsimulation wird dafür verwendet, Konstruktionen und Konstruktionsdetails hinsichtlich möglicher feuchtebedingter Schäden zu untersuchen. Auch für die Analyse und Ursachenermittlung bereits aufgetretener Schäden wird die Simulation verwendet. Dabei werden zumeist 1D und 2D Modelle analysiert, gelegentlich auch 3D Modelle, bspw. bei einbindenden Holzbalken oder kritischen Eck-/Anschlussdetails. Standardmäßig werden gekoppelte Wärme- und Feuchtebilanzgleichungen betrachtet, wobei auch Luftströmungen durch die Konstruktion berücksichtigt werden können. Es gibt jedoch auch Erweiterungen, z.B. zur Analyse/Vorhersage von Salzschäden oder Schadstofftransport/-emission.
Das physikalische Verhalten der Baukonstruktionen wird durch gekoppelte partielle Differentialgleichungen beschrieben. Diese werden mit numerischen Lösungsverfahren, vornehmlich unter Verwendung der Finite-Volumen-Methode (FVM) oder Finite-Elemente-Methode (FEM) berechnet. Seltener wird noch das Finite-Differenzen-Verfahren verwendet. Dieses kann jedoch größere numerische Approximationsfehler bedingen kann.
Aufgrund der komplexen Materialfunktionen ist das mathematische Lösungsproblem stark nichtlinear. Auch infolge der unterschiedlichen zeitlichen Dynamik ist es recht schwierig, das Problem effizient und genau numerisch zu lösen. Es gibt derzeit nur sehr wenige verfügbare Softwarelösungen, welche diese Probleme zufriedenstellend lösen können. Die Fehlerquellen bei der Implementierung und Parametrierung der numerischen Verfahren sind vielfältig.
Die nachfolgend aufgeführten Testserien prüfen jeweils Teilaspekte der numerischen Umsetzung, basierend auf einer weitgehend einheitlichen physikalisch-mathematischen Formulierung in der DIN EN 15026. Es gibt allerdings derzeit noch keine Test- oder Validierungsserien, die bereits in der Planungspraxis verwendeten Modellfunktionen umfänglich prüft. Obwohl gerade die 2D und 3D Simulation numerisch aufwändig und fehleranfällig ist, gibt es für die hygrothermische Simulation noch keine dokumentierten oder standardisierten Testreihen für 2D/3D Geometrien.
Validierungs- und Testreihen
- DIN EN 15026 – Im Anhang dieser europäischen Norm ist ein einzelner Prüffall formuliert, der die Reaktion einer semi-unendlichen Konstruktion auf einen Sprung der Randbedingung betrachtet
- HAMSTAD Benchmarks – Diese Reihe von 5 Testfällen prüft die Simulation von eindimensionalen mehrschichtigen Konstruktionsaufbauten.
Literatur
Aufsätze/Artikel zum Thema
- Sontag L., Nicolai A., Vogelsang St., Validierung der Solverimplementierung des hygrothermischen Simulationsprogramms Delphin, https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-128968
Dieser Artikel beinhaltet eine detaillierte Beschreibung der Validierung des Simulationsprogramms DELPHIN gegen die Testfälle der Normen 10211 und 15026 sowie der HAMSTAD Benchmark-Testfälle.