Software / WUFI / Grundlagen / Materialkenndaten / Feuchtespeicherfunktion
Ein poröser hygroskopischer Stoff bindet an den inneren Oberflächen seines Porensystems so lange Wassermoleküle, bis er einen dem Feuchtezustand der umgebenden Luft entsprechenden Ausgleichswassergehalt erreicht. Dabei treten ab einer relativen Luftfeuchte von ca. 0.6 - 0.8 wegen der Dampfdruckerniedrigung in den feinen Kapillaren zusätzlich Kondensationserscheinungen auf, die einen deutlichen Anstieg der Ausgleichsfeuchte zur Folge haben.
Ein kapillaraktiver Stoff in Kontakt mit Wasser kann so lange Wasser aufsaugen, bis er seine freie Sättigung wf erreicht. Dieser Wassergehalt wf entspricht der Feuchtespeicherfunktion bei einer relativen Feuchte von 1 (=100%). Wegen eingeschlossener Luftinseln ist er jedoch geringer als der durch die Porosität bestimmte maximale Wassergehalt wmax. Über wf hinausgehende Wassergehalte können z.B. durch Kondensation im Temperaturgefälle erreicht werden (etwa in Dämmstoffen; diese sind häufig nicht kapillaraktiv und haben daher wf ~ 0).
Die freie Sättigung wf gehört zu den Standardstoffkennwerten und ist daher für die meisten Materialien bekannt. Ebenfalls zu den Standardstoffkennwerten gehört der 'praktische Feuchtegehalt' w80, der der Ausgleichsfeuchte bei einer relativen Feuchte von 0.8 entspricht.
Der Einfluss der Temperatur auf die Feuchtespeicherfunktion ist gering und wird in WUFI vernachlässigt.
Die Feuchtespeicherfunktion kann messtechnisch zusammengesetzt werden aus Sorptionsisothermen (bis ~0.9 r.F.) und Saugspannungsmessungen (über 0.95 r.F.) [1]. Die Hysterese zwischen Absorptions- und Desorptionsisothermen ist meistens so gering ausgeprägt, dass die Verwendung der Absorptionsisotherme ausreichend ist. Ggf. kann eine mittlere Sorptionsisotherme verwendet werden. Bei den Saugspannungsmessungen handelt es sich messtechnisch bedingt um Desorptionswerte.
In WUFI wird die Feuchtespeicherfunktion durch eine Tabelle beschrieben, die den relativen Feuchten die entsprechenden Feuchtegehalte zuordnet. Die Tabelle kann eine beliebige Anzahl von Einträgen enthalten, zwischen denen linear interpoliert wird.
Beispiel: Sander Sandstein
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Die Saugspannungsmessungen würden eine noch feinere Unterteilung der Tabelle bei hohen Feuchten zulassen, die Kurve schmiegt sich dann aber bei rF ~ 1 so eng an die Ordinate, dass die dadurch bedingte starke Steigung der Feuchtespeicherfunktion zu numerischen Problemen führen kann. Soll der Flüssigtransport über die Schichtgrenze zweier kapillar miteinander verbundener kapillar leitender Materialien berechnet werden, so ist jedoch eine möglichst detaillierte Kenntnis der Feuchtespeicherfunktion in diesem Bereich nötig [2]. (Bei nicht idealem Kontakt ist ein zusätzlicher Übergangswiderstand zu berücksichtigen [2]).
WUFI läßt Wassergehalte im Übersättigungsbereich oberhalb der freien Sättigung zu,
da sie unter Kondensationsbedingungen durchaus vorkommen können. In diesem Bereich gibt es allerdings keinen
eindeutigen funktionalen Zusammenhang zwischen der relativen Feuchte und dem Wassergehalt: die relative Feuchte
ist immer 1 und der Wassergehalt variiert zwischen wf and wmax.
Der Wassergehalt hängt daher im Übersättigungsbereich nicht von der relativen Feuchte ab. Er wird
vielmehr von den Randbedingungen bestimmt: er erhöht sich unter Kondensationsbedingungen und vermindert sich
unter Verdunstungsbedingungen. Um diese Feuchtegehalte oberhalb von wf behandeln zu können,
erweitert WUFI intern die Tabelle jedes Materials um einen zusätzlichen Eintrag:
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Relative Feuchten zwischen 1 und 1.01 sind natürlich nur fiktiv, aber sie erlauben es WUFI, jedem Wassergehalt eine eindeutige relative Feuchte zuzuordnen, wie die Transportgleichungen es verlangen.
Während der Rechnung führt WUFI Iterationen durch, in deren Verlauf es kleine Bereiche der tabellierten Kurve 'absucht'. Allzu scharfe Knicke in den Kurven können dabei unter ungünstigen Umständen das Konvergenzverhalten der Rechnung beeinträchtigen. Glätten Sie in einem solchen Fall die Kurve durch Einfügen zusätzlicher Punkte, bedenken Sie aber auch, dass eine übermäßige Anzahl von Tabelleneinträgen das Suchen in der Tabelle etwas verlängert.
Falls sich die Feuchtespeicherfunktion hinreichend genau durch die Funktion
darstellen läßt, genügt die Angabe von w80 und wf, um die Feuchtespeicherfunktion für WUFI eindeutig festzulegen (dies wird 'Approximation der Feuchtespeicherfunktion' genannt). Die Voraussetzung ist allerdings nicht für alle Materialien erfüllt (z.B. Beton).
Bei nicht hygroskopischen Materialien (im Wesentlichen Dämmstoffe, aber auch Luftschichten) wäre die Feuchtespeicherfunktion im Bereich rel.F. = 0..1 mehr oder weniger null, während sie bei rel.F. = 1 unbestimmt zwischen null und wmax variieren würde. Aufgrund numerischer Erfordernisse weist WUFI jedoch allen jenen Materialien eine (niedrige) Feuchtespeicherfunktion zu, für die vom Benutzer keine vorgegeben wurde.
Sie werden daher als Ergebnis einer WUFI-Rechnung auch für solche Materialien (geringe) Feuchtegehalte erhalten, für die Sie gar keine Feuchtespeicherfunktion definiert haben. Diese Feuchtegehalte sind 'künstlich' und sollten nur bedingt zur Auswertung herangezogen werden. Erst wenn die Feuchtegehalte die 'freie Sättigung' von ca. 0.05 wmax deutlich übersteigen, handelt es sich um Kondensationsvorgänge, die von der gewählten Feuchtespeicherfunktion unabhängig sind.
Weitere Erläuterungen zu speziellen Details bezüglich der Feuchtespeicherfunktion finden Sie unter 'Fragen und Antworten'.
| [1] | Krus, M.: Feuchtetransport- und Speicherkoeffizienten poröser mineralischer Baustoffe. Theoretische Grundlagen und neue Meßtechniken. Diss. Universität Stuttgart (1995) |
| [2] | Holm, A., Krus, M., Künzel, H.M.: Feuchtetransport über Materialgrenzen im Mauerwerk. Bauinstandsetzen 2 (1996), H. 5, 375 - 396. |
