Multifysische analyse helpt bij het beschermen van het verleden

27 september 2017

Niets is voor eeuwig, dat is zeker, maar dat neemt niet weg dat sommige dingen het zeker waard zijn om zo lang mogelijk bewaard te blijven. Vandaar ook dat er veel zorg wordt besteed aan het behoud van monumentale panden en historische objecten die dagelijks hun gevecht met de tand des tijds leveren. Dankzij simulatie en analyse is het steeds beter mogelijk om de kwaliteit van het bestaande cultureel erfgoed op peil te houden.

 

Door de redactie

Als het gaat om de dingen die mensen maken, is er altijd ruimte voor verbetering en dat geldt zeker voor het zogenaamde built environment, de term die slaat op de door mensen gemaakte fysieke omgeving waarin we leven, werken en spelen. Built environment omvat alle soorten omgevingen, van grote stedelijke gebieden tot afzonderlijke gebouwen, parken, autowegen en de infrastructuur waar we direct mee te maken krijgen gedurende de loop van ons leven. En alhoewel het er misschien niet altijd even dynamisch uitziet, wordt het built environment constant beïnvloed door een groot aantal natuurkundige processen, zoals warmte-uitwisseling, luchtstroom en vochttransport, die kunnen plaatsvinden op zeer uiteenlopende schaal, zie afbeelding 1.

Afbeelding 1: Van links naar rechts zijn de verschillende schalen te zien waarop gekeken kan worden naar built environment: van continentaal niveau tot het materiaal dat gebruikt wordt in een raam.

Gebouwenfysica

De mogelijkheid om deze processen nauwkeurig te modelleren en simuleren kan significante verbeteringen opleveren op belangrijke gebieden zoals energiebesparing, gezondheid en veiligheid, beheerkosten, duurzaamheid en, zoals in dit geval, monumentenzorg. Een van de mensen die nauw betrokken is bij dit laatste, is Jos van Schijndel, oprichter van de in Nederland gevestigde onderneming CompuToolAble, en universitair docent bij de afdeling Building Physics and Services van de faculteit Bouwkunde van de Universiteit Eindhoven waar hij zich specialiseert in het mathematisch modelleren van gebouwenfysica.

Van links naar rechts: Henk Schellen, Zara Huijbregts en Jos van Schijndel.

“Ik haal niet alleen energie uit het feit dat mijn projecten vooraanstaand onderzoek bevatten, maar ook uit de wetenschap dat ze relevant zijn voor de samenleving en mijn studenten kunnen inspireren”, zegt Van Schijndel. “Ik ben CompuToolAble begonnen om klanten gebruik te laten maken van onze expertise op het gebied van geavanceerde mathematische tools en om ze de mogelijkheid te bieden om complexe numerieke experimenten uit te voeren voor het maken van innovatieve ontwerpen en het optimaliseren van hun performance.”

Als consultant en universitair hoofddocent moet Van Schijndel regelmatig nadenken over de manier waarop hij complexe ideeën toegankelijk kan maken voor klanten die geen simulatie-experts zijn en voor studenten die nog het een en ander moeten leren op het gebied van modelleren en simuleren. Hiervoor maakt hij gebruik van de Application Builder van Comsol Multiphysics, waarmee hij gebruikersinterfaces maakt die worden aangestuurd door een Comsol-model. Zo kan hij als simulatie-expert toch samenwerken met klanten en collega’s in andere organisaties en afdelingen.

Ontwerpvarianten

Bij zijn zakelijke klanten biedt Van Schijndel numerieke analyse en testmogelijkheden aan met deze op maat gemaakte gebruikersinterfaces of applicaties gebouwd op Comsolmodellen. De apps maken het makkelijk voor een eindgebruiker om virtuele tests uit te voeren op verschillende ontwerpvarianten, ook als deze niet de technische achtergrond heeft om een model te creëren. Op de universiteit gebruikt Van Schijndel dezelfde software om studenten kennis te laten maken met multifysische simulaties en applicatieontwerp. Het gebruik van de Comsol-app biedt de studenten een startpunt voor numerieke analyse en fysieke systemen, voor ze zelf vanuit het niets modellen leren opzetten. Wanneer ze bekend genoeg zijn met de concepten en modelleertechnieken kunnen ze vervolgens hun eigen apps maken met behulp van de Application Builder en daarmee hun kennis verbreden op het gebied van multifysische analyse.

Afbeelding 2: De gebruikers van de app kunnen verschillende ontwerpvarianten en gebruikscenario’s bekijken, door parameters aan te passen op het gebied van geometrie en materiaaleigenschappen.

“De Application Builder is op twee verschillende manieren belangrijk voor me”, zo zegt Van Schijndel. “Op de universiteit is het een doorlopende uitdaging om studenten zo te motiveren dat ze hun creativiteit en innovatievermogen ten volle gebruiken voordat ze zich volledig hoeven te storten op mathematisch modelleren. Nu kan ik interessante simulatieapps bouwen met precies die eigenschappen die ik ze wil laten onderzoeken. Als ze dan een tijdje de kans hebben gehad om met de apps te spelen en de bijbehorende fysica hebben geanalyseerd en ook begrijpen wat de effecten zijn van aanpassingen in het model, kunnen we vervolgens meer details bespreken.”

“Op zakelijk gebied”, vervolgt Van Schijndel, “zijn er vaak bedrijven die numerieke simulaties willen kunnen uitvoeren, zodat ze de impact van fysieke processen op hun producten kunnen inzien en begrijpen, maar waarvan de werknemers niet genoeg ervaring hebben met het bouwen van de modellen. Met behulp van de Application Builder ben ik in staat om een gespecialiseerde gebruikersinterface te maken die is gebaseerd op geavanceerde numerieke modellen en de eindgebruiker alleen de parameters biedt waar hij in is geïnteresseerd. Dit zorgt er meteen voor dat er geen fouten worden geïntroduceerd, aangezien alle gebruikers werken vanuit hetzelfde referentiepunt.”

Een app kan beschikbaar worden gesteld voor iedereen die ermee wil werken en is te gebruiken vanuit een webbrowser of als downloadable client, waarbij de app in beide gevallen verbonden wordt met de Comsol Server, zie afbeelding 2.

Gecombineerde effecten

Bij het beschermen van historische gebouwen en de voorwerpen die ze bevatten, zie afbeelding 3, is het van het grootste belang om de gecombineerde effecten te bestuderen van warmte- en vochttransport en luchtcirculatie zodat hun negatieve effecten kunnen worden tegengegaan. Een fluctuerende temperatuur en luchtvochtigheid kan de spanning binnen oude gebouwen en antieke voorwerpen verhogen, waardoor er allerlei soorten schade kan ontstaan, zoals vervorming en zelfs scheuren en breuken. Een beter begrip van de dynamiek van deze processen en hun exacte oorsprong kan helpen bij het beter beschermen van de monumentale panden en hun inhoud.

Afbeelding 3: Links Kasteel Amerongen, een voorbeeld van een monument dat de negatieve gevolgen ondervindt van warmte en vocht. Deze effecten zijn van invloed op zowel het gebouw zelf als de voorwerpen die zich in het kasteel bevinden, zoals de kastdeur rechts. (Bron: Rijksmuseum Amsterdam)

Van Schijndel is betrokken geweest bij een groot aantal Comsol-modellen voor het behoud van monumentale panden en antieke voorwerpen, de ene keer als maker en de andere keer als medewerker. Dit in samenwerking met Henk Schellen, die universitair hoofddocent is bij de afdeling Building Physics and Services van de faculteit Bouwkunde van de Universiteit Eindhoven. Zo heeft een van hun PhD-studenten, Zara Huijbregts, de Heat Transfer Module, een add-on op Comsol Multiphysics, gebruikt om te modelleren hoe binnenvallend zonlicht de vloer en muren zou verwarmen gedurende de loop van de dag, zie afbeelding 4.

De simulatie hield rekening met de warmtegeleiding van de bouwonderdelen, de convectiestromen in de inpandige lucht en de stralingswarmte. Het model bevatte verschillende materialen voor de oppervlakken van de kamer en de gevels en hield daarnaast ook rekening met de afkoelende invloed van schaduw van buitenaf. Met de analyse bleek het mogelijk om het temperatuurverloop van elke muur gedurende de dag te voorspellen, waardoor het mogelijk was om de beste plaatsen te kiezen voor kwetsbare objecten die gevoelig zijn voor zonlicht en hitte. “Het is heel belangrijk dat de temperatuurdistributie precies bekend is,” stelt Van Schijndel, “zodat bijvoorbeeld schilderijen kunnen worden opgehangen op een plek waar ze het minst last hebben van de opwarming door zonlicht.”

Afbeelding 4: Een numerieke simulatie met behulp van Comsol-software toont de warmtedistributie in de vloer en muren op verschillende tijdstippen. De warmte komt van de zonnestralen die door de ramen binnenvallen, wanneer de zon langs de kamer schuift.

Vochtschade is een ander belangrijk punt van aandacht bij de bescherming van muren, gebouwen, daken en de inhoud van een kamer. Omdat het in monumentale panden niet altijd duidelijk is waar vocht het gebouw of een kamer binnenkomt, gebruikt Van Schijndel Comsol Multiphysics soms als een onderzoekstool. “We proberen uit te vinden hoe vocht binnenkomt, door multifysische simulaties uit te voeren, waarbij we onder andere gebruikmaken van metingen van relatieve luchtvochtigheid op verschillende plaatsen in de ruimte. Gebieden met een hoge relatieve luchtvochtigheid geven aanwijzingen over de manier waarop het transport van vocht plaatsvindt. We combineren deze informatie vervolgens met de temperatuursimulaties omdat warmte de drijvende kracht is achter de vochtdistributie”, zo legt Van Schijndel uit.

Thermische bruggen

Afbeelding 5: Vocht kan schade veroorzaken zoals in de zwart-witte afbeelding is te zien. Om het vochttransport inzichtelijk te maken, heeft Van Schijndel een Comsol-model gemaakt dat warmte-effecten en vochttransport door een muur combineert, zie de afbeelding hierboven.

Van Schijdel maakte een Comsol-model voor vochttransport in een muur met zichtbare lekschade bij het raam. Zijn model maakte het mogelijk om te bepalen waar het vocht vandaan kwam, zie afbeelding 5. Hij gebruikte deze techniek vervolgens samen met zijn studenten om thermische bruggen met verschillende materialen te modelleren en voor de analyse van het effect dat de positie van isolatie heeft op de warmte-overdacht van de buitenkant naar de binnenkant van een gebouw. Ook werd het model ingezet om te begrijpen hoe vocht zich verplaatst door verschillende bouwmaterialen, zoals beton, steen en isolatie.

Omdat temperatuur en vochtigheid belangrijke veroorzakers zijn van spanning bij waardevolle objecten zoals oude schilderijen, kan het analysemodel waarbinnen deze twee zaken zijn gekoppeld, leiden tot een betere voorspelling van potentiële schade. Het model van Van Schijndel berekent daarbij niet alleen de temperatuurdistributie door de muur en het schilderij, maar ook de relatieve veranderingen in de luchtvochtigheid, zie afbeelding 6.

“Monumentale panden hebben te maken met nog niet eerder voorgekomen bedreigingen door klimaatverandering, toenemende verstedelijking en andere factoren. Tegelijkertijd zijn de richtlijnen voor het behoud van historische objecten nooit strikter geweest dan nu, omdat het een maatschappelijk belang is om de erfenis van het verleden te behouden. Geavanceerde modelleer- en simulatietools zoals die van Comsol, vormen een belangrijk onderdeel van de toolkit waarmee we aan deze richtlijnen kunnen voldoen”, zo sluit Van Schijndel af.

Afbeelding 6: Beide afbeeldingen laten Comsol-simulaties zien van een doorsnede van een muur waarop een schilderij is aangebracht. De linker afbeelding toont de temperatuurdistributie in de muur en het schilderij op een specifiek moment, terwijl de rechter afbeelding de verandering van de relatieve luchtvochtigheid in de muur en het schilderij toont op hetzelfde moment. Het model kan helpen bij het voorspellen van spanning die ontstaat bij monumentale panden en voorwerpen, zodat conservatoren de juiste maatregelen kunnen nemen voor het beschermen van het cultuurgoed.

Website Technische Universiteit Eindhoven / Faculteit Bouwkunde
Website Comsol
Website CompuToolAble

Comments are closed.