Een constructie bezwijkt niet zomaar. Er zijn altijd één of meer bezwijkmechanismen waardoor het draagvermogen uiteindelijk verloren gaat. Dat kan bijvoorbeeld door instabiliteit, vermoeiing, breuk of tijdafhankelijk gedrag. Het herkennen van het mogelijke bezwijkmechanisme is een belangrijk onderdeel van het beoordelen van een constructie. Het zegt namelijk niet alleen óf een constructie kan bezwijken, maar vooral op welke manier dat kan gebeuren. Dat inzicht is nodig om het constructiegedrag goed te kunnen beoordelen en om te bepalen waar in een constructie de kritieke situatie kan ontstaan. Maar waardoor een constructie in een kritieke situatie komt en hoe de constructie vervolgens bezwijkt, zijn twee verschillende zaken. In deze kennisbank maken we dat onderscheid duidelijk en bekijken we verschillende bezwijkmechanismen die in werktuigbouwkundige constructies kunnen optreden.
Het verschil tussen
bezwijkoorzaken en bezwijkmechanismen
Een bezwijkoorzaak beschrijft waardoor een constructie kritisch kan worden belast of verzwakt. Denk bijvoorbeeld aan windbelasting, sneeuwbelasting, corrosie of een verandering van materiaaleigenschappen. Een bezwijkmechanisme beschrijft vervolgens de manier waarop het draagvermogen verloren gaat. Een constructie kan bijvoorbeeld door knikken, vermoeiingsbreuk, brosse breuk of kruip uiteindelijk bezwijken.
De twee begrippen zijn dus met elkaar verbonden, maar niet hetzelfde. Een hoge windbelasting kan bijvoorbeeld de bezwijkoorzaak zijn. Knikken kan vervolgens het bezwijkmechanisme zijn waardoor een slanke kolom zijn draagvermogen verliest. Ook een verzwakking door corrosie hoeft niet zelf het bezwijkmechanisme te zijn. Door de afgenomen doorsnede kan bijvoorbeeld uiteindelijk knik, vermoeiing of breuk optreden.
In deze kennisbank kijken we daarom naar de verschillende manieren waarop een constructie daadwerkelijk haar draagvermogen kan verliezen.
Materiaal-instabiliteit
Niet ieder bezwijkmechanisme ontstaat doordat een materiaal zelf zijn sterkte overschrijdt. Bij slanke constructiedelen kan instabiliteit maatgevend worden. Een constructiedeel kan dan plotseling een andere vervormingsvorm aannemen waardoor het draagvermogen sterk afneemt. Twee belangrijke vormen hiervan zijn knikken en kippen.
Bij knikken gaat het vooral om slanke, op druk belaste constructiedelen. Een kolom kan bij een bepaalde kritische belasting zijdelings uitbuigen. Vanaf dat moment kan het draagvermogen snel afnemen. Bij kip gaat het om een op buiging belast profiel dat naast zijwaarts ook om zijn lengteas gaat roteren. Vooral slanke stalen profielen zijn hiervoor gevoelig.
De belasting waarbij instabiliteit optreedt, kan daardoor aanzienlijk lager liggen dan de belasting waarbij het materiaal zelf zou bezwijken. De vorm, afmetingen, oplegging en stijfheid van een constructiedeel spelen daarom een belangrijke rol.
Meer over deze twee vormen van materiaal-instabiliteit:
Vermoeiing
Een constructie kan ook bezwijken door herhaalde belasting. De belasting hoeft daarbij niet één keer groot genoeg te zijn om directe breuk te veroorzaken. Door veelvuldige wisselingen in belasting kunnen in het materiaal kleine scheuren ontstaan. Deze kunnen zich bij iedere belastingscyclus verder uitbreiden. Dit verschijnsel noemen we vermoeiing.
Vermoeiingsbreuk verloopt vaak in verschillende fasen. Een kleine scheur ontstaat bijvoorbeeld bij een spanningsconcentratie of een materiaalfout. Door de herhaalde belasting groeit de scheur langzaam verder. Uiteindelijk blijft er onvoldoende materiaal over om de belasting te dragen en kan een plotselinge breuk optreden. Daarbij is vooral de wisselende spanning van belang. Ook relatief lage spanningen kunnen bij een zeer groot aantal belastingswisselingen uiteindelijk tot bezwijken leiden.
Vermoeiing is daarom vooral van belang bij constructies die voortdurend of regelmatig worden belast en ontlast. Denk bijvoorbeeld aan hijsmiddelen, machineonderdelen, voertuigconstructies en andere constructies met veel belastingscycli.
Meer over vermoeiing:
Taai- vs brosbreuk
Niet ieder materiaal reageert op een hoge belasting op dezelfde manier. Sommige materialen kunnen eerst aanzienlijk vervormen voordat ze breken. Andere materialen kunnen vrijwel zonder waarschuwing plotseling bezwijken volgens één of meerdere bezwijkmechanismen.
Bij een taaibreuk kan het materiaal plastisch vervormen voordat uiteindelijk breuk optreedt. Die zichtbare vervorming kan een belangrijke waarschuwing zijn dat de constructie haar grens nadert. De blijvende platstische vervorming is na een eventuele breuk dan meestal goed zichtbaar.
Bij een brosbreuk is die waarschuwing veel kleiner of ontbreekt deze zelfs. Het materiaal kan na een zeer geringen elastische rek – die meestal met het blote oog niet te zien is – plotseling breken. Meestal is er dan na de brosbreuk, zonder nauwkeurige meting, vrijwel geen blijvende vervorming waar te nemen.
Of een materiaal zich taai of bros gedraagt, hangt onder andere samen met de materiaaleigenschappen, temperatuur, belastingssnelheid, materiaalstructuur en aanwezige spanningsconcentraties. Voor een constructeur is dit verschil belangrijk. Een constructie die plastisch kan vervormen voordat zij bezwijkt, gedraagt zich aldus compleet anders dan een constructie waarin plotselinge breuk kan optreden.
Meer over taai en bros bezwijkgedrag:
Kruipgedrag
Bij sommige materialen verandert het gedrag niet alleen door de grootte van de belasting, maar ook door de duur waarmee die belasting aanwezig is. Bij een langdurige belasting kan het materiaal langzaam verder vervormen. Dit verschijnsel noemen we kruip. Kruip is vooral relevant bij hogere temperaturen. De vervorming kan daarbij in de loop van de tijd steeds verder toenemen. Daardoor kunnen spanningen en vervormingen veranderen en kan uiteindelijk het draagvermogen van een constructie onvoldoende worden. Kruip is daarmee een ander type bezwijkgedrag dan bijvoorbeeld knikken of vermoeiing. Niet het aantal belastingswisselingen, maar vooral tijd, temperatuur en belasting spelen hierbij een belangrijke rol. Kruip is echter één van de bezwijkmechanismen die men in de praktijk goed kan monitoren gedurende de tijd.
Meer over kruip:
Bijzondere bezwijkmechanismen
Niet alle bezwijkmechanismen laten zich eenvoudig onder één van de gebruikelijke categorieën plaatsen. Soms ontstaat juist door een bijzondere combinatie van materiaaleigenschappen, stijfheid, geometrie of ontwerpkeuzes een onverwacht bezwijkgedrag. Een constructie kan daardoor anders reageren dan op basis van alleen de nominale sterkte van de afzonderlijke onderdelen zou worden verwacht. Juist dergelijke situaties laten zien waarom een constructie als geheel moet worden beoordeeld.
Twee bijzondere voorbeelden binnen deze kennisbank zijn: