Dynamiek speelt een belangrijke rol bij het gedrag van constructies. Een constructie staat namelijk niet altijd stil en wordt ook niet altijd door een constante belasting belast. Krachten en bewegingen kunnen in de tijd veranderen en daardoor trillingen en wisselende spanningen in een constructie veroorzaken. Dynamiek kan verschillende oorzaken hebben. Denk aan aandrijvingen van machines, het verloop van een proces, windbelasting, aardbevingen of een plotselinge impact. De manier waarop een constructie op deze dynamische belasting reageert, is bepalend voor de krachten en spanningen die daarin ontstaan. In sommige situaties blijft de dynamische beweging beperkt. In andere situaties kan de constructie sterk gaan trillen of kunnen spanningen zich steeds opnieuw herhalen. Resonantie en vermoeiing kunnen daarbij uiteindelijk leiden tot beschadiging en bezwijken van de constructie.
Wat is dynamiek?
Bij een statische belasting veranderen de krachten op een constructie niet of nauwelijks met de tijd. Bij dynamiek verandert de belasting of de beweging van de constructie in de tijd. Daardoor kunnen ook de krachten en spanningen voortdurend veranderen.
Een constructie reageert daarbij niet alleen op de grootte van een belasting. Ook de snelheid waarmee een belasting wordt aangebracht, de frequentie van een wisselende belasting en de eigenfrequenties van de constructie kunnen van belang zijn.
Dynamisch gedrag kan daardoor heel anders zijn dan het gedrag bij een vergelijkbare statische belasting. Een relatief kleine wisselende kracht kan bijvoorbeeld grote bewegingen veroorzaken wanneer deze aansluit bij een eigenfrequentie van de constructie.
Dynamiek gaat daarmee niet alleen over grote krachten. Juist herhaling, beweging en de tijdsafhankelijke reactie van de constructie kunnen bepalend zijn voor het ontstaan van kritische situaties.
Waardoor ontstaat dynamiek?
Dynamiek kan vanuit verschillende bronnen ontstaan. De oorzaak kan buiten de constructie liggen, maar ook in de constructie zelf of in het proces waarvoor de constructie wordt gebruikt.
Dynamiek door aandrijvingen
Aandrijvingen kunnen zelf dynamische krachten en bewegingen veroorzaken. Dat geldt bijvoorbeeld voor elektromotoren, verbrandingsmotoren, pompen, compressoren en tandwielkasten.
Onbalans, draaiende massa’s, bewegende onderdelen en wisselende aandrijfkoppels kunnen periodieke krachten op de constructie overbrengen. Hierdoor kunnen onderdelen van machines, voertuigen, vaartuigen of draagconstructies gaan trillen.
Wanneer deze krachten zich blijven herhalen, kunnen daardoor niet alleen merkbare trillingen ontstaan. Ook wisselende spanningen kunnen optreden die op termijn tot vermoeiingsschade kunnen leiden.
Dynamiek door het proces
Ook het proces zelf kan een bron van dynamiek zijn. Dit komt bijvoorbeeld voor in de petrochemische industrie en de voedingsindustrie, waar stromingen, drukken en procescycli voortdurend kunnen veranderen.
Pulserende stromingen en drukwisselingen kunnen krachten op leidingen, vaten en andere constructiedelen veroorzaken. Ook het openen en sluiten van kleppen of het periodiek veranderen van een procesconditie kan een dynamische belasting veroorzaken.
De constructie hoeft dus niet door een bewegende machine te worden aangedreven om dynamisch gedrag te vertonen. Het proces zelf kan de oorzaak zijn.
Dynamiek door windbelasting
Windbelasting is niet altijd een constante belasting. Door windvlagen en veranderingen in windsnelheid en windrichting kan de belasting op een constructie voortdurend veranderen.
Ook de vorm van een constructie kan daarbij een rol spelen. Door werveling van de luchtstroming kunnen periodiek wisselende krachten ontstaan die de constructie aan het trillen brengen. Wanneer de frequentie van deze wervelingen in de buurt komt van een eigenfrequentie van de constructie, kan de trilling sterk worden versterkt en kan resonantie optreden.
Bij voldoende sterke of langdurige wisselende belasting kunnen hierdoor grote bewegingen en wisselende spanningen ontstaan. Dit kan uiteindelijk leiden tot vermoeiing, beschadiging en in ernstige gevallen bezwijken van de constructie.
Windbelasting kan daardoor meer zijn dan alleen een statische kracht op een constructie. Het dynamische karakter van de wind kan onder bepaalde omstandigheden bepalend worden voor het gedrag en de bezwijkveiligheid van de constructie.
Dynamiek door aardbevingen
Bij aardbevingen komt de dynamiek niet vanuit de constructie zelf. De beweging van de ondergrond wordt via de fundering aan de constructie doorgegeven. Daardoor ontstaat een voortdurende beweging van de constructie ten opzichte van de ondergrond.
De constructie wordt daarbij niet alleen verplaatst. Door de traagheid van massa’s ontstaan krachten die voortdurend van grootte en richting kunnen veranderen. Hierdoor kunnen aanzienlijke trillingen en wisselende spanningen in de constructie ontstaan.
Ook hier speelt de eigenfrequentie van de constructie een belangrijke rol. Wanneer de frequentie van de grondbeweging in de buurt komt van een eigenfrequentie, kan de beweging van de constructie sterk worden versterkt. Resonantie kan daardoor leiden tot grote verplaatsingen en hoge spanningen.
Een aardbeving kan daarmee in korte tijd een zeer complexe dynamische belasting veroorzaken. Afhankelijk van de constructie kan dit leiden tot lokale beschadiging, verlies van stabiliteit of uiteindelijk bezwijken.
Dynamiek door impactbelasting
Een botsing of andere plotselinge impact is een voorbeeld van een eenmalige dynamische belasting. Een bewegende massa wordt in zeer korte tijd afgeremd. Daarbij ontstaan versnellingen en dus krachten die op de constructie worden overgebracht.
De kracht verloopt tijdens de impact niet constant. De remweg en de vervorming van de betrokken onderdelen bepalen hoe de bewegingsenergie wordt opgenomen en hoe de kracht zich in de tijd ontwikkelt.
Ook een eenmalige impact kan daardoor hoge krachten en spanningen veroorzaken. Wanneer impacts zich herhaaldelijk voordoen, kunnen de steeds terugkerende spanningspieken uiteindelijk tot vermoeiingsschade leiden.
Wanneer wordt dynamische belasting kritisch?
Dynamiek wordt kritisch wanneer de bewegingen, krachten of spanningswisselingen zo groot worden dat de constructie deze niet meer veilig kan opnemen. Dat kan direct gebeuren door een hoge piekbelasting, maar ook geleidelijk door herhaalde belasting.
Trillingen en vermoeiing
Een dynamische belasting kan ervoor zorgen dat een constructie gaat trillen. Daarbij ontstaan verplaatsingen en spanningen die in de tijd steeds kunnen veranderen.
Wanneer een constructie herhaaldelijk wordt belast en ontlast, ontstaan spanningswisselingen. Ook wanneer de maximale spanning ruim onder de vloeigrens van het materiaal blijft, kunnen deze wisselingen na verloop van tijd tot vermoeiingsschade leiden.
De schade ontstaat meestal niet in één keer. Kleine scheurtjes kunnen zich door herhaalde belasting geleidelijk ontwikkelen en uiteindelijk uitgroeien tot een vermoeiingsbreuk. Vooral plaatsen met spanningsconcentraties, zoals lasverbindingen, scherpe overgangen en gaten, zijn hiervoor gevoelig.
Trillingen zijn daarmee niet alleen een kwestie van beweging of geluid. Wanneer ze gepaard gaan met herhaalde spanningswisselingen, kunnen ze de levensduur van een constructie sterk beïnvloeden en uiteindelijk tot bezwijken leiden.
Resonantie
Resonantie kan ontstaan wanneer een constructie wordt blootgesteld aan een periodiek wisselende belasting met een frequentie die in de buurt komt van een eigenfrequentie van de constructie.
De trillingen kunnen daardoor sterk worden versterkt. Een relatief kleine dynamische kracht kan dan toch grote verplaatsingen en hoge spanningen veroorzaken.
Resonantie hoeft niet direct tot bezwijken te leiden. Wel kunnen de grote bewegingen en spanningswisselingen schade veroorzaken aan bijvoorbeeld verbindingen, lassen of andere kwetsbare onderdelen. Bij langdurige belasting kan dit uiteindelijk leiden tot vermoeiingsschade en bezwijken.
De combinatie van een dynamische belasting en het eigen dynamische gedrag van de constructie maakt resonantie daarom tot een belangrijk aandachtspunt bij het beoordelen van dynamiek.
Van dynamiek naar bezwijken
Dynamische belastingen kunnen onder bepaalde omstandigheden leiden tot krachten, verplaatsingen of spanningswisselingen die een constructie niet meer veilig kan opnemen.
Bij langdurige of herhaalde dynamische belasting kan vermoeiingsschade ontstaan. De draagcapaciteit kan daardoor geleidelijk afnemen. Bij resonantie kunnen bewegingen en spanningen sterk worden versterkt. Een zware impact of een extreme windvlaag kan daarentegen in zeer korte tijd een piekbelasting veroorzaken die de beschikbare draagcapaciteit van de constructie overschrijdt.
Het bezwijken kan daardoor verschillende vormen aannemen. Bij vermoeiing is het een gevolg van geleidelijk opgebouwde schade. Bij een eenmalige extreme belasting kan de optredende kracht of spanning de beschikbare capaciteit direct overschrijden.
Dynamiek kan daarmee een belangrijke oorzaak van bezwijken zijn. De manier waarop de dynamische belasting op de constructie inwerkt, bepaalt of sprake kan zijn van schadeopbouw, sterke versterking van de respons of een eenmalige overbelasting.