“Waarom eerst een ontwerp maken en daarna nog eens een sterkteberekening? Is dat niet een beetje de omgekeerde wereld? Waarom niet eerst de vereiste afmetingen berekenen en dan pas ontwerpen? Dat is toch veel logischer en goedkoper?” Dit soort vragen komt regelmatig tot ons. In dit artikel zal ik proberen een begrijpelijk antwoord te geven op deze vraag, waar toch wel een ingewikkelde uitleg achter schuil gaat. Om het antwoord op deze vraag te kunnen geven moeten we sowieso eerst even het verschil definiëren tussen een ontwerp-sterkteberekening en een controle-sterkteberekening.
Definitie ontwep-sterkteberekening
geen ontwerp maar rechtstreeks berekenen van de vereiste oppervlaktedoorsnede en afmeting
uit vooraf vastgestelde waarden voor de maximum toelaatbare belasting en spanning en/of vervorming
belasting en spanning vastgesteld → doorsneden berekend → afmeting berekend → ontwerp
Definitie controle-sterkteberekening
Na ontwerp controlerend berekenen van de spanning- en vervormingswaarden
waarbij de geometrie reeds geheel bekend is uit het ontwerp,
om aansluitend deze berekende waarden te toetsen aan de maximum toelaatbare waarden.
ontwerp → spanning berekend → toets t.o.v. toelaatbare waarden → beoordeling → gereed → of herhaal tot gereed
Ontwep-sterkteberekening
Hierbij worden de maximum optredende bel
asting en de toelaatbare spanning vooraf vastgesteld. Dat zijn dus de kaders waarbinnen het ontwerp tot stand mag komen. Uit de berekening volgt dan direct de vereiste oppervlaktedoorsnede en daarna de afmetingen. In het meest eenvoudigste geval, stel: je hebt een prismatische ronde stalen S355 trekstang nodig, die een zuivere trekkracht moet kunnen opnemen van 10 ton (≈100kN), waarbij er nog net geen blijvende rek mag optreden. Dus na wegnemen van de kracht, moet de staaf zijn oorspronkelijke lengte weer terugkrijgen. De doorsnede volgt dan simpel uit D = 0,13*√F/π = Ø18,9mm. In het ontwerp kiezen we dan de eerst volgende handelsmaat Ø20mm. En daarmee is de ontwerp-sterkteberekening klaar. Dit is dus een rechtstreekse bepaling van de vereiste geometrie van een onderdeel, waarna het onderdeel getekend kan worden.
Als je een ontwerp-sterkteberekening moet maken voor dezelfde staaf, maar dan tevens met bijvoorbeeld buiging- en torsiebelasting, dan wordt het al wat ingewikkelder, maar is het nog steeds goed handmatig te berekenen. Moet er echter een ontwerp-sterkteberekening voor een niet prismatische staaf worden gemaakt – zoals bijvoorbeeld een staaf die in het midden dikker is dan aan de uiteinden – dan wordt het al behoorlijk lastiger.
Controle-sterkteberekening
Maar het wordt pas echt ondoenlijk of zelfs onmogelijk om een ontwerp-sterkteberekening te maken als het gaat om een samengestelde constructie die bestaat uit diverse al dan niet prismatische staven, plus eventuele andere onderdelen en als er op die constructie ook nog eens diverse typen belastingen tegelijk werken. Er zouden dan oneindig veel afmetingsvariaties en combinaties tegelijk kunnen voldoen aan de eisen voor de sterkte. Een dergelijke som of formule is goedbeschouwd ook niet op te stellen. En als die som al opgesteld zou kunnen worden – wat naar mijn mening praktisch gezien dus niet kan – wat moet je dan met een antwoord als: uw constructie heeft A t/m Z combinatiemogelijkheden met voor elk onderdeel 1 t/m 9999 . . . doorsnede/vorm mogelijkheden.
Het hele eiereten
Het vragen om een ontwerp-sterkteberekening voor een samengestelde constructie, zou hetzelfde zijn als dat je zou stellen: Ik wil vandaag niet meer 2000 kcal eten en vervolgens de vraag stelt: hoeveel mag ik van welk soort voedsel eten vandaag? Je hebt dan bijna oneindig veel menu-mogelijkheden.
Je kan wel stellen: ik wil vandaag 2000 kcal aan gekookte eieren eten. En dan de vraag stelt: hoeveel eieren kan ik eten?
Je krijgt dan 1 antwoord, namelijk: 2000 kcal /voedingswaarde per ei = aantal eieren.
Voor een enkelvoudige U-balk, een buis, een hoekstaal of een ander dergelijk prismatisch profiel, met daarop diverse gelijktijdig werkende belastingen, kan je dus direct een ontwerp-sterkteberekening maken . Zie dit als “het eiereten” 🙂 Worden het echter combinaties van diverse kenmerken, dus een samenstelling van diverse onderdelen, dan gaat dat dit “eiereten” niet meer op 😐 In dat geval gaan we over tot een controle-sterkteberekening, waarbij er eerst naar beste inschatting een ontwerp wordt gemaakt. Immers, dan liggen de parameters reeds vast in het ontwerp. Daarna kan er zowel handmatig als met de eindige elementen methode en aan de hand van het ontwerp, een controle-sterkteberekening worden gemaakt . Er is dan slechts 1 berekeningsantwoord mogelijk, namelijk de spannings- of vervormingswaarde. Die kan je dan vergelijken met de maximum toelaatbare waarden om te bepalen of je binnen de sterktegrenzen blijft met je constructie. Zie dit als het samenstellen van een gevarieerd menu of dieet dat je daarna controlerend doorrekent op de totale voedingswaarde. En die voedingswaarde achteraf toetst aan je maximum gestelde van 2000 kcal. En daarna eventueel nog aanpast om binnen de 2000 kcal te komen. Zoals ook een ontwerp vaak na een controle-sterkteberekening nog moet worden aangepast om binnen de spanningsgrenzen te komen. Een controle-sterkteberekening kenmerkt zich dus door een trial and error aanpak.
Handmatige en computer sterkteberekeningen
Zoals gezegd, zo’n controle-sterkteberekening kan je dan handmatig m.b.v. formules e.d. uitvoeren. En bij LARA kunnen wij dat overigens nog steeds. Maar tegenwoordig gebeurt dat natuurlijk veel vaker met de eindige elementen methode, kortweg FEA genoemd, wat dan staat voor Finite Element Analysis. Die laatste doet dat ontelbare keren sneller dan wanneer het handmatig zou worden gedaan. Zeker waar het gaat om complexe constructies met gecombineerde belastingen.
resumerend:
• ontwerp-sterkteberekening ; als het gaat om een enkelvoudige prismatische vormen, zoals buizen, balken en andere profielen
• controle-sterkteberekening ; als het gaat om een niet-prismatisch onderdeel of om een combinatie van diverse onderdelen, al dan niet prismatisch van vorm
• vrijwel de meeste constructies bestaan uit combinaties van diverse onderdelen, al dan niet prismatisch van vorm
• het is daarom dat er vrijwel altijd controle-sterkteberekeningen en veel minder ontwerp-sterkteberekeningen worden gemaakt
• dat is uiteindelijk toch weer het hele eiereten 🙂
Tot zover het onderwerp:
Ontwerp-sterkteberekening versus controle-sterkteberekening
In deze techno-rubriek , geeft constructeur Freddy de Jong van LARA Engineering op eenvoudige wijze uitleg over een begrippen die bij sterkteberekeningen steeds centraal staan. Om onze opdrachtgevers iets meer inzicht te kunnen geven in deze materie, zullen er bij regelmaat essentiële onderwerpen worden behandeld, zonder de lezer te vermoeien met ingewikkelde termen of formules. Hierdoor worden opdrachtgevers in staat gesteld om hun sterkteberekeningsbehoefte beter en makkelijker te omschrijven. Maar ook om de sterkteberekeningsresultaten en rapporten beter te kunnen begrijpen. De onderwerpen zullen bij enige regelmaat worden gepubliceerd. Dus houd deze Techno-rubriek in de gaten en mis er niks van.