LARA ENGINEERING werktuigbouwkundig sterkteberekening bureau | Wensenkampsweg 1 9541EB Vlagtwedde
0599 743700
info@lara-engineering.nl

Sterkteberekening volgens richtlijnen en normen

Waarom sterkteberekening volgens richtlijnen en normen niet zo eenvoudig is als dat het klinkt, vertellen we in dit artikel. Ook gaan we uitleggen waarom wij een spanningsanalyse in eerste instantie toetsen aan  de algemene werktuigbouwkundige spannings- en sterkteleer uitgangspunten. Op z’n Engels: Mechanics of Materials. Om daarna pas te kunnen spreken van een werktuigbouwkundige sterkteberekening. Tenslotte wordt uitgelegd hoe en door wie dezelfde  analyse in 2e instantie ook getoetst kan worden aan de eisen van een specifieke richtlijn en/of normering. Zodat daarna kan worden gesproken van een sterkteberekening volgens specifieke norm.

Spanningsanalyse is nog geen sterkteberekening

Vaak spreekt men van een sterkteberekening als het gaat om het in kaart brengen van de materiaalspanning die in een bepaald onderdeel heersen. Maar eigenlijk is dit geen juiste benaming. Zoals in een eerder artikel al beschreven,   is spanning totaal iets anders dan de sterkte. Een sterkteberekening is pas een sterkteberekening als de spanningen en vervormingen zijn geanalyseerd en beoordeeld ten opzichte van een maximum toelaatbare waarde. Als we spreken van een spanningsanalyse, met name als die wordt uitgevoerd m.b.v. de eindige elementen methode – ook wel finite element analysis FEA of finite element method FEM – dan doen we feitelijk niets anders dan het uitvoeren van een meting. We berekenen dan met wiskundige matrixen hoe hoog de spanningen en vervormingen in een bepaald onderdeel of complete samenstelling oplopen. Tot zover is dit dus (nog) geen sterkteberekening en staat dan ook geheel los van Sterkteberekening volgens richtlijnen en normen.

Mechanics of Materials.

Om een spanningsanalyse te kunnen uitvoeren m.b.v. FEA, moet er een rekenmodel voorhanden zijn waarop enerzijds een fixatie aangebracht kan worden – dus vast gezet aan de omgeving – en anderzijds een belasting geplaatst kan worden. Het FEA programma rekent dan uit, los van alle richtlijnen en normen, waar in welk onderdeel de hoogste spanningen heersen. Die spanningen kunnen daarna worden getoetst aan  Mechanics of Materials. Daaruit is bekend tot welke grenzen, in bepaalde situaties, een spanning volgens de werktuigbouwkundige leer mag oplopen. Over het algemeen zijn die werktuigbouwkundige uitgangspunten ruim voldoende conservatief zodat de veiligheidsmarges voldoende ruim zijn. We toetsen de geanalyseerde spanningen in eerste instantie dus altijd aan de Mechanics of Materials. Dit is ook de meest gevolgde en relatief eenvoudigste weg. En na deze toetsing mogen we feitelijk pas spreken van een sterkteberekening. Immers we hebben dan de sterkte bepaald door de optredende situatie te vergelijken met de maximum toelaatbare situatie volgens Mechanics of Materials, waaruit dan een veiligheidsmarge volgt. Maar wederom is dit nog geen Sterkteberekening volgens richtlijnen en normen zoals bedoeld in de Europese en nationale wetgeving.

Verplichte richtlijnen en onverplichte normen

Vooraf eerst een opmerking over richtlijnen en normen. Richtlijnen moeten wettelijk verplicht worden gevolgd. Het is de wet. Een norm daarentegen is niet verplicht, maar is wel erg handig, omdat m.b.v. normen beter invulling kan worden gegeven aan de wettelijke richtlijnen. Richtlijnen zijn tamelijk globaal van opzet en geven veel ruimte voor de invulling ervan. Terwijl normen juist heel gedetailleerde instructies bevatten. Normen zijn eigenlijk een soort gedetailleerde handleiding om daarmee aan de globaal opgezette wettelijk verplicht te volgen richtlijnen tegemoet te kunnen komen. Meer hierover is te lezen in dit artikel

Normen zeggen iets over het constructief ontwerp

In bepaalde sectoren of bij bepaalde producten zijn er specifieke normen ontworpen om daarmee tegemoet te kunnen komen aan de wettelijk verplichte richtlijn en zodoende de veiligheid van een product of constructie te kunnen waarborgen. Bijvoorbeeld bij producten als drukvaten, gastoestellen, opslagtanks, hijskranen, liften, gereedschappen, machines en andere producten waarbij de gevolgen groot zijn als er iets mis zou gaan. En omdat het niet mis mag kunnen gaan zijn er regels bedacht waaraan een product moet voldoen qua veiligheid. Een van die regels kan dan iets zeggen over het constructief ontwerp en over sterkte daarvan. Zo kan dan worden voorgeschreven hoe de las- en schroefverbindingen moeten worden gemaakt. Hoe de belastingen moeten worden gedefinieerd. Maar ook hoe hoog de spanningen of vervormingen maximaal mogen zijn. We zeggen dan gemakshalve dat de sterkteberekening volgens een bepaalde richtlijn of norm moet worden uitgevoerd. Althans, dat is dan wat ons door de opdrachtgever vaak wordt gevraagd. En daar zit ’m dan ook vaak het verschil in inzicht.

Het grijze gebied

Meestal levert de opdrachtgever een 3D CAD model aan. Wij nemen dan aan dat deze reeds tegemoet komt aan de eisen uit de geldende richtlijn of norm, voor wat betreft het constructief ontwerp en de mechanische verbindingen. Maar zeker weten doen we dat dan niet. Vaak doet de opdrachtgever ook een opgave van de belastingdefinities. Maar of die belastingen dan overeenstemmen met de eventueel geldende richtlijn of norm, dat weten we op dat moment natuurlijk ook nog niet. En of de uiteindelijk door ons te analyseren spanningen en vervormingen voldoende lager blijven dan de maximum in de richtlijn of norm voorgeschreven waarden, ook dat weten we dan niet. Waarom weten jullie dat allemaal dan niet, zult u zich nu afvragen. Het antwoord vindt u in het volgende stukje.

Honderden richtlijnen en duizenden normen

Er is heel veel door de richtlijn- en normontwerpers bedacht en beschreven. Er bestaat een woud aan wettelijk verplichte en onverplichte regelgeving. Richtlijnen en normen op alle gebieden. Daarin is dus beschreven hoe een product of constructie dient te worden ontworpen, te worden geproduceerd en hoe er dient te worden getoetst op sterkte en vele andere veiligheidsaspecten. Aangezien wij het ontwerp als 3D bestand, de randvoorwaarden  en de belastingen vaak door de opdrachtgever aangereikt krijgen, kunnen we op zo’n moment niet veel anders dan aannemen dat het aangereikte ontwerp en informatie overeenstemt met de geldende richtlijn of norm op basis waarvan de opdrachtgever het product doorgerekend wilt hebben. Maar om met zekerheid te kunnen zeggen dat we berekenen volgens de voor dat product geldende richtlijn of normering, zouden wij eigenlijk in de beginfase van het ontwerp al betrokken moeten worden. Maar dat is meestal praktisch niet haalbaar. En anders zouden wij ons bij elk aangereikt ontwerp helemaal moeten verdiepen in de geldende richtlijnen/norm(en). Om vervolgens de constructieve uitvoering van het ontwerp eerst nog daar aan moeten toetsen, alvorens te kunnen gaan rekenen. Dat kan uiteraard, maar maakt een sterkteberekening wel veel omvattender.

Mechanics of Materials (Werktuigbouwkundige spanning- en sterkteleer)

Mechanics of Materials  behelzen de uitgangspunten – lees formules en theoretische wetenschappelijke onderbouwing –  waarop vrijwel alle richtlijnen en normen, die verbandhouden met mechanische (duurzame) sterkte, zijn gebaseerd. Eigenlijk de moeder van alle richtlijnen en normen op gebied van mechanische spanning- en sterkteleer. Deze  Mechanics of Materials kennen wij uiteraard voor 90% uit ons blote hoofd. Het is immers ons vak. Van de overige 10% weten we deze snel na te slaan. Van alle duizenden richtlijnen en normen weten we misschien 0,01% uit ons blote hoofd en moeten we veel tijd en energie stoppen in het vinden en bestuderen van de daarin beschreven richting gevende of verplicht te volgen aanpak en eisen. Het gaat dan vaak om dikke Engelstalige boekwerken.

Wie gaat toetsen

sterkteberekening hoogwerkerEen verzoek om een product of constructie volgens een bepaalde richtlijn en/of normering op sterkte door te rekenen is dus in de meeste gevallen niet zo eenvoudig als dat het klinkt. In principe rekenen wij dan ook op basis van  Mechanics of Materials. Uiteraard kunnen daarna deze uitgangspunten en de uitkomsten vergelijken met, of beter gezegd toetsen aan de eisen uit de geldende richtlijn en/of specifieke norm(en). Om zodoende te controleren of deze voldoende daaraan tegemoet komen. M.a.w. hebben we een sterkteberekening volgens richtlijnen en normen ?. Dat toetsen kunnen wij natuurlijk doen maar kan ook heel goed door de opdrachtgever zelf gedaan worden. Of door een onafhankelijk keuringsbureau. Hoe dan ook, iemand zal het – althans in een geval van een gewenste/vereiste richtlijn- of normhantering – moeten toetsen. Daarna kan worden gesproken van een sterkteberekening volgens de geldende richtlijn en/of normering. Het is altijd wel erg belangrijk om in eerste instantie te kijken naar de kwaliteit van zo’n toetsing en  in 2e instantie naar de kosten ervan. Mocht een opdrachtgever er de voorkeur aan geven om z’n toetsing te laten uitvoeren door een onafhankelijk keuringsbureau, dan kunnen wij uiteraard een aantal onafhankelijke keurende instanties of keuringsbureaus adviseren.