Een constructie kan tijdens haar levensduur een deel van haar oorspronkelijke sterkte of belastbaarheid verliezen. We spreken dan van verzwakking van constructies. Verzwakking kan verschillende oorzaken hebben. Materiaal kan worden aangetast of verloren gaan. Ook kunnen de eigenschappen van het materiaal veranderen. Een constructie kan daarnaast plaatselijk beschadigd raken of door bewerkingen veranderen. Dit geldt voor verschillende materiaalsoorten. Naast koolstofstaal en constructiestaal kunnen ook aluminium, RVS en laag- en hooggelegeerde staalsoorten door verschillende invloeden in sterkte of belastbaarheid achteruitgaan.
Wat verstaan we onder verzwakking van constructies?
De oorspronkelijke capaciteit kan afnemen
Een nieuwe constructie wordt ontworpen voor bepaalde belastingen en omstandigheden. Daarbij wordt uitgegaan van de eigenschappen van het materiaal en de geometrie van de constructie. Wanneer daarin later iets verandert, kan ook de beschikbare capaciteit veranderen. Een onderdeel kan bijvoorbeeld een kleinere effectieve doorsnede krijgen door materiaalverlies. Ook kan een materiaal zijn oorspronkelijke eigenschappen verliezen. De constructie hoeft daarbij niet direct zichtbaar beschadigd te zijn. Het belangrijkste is dat de beschikbare capaciteit lager kan worden dan oorspronkelijk was aangenomen.
Verzwakking van constructies kan zichtbaar én onzichtbaar zijn
Sommige vormen van verzwakking zijn duidelijk zichtbaar. Denk aan roest, slijtage, een deuk of een beschadigde doorsnede. Andere vormen zijn veel moeilijker aan de buitenkant vast te stellen. Materiaaleigenschappen kunnen bijvoorbeeld veranderen zonder dat de vorm van het onderdeel zichtbaar verandert. Ook laswerk kan plaatselijk invloed hebben op het materiaal of de verbinding. Daarom zegt een onbeschadigd uiterlijk niet altijd iets over de werkelijke constructieve toestand.
Materiaalverlies is niet de enige vorm van verzwakking
Verzwakking betekent dus niet alleen dat er letterlijk materiaal verdwijnt. Ook een verandering van materiaaleigenschappen, een plaatselijke beschadiging of een ongunstige verandering in de constructie kan leiden tot een lagere capaciteit. De oorzaak kan van buitenaf komen, uit het materiaal zelf voortkomen of het gevolg zijn van een combinatie van beide. Wat deze situaties gemeen hebben, is dat de constructie minder capaciteit beschikbaar heeft dan in de oorspronkelijke toestand.
Waardoor ontstaat verzwakking van constructies?
Een constructie kan op verschillende manieren verzwakken. Soms ontstaat de verzwakking door een invloed van buitenaf. In andere gevallen spelen de eigenschappen van het materiaal of de uitvoering van de constructie een belangrijke rol. Voor deze kennisbank onderscheiden we vier belangrijke vormen:
Corrosieve aantasting
Corrosie kan materiaal aantasten en daardoor de effectieve doorsnede van een onderdeel verkleinen. Dat kan geleidelijk gebeuren, maar ook plaatselijk zeer sterk optreden. Hierdoor kan de constructieve capaciteit afnemen. Ook scheurvorming door bepaalde vormen van corrosie kan een constructie verzwakken.
→ Lees verder over corrosieve aantasting
Thermische aantasting
Hoge temperaturen en snelle temperatuurveranderingen kunnen invloed hebben op materialen. De sterkte en andere materiaaleigenschappen kunnen daardoor tijdelijk veranderen. In bepaalde situaties kunnen ook blijvende veranderingen ontstaan. Daarmee kan de oorspronkelijke capaciteit van een onderdeel verminderen.
→ Lees verder over thermische aantasting
Laswerk
Laswerk heeft invloed op zowel het moedermateriaal als de lasverbinding. Een onjuiste lasprocedure, onvoldoende warmtebeheersing of onvolkomenheden in de las kunnen tot verzwakking leiden. Ook de vorm van de las en de overgang naar het moedermateriaal kunnen daarbij een rol spelen.
Lees verder over laswerk → eventjes geduld, deze vervolgpagina is in de maak
Slijtage en mechanische beschadiging
Door slijtage kan materiaal verloren gaan. Bij mechanische beschadiging kan een onderdeel bijvoorbeeld worden gedeukt, ingekerfd of plaatselijk vervormd. Daardoor kan de effectieve doorsnede afnemen. Ook kunnen plaatselijke spanningsconcentraties ontstaan die de constructieve capaciteit verder kunnen beïnvloeden.
Lees verder over slijtage en mechanische beschadiging → eventjes geduld, deze vervolgpagina is in de maak
Hoe ontstaat capaciteitsverlies ?
De capaciteit van een constructie wordt bepaald door de eigenschappen van het materiaal, de afmetingen en vorm van de constructie en de manier waarop deze wordt belast. Wanneer één of meer van deze eigenschappen veranderen, kan de beschikbare capaciteit afnemen.
Afname van de effectieve doorsnede
Wanneer materiaal verloren gaat, blijft er minder materiaal over om de belasting te dragen. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren door corrosie of slijtage. Bij plaatselijke aantasting is niet alleen de hoeveelheid verloren materiaal van belang. Ook de plaats waar het materiaal verloren gaat kan een grote invloed hebben op de capaciteit.
Verandering van materiaaleigenschappen
Een materiaal kan door bepaalde invloeden andere eigenschappen krijgen. De sterkte, taaiheid of andere relevante eigenschappen kunnen daardoor veranderen. De constructie kan er aan de buitenkant nog hetzelfde uitzien. Toch kan de beschikbare capaciteit zijn afgenomen.
Lokale verzwakking
Een verzwakking hoeft niet over het hele onderdeel aanwezig te zijn. Een plaatselijk aangetaste of beschadigde zone kan bepalend worden voor de capaciteit van het gehele onderdeel. Juist op zulke plaatsen kan de belasting zich anders verdelen dan in de oorspronkelijke toestand.
Spanningsconcentraties
Een plaatselijke verandering van de vorm kan leiden tot een plaatselijke verhoging van de spanning. Denk bijvoorbeeld aan een inkeping, beschadiging, lasdetail of putcorrosie. Daardoor kan een plaatselijk verzwakte zone kritischer worden dan op basis van alleen het gemiddelde materiaalverlies zou worden verwacht.
Van verzwakking naar bezwijken
Een verzwakte constructie bezwijkt niet automatisch. Ook na een vermindering van de capaciteit kan er nog voldoende draagvermogen overblijven voor de belasting die op de constructie werkt.
Verminderde capaciteit
Door aantasting, beschadiging of andere veranderingen kan de capaciteit van een constructie lager worden dan oorspronkelijk was voorzien. Zolang de resterende capaciteit groter is dan de optredende belasting, hoeft er geen bezwijking op te treden. De veiligheidsmarge wordt echter kleiner.
Belasting en beschikbare capaciteit
Of een constructie veilig blijft, hangt niet alleen af van de belasting. Ook de capaciteit die de constructie op dat moment nog beschikbaar heeft, is bepalend. Een constructie die door aantasting is verzwakt, kan daardoor bij dezelfde belasting een kleinere veiligheidsmarge hebben dan in de oorspronkelijke toestand.
Wanneer ontstaat een kritieke situatie?
Een verzwakking wordt kritisch wanneer de resterende capaciteit onvoldoende wordt voor de belasting en de omstandigheden waaronder de constructie moet functioneren. Vanaf dat moment kan een bezwijkmechanisme optreden. Welke vorm dat aanneemt, hangt onder andere af van de belasting, de geometrie en de eigenschappen van de constructie.
Relatie met bezwijkoorzaken
Een verzwakking is niet hetzelfde als een bezwijkoorzaak. Verzwakking beschrijft de afname van de beschikbare capaciteit. De uiteindelijke kritieke situatie kan vervolgens ontstaan door de combinatie van die verminderde capaciteit met een belasting of andere externe invloed. Daarom moet worden gekeken naar zowel de belasting die op de constructie werkt als de capaciteit die de constructie nog heeft.
Relatie met bezwijkmechanismen
Wanneer de belasting de beschikbare capaciteit overschrijdt, zal de constructie niet willekeurig bezwijken. Het bezwijken volgt een bepaald mechanisme. Dat kan bijvoorbeeld knikken, plastisch bezwijken, vermoeiingsbreuk of brosse breuk zijn. Het bezwijkmechanisme wordt bepaald door de combinatie van belasting, constructievorm en materiaaleigenschappen. Verzwakking van constructies gaat daarmee over de weg naar een lagere capaciteit. Bezwijkmechanismen gaan over de wijze waarop de constructie vervolgens kan bezwijken.
Aantasting en verzwakking van bestaande constructies
Bij een bestaande constructie kan de huidige toestand afwijken van de oorspronkelijke toestand. De constructie kan in de loop van de tijd zijn aangetast, beschadigd of op een andere manier zijn veranderd.
De actuele toestand is bepalend
Bij het beoordelen van een bestaande constructie moet worden vastgesteld in welke toestand de constructie zich daadwerkelijk bevindt. De oorspronkelijke tekeningen, berekeningen en materiaalspecificaties geven belangrijke informatie. Zij zeggen echter niet altijd wat de actuele constructieve toestand is. Een onderdeel kan bijvoorbeeld een kleinere doorsnede hebben gekregen door corrosie. Ook kunnen beschadigingen of veranderingen aan materiaal of verbindingen aanwezig zijn.
Wat moet bij een beoordeling worden vastgesteld?
Voor een beoordeling is het belangrijk om vast te stellen welke veranderingen daadwerkelijk aanwezig zijn en welke invloed deze op de constructie kunnen hebben. Daarbij kan onder andere worden gekeken naar:
- materiaalverlies;
- corrosieve aantasting;
- beschadigingen;
- de toestand van lasverbindingen;
- veranderingen aan de constructie;
- relevante veranderingen van materiaaleigenschappen.
De vastgestelde toestand vormt vervolgens de basis voor het bepalen van de resterende constructieve capaciteit.
Verzwakking van constructies meenemen in een sterkteberekening
Wanneer is vastgesteld dat een constructie is verzwakt, moet deze verzwakking in de sterkteberekening worden meegenomen. De berekening moet aansluiten op de werkelijke constructieve toestand.
Werkelijke capaciteit als uitgangspunt
Bij een sterkteberekening moet worden uitgegaan van de capaciteit die de constructie in haar huidige toestand nog heeft. Daarbij zijn onder andere de actuele afmetingen, materiaaleigenschappen, verbindingen en eventuele beschadigingen van belang. De berekening gaat daarmee uit van de werkelijk beschikbare capaciteit en niet van de oorspronkelijke capaciteit.
Lokale aantasting en verzwakking
Een verzwakking kan plaatselijk zijn. Juist daarom is het niet altijd voldoende om alleen naar de gemiddelde toestand van een onderdeel te kijken. Een plaatselijk dunner gedeelte, een beschadiging of een lasonvolkomenheid kan bepalend zijn voor de capaciteit van het onderdeel. De locatie en omvang van de verzwakking moeten daarom worden meegenomen wanneer deze invloed kunnen hebben op het constructieve gedrag.
Onzekerheden in de beoordeling
Bij een bestaande constructie is niet altijd met zekerheid vast te stellen hoe sterk het materiaal of onderdeel nog is. Metingen kunnen onzekerheden bevatten. Ook kan niet iedere verandering direct zichtbaar zijn. Daarom moet bij de beoordeling rekening worden gehouden met de betrouwbaarheid van de beschikbare gegevens. Wanneer de toestand of materiaaleigenschappen onvoldoende bekend zijn, kan nader onderzoek nodig zijn.