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Festigkeitsnachweis - Grundprinzip

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Der Festigkeitsnachweis dient zur Verifizierung der ausreichenden Festigkeit eines Bauteils, wenn es den vorgesehenen Belastungen ausgesetzt wird. Dabei darf ein gewisser Sicherheitsfaktor eingehalten werden. Ziel dieses Grundprinzip ist es, ein Bauteil daraufhin auszulegen, dass es mit möglichst geringen Dimensionen die notwendige Tragkraft bietet. Zum Festigkeitsnachweis* gehört neben der genauen Kenntnis der wirksamen Kräfte, die Kenntnisse um die Belastungsart, die Bauteilgeometrie und die Werkstoffwerte.
Damit Bauteile nicht zu nahe an der Grenze zum Versagen dimensioniert werden, gehört je nach Art der Anwendung immer ein Sicherheitsfaktor in die Berechnung für den Festigkeitsnachweis. Die Einbeziehung eines Sicherheitsfaktors ist ein Grundprinzip in der Festigkeitslehre. Dieser kann nur wenige Prozent oder ein Vielfaches der anliegenden Belastungen beinhalten. Sicherheitsfaktoren resultieren aus:

  • den Lastfällen (ruhend, schwellend, wechselnd)
  • den spezifischen Bedingungen (Stöße, Punktlasten, Schwingungen)
  • der Geometrie des Werkzeugs und seiner Widerstandsmomente
  • der Maßtoleranzen des Bauteils
  • dem verwendeten Werkstoff
  • dem Verfahren des Festigkeitsnachweises

Die Beanspruchungsart des Werkstücks und sein Verwendungszweck entscheiden über die eingesetzten Sicherheitsfaktoren, dem Aufwand der Qualitätssicherung und dem Umfang der Wartung. Beispielsweise unterscheiden sich die Sicherheitsfaktoren zwischen dem Flugzeugbau und der Baustatik erheblich voneinander. Aber auch wenn der Sicherheitsfaktor nur 1.1% beträgt, ändert das nichts an diesem Grundprinzip: Er muss in der Berechnung vom Festigkeitsnachweis berücksichtigt werden.

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Die wirkende Beanspruchungsart entscheidet über das verwendete Grundprinzip zwischen den einzelnen Konzepten des Festigkeitsnachweises. Der Vergleich der Nennspannungen ist hier ein als einfachster Ansatz für einen Festigkeitsnachweis zu sehen. Bei komplexeren Baugruppen ist das Grundprinzip des Nennspannungsvergleiches aber nicht mehr ausreichend. Hier helfen Modelle wie die Betrachtung der Kerbspannungen, des Kerbgrundes, der Strukturspannungen und der Bruchmechanik mit Einbeziehung des Rissfortschritt-Verfahrens. Diese Methoden funktionieren auf dem Grundprinzip des Finite-Elemente-Konzepts und verlangen daher einen wesentlich höheren Berechnungsaufwand als der verhältnismäßig einfache Vergleich der Nennspannungen. Diese Methoden sind für den Festigkeitsnachweis von beispielsweise Schweißnähten nicht geeignet.

Mit der Beherrschung der komplexen Festigkeitsnachweise, ist der Entwurf von belastbareren Bauteilen mit geringeren Abmessungen möglich Dies steigert die Effizienz und Rentabilität der gesamten Konstruktion. Das Grundprinzip der Rentabilität liegt auch der Ingenieurskunst zugrunde. Das bedeutet auch, dass ein ausreichender Festigkeitsnachweis alleine in der Mechanik nicht ausreichende ist: Das Bauteil* darf auch nicht zu teuer werden.

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2009 Maschinenbau-Wissen.de
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