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Der Festigkeitsnachweis

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Dieses Online-Skript zum Thema Festigkeitslehre* geht genauer auf den Festigkeitsnachweis ein. Der Festigkeitsnachweis ist häufig vor dem Betrieb einer Anlage für bestimmte Komponenten und Bauteile* zu erbringen. Wie man einen Festigkeitsnachweis durchführt und was der Sinn und Zweck dieses Vorgehens ist, lesen Sie hier.

Welchen Sinn oder Zweck hat ein Festigkeitsnachweis?

Die Notwendigkeit, einen Festigkeitsnachweis durchzuführen, ist aus der Entwicklung und dem Betrieb von Maschinen, Anlagen und anderen Produktionsstätten bekannt. Darüber hinaus gibt es in der Architektur unterschiedlicher Bauwerke, beispielsweise Brücken oder Türme, die Pflicht, vor der Inbetriebnahme einen Festigkeitsnachweis durchzuführen. So soll sichergestellt werden, dass keine Gefahr besteht und die Maschinen, Anlagen oder Gebäude in vollem Umfang genutzt werden können.
Der Festigkeitsnachweis muss nicht komplette Maschinen, Anlagen oder Gebäude betreffen, er kann auch für einzelne Teile notwendig werden. Die meisten Apparate bestehen aus Elementen, die miteinander Verbunden sind. Diese Verbindungen sind das schwächste Glied und können bei einer Belastung am ehesten nachgeben. Der Festigkeitsnachweis kann demnach nicht nur für eine Maschine oder ein Bauwerk in seiner Gesamtheit, sondern auch für einzelne Teile durchgeführt werden. Sie müssen auch im Dauerbetrieb allen Belastungen standhalten. Der Festigkeitsnachweis beinhaltet darüber hinaus auch alle Einflüsse, die von außen kommen. Hierzu gehören unter anderem Wärme, Kälte und Feuchtigkeit.

Wird der Festigkeitsnachweis nicht bestanden, spricht man vom Bauteilversagen. In diesem Fall hat das Element in seiner Ganzheit oder in Teilen die Anforderungen nicht erfüllen oder den Belastungen oder Einflüssen nicht standhalten können.
Die Folge daraus ist, dass die jeweilige Komponente optimiert werden muss, bzw. anders konstruiert werden muss.

Die drei Stufen des Bauteilversagens

Ergibt der Festigkeitsnachweis ein Bauteilversagen, kann dies in unterschiedliche Kategorien eingeteilt werden. Diese werden nach dem Umfang des Bauteilversagens eingeteilt. Es werden in der Regel drei Stufen unterschieden:

Stufe 1 des Bauteilversagens

Es können nicht alle Aufgaben problemlos erfüllt werden, da der Festigkeitsnachweis kleinere Schwächen aufdeckt. Dies kann eine unnormale Geräuschentwicklung sein oder Schwingungen, die nicht erwünscht sind. Bei der Bewegung von Flüssigkeiten gehört ein Leck, durch das Flüssigkeiten austreten, in diese Stufe. Weitere Beeinträchtigungen können Verformungen, eine verringerte Laufgüte oder ein verminderter Wirkungsgrad der Anlage sein.

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Stufe 2 des Bauteilversagens

Hier wird bereits von einer eingeschränkten Funktionsfähigkeit der Maschine gesprochen. Die Toleranzen, die vom Normbereich abweichen dürfen, zeigt der Festigkeitsnachweis als zu groß an. Grenzwerte werden überschritten, was Beispielsweise den Verschleiß oder Korrosionen betrifft. Druckminderungen oder verringerte Drehzahlen gehören ebenfalls in diese Stufe.

Stufe 3 des Bauteilversagens

Der Festigkeitsnachweis ergibt in dieser Stufe ein vollständiges Versagen. Dies kann auf verschiedene Ursachen zurückzuführen sein. Beispiele hierfür sind Materialermüdung, Verformungen des Materials oder ein teilweiser oder völliger Verlust der Stabilität. Auch Beulen oder undichte Stellen können zum Versagen der Funktionen führen.

Durchführung des Festigkeitsnachweises

Der Festigkeitsnachweis kann auf unterschiedliche Weise durchgeführt werden. Bei Maschinen, Anlagen, aber auch bei Gebäuden ist es wichtig herauszufinden, dass diese ihrer Belastung in jeder Situation standhalten. Dies ist durch die Erbringung zweier Nachweise möglich:

1. Statischer Festigkeitsnachweis:

Dieser wird bei Belastungen durchgeführt, die ruhen oder nicht ständig vorhanden sind. Auch für eine einmalige Belastung eignet sich der statische Festigkeitsnachweis.

2. Ermüdungsfestigkeitsnachweis:

Unterliegt das Element einer dauernden oder einer sehr hohen einmaligen Belastung, wird ein Festigkeitsnachweis auf Ermüdung durchgeführt.

Beide Arten des Nachweises werden mathematisch oder durch ein Experiment, beispielsweise an einem Prototypen, durchgeführt. Hierbei müssen die Regelwerke eingehalten werden, und eine Dokumentation ist ebenfalls notwendig.

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