Versagenskriterien

Die Grundlage der Bauteilauslegung und insbesondere der Festigkeitsberechnung ist das Verständnis von Versagenskriterien.

Dazu müssen wir uns eine Vorstellung davon machen, welche Umstände dazu führen können, dass das auszulegende Bauteil seine Funktion nicht mehr erfüllt, beschädigt oder sogar zerstört wird. Dabei sind nicht nur die rechnerischen mechanischen Belastungen relevant, sondern auch Umgebungseinflüsse wie Temperatur oder korrosive Medien sowie die Änderung von Werkstoffkennwerten über die Zeit oder Zyklenzahl ("Ermüdung").

Die häufigsten Versagensarten kurz erläutert:

Elastische Verformung

Unter Belastung verformt sich jeder Werkstoff und das ist nicht grundsätzlich ein Problem.

Wenn die Belastung des Werkstoffes im linear-elastischen Bereich nach Hooke liegt (siehe unten) wird das Bauteil selbst unmittelbar nicht geschädigt, sondern kehrt in seine Ausgangsform zurück, wenn die Belastung endet.

Ist die Verformung jedoch so groß, dass die Funktion des Bauteils nicht mehr erfüllt wird, führt auch die elastische Verformung zu Bauteilversagen. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn sich das Bauteil wegen der Verformung verklemmt, sich aus einer Führung löst oder ähnliches. Um das zu vermeiden müssen Bauteile so ausgelegt sein, dass die Verformung auch bei maximaler Belastung noch eine problemlose Funktion zulässt.

Plastische Verformung

Die Belastung des Bauteils führt zu einer Verformung, die außerhalb des oben beschriebenen linear-elastischen Bereichs liegt.

Das Bauteil wird dabei dauerhaft ("plastisch") verformt, bricht aber (noch) nicht. Danach, also bei Entlastung, sind die Maße des Bauteils verändert, was in der Regel eine (mit etwas Glück allmähliche) Verschlechterung oder den Verlust der Funktionsfähigkeit bedeutet. Entsprechend müssen Bauteile so ausgelegt werden, dass sie bei allen erwartbaren Belastungen unter der sogenannten Elastizitätsgrenze bleiben.

Knickung

Die Knickung ist genaugenommen eine Nebenwirkung von elastischer oder plastischer Verformung.

Sie ist insbesondere bei langen und dünnen Bauteilen mit Druckbeanspruchung in der Längsachse von Bedeutung, wenn durch die Verformung der Kraftfluss so verändert wird, dass zusätzliche Biegespannung auftritt, die wiederum die Verformung vergrößert und so weiter. Die Knickung ist also eine Folge einer belastungserhöhenden Verformung und tritt durch den selbstverstärkenden Effekt meist sehr plötzlich ein. Deshalb werden gegen Knickung meist hohe Sicherheiten von mindestens 3,5 gefordert.

Anbei eine bildliche Darstellung der sogenannten Eulerschen Knickung! Aus diesen Bildern kann man sehr schön sehen, was unter Knickung zu verstehen ist.