Vermoeiing van staal ten gevolge van cyclische belasting

Enkele feiten over vermoeiing 

• Het eerste wetenschappelijke artikel over vermoeiing werd al in 1837 gepubliceerd.
• Vermoeiing veroorzaakt onomkeerbare schade.
• Staal heeft een theoretische vermoeiingsgrens; belasting onder deze limiet leidt in principe niet tot falen.
• Trekspanningen veroorzaken voornamelijk vermoeiing.
• Een groter bereik van de spanningswisselingen (\(\Delta\sigma\)) leidt tot een kortere levensduur.
• Factoren zoals temperatuur en restspanningen beïnvloeden de weerstand tegen vermoeiing.

De fases van vermoeiing

Vermoeiing ontstaat niet plotseling, maar volgt een proces:

• Fase 1 – Scheur-initiatie: Microscheurtjes vormen zich op locaties met spanningsconcentraties, zoals bij boutgaten, plaatranden of lashoeken.
• Fase 2 – Scheur-groei: De scheur breidt zich langzaam uit bij elke belastingscyclus.
• Fase 3 – Breuk: De resterende netto-doorsnede wordt te klein om de belasting te dragen, wat leidt tot brosse, plotselinge breuk.

Vermoeiingsgrens en S-N curves

De vermoeiingslevensduur (N_f) is het aantal spanningscycli dat een constructiedetail kan weerstaan voordat het bezwijkt. Voor staal bestaat er een grenswaarde voor de spanningsamplitude waaronder het materiaal theoretisch oneindig veel cycli aankan. Dit wordt de vermoeiingsgrens of de 'Endurance limit' genoemd.

Vermoeiing S-N curve door AndrewDressel, CC BY-SA 3.0

De S-N (Stress life) curves uit de Eurocode EN 1993-1-9 zijn gebaseerd op nominale, elastische spanningen. Het doel is om de spanningen onder de vloeigrens te houden. Zodra een verbinding macroscopisch gaat vloeien, spreken we van Low-Cycle Fatigue, waarbij breuk al na enkele honderden of duizenden cycli kan optreden. Indien de levensduur boven de 10⁴ cycli ligt, spreken we van High-Cycle Fatigue.

De aanpak in IDEA StatiCa

In IDEA StatiCa wordt uitgegaan van High-Cycle Fatigue, waarbij plastische rek in het staal niet is toegestaan. De vermoeiingsanalyse wordt ondersteund conform de principes van EN 1993-1-9. Belangrijk hierbij is dat IDEA StatiCa niet direct de uiteindelijke weerstand of het exacte aantal cycli berekent, maar de essentiële input levert voor de normatieve toetsing.

De aanpak in IDEA StatiCa volgt de onderstaande logica:

1. Belasting: De gebruiker definieert een "Referentie" en "Vermoeiings" lasteffect.
2. Spanningsbereik: Op basis van de CBFEM-berekening wordt het verschil tussen deze twee toestanden bepaald. De resultaten geven \(\sigma_{max}\) & \(\tau_{max}\), welke kunnen worden gebruikt om uiteindelijk \(\Delta \sigma\) & \(\Delta \tau\) te bepalen.
3. Toetsing: De constructeur categoriseert het detail volgens de norm. Met de berekende spanningsranges (\(\Delta \sigma\) & \(\Delta \tau\)) kan vervolgens de capaciteit en de levensduur worden bepaald.

De nominale spanning wordt bepaald door de spanningen van het referentiebelastingsgeval af te trekken van een ander belastingsgeval.

De nominale spanning kan binnen de software worden bepaald voor:

• Bouten: Voor zowel trek als afschuiving
• Lassen: In een automatisch gegenereerde snede naast de las
• Platen: In snedes die door de gebruiker zelf zijn gedefinieerd

Bekijk de volgende artikelen voor meer informatie over de vermoeiingsberekening in IDEA StatiCa:

• Vermoeiingsberekening volgens Eurocode EN 1993-1-9
• Theoretische achtergrond: Connection Vermoeiing
• Stompe lassen controleren op vermoeiing