Obliczenia wytrzymałościowe – na czym polegają?

Na każde ciało wpływają obciążenia, które powodują jego odkształcanie się. W konsekwencji, jeśli obciążenia będą bardzo duże, dany element konstrukcji może ulec zniszczeniu lub odkształcić się w sposób, który spowoduje utratę właściwości użytkowych. Jest to niepożądana sytuacja nie tylko ze względu na straty ekonomiczne, ale przede wszystkim z uwagi na spore zagrożenie dla użytkowników. Obliczenia wytrzymałościowe pozwalają na określenie nośności danych elementów konstrukcyjnych, uwzględniając m.in. rodzaj materiału, wymiary elementu oraz siły obciążające. Jak wygląda to w praktyce?

Najważniejsze informacje na temat obliczeń wytrzymałościowych

Osoby przeprowadzające ocenę odporności zajmują się kontrolowaniem nośności elementów konstrukcyjnych. Konieczne jest przeprowadzenie oceny wytrzymałości, którą rozumie się poprzez obliczenie wartości naprężeń oraz określenie ich rodzaju. Niezbędna jest ponadto ocena odkształceń, czyli również określenie ich wartości i rodzaju. Obliczenia muszą zostać przeprowadzone w odniesieniu do praktycznych wymagań, które zapewniają odpowiedni poziom bezpieczeństwa elementu oraz jego sztywność. Wymagania praktyczne są uwarunkowane konkretnymi normami, przepisami lub wymaganiami producenta.

Jak zostało już wspomniane, obliczenia wytrzymałościowe muszą uwzględniać takie czynniki jak rodzaj materiału oraz jego stan, wymiary elementów oraz ich kształty, a także wartość sił obciążających oraz ich rodzaj. Pod uwagę bierze się zasady mechaniki ciała stałego, dokonując matematycznego opisu zachowania ciała pod wpływem obciążeń. Bardzo ważne jest określenie stanu odkształceń i naprężeń.

Co jeszcze warto wiedzieć na temat obliczeń wytrzymałościowych?

W odniesieniu do rodzaju materiału, z którego jest wykonany dany element konstrukcyjny, analizuje się zarówno jego ciągłość, jednorodność, izotropowość oraz liniową sprężystość. Co za tym idzie, określa się czy w materiale znajdują się np. mikropęknięcia lub pustki i czy właściwości są jednakowe w każdym punkcie. Zakłada się ponadto, że orientacja rozpatrywanej objętości elementarnej danego elementu konstrukcyjnego nie wpływa na właściwości mechaniczne materiału oraz że ciało wykazuje ciągłość struktury do pewnej granicy obciążenia. Dzięki wyżej opisanym założeniom można ustalić wzajemne zależności matematyczne między odkształceniami a obciążeniami zewnętrznymi, biorąc pod uwagę własności mechaniczne materiału. Tego typu obliczenia wytrzymałościowe dotyczą jednak wyłącznie materiałów liniowo sprężystych. Co za tym idzie, wzory nie mogą być wykorzystane np. w odniesieniu do materiałów kompozytowych lub plastycznych.

Analizy wytrzymałościowe konstrukcji pozwalają określić czy zaprojektowana struktura jest wystarczająco wytrzymała i czy materiał użyty do jej powstania został wykorzystany w sposób ekonomiczny. Ze względu na stopień zaawansowania struktur, w celu obliczeń stosuje się metody komputerowe, z czego najpopularniejszą jest Metoda Elementów Skończonych, w skrócie MES. Polega na ona podzieleniu danej konstrukcji na kilka małych części (elementów skończonych). W ten sposób można obliczyć ich wzajemne oddziaływania mechaniczne. To bardzo dobry sposób określania miejsc gdzie koncentrują się naprężenia. Dodatkową korzyścią jest mniejsze zużycie materiałów, co przekłada się na oszczędności finansowe oraz optymalizację kształtu samej konstrukcji. Istnieją różne rodzaje analiz, dlatego muszą być one dopasowane do konkretnego przypadku.