Was ist eine Stresskonzentration?
Spannungskonzentration ist ein Phänomen, das durch ein Loch, eine scharfe Biegung oder einen Defekt in einem Objekt verursacht werden kann, wenn Kraft angewendet wird. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass Unregelmäßigkeiten in der Struktur eines Objekts dazu neigen, in bestimmten Bereichen Stress aufzubauen. Diese Stellen werden typischerweise als Spannungskonzentrationen bezeichnet, da sie Bereiche darstellen, in denen die Spannungskräfte erhöht sind. Ein Objekt, dessen Struktur ziemlich einheitlich ist, ist in der Regel viel elastischer als ein ähnliches Objekt, das eine oder mehrere Spannungskonzentrationen aufweist. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass der erhöhte Druck, der in einer Spannungskonzentration auftritt, ein Objekt in der Regel viel anfälliger für Beschädigungen durch Abplatzen, Reißen oder auf andere Weise macht.
Wenn die Struktur eines Objekts ziemlich gleichmäßig ist, wird der Stress in der Regel gleichmäßig über die Substanz verteilt. Eine Möglichkeit, dies zu veranschaulichen, ist ein flaches Brett mit gleichmäßig verteilten Kraftlinien, die entlang der Oberfläche verlaufen. Wenn ein Loch in die Platine gebohrt wird, wird die auf die Platine ausgeübte Spannung auf beiden Seiten des Lochs konzentriert. Dies liegt daran, dass die Kraftlinien nicht durch das Material gehen können, das beim Bohren des Lochs entfernt wurde. Die Kraftlinien müssen um das Loch herum verlaufen, was zu Bereichen mit konzentrierter Beanspruchung führt, so dass das Brett an dieser Stelle eher bricht, wenn übermäßige Kraft ausgeübt wird.
Praktisch jedes Objekt, dem eine völlig einheitliche Struktur fehlt, enthält eine Art Spannungskonzentration. Wenn die Substanz, aus der ein Objekt besteht, auch noch so kleine Verunreinigungen oder Defekte enthält, führt dies in der Regel zur Konzentration von Kraftlinien. Deshalb ist es besonders wichtig, beim Bau von stark beanspruchten Objekten Verunreinigungen zu entfernen. Kleine Risse führen auch zu einer Spannungskonzentration, die mit der Zeit zu viel größeren Brüchen führen kann.
Die geometrische Struktur eines Objekts kann auch zu einer Spannungskonzentration führen. Einige gebräuchliche Beispiele umfassen hohle und rechtwinklige Träger und Wellen mit Umfangsnuten oder Schulterrillen. Jede dieser Formen weist ein anderes Spannungskonzentrationsmuster auf, das unter bestimmten Umständen zum Versagen eines Objekts oder einer Komponente führen kann. Aufgrund des Fehlens von Trägermaterial in der Mitte neigt ein hohler quadratischer Balken zum Versagen, wenn er verdreht wird. Andere Objekte, z. B. Wellen mit Rillen oder Rundungen, können unter Torsions-, Biege- oder Axialkräften versagen.