Betriebsfestigkeit

Die Betriebsfestigkeit ist ein Fachgebiet im Maschinenbau und Bauingenieurwesen. Sie gehört in den Bereich der Konstruktion und im weiteren Sinn auch der Werkstofftechnik und Bruchmechanik. Sie beschäftigt sich

• mit der Bemessung dynamisch belasteter Bauteile und
• mit der Berechnung von Bauteillebensdauern.

Neben der statischen Belastung, zum Beispiel auf Bruch oder Verformung, versagen Bauteile auch bei wechselnder und schwingender Belastung, deren Höhe deutlich unter der statisch ertragbaren (Zug-, Druck- oder und Torsions-) Grenze liegen kann. Dabei unterscheidet man zwei Bereiche:

• Dauerfeste Bemessung: Unterhalb einer bestimmten maximalen Beanspruchung und ohne das Auftreten zeitabhängiger Schadensmechanismen (wie z. B. Korrosion) können einige Materialien (theoretisch) unendlich viele Schwingungen (Lastwechsel) ertragen. Bauteile, die einem realen Betriebseinsatz unterliegen, zeigen diese Verhalten nur in Ausnahmefällen und unter bestimmten Voraussetzungen. Ein so dimensioniertes Teil müsste theoretisch ewig halten. Im realen Einsatz tritt dies praktisch nicht auf. Dieses Konzept aus dem 18. Jahrhundert wird auch heute noch eingesetzt, zeigt jedoch nur bei der Einführung ausreichender Sicherheitsfaktoren zuverlässige Ergebnisse, die die auftretenden Beanspruchungen in einer Größe zulassen, dass im Betrieb die Lebensdauergrenze des Bauteiles nicht erreicht wird. Beispiele sind hier auch heute noch bei Komponenten im Schienenverkehr (Radsatzwellen, etc.) zu finden.
• Betriebsfeste Bemessung: Im Bereich der Zeitfestigkeit, zwischen der Zugfestigkeit und der Dauerfestigkeit, wird nur eine bestimmte Anzahl an Lastwechseln ertragen. Beispiele sind fast alle sicherheitsrelevanten Komponenten im Fahrzeugbau sowie Flugzeugkomponenten, aber auch im Brücken- und Fassadenbau.

Die Betriebsfestigkeit beschäftigt sich vor allem mit der letzteren Bemessungsart. Sie bedient sich zu diesem Zweck verschiedener Berechnungsverfahren, von denen die lineare Schadensakkumulation die wichtigste ist. Das wichtigste Mittel der Betriebsfestigkeitsrechnung ist die Wöhler-Linie. Gleichzeitig werden intensiv experimentelle Erprobungen eingesetzt, um die rechnerischen Ergebnisse zu verifizieren.

Die betriebsfeste Bemessung von Bauteilen dient dem Leichtbau und hat vor allem drei Ziele:

• Verringerung der Masse eines Bauteils (Leichteres Fahrzeug → geringerer Treibstoffverbrauch, Leichtere Struktur → mehr Nutzlast, Weniger Materialverbrauch in der Herstellung)
• Erfüllung der Funktion (Dauerfeste Flugzeuge würden nicht fliegen können, weil sie zu schwer wären.)
• Gewährleistung des sicheren Betriebes für die vorgesehene Einsatz- bzw. Lebensdauer.

Definition: Betriebsfestigkeit beschreibt die Eigenschaft eines Bauteils, einer Baugruppe oder eines Gesamtprodukts sowohl absehbare, als auch zufällig auftretende statische, quasistatische oder dynamische Belastungen im Rahmen seiner kalkulierten Lebensdauer und unter Berücksichtigung aller möglichen Umgebungsbedingungen schadensfrei zu ertragen. Die Belastungsarten können dabei sowohl periodische Schwingungen im Sinne des Wöhler-Versuchs (sowohl mit als auch ohne Verformung), wie auch schlagartige Beanspruchungen (homogene Schwingungs-DGL) sein. Unter den möglichen Umgebungsbedingungen versteht man den Einfluss von Temperatur, Druck, Korrosion, Steinschlägen, Niederschlag, Feuchtigkeitskriechen, Alterung des Materials u.ä. Wichtig ist auch die Unterscheidung zwischen zweckorientiertem Betrieb und Missbrauch. Ein betriebsfestes Bauteil ist nur bis zu einer bestimmten Schwingungs- oder Schlagamplitude ausgelegt und darf nach dem Überschreiten dieser Grenzbelastung versagen. Idealerweise versagt ein sicherheitsrelevantes Bauteil lediglich durch Verformung und nicht durch Bruch, um eine Restsicherheit zu gewährleisten und ein Unfallrisiko zu verringern. Sonderereignisse spielen in der Erprobung von Bauteilen eine große Rolle, da diese Beanspruchungen vom betriebsfesten Bauteil schadensfrei ertragen werden müssen. Diese Belastungen kommen jedoch innerhalb der kalkulierten Lebensdauer nur im Ausnahmefall vor und fallen durch die mittlere Amplitudenstärke nicht unter Missbrauch.

Weblinks

• Institut für Maschinelle Anlagentechnik und Betriebsfestigkeit der Technischen Universität Clausthal
• Fraunhofer Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF