Metaalmoeheid en het bezwijken van (stalen) constructies

Het continu belasten en ontlasten van een ligger, balk, apparaat of materiaal kan er in de meest ongunstige omstandigheid toe leiden dat er structurele problemen ontstaan. Het kan aanleiding zijn voor het vervormen van het materiaal, maar kan ook te laat worden ontdekt. Het kan vergaande consequenties hebben. Het zal niet de eerste keer zijn dat een balkon wegens metaalmoeheid, overbelasting of constructiefouten het begeeft. Wat zijn de signalen en waardoor kan het worden veroorzaakt?

Metaalmoeheid

• Wat zijn de signalen?
• Een constructie fout
• Structurele overbelasting
• Aantasting door onverwachte invloeden
• Verkeerde materialen bij elkaar
• Het bereiken van de vloeigrens en verder
• Metaalmoeheid en bezwijken van constructie

Wat zijn de signalen?

Meerdere oorzaken kunnen aanleiding voor metaalmoeheid zijn. Echter het uit zich vaak in eenzelfde type consequenties of signalen. Het materiaal gaat vervormen terwijl men dat niet verwacht. Dit kan geleidelijk gaan indien er sprake is van warm gewalste metaalprofielen. Gaat het echter om koud gevormd betonstaal welke wordt aangetast, kan het bij overbelasting gaan knallen doordat wapening het niet meer aan kan. Dit geldt eveneens bij hoge sterkte bouten. Metaalmoeheid is vaak een geleidelijk proces, waarbij door overbelasting of aantasting van het materiaal zelf de sterkte eigenschappen van de doorsnede afnemen. Het uit zich in niet corrigeerbare vervorming, scheuren en breuken. In het ergste geval kan het wegens voortschrijdend falen leiden tot instorting. Wat zijn zoal de veroorzakers van het falen van metaal?

Een constructie fout

Tijdens de uitvoering van een werk kunnen onverhoopt fouten worden gemaakt. Daarnaast kan het voorkomen dat een komma bij de berekening over het hoofd is gezien, waardoor er bijvoorbeeld onvoldoende belasting op een constructiedeel is gerekend. De hoofddraagconstructie kan het daardoor feitelijk niet meer aan, waardoor geleidelijk aan problemen in het gebouw kunnen ontstaan. Dit kan zeker voortschrijdende gevolgen hebben voor de constructie, waardoor grote gevolgen kunnen voordoen. Het is aan de constructeur van een gebouw in combinatie met Bouw en Woning Toezicht om dergelijke fouten niet voor te laten komen.

Structurele overbelasting

Vloeren en liggers worden ontworpen op basis van een uitgangsbelasting. Een woning wordt belast met 1,75 kN/m2 variabele belasting. Indien het echter structureel wordt belast met een zwaar archief of andere opslag dan kan die belasting oplopen tot 8 of 10 kN/m2. Het houdt in dat de vloer het mogelijk nog wel aan kan maar opnemende liggers krijgen in één keer zoveel extra belasting voor de kiezen, waardoor deze worden overbelast. Normaal worden stalen liggers bijvoorbeeld ontworpen tot 80% van de capaciteiten. Indien men echter langdurig de zaak gaat overbelasten heeft dit zeker zo zijn consequenties. Voorbij de vloeigrens kunnen reeds onveranderbare vervormingen optreden, waardoor het materiaal zichtbaar verandert. De continue overbelasting vermoeit het materiaal tot het punt dat het niet meer gaat.

Aantasting door onverwachte invloeden

Normaal worden constructies ontworpen op basis van een bepaalde belastingsklasse in combinatie met een mate van omgevingsinvloeden. Naar mate de tijd toeneemt kan echter de belasting toenemen, maar ook zoet water kan brak water worden. Chemische invloeden kunnen binnen dringen, waardoor staal atomen worden verwijderd of er eerder kans is op roestvorming. Dit kan zowel gelden voor betonstaal in balken, waardoor het beton eraf spat maar ook bij gewone stalen liggers. Roest kan een structurele verzwakking vormen, waardoor de doorsnede de belasting niet meer kan opnemen.

Verkeerde materialen bij elkaar

Bij elkaar toegepaste materialen kunnen ook invloed op elkaar hebben. Elektronen kunnen worden uitgewisseld, waardoor als het ware een geleidelijke uitholling ontstaat. Reacties kunnen tussen materialen ontstaat, waardoor de eigenschappen van het ene materiaal behoorlijk kunnen verzwakken. Uiteraard dient daar vooraf op worden ontworpen, maar omstandigheden kunnen met de tijd wijzigen.

Het bereiken van de vloeigrens en verder

Is een materiaal of doorsnede aangetast dan betekent het dat structurele veiligheid niet meer kan worden gewaarborgd. Probleem is vaak dat het niet zichtbaar is en dus gaat die omstandigheid door. De vloeigrens wordt bereikt, waardoor de situatie gaat vervormen. Dit kan binnen een relatief kort tijdsbestek reeds voltrekken, waarna de relatieve doorsnede versneld minder kan worden. Het kan leiden tot verzakkingen, scheuren in bouwmuren enzovoorts, waarmee er indirecte aanwijzingen zijn dat er een groot probleem op handen is.

Metaalmoeheid en bezwijken van constructie

Meest extreem is de omstandigheid dat het materiaal in de doorsnede de opliggende belasting niet meer aan kan. De vloeigrens en vervorming is reeds te ver gegaan en de relatieve spanning neemt toe tot het bezwijkpunt van het materiaal is bereikt. In dat geval is er geen houden meer aan. De doorsnede bezwijkt waardoor belasting niet meer wordt tegengehouden. Dit kan deels tot instorting leiden van het gebouw of het bezwijken van een apparaat.

Lees verder

• Hoe reken je zelf een stalen ligger uit?
• Hoeveel buigt een stalen ligger door?
• De elasticiteitsmodulus van staal
• Wapeningsstaal mag er roestig uitzien
• Wat doet Bouw- en Woningtoezicht?