Lujuuslaskentaa laskijan näkökulmasta

Järkevästi suunnitellun rakenteen (staattinen) äärilujuus voidaan yleensä arvioida melko hyvällä menestyksellä perinteiseen tapaan laskemalla karkeat nimellisjännitykset vaikkapa idealisoidun rakenteen palkkimallin perusteella (Sallitun jännityksen menetelmään liittyen nimellisjännitysten laskentaa on käsitelty tässä blogissa toisaalla). Detaljien mahdollinen pieni muodonmuutos ja plastisoituminen eivät tällöin vaikuta merkittävästi koko rakenteen käyttäytymiseen. Jos rakenteen kuormien siirtymisen kannalta oleelliset detaljit on suunniteltu väärin suhteessa siirrettäviin kuormiin, nimellisjännityksillä ei kuitenkaan pystytä enää arvioimaan rakenteen todellista lujuutta. Tässä tekstissä on esitetty muutamia esimerkkejä lujuusmielessä huonosti toimivista yksityiskohdista ja joitain yksinkertaisia tapoja näiden parantamiseksi. Pääperiaatteita Rakenteen suunnittelussa on lujuusmielessä oleellisinta miettiä, missä kuormat vaikuttavat ja miten ne siirtyvät rakenteen kautta ympäristöö

Harvoin tullaan ajatelleeksi, että kuun pinnalle ensimmäisenä jalkansa laskenut astronautti Neil Armstrong oli koulutukseltaan lentotekniikan insinööri. Hänellä oli varsin hyviä huomioita insinööritieteiden osalta, ei pelkästään avaruustekniikkaa ajatellen. Hänen pitämäänsä luentoa vuosituhannen vaihteessa voi seurata esimerkiksi  tästä linkistä. Neil Armstrong tutkimassa Apollo 11:n lentosuunnitelmaa (NASA, Public domain, via Wikimedia Commons)  Yhteenvetona tässä luennossa hän esittelee aluksi tärkeimmät insinöörin työkalut tehokkuusjärjestyksessä, varmimmasta epävarmimpaan;  Kursiivilla kirjoitetut osat ovat omia kommenttejani. Mittaukset. Niissäkin voi olla silti virheitä. "Syyt ja seuraukset", luonnonlakeihin perustuva analyysi. Eivät ole virheettömiä, mutta antavat luotettavia ja toistettavia tuloksia. Käyttökelpoisin kun tarkasteltava ongelma voidaan idealisoida muutaman muuttujan tai ilmiön samanaikaiseen tarkasteluun tarvitsematta huomioida samanaikaisesti vaiku

Kaikki on suhteellista. Itsestäänselvinäkin pidetyt asiat. Seuraavassa laskutoimituksen 1+1 tuloksia eri näkökulmista: Ala-asteen opettaja: 1+1=2 Insinööri: 1+1=2,0 Tiedemies: 1+1=2,00000 Tavallinen tarjouslaskija: 1+1=3 Laivaprojektin tarjouslaskija: 1+1=2,05 Toteutuneet kustannukset: 1+1=3,14159 Digitaalinen tietokone: 1+1=10 Analoginen tietokone: 1+1=1,9976 Rakastunut romantikko: 1+1=1 Suomi Tilastokeskuksen mukaan (2014): 1+1=1,71 Rauhanyhdistykset: 1+1>8 Fissiofyysikko: 1+1=5 Fuusiofyysikko: 1+1=1 Antimateriafyysikko: 1+1=0 Kvanttifyysikko: 1+1=? Alexander Stubb: 1+1=? Ja lopuksi, induktiota harrastava sumea loogikko ulkoavaruudesta, jolle ihmisten käyttävät merkinnät eivät ole tuttuja: 0+0=0 --> a+a=a --> 1+1=1. Tai 0+0=0;  2+2=4 --> a+a==a*a --> 1+1=1. MOT. Hohhoijaa :-)

Elementtimenetelmässä elementtien jännitykset solmuissa lasketaan yleensä siten, että elementin sisäisissä integrointipisteissä lasketut elementtijännitykset ekstrapoloidaan elementin nurkissa tai reunoilla oleviin solmuihin. Jos jännitykset muuttuvat rakenteessa epälineaarisesti, tämä aiheuttaa virhettä tuloksiin. Solidielementeissä seurauksena on myös se että tuloksissa kappaleen vapaalle pinnalle ekstrapoloitava, pintaan nähden kohtisuora jännityskomponentti yleensä eroaa nollasta, mikä ei vastaa todellisuutta. Yksi mahdollisuus tilanteen parantamiseksi on verkottaa kappaleen pintaan ohuista kalvoelementeistä verkko, josta tulokset venymille ja jännityksille luetaan. Näiden kalvoelementtien venymät ja jännitykset lasketaan suoraan kappaleen pinnalle joten jännityksiä ei jouduta ekstrapoloimaan kappaleen syvyyssuunnassa. Alla on laskentaesimerkki vedetyn akseliolakkeelle (r=h=D/4, d=D/2) pienemmän akselin yksikkövetojännityksellä saaduille jännityksille Abaquksen lineaarisissa C3