Structural Integrity in stand houden

Wat is Structural Integrity

Structural integrity (soms vertaald als structurele integriteit) is het vermogen van een constructie om te functioneren onder gebruiksbelastingen zonder dat het zijn sterkte (d.w.z. geen constructief bezwijken) en vorm (d.w.z. geen buitensporige vervormingen) verliest. Vandaar dat structural integrity wel als kwaliteitsmaat voor een constructie wordt gezien.

De structural integrity beoordeling van een component of constructie integreert aspecten als spanningsanalyse, materiaal gedrag en faalmechanismen in het engineering ontwerp proces.
Spanningsanalyse beschrijft de analyse hoe uitwendige belastingen leiden tot inwendige spanningen.
Het faalmechanisme beschrijft de analyse van verschillende faal mogelijkheden als functie van die inwendige spanningen, van materiaal gedrag en eigenschappen en van de omgeving.

Wat is een goed ontwerp

De kunst van goed construeren is er voor te zorgen dat de structural integrity van een constructie op een acceptabel niveau blijft gedurende de te verwachten gebruikslevensduur. In een goed ontworpen systeem, lokaal bezwijken mag niet lijden tot het bezwijken van de complete constructie.

Degradatie van een constructie

Gedurende het leven van een constructie zal de structural integrity iets achteruit gaan. Er zijn verschillende soorten degradatie die deze achteruitgang veroorzaken: geleidelijke degradatie, vertraagde degradatie en plotselinge degradatie.

Structural Integrity - Degradation Types

Typische vormen van geleidelijke degradatie zijn slijtage, kruip en materiaal degradatie (bv. corrosie in metalen, degradatie door UV in composieten, houtrot, etc.).
Vermoeiing en spanningscorrosie kunnen worden beschouwd als vertraagde degradatie. Eigenlijk begint de degradatie bij deze vormen ook al bij t=0, maar aanvankelijk is de achteruitgang van de toestand (d.w.z. groei van scheuren) zo klein dat deze verwaarloosbaar is. Dus lijkt de degradatie vertraagd.
De derde degradatie soort is plotselinge degradatie. Denk bijvoorbeeld aan impact schade of  overbelasting.

Op een gegeven moment zakt de structural integrity toestand tot een onacceptabel laag niveau. Dit kan het punt zijn dat de constructie niet meer functioneert zoals vooraf geëist (b.v. te veel vervorming, bezwijken van onderdelen) of dat dit op het punt staat te gebeuren. Verdere achteruitgang zal dan tot bezwijken van de complete constructie leiden.

Structural Integrity - Degradation vs. Time

Volledig bezwijken van een constructie kunnen vergaande gevolgen hebben:

  • Veiligheid, bv. verlies van levens.
  • Operationele activiteiten: Indirecte operationele verliezen en directe kosten voor reparatie en/of vervanging.

Structural Integrity in stand houden

Onderhoud is het proces er voor te zorgen dat een systeem presteert zoals bedoeld met voldoende betrouwbaarheid. Het onderhoudsproces richt zich dus op het doen van operationele activiteiten voor zo laag mogelijke kosten en het vermijden van veiligheidskwesties ten gevolge van constructief bezwijken.

Structural integrity - maintenance

Men kan gepland en ongepland onderhoud plegen. Gepland onderhoud is zinvol voor geleidelijke degradatie en voor vertraagde degradatie. Dergelijk onderhoud kan bestaan uit periodieke inspecties van de constructie, d.w.z. het controleren van de structural integrity toestand. Indien de toestand onder een bepaald niveau komt wordt de constructie gerepareerd of vervangen. Een inspectie interval is meestal gebaseerd op de degradatiesnelheid tussen punten A en B in de bovenstaande figuur. Met name voor vertraagde degradatie kan de tijd tot de eerste inspectie veel langer zijn dan de intervallen tussen inspecties.
Een andere optie voor gepland onderhoud is vervanging op een vast tijdstip. Dit betekent dat het onderhoud niet bestaat uit inspectie van de toestand maar uitsluitend vervanging, onafhankelijk van de toestand.

De tijd tot de eerste inspectie en het interval tussen inspecties hangt hangt in hoge mate af van de degradatiesnelheden. Het vaststellen hiervan is onderdeel van het ontwerp proces. Bedenk dat er interactie kan bestaan tussen verschillende vormen van degradatie, bijvoorbeeld corrosie vermoeiing. Deze interactie kan degradatie versnellen.

Gepland onderhoud voor plotselinge degradatie heeft geen zin. Het interval tussen punten A en B is nul, en de plaats van punt A in de tijd is meestal willekeurig. Dus voor plotselinge degradatie wordt ongepland onderhoud toegepast. Het ontwerp moet dan zodanig zijn dat na impact of overbelasting de kans op volledig bezwijken voldoende (afhankelijk van de gevolgen) klein is.

Hoe past vermoeiing in dit verhaal

Vermoeiing kan dus worden beschouwd als vertraagde degradatie. In groot deel van het vermoeiingsleven bestaat uit initiatie. Tijdens deze initiatie fase is de scheur nog erg kort (geen zichtbare degradatie) en heeft nog geen invloed op de structural integrity toestand.

Het is al gemeld dat spanningsanalyse een belangrijk onderdeel is van de structural integrity beoordeling van een constructie. Voor vermoeiing geldt dit nog veel meer. Uiteindelijke breuk gebeurt over het algemeen t.g.v. één van de zwaardere operationele belastingen. Deze belasting is dus belangrijk in de analyse. Vermoeiing echter is een degradatie proces dat veroorzaakt wordt door wisselende spanningen. Dat betekent dus dat niet alleen de belasting bij bezwijken moet worden beschouwd maar ook alle belastingen die voor die tijd optreden. Zowel het aantal cycli als de zwaarte (spanning amplitude) van die belastingen moeten bekend zijn.

Voor ontwerpen op vermoeiing worden drie concepten onderscheidden: 1. safe life (safety-by-retirement), 2. fail safe (safety-by-design), 3. damage tolerance (safety-by-inspection).

Safe Life

Safe Life houdt in dat een ontwerp leven voor vermoeiing wordt bepaald d.m.v. testen of analyse. Voordat die levensduur bereikt is moet het betreffende component worden vervangen. Safe Life valt dus onder gepland onderhoud, maar dan zonder inspectie naar de toestand van het component of constructie. Het geplande onderhoud behelst dus uitsluitend vervanging van het component.

Fail Safe

Een Fail Safe ontwerp houdt in dat een constructie zo is ontworpen dat breuk van een element of component niet direct tot bezwijken van de complete constructie zal leiden. Echter, breuk van element of component moet voor de hand liggen, dus duidelijk merkbaar zonder gerichte inspecties. Fail Safe is dus gekoppeld aan ongepland onderhoud (op punt B).

Bij zowel safe life als fail safe wordt analyse met S-N curves gedaan.

Damage Tolerance

Damage Tolerance veronderstelt dat er al een schade of scheur aanwezig is in een component. een dergelijke schade wordt al dan niet gevonden bij regelmatige inspectie. Als een scheur wordt gevonden wordt het component gerepareerd of vervangen. Zo niet, dan wordt het component verder gebruikt tot de volgende inspectie. Dit geplande onderhoud bestaat dus voornamelijk uit condition monitoring.
De inspectie intervallen (tussen A en B of C) worden vastgesteld aan de hand van schadegroei (scheurgroei) en vereisen breukmechanica methoden. De tijd tot eerste inspectie kan op dezelfde manier worden vastgesteld als de inspectie intervallen (gebruikelijk in de luchtvaart) maar kunnen vaak ook worden vastgesteld aan de hand van S-N curves.

Wilt u meer weten over Vermoeiing?

Ontvang de maandelijkse nieuwsbrief met onze vermoeiing blog en informatie over onze diensten en cursussen per email.