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Primär- und Sekundärversagen

Primär- und Sekundärversagen können nur bei elastischen Stoffen unterschieden werden. Als elastisch bezeichnet man Materialien, die die Fähigkeit haben, sich bei Belastung zu verformen und nach Entlastung wieder in ihre Ausgangsform zurückzukehren, ohne Materialeigenschaften oder Form zu verändern. (z.B. Stahl, verschiedene Kunststoffe, Holz, uva).

Anders verhalten sich plastische Stoffe, die bei Belastung sofort ihre Form und/oder Werkstoffeigenschaften ändern und bei Entlastung nicht in die Ausgangsform zurückkehren.

Wird ein elastischer Stoff zunehmend stark belastet und somit verformt, so kommt man an einen Punkt, ab dem dieser, nach Entlastung, nicht mehr die Ausgangsform annimmt. Der Werkstoff ist beschädigt und oft werden auch die Materialeigenschaften verändert. Die Änderung der Form und der Materialeigenschaft unter dieser Belastung wird als Primärversagen bezeichnet. Nach Entlastung ist der Werkstoff, ein wenig verformt, aber noch erhalten. Oft kann er seine Funktion noch vollständig oder zumindest teilweise erfüllen, ist aber  nicht mehr genauso wie vorher.

Bei neuerlicher Belastung ist es oft möglich die Belastung noch weiter zu erhöhen, bevor der Werkstoff vollständig, beim Sekundärversagenspunkt, versagt.

Das Hooke´sche Gesetz:
Robert Hooke1635 – 1703, Universalgelehrter
Hooke´sche Gesetz, ca. 1685

Das Hooke´sche Gesetz besagt, dass die elastische Verformung bis zur einwirkenden Belastung proportional ist . Das heißt, dass die elastische Verformung im Last-Dehnungsdiagramm eine Gerade (oder annähernd eine Gerade) darstellt. Beginnt sie sich zu krümmen, kommt man in den plastischen Bereich und hat den Primärversagenspunkt erreicht.


Last – Dehnungsdiagramm mit ausgeprägtem Primärversagenspunkt.

Mit Erreichen des Primärversagenspunktes  (PV) verformt sich der Werkstoff bleibend und die Moleküle richten sich neu aus. Dieser Prozess der Materialveränderung findet bei Dehnung unter etwa gleichbleibender Last statt. Anschließend kann die Last erneut bis zu einem Maximum gesteigert werden. Dann fällt sie wieder ab und der Werkstoff versagt komplett beim Sekundärversagenspunkt (SV). Lm ist der Punkt der maximalen Last.

Dieses Last – Dehnungsdiagramm entspricht einem für Normstahl. Bei Stählen ist auch der Verlauf zwischen Primär- und Sekundärversagen oft vorhersagbar. Daher können Stähle, in Ausnahmefällen, auch über den Primärversagenspunkt gedehnt und so „vorbehandelt“ verwendet werden. Diese vorgespannten Stähle haben ein noch günstigeres Last – Dehnungsverhältnis.


Last – Dehnungsdiagramm ohne ausgeprägten Primärversagenspunkt.

Bei dieser Art von Werkstoff (zB grünes Holz) finden wir keinen ausgeprägten Primärversagenspunkt. Die Dehnung nimmt kontinuierlich mit der Last zu. Es hat sich dabei als sinnvoll erwiesen, ab einer bleibenden Dehnung von 2 % den Primärversagenspunkt zu definieren (PV). Wieder sehen wir den Punkt der maximalen Last bei Lm und den Sekundärversagenspunkt SV bei wieder abnehmender Last.

Zurück zu den Bäumen:
Auch hier biegt sich der Stamm und kippt die Wurzelplatte bei Windlast. Als Primärversagen im Stamm erwarten wir, jedenfalls bei vollholzigen Stämmen, Faserstauchen an der Biege-Druck Seite, das unter der Borke, mit freiem Auge nicht sichtbar, stattfindet.

Dieser, nicht sichtbare Primärversagenspunkt ist aber sehr wichtig, denn jede technisch korrekte Untersuchung muss sich an diesem Versagen orientieren. Das ist die maximal mögliche Belastung, ab der der Baum zu versagen beginnt. Er hält zwar noch etwas mehr aus, man weiß aber nicht genau wieviel. Das Sekundärversagen kann unmittelbar darauf folgen, oder erst nach Steigerung der Last um 10, 20 oder 30%. Wird der Primärversagenspunkt übersehen, so steht ein vorgeschädigter Baum vor uns. Mehrmaliges Überschreiten der Primärversagensgrenze führt zu einer Reduktion dieser Grenze.

Diese Unterscheidung in Primär- und Sekundärversagen mag kleinlich wirken, es gibt aber technische Standards, die zu berücksichtigen sind. Der Primärversagenspunkt der gängigen Hölzer ist bekannt (Stuttgarter Festigkeitskatalog) und somit kann er zu Berechnungen herangezogen werden. Der Sekundärversagenspunkt hängt von unterschiedlichen, nicht vorhersehbaren Einflüssen ab und kann daher nicht zu Berechnungen herangezogen werden.


Last-Dehnungsdiagramm aus unserer wissenschaftlichen Arbeit

Man erkennt, dass grünes Holz dem zweiten Kurventyp entspricht. Der Primärversagenspunkt ist gut erkennbar, aber vor dem Sekundärversagen müssen die Messgeräte vom Baum entfernt werden, um sie nicht unter ihm zu begraben.

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