Primärspannung
Aus ESOCAETWIKIPLUS
engl: primary stress Kategorie: 
Level 3 Mechanik Theorie
Hier wird die Primärspannung als eine Spannung im Sinne der Strukturmechanik beschrieben (in Abgrenzung zur elektrischen Primärspannung bei einem Transformator).
In der Ingenieurmechanik ist es üblich, eine mechanische Spannungsverteilung in einem Bauteil-Querschnitt in unterschiedliche Kategorien einzuordnen und je nach Ursache der Spannung als
- Primärspannung,
- Sekundärspannung oder
- Spannungsspitze
zu betrachten. Diese Einstufung spielt insbesondere bei der Bewertung nach Regelwerken eine Rolle.
Eine Primärspannung ist eine Spannung, die das Gleichgewicht mit einer äußeren Kraftgröße (Lastgröße) herstellt. Hinsichtlich des Festigkeitsverhaltens ist ihr wesentliches Merkmal, dass bei einer (unzulässig großen) Steigerung der äußeren Last die Verformungen nach vollständiger Plastifizierung des Querschnitts wesentlich zunehmen, ohne sich hierbei selbst zu begrenzen.
Merke: eine Primärspannung hält das Gleichgewicht mit äußeren Lasten. Sie ist nicht selbstbegrenzend.
Je nach Verteilung über den Bauteil-Querschnitt kann eine Membranspannung oder Biegespannung vorliegen.
Einen Sonderfall stellen solche Primärspannungen dar, die durch konzentrierte Belastungen (z.B. im Bereich von Auflagerpratzen) verursacht sind. Bei solchen örtlichen Primärspannungen kann eine Plastifizierung zu einer Spannungsumlagerung führen.
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Grundlagen
Die rechnerische Auslegung von Konstruktionen und Bauteilen erfolgt zunächst mit einer Dimensionierung. Dabei wird in der Konzeptphase sichergestellt, dass die maßgebenden und grundlegenden Eigenschaften gegeben sind. Für diese Dimensionierung (Auslegung mit Formeln, Bemessung) werden meistens einfache Formeln verwendet. Sie basieren auf einer Idealisierung, die für die maßgebenden und grundlegenden Eigenschaften angemessen ist. In der Strukturmechanik werden hierbei vorrangig die Primärspannungen berücksichtigt.
Wenn der Entwurf oder die Konstruktion abgeschlossen ist, wird durch eine Analyse des Bauteilverhaltens sichergestellt, dass keine sonstigen Grenzwerte überschritten werden. In der Strukturmechanik werden bei der Analyse des mechanischen Verhaltens auch Sekundär- und Spitzenspannungen berücksichtigt. Eine numerische wie auch eine experimentelle Analyse des mechanischen Verhaltens liefert die Verteilung der mechanischen Spannungen im Bauteil und erfordert eine solche Einstufung der Spannungsanteile für die Bewertung.
Es ist üblich, eine Primärspannung gegenüber der Versagensgrenze mit einer Sicherheit von 3,0 zu begrenzen (Membranspannung: Sicherheitsfaktor 1,5 und Streckgrenzenverhältnis 2, Biegespannung: Traglastfaktor 1,5 und Streckgrenzenverhältnis 2).
Beispiele
Beispiel Stab mit Zugkraft
An dem rechts dargestellten Stab greift eine Zugkraft an. Als Schnittgröße im Stab ist an jeder Position längs des Stabes diese Kraft zu finden. Sie ergibt eine Membranspannung im Stabquerschnitt. Diese Spannung im Stab stellt das Gleichgewicht zu dieser Zugkraft her. Diese Spannung ist eine Primärspannung.
Beispiel Stab mit Biegemoment
In dem rechts darunter dargestellten Fall greift am Stabende ein Biegemoment an. Als Schnittgröße im Stab ist an jeder Position längs des Stabes dieses Moment zu finden. Das ergibt eine Biegespannung im Stabquerschnitt. Diese Spannung im Stab stellt das Gleichgewicht zu dem Moment her. Diese Spannung ist eine Primärspannung.
Beispiel Flansch
Als ein weiteres Beispiel wird eine Rohrleitung mit einem Flansch betrachtet. Das Foto zeigt die Anordnung. Die Zeichnung zeigt den Schnitt durch die Mitte dieser Konstruktion. Die Rohrleitung und der Flansch sind im wesentlichen rotationssymmetrisch, nur die Schrauben stören diese Rotationssymmetrie.
Hier finden Sie nähere Angaben zu diesem Beispiel.
Sonstige Begriffe
Je nachdem, wie in Bezug auf den Bauteil-Querschnitt die Spannung verteilt ist, wird in der Ingenieurmechanik von Membranspannung, Biegespannung oder Spitzenspannung gesprochen.
