Puristaa vai venyttää?

Rakenteen jokaista osaa työntävät tai vetävät sen naapuriosat. Insinöörit jakavat nämä rakenteen sisäiset voimat muutamaan tyyppiin:

• Puristus: materiaalia puristetaan kokoon. Kattoa kannatteleva pylväs ja käden alla oleva kirjapino ovat esimerkkejä.
• Veto: materiaalia venytetään. Lamppua kannatteleva köysi, sillan kaapeli ja venytetty kuminauha ovat esimerkkejä.
• Leikkaus: materiaalikerrokset yrittävät liukua toistensa ohi, aivan kuten paperia leikattaessa saksilla.
• Taivutus: palkki painuu keskeltä, joten sen yläreunaa puristetaan ja alareunaa venytetään.

Pelkkä voima ei kerro, kestääkö osa. Tärkeää on voiman hajonta sen kantamalle pinta-alalle. Tätä kutsutaan jännitykseksi: stress = force ÷ area, ja se mitataan pascaleina (Pa) tai megapascalina (MPa, miljoonina pascaleina). Kun 1 kN:n kuorma (noin 100 kg:n massan paino) roikkuu tangosta, jonka poikkileikkausala on 100 mm², tulokseksi saadaan 1 000 N ÷ 0.0001 m² = 10 MPa.

Materiaalit eivät ole yhtä hyviä molemmissa tehtävissä. Kivi, tiili ja betoni ovat lujia puristuksessa ja heikkoja vedossa. Karkeana nyrkkisääntönä niiden vetolujuus on noin kymmenesosa puristuslujuudesta tai usein vielä vähemmän. Kun kivipalkkia vedetään, se halkeaa kauan ennen kuin samankokoinen puristettu kivikappale rikkoutuisi. Teräs ja köysi ovat päinvastaisia kavereita: teräs on lujaa sekä puristuksessa että vedossa, ja köysi tai kaapeli on erinomainen vedossa mutta hyödytön puristuksessa, koska köysi löystyy, kun sitä työnnetään.

On vielä yksi mutka. Hoikka puristettu osa ei ensin murskaannu, vaan se nurjahtaa taipuen sivulle kuin viivain, jota painetaan päistä yhteen. Siksi kivipylväät ovat paksuja ja teräksiset puristusosat tehdään putkiksi tai syviksi profiileiksi ohuiden tankojen sijaan.

Suunnittelijoille tästä seuraa, että rakenteen muoto ratkaisee, mitä sisäistä voimaa se käyttää. Usein muoto voidaan valita niin, että vedossa heikko materiaali joutuu aina vain puristukseen. Juuri niin toimii holvikaari. Ja kun käytössä on luja vetomateriaali, kaapeli on kevyin mahdollinen tapa siirtää kuormaa aukon yli.