Statik: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 12 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

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1Formeln und Methoden

Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Betrag
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Einheitsvektor
û = a/|a|
Komponenten aus einem Winkel
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Skalarprodukt
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Skalare Projektion von a auf b
a·b/|b|
Arbeit
W = F·d
Kreuzprodukt
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Flächen
Parallelogramm |a × b|, Dreieck ½|a × b|
Moment um O
MO = r × F, r = A − O
Volumen eines Spats (Parallelepipeds)
V = |a·(b × c)|

Methode

  1. Schreibe jeden Vektor in Komponenten; bei einer Kraft, die mit Betrag und Winkel gegeben ist, verwende F·cos θ und F·sin θ.
  2. Für Längen und Richtungen verwende den Betrag √(x² + y² + z²) und den Einheitsvektor a/|a|.
  3. Verwende das Skalarprodukt für Winkel, Projektionen, Orthogonalität und Arbeit: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Verwende das Kreuzprodukt für senkrechte Vektoren, Flächen und Momente: Schreibe die drei Komponenten sorgfältig auf und behalte die Reihenfolge a × b bei.

Auflagerkräfte am Balken

Gleichgewicht
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Gleichstreckenlast
Resultierende w·L in der Mitte der Last
Moment
M = F·d

Methode

  1. Zeichne ein Freikörperbild und ersetze jedes Lager durch seine Lagerreaktionen.
  2. Ersetze jede verteilte Last durch eine Einzelkraft in ihrem Schwerpunkt.
  3. Bilde die Momente um ein Lager, um die Reaktion am anderen zu bestimmen.
  4. Bestimme mit ΣFy = 0 die verbleibende Reaktion und kontrolliere mit einer zweiten Momentengleichung.

Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Knotenpunktverfahren
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
Schnittverfahren
ΣM = 0 about a cut point
Stabkraft
positiv = Zug, negativ = Druck

Methode

  1. Bestimme die Lagerreaktionen für das ganze Fachwerk.
  2. Knotenpunktverfahren: Beginne an einem Knoten mit höchstens zwei unbekannten Stabkräften und verwende ΣFx = 0 und ΣFy = 0.
  3. Ritterschnittverfahren: Schneide durch den gesuchten Stab und bilde die Momente um den Punkt, in dem sich die anderen unbekannten Stäbe schneiden.
  4. Nimm Zug an; ein negatives Ergebnis bedeutet Druck.

Rahmen und Maschinen

Gleichgewicht jedes Stabes
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Zweikraftstab
Kraft entlang der Geraden durch seine beiden Gelenke
Gelenkkraft
gleich groß und entgegengesetzt auf die beiden verbundenen Bauteile
Betrag einer Gelenkkraft
F = √(Fx² + Fy²)
Hebel, Zange, Winkelhebel
Fin·a = Fout·b
Kniehebel
Flink = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
Gleichstreckenlast
Resultierende w·L in der Mitte der Last

Methode

  1. Zeichne das gesamte Tragwerk und bestimme die Auflagerkräfte, wenn es höchstens drei Unbekannte gibt.
  2. Finde die Zweikraftstäbe: Sie sind nur an zwei Gelenken belastet, ihre Kraft wirkt entlang der Verbindungslinie der Gelenke.
  3. Zerlege den Rahmen und zeichne jedes Bauteil einzeln, mit gleich großen, entgegengesetzten Gelenkkräften dort, wo Bauteile zusammentreffen.
  4. Bilde für jedes Bauteil die Momente um ein Gelenk mit unbekannten Kräften, dann verwende ΣFx = 0 und ΣFy = 0; füge die Komponenten erst am Ende zu einem Betrag zusammen.

Querkraft und Biegemoment

Querkraft und Moment
V = ΣF auf einer Seite, M = ΣF·d auf einer Seite
Biegespannung
σ = M·y/I
Rechteck
I = bh³/12
Widerstandsmoment
W = I/ymax
Einfeldträger, Gleichstreckenlast
Mmax = wL²/8

Methode

  1. Bestimme die Lagerreaktionen aus dem Gleichgewicht des ganzen Balkens.
  2. Schneide den Balken an der gesuchten Stelle und behalte eine Seite.
  3. Querkraft: Summe der vertikalen Kräfte auf dieser Seite. Biegemoment: Summe ihrer Momente um die Schnittstelle.
  4. Für das maximale Moment suchst du die Stelle, an der die Querkraft null ist.

Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Schwerpunkt
ȳ = ΣAiyi/ΣAi
Rechteck
I = bh³/12
Satz von Steiner
I = Ic + A·d²
Zusammengesetzter Querschnitt
I = Σ(Ic,i + Aidi²)

2Übungsaufgaben

1.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
xyzab

Bestimme die skalare Projektion compb a von a = (−1, −2, 5) auf b = (5, 4, −2), also die Komponente von a in Richtung von b.

a = (−1, −2, 5)b = (5, 4, −2)
compb a =
2.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
xyzabc

Bestimme das Volumen V des Spats (Parallelepipeds), dessen Kanten von einer Ecke aus a = (2, 0, 2), b = (4, −2, −2) und c = (5, 2, 5) sind.

a = (2, 0, 2)b = (4, −2, −2)c = (5, 2, 5)
V =
3.Auflagerkräfte am BalkenMittel
P1​ = 45 kNP2​ = 20 kNABRA​ = ?RB​2 m0,5 m2,5 m

Der Einfeldträger hat in A ein Festlager und in B ein Loslager. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RA.

L = 5 mP1 = 45 kN bei 2 mP2 = 20 kN bei 2,5 m
RA = kN
4.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 6 kN/mP = 25 kNABRA​RB​ = ?3 m2 m1 m

Der Einfeldträger hat in A ein Festlager und in B ein Loslager. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RB.

L = 6 mP = 25 kN bei 3 mw = 6 kN/m von 3 bis 5 m
RB = kN
5.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABCDEFGH40 kN35 kN4 × 3 m3 m

Genau ein Stab dieses Fachwerks trägt unter diesen Lasten keine Kraft. Welcher ist der Nullstab? Klicke ihn im Diagramm an.

D: 40 kN ↓G: 35 kN ↓
  1. 1Stab AB
  2. 2Stab BC
  3. 3Stab CD
  4. 4Stab DE
  5. 5Stab FG
  6. 6Stab GH
  7. 7Stab AF
  8. 8Stab HE
  9. 9Stab BF
  10. 10Stab CG
  11. 11Stab DH
  12. 12Stab BG
  13. 13Stab DG
6.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
ABBCACACB25 kN30 kN5 m1 m4 m

Bestimme mit dem Knotenpunktverfahren die Kraft FAC im Stab AC. Gib Zug positiv und Druck negativ an.

Spannweite = 5 mHöhe = 4 mB liegt 1 m von A entferntvertikale Last = 25 kNhorizontale Last = 30 kN ←
FAC = kN
7.Rahmen und MaschinenMittel
6 kN6 m2 m1,6 m0,75 mABCDEK

Der gezeigte A-Rahmen steht auf einem Festlager in A und einem Loslager in B, 6 m voneinander entfernt, mit dem Scheitelgelenk C in 3,6 m Höhe und der horizontalen Zugstange DE 2 m über dem Boden. Auf den Schenkel AC wirkt in K, 0,75 m (horizontal) von A entfernt, eine vertikale Last von 6 kN. Bestimme die Zugkraft T in der Zugstange.

P = 6 kNAB = 6 mHöhe von C = 3,6 mHöhe von DE = 2 mhorizontaler Abstand von A zu K = 0,75 m
T = kN
8.Rahmen und MaschinenSchwer
F = ?2000 N10 mmABC

Eine Kniehebelpresse hat zwei gleich lange Lenker AB und BC, jeder 150 mm lang zwischen den Gelenken. Das Gelenk B liegt 10 mm über der Linie AC. Welche nach unten gerichtete Kraft F in B erzeugt eine horizontale Presskraft von 2000 N am Schieber C? Vernachlässige Reibung und Gewichte.

Q = 2000 NAB = BC = 150 mmh = 10 mm
F = N
9.Querkraft und BiegemomentMittel
w = 6 kN/mP = 40 kNABSchnitt1 m1,5 m

Der Kragarm ist in A eingespannt. Er trägt über seine ganze Länge eine Gleichstreckenlast w und eine Einzellast P im Abstand 2,5 m von A. Bestimme das Biegemoment Mx im Schnitt x = 1 m von der Einspannung A. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.

L = 2,5 mP = 40 kN bei 2,5 mw = 6 kN/m von 0 bis 2,5 mx = 1 m
Mx = kN·m
10.Querkraft und BiegemomentSchwer
w = 3 kN/mP = 60 kNABSchnitt3 m1 m

Bestimme das Biegemoment Mx im Schnitt x = 3 m vom Auflager A. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.

L = 4 mP = 60 kN bei 3 mw = 3 kN/m von 0 bis 4 mx = 3 m
Mx = kN·m
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
100 mm240 mm144 mmØ50xIx​ = ?

Eine Platte von 100 mm × 240 mm hat ein kreisförmiges Loch mit dem Durchmesser 50 mm auf ihrer vertikalen Mittellinie, dessen Mittelpunkt 144 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.

b = 100 mmh = 240 mmd = 50 mmLochmittelpunkt: y = 144 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
150 mm150 mm97,5 mm50 × 30xIx​ = ?

Eine Platte von 150 mm × 150 mm hat einen rechteckigen Ausschnitt von 50 mm Breite und 30 mm Höhe, der auf der vertikalen Mittellinie sitzt und dessen Mittelpunkt 97,5 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.

b = 150 mmh = 150 mmAusschnitt: 50 × 30 mmLochmittelpunkt: y = 97,5 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴

3Lösungen

1.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: compb a = −3,429

Dot product: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.

Skalarprodukt

a·b = (−1)·5 + (−2)·4 + 5·(−2) = −23

Länge von b

|b| = √(5² + 4² + (−2)²) = 6,708

Skalare Projektion

compb a = a·b/|b| = −23/6,708 = −3,429

Antwort

compb a = −3,429

Negativ: a hat eine Komponente, die entgegen b zeigt.

2.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: V = 24

Cross product: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is MO = r × F, with r = A − O.

Kreuzprodukt b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = (−2)·5 − (−2)·2 = −6
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−2)·5 − 4·5 = −30
(b × c)z = bxcy − bycx = 4·2 − (−2)·5 = 18

Skalarprodukt mit a

a·(b × c) = 2·(−6) + 0·(−30) + 2·18 = 24
V = |24| = 24

Antwort

V = 24
3.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 37 kN

Statisches Gleichgewicht: Für einen ruhenden Körper gilt ΣFx = 0, ΣFy = 0 und ΣM = 0 um jeden Punkt. Bildet man die Momente um ein Auflager, fällt dessen Auflagerkraft aus der Gleichung heraus.

P1​ = 45 kNP2​ = 20 kNABRA​RB​2 m0,5 m2,5 m

Freikörperbild

Ersetze die Lager durch Auflagerkräfte. Ein Loslager gibt eine vertikale Kraft; bei nur vertikalen Lasten gibt auch das Festlager nur eine vertikale Kraft.

Gleichgewicht

Momente um A, gegen den Uhrzeigersinn positiv. Dann das Kräftegleichgewicht in vertikaler Richtung.

ΣMA = 0: RB·5 = 45·2 + 20·2,5
RB = 140/5 = 28 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 28 = 37 kN

Antwort

RA = 37 kN
4.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RB = 20,5 kN

Statisches Gleichgewicht: Für einen ruhenden Körper gilt ΣFx = 0, ΣFy = 0 und ΣM = 0 um jeden Punkt. Bildet man die Momente um ein Auflager, fällt dessen Auflagerkraft aus der Gleichung heraus.

w = 6 kN/mP = 25 kNABRA​RB​3 m2 m1 m

Freikörperbild

Ersetze die Lager durch Auflagerkräfte. Ein Loslager gibt eine vertikale Kraft; bei nur vertikalen Lasten gibt auch das Festlager nur eine vertikale Kraft.

Gleichgewicht

Momente um A, gegen den Uhrzeigersinn positiv. Dann das Kräftegleichgewicht in vertikaler Richtung.

Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 6·2 = 12 kN, angreifend bei x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·6 = 25·3 + 6·2·4
RB = 123/6 = 20,5 kN
ΣFy = 0: RA = 37 − 20,5 = 16,5 kN

Antwort

RB = 20,5 kN
5.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: Stab CG

Nullstäbe: An einem Knoten müssen sich die Kräfte in jeder Richtung ausgleichen. Hat ein Knoten keine Last und kein Auflager und liegen zwei seiner drei Stäbe in einer Linie, dann betrifft das Gleichgewicht quer zu dieser Linie nur den dritten Stab, seine Kraft ist also null. Treffen sich an einem unbelasteten Knoten nur zwei Stäbe, die nicht in einer Linie liegen, sind beide null.

Knoten C

BC und CD liegen auf einer Geraden, und der Knoten trägt keine Last. Das Kräftegleichgewicht quer zu dieser Linie lässt nur CG übrig.

ΣF⊥ = 0 → FCG = 0

Mit dem Knotenpunktverfahren prüfen

Die Lösung aller Knoten ergibt diese Stabkräfte (T = Zug, C = Druck).

AB: 27,5 kN (T), BC: 55 kN (T), CD: 55 kN (T), DE: 47,5 kN (T), FG: 27,5 kN (C), GH: 47,5 kN (C), AF: 38,89 kN (C), HE: 67,18 kN (C), BF: 27,5 kN (T), CG: 0, DH: 47,5 kN (T), BG: 38,89 kN (C), DG: 10,61 kN (C)

Antwort

Nullstab: CG
6.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: FAC = −19 kN

Knotenpunktverfahren: Jeder Knoten eines Fachwerks ist im Gleichgewicht, also gilt an jedem Knoten ΣFx = 0 und ΣFy = 0. Beginne an einem Knoten mit höchstens zwei unbekannten Stabkräften. Ein negatives Ergebnis bedeutet, dass der Stab auf Druck beansprucht ist.

ABBCACACB25 kN30 kNAy​Cy​Ax​

Auflagerkräfte

Gleichgewicht des ganzen Fachwerks. Momente um A, gegen den Uhrzeigersinn positiv.

ΣMA = 0: Cy·5 = 25·1 − 30·4 → Cy = −19 kN
ΣFy = 0: Ay = 25 − −19 = 44 kN
ΣFx = 0: Ax = 30 kN

Knoten C

Das Loslager gibt nur eine vertikale Kraft, daher hat Knoten C nur zwei unbekannte Stabkräfte. Nimm beide als Zug an.

sin γ = 4/5,657 = 0,7071, cos γ = 4/5,657 = 0,7071
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −−19/0,7071 = 26,87 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(26,87)·0,7071 = −19 kN

Antwort

FAC = −19 kN (Druck)
7.Rahmen und Maschinen

Antwort: T = 1,406 kN

Rahmen und Maschinen: Anders als ein Fachwerk enthält ein Rahmen mindestens ein Bauteil, das Kräfte an mehr als zwei Punkten trägt oder eine Last zwischen seinen Gelenken. Suche zuerst die Zweikraftstäbe: Bei einem nur an zwei Gelenken belasteten Bauteil liegt die Kraft auf der Geraden durch diese, es bringt also eine Unbekannte, nicht zwei. Verwende dann das gesamte Tragwerk für die Auflagerkräfte, wenn es höchstens drei Unbekannte gibt. Zerlege schließlich den Rahmen: Zeichne jedes Bauteil einzeln, mit gleich großen, entgegengesetzten Gelenkkräften auf den beiden Bauteilen, die sie verbinden, und schreibe ΣFx = 0, ΣFy = 0 und ΣM = 0 dafür auf. Bildet man die Momente um ein Gelenk, fallen beide Komponenten der Gelenkkraft aus der Gleichung.

Ganzer Rahmen: Momente um A

By = 6·0,75/6 = 0,75 kN

Schenkel BC: Momente um C

0,75·3 = T·1,6
T = 1,406 kN

Antwort

T = 1,406 kN
8.Rahmen und Maschinen

Antwort: F = 267,3 N

Maschinen: Zangen, Hebel, Gestänge und Zwingen setzen eine Eingangskraft in eine größere oder anders gerichtete Ausgangskraft um. Zeichne ein Teil als Freikörper und bilde die Momente um seinen Drehpunkt: Die Gelenkkraft fällt heraus, und Fin·a = Fout·b liefert die Kraftübersetzung a/b. Die Gelenkkraft folgt dann aus ΣF = 0 am selben Teil. In einem Kniehebel treffen sich zwei Lenker unter einem flachen Winkel θ; jeder Lenker ist ein Zweikraftstab, sodass eine kleine Kraft F am Gelenk große Lenkerkräfte F/(2 sin θ) und eine Klemmkraft F/(2 tan θ) erzeugt.

Lenkerwinkel

sin θ = 10/150 = 0,06667, θ = 3,823°

Lenkerkraft

Flink = Q/cos θ = 2004 N

Kraft in B

F = 2·Flink·sin θ = 2·2000·tan θ = 267,3 N

Antwort

F = 267,3 N
9.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mx = −66,75 kN·m

Schnittverfahren: Schneide den Balken dort, wo du die Schnittgrößen brauchst, und behalte eine Seite. Die Querkraft V hält den vertikalen Kräften dieser Seite das Gleichgewicht, das Biegemoment M ihren Momenten um den Schnitt.

Den Teil mit dem freien Ende behalten

P: −40·1,5 = −60 kN·m
w: −6·1,5²/2 = −6,75 kN·m
Mx = −60 − 6,75 = −66,75 kN·m

Antwort

Mx = −66,75 kN·m

Negativ bedeutet Zug an der Oberseite.

10.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mx = 49,5 kN·m

Schnittverfahren: Schneide den Balken dort, wo du die Schnittgrößen brauchst, und behalte eine Seite. Die Querkraft V hält den vertikalen Kräften dieser Seite das Gleichgewicht, das Biegemoment M ihren Momenten um den Schnitt.

Auflagerkräfte

Gleichgewicht des ganzen Balkens.

Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 3·4 = 12 kN, angreifend bei x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 60·3 + 3·4·2
RB = 204/4 = 51 kN
ΣFy = 0: RA = 72 − 51 = 21 kN
w = 3 kN/mP = 60 kNABRA​ = 21RB​ = 51Schnitt3 m1 m

Schnitt bei x = 3 m, linken Teil behalten

Nur Kräfte links vom Schnitt erscheinen. Ein Abschnitt der Streckenlast wirkt als eine Kraft in der Mitte dieses Abschnitts.

M = RA·x − (jede Last links vom Schnitt × ihr Abstand zum Schnitt)
Mx = 21·3 − 3·3·1,5 = 49,5 kN·m

Antwort

Mx = 49,5 kN·m
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 113,7 × 10⁶ mm⁴

Querschnitte mit Löchern: Behandle ein Loch als negative Fläche. Der Flächenschwerpunkt ist ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), mit A₁, y₁ für die volle Platte und A₂, y₂ für das Loch. Verwende für das Flächenträgheitsmoment um die Schwerachse für jeden Teil den Satz von Steiner und subtrahiere das Loch: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), wobei d der Abstand vom eigenen Schwerpunkt jedes Teils zur Achse durch ȳ ist. Ein Rechteck hat Ic = bh³/12 und ein Kreis Ic = πd⁴/64.

Schwerpunkt

ȳ = (24000·120 − 1963·144)/(24000 − 1963) = 117,9 mm

Volle Platte um ȳ

100·240³/12 + 24000·2,138² = 115,3 × 10⁶ mm⁴

Loch um ȳ

π·50⁴/64 + 1963·26,14² = 1,648 × 10⁶ mm⁴

Subtrahieren

Ix = 113,7 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 113,7 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 41,26 × 10⁶ mm⁴

Querschnitte mit Löchern: Behandle ein Loch als negative Fläche. Der Flächenschwerpunkt ist ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), mit A₁, y₁ für die volle Platte und A₂, y₂ für das Loch. Verwende für das Flächenträgheitsmoment um die Schwerachse für jeden Teil den Satz von Steiner und subtrahiere das Loch: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), wobei d der Abstand vom eigenen Schwerpunkt jedes Teils zur Achse durch ȳ ist. Ein Rechteck hat Ic = bh³/12 und ein Kreis Ic = πd⁴/64.

Schwerpunkt

ȳ = (22500·75 − 1500·97,5)/(22500 − 1500) = 73,39 mm

Volle Platte um ȳ

150·150³/12 + 22500·1,607² = 42,25 × 10⁶ mm⁴

Loch um ȳ

50·30³/12 + 1500·24,11² = 0,9842 × 10⁶ mm⁴

Subtrahieren

Ix = 41,26 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 41,26 × 10⁶ mm⁴

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