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 den Winkel θ zwischen den Vektoren a = (5, 2, 4) und b = (−5, −1, 0) in Grad.

a = (5, 2, 4)b = (−5, −1, 0)
θ = °
2.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
xyzabc

Bestimme das Volumen V des Spats (Parallelepipeds), dessen Kanten von einer Ecke aus a = (−1, −4, −5), b = (4, 0, −3) und c = (4, 2, 3) sind.

a = (−1, −4, −5)b = (4, 0, −3)c = (4, 2, 3)
V =
3.Auflagerkräfte am BalkenMittel
P1​ = 70 kNP2​ = 50 kNABCRA​ = ?0,5 m2 m1,5 m

Der Balken hat in A ein Festlager und in B, 2,5 m von A entfernt, ein Loslager und kragt über B bis zum freien Ende C aus. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RA, nach oben positiv.

AB = 2,5 mAC = 4 mP1 = 70 kN bei 0,5 mP2 = 50 kN bei 4 m
RA = kN
4.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 3 kN/mP = 25 kNABRA​ = ?RB​1 m3 m6 m

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

L = 10 mP = 25 kN bei 1 mw = 3 kN/m von 4 bis 10 m
RA = kN
5.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABBCACACB60 kN5 m4 m3 m

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

Spannweite = 5 mHöhe = 3 mB liegt 4 m von A entferntvertikale Last = 60 kN
FBC = kN
6.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
ABBCACACB25 kN5 kN4 m1 m4 m

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

Spannweite = 4 mHöhe = 4 mB liegt 1 m von A entferntvertikale Last = 25 kNhorizontale Last = 5 kN ←
FAC = kN
7.Rahmen und MaschinenMittel
400 NQ = ?12°ABC

Im gezeigten Kniehebelspanner sind zwei gleich lange Lenker AB und BC in B gelenkig verbunden, und jeder bildet 12° mit der Linie AC. In B wirkt eine nach unten gerichtete Kraft von 400 N. Der Schieber C drückt auf ein Werkstück. Bestimme ohne Reibung und Gewichte die horizontale Klemmkraft Q.

F = 400 Nθ = 12°
Q = N
8.Rahmen und MaschinenSchwer
12 kN0,5 kN3 m3 mABC

Ein gleichmäßiger horizontaler Ausleger AB mit dem Gewicht 0,5 kN ist in A gelenkig an einer Wand befestigt und wird von einem Seil gehalten, das von B zum Punkt C an der Wand, 3 m über A, führt. In B hängt eine Last von 12 kN. Bestimme den Betrag der Gelenkreaktion A.

W = 12 kNWb = 0,5 kNAB = 3 mAC = 3 m
A = kN
9.Querkraft und BiegemomentMittel
w = 3 kN/mABSchnitt1,5 m8,5 m

Bestimme das Biegemoment Mx im Schnitt x = 1,5 m vom Auflager A. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.

L = 10 mw = 3 kN/m von 0 bis 10 mx = 1,5 m
Mx = kN·m
10.Querkraft und BiegemomentSchwer
w = 3 kN/mP = 40 kNABSchnitt0,5 m1 m4,5 m

Bestimme das Biegemoment Mx im Schnitt x = 0,5 m vom Auflager A. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.

L = 6 mP = 40 kN bei 1,5 mw = 3 kN/m von 0 bis 6 mx = 0,5 m
Mx = kN·m
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
30080t = 12ȳ = ?Maße in mm

Ein U-Profil liegt mit der offenen Seite nach oben: eine Bodenplatte von 300 mm Breite mit zwei senkrechten Schenkeln, insgesamt 80 mm hoch. Boden und Schenkel sind alle 12 mm dick. Bestimme die Höhe ȳ des Schwerpunkts über der Unterkante.

b = 300 mmh = 80 mmt = 12 mm
ȳ = mm
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
1704001612xM = 60 kN·mMaße in mm

Ein symmetrischer I-Querschnitt hat Flansche mit 170 mm Breite und 16 mm Dicke, eine Gesamthöhe von 400 mm und einen Steg mit 12 mm Dicke. Er überträgt ein Biegemoment von 60 kN·m um die Achse x. Bestimme den Betrag der Biegespannung σj am Übergang vom Steg zum Obergurt.

B = 170 mmH = 400 mmtf = 16 mmtw = 12 mmM = 60 kN·m
σj = MPa

3Lösungen

1.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: θ = 142,1 °

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 = 5·(−5) + 2·(−1) + 4·0 = −27

Beträge

|a| = √(5² + 2² + 4²) = 6,708
|b| = √((−5)² + (−1)² + 0²) = 5,099

Winkel

cos θ = −27/(6,708·5,099) = −0,7894
θ = arccos(−0,7894) = 142,1°

Antwort

θ = 142,1°
2.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: V = 50

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 = 0·3 − (−3)·2 = 6
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−3)·4 − 4·3 = −24
(b × c)z = bxcy − bycx = 4·2 − 0·4 = 8

Skalarprodukt mit a

a·(b × c) = (−1)·6 + (−4)·(−24) + (−5)·8 = 50
V = |50| = 50

Antwort

V = 50
3.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 26 kN

Statisches Gleichgewicht: Für einen ruhenden Körper gilt ΣFx = 0, ΣFy = 0 und ΣM = 0 um jeden Punkt. Ersetze jede Streckenlast durch ihre Resultierende (ihre Fläche), die im Schwerpunkt der Lastfigur angreift, und bilde die Momente um ein Auflager, damit dessen Auflagerkraft aus der Gleichung herausfällt.

Momente um A

Gegen den Uhrzeigersinn positiv.

ΣMA = 0: RB·2,5 = 70·0,5 + 50·4
RB = 235/2,5 = 94 kN

Vertikales Gleichgewicht

RA = 70 + 50 − 94 = 26 kN

Antwort

RA = 26 kN
4.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 27,9 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 = 3 kN/mP = 25 kNABRA​RB​1 m3 m6 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 = 3·6 = 18 kN, angreifend bei x̄ = 7 m
ΣMA = 0: RB·10 = 25·1 + 3·6·7
RB = 151/10 = 15,1 kN
ΣFy = 0: RA = 43 − 15,1 = 27,9 kN

Antwort

RA = 27,9 kN
5.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: FBC = −50,6 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.

ABBCACACB60 kNAy​Cy​

Auflagerkräfte

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

ΣMA = 0: Cy·5 = 60·4 → Cy = 48 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 48 = 12 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 = 3/3,162 = 0,9487, cos γ = 1/3,162 = 0,3162
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −48/0,9487 = −50,6 kN

Antwort

FBC = −50,6 kN (Druck)
6.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: FAC = 0,9375 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 kN5 kNAy​Cy​Ax​

Auflagerkräfte

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

ΣMA = 0: Cy·4 = 25·1 − 5·4 → Cy = 1,25 kN
ΣFy = 0: Ay = 25 − 1,25 = 23,75 kN
ΣFx = 0: Ax = 5 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 = 0,8, cos γ = 3/5 = 0,6
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −1,25/0,8 = −1,563 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−1,563)·0,6 = 0,9375 kN

Antwort

FAC = 0,9375 kN (Zug)
7.Rahmen und Maschinen

Antwort: Q = 940,9 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.

Gleichgewicht am Gelenk B

2·Flink·sin 12° = 400
Flink = 961,9 N

Klemmkraft

Q = Flink·cos 12° = 400/(2·tan 12°) = 940,9 N

Antwort

Q = 940,9 N

Das Kraftverhältnis Q/F = 2,352 wächst unbegrenzt, wenn sich die Lenker strecken.

8.Rahmen und Maschinen

Antwort: A = 12,25 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.

Seilkraft

T = (12 + 0,5/2)/0,7071 = 17,32 kN

Komponenten in A

Ax = T·cos β = 12,25 kN
Ay = 12 + 0,5 − T·sin β = 0,25 kN

Betrag

A = √(12,25² + 0,25²) = 12,25 kN

Antwort

A = 12,25 kN
9.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mx = 19,13 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 = 3·10 = 30 kN, angreifend bei x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 3·10·5
RB = 150/10 = 15 kN
ΣFy = 0: RA = 30 − 15 = 15 kN
w = 3 kN/mABRA​ = 15RB​ = 15Schnitt1,5 m8,5 m

Schnitt bei x = 1,5 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 = 15·1,5 − 3·1,5·0,75 = 19,13 kN·m

Antwort

Mx = 19,13 kN·m
10.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mx = 19,13 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 = 3·6 = 18 kN, angreifend bei x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 40·1,5 + 3·6·3
RB = 114/6 = 19 kN
ΣFy = 0: RA = 58 − 19 = 39 kN
w = 3 kN/mP = 40 kNABRA​ = 39RB​ = 19Schnitt0,5 m1 m4,5 m

Schnitt bei x = 0,5 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 = 39·0,5 − 3·0,5·0,25 = 19,13 kN·m

Antwort

Mx = 19,13 kN·m
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: ȳ = 18,48 mm

Zusammengesetzte Flächen: Teile den Querschnitt in Rechtecke. Der Schwerpunkt ist der flächengewichtete Mittelwert ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Das Flächenträgheitsmoment um die Schwerachse addiert für jeden Teil sein eigenes bh³/12 und seinen Steiner-Anteil A·d², wobei d der Abstand vom Teilschwerpunkt zum Gesamtschwerpunkt ist. Die Biegespannung ist σ = M·y/I.

In Rechtecke aufteilen

Nimm den Boden über die ganze Breite und die beiden Schenkel darüber (Höhe h − t), damit nichts doppelt gezählt wird.

Grundlage: A1 = 300·12 = 3600 mm², y1 = 6 mm
zwei Schenkel: A2 = 2·12·68 = 1632 mm², y2 = 12 + 68/2 = 46 mm

Schwerpunkt

ȳ = (3600·6 + 1632·46)/5232 = 18,48 mm

Antwort

ȳ = 18,48 mm
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: σj = 44,07 MPa

Zusammengesetzte Flächen: Teile den Querschnitt in Rechtecke. Der Schwerpunkt ist der flächengewichtete Mittelwert ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Das Flächenträgheitsmoment um die Schwerachse addiert für jeden Teil sein eigenes bh³/12 und seinen Steiner-Anteil A·d², wobei d der Abstand vom Teilschwerpunkt zum Gesamtschwerpunkt ist. Die Biegespannung ist σ = M·y/I.

Außenrechteck minus die beiden seitlichen Aussparungen

Beide Aussparungen zusammen sind (B − tw) breit und hw = H − 2tf hoch und haben die Achse x gemeinsam.

hw = 400 − 2·16 = 368 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (170·400³ − 158·368³)/12
Ix = 2,505 × 10⁸ mm⁴

Biegespannung

y = 200 − 16 = 184 mm
σ = M·y/I = 6 × 10⁷·184/2,505 × 10⁸ = 44,07 MPa

Antwort

σj = 44,07 MPa

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