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 = (−6, −2, 4) auf b = (5, −1, −3), also die Komponente von a in Richtung von b.

a = (−6, −2, 4)b = (5, −1, −3)
compb a =
2.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
xyzrFOA

Eine Kraft F = (−30, −30, −30) N wirkt im Punkt A(0, 4, −2). Die Koordinaten sind in Metern angegeben. Bestimme die y-Komponente My des Moments der Kraft bezüglich den Ursprung O(0, 0, 0).

F = (−30, −30, −30) NA(0, 4, −2) mO(0, 0, 0) m
My = N·m
3.Auflagerkräfte am BalkenMittel
P1​ = 60 kNP2​ = 10 kNABCRB​ = ?1,5 m1 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 RB, nach oben positiv.

AB = 2,5 mAC = 4 mP1 = 60 kN bei 1,5 mP2 = 10 kN bei 4 m
RB = kN
4.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 6 kN/mP = 10 kNABCRA​ = ?2 m5 m3 m

Der Balken hat in A ein Festlager und in B, 7 m von A entfernt, ein Loslager und kragt über B bis zum freien Ende C aus. Er trägt eine Einzellast P im Abstand 2 m von A und eine Gleichstreckenlast w von 7 m bis zum freien Ende bei 10 m. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RA, nach oben positiv.

AB = 7 mAC = 10 mP = 10 kN bei 2 mw = 6 kN/m von 7 bis 10 m
RA = kN
5.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABBCACACB10 kN4 m3 m2 m

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

Spannweite = 4 mHöhe = 2 mB liegt 3 m von A entferntvertikale Last = 10 kN
FBC = kN
6.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
ABBCACACB30 kN10 kN6 m4 m2 m

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

Spannweite = 6 mHöhe = 2 mB liegt 4 m von A entferntvertikale Last = 30 kNhorizontale Last = 10 kN →
FBC = kN
7.Rahmen und MaschinenMittel
OAB120 NQ200 mm150 mmFO​ = ?

Der gezeigte Winkelhebel dreht sich um das Gelenk O. Eine vertikale Kraft von 120 N in A (200 mm von O entfernt) wird durch eine horizontale Kraft in B (150 mm über O) im Gleichgewicht gehalten. Bestimme den Betrag der Gelenkreaktion FO.

F = 120 NOA = 200 mmOB = 150 mm
FO = N
8.Rahmen und MaschinenSchwer
w = 4 kN/m10 kN2 m0,5 m1,2 mABCD

Der Balken AB der gezeigten Wandkonsole ist in A gelenkig gelagert und wird von der Strebe CD abgestützt (C liegt 1,2 m unter A). Der Balken trägt über seine ganze Länge eine Streckenlast von 4 kN/m und an seinem freien Ende B eine Einzellast von 10 kN. Bestimme die Kraft FCD in der Strebe.

w = 4 kN/mP = 10 kNAD = 2 mAB = 2,5 mAC = 1,2 m
FCD = kN
9.Querkraft und BiegemomentMittel
6 kN/m55 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 m

Die Markierungen A bis G teilen den Balken in sechs gleiche Teile. An welcher Markierung ist das Biegemoment betragsmäßig am größten, positiv oder negativ? Klicke sie im Diagramm an.

55 kN @ 6 m6 kN/m, 4–10 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
10.Querkraft und BiegemomentSchwer
w = 10 kN/mP = 20 kNABSchnitt1 m1 m3 m

Bestimme das Biegemoment Mx im Schnitt x = 2 m vom Auflager A. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.

L = 5 mP = 20 kN bei 1 mw = 10 kN/m von 0 bis 5 mx = 2 m
Mx = kN·m
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
2401530012xMaße in mm

Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix des T-Querschnitts um die waagerechte Achse x durch seinen Schwerpunkt.

bf = 240 mmtf = 15 mmtw = 12 mmhw = 300 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
100 mm150 mm105 mm30 × 20xIx​ = ?

Eine Platte von 100 mm × 150 mm hat einen rechteckigen Ausschnitt von 30 mm Breite und 20 mm Höhe, der auf der vertikalen Mittellinie sitzt und dessen Mittelpunkt 105 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.

b = 100 mmh = 150 mmAusschnitt: 30 × 20 mmLochmittelpunkt: y = 105 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴

3Lösungen

1.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: compb a = −6,761

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 = (−6)·5 + (−2)·(−1) + 4·(−3) = −40

Länge von b

|b| = √(5² + (−1)² + (−3)²) = 5,916

Skalare Projektion

compb a = a·b/|b| = −40/5,916 = −6,761

Antwort

compb a = −6,761

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

2.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: My = 60 N·m

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.

Ortsvektor von O nach A

r = A − O = (0, 4, −2) − (0, 0, 0) = (0, 4, −2) m

Moment M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 4·(−30) − (−2)·(−30) = −180 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−2)·(−30) − 0·(−30) = 60 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 0·(−30) − 4·(−30) = 120 N·m

Gesuchte Komponente

My = 60 N·m

Antwort

My = 60 N·m
3.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RB = 52 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 = 60·1,5 + 10·4
RB = 130/2,5 = 52 kN

Vertikales Gleichgewicht

RA = 60 + 10 − 52 = 18 kN

Antwort

RB = 52 kN
4.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 3,286 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.

Resultierende der Streckenlast

W = 6·3 = 18 kN, x̄ = (7 + 10)/2 = 8,5 m

Gleichgewicht

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

ΣMA = 0: RB·7 = 10·2 + 18·8,5
RB = 173/7 = 24,71 kN
RA = 28 − 24,71 = 3,286 kN

Antwort

RA = 3,286 kN
5.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: FBC = −8,385 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.

ABBCACACB10 kNAy​Cy​

Auflagerkräfte

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

ΣMA = 0: Cy·4 = 10·3 → Cy = 7,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 10 − 7,5 = 2,5 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 = 2/2,236 = 0,8944, cos γ = 1/2,236 = 0,4472
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −7,5/0,8944 = −8,385 kN

Antwort

FBC = −8,385 kN (Druck)
6.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: FBC = −33 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.

ABBCACACB30 kN10 kNAy​Cy​Ax​

Auflagerkräfte

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

ΣMA = 0: Cy·6 = 30·4 + 10·2 → Cy = 23,33 kN
ΣFy = 0: Ay = 30 − 23,33 = 6,667 kN
ΣFx = 0: Ax = −10 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 = 2/2,828 = 0,7071, cos γ = 2/2,828 = 0,7071
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −23,33/0,7071 = −33 kN

Antwort

FBC = −33 kN (Druck)
7.Rahmen und Maschinen

Antwort: FO = 200 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.

Kraft in B

Q = 120·200/150 = 160 N

Gelenkreaktion

Ox = 160 N, Oy = 120 N
FO = √(160² + 120²) = 200 N

Antwort

FO = 200 N
8.Rahmen und Maschinen

Antwort: FCD = 36,44 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.

Resultierende der Streckenlast

w·L = 4·2,5 = 10 kN bei 1,25 m

Momente um A für den Balken

FCD·0,5145·2 = 10·1,25 + 10·2,5 = 37,5 kN·m
FCD = 36,44 kN

Antwort

FCD = 36,44 kN
9.Querkraft und Biegemoment

Antwort: D (x = 6 m)

Größtes Biegemoment: M ändert seine Steigung überall dort, wo sich die Querkraft ändert, seine Spitzen liegen also dort, wo die Querkraft null kreuzt: unter einer Einzellast, innerhalb einer Streckenlast oder über einem Auflager eines Kragarms. An einer Einspannung eines Kragarms ist das Moment an der Wand am größten. Vergleiche die Größe von M an diesen Stellen, positiv oder negativ.

Auflagerkräfte

Bilde Momente um ein Auflager und verwende dann das vertikale Kräftegleichgewicht.

R1 = 42,5 kN, R2 = 48,5 kN

Biegemoment an jeder Markierung

Summiere die Momente aller Kräfte auf einer Seite des Schnitts. Positiv ist ein durchhängendes Moment, negativ ein aufwölbendes.

MA = 0, MB = 85, MC = 170, MD = 243 kN·m, ME = 182, MF = 97, MG = 0

Antwort

Markierung D: MD = 243 kN·m
10.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mx = 42 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 = 10·5 = 50 kN, angreifend bei x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 20·1 + 10·5·2,5
RB = 145/5 = 29 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 29 = 41 kN
w = 10 kN/mP = 20 kNABRA​ = 41RB​ = 29Schnitt1 m1 m3 m

Schnitt bei x = 2 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 = 41·2 − 20·(2 − 1) − 10·2·1 = 42 kN·m

Antwort

Mx = 42 kN·m
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 71,72 × 10⁶ mm⁴

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 zwei Rechtecke teilen

Miss jedes y von der Unterkante aus.

Flansch: Af = 240·15 = 3600 mm², yf = 300 + 15/2 = 307,5 mm
Steg: Aw = 12·300 = 3600 mm², yw = 300/2 = 150 mm

Schwerpunkt

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (3600·307,5 + 3600·150)/7200 = 228,8 mm

Satz von Steiner

Flansch: 240·15³/12 + 3600·(307,5 − 228,8)² = 2,239 × 10⁷ mm⁴
Steg: 12·300³/12 + 3600·(150 − 228,8)² = 4,933 × 10⁷ mm⁴
Ix = 2,239 × 10⁷ + 4,933 × 10⁷ = 7,172 × 10⁷ mm⁴ = 71,72 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 71,72 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 27,54 × 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 = (15000·75 − 600·105)/(15000 − 600) = 73,75 mm

Volle Platte um ȳ

100·150³/12 + 15000·1,25² = 28,15 × 10⁶ mm⁴

Loch um ȳ

30·20³/12 + 600·31,25² = 0,6059 × 10⁶ mm⁴

Subtrahieren

Ix = 27,54 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 27,54 × 10⁶ mm⁴

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