Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation: Übungsaufgaben mit Schritt-für-Schritt-Lösungen

Auch genannt: Mohrscher Kreis · Hauptspannungen · ebener Spannungszustand

Kostenlose Übungsaufgaben zu Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation mit Skizzen, Tipps und vollständigen Musterlösungen. Jedes Mal neue Werte, in drei Stufen: Hauptspannungen, maximale Schubspannung und Hauptrichtung, Spannung in einem geneigten Schnitt.

Kostenlose ÜbungsaufgabeLeicht
σx​ = 90σy​ = −20MPaHauptspannungselement

In einem Punkt eines belasteten Bauteils betragen die Hauptspannungen in der Ebene σ₁ = 90 MPa und σ₂ = −20 MPa (Zug positiv). Bestimme die Normalspannung σavg, die in den Ebenen der maximalen Schubspannung in der Ebene wirkt.

σ1 = 90 MPaσ2 = −20 MPa
MPa
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Was du übst

  1. LeichtHauptspannungen
  2. Mittelmaximale Schubspannung und Hauptrichtung
  3. SchwerSpannung in einem geneigten Schnitt

So löst du Aufgaben zu Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation

  1. Berechne den Mittelpunkt des Mohrschen Kreises: C = (σx + σy)/2.
  2. Berechne den Radius: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Die Hauptspannungen sind C ± R, und die größte Schubspannung in der Ebene ist R.
  4. Winkel im Kreis sind doppelt so groß wie die Winkel am Element: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Häufige Fehler

  • In den Transformationsgleichungen θ statt 2θ verwenden.
  • (σx − σy)/2 und τxy addieren, statt sie mit dem Satz des Pythagoras zu kombinieren.
  • Die Vorzeichenkonvention für die Schubspannung falsch anwenden.

Wichtige Formeln

Mittelpunkt
C = (σx + σy)/2
Radius
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Hauptspannungen
σ1,2 = C ± R
Hauptrichtung
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Geneigter Schnitt
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation von Grund auf lernen

Davor: Normalspannung und Dehnung

1Warum die Spannung von der Richtung abhängt

In der Lektion zur Axialbelastung war die Spannung eine einzige Zahl: Kraft pro Fläche. Aber die Spannung an einem Punkt hängt von der Richtung des Schnitts ab, den du betrachtest.

Verdrehe ein Stück Kreide, bis es bricht. Es bricht entlang einer Spirale unter 45°, nicht gerade quer. In dieser 45°-Ebene ist die Zugspannung am größten, und Kreide ist gegen Zug schwach.

Um die Spannung an einem Punkt zu beschreiben, zeichnen Ingenieure ein winziges Quadrat, das Spannungselement, mit den Spannungen auf seinen Flächen:

σx​σy​τxy​xy
  • σx und σy sind Normalspannungen, senkrecht zu den Flächen. Positiv bedeutet Zug (Pfeile zeigen nach außen), negativ bedeutet Druck.
  • τxy ist die Schubspannung, entlang der Flächen. Sie versucht, das Quadrat zu einer Raute zu verformen.

Drehst du das Quadrat, ändern sich die Spannungen auf seinen Flächen. Diese Lektion zeigt, wie du sie für jede Richtung bestimmst und welche Richtungen die gefährlichsten sind.

Selbsttest An einem Punkt ist σx = −40 MPa. Was bedeutet das?
  1. Ein Druck von 40 MPa in x-Richtung
  2. Ein Druck von 40 MPa in y-Richtung
  3. Ein Zug von 40 MPa in x-Richtung
  4. Eine Schubspannung von 40 MPa

Antwort: Ein Druck von 40 MPa in x-Richtung. Nach der üblichen Vorzeichenregel ist Zug positiv, ein negatives σx ist also Druck, der auf die Flächen senkrecht zu x wirkt.

2Mohrscher Spannungskreis

Der Mohrsche Kreis ist ein Bild aller Richtungen auf einmal. Jeder Punkt auf dem Kreis ist ein möglicher Schnitt durch den Punkt im Bauteil.

Trage die Normalspannung σ nach rechts und die Schubspannung τ nach oben auf. Zeichne dann zwei Punkte ein:

  • Punkt x bei (σx, τxy): die Spannungen auf der Fläche senkrecht zu x,
  • Punkt y bei (σy, −τxy): die Spannungen auf der Fläche senkrecht zu y.

Der Kreis geht durch beide Punkte. Sein Mittelpunkt C liegt auf der σ-Achse, genau zwischen ihnen. Sein Radius R folgt aus dem Satz des Pythagoras:

C = (σx + σy) / 2 R = √( ((σx − σy)/2)² + τxy² )
στxyCσ1​σ2​R

Dort, wo der Kreis die σ-Achse schneidet, ist die Schubspannung null. Diese beiden Werte sind die Hauptspannungen, die größte und die kleinste Normalspannung am Punkt. Der höchste Punkt des Kreises ist die größte Schubspannung in der Ebene:

σ1 = C + R σ2 = C − R τmax = R
Selbsttest σx = 50 MPa, σy = 10 MPa und τxy = 15 MPa. Wie groß ist σ1?
  1. 45 MPa
  2. 50 MPa
  3. 55 MPa
  4. 65 MPa

Antwort: 55 MPa. C = 30 MPa und R = √(20² + 15²) = 25 MPa, also σ1 = 55 MPa. 65 addiert 20 + 15, statt den Satz des Pythagoras zu verwenden; 50 ignoriert die Schubspannung.

3Winkel: auf dem Kreis verdoppelt

Drehst du das Element um einen Winkel θ, wandert sein Punkt auf dem Mohrschen Kreis um 2θ in dieselbe Richtung. Gegen den Uhrzeigersinn ist positiv.

Die Richtung von σ1 ist der Winkel θp von der x-Achse und ergibt sich aus:

tan 2θp = 2τxy / (σx − σy)

Achte auf den Quadranten. Ist σx − σy negativ, addiere 180° zu 2θp, wenn τxy > 0 ist, oder subtrahiere 180°, wenn τxy < 0 ist. Halbiere dann.

Die Ebenen der maximalen Schubspannung liegen 45° neben den Hauptrichtungen (90° auf dem Kreis).

Für eine Ebene, deren Normale um θ von der x-Achse gedreht ist, gelten die Spannungen:

σθ = C + (σx − σy)/2 · cos 2θ + τxy · sin 2θ
τθ = −(σx − σy)/2 · sin 2θ + τxy · cos 2θ
Selbsttest An einem Punkt ist tan 2θp = 1 und σx − σy ist positiv. Wie groß ist θp?
  1. 22,5°
  2. 45°
  3. 90°
  4. −67,5°

Antwort: 22,5°. 2θp = 45°, also θp = 22,5°. Die Antwort 45° vergisst, den Winkel vom Kreis zu halbieren. −67,5° ist die Richtung von σ2, 90° daneben.

4Das Verfahren Schritt für Schritt

  1. Schreibe σx, σy und τxy mit ihren Vorzeichen auf: Zug positiv, Druck negativ.
  2. Bestimme den Mittelpunkt C = (σx + σy)/2.
  3. Bestimme den Radius R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  4. Hauptspannungen: σ1 = C + R und σ2 = C − R. Größte Schubspannung in der Ebene: τmax = R.
  5. Richtungen: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy), den Quadranten prüfen, dann halbieren.
  6. Für eine gegebene Ebene θ: Verwende die Gleichungen für σθ und τθ mit 2θ.

Eine kurze Skizze des Kreises, auch eine grobe, zeigt dir die Vorzeichen und welcher Punkt σ1 ist.

5Ein durchgerechnetes Beispiel

Folge jedem Schritt. Versuche, den nächsten vorherzusagen, bevor du ihn öffnest.

Durchgerechnetes Beispiel

Ein Punkt hat σx = 80 MPa, σy = 20 MPa und τxy = 40 MPa. Bestimme die Hauptspannungen, τmax, die Richtung θp von σ1 und die Normalspannung auf einer um 45° gegen den Uhrzeigersinn gedrehten Ebene.

1

Das Element betrachten

xy

Beide Normalspannungen sind Zug. Die Schubspannung ist positiv.

2

Mittelpunkt und Radius

C = (80 + 20) / 2 = 50 MPa
R = √(30² + 40²) = 50 MPa
3

Hauptspannungen und maximale Schubspannung

στxyCσ1​σ2​τmax​ = R
σ1 = 50 + 50 = 100 MPa σ2 = 50 − 50 = 0 MPa
τmax = R = 50 MPa
4

Hauptrichtung

tan 2θp = 2 · 40 / (80 − 20) = 1,333

σx − σy ist positiv, es ist also keine Korrektur nötig: 2θp = 53,1° und θp = 26,6° gegen den Uhrzeigersinn von x aus.

5

Um 45° gedrehte Ebene

Mit θ = 45° ist 2θ = 90°: cos 2θ = 0 und sin 2θ = 1.

σθ = 50 + 30 · 0 + 40 · 1 = 90 MPa
6

Antwort prüfen

Die Summe σx + σy = 100 MPa ist gleich σ1 + σ2 = 100 MPa. Diese Summe ist bei jeder Drehung gleich, sie ist also eine schnelle Kontrolle.

Außerdem liegen 90 MPa zwischen σ2 = 0 und σ1 = 100 MPa, wie es bei jeder Normalspannung sein muss.

Antwort

σ1 = 100 MPa, σ2 = 0, τmax = 50 MPa, θp = 26,6° und σ45° = 90 MPa.

6Häufige Fehler

  • (σx − σy)/2 und τxy direkt addieren. Der Radius verbindet sie mit dem Satz des Pythagoras.
  • θ statt 2θ in den Transformationsgleichungen verwenden oder vergessen, den am Kreis abgelesenen Winkel zu halbieren.
  • Ein Minuszeichen weglassen: Eine Druckspannung muss als negative Zahl eingesetzt werden.
  • Punkt y bei (σy, +τxy) einzeichnen. Er liegt bei −τxy, auf der entgegengesetzten Seite des Mittelpunkts von x.
  • Den Quadranten von 2θp übersehen, wenn σx < σy ist.
Selbsttest σx = 60 MPa, σy = 0 und τxy = 40 MPa. Wie groß ist die maximale Schubspannung in der Ebene?
  1. 30 MPa
  2. 40 MPa
  3. 50 MPa
  4. 70 MPa

Antwort: 50 MPa. τmax = R = √(30² + 40²) = 50 MPa. 70 addiert 30 + 40; 30 ignoriert die Schubspannung; 40 ist nur τxy.

7So sehen Prüfungsaufgaben aus

  • Leicht: Hauptspannungen. Bestimme aus σx, σy und τxy die Spannung σ1 oder σ2. Varianten: reiner Schub oder ein Zugstab, der unter einem Winkel geschnitten wird.
  • Mittel: maximale Schubspannung und Hauptrichtung. Bestimme τmax = R oder den Winkel θp zwischen −90° und 90°.
  • Schwer: Spannung auf einer geneigten Ebene. Verwende die Gleichung für σθ oder τθ mit 2θ. Varianten kombinieren Axiallast und Torsion oder verwenden die Hauptspannungen in einem Versagensnachweis wie von Mises oder Tresca.

Schreibe zuerst C und R auf. Fast jede Frage in diesem Thema lässt sich mit diesen beiden Zahlen beantworten.

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Beispielaufgaben

Beispiel 1Leicht
σx​ = 30σy​ = 50τxy​MPa

In einem Punkt gilt σₓ = 30 MPa und σᵧ = 50 MPa, dazu eine gewisse Schubspannung. An einem um 30° gedrehten Element beträgt die Normalspannung in der gedrehten x′-Richtung 87 MPa. Bestimme die Normalspannung σy′ in der gedrehten y′-Richtung.

σx = 30 MPaσy = 50 MPaσx′ = 87 MPaθ = 30°

Gesucht: σy′ (MPa)

Tipps anzeigen
  1. Du brauchst weder τₓᵧ noch die Transformationsgleichungen.
  2. Die Summe der Normalspannungen in zwei senkrecht zueinander stehenden Ebenen ist für jede Orientierung gleich (der Mittelpunkt des Mohrschen Kreises bewegt sich nicht).
  3. σₓ + σᵧ = 80 MPa.
Antwort und Schritt-für-Schritt-Lösung anzeigen

Spannungstransformation im ebenen Spannungszustand: In einem um θ gedrehten Schnitt gilt σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Der Mohrsche Spannungskreis zeigt alle Schnitte auf einmal: Sein Mittelpunkt liegt bei C = (σₓ + σᵧ)/2, und sein Radius ist R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Die Hauptspannungen sind C ± R, und die größte Schubspannung in der Ebene ist R.

Erste Spannungsinvariante

Die Punkte x′ und y′ liegen an den entgegengesetzten Enden eines Durchmessers, ihr Mittelwert ist also immer der Mittelpunkt C.

σx′ + σy′ = σx + σy
σy′ = 30 + 50 − 87 = −7 MPa

Antwort

σy′ = −7 MPa
Beispiel 2Mittel
σx​ = 0σy​ = 20τxy​ = −30MPa

An einem Punkt eines belasteten Bauteils gilt σₓ = 0 MPa, σᵧ = 20 MPa und τₓᵧ = −30 MPa (Zug positiv). Bestimme den Winkel θp von der x-Achse zur Richtung der größten Hauptspannung, zwischen −90° und 90°.

σx = 0 MPaσy = 20 MPaτxy = −30 MPa

Gesucht: θp (°)

Tipps anzeigen
  1. Zeichne den Mohrschen Kreis: Punkt x bei (σₓ, τₓᵧ), Punkt y bei (σᵧ, −τₓᵧ), Mittelpunkt C genau dazwischen.
  2. tan 2θp = 2τₓᵧ/(σₓ − σᵧ). Achte auf den Quadranten.
  3. C = 10 MPa, R = 31,62 MPa.
Antwort und Schritt-für-Schritt-Lösung anzeigen

Spannungstransformation im ebenen Spannungszustand: In einem um θ gedrehten Schnitt gilt σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Der Mohrsche Spannungskreis zeigt alle Schnitte auf einmal: Sein Mittelpunkt liegt bei C = (σₓ + σᵧ)/2, und sein Radius ist R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Die Hauptspannungen sind C ± R, und die größte Schubspannung in der Ebene ist R.

στxyCσ1​σ2​

Winkel am Kreis

Punkt x liegt im Mohrschen Kreis unter dem Winkel 2θp zur σ-Achse; der Quadrant ergibt sich aus den Vorzeichen von σₓ − σᵧ und τₓᵧ.

2θp = atan2(2·−30, 0 − 20) = −108,4°

Winkel am Element

θp = −54,22°

Antwort

θp = −54,22°

Positive Winkel zählen gegen den Uhrzeigersinn.

Beispiel 3Schwer
60°D = 500 mm, t = 5 mm, p = 2,5 MPap

Ein dünnwandiger zylindrischer Behälter mit 500 mm Innendurchmesser und 5 mm Wanddicke enthält Gas mit einem Überdruck von 2,5 MPa. Er ist aus Blech gefertigt, das entlang einer schraubenförmigen Naht unter 60° zur Zylinderachse verschweißt ist. Bestimme den Betrag der Schubspannung |τn|, die entlang der Schweißnaht wirkt.

D = 500 mmt = 5 mmp = 2,5 MPaα = 60°

Gesucht: |τn| (MPa)

Tipps anzeigen
  1. Umfangsspannung σh = pr/t, Längsspannung σa = pr/(2t). In der Längs- und Umfangsebene gibt es keine Schubspannung.
  2. Schubspannung entlang der Naht: |τn| = (σh − σa)·sin α·cos α.
  3. σh = 125 MPa, σa = 62,5 MPa.
Antwort und Schritt-für-Schritt-Lösung anzeigen

Spannungstransformation im ebenen Spannungszustand: In einem um θ gedrehten Schnitt gilt σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Der Mohrsche Spannungskreis zeigt alle Schnitte auf einmal: Sein Mittelpunkt liegt bei C = (σₓ + σᵧ)/2, und sein Radius ist R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Die Hauptspannungen sind C ± R, und die größte Schubspannung in der Ebene ist R. Dünnwandiger Zylinder: Umfangsspannung σh = pr/t und Längsspannung σa = pr/(2t); das sind die Hauptspannungen in der Wand.

Spannungen in der Wand

r = 500/2 = 250 mm
σh = pr/t = 2,5·250/5 = 125 MPa
σa = pr/(2t) = 62,5 MPa

Auf die Naht transformieren

Lege x entlang der Achse (σa) und y in Umfangsrichtung (σh). Die Normale der Naht bildet mit der Achse den Winkel 90° − α.

|τn| = (125 − 62,5)·sin 60°·cos 60° = 27,06 MPa

Antwort

|τn| = 27,06 MPa

Fragen und Antworten

Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation: Worum geht es?

In der Lektion zur Axialbelastung war die Spannung eine einzige Zahl: Kraft pro Fläche. Aber die Spannung an einem Punkt hängt von der Richtung des Schnitts ab, den du betrachtest.

Verdrehe ein Stück Kreide, bis es bricht. Es bricht entlang einer Spirale unter 45°, nicht gerade quer. In dieser 45°-Ebene ist die Zugspannung am größten, und Kreide ist gegen Zug schwach.

Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation: Wie löst man die Aufgaben Schritt für Schritt?
  1. Berechne den Mittelpunkt des Mohrschen Kreises: C = (σx + σy)/2.
  2. Berechne den Radius: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Die Hauptspannungen sind C ± R, und die größte Schubspannung in der Ebene ist R.
  4. Winkel im Kreis sind doppelt so groß wie die Winkel am Element: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).
Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation: Welche Fehler passieren am häufigsten?
  • In den Transformationsgleichungen θ statt 2θ verwenden.
  • (σx − σy)/2 und τxy addieren, statt sie mit dem Satz des Pythagoras zu kombinieren.
  • Die Vorzeichenkonvention für die Schubspannung falsch anwenden.
Mohrscher Spannungskreis & Spannungstransformation: Was wird geübt?
  • Leicht: Hauptspannungen
  • Mittel: maximale Schubspannung und Hauptrichtung
  • Schwer: Spannung in einem geneigten Schnitt

Jede Aufgabe hat neue Werte, so lernst du den Lösungsweg statt einer Antwort. Du hängst fest? Öffne zuerst einen kleinen Tipp und die vollständige Erklärung erst, wenn du sie brauchst.

So funktioniert das Üben

  • Jede Aufgabe hat neue Werte, so lernst du den Lösungsweg statt einer Antwort.
  • Du hängst fest? Öffne zuerst einen kleinen Tipp und die vollständige Erklärung erst, wenn du sie brauchst.
  • Dein Fortschritt, deine Fehler und gespeicherten Aufgaben bleiben erhalten, damit du vor der Prüfung wiederholen kannst.

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