Statica: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 12 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgavenTerug naar het vak

Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.

1Formules en methoden

Vectoren: inwendig en uitwendig product

Grootte
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Eenheidsvector
û = a/|a|
Componenten uit een hoek
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Inwendig product
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Scalaire projectie van a op b
a·b/|b|
Arbeid
W = F·d
Uitwendig product
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Oppervlakken
parallellogram |a × b|, driehoek ½|a × b|
Moment om O
MO = r × F, r = A − O
Volume van een parallellepipedum
V = |a·(b × c)|

Methode

  1. Schrijf elke vector in componenten; voor een kracht gegeven door een grootte en een hoek gebruik je F·cos θ en F·sin θ.
  2. Gebruik voor lengtes en richtingen de grootte √(x² + y² + z²) en de eenheidsvector a/|a|.
  3. Gebruik het inwendig product voor hoeken, projecties, loodrechte stand en arbeid: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Gebruik het uitwendig product voor loodrechte vectoren, oppervlakten en momenten: schrijf de drie componenten zorgvuldig uit en houd de volgorde a × b aan.

Oplegreacties van balken

Evenwicht
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Gelijkmatig verdeelde belasting
resultante w·L in het midden van de belasting
Moment
M = F·d

Methode

  1. Teken een vrijlichaamsschema en vervang elke oplegging door haar reactiekrachten.
  2. Vervang elke verdeelde belasting door één kracht in haar zwaartepunt.
  3. Neem momenten om één oplegging om de reactiekracht in de andere te vinden.
  4. Gebruik ΣFy = 0 om de overige reactiekracht te vinden, en controleer met een tweede momentenvergelijking.

Vakwerk: knopenmethode

Knopenmethode
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
Snedemethode
ΣM = 0 about a cut point
Staafkracht
positief = trek, negatief = druk

Methode

  1. Bepaal de oplegreacties van het hele vakwerk.
  2. Knopenmethode: begin bij een knoop met hooguit twee onbekende staafkrachten en gebruik ΣFx = 0 en ΣFy = 0.
  3. Snedemethode: snijd door de staaf die je nodig hebt en neem momenten om een punt waar de andere onbekende staven samenkomen.
  4. Neem trek aan; een negatief antwoord betekent druk.

Raamwerken en machines

Evenwicht van elke staaf
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Tweekrachtsstaaf
kracht langs de lijn door zijn twee scharnierpennen
Pennenkracht
gelijk en tegengesteld op de twee staven die hij verbindt
Grootte van een pennenkracht
F = √(Fx² + Fy²)
Hefboom, tang, hoekhefboom
Fin·a = Fout·b
Kniehefboom
Flink = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
Gelijkmatig verdeelde belasting
resultante w·L in het midden van de belasting

Methode

  1. Teken de hele constructie en bepaal de oplegreacties als er niet meer dan drie onbekenden zijn.
  2. Herken de tweekrachtsstaven: ze zijn alleen in twee scharnierpunten belast, dus hun kracht werkt langs de lijn tussen die punten.
  3. Haal het raamwerk uit elkaar en teken elke staaf apart, met gelijke en tegengestelde pennenkrachten waar staven samenkomen.
  4. Neem voor elke staaf de momenten om een scharnierpunt met onbekende krachten, en gebruik dan ΣFx = 0 en ΣFy = 0; combineer de componenten pas aan het eind tot een grootte.

Dwarskracht en buigend moment

Dwarskracht en moment
V = ΣF aan één kant, M = ΣF·d aan één kant
Buigspanning
σ = M·y/I
Rechthoek
I = bh³/12
Weerstandsmoment
W = I/ymax
Ligger op twee steunpunten, gelijkmatige belasting
Mmax = wL²/8

Methode

  1. Bepaal de oplegreacties uit het evenwicht van de hele balk.
  2. Snijd de balk door in de doorsnede die je nodig hebt en houd één kant over.
  3. Dwarskracht: de som van de verticale krachten op die kant. Buigend moment: de som van hun momenten om de snede.
  4. Zoek voor het maximale moment de plek waar de dwarskracht nul is.

Zwaartepunt en traagheidsmoment

Zwaartepunt
ȳ = ΣAiyi/ΣAi
Rechthoek
I = bh³/12
Stelling van Steiner
I = Ic + A·d²
Samengestelde doorsnede
I = Σ(Ic,i + Aidi²)

2Oefenopgaven

1.Vectoren: inwendig en uitwendig productGemiddeld
xyzab

Bepaal het inwendig product a·b van a = (−3, 5, −7) en b = (−5, 0, 4).

a = (−3, 5, −7)b = (−5, 0, 4)
a·b =
2.Vectoren: inwendig en uitwendig productMoeilijk
xyzab

De eenheidsvector n̂ staat loodrecht op zowel a = (4, 2, −5) als b = (−4, 2, 0) en heeft een positieve z-component. Bepaal zijn x-component n̂x.

a = (4, 2, −5)b = (−4, 2, 0)n̂z > 0
n̂x =
3.Oplegreacties van balkenGemiddeld
P1​ = 80 kNP2​ = 60 kNABCRB​ = ?1 m2 m2 m

De balk heeft een scharnier in A en een rol in B, op 3 m van A, en steekt voorbij B uit tot het vrije uiteinde C. Vind de verticale reactie RB, met omhoog positief.

AB = 3 mAC = 5 mP1 = 80 kN op 1 mP2 = 60 kN op 5 m
RB = kN
4.Oplegreacties van balkenMoeilijk
w = 8 kN/mP = 50 kNABRA​ = ?RB​6 m1 m3 m

De vrij opgelegde balk heeft een scharnier in A en een rol in B. Vind de verticale oplegreactie RA.

L = 10 mP = 50 kN op 6 mw = 8 kN/m van 7 tot 10 m
RA = kN
5.Vakwerk: knopenmethodeGemiddeld
ABBCACACB30 kN8 m3 m2 m

Gebruik de knopenmethode om de kracht FAB in staaf AB te vinden. Geef trek als positief en druk als negatief.

overspanning = 8 mhoogte = 2 mB ligt 3 m van Averticale belasting = 30 kN
FAB = kN
6.Vakwerk: knopenmethodeMoeilijk
ABBCACACB60 kN5 kN4 m1 m3 m

Gebruik de knopenmethode om de kracht FBC in staaf BC te vinden. Geef trek als positief en druk als negatief.

overspanning = 4 mhoogte = 3 mB ligt 1 m van Averticale belasting = 60 kNhorizontale belasting = 5 kN →
FBC = kN
7.Raamwerken en machinesGemiddeld
15 kN0,8 m1,2 m1,2 mABCD

Een horizontale balk AB is in A scharnierend aan een muur bevestigd en wordt gesteund door de stut CD, die in C, 1,2 m onder A, scharnierend aan de muur zit. In B hangt een last van 15 kN. Verwaarloos de gewichten. Bepaal de grootte van de pennenkracht A op de balk in A.

P = 15 kNAD = 0,8 mAB = 2 mAC = 1,2 m
A = kN
8.Raamwerken en machinesMoeilijk
w = 1,5 kN/m8 kN1,2 m0,8 m1,5 mABCD

De balk AB van de getoonde wandconsole is in A scharnierend bevestigd en wordt gesteund door de stut CD (C ligt 1,5 m onder A). De balk draagt over zijn hele lengte een gelijkmatig verdeelde belasting van 1,5 kN/m en een puntlast van 8 kN aan zijn vrije uiteinde B. Bepaal de kracht FCD in de stut.

w = 1,5 kN/mP = 8 kNAD = 1,2 mAB = 2 mAC = 1,5 m
FCD = kN
9.Dwarskracht en buigend momentGemiddeld
w = 5 kN/mABdoorsnede5 m3 m

Vind de dwarskracht Vx in de doorsnede x = 5 m vanaf oplegging A. Neem doorbuigende (sagging) momenten positief en een opwaartse dwarskracht op het linkervlak positief.

L = 8 mw = 5 kN/m van 0 tot 8 mx = 5 m
Vx = kN
10.Dwarskracht en buigend momentMoeilijk
30 kN10 kN55 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 m

De markeringen A tot en met G verdelen de balk in zes gelijke delen. Bij welke markering is het buigend moment het grootst in absolute waarde, positief of negatief? Klik erop in het diagram.

30 kN @ 0 m10 kN @ 6 m55 kN @ 3 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
11.Zwaartepunt en traagheidsmomentGemiddeld
B = 300H = 350t = 10xafmetingen in mm

Een hol rechthoekig profiel (koker) heeft buitenbreedte B = 300 mm, buitenhoogte H = 350 mm en een gelijkmatige wanddikte t = 10 mm. Vind de traagheidsstraal r om de horizontale zwaartepuntsas.

B = 300 mmH = 350 mmt = 10 mm
r = mm
12.Zwaartepunt en traagheidsmomentMoeilijk
200202408xdoorbuigend Mafmetingen in mm

Een gietijzeren balk heeft het getekende T-profiel, met de flens boven. De toelaatbare spanningen zijn 50 MPa op trek en 100 MPa op druk. Vind het grootste doorbuigende (sagging) moment Mallow dat de balk kan dragen.

bf = 200 mmtf = 20 mmtw = 8 mmhw = 240 mmσt,allow = 50 MPaσc,allow = 100 MPa
Mallow = kN·m

3Oplossingen

1.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: a·b = −13

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.

Vermenigvuldig overeenkomstige componenten en tel op

a·b = (−3)·(−5) + 5·0 + (−7)·4 = 15 + 0 + (−28) = −13

Antwoord

a·b = −13

Negatief: de hoek tussen de vectoren is groter dan 90°.

2.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: n̂x = 0,3637

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.

Uitwendig product

(a × b)x = aybz − azby = 2·0 − (−5)·2 = 10
(a × b)y = azbx − axbz = (−5)·(−4) − 4·0 = 20
(a × b)z = axby − aybx = 4·2 − 2·(−4) = 16

Normeren

De z-component van a × b is al positief.

|a × b| = √(10² + 20² + 16²) = 27,5
n̂ = (10, 20, 16)/27,5 = (0,3637, 0,7274, 0,5819)
n̂x = 0,3637

Antwoord

n̂x = 0,3637
3.Oplegreacties van balken

Antwoord: RB = 126,7 kN

Statisch evenwicht: een lichaam in rust heeft ΣFx = 0, ΣFy = 0 en ΣM = 0 om elk punt. Vervang elke verdeelde belasting door haar resultante (de oppervlakte) die aangrijpt in het zwaartepunt van het belastingsdiagram, en neem momenten om een oplegging om de reactie van die oplegging uit de vergelijking te halen.

Momenten om A

Linksom positief.

ΣMA = 0: RB·3 = 80·1 + 60·5
RB = 380/3 = 126,7 kN

Verticaal evenwicht

RA = 80 + 60 − 126,7 = 13,33 kN

Antwoord

RB = 126,7 kN
4.Oplegreacties van balken

Antwoord: RA = 23,6 kN

Statisch evenwicht: een lichaam in rust heeft ΣFx = 0, ΣFy = 0 en ΣM = 0 om elk punt. Momenten nemen om één oplegging haalt de reactie van die oplegging uit de vergelijking.

w = 8 kN/mP = 50 kNABRA​RB​6 m1 m3 m

Vrijlichaamsschema

Vervang de opleggingen door reactiekrachten. Een rol geeft één verticale reactie; met alleen verticale belastingen geeft het scharnier ook één verticale reactie.

Evenwicht

Momenten om A, tegen de klok in positief. Daarna het verticale krachtenevenwicht.

Resultante van de verdeelde belasting: W = w·ℓ = 8·3 = 24 kN, aangrijpend op x̄ = 8,5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 50·6 + 8·3·8,5
RB = 504/10 = 50,4 kN
ΣFy = 0: RA = 74 − 50,4 = 23,6 kN

Antwoord

RA = 23,6 kN
5.Vakwerk: knopenmethode

Antwoord: FAB = −33,8 kN

Knopenmethode: elke knoop van een vakwerk is in evenwicht, dus ΣFx = 0 en ΣFy = 0 in elke knoop. Begin bij een knoop met hoogstens twee onbekende staafkrachten. Een negatief resultaat betekent dat de staaf op druk staat.

ABBCACACB30 kNAy​Cy​

Oplegreacties

Evenwicht van het hele vakwerk. Momenten om A, tegen de klok in positief.

ΣMA = 0: Cy·8 = 30·3 → Cy = 11,25 kN
ΣFy = 0: Ay = 30 − 11,25 = 18,75 kN

Knoop A

Neem aan dat elke staaf op trek staat (trekt van de knoop af). Alleen AB heeft een verticale component in A.

sin α = 2/3,606 = 0,5547
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −18,75/0,5547 = −33,8 kN

Antwoord

FAB = −33,8 kN (druk)
6.Vakwerk: knopenmethode

Antwoord: FBC = −26,52 kN

Knopenmethode: elke knoop van een vakwerk is in evenwicht, dus ΣFx = 0 en ΣFy = 0 in elke knoop. Begin bij een knoop met hoogstens twee onbekende staafkrachten. Een negatief resultaat betekent dat de staaf op druk staat.

ABBCACACB60 kN5 kNAy​Cy​Ax​

Oplegreacties

Evenwicht van het hele vakwerk. Momenten om A, tegen de klok in positief.

ΣMA = 0: Cy·4 = 60·1 + 5·3 → Cy = 18,75 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 18,75 = 41,25 kN
ΣFx = 0: Ax = −5 kN

Knoop C

De rol geeft alleen een verticale reactie, dus knoop C heeft maar twee onbekende staafkrachten. Neem aan dat beide op trek staan.

sin γ = 3/4,243 = 0,7071, cos γ = 3/4,243 = 0,7071
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −18,75/0,7071 = −26,52 kN

Antwoord

FBC = −26,52 kN (druk)
7.Raamwerken en machines

Antwoord: A = 33,63 kN

Raamwerken en machines: anders dan een vakwerk bevat een raamwerk minstens één staaf die op meer dan twee punten krachten draagt, of een belasting tussen zijn scharnierpunten. Zoek eerst de tweekrachtsstaven: een staaf die alleen in twee scharnierpunten is belast, heeft zijn kracht langs de lijn door die punten, dus hij voegt één onbekende toe, geen twee. Gebruik dan de hele constructie voor de oplegreacties als er niet meer dan drie onbekenden zijn. Haal ten slotte het raamwerk uit elkaar: teken elke staaf apart, met pennenkrachten die gelijk en tegengesteld zijn op de twee staven die ze verbinden, en schrijf ΣFx = 0, ΣFy = 0 en ΣM = 0 ervoor op. Momenten nemen om een scharnierpen haalt beide componenten van die pennenkracht uit de vergelijking.

Stutkracht

FCD = 15·2/(0,8321·0,8) = 45,07 kN

Componenten in A

Ax = FCD·cos α = 25 kN (naar de muur toe)
Ay = 15 − FCD·sin α = −22,5 kN

Grootte

A = √(25² + −22,5²) = 33,63 kN

Antwoord

A = 33,63 kN

Een negatieve Ay betekent dat de muur de balk in A omlaag trekt.

8.Raamwerken en machines

Antwoord: FCD = 20,28 kN

Raamwerken en machines: anders dan een vakwerk bevat een raamwerk minstens één staaf die op meer dan twee punten krachten draagt, of een belasting tussen zijn scharnierpunten. Zoek eerst de tweekrachtsstaven: een staaf die alleen in twee scharnierpunten is belast, heeft zijn kracht langs de lijn door die punten, dus hij voegt één onbekende toe, geen twee. Gebruik dan de hele constructie voor de oplegreacties als er niet meer dan drie onbekenden zijn. Haal ten slotte het raamwerk uit elkaar: teken elke staaf apart, met pennenkrachten die gelijk en tegengesteld zijn op de twee staven die ze verbinden, en schrijf ΣFx = 0, ΣFy = 0 en ΣM = 0 ervoor op. Momenten nemen om een scharnierpen haalt beide componenten van die pennenkracht uit de vergelijking.

Resultante van de gelijkmatig verdeelde belasting

w·L = 1,5·2 = 3 kN op 1 m

Momenten om A voor de balk

FCD·0,7809·1,2 = 3·1 + 8·2 = 19 kN·m
FCD = 20,28 kN

Antwoord

FCD = 20,28 kN
9.Dwarskracht en buigend moment

Antwoord: Vx = −5 kN

Snedemethode: snijd de balk door waar je de inwendige krachten wilt weten en houd één kant over. De dwarskracht V houdt de verticale krachten op die kant in evenwicht, en het buigend moment M hun momenten om de snede.

Oplegreacties

Evenwicht van de hele balk.

Resultante van de verdeelde belasting: W = w·ℓ = 5·8 = 40 kN, aangrijpend op x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·8 = 5·8·4
RB = 160/8 = 20 kN
ΣFy = 0: RA = 40 − 20 = 20 kN
w = 5 kN/mABRA​ = 20RB​ = 20doorsnede5 m3 m

Snijd bij x = 5 m en houd het linkerdeel over

Alleen krachten links van de snede tellen mee. Een stuk verdeelde belasting werkt als één kracht in het midden van dat stuk.

V = RA − (alle neerwaartse belastingen links van de snede)
Vx = 20 − 5·5 = −5 kN

Antwoord

Vx = −5 kN
10.Dwarskracht en buigend moment

Antwoord: D (x = 3 m)

Grootste buigend moment: M verandert van helling overal waar de dwarskracht verandert, dus de pieken liggen waar de dwarskracht door nul gaat: onder een puntlast, binnen een verdeelde last, of boven een oplegging van een uitkragende balk. Bij een ingeklemde oplegging van een console is het moment het grootst bij de wand. Vergelijk de grootte van M op die plaatsen, positief (doorbuigend) of negatief (opbuigend).

Oplegreacties

Neem momenten om één oplegging en gebruik dan het verticale krachtenevenwicht.

R1 = 62,5 kN, R2 = 32,5 kN

Buigend moment bij elke markering

Tel de momenten van alle krachten aan één kant van de snede op. Een doorbuigend moment is positief, een opbuigend moment negatief.

MA = 0, MB = −30, MC = 2,5, MD = 35 kN·m, ME = 12,5, MF = −10, MG = 0

Antwoord

Markering D: MD = 35 kN·m
11.Zwaartepunt en traagheidsmoment

Antwoord: r = 136,1 mm

Traagheidsmoment: voor een rechthoek is I = bh³/12 om de eigen zwaartepuntsas en bh³/3 om de basis (stelling van Steiner I = Ic + A·d²). Een gat verwerk je door de I ervan af te trekken, zolang beide delen dezelfde as hebben. Het elastische weerstandsmoment is S = I/c, waarbij c de afstand tot de uiterste vezel is. De traagheidsstraal r = √(I/A) is de afstand waarop de hele oppervlakte dezelfde I zou geven; je gebruikt hem bij knik van kolommen.

Netto oppervlakte en traagheidsmoment

b = 280 mm, h = 330 mm
A = BH − bh = 300·350 − 280·330 = 12600 mm²
I = (BH³ − bh³)/12 = 2,333 × 10⁸ mm⁴

Traagheidsstraal

r = √(I/A) = √(2,333 × 10⁸/12600) = 136,1 mm

Antwoord

r = 136,1 mm
12.Zwaartepunt en traagheidsmoment

Antwoord: Mallow = 7,524 kN·m

Samengestelde doorsneden: verdeel de doorsnede in rechthoeken. Het zwaartepunt is het oppervlaktegewogen gemiddelde ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Het traagheidsmoment om de zwaartepuntsas telt voor elk deel de eigen bh³/12 en de Steinerterm A·d² op, waarbij d de afstand is van het zwaartepunt van het deel tot het totale zwaartepunt. De buigspanning is σ = M·y/I.

Zwaartepunt

ȳ = (4000·250 + 1920·120)/5920 = 207,8 mm
bovenrand: c = 260 − 207,8 = 52,16 mm

Traagheidsmoment

I = 200·20³/12 + 4000·42,16² + 8·240³/12 + 1920·87,84² = 3,127 × 10⁷ mm⁴

Toelaatbaar moment per rand

Doorbuigend: de bovenkant staat op druk, de onderkant op trek.

bovenrand: M = 100·3,127 × 10⁷/52,16 = 59,95 kN·m
onderrand: M = 50·3,127 × 10⁷/207,8 = 7,524 kN·m

Maatgevende waarde

Mallow = min = 7,524 kN·m (onderrand)

Antwoord

Mallow = 7,524 kN·m

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics