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
Schrijf elke vector in componenten; voor een kracht gegeven door een grootte en een hoek gebruik je F·cos θ en F·sin θ.
Gebruik voor lengtes en richtingen de grootte √(x² + y² + z²) en de eenheidsvector a/|a|.
Gebruik het inwendig product voor hoeken, projecties, loodrechte stand en arbeid: a·b = |a||b|cos θ.
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
Teken een vrijlichaamsschema en vervang elke oplegging door haar reactiekrachten.
Vervang elke verdeelde belasting door één kracht in haar zwaartepunt.
Neem momenten om één oplegging om de reactiekracht in de andere te vinden.
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
Bepaal de oplegreacties van het hele vakwerk.
Knopenmethode: begin bij een knoop met hooguit twee onbekende staafkrachten en gebruik ΣFx = 0 en ΣFy = 0.
Snedemethode: snijd door de staaf die je nodig hebt en neem momenten om een punt waar de andere onbekende staven samenkomen.
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
Teken de hele constructie en bepaal de oplegreacties als er niet meer dan drie onbekenden zijn.
Herken de tweekrachtsstaven: ze zijn alleen in twee scharnierpunten belast, dus hun kracht werkt langs de lijn tussen die punten.
Haal het raamwerk uit elkaar en teken elke staaf apart, met gelijke en tegengestelde pennenkrachten waar staven samenkomen.
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
Bepaal de oplegreacties uit het evenwicht van de hele balk.
Snijd de balk door in de doorsnede die je nodig hebt en houd één kant over.
Dwarskracht: de som van de verticale krachten op die kant. Buigend moment: de som van hun momenten om de snede.
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
Bepaal de scalaire projectie compb a van a = (−5, −3, 7) op b = (1, −2, −3), dat wil zeggen de component van a in de richting van b.
a = (−5, −3, 7)b = (1, −2, −3)
compb a =
2.Vectoren: inwendig en uitwendig productMoeilijk
De eenheidsvector n̂ staat loodrecht op zowel a = (−1, 3, −3) als b = (−5, 2, 3) en heeft een positieve z-component. Bepaal zijn y-component n̂y.
a = (−1, 3, −3)b = (−5, 2, 3)n̂z > 0
n̂y =
3.Oplegreacties van balkenGemiddeld
De vrij opgelegde balk heeft een scharnier in A en een rol in B. Hij draagt een puntlast P op 9 m van A en een rechtsdraaiend koppel M op 4 m van A. Vind de verticale reactie RB, met omhoog positief.
L = 10 mP = 70 kN op 9 mM = 20 kN·m (rechtsdraaiend) op 4 m
RB = kN
4.Oplegreacties van balkenMoeilijk
De vrij opgelegde balk heeft een scharnier in A en een rol in B. Vind de verticale oplegreactie RB.
L = 5 mP = 10 kN op 4 mw = 5 kN/m van 2 tot 3 m
RB = kN
5.Vakwerk: knopenmethodeGemiddeld
Gebruik de knopenmethode om de kracht FAB in staaf AB te vinden. Geef trek als positief en druk als negatief.
overspanning = 5 mhoogte = 3 mB ligt 3 m van Averticale belasting = 40 kN
FAB = kN
6.Vakwerk: knopenmethodeMoeilijk
Gebruik de knopenmethode om de kracht FAC in staaf AC te vinden. Geef trek als positief en druk als negatief.
overspanning = 4 mhoogte = 2 mB ligt 1 m van Averticale belasting = 50 kNhorizontale belasting = 20 kN ←
FAC = kN
7.Raamwerken en machinesGemiddeld
Een horizontale balk AB is in A scharnierend aan een muur bevestigd en wordt gesteund door de stut CD, die in C, 1 m onder A, scharnierend aan de muur zit. In B hangt een last van 12 kN. Verwaarloos de gewichten. Bepaal de grootte van de pennenkracht A op de balk in A.
P = 12 kNAD = 1,6 mAB = 4 mAC = 1 m
A = kN
8.Raamwerken en machinesMoeilijk
Het getoonde A-frame staat op een scharnier in A en een rol in B, 2,4 m uit elkaar. De poten komen samen in het scharnier C, 4,5 m hoog, en worden verbonden door de horizontale staaf DE op 2 m. In C werkt een horizontale kracht van 15 kN naar rechts. Bepaal de trekkracht T in de trekstang.
P = 15 kNAB = 2,4 mhoogte van C = 4,5 mhoogte van DE = 2 m
T = kN
9.Dwarskracht en buigend momentGemiddeld
De balk ligt op een scharnier in A en een rol in B en steekt 1,5 m voorbij B uit tot het vrije uiteinde C. Hij draagt een puntlast P1 tussen de opleggingen en een puntlast P2 in C. Vind de dwarskracht Vx net links van oplegging B. Neem doorbuigende (sagging) momenten positief en een opwaartse dwarskracht op het linkervlak positief.
L = 5,5 mP1 = 30 kN op 1,5 mP2 = 20 kN op 5,5 mopleggingen bij x = 0 en x = 4 m
Vx = kN
10.Dwarskracht en buigend momentMoeilijk
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.
35 kN @ 12 m5 kN/m, 0–10 m
1A (x = 0 m)
2B (x = 2 m)
3C (x = 4 m)
4D (x = 6 m)
5E (x = 8 m)
6F (x = 10 m)
7G (x = 12 m)
11.Zwaartepunt en traagheidsmomentGemiddeld
Een plaat van 120 mm × 240 mm heeft een rond gat met een diameter van 50 mm op de verticale hartlijn, met zijn middelpunt 156 mm boven de onderkant. Bepaal het kwadratisch oppervlaktemoment Ix om de horizontale as door het zwaartepunt.
b = 120 mmh = 240 mmd = 50 mmmiddelpunt van het gat: y = 156 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Zwaartepunt en traagheidsmomentMoeilijk
Het T-profiel wordt gebruikt als balk met de flens boven en draagt een doorbuigend (sagging) moment van 50 kN·m. Vind de buigspanning σonder aan de onderrand.
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.
Inwendig product
a·b = (−5)·1 + (−3)·(−2) + 7·(−3) = −20
Lengte van b
|b| = √(1² + (−2)² + (−3)²) = 3,742
Scalaire projectie
compb a = a·b/|b| = −20/3,742 = −5,345
Antwoord
compb a = −5,345
Negatief: a heeft een component die tegen b in wijst.
2.Vectoren: inwendig en uitwendig product
Antwoord: n̂y = 0,6718
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 = 3·3 − (−3)·2 = 15
(a × b)y = azbx − axbz = (−3)·(−5) − (−1)·3 = 18
(a × b)z = axby − aybx = (−1)·2 − 3·(−5) = 13
Normeren
De z-component van a × b is al positief.
|a × b| = √(15² + 18² + 13²) = 26,8
n̂ = (15, 18, 13)/26,8 = (0,5598, 0,6718, 0,4852)
n̂y = 0,6718
Antwoord
n̂y = 0,6718
3.Oplegreacties van balken
Antwoord: RB = 65 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·10 − 70·9 − 20 = 0
RB = 650/10 = 65 kN
Verticaal evenwicht
RA = 70 − 65 = 5 kN
Antwoord
RB = 65 kN
Een negatieve reactie werkt omlaag.
4.Oplegreacties van balken
Antwoord: RB = 10,5 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.
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 = 5·1 = 5 kN, aangrijpend op x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 10·4 + 5·1·2,5
RB = 52,5/5 = 10,5 kN
ΣFy = 0: RA = 15 − 10,5 = 4,5 kN
Antwoord
RB = 10,5 kN
5.Vakwerk: knopenmethode
Antwoord: FAB = −22,63 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.
Oplegreacties
Evenwicht van het hele vakwerk. Momenten om A, tegen de klok in positief.
ΣMA = 0: Cy·5 = 40·3 → Cy = 24 kN
ΣFy = 0: Ay = 40 − 24 = 16 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 = 3/4,243 = 0,7071
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −16/0,7071 = −22,63 kN
Antwoord
FAB = −22,63 kN (druk)
6.Vakwerk: knopenmethode
Antwoord: FAC = 3,75 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.
Oplegreacties
Evenwicht van het hele vakwerk. Momenten om A, tegen de klok in positief.
ΣMA = 0: Cy·4 = 50·1 − 20·2 → Cy = 2,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 2,5 = 47,5 kN
ΣFx = 0: Ax = 20 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 = 2/3,606 = 0,5547, cos γ = 3/3,606 = 0,8321
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 = 12·4/(0,53·1,6) = 56,6 kN
Componenten in A
Ax = FCD·cos α = 48 kN (naar de muur toe)
Ay = 12 − FCD·sin α = −18 kN
Grootte
A = √(48² + −18²) = 51,26 kN
Antwoord
A = 51,26 kN
Een negatieve Ay betekent dat de muur de balk in A omlaag trekt.
8.Raamwerken en machines
Antwoord: T = 13,5 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.
Heel raamwerk: momenten om A
By·2,4 = 15·4,5
By = 28,13 kN
Poot BC: momenten om C
28,13·1,2 = T·2,5
T = 13,5 kN
Antwoord
T = 13,5 kN
Een positieve T betekent dat de trekstang op trek staat, zoals aangenomen.
9.Dwarskracht en buigend moment
Antwoord: Vx = −18,75 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. De last op het overstek levert ook een moment om A.
ΣMA = 0: RB·4 = 30·1,5 + 20·5,5
RB = 155/4 = 38,75 kN
ΣFy = 0: RA = 50 − 38,75 = 11,25 kN
Snede net links van B, houd het linkerdeel over
Vx = RA − P1 = 11,25 − 30 = −18,75 kN
Antwoord
Vx = −18,75 kN
10.Dwarskracht en buigend moment
Antwoord: F (x = 10 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 = 18 kN, R2 = 67 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 = 26, MC = 32, MD = 18, ME = −16, MF = −70 kN·m, MG = 0
Antwoord
Markering F: MF = −70 kN·m
11.Zwaartepunt en traagheidsmoment
Antwoord: Ix = 135,2 × 10⁶ mm⁴
Doorsneden met gaten: behandel een gat als een negatief oppervlak. Het zwaartepunt is ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), met A₁, y₁ voor de volle plaat en A₂, y₂ voor het gat. Gebruik voor het kwadratisch oppervlaktemoment om de zwaartelijn de stelling van Steiner voor elk deel en trek het gat af: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), waarbij d de afstand is van het eigen zwaartepunt van elk deel tot de as door ȳ. Een rechthoek heeft Ic = bh³/12 en een cirkel Ic = πd⁴/64.
Zwaartepunt
ȳ = (28800·120 − 1963·156)/(28800 − 1963) = 117,4 mm
Volle plaat om ȳ
120·240³/12 + 28800·2,634² = 138,4 × 10⁶ mm⁴
Gat om ȳ
π·50⁴/64 + 1963·38,63² = 3,237 × 10⁶ mm⁴
Trek af
Ix = 135,2 × 10⁶ mm⁴
Antwoord
Ix = 135,2 × 10⁶ mm⁴
12.Zwaartepunt en traagheidsmoment
Antwoord: σonder = 103,8 MPa
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.
Verdeel in twee rechthoeken
Meet elke y vanaf de onderrand.
flens: Af = 260·25 = 6500 mm², yf = 280 + 25/2 = 292,5 mm