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 de waarde van k waarvoor de vectoren a = (−6, −6, −4) en b = (k, 3, 2) loodrecht op elkaar staan.

a = (−6, −6, −4)b = (k, 3, 2)
k =
2.Vectoren: inwendig en uitwendig productMoeilijk
xyzab

De eenheidsvector n̂ staat loodrecht op zowel a = (−4, −5, −4) als b = (1, 3, 2) en heeft een positieve z-component. Bepaal zijn y-component n̂y.

a = (−4, −5, −4)b = (1, 3, 2)n̂z > 0
n̂y =
3.Oplegreacties van balkenGemiddeld
P = 55 kNM = 60 kN·mABRB​ = ?0,5 m3,5 m2 m

De vrij opgelegde balk heeft een scharnier in A en een rol in B. Hij draagt een puntlast P op 4 m van A en een linksdraaiend koppel M op 0,5 m van A. Vind de verticale reactie RB, met omhoog positief.

L = 6 mP = 55 kN op 4 mM = 60 kN·m (linksdraaiend) op 0,5 m
RB = kN
4.Oplegreacties van balkenMoeilijk
w = 5 kN/mP = 25 kNABRA​RB​ = ?1,5 m0,5 m2 m

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

L = 4 mP = 25 kN op 1,5 mw = 5 kN/m van 2 tot 4 m
RB = kN
5.Vakwerk: knopenmethodeGemiddeld
ABBCACACB35 kN8 m3 m3 m

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

overspanning = 8 mhoogte = 3 mB ligt 3 m van Averticale belasting = 35 kN
FAB = kN
6.Vakwerk: knopenmethodeMoeilijk
ABCDEFGH30 kN15 kN35 kN25 kN4 × 4 m3 m

Precies één staaf van dit vakwerk draagt onder deze belastingen geen kracht. Welke is de nulstaaf? Klik erop in het diagram.

C: 30 kN ↓D: 15 kN ↓F: 35 kN →G: 25 kN ↓
  1. 1staaf AB
  2. 2staaf BC
  3. 3staaf CD
  4. 4staaf DE
  5. 5staaf FG
  6. 6staaf GH
  7. 7staaf AF
  8. 8staaf HE
  9. 9staaf BF
  10. 10staaf CG
  11. 11staaf DH
  12. 12staaf FC
  13. 13staaf HC
7.Raamwerken en machinesGemiddeld
2 kN4,8 m0,6 m1,9 m1,8 mABCDEK

Het getoonde A-frame staat op een scharnier in A en een rol in B, 4,8 m uit elkaar, met de topscharnier C op 2,5 m hoogte en de horizontale trekstang DE 0,6 m boven de grond. Een verticale belasting van 2 kN werkt op poot AC in K, 1,8 m (horizontaal) van A. Bepaal de trekkracht T in de trekstang.

P = 2 kNAB = 4,8 mhoogte van C = 2,5 mhoogte van DE = 0,6 mhorizontale afstand A tot K = 1,8 m
T = kN
8.Raamwerken en machinesMoeilijk
F = ?3000 N10 mmABC

Een kniehefboompers heeft twee gelijke schakels AB en BC, elk 100 mm lang tussen de scharnierpunten. Het gewricht B zit 10 mm boven de lijn AC. Welke neerwaartse kracht F in B levert een horizontale perskracht van 3000 N op de schuif C? Verwaarloos wrijving en gewichten.

Q = 3000 NAB = BC = 100 mmh = 10 mm
F = N
9.Dwarskracht en buigend momentGemiddeld
P1​ = 50 kNP2​ = 60 kNABC4 m4 m1,5 m

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 het buigend moment Mx onder de last P1. Neem doorbuigende (sagging) momenten positief en een opwaartse dwarskracht op het linkervlak positief.

L = 9,5 mP1 = 50 kN op 4 mP2 = 60 kN op 9,5 mopleggingen bij x = 0 en x = 8 m
Mx = kN·m
10.Dwarskracht en buigend momentMoeilijk
w = 4 kN/mP = 20 kNABdoorsnede1,5 m1,5 m5 m

Vind het buigend moment Mx in de doorsnede x = 1,5 m vanaf oplegging A. Neem doorbuigende (sagging) momenten positief en een opwaartse dwarskracht op het linkervlak positief.

L = 8 mP = 20 kN op 3 mw = 4 kN/m van 0 tot 8 mx = 1,5 m
Mx = kN·m
11.Zwaartepunt en traagheidsmomentGemiddeld
100420206xafmetingen in mm

Een symmetrisch I-profiel heeft flenzen van 100 mm breed en 20 mm dik, een totale hoogte van 420 mm en een lijf van 6 mm dik. Vind het traagheidsmoment Ix om de horizontale zwaartepuntsas x.

B = 100 mmH = 420 mmtf = 20 mmtw = 6 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Zwaartepunt en traagheidsmomentMoeilijk
1004401414xM = 120 kN·mafmetingen in mm

Een symmetrisch I-profiel heeft flenzen van 100 mm breed en 14 mm dik, een totale hoogte van 440 mm en een lijf van 14 mm dik. Het draagt een buigend moment van 120 kN·m om de as x. Vind de grootte van de buigspanning σj bij de overgang van het lijf naar de bovenflens.

B = 100 mmH = 440 mmtf = 14 mmtw = 14 mmM = 120 kN·m
σj = MPa

3Oplossingen

1.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: k = −4,333

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 is gelijk aan nul

a·b = (−6)·k + (−6)·3 + (−4)·2 = 0
−26 + (−6)·k = 0

Los op naar k

k = −(−26)/(−6) = −4,333

Antwoord

k = −4,333
2.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: n̂y = −0,4815

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 = (−5)·2 − (−4)·3 = 2
(a × b)y = azbx − axbz = (−4)·1 − (−4)·2 = 4
(a × b)z = axby − aybx = (−4)·3 − (−5)·1 = −7

Normeren

De z-component van a × b is negatief, dus gebruik −(a × b).

|a × b| = √(2² + 4² + (−7)²) = 8,307
n̂ = −(2, 4, −7)/8,307 = (−0,2408, −0,4815, 0,8427)
n̂y = −0,4815

Antwoord

n̂y = −0,4815
3.Oplegreacties van balken

Antwoord: RB = 26,67 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·6 − 55·4 + 60 = 0
RB = 160/6 = 26,67 kN

Verticaal evenwicht

RA = 55 − 26,67 = 28,33 kN

Antwoord

RB = 26,67 kN

Een negatieve reactie werkt omlaag.

4.Oplegreacties van balken

Antwoord: RB = 16,88 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 = 5 kN/mP = 25 kNABRA​RB​1,5 m0,5 m2 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 = 5·2 = 10 kN, aangrijpend op x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·4 = 25·1,5 + 5·2·3
RB = 67,5/4 = 16,88 kN
ΣFy = 0: RA = 35 − 16,88 = 18,13 kN

Antwoord

RB = 16,88 kN
5.Vakwerk: knopenmethode

Antwoord: FAB = −30,94 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.

ABBCACACB35 kNAy​Cy​

Oplegreacties

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 35·3 → Cy = 13,13 kN
ΣFy = 0: Ay = 35 − 13,13 = 21,88 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 = −21,88/0,7071 = −30,94 kN

Antwoord

FAB = −30,94 kN (druk)
6.Vakwerk: knopenmethode

Antwoord: staaf BF

Nulstaven: in een knooppunt moeten de krachten in elke richting in evenwicht zijn. Als een knooppunt geen belasting en geen oplegging heeft, en twee van zijn drie staven op één lijn liggen, dan betrekt het evenwicht dwars op die lijn alleen de derde staaf, dus haar kracht is nul. Als er maar twee staven samenkomen in een onbelast knooppunt en ze niet op één lijn liggen, zijn beide nul.

Knooppunt B

AB en BC liggen op één rechte lijn en het knooppunt draagt geen belasting. Het krachtenevenwicht dwars op die lijn laat alleen BF over.

ΣF⊥ = 0 → FBF = 0

Controleer met de knooppuntenmethode

Het oplossen van alle knooppunten geeft deze staafkrachten (T = trek, C = druk).

AB: 67,92 kN (T), BC: 67,92 kN (T), CD: 60,42 kN (T), DE: 60,42 kN (T), FG: 100,8 kN (C), GH: 100,8 kN (C), AF: 41,15 kN (C), HE: 75,52 kN (C), BF: 0, CG: 25 kN (C), DH: 15 kN (T), FC: 41,15 kN (T), HC: 50,52 kN (T)

Antwoord

Nulstaaf: BF
7.Raamwerken en machines

Antwoord: T = 0,9474 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 = 2·1,8/4,8 = 0,75 kN

Poot BC: momenten om C

0,75·2,4 = T·1,9
T = 0,9474 kN

Antwoord

T = 0,9474 kN
8.Raamwerken en machines

Antwoord: F = 603 N

Machines: tangen, hefbomen, schakelwerk en klemmen zetten een ingaande kracht om in een grotere of anders gerichte uitgaande kracht. Teken één onderdeel als vrij lichaam en neem momenten om zijn draaipunt: de pennenkracht valt weg, en Fin·a = Fuit·b geeft het mechanisch voordeel a/b. De pennenkracht volgt dan uit ΣF = 0 voor hetzelfde onderdeel. In een kniehefboom komen twee schakels onder een kleine hoek θ samen; elke schakel is een tweekrachtsstaaf, dus een kleine kracht F in het gewricht veroorzaakt grote schakelkrachten F/(2 sin θ) en een klemkracht F/(2 tan θ).

Schakelhoek

sin θ = 10/100 = 0,1, θ = 5,739°

Schakelkracht

Flink = Q/cos θ = 3015 N

Kracht in B

F = 2·Flink·sin θ = 2·3000·tan θ = 603 N

Antwoord

F = 603 N
9.Dwarskracht en buigend moment

Antwoord: Mx = 55 kN·m

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·8 = 50·4 + 60·9,5
RB = 770/8 = 96,25 kN
ΣFy = 0: RA = 110 − 96,25 = 13,75 kN

Snede onder P1, houd het linkerdeel over

Mx = RA·4 = 13,75·4 = 55 kN·m

Antwoord

Mx = 55 kN·m
10.Dwarskracht en buigend moment

Antwoord: Mx = 38,25 kN·m

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 = 4·8 = 32 kN, aangrijpend op x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·8 = 20·3 + 4·8·4
RB = 188/8 = 23,5 kN
ΣFy = 0: RA = 52 − 23,5 = 28,5 kN
w = 4 kN/mP = 20 kNABRA​ = 28,5RB​ = 23,5doorsnede1,5 m1,5 m5 m

Snijd bij x = 1,5 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.

M = RA·x − (elke belasting links van de snede × de afstand tot de snede)
Mx = 28,5·1,5 − 4·1,5·0,75 = 38,25 kN·m

Antwoord

Mx = 38,25 kN·m
11.Zwaartepunt en traagheidsmoment

Antwoord: Ix = 187,6 × 10⁶ mm⁴

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.

Buitenrechthoek min de twee uitsparingen aan de zijkanten

Beide uitsparingen samen zijn (B − tw) breed en hw = H − 2tf hoog, en hebben de as x gemeen.

hw = 420 − 2·20 = 380 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (100·420³ − 94·380³)/12
Ix = 1,876 × 10⁸ mm⁴ = 187,6 × 10⁶ mm⁴

Antwoord

Ix = 187,6 × 10⁶ mm⁴
12.Zwaartepunt en traagheidsmoment

Antwoord: σj = 118,5 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.

Buitenrechthoek min de twee uitsparingen aan de zijkanten

Beide uitsparingen samen zijn (B − tw) breed en hw = H − 2tf hoog, en hebben de as x gemeen.

hw = 440 − 2·14 = 412 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (100·440³ − 86·412³)/12
Ix = 2,087 × 10⁸ mm⁴

Buigspanning

y = 220 − 14 = 206 mm
σ = M·y/I = 1,2 × 10⁸·206/2,087 × 10⁸ = 118,5 MPa

Antwoord

σj = 118,5 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics