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, −4) op b = (2, 6, 1), dat wil zeggen de component van a in de richting van b.
a = (5, −3, −4)b = (2, 6, 1)
compb a =
2.Vectoren: inwendig en uitwendig productMoeilijk
Een kracht F = (−40, 20, 50) N werkt in punt A(3, 3, −1). Coördinaten zijn in meter. Bepaal de y-component My van het moment van de kracht om punt O(3, 0, −2).
F = (−40, 20, 50) NA(3, 3, −1) mO(3, 0, −2) m
My = N·m
3.Oplegreacties van balkenGemiddeld
De vrij opgelegde balk (scharnier in A, rol in B) draagt een lineair verlopende belasting die oploopt van nul in A tot 4 kN/m in B. Op 4 m van A werkt ook een puntlast P. Vind de verticale oplegreactie RB.
L = 6 mw0 = 4 kN/mP = 75 kN 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 RA.
L = 8 mP = 25 kN op 1 mw = 4 kN/m van 5 tot 6 m
RA = 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 = 2 mB ligt 2 m van Averticale belasting = 15 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 = 8 mhoogte = 4 mB ligt 6 m van Averticale belasting = 20 kNhorizontale belasting = 30 kN →
FAC = kN
7.Raamwerken en machinesGemiddeld
In de getoonde kniehefboomklem zijn twee gelijke schakels AB en BC in B scharnierend verbonden, en elk maakt 20° met de lijn AC. In B wordt een neerwaartse kracht van 200 N uitgeoefend. De schuif C drukt op een werkstuk. Bepaal, zonder wrijving en gewichten, de horizontale klemkracht Q.
F = 200 Nθ = 20°
Q = N
8.Raamwerken en machinesMoeilijk
Een homogene horizontale giek AB met een gewicht van 2 kN is in A scharnierend aan een muur bevestigd en wordt vastgehouden door een kabel van zijn uiteinde B naar het punt C op de muur, 1 m boven A. In B hangt een last van 5 kN. Bepaal de spanning T in de kabel.
W = 5 kNWb = 2 kNAB = 2,5 mAC = 1 m
T = kN
9.Dwarskracht en buigend momentGemiddeld
Vind het buigend moment Mx in de doorsnede x = 1 m vanaf oplegging A. Neem doorbuigende (sagging) momenten positief en een opwaartse dwarskracht op het linkervlak positief.
L = 4 mw = 10 kN/m van 0 tot 4 mx = 1 m
Mx = kN·m
10.Dwarskracht en buigend momentMoeilijk
Vind het buigend moment Mx in de doorsnede x = 7 m vanaf oplegging A. Neem doorbuigende (sagging) momenten positief en een opwaartse dwarskracht op het linkervlak positief.
L = 10 mP = 40 kN op 7 mw = 12 kN/m van 0 tot 10 mx = 7 m
Mx = kN·m
11.Zwaartepunt en traagheidsmomentGemiddeld
Een symmetrisch I-profiel heeft flenzen van 110 mm breed en 12 mm dik, een totale hoogte van 420 mm en een lijf van 8 mm dik. Vind het elastische weerstandsmoment Sx voor buiging om de horizontale zwaartepuntsas x.
B = 110 mmH = 420 mmtf = 12 mmtw = 8 mm
Sx = × 10³ mm³
12.Zwaartepunt en traagheidsmomentMoeilijk
Een plaat van 100 mm × 200 mm heeft een rechthoekige uitsparing van 50 mm breed en 20 mm hoog, gecentreerd op de verticale hartlijn met zijn middelpunt 130 mm boven de onderkant. Bepaal het kwadratisch oppervlaktemoment Ix om de horizontale as door het zwaartepunt.
b = 100 mmh = 200 mmuitsparing: 50 × 20 mmmiddelpunt van het gat: y = 130 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
3Oplossingen
1.Vectoren: inwendig en uitwendig product
Antwoord: compb a = −1,874
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 = 5·2 + (−3)·6 + (−4)·1 = −12
Lengte van b
|b| = √(2² + 6² + 1²) = 6,403
Scalaire projectie
compb a = a·b/|b| = −12/6,403 = −1,874
Antwoord
compb a = −1,874
Negatief: a heeft een component die tegen b in wijst.
2.Vectoren: inwendig en uitwendig product
Antwoord: My = −40 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.
Plaatsvector van O naar A
r = A − O = (3, 3, −1) − (3, 0, −2) = (0, 3, 1) m
Moment M = r × F
(r × F)x = ryFz − rzFy = 3·50 − 1·20 = 130 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 1·(−40) − 0·50 = −40 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 0·20 − 3·(−40) = 120 N·m
Gevraagde component
My = −40 N·m
Antwoord
My = −40 N·m
3.Oplegreacties van balken
Antwoord: RB = 58 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.
Resultante van de driehoeksbelasting
W = ½·4·6 = 12 kN
x̄ = 2L/3 = 4 m
Evenwicht
Momenten om A, tegen de klok in positief. Daarna het verticale krachtenevenwicht.
ΣMA = 0: RB·6 = 12·4 + 75·4
RB = 58 kN
RA = 87 − 58 = 29 kN
Antwoord
RB = 58 kN
4.Oplegreacties van balken
Antwoord: RA = 23,13 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 = 4·1 = 4 kN, aangrijpend op x̄ = 5,5 m
ΣMA = 0: RB·8 = 25·1 + 4·1·5,5
RB = 47/8 = 5,875 kN
ΣFy = 0: RA = 29 − 5,875 = 23,13 kN
Antwoord
RA = 23,13 kN
5.Vakwerk: knopenmethode
Antwoord: FAB = −12,73 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 = 15·2 → Cy = 6 kN
ΣFy = 0: Ay = 15 − 6 = 9 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 = 2/2,828 = 0,7071
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −9/0,7071 = −12,73 kN
Antwoord
FAB = −12,73 kN (druk)
6.Vakwerk: knopenmethode
Antwoord: FAC = 15 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·8 = 20·6 + 30·4 → Cy = 30 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − 30 = −10 kN
ΣFx = 0: Ax = −30 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 = 4/4,472 = 0,8944, cos γ = 2/4,472 = 0,4472
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).
Evenwicht van pen B
2·Flink·sin 20° = 200
Flink = 292,4 N
Klemkracht
Q = Flink·cos 20° = 200/(2·tan 20°) = 274,7 N
Antwoord
Q = 274,7 N
De krachtverhouding Q/F = 1,374 groeit onbeperkt als de schakels strekken.
8.Raamwerken en machines
Antwoord: T = 16,16 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.
Kabelhoek
BC = √(2,5² + 1²) = 2,693 m, sin β = 0,3714
Momenten om A
T·0,3714·2,5 = 5·2,5 + 2·1,25
T = 16,16 kN
Antwoord
T = 16,16 kN
9.Dwarskracht en buigend moment
Antwoord: Mx = 15 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 = 10·4 = 40 kN, aangrijpend op x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 10·4·2
RB = 80/4 = 20 kN
ΣFy = 0: RA = 40 − 20 = 20 kN
Snijd bij x = 1 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 = 20·1 − 10·1·0,5 = 15 kN·m
Antwoord
Mx = 15 kN·m
10.Dwarskracht en buigend moment
Antwoord: Mx = 210 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 = 12·10 = 120 kN, aangrijpend op x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 40·7 + 12·10·5
RB = 880/10 = 88 kN
ΣFy = 0: RA = 160 − 88 = 72 kN
Snijd bij x = 7 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 = 72·7 − 12·7·3,5 = 210 kN·m
Antwoord
Mx = 210 kN·m
11.Zwaartepunt en traagheidsmoment
Antwoord: Sx = 720,5 × 10³ mm³
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.
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 = (20000·100 − 1000·130)/(20000 − 1000) = 98,42 mm