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 = (1, −3, −2) en b = (−4, 7, −6).

a = (1, −3, −2)b = (−4, 7, −6)
a·b =
2.Vectoren: inwendig en uitwendig productMoeilijk
xyzrFOA

Een kracht F = (−60, 40, 50) N werkt in punt A(3, 1, −3). Coördinaten zijn in meter. Bepaal de y-component My van het moment van de kracht om punt O(−2, 2, −2).

F = (−60, 40, 50) NA(3, 1, −3) mO(−2, 2, −2) m
My = N·m
3.Oplegreacties van balkenGemiddeld
P1​ = 60 kNP2​ = 20 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 RA.

L = 4 mP1 = 60 kN op 1,5 mP2 = 20 kN op 2 m
RA = kN
4.Oplegreacties van balkenMoeilijk
w = 8 kN/mP = 35 kNABRA​ = ?RB​2 m4 m1 m1 m

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

L = 8 mP = 35 kN op 2 mw = 8 kN/m van 6 tot 7 m
RA = kN
5.Vakwerk: knopenmethodeGemiddeld
ABBCACACB45 kN8 m5 m3 m

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

overspanning = 8 mhoogte = 3 mB ligt 5 m van Averticale belasting = 45 kN
FAC = kN
6.Vakwerk: knopenmethodeMoeilijk
ABBCACACB40 kN30 kN6 m5 m4 m

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

overspanning = 6 mhoogte = 4 mB ligt 5 m van Averticale belasting = 40 kNhorizontale belasting = 30 kN ←
FAC = kN
7.Raamwerken en machinesGemiddeld
2 kN1 m1,5 m0,5 mABCD

Een horizontale balk AB is in A scharnierend aan een muur bevestigd en wordt gesteund door de stut CD, die in C, 0,5 m onder A, scharnierend aan de muur zit. In B hangt een last van 2 kN. Verwaarloos de gewichten. Bepaal de grootte van de pennenkracht A op de balk in A.

P = 2 kNAD = 1 mAB = 2,5 mAC = 0,5 m
A = kN
8.Raamwerken en machinesMoeilijk
5 kN0,5 kN2,5 m4 mABC

Een homogene horizontale giek AB met een gewicht van 0,5 kN is in A scharnierend aan een muur bevestigd en wordt vastgehouden door een kabel van B naar het punt C op de muur, 4 m boven A. In B hangt een last van 5 kN. Bepaal de grootte van de penreactie A.

W = 5 kNWb = 0,5 kNAB = 2,5 mAC = 4 m
A = kN
9.Dwarskracht en buigend momentGemiddeld
8 kN/m40 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.

40 kN @ 2 m8 kN/m, 1–5 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)
10.Dwarskracht en buigend momentMoeilijk
25 kN35 kN25 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.

25 kN @ 0 m35 kN @ 6 m25 kN @ 2 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
1001028018xafmetingen in mm

Vind het traagheidsmoment Ix van het T-profiel om de horizontale as x door het zwaartepunt.

bf = 100 mmtf = 10 mmtw = 18 mmhw = 280 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Zwaartepunt en traagheidsmomentMoeilijk
100 mm150 mm60 mm50 × 40xIx​ = ?

Een plaat van 100 mm × 150 mm heeft een rechthoekige uitsparing van 50 mm breed en 40 mm hoog, gecentreerd op de verticale hartlijn met zijn middelpunt 60 mm boven de onderkant. Bepaal het kwadratisch oppervlaktemoment Ix om de horizontale as door het zwaartepunt.

b = 100 mmh = 150 mmuitsparing: 50 × 40 mmmiddelpunt van het gat: y = 60 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴

3Oplossingen

1.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: a·b = −13

Inwendig product: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, een scalar. Het geeft de hoek tussen twee vectoren, cos θ = a·b/(|a|·|b|), en het is nul als ze loodrecht op elkaar staan. De scalaire projectie van a op b is a·b/|b|, en een constante kracht F die over een verplaatsing d werkt, verricht arbeid W = F·d.

Vermenigvuldig overeenkomstige componenten en tel op

a·b = 1·(−4) + (−3)·7 + (−2)·(−6) = (−4) + (−21) + 12 = −13

Antwoord

a·b = −13

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

2.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: My = −190 N·m

Uitwendig product: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) staat loodrecht op beide vectoren, en |a × b| = |a|·|b|·sin θ is de oppervlakte van het parallellogram dat ze opspannen (de driehoek is de helft daarvan). De volgorde doet ertoe: b × a = −(a × b). Het moment van een kracht F die op punt A werkt, om punt O is MO = r × F, met r = A − O.

Plaatsvector van O naar A

r = A − O = (3, 1, −3) − (−2, 2, −2) = (5, −1, −1) m

Moment M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−1)·50 − (−1)·40 = −10 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−1)·(−60) − 5·50 = −190 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 5·40 − (−1)·(−60) = 140 N·m

Gevraagde component

My = −190 N·m

Antwoord

My = −190 N·m
3.Oplegreacties van balken

Antwoord: RA = 47,5 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.

P1​ = 60 kNP2​ = 20 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.

ΣMA = 0: RB·4 = 60·1,5 + 20·2
RB = 130/4 = 32,5 kN
ΣFy = 0: RA = 80 − 32,5 = 47,5 kN

Antwoord

RA = 47,5 kN
4.Oplegreacties van balken

Antwoord: RA = 27,75 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 = 35 kNABRA​RB​2 m4 m1 m1 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 = 8·1 = 8 kN, aangrijpend op x̄ = 6,5 m
ΣMA = 0: RB·8 = 35·2 + 8·1·6,5
RB = 122/8 = 15,25 kN
ΣFy = 0: RA = 43 − 15,25 = 27,75 kN

Antwoord

RA = 27,75 kN
5.Vakwerk: knopenmethode

Antwoord: FAC = 28,12 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.

ABBCACACB45 kNAy​Cy​

Oplegreacties

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 45·5 → Cy = 28,13 kN
ΣFy = 0: Ay = 45 − 28,13 = 16,88 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 = −28,13/0,7071 = −39,77 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−39,77)·0,7071 = 28,12 kN

Antwoord

FAC = 28,12 kN (trek)
6.Vakwerk: knopenmethode

Antwoord: FAC = 3,333 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.

ABBCACACB40 kN30 kNAy​Cy​Ax​

Oplegreacties

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

ΣMA = 0: Cy·6 = 40·5 − 30·4 → Cy = 13,33 kN
ΣFy = 0: Ay = 40 − 13,33 = 26,67 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 = 4/4,123 = 0,9701, cos γ = 1/4,123 = 0,2425
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −13,33/0,9701 = −13,74 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−13,74)·0,2425 = 3,333 kN

Antwoord

FAC = 3,333 kN (trek)
7.Raamwerken en machines

Antwoord: A = 10,44 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 = 2·2,5/(0,4472·1) = 11,18 kN

Componenten in A

Ax = FCD·cos α = 10 kN (naar de muur toe)
Ay = 2 − FCD·sin α = −3 kN

Grootte

A = √(10² + −3²) = 10,44 kN

Antwoord

A = 10,44 kN

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

8.Raamwerken en machines

Antwoord: A = 3,291 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.

Kabelspanning

T = (5 + 0,5/2)/0,848 = 6,191 kN

Componenten in A

Ax = T·cos β = 3,281 kN
Ay = 5 + 0,5 − T·sin β = 0,25 kN

Grootte

A = √(3,281² + 0,25²) = 3,291 kN

Antwoord

A = 3,291 kN
9.Dwarskracht en buigend moment

Antwoord: C (x = 2 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 = 42,67 kN, R2 = 29,33 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 = 42,67, MC = 81,33 kN·m, MD = 72, ME = 54,67, MF = 29,33, MG = 0

Antwoord

Markering C: MC = 81,33 kN·m
10.Dwarskracht en buigend moment

Antwoord: E (x = 4 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 = 26,67 kN, R2 = 58,33 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 = −25, MC = −23,33, MD = −46,67, ME = −70 kN·m, MF = −35, MG = 0

Antwoord

Markering E: ME = −70 kN·m
11.Zwaartepunt en traagheidsmoment

Antwoord: Ix = 50,48 × 10⁶ mm⁴

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 = 100·10 = 1000 mm², yf = 280 + 10/2 = 285 mm
lijf: Aw = 18·280 = 5040 mm², yw = 280/2 = 140 mm

Zwaartepunt

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (1000·285 + 5040·140)/6040 = 164 mm

Stelling van Steiner

flens: 100·10³/12 + 1000·(285 − 164)² = 1,465 × 10⁷ mm⁴
lijf: 18·280³/12 + 5040·(140 − 164)² = 3,583 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,465 × 10⁷ + 3,583 × 10⁷ = 5,048 × 10⁷ mm⁴ = 50,48 × 10⁶ mm⁴

Antwoord

Ix = 50,48 × 10⁶ mm⁴
12.Zwaartepunt en traagheidsmoment

Antwoord: Ix = 27,34 × 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 = (15000·75 − 2000·60)/(15000 − 2000) = 77,31 mm

Volle plaat om ȳ

100·150³/12 + 15000·−2,308² = 28,2 × 10⁶ mm⁴

Gat om ȳ

50·40³/12 + 2000·−17,31² = 0,8658 × 10⁶ mm⁴

Trek af

Ix = 27,34 × 10⁶ mm⁴

Antwoord

Ix = 27,34 × 10⁶ mm⁴

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics