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 = (0, 3, −4) en b = (3, −4, k) loodrecht op elkaar staan.

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

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

a = (3, −1, 2)b = (2, −5, −3)n̂z > 0
n̂y =
3.Oplegreacties van balkenGemiddeld
w0​ = 10 kN/mABRB​ = ?4 m

De vrij opgelegde balk (scharnier in A, rol in B) draagt een lineair verlopende belasting die oploopt van nul in A tot 10 kN/m in B. Vind de verticale oplegreactie RB.

L = 4 mw0 = 10 kN/m
RB = kN
4.Oplegreacties van balkenMoeilijk
w = 8 kN/mP = 10 kNQ = 60 kNADCRD​ = ?1 m2 m3 m2 m

Een samengestelde balk is in A in de muur ingeklemd, heeft een inwendig scharnier in C (3 m van A) en rust op een rol in D (8 m van A). Hij draagt een puntlast P op 6 m van A, een gelijkmatig verdeelde belasting w op het hele deel CD en een puntlast Q op 1 m van A. Vind de reactie RD bij de rol.

AC = 3 mAD = 8 mP = 10 kN op 6 mw = 8 kN/m van 3 tot 8 mQ = 60 kN op 1 m
RD = kN
5.Vakwerk: knopenmethodeGemiddeld
ABCDEFGH40 kN10 kN20 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.

D: 40 kN ↓F: 10 kN ↓H: 20 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 BG
  13. 13staaf DG
6.Vakwerk: knopenmethodeMoeilijk
ABCDEFGH30 kN25 kN20 kN4 × 3 m3 m

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

B: 30 kN ↓F: 25 kN →G: 20 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 m1 m2,6 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 3,6 m hoogte en de horizontale trekstang DE 1 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 = 3,6 mhoogte van DE = 1 mhorizontale afstand A tot K = 1,8 m
T = kN
8.Raamwerken en machinesMoeilijk
8 kN4 kN3 m3 m0,45 mABCK

Het getoonde raamwerk heeft scharnieren in A, B en C; A en C zitten 3 m uit elkaar aan de grond vast, en B ligt 3 m hoog en 0,45 m rechts van A. Staaf AB draagt een verticale belasting van 8 kN in K, 0,1125 m (horizontaal) van A, en in B werkt een horizontale belasting van 4 kN naar rechts op staaf AB. Bepaal de grootte van de horizontale reactie Ax in A.

P = 8 kNQ = 4 kNL = 3 mH = 3 mhorizontale afstand A tot B = 0,45 mhorizontale afstand A tot K = 0,1125 m
Ax = kN
9.Dwarskracht en buigend momentGemiddeld
w = 6 kN/mABdoorsnede3 m2 m

Vind het buigend moment Mx in de doorsnede x = 3 m vanaf oplegging A. Neem doorbuigende (sagging) momenten positief en een opwaartse dwarskracht op het linkervlak positief.

L = 5 mw = 6 kN/m van 0 tot 5 mx = 3 m
Mx = kN·m
10.Dwarskracht en buigend momentMoeilijk
w = 8 kN/mP = 35 kNABdoorsnede1 m7 m2 m

Vind het buigend moment Mx in de doorsnede x = 8 m vanaf oplegging A. Neem doorbuigende (sagging) momenten positief en een opwaartse dwarskracht op het linkervlak positief.

L = 10 mP = 35 kN op 1 mw = 8 kN/m van 0 tot 10 mx = 8 m
Mx = kN·m
11.Zwaartepunt en traagheidsmomentGemiddeld
200 mm150 mm60 mmØ60xIx​ = ?

Een plaat van 200 mm × 150 mm heeft een rond gat met een diameter van 60 mm 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 = 200 mmh = 150 mmd = 60 mmmiddelpunt van het gat: y = 60 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Zwaartepunt en traagheidsmomentMoeilijk
240301808xopbuigend Mafmetingen in mm

Een gietijzeren balk heeft het getekende T-profiel, met de flens boven. De toelaatbare spanningen zijn 35 MPa op trek en 90 MPa op druk. Vind het grootste opbuigende (hogging) moment Mallow dat de balk kan dragen (geef de grootte).

bf = 240 mmtf = 30 mmtw = 8 mmhw = 180 mmσt,allow = 35 MPaσc,allow = 90 MPa
Mallow = kN·m

3Oplossingen

1.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: k = −3

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 = 0·3 + 3·(−4) + (−4)·k = 0
−12 + (−4)·k = 0

Los op naar k

k = −(−12)/(−4) = −3

Antwoord

k = −3
2.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: n̂y = −0,5774

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 = (−1)·(−3) − 2·(−5) = 13
(a × b)y = azbx − axbz = 2·2 − 3·(−3) = 13
(a × b)z = axby − aybx = 3·(−5) − (−1)·2 = −13

Normeren

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

|a × b| = √(13² + 13² + (−13)²) = 22,52
n̂ = −(13, 13, −13)/22,52 = (−0,5774, −0,5774, 0,5774)
n̂y = −0,5774

Antwoord

n̂y = −0,5774
3.Oplegreacties van balken

Antwoord: RB = 13,33 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 = ½·10·4 = 20 kN
x̄ = 2L/3 = 2,667 m

Evenwicht

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

ΣMA = 0: RB·4 = 20·2,667
RB = 13,33 kN
RA = 20 − 13,33 = 6,667 kN

Antwoord

RB = 13,33 kN
4.Oplegreacties van balken

Antwoord: RD = 26 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. Een inwendig scharnier kan geen buigend moment dragen, wat één extra vergelijking geeft: het moment om het scharnier van de krachten aan één kant is nul.

Deel CD

Het scharnier heeft geen moment, dus de momenten om C op alleen CD moeten in evenwicht zijn.

W = 8·5 = 40 kN op 2,5 m vanaf C
ΣMC = 0: RD·5 = 10·3 + 40·2,5
RD = 26 kN
VC = 50 − 26 = 24 kN

Antwoord

RD = 26 kN
5.Vakwerk: knopenmethode

Antwoord: staaf CG

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 C

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

ΣF⊥ = 0 → FCG = 0

Controleer met de knooppuntenmethode

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

AB: 30 kN (T), BC: 46,67 kN (T), CD: 46,67 kN (T), DE: 63,33 kN (T), FG: 30 kN (C), GH: 63,33 kN (C), AF: 37,5 kN (C), HE: 79,17 kN (C), BF: 12,5 kN (T), CG: 0, DH: 27,5 kN (T), BG: 20,83 kN (C), DG: 20,83 kN (T)

Antwoord

Nulstaaf: CG
6.Vakwerk: knopenmethode

Antwoord: staaf DH

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 D

CD en DE liggen op één rechte lijn en het knooppunt draagt geen belasting. Het krachtenevenwicht dwars op die lijn laat alleen DH over.

ΣF⊥ = 0 → FDH = 0

Controleer met de knooppuntenmethode

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

AB: 51,25 kN (T), BC: 51,25 kN (T), CD: 23,75 kN (T), DE: 23,75 kN (T), FG: 47,5 kN (C), GH: 47,5 kN (C), AF: 37,12 kN (C), HE: 33,59 kN (C), BF: 30 kN (T), CG: 20 kN (C), DH: 0, FC: 5,303 kN (C), HC: 33,59 kN (T)

Antwoord

Nulstaaf: DH
7.Raamwerken en machines

Antwoord: T = 0,6923 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·2,6
T = 0,6923 kN

Antwoord

T = 0,6923 kN
8.Raamwerken en machines

Antwoord: Ax = 0,345 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.

Richting van BC

BC = 3,937 m, cos = 0,6476, sin = 0,7619

Heel raamwerk: momenten om A

FBC·0,7619·3 = 8·0,1125 + 4·3
FBC = 5,643 kN

Horizontaal evenwicht

Ax + 4 − 5,643·0,6476 = 0
Ax = −0,345 kN → |Ax| = 0,345 kN

Antwoord

Ax = 0,345 kN

Het minteken betekent dat Ax naar links wijst.

9.Dwarskracht en buigend moment

Antwoord: Mx = 18 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 = 6·5 = 30 kN, aangrijpend op x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 6·5·2,5
RB = 75/5 = 15 kN
ΣFy = 0: RA = 30 − 15 = 15 kN
w = 6 kN/mABRA​ = 15RB​ = 15doorsnede3 m2 m

Snijd bij x = 3 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 = 15·3 − 6·3·1,5 = 18 kN·m

Antwoord

Mx = 18 kN·m
10.Dwarskracht en buigend moment

Antwoord: Mx = 71 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 = 8·10 = 80 kN, aangrijpend op x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 35·1 + 8·10·5
RB = 435/10 = 43,5 kN
ΣFy = 0: RA = 115 − 43,5 = 71,5 kN
w = 8 kN/mP = 35 kNABRA​ = 71,5RB​ = 43,5doorsnede1 m7 m2 m

Snijd bij x = 8 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 = 71,5·8 − 35·(8 − 1) − 8·8·4 = 71 kN·m

Antwoord

Mx = 71 kN·m
11.Zwaartepunt en traagheidsmoment

Antwoord: Ix = 54,91 × 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 = (30000·75 − 2827·60)/(30000 − 2827) = 76,56 mm

Volle plaat om ȳ

200·150³/12 + 30000·−1,561² = 56,32 × 10⁶ mm⁴

Gat om ȳ

π·60⁴/64 + 2827·−16,56² = 1,412 × 10⁶ mm⁴

Trek af

Ix = 54,91 × 10⁶ mm⁴

Antwoord

Ix = 54,91 × 10⁶ mm⁴
12.Zwaartepunt en traagheidsmoment

Antwoord: Mallow = 8,953 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 = (7200·195 + 1440·90)/8640 = 177,5 mm
bovenrand: c = 210 − 177,5 = 32,5 mm

Traagheidsmoment

I = 240·30³/12 + 7200·17,5² + 8·180³/12 + 1440·87,5² = 1,766 × 10⁷ mm⁴

Toelaatbaar moment per rand

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

bovenrand: M = 35·1,766 × 10⁷/32,5 = 19,02 kN·m
onderrand: M = 90·1,766 × 10⁷/177,5 = 8,953 kN·m

Maatgevende waarde

Mallow = min = 8,953 kN·m (onderrand)

Antwoord

Mallow = 8,953 kN·m

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics