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, 1, 2) en b = (−2, −6, 6).

a = (−1, 1, 2)b = (−2, −6, 6)
a·b =
2.Vectoren: inwendig en uitwendig productMoeilijk
xyzabc

Bepaal het volume V van het parallellepipedum waarvan de ribben vanuit één hoekpunt a = (−1, 0, −4), b = (−1, −4, −4) en c = (4, 1, −3) zijn.

a = (−1, 0, −4)b = (−1, −4, −4)c = (4, 1, −3)
V =
3.Oplegreacties van balkenGemiddeld
P1​ = 10 kNP2​ = 45 kNABCRB​ = ?4 m2 m4 m

De balk heeft een scharnier in A en een rol in B, op 6 m van A, en steekt voorbij B uit tot het vrije uiteinde C. Vind de verticale reactie RB, met omhoog positief.

AB = 6 mAC = 10 mP1 = 10 kN op 4 mP2 = 45 kN op 10 m
RB = kN
4.Oplegreacties van balkenMoeilijk
w = 5 kN/mP = 45 kNABRA​ = ?RB​2 m2 m2 m2 m

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

L = 8 mP = 45 kN op 6 mw = 5 kN/m van 2 tot 4 m
RA = kN
5.Vakwerk: knopenmethodeGemiddeld
ABCDEFGH35 kN20 kN15 kN40 kN4 × 3 m4 m

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

C: 35 kN ↓D: 20 kN ↓F: 15 kN ↓G: 40 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
6.Vakwerk: knopenmethodeMoeilijk
ABCDEFGH10 kN15 kN40 kN15 kN4 × 3 m4 m

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

D: 10 kN ↓F: 15 kN ↓H: 40 kN ↓H: 15 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
7.Raamwerken en machinesGemiddeld
4 kN6 m1 m1 mABCDE

Het getoonde A-frame staat op een scharnier in A en een rol in B, 6 m uit elkaar. De poten komen samen in het scharnier C, 2 m hoog, en de horizontale trekstang DE zit 1 m boven de grond. In C werkt een belasting van 4 kN. Bepaal de grootte van de kracht C die de pen C op poot BC uitoefent.

P = 4 kNAB = 6 mhoogte van C = 2 mhoogte van DE = 1 m
C = kN
8.Raamwerken en machinesMoeilijk
10 kN3 kN6 m2 mABC

Een homogene horizontale giek AB met een gewicht van 3 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, 2 m boven A. In B hangt een last van 10 kN. Bepaal de spanning T in de kabel.

W = 10 kNWb = 3 kNAB = 6 mAC = 2 m
T = kN
9.Dwarskracht en buigend momentGemiddeld
6 kN/m30 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 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.

30 kN @ 6 m6 kN/m, 0–12 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
10.Dwarskracht en buigend momentMoeilijk
w = 8 kN/mP = 15 kNABdoorsnede1,5 m3,5 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 = 5 mP = 15 kN op 1,5 mw = 8 kN/m van 0 tot 5 mx = 1,5 m
Mx = kN·m
11.Zwaartepunt en traagheidsmomentGemiddeld
150 mm240 mm96 mmØ40xIx​ = ?

Een plaat van 150 mm × 240 mm heeft een rond gat met een diameter van 40 mm op de verticale hartlijn, met zijn middelpunt 96 mm boven de onderkant. Bepaal het kwadratisch oppervlaktemoment Ix om de horizontale as door het zwaartepunt.

b = 150 mmh = 240 mmd = 40 mmmiddelpunt van het gat: y = 96 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Zwaartepunt en traagheidsmomentMoeilijk
130240183301816xafmetingen in mm

Een gelast I-profiel heeft een bovenflens van 130 × 18 mm, een lijf van 330 mm hoog en 16 mm dik, en een onderflens van 240 × 18 mm (breedte × dikte). Vind het traagheidsmoment Ix om de horizontale as x door het zwaartepunt.

bovenflens: 130 × 18 mmlijf: 16 × 330 mmonderflens: 240 × 18 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴

3Oplossingen

1.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: a·b = 8

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.

Vermenigvuldig overeenkomstige componenten en tel op

a·b = (−1)·(−2) + 1·(−6) + 2·6 = 2 + (−6) + 12 = 8

Antwoord

a·b = 8

Positief: de hoek tussen de vectoren is kleiner dan 90°.

2.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: V = 76

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 b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = (−4)·(−3) − (−4)·1 = 16
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−4)·4 − (−1)·(−3) = −19
(b × c)z = bxcy − bycx = (−1)·1 − (−4)·4 = 15

Inwendig product met a

a·(b × c) = (−1)·16 + 0·(−19) + (−4)·15 = −76
V = |−76| = 76

Antwoord

V = 76
3.Oplegreacties van balken

Antwoord: RB = 81,67 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 = 10·4 + 45·10
RB = 490/6 = 81,67 kN

Verticaal evenwicht

RA = 10 + 45 − 81,67 = −26,67 kN

Antwoord

RB = 81,67 kN

RA is negatief: het scharnier in A moet de balk naar beneden houden.

4.Oplegreacties van balken

Antwoord: RA = 17,5 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.

w = 5 kN/mP = 45 kNABRA​RB​2 m2 m2 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·8 = 45·6 + 5·2·3
RB = 300/8 = 37,5 kN
ΣFy = 0: RA = 55 − 37,5 = 17,5 kN

Antwoord

RA = 17,5 kN
5.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: 40,31 kN (T), BC: 40,31 kN (T), CD: 42,19 kN (T), DE: 42,19 kN (T), FG: 69,37 kN (C), GH: 69,37 kN (C), AF: 67,19 kN (C), HE: 70,31 kN (C), BF: 0, CG: 40 kN (C), DH: 20 kN (T), FC: 48,44 kN (T), HC: 45,31 kN (T)

Antwoord

Nulstaaf: BF
6.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: 6,562 kN (T), BC: 16,87 kN (T), CD: 16,87 kN (T), DE: 27,19 kN (T), FG: 21,56 kN (C), GH: 42,19 kN (C), AF: 35,94 kN (C), HE: 45,31 kN (C), BF: 13,75 kN (T), CG: 0, DH: 3,75 kN (C), BG: 17,19 kN (C), DG: 17,19 kN (T)

Antwoord

Nulstaaf: CG
7.Raamwerken en machines

Antwoord: C = 6,325 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.

Trekstangkracht uit poot BC

By = 2 kN
T = 2·3/1 = 6 kN

Componenten van de pennenkracht op BC

Cx = T = 6 kN, Cy = −By = −2 kN

Grootte

C = √(6² + 2²) = 6,325 kN

Antwoord

C = 6,325 kN
8.Raamwerken en machines

Antwoord: T = 36,37 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 = √(6² + 2²) = 6,325 m, sin β = 0,3162

Momenten om A

T·0,3162·6 = 10·6 + 3·3
T = 36,37 kN

Antwoord

T = 36,37 kN
9.Dwarskracht en buigend moment

Antwoord: D (x = 6 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 = 51 kN, R2 = 51 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 = 90, MC = 156, MD = 198 kN·m, ME = 156, MF = 90, MG = 0

Antwoord

Markering D: MD = 198 kN·m
10.Dwarskracht en buigend moment

Antwoord: Mx = 36,75 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 = 8·5 = 40 kN, aangrijpend op x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 15·1,5 + 8·5·2,5
RB = 122,5/5 = 24,5 kN
ΣFy = 0: RA = 55 − 24,5 = 30,5 kN
w = 8 kN/mP = 15 kNABRA​ = 30,5RB​ = 24,5doorsnede1,5 m3,5 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 = 30,5·1,5 − 8·1,5·0,75 = 36,75 kN·m

Antwoord

Mx = 36,75 kN·m
11.Zwaartepunt en traagheidsmoment

Antwoord: Ix = 171,9 × 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 = (36000·120 − 1257·96)/(36000 − 1257) = 120,9 mm

Volle plaat om ȳ

150·240³/12 + 36000·−0,8681² = 172,8 × 10⁶ mm⁴

Gat om ȳ

π·40⁴/64 + 1257·−24,87² = 0,9028 × 10⁶ mm⁴

Trek af

Ix = 171,9 × 10⁶ mm⁴

Antwoord

Ix = 171,9 × 10⁶ mm⁴
12.Zwaartepunt en traagheidsmoment

Antwoord: Ix = 239,8 × 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 drie rechthoeken

Meet elke y vanaf de onderrand.

bovenflens: A = 2340 mm², y = 357 mm
lijf: A = 5280 mm², y = 183 mm
onderflens: A = 4320 mm², y = 9 mm

Zwaartepunt

ȳ = (2340·357 + 5280·183 + 4320·9)/11940 = 154,1 mm

Stelling van Steiner

bovenflens: 130·18³/12 + 2340·202,9² = 9,635 × 10⁷ mm⁴
lijf: 16·330³/12 + 5280·28,85² = 5,231 × 10⁷ mm⁴
onderflens: 240·18³/12 + 4320·145,1² = 9,113 × 10⁷ mm⁴
Ix = 9,635 × 10⁷ + 5,231 × 10⁷ + 9,113 × 10⁷
Ix = 2,398 × 10⁸ mm⁴ = 239,8 × 10⁶ mm⁴

Antwoord

Ix = 239,8 × 10⁶ mm⁴

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics