Constructieleer: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 10 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

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.

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.

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.

Doorbuiging van de balk

Puntlast in het midden
δ = PL³/(48EI)
Gelijkmatige belasting, ligger op twee steunpunten
δ = 5wL⁴/(384EI)
Uitkraging, eindlast
δ = PL³/(3EI)
Uitkraging, gelijkmatige belasting
δ = wL⁴/(8EI)
Superpositie
δ = δ1 + δ2

Knik van kolommen

Eulerse kniklast
Pcr = π²EI/(KL)²
Kniklengtefactor
K = 1 scharnierend–scharnierend, 0,5 ingeklemd–ingeklemd, 0,7 ingeklemd–scharnierend, 2 ingeklemd–vrij
Kritieke spanning
σcr = Pcr/A
Slankheid
λ = KL/r, r = √(I/A)

2Oefenopgaven

1.Oplegreacties van balkenGemiddeld
P1​ = 40 kNP2​ = 20 kNABRA​ = ?RB​3 m1 m2 m

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

L = 6 mP1 = 40 kN op 3 mP2 = 20 kN op 4 m
RA = kN
2.Oplegreacties van balkenMoeilijk
w = 4 kN/mP = 55 kNABRA​ = ?RB​1,5 m0,5 m2 m1 m

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

L = 5 mP = 55 kN op 1,5 mw = 4 kN/m van 2 tot 4 m
RA = kN
3.Dwarskracht en buigend momentGemiddeld
M0​ = 45 kN·mAB6 m2 m

De vrij opgelegde balk draagt een rechtsdraaiend koppel M0 = 45 kN·m op x = 6 m vanaf A, en verder geen belasting. Vind het buigend moment Mx net links van het koppel. Neem doorbuigende (sagging) momenten positief en een opwaartse dwarskracht op het linkervlak positief.

L = 8 mM0 = 45 kN·m rechtsom, op 6 m
Mx = kN·m
4.Dwarskracht en buigend momentMoeilijk
w = 12 kN/mP = 20 kNABdoorsnede4,5 m0,5 m1 m

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

L = 6 mP = 20 kN op 4,5 mw = 12 kN/m van 0 tot 6 mx = 5 m
Mx = kN·m
5.Vakwerk: knopenmethodeGemiddeld
ABCDEFGH15 kN30 kN10 kN4 × 4 m4 m

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

D: 15 kN ↓G: 30 kN ↓H: 10 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
ABBCACACB55 kN10 kN8 m1 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 1 m van Averticale belasting = 55 kNhorizontale belasting = 10 kN ←
FAC = kN
7.Doorbuiging van de balkGemiddeld
w = 12 kN/mP = 17 kNABδ2 m

Een uitkragende ligger draagt een gelijkmatig verdeelde belasting w over de hele lengte en een puntlast P aan het vrije uiteinde. Vind met superpositie de doorbuiging δ aan het vrije uiteinde.

P = 17 kNw = 12 kN/mL = 2 mE = 200 GPa (staal)I = 57 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.Doorbuiging van de balkMoeilijk
w = 3 kN/mABδ4 m

Een vrij opgelegde houten balk met rechthoekige doorsnede, 125 mm breed, draagt een gelijkmatig verdeelde belasting w over de hele overspanning. De doorbuiging in het midden mag niet groter zijn dan overspanning/250. Vind de kleinste hoogte hreq van de doorsnede.

w = 3 kN/mL = 4 mE = 11 GPa (constructiehout)b = 125 mm
hreq = mm
9.Knik van kolommenGemiddeld
PL = 2,5 md = 25 mmdoorsnede

Een kolom met lengte L van staal is aan beide uiteinden scharnierend. Vind met de formule van Euler de kritieke knikbelasting Pcr.

L = 2,5 mE = 200 GPa (staal)d = 25 mm
Pcr = kN
10.Knik van kolommenMoeilijk
P = 90 kNL = 2 md = ?doorsnede

Een massieve ronde kolom met lengte L van staal is onderaan ingeklemd en bovenaan vrij. Hij moet 90 kN dragen met een veiligheidsfactor van 2,5 tegen knik. Vind de kleinste diameter d.

P = 90 kNn = 2,5L = 2 mE = 200 GPa (staal)
d = mm

3Oplossingen

1.Oplegreacties van balken

Antwoord: RA = 26,67 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​ = 40 kNP2​ = 20 kNABRA​RB​3 m1 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·6 = 40·3 + 20·4
RB = 200/6 = 33,33 kN
ΣFy = 0: RA = 60 − 33,33 = 26,67 kN

Antwoord

RA = 26,67 kN
2.Oplegreacties van balken

Antwoord: RA = 41,7 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 = 4 kN/mP = 55 kNABRA​RB​1,5 m0,5 m2 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 = 4·2 = 8 kN, aangrijpend op x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·5 = 55·1,5 + 4·2·3
RB = 106,5/5 = 21,3 kN
ΣFy = 0: RA = 63 − 21,3 = 41,7 kN

Antwoord

RA = 41,7 kN
3.Dwarskracht en buigend moment

Antwoord: Mx = −33,75 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. Een uitwendig koppel laat de momentenlijn verspringen met de grootte van het koppel.

Oplegreacties

Momenten om A, linksom positief: RB·L − M0 = 0. Verticaal evenwicht: RA + RB = 0.

RB = M0/L = 45/8 = 5,625 kN (omhoog)
RA = −RB = −5,625 kN (omlaag)

Snede net links van het koppel

Het linkerdeel bevat alleen RA.

Mx = RA·a = −5,625·6 = −33,75 kN·m

Antwoord

Mx = −33,75 kN·m
4.Dwarskracht en buigend moment

Antwoord: Mx = 45 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 = 12·6 = 72 kN, aangrijpend op x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 20·4,5 + 12·6·3
RB = 306/6 = 51 kN
ΣFy = 0: RA = 92 − 51 = 41 kN
w = 12 kN/mP = 20 kNABRA​ = 41RB​ = 51doorsnede4,5 m0,5 m1 m

Snijd bij x = 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 = 41·5 − 20·(5 − 4,5) − 12·5·2,5 = 45 kN·m

Antwoord

Mx = 45 kN·m
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: 21,25 kN (T), BC: 42,5 kN (T), CD: 42,5 kN (T), DE: 33,75 kN (T), FG: 21,25 kN (C), GH: 33,75 kN (C), AF: 30,05 kN (C), HE: 47,73 kN (C), BF: 21,25 kN (T), CG: 0, DH: 23,75 kN (T), BG: 30,05 kN (C), DG: 12,37 kN (C)

Antwoord

Nulstaaf: CG
6.Vakwerk: knopenmethode

Antwoord: FAC = 7,292 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.

ABBCACACB55 kN10 kNAy​Cy​Ax​

Oplegreacties

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 55·1 − 10·3 → Cy = 3,125 kN
ΣFy = 0: Ay = 55 − 3,125 = 51,88 kN
ΣFx = 0: Ax = 10 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 = 3/7,616 = 0,3939, cos γ = 7/7,616 = 0,9191
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −3,125/0,3939 = −7,933 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−7,933)·0,9191 = 7,292 kN

Antwoord

FAC = 7,292 kN (trek)
7.Doorbuiging van de balk

Antwoord: δ = 6,082 mm

Doorbuiging van balken: doorbuigingen volgen uit het twee keer integreren van de kromming M/(EI). Standaardgevallen staan in tabellen, bijvoorbeeld PL³/(3EI) voor een uitkragende ligger met een eindlast en 5wL⁴/(384EI) voor een vrij opgelegde balk onder een volledige gelijkmatige belasting. Doorbuigingen door afzonderlijke belastingen tellen op (superpositie).

Consistente eenheden

Werk in N en mm: P in N, w in N/mm (kN/m = N/mm), L in mm, E in N/mm² (GPa × 1000), I in mm⁴.

P = 17000 N, w = 12 N/mm, L = 2000 mm
EI = 1,14 × 10¹³ N·mm²

Elke belasting afzonderlijk

δP = PL³/(3EI) = 17000·2000³/(3·1,14 × 10¹³) = 3,977 mm
δw = wL⁴/(8EI) = 12·2000⁴/(8·1,14 × 10¹³) = 2,105 mm

Tel ze op

δ = 3,977 + 2,105 = 6,082 mm

Antwoord

δ = 6,082 mm
8.Doorbuiging van de balk

Antwoord: hreq = 176 mm

Doorbuiging van balken: doorbuigingen volgen uit het twee keer integreren van de kromming M/(EI). Standaardgevallen staan in tabellen, bijvoorbeeld PL³/(3EI) voor een uitkragende ligger met een eindlast en 5wL⁴/(384EI) voor een vrij opgelegde balk onder een volledige gelijkmatige belasting. Doorbuigingen door afzonderlijke belastingen tellen op (superpositie).

Consistente eenheden

Werk in N en mm: P in N, w in N/mm (kN/m = N/mm), L in mm, E in N/mm² (GPa × 1000), I in mm⁴.

w = 3 N/mm, L = 4000 mm, E = 11000 N/mm²

Doorbuigingseis

δallow = L/250 = 4000/250 = 16 mm

Benodigd traagheidsmoment

Ireq = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·3·4000⁴/(384·11000·16) = 5,682 × 10⁷ mm⁴

Benodigde hoogte

bh³/12 = Ireq → h = (12·5,682 × 10⁷/125)1/3 = 176 mm

Antwoord

hreq = 176 mm

Kies in de praktijk de eerstvolgende standaardhoogte boven deze waarde.

9.Knik van kolommen

Antwoord: Pcr = 6,056 kN

Knik volgens Euler: een slanke kolom wordt instabiel bij Pcr = π²EI/(KL)², waarbij KL de kniklengte is: K = 1 voor scharnier–scharnier, 2 voor ingeklemd–vrij, 0,7 voor ingeklemd–scharnier en 0,5 voor ingeklemd–ingeklemd. De kolom knikt om de as met de kleinste I. De formule geldt voor slanke kolommen, waarvan de kritieke spanning onder de vloeigrens blijft.

Kleinste traagheidsmoment

Een ronde doorsnede heeft om elke as dezelfde I.

I = πd⁴/64 = π·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Kniklengte

KL = 1·2500 = 2500 mm

Kritieke belasting

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·19175/2500² = 6056 N = 6,056 kN

Antwoord

Pcr = 6,056 kN
10.Knik van kolommen

Antwoord: d = 78,07 mm

Knik volgens Euler: een slanke kolom wordt instabiel bij Pcr = π²EI/(KL)², waarbij KL de kniklengte is: K = 1 voor scharnier–scharnier, 2 voor ingeklemd–vrij, 0,7 voor ingeklemd–scharnier en 0,5 voor ingeklemd–ingeklemd. De kolom knikt om de as met de kleinste I. De formule geldt voor slanke kolommen, waarvan de kritieke spanning onder de vloeigrens blijft.

Benodigde kritieke belasting

Pcr = n·P = 2,5·90000 = 225000 N
KL = 2·2000 = 4000 mm

Los op naar de diameter

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·225000·4000²/(π³·200000))^(1/4) = 78,07 mm

Antwoord

d = 78,07 mm

Controle: de slankheid KL/r is 204,9, dus de kolom is slank en Euler geldt.

ExamProblems · examproblems.com/courses/structural-analysis