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
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.
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.
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.
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
De vrij opgelegde balk heeft een scharnier in A en een rol in B. Hij draagt een puntlast P op 5 m van A en een linksdraaiend koppel M op 8 m van A. Vind de verticale reactie RB, met omhoog positief.
L = 10 mP = 70 kN op 5 mM = 60 kN·m (linksdraaiend) op 8 m
RB = kN
2.Oplegreacties van balkenMoeilijk
De vrij opgelegde balk heeft een scharnier in A en een rol in B. Een last P werkt op 6 m van A, onder een hoek van 60° met de horizontaal, en een verticale last Q werkt op 3 m van A. Vind de grootte van de totale reactiekracht RA in het scharnier A.
L = 10 mP = 70 kN op 6 m, θ = 60°Q = 25 kN op 3 m
RA = kN
3.Dwarskracht en buigend momentGemiddeld
De vrij opgelegde balk draagt een rechtsdraaiend koppel M0 = 10 kN·m op x = 2,5 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 = 5 mM0 = 10 kN·m rechtsom, op 2,5 m
Mx = kN·m
4.Dwarskracht en buigend momentMoeilijk
De balk ligt op een scharnier in A en een rol in B en steekt 2,5 m voorbij B uit tot het vrije uiteinde C. Over de hele lengte A–C werkt een gelijkmatig verdeelde belasting w. Vind het maximale doorbuigende (sagging) moment Mmax tussen de opleggingen.
L = 8,5 mw = 10 kN/m van 0 tot 8,5 mopleggingen bij x = 0 en x = 6 m
Mmax = kN·m
5.Vakwerk: knopenmethodeGemiddeld
Precies één staaf van dit vakwerk draagt onder deze belastingen geen kracht. Welke is de nulstaaf? Klik erop in het diagram.
Precies één staaf van dit vakwerk draagt onder deze belastingen geen kracht. Welke is de nulstaaf? Klik erop in het diagram.
B: 35 kN ↓F: 30 kN →G: 10 kN ↓H: 10 kN ↓
1staaf AB
2staaf BC
3staaf CD
4staaf DE
5staaf FG
6staaf GH
7staaf AF
8staaf HE
9staaf BF
10staaf CG
11staaf DH
12staaf FC
13staaf HC
7.Doorbuiging van de balkGemiddeld
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 = 24 kNw = 5 kN/mL = 3 mE = 200 GPa (staal)I = 57 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.Doorbuiging van de balkMoeilijk
Een vrij opgelegde balk draagt een gelijkmatig verdeelde belasting w. De doorbuiging mag niet groter zijn dan overspanning/360. Vind het kleinste traagheidsmoment Ireq dat aan deze eis voldoet.
w = 12 kN/mL = 4 mE = 11 GPa (constructiehout)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Knik van kolommenGemiddeld
Een kolom met lengte L van aluminium is onderaan ingeklemd en bovenaan scharnierend. Vind met de formule van Euler de kritieke knikbelasting Pcr.
L = 1 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 25 × 60 mm
Pcr = kN
10.Knik van kolommenMoeilijk
Een massieve ronde kolom met lengte L van staal is onderaan ingeklemd en bovenaan scharnierend. Hij moet 45 kN dragen met een veiligheidsfactor van 2 tegen knik. Vind de kleinste diameter d.
P = 45 kNn = 2L = 3 mE = 200 GPa (staal)
d = mm
3Oplossingen
1.Oplegreacties van balken
Antwoord: RB = 29 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·10 − 70·5 + 60 = 0
RB = 290/10 = 29 kN
Verticaal evenwicht
RA = 70 − 29 = 41 kN
Antwoord
RB = 29 kN
Een negatieve reactie werkt omlaag.
2.Oplegreacties van balken
Antwoord: RA = 54,48 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.
Componenten van P
Pv = 70·sin 60° = 60,62 kN
Ph = 70·cos 60° = 35 kN
Reacties
ΣMA = 0: RB·10 = 60,62·6 + 25·3 → RB = 43,87 kN
Ay = 60,62 + 25 − 43,87 = 41,75 kN
Ax = Ph = 35 kN
Resultante in A
RA = √(35² + 41,75²) = 54,48 kN
Antwoord
RA = 54,48 kN
3.Dwarskracht en buigend moment
Antwoord: Mx = −5 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 = 10/5 = 2 kN (omhoog)
RA = −RB = −2 kN (omlaag)
Snede net links van het koppel
Het linkerdeel bevat alleen RA.
Mx = RA·a = −2·2,5 = −5 kN·m
Antwoord
Mx = −5 kN·m
4.Dwarskracht en buigend moment
Antwoord: Mmax = 30,73 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. Maximaal moment: omdat dM/dx = V, bereikt het buigend moment zijn piek waar de dwarskracht door nul gaat, bij een puntlast of binnen een verdeelde belasting.
Oplegreacties
Evenwicht van de hele balk, inclusief de belasting op het overstek.
Resultante van de verdeelde belasting: W = w·ℓ = 10·8,5 = 85 kN, aangrijpend op x̄ = 4,25 m
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).
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).
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 = 24000 N, w = 5 N/mm, L = 3000 mm
EI = 1,14 × 10¹³ N·mm²
Elke belasting afzonderlijk
δP = PL³/(3EI) = 24000·3000³/(3·1,14 × 10¹³) = 18,95 mm
δw = wL⁴/(8EI) = 5·3000⁴/(8·1,14 × 10¹³) = 4,441 mm
Tel ze op
δ = 18,95 + 4,441 = 23,39 mm
Antwoord
δ = 23,39 mm
8.Doorbuiging van de balk
Antwoord: Ireq = 327,3 × 10⁶ mm⁴
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).
Doorbuigingseis
δallow = L/360 = 4000/360 = 11,11 mm
Benodigd traagheidsmoment
I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·12·4000⁴/(384·11000·11,11) = 3,273 × 10⁸ mm⁴
Ireq = 327,3 × 10⁶ mm⁴
Antwoord
Ireq = 327,3 × 10⁶ mm⁴
9.Knik van kolommen
Antwoord: Pcr = 110,2 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 rechthoek knikt om zijn zwakke as, met de kleinste afmeting tot de derde macht.
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 = 2·45000 = 90000 N
KL = 0,7·3000 = 2100 mm
Los op naar de diameter
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·90000·2100²/(π³·200000))^(1/4) = 44,99 mm
Antwoord
d = 44,99 mm
Controle: de slankheid KL/r is 186,7, dus de kolom is slank en Euler geldt.