Klausur-Beispiele

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Aufgaben zur Festigkeitslehre

Letztes Update am 08.05.16. Überarbeitet am 28.07.2019

Berechnung von Querschnittswerten

Flächenmomente 2. Grades

Flächenschwerpunkt

https://de.wikipedia.org/wiki/Geometrischer_Schwerpunkt

Zur Berechnung des Schwerpunktes des Querschnittes eines Stabes (xs,ys) werden die Eckpunkte der Teilflächen i=1, …n mit Flächeninhalt Ai zunächst auf ein beliebiges rechtwinkliges Koordinatensystem bezogen. Die Berechnung kann tabellarisch erfolgen. Für einfache Querschnitte genügt das Aufschreiben der Formeln, wobei die Maße einer Zeichnung entnommen werden.

Flächenmomente 2. Grades

https://de.wikipedia.org/wiki/Flächenmoment#Flächenmoment_2._Grades

Das Produkt E . I (siehe oben, Gleichung der Biegelinie) nennt man Biegesteifigkeit. Hierin ist I das Flächenmoment 2. Grades. Das Flächenmoment 2. Grades im Schnitt der y-z-Ebene ist

Für einen Balken mit rechteckigem Querschnitt ist

Das Biegemoment ist die Resultierende der Biege(normal)spannungen infolge eines Biegemoments. Dies sind in Richtung der Achse x wirkende Spannungen mit einer linearen Verteilung zwischen den Randfasern (Druckfaser und Zugfaser), Die Biegespannung ist:

Iy ist das Flächenmoment 2. Grades des Querschnitts um die Achse, um die das Biegemoment dreht.

Ist das Moment positiv, treten für z > 0 Zug- und für z < 0 Druckspannungen auf. Da positive Momente nach unten abgetragen werden, muss die positive z-Achse nach unten zeigen.

Die betragsmäßig größte Spannung tritt in der äußersten Faser zmax auf.

Das Widerstandsmoment ist

https://de.wikipedia.org/wiki/Widerstandsmoment

Die maximale Biegespannung ist

Es ist darauf zu achten, dass W mit dem Wert zmax berechnet wurde, für den auch die Spannung ermittelt werden soll! Sowie auf die Vorzeichen.

Berechnung der Flächenmomente 2. Grades

Axiale Flächenmomente

Die axialen Flächenmomente in einem kartesischen Koordinatensystem sind

Das biaxiale Flächenmoment oder auch Deviations- oder Zentrifugalmoment ist:

Es ist gleich Null, wenn die y-Achse oder die z-Achse eine Symmetrieachse des Querschnitts ist. Die zugehörigen Flächenmomente heißen dann Hauptmomente, sie nehmen in diesem Falle Extremwerte an. Im Gegensatz zu den axialen und zum polaren Flächenmoment kann das Zentrifugalmoment sowohl positive als auch negative Werte annehmen.

Satz von Steiner

Das Flächenmoment Iys einer beliebigen Querschnittsfläche setzt sich zusammen aus

Körperschwerpunkt

https://de.wikipedia.org/wiki/Massenmittelpunkt

Der Schwerpunkt eines Körpers ist der Angriffspunkt der Resultierenden aller seiner Teilgewichtskräfte. Zu dessen Bestimmung hängt man den Körper mindestens zweimal (ebener Körper) auf und lotet den Aufhängepunkt aus. Die Lote schneiden sich im Schwerpunkt des Körpers.

Koordinaten des Schwerpunktes eines homogenen Körpers:

x(s) = ∑(x(n) . V(n)) / V

y(s) = ∑(y(n) . V(n)) / V

z(s) = ∑(z(n) . V(n)) / V; V = ∑V(n); n = 1, ...

andere Schreibweise:

Beispiel Schwerpunkt und Flächenmoment 2. Grades

Es sollen nur die Werte zs sowie Iy berechnet werden.

Die Koordinaten der Schwerpunkte der beiden Teilflächen werden auf die untere Randlinie bezogen.

Da der Querschnitt symmetrisch zur z-Achse ist, können die beiden Teilflächen zu einer Teilfläche der Breite 8 + 8 = 16 mm zusammengefasst werden.

A1 = 24 . 60 = 1440 mm2

A2 = 2 . 8 . 30 = 480 mm2

zs = 26,25 mm

Iz = Iz1 + 3,752 . A1 + Iz2 + 11,252 . A2

Iz = Iz1 + 20250 + Iz2 + 60750

Iz1 = 24 . 603/ 12 = 432000 mm4

Iz2 = 2 . 8 . 303/ 12 = 36000 mm4

Iz = 432000 + 20250 + 36000 + 60750

Iz = 549000 mm4

Querschnittswerte-Beispiel: Flächenmomente eines zusammengesetzten Querschnitts

Gewählt wird ein ungleichschenkliger Winkel nach DIN EN 10 056 (10.98) 100x50x6

(Bezüglich der Randabstände v und w siehe folgende Bilder)

Dimension cm; cm2

(siehe Zeichnung folgende Seite)

A1 = [10 . 0,6]

A1 = 6

A2 = [(5 – 0,6) . 0,6]

A2 = 2,64

A = A1 + A2 = 8,64 cm2

(Wert unter Berücksichtigung der Rundungen ist 8,71 cm2)

ey = ([0,6/ 2] . 6 + [5/2 + 0,6] . 2,64)/ 8,64

ey = 1,15 cm (Wert unter Berücksichtigung der Rundungen ist 1,05 cm)

ez = ([10/2] . 6 + [0,6/ 2] . 2,64)/ 8,64

ez = 3,56 cm (Wert unter Berücksichtigung der Rundungen ist 3,51 cm)

Ungleichschenkliger Winkel nach DIN EN 10 056 (10.98) 100x50x6;

Flächenmomente aus Tabelle

Flächenmoment 2. Grades der Teilfläche 1 des Winkels bezogen auf die

Achse y durch den Schwerpunkt der Teilfläche 1

Iy1 = 0,6 . 103 / 12 = 50

Dito, betreffend Teilfläche 2

Iy2 = 4,4 . 0,63 / 12 = 0,079

Flächenmoment 2. Grades der Teilfläche 1 des Winkels bezogen auf die Achse z durch den Schwerpunkt der Teilfläche 1

Iz1 = h . b3 / 12 = 10 . 0,63 / 12 = 0,18

Dito, betreffend Teilfläche 2

Iz2 = 0,6 . 4,43 / 12 = 4,259

Flächenzentrifugalmoment der jeweiligen Teilfläche

Iyz1 = Iyz2 = 0

Flächenmoment 2. Grades des Winkels bezogen auf die Achse y durch den Schwerpunkt

Iy = {Iy1 + A1 . z1s2} + {Iy2 + A2 . z2s2}

Iy = {50 + 6 . 1,492} + {0,079 + 2,64 . 3,212}

Iy = 90,60 cm4

(89,9 nach Tabelle unter Berücksichtigung der Rundungen)

Flächenmoment 2. Grades des Winkels bezogen auf die Achse z durch den Schwerpunkt

Iz = {Iz1 + A1 . y1s2} + {Iz2 + A2 . y2s2}

Iz = {0,18 + 6 . 0,762} + {4,259 + 2,64 . 1,752}

Iz = 15,99 cm4

(15,4 nach Tabelle unter Berücksichtigung der Rundungen)

Flächenzentrifugalmoment

Iyz = {Iyz1 - A1 . y1s . z1s} +

{Iyz2 - A2 . y2s . Z2s }

Iyz = {0 - 6 . 0,76 . 1,49} +

{0 - 2,64 . 1,75 . 3,21}

Iyz = -21,62 cm4

Weitere Beispiele: http://wandinger.userweb.mwn.de/TM2/u3_2.pdf

Querschnittswerte-Beispiel

Richtung der Hauptachsen und Hauptflächenmomente des Winkelprofils im vorigen

Ein Hauptflächenmoment ist auf eine Hauptachse eines Querschnitts bezogen.

Beispiel

Richtung der Hauptachsen

tan 2α = 2 . Iyz / (IzIy)

tan 2α = -2 . 21,62 / (15,99 – 90,6)

tan 2α = 0,579

2α = 30,1 Grad

α = 15,05 Grad

tan α = 0,269

(0,262 nach Tabelle unter Berücksichtigung der Rundungen)

Iη =(Iy + Iz)/2 + cos .(Iy - Iz)/2 - Iyz . sin

Iζ =(Iy + Iz)/2 - cos .(Iy - Iz)/2 + Iyz . sin

Iηζ = . sin .(Iy - Iz)/2 + Iyz . cos

Iy = Iyy = 90,60 cm4

Iz = Izz = 15,99 cm4

α = 15,05 Grad

sin 2α = sin 30,1 = 0,50

Iyz = 21,62 cm4

cos 2α = cos 30,1 = 0,865

Iη = 0,5.(90,6 + 15,99) + 0,5.(90,6 - 15,99) . 0,865 + 21,62 . 0,5

Iη = 96,37 cm4 (95,4 mit Rundungen)

Iζ = 0,5.(90,6 + 15,99) - 0,5.(90,6 - 15,99) . 0,865 - 21,62 . 0,5

Iζ = 10,21 cm4 (9,92 mit Rundungen)

Die folgenden Formeln können ebenfalls verwendet werden.

Iη = Iy . cos2 α + Iz . sin2 α - Iyz . sin

Iζ = Iy . sin2 α + Iz . cos2 α + Iyz . sin

Zur Probe sollte man, da die Spur der Matrix bzw. des Tensors in beiden Bezugssystemen den gleichen Wert haben muss, rechnen

Iη + Iζ = Iy + Iz

96,37 + 10,21 := 90,6 + 15,99

Formeln und viele weitere Beispiele auf http://content.schweitzer-online.de/static/catalog_manager/live/media_files/representation/zd_std_orig__zd_schw_orig/018/871/256/9783817118717_content_pdf_1.pdf

https://www.mechbau.uni-stuttgart.de/ls2/Downloads/Formelsammlung_TM2.pdf

Einfach- und doppeltsymmetrische Querschnitte mit Symmetrieachsen y, z

Die Bezugsachsen für die Anwendung der folgenden Formel müssen Hauptachsen sein.

Die Bezugsachsen für die Anwendung der folgenden Formel müssen Hauptachsen sein.

My := Moment dreht um die Achse y

Iy := Flächenmoment 2. Grades des Winkels bezogen auf die Achse y durch den Schwerpunkt

Das Widerstandsmoment ist der Quotient aus Flächenmoment und dem Abstand der Randfaser zur jeweiligen Hauptachse; z.B. Wy = Iy/ max z.

Querschnittswerte-Beispiel

Symmetrischer Querschnitt, Rechteck unter der Belastung eines Biegemomentes

b = 2 cm

d = 4 cm

My = 100 kN cm

Iy = 2 . 43 / 12 cm4

Iy = 10,66 cm4

max z = d/ 2 = 4/ 2 = 2 cm

σx = (My/ Iy) . max z

σx = (100 kN cm/ 10,66 cm4) . 2 cm

σx = 18,75 kN/ cm2

σx = 18,75 . 1000 N/ (10 . 10 mm2)

σx = 187,5 N/ mm2

Wy = b . d2/ 6

Wy = 2 . 42 / 6 cm3

Wy = 5,33 cm3

σx = My/ Wy

σx = 100 kN cm/ 5,33 cm3 = 18,75 kN/ cm2 =

187,5 N/ mm2

Beispiel: Symmetrischer Querschnitt wie zuvor unter der Belastung zweier Biegemomente.

My = 40 kN cm

max z = d/ 2 = 4/ 2 = 2 cm

Mz = -30 kN cm

max y = b/ 2 = 1/ 2 = 0,5 cm

σx(y/z)=




σx(+1/+2)=

(40/10,66) . 2 -

(-30/2,67) . 1 =

+7,5 + 80,1 = +87,6

σx(-1/-2)=

(40/10,66) . (-2) -

(-30/2,67) . (-1) =

-7,5 – 80,1 = -87,6

σx(+1/-2)=

(40/10,66) . (-2) -

(-30/2,67) . 1 =

-7,5 + 80,1 = +73,6

σx(-1;+2)=

(40/10,66) . 2 -

(-30/2,67) . (-1) =

+7,5 - 80,1 = -73,6

Die Spannungen sind axonometrisch dargestellt. Die Spannungsnulllinie geht durch den Symmetriepunkt, da die Normalkraft N = 0 ist.

Unsymmetrische Querschnitte

Die Bezugsachsen für die Anwendung der folgenden Formel müssen Hauptachsen sein.

Die Hauptachsen sind und und sind gegenüber den Achsen y, z durch den Schwerpunkt S um den Winkel α gedreht.

Querschnittswerte-Beispiel

Belastung eines unsymmetrischen Querschnitts durch Biegemomente

Gewählt wird der ungleichschenkliger Winkel nach DIN EN 10 056 (10.98) 100x50x6 eines obigen Beispiels

Flächenmoment 2. Grades

Hauptflächen-

momente

Winkel

Iy = 89,9 cm4

Iz = 15,4 cm4

Iyz = 21,62 m4

Iη = 95,4 cm4

Iζ= 9,92 cm4

tan α = 0,262

α = 14,68 Grad

sin α = 0,253

cos α = 0,967

Für andere genormte Querschnitte können die Werte aus Tabellen in Handbüchern entnommen werden.

Beispiel für die Belastung:

N = 0

My = 100 kN cm = 100 . 1000 N . 0,01 m = 1000 Nm

Mz = 50 kN cm = 500 Nm

Transformation der Schnittlasten auf die Hauptachsen

Da der Querschnitt unsymmetrisch ist, müssen die auf die Achsen y, z bezogenen Schnittgrößen auf die Hauptachsen (η,ζ) transformiert werden.

Mη = My . cos α + Mz . sin α

Mζ = - My . sin α + Mz . cos α

Mη = 100 . 0,967 + 50 . 0,253

Mζ = -100 . 0,253 + 50 . 0,967

Mη = 109,35 kN cm

Mζ = 23,05 kN cm

σx = 0/ 8,71 + [109,35 kN cm/ 95,4 cm4] . ζ + [23,05/ 9,92 cm4] . η

σy = 0 + 1,146 . ζ + 2,323 . η kN/ cm3

Die Spannung σx ist zum Beispiel an der rechten unteren Ecke des ungleichschenkligen Winkels, Koordinaten

(η= w2 = 4,39 cm / ζ = -v2 = -3,00 cm)

σx = 6,76 kN/ cm2 = 67,6 N/ mm2

Die Koordinaten der Punkte, in denen die größten Spannungswerte auftreten, können bei Normprofilen aus den Tabellenwerten w, v ermittelt werden. Andernfalls müsste man die Koordinaten (x, y) eines Punktes auf das Hauptachsensystem (η,ζ) umrechnen.

x1 = ( η1 , ζ1 )T = R x

η1 = x . cos α + y . sin α

ζ1 = -x . sin α + y . cos α

Transformation z.B. des Punktes (x, y) = (1,05 / 3,51) =

linke untere Ecke des Winkels

η1 = 1,05 . 0,967 + 3,51 . 0,253

ζ1 = -1,05 . 0,253 + 3,51 . 0,967

η1 = 1,903 cm

ζ1 = 3,128 cm

Gleichung der Spannungsnulllinie und Winkel β zwischen Nulllinie und Achse η.

ζ = η . (Mζ . Iη)/ (Mη . Iζ) – (N . Iη )/( Mη . A )

ζ = η . tan β – (N . Iη )/( Mη . A )

tan β = (Mζ . Iη)/ (Mη . Iζ )

tan β = (23,05 . 95,4)/ (109,35 . 9,92)

tan β = 2,027

β = 63,74 Grad

Viele weitere Beispiele auf http://content.schweitzer-online.de/static/catalog_manager/live/media_files/representation/zd_std_orig__zd_schw_orig/018/871/256/9783817118717_content_pdf_1.pdf

Schiefe Biegung eines Balkens

Der Momentenvektor der Schnittlast ist in Komponenten Mζ , Mηzu zerlegen (im Beispiel bereits erfolgt). Die Verschiebungen in Richtung der Hauptachsen η,ζwerden so berechnet, wie oben in den Beispielen gezeigt. Gegebenenfalls hat der Balken unterschiedliche Lagerungsbedingungen in den verschiedenen Ebenen der Hauptachsen. Die Durchbiegungen in den beiden Ebenen können als Vektor zu einem resultierenden Vektor der Durchbiegung entweder geometrisch oder rechnerischer zusammengefasst werden.

Siehe auch: https://www.mechbau.uni-stuttgart.de/ls2/Downloads/Formelsammlung_TM2.pdf


Bewertung der Beanspruchung durch Berechnung einer Vergleichsspannung (Festigkeitshypothesen)

Der Spannungszustandes wird durch den Spannungstensor dargestellt. Dieser enthält (da die Schubspannungen paarweise gleich sind) im dreidimensionalen Fall sechs verschiedene Spannungswerte. Durch die Transformation des Spannungstensors in das Hauptachsensystem werden die Schubspannungen zu NULL. Die drei Hauptspannungen vermögen daher den Spannungszustand ebenfalls zu beschreiben.

Bei der Berechnung der Vergleichsspannung wird nun der Vektor der Hauptspannungen bzw. werden die Komponenten des Spannungstensors in einen Skalar abgebildet.

Dies ist notwendigerweise mit einem Informationsverlust verbunden. Die Vergleichsspannung soll zudem ein Maß für das mögliche Versagen des Materials sein. Es gibt für die verschiedenen Materialien unterschiedliche Festigkeitshypothesen bzw. Vergleichspannungshypothesen. Die Abweichungen vom realen Verhalten des Stoffes sind zum Teil erheblich. Wir behandeln hier nur die für den Baustoff Stahl maßgebliche Vergleichsspannung.

Gestaltänderungshypothese Nach der Gestaltänderungshypothese (von Mises) tritt Versagen des Bauteils auf, wenn die Gestaltänderungsenergie einen maximalen Wert überschreitet. Verwendet wird diese Hypothese für zähe Werkstoffe (z.B. Stahl) unter ruhender und wechselnder Beanspruchung. Die Hypothese wird im Maschinenbau und im Bauwesen eingesetzt. Nicht brauchbar ist sie bei nahezu hydrostatischen Spannungszuständen.

Formel für die Mises-Vergleichsspannung im allgemeinen Spannungszustand:

Berechnung mit Hauptspannungen

Berechnung im ebenen Spannungszustand

Berechnung im ebenen Verzerrungszustand

Siehe auch: https://www.mechbau.uni-stuttgart.de/ls2/Downloads/Formelsammlung_TM2.pdf

Berechnung der Vergleichsspannung nach der Gestaltänderungshypothese in dem gekennzeichneten Punkt an der Einspannstelle folgender Konstruktion

Vorgegebene Daten:

Warmgefertigtes rechteckiges Hohlprofil 200 x 100 x 6 nach DIN EN 10 219-2 (11.97)

Statische Werte aus der Tabelle eines Handbuches

A = 33,6 cm2 = 3360 mm2

Iy = 1703 cm4 = 1704 104 mm4

Iz = 577 cm4 = 577 104 mm4

IT = 1417 cm4

Länge L = 500 mm

Belastung im Punkt A(x=500; y=50; z=100 mm) ist der Kraftvektor

(Fx,d ; Fy,d )T

Fx,d = N = -10 000 N

Fy,d = -10 000 N

Anm. Die in der Zeichnung dargestellten Kraftvektoren zeigen in die positive Richtung.

Y ist die Richtung der Achse, zu der die Kraft parallel ist.

d steht für „design“ und deutet darauf hin, dass der Wert der Bemessungswert ist. Bemessungswerte entstehen aus den sogenannten charakteristischen Werten (Werten im Gebrauch, Index K) durch Multiplikation mit zwei Beiwerten:

γF = Teilsicherheitsbeiwert der Einwirkung (bei ständiger Einwirkung z.B. 1,35)

ψ = Kombinationsbeiwert (in den meisten Fällen 1)

Fd = Fk . γF . ψ

Siehe dazu: https://www.bundesanzeiger-verlag.de/fileadmin/BIV-Portal/Bautechnik_WKD/Schneider-Bautabellen/Ingenieure/Fachinformationen/BTI%2003%20Lastannahmen%20nach%20DIN%201055.pdf

In diesem Beispiel werden nicht die charakteristischen Werte aus einer Statik ermittelt, sondern (ausnahmsweise) die Bemessungswerte (Index d) vorgegeben.

Schnittlasten an der Stelle, x = 500, im Schwer- und Symmetriepunkt

O(x=500; y=0; z=0)

Die Eingeprägten Kräfte werden in den Schwerpunkt des Profils verschoben.

My = Fx,d . 100 = -10 000 . 100 = 1000 000 N mm

Mz = - Fx,d . 50 = -(-10 000) . 50 = 500 000 N mm

Mx = MT = - Fy,d . 100 = -(-10 000) . 100 =

1000 000 N mm

Schnittlasten an der Einspannstelle, im Schwer- und Symmetriepunkt

O(x=0; y=0; z=0)

Fx,d bewirkt ein zusätzliches Biegemoment

Mz = Fy,d . 100 = -10 000 . 100 = -1000 000 N mm

Fx,d bewirkt an der Einspannstelle keine Änderung der Schnittlasten.

Die resultierenden Schnittlasten an der Einspannstelle sind demnach

Fx,d = N = -10 000 N

Fy,d = Vy,d = -10 000 N

My = 1000 000 N mm

Mz = 500 000 -1000 000 = -500 000 N mm

Mx = MT = 1000 000 N mm

Berechnung der Spannungskomponenten im an der Einspannstelle frei gewählten Punkt A(x=0; y=-50; z=100) ist

σx = -10 000 N/ (3360 mm2) +

(1000 000 N mm . 100 mm)/ (1703 . 103 mm4) –

(-500 000 . (-50)/ (577 . 103 mm4) =

-2,98 + 58,7 – 43,3 = 12,39 N/ mm2

Die Schubspannung infolge Vy,d ist in A Null.

Die Schubspannung infolge MT ist

Am = (200 – 6) . (100 -6) = 18 236 mm2

t = 6 mm

τ =(1000 000 N mm)/(2 . 18 236 mm2 . 6 mm) = 4,57 N/ mm2

Berechnung der Vergleichsspannung nach der Gestaltänderungshypothese

σx = 12,39 N/ mm2

σy = 0 N/ mm2

τ = 4,57 N/ mm2

σV,d = 14,7 N/ mm2 Entwurfsvergleichspannungswert

Nachweis der Tragsicherheit in dem Punkt A

γM = Teilsicherheitsbeiwert der Widerstandsgröße

γM = 1,1 zur Berechnung der Bemessungswerte der Festigkeiten beim Nachweis der Tragsicherheit, z.B. der Wert 1,1, kann Tabellen entnommen werden.

fy,k = Streckgrenze N/ mm2

(bei Baustahl S235, t<= 40 mm, fy,k = 240 N/ mm2)

σR,d = fy,k/ γM

σR,d = 240/ 1,1 = 218 N/ mm2

σV,d / σR,d = 14,7 / 218 = 0,07 < 1

(das heißt, eine sehr geringe Ausnutzung)

Zum Nachweis der Tragsicherheit der Konstruktion müssen weitere Punkte berechnet werden.

Bei dem Nachweis in einem Punkt auf einem horizontalen Abschnitt des Profils muss zusätzlich die Schubspannung infolge Querkraft Vy berücksichtigt werden.

Siehe auch: https://www.mechbau.uni-stuttgart.de/ls2/Downloads/Formelsammlung_TM2.pdf