Klausur-Beispiele
Aufgaben zur Festigkeitslehre
Letztes Update am 08.05.16. Überarbeitet am 28.07.2019
Querschnittswerte-Beispiel Flächenmomente eines zusammengesetzten Querschnitts
Querschnittswerte-Beispiel Richtung der Hauptachsen und Hauptflächenmomente eines Winkelprofils
Einfach- und doppeltsymmetrische Querschnitte mit Symmetrieachsen y, z
Querschnittswerte-Beispiel Symmetrischer Querschnitt, Rechteck unter der Belastung eines Biegemomentes
Querschnittswerte-Beispiel Belastung eines unsymmetrischen Querschnitts durch Biegemomente
Bewertung der Beanspruchung durch Berechnung einer Vergleichsspannung
Berechnung von Querschnittswerten
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
den Flächenmomenten im Hauptachsensystem der einzelnen Teilflächen, Iys, Izs, und
dem Produkt aus dem Quadrat des Abstandes zss von der Schwerachse der Gesamtfläche zu der Schwerachse der Teilfläche mit dem Wert der Teilfläche.
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
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 / (Iz – Iy)
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 2α .(Iy - Iz)/2 - Iyz . sin 2α
Iζ =(Iy + Iz)/2 - cos 2α .(Iy - Iz)/2 + Iyz . sin 2α
Iηζ = . sin 2α .(Iy - Iz)/2 + Iyz . cos 2α
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 2α
Iζ = Iy . sin2 α + Iz . cos2 α + Iyz . sin 2α
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.
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.
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
Der Momentenvektor der Schnittlast ist in Komponenten Mζ , Mη zu zerlegen (im Beispiel bereits erfolgt). Die Verschiebungen in Richtung der Hauptachsen η,ζ werden 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
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