Leseprobe. Kai-Uwe Bletzinger, Falko Dieringer, Rupert Fisch, Benedikt Philipp. Aufgabensammlung zur Baustatik

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1 Leseprobe Kai-Uwe Bletzinger, Falko Dieringer, Rupert Fisch, Benedikt Philipp Aufgabensammlung zur Baustatik Übungsaufgaben zur Berechnung ebener Stabtragwerke ISBN (Buch): Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München

2 Inhalt Vorwort... XI Einleitung und Definitionen.... Zur Benutzung des Buchs.... Definition der Auflagersymbole....3 Definition der Gelenkarten Allgemeine Hinweise... 5 Tragwerksbeurteilung Grundlagen zur Tragwerksbeurteilung Beispielaufgabe....3 Beispielaufgabe System System System System Beispielaufgabe Aufgaben Lösungen Schnittgrößen statisch bestimmter Systeme Grundlagen zur Berechnung von Schnittgrößen an statisch bestimmten Tragwerken Beispielaufgabe Auflager- und Zwischenreaktionen Schnittgrößen: Moment... 38

3 VI Inhalt 3..3 Schnittgrößen: Querkraft Schnittgrößen: Normalkraft Entfernen des Momentengelenks am Knoten Lösen der Einspannung am Knoten Beispielaufgabe Auflagerreaktionen Schnittgrößen: Moment Schnittgrößen: Querkraft Schnittgrößen: Normalkraft Aufgaben Lösungen Polplan, Kinematik Grundlagen zu Polplänen und Kinematik Begriffe zu Polplänen Regeln zur Bestimmung der Haupt- und Nebenpole einer einzelnen Scheibe i Ermittlung der Verschiebungsfigur für kinematische Systeme Widersprüche im Polplan Beispielaufgabe System System System Beispielaufgabe System System System Beispielaufgabe Verschiebungsfigur Brauchbares System Aufgaben Lösungen Prinzip der virtuellen Kräfte Grundlagen zum Prinzip der virtuellen Kräfte Beispielaufgabe Schnittgrößen aus gegebener Belastung Verschiebungen am Knoten Horizontalverschiebung am Knoten maximal 4, cm Aufgaben Lösungen... 37

4 Inhalt VII 6 Prinzip der virtuellen Verschiebungen Grundlagen zum Prinzip der virtuellen Verschiebungen Beispielaufgabe Vertikale Auflagerkraft B V am Lager B Querkraft V a im Schnitt a Moment M a im Schnitt a Normalkraft N b im Schnitt b Aufgaben Lösungen Kraftgrößenverfahren Grundlagen zum Kraftgrößenverfahren Beispielaufgabe Tragwerk Tragwerk Tragwerk Tragwerk Beispielaufgabe Lastfall : Einzellast P Lastfall : Temperaturdifferenz ΔT Lastfall 3: konstante Temperaturänderung T S Lastfall 4: Auflagerverschiebung Δu Aufgaben Lösungen Einflusslinien für Kraftgrößen Grundlagen zu Einflusslinien für Kraftgrößen Beispielaufgabe Bestimmung der Einflusslinien Extremwerte für das Moment M Maximale Momente im Tragwerk und Verformungen am Knoten Aufgaben Lösungen Einflusslinien für Verschiebungsgrößen Grundlagen zu Einflusslinien für Verschiebungsgrößen Beispielaufgabe Vertikale Verformung w Einflusslinie für w

5 VIII Inhalt 9..3 Auswertung für Lastfall p Ersetzen der Feder durch ein Auflager Berechnung mit Stiff Minimale bzw. maximale Durchsenkung von w 3 Berechnung mit Stiff Aufgaben Lösungen... 7 Verschiebungsgrößenverfahren nach Theorie I. Ordnung Grundlagen zum Verschiebungsgrößenverfahren Beispielaufgabe System System Beispielaufgabe Beispielaufgabe Kinematische Abhängigkeiten Steifigkeiten mit dem PvV Berechnung mit Stiff Beispielaufgabe kinematische Abhängigkeiten Steifigkeiten mit dem PvV Berechnung mit Stiff Aufgaben Lösungen Elastisch gebetteter Balken Grundlagen zum elastisch gebetteten Balken Beispielaufgabe Verformungen am idealisierten D-System Verankerung des Balkens Aufgaben Lösungen Verschiebungsgrößenverfahren nach Theorie II. Ordnung Grundlagen zum Verschiebungsgrößenverfahren nach Theorie II. Ordnung Beispielaufgabe Verformungen ohne Berücksichtigung einer Vorverformung Verformungen mit Berücksichtigung einer Vorverformung

6 Inhalt IX.3 Aufgaben Lösungen Stabilität Grundlagen zur Stabilität Beispielaufgabe Berechnung der Knotenverformungen nach Theorie I. und II. Ordnung für γ =, Berechnung des kritischen Lastfaktors γ krit Knickfigur für γ krit Überprüfung der Ergebnisse mit Stiff Bestimmung der Euler schen Knicklast und der jeweiligen Knicklänge der einzelnen Stäbe Aufgaben Lösungen Grundformeln und Tafeln Integraltafeln ω-tafeln Grundformeln des Verschiebungsgrößenverfahrens (VV) nach Theorie I. Ordnung Grundformeln des Verschiebungsgrößenverfahrens (VV) nach Theorie II. Ordnung Grundformeln des Verschiebungs größenverfahrens (VV) nach Theorie I. Ordnung und elastisch gebetteter Balken Literaturverzeichnis

7 Vorwort Die Idee für dieses Übungsbuch ist in einem Teamgespräch zum Stand der Lehre am Lehrstuhl für Statik der Technischen Universität München im Jahr entstanden. Die Autoren haben beschlossen, den Studierenden mehr Übungsmaterial zu den Handrechenverfahren der Statik an Stabtragwerken zur Verfügung zu stellen. Friedrich Dürrenmatt schreibt in Die Physiker: Was einmal gedacht wurde, kann nicht mehr zurückgenommen werden. So findet sich im Erlernen von Statik die Parallele darin, dass ein statisches System, welches bereits einmal durchdacht wurde, nicht wieder vergessen werden kann. Das mehrmalige Rechnen ein und derselben Aufgabe stellt somit nur einen geringen Mehrwert dar, da der zentrale Baustein, das Tragwerks- bzw. Systemverständnis, bereits beim ersten Mal durchdacht wurde. So ist die Motivation gewachsen eine umfangreiche Aufgabensammlung aufzubauen, in der eine ausreichende Anzahl an Übungsaufgaben zur Verfügung gestellt wird. Durch die verfügbaren Kontrollmöglichkeiten ist ein selbstständiges Erlernen der Statik möglich. Zum besseren Einstieg in die verwendete Notation sind jedem Kapitel eine thematische Einführung und Musteraufgaben vorangestellt. Die mitgelieferte Stabwerkssoftware Stiff bietet einzigartige Kontroll- und Ergänzungsmöglichkeiten zur Bearbeitung des Buches und rundet somit das Gesamtpaket Aufgabensammlung zur Baustatik ab. Nach mehrjährigem erfolgreichem Einsatz dieser Aufgabensammlung innerhalb der Technischen Universität München wird dieser Aufgabenschatz in überarbeiteter Fassung als Gesamtwerk in diesem Buch dem kompletten Publikum an Studierenden und Schülern im deutschsprachigen Raum bereitgestellt. Wir wünschen Ihnen damit viel Erfolg! Zuletzt gilt unser Dank allen Studenten und Helfern, die, vom Erstellen, über das Gegenrechnen, hin zur Fehleridentifikation der Aufgaben und Musterlösungen, einen maß geblichen Beitrag zum Gelingen des Gesamtwerks geleistet haben. Kai-Uwe Bletzinger Falko Dieringer Rupert Fisch Benedikt Philipp

8 5 Prinzip der virtuellen Kräfte 5. Grundlagen zum Prinzip der virtuellen Kräfte Das Prinzip der virtuellen Kräfte (PvK) stellt eine Anwendung des Prinzips der virtuellen Arbeit dar. Es dient zur Bestimmung von realen Verformungsgrößen eines Systems, dessen Schnittgrößenverläufe bekannt sind (vgl. [Hir98], [WE97], [WK4], [Din]). Ist ein System im Gleichgewicht, so ergeben die virtuellen Arbeiten der inneren und äußeren Kräfte in der Summe Null: δw = δw ext + δw int = Virtuelle Kraftgrößen Schnittgrößen, Auflagerreaktionen, äußere Kräfte verrichten zusammen mit realen Verformungsgrößen Verschiebungen, Verdrehungen, Krümmungen, Dehnungen virtuelle Arbeit. δw = δw + δw = δq wdx+ δf d + δm ϕ δn ε j dx ext int i i j + i j δm κ dx = l l Die innere virtuelle Arbeit ist grundsätzlich negativ, da innere virtuelle Kraftgrößen den realen Verschiebungsgrößen entgegenwirken. Die Arbeit der äußeren Kräfte ist dagegen grundsätzlich positiv. Die Arbeiten verteilter virtueller Kraftgrößen (virtuelle Linienlast δq, virtuelle Schnittgrößen δn, δm) sind entlang des Balkens zu in tegrieren. Hierfür können Integraltafeln verwendet werden (siehe Kapitel 4.). Weitere Anteile der virtuellen inneren Arbeit ergeben sich aus der Arbeit der virtuellen Querkräfte auf den realen Schubverzerrungen. Für dünne Balken können diese Anteile aus Querkräften vernachlässigt werden. Hier und im Weiteren sollen dünne Balken behandelt werden. Krümmungen und Dehnungen setzen sich im Rahmen dieses Kapitels aus Momentenbzw. Normalkrafteinflüssen und Temperatureinfluss zusammen.

9 5 Prinzip der virtuellen Kräfte M T κ = + αt EI h N ε = + αt T EA Zur Begriffs- und Symbolklärung der Formeln wird auf Kapitel verwiesen. Innere und äußere virtuelle Kraftgrößen können im Grunde beliebig gewählt werden, müssen aber am virtuellen System im Gleichgewicht sein. Für virtuelle Kraftgrößen gelten dieselben Gleichgewichtsbeziehungen wie für reale Kraftgrößen. Virtuelle Lagerkräfte sind ebenfalls als äußere virtuelle Kräfte zu behandeln. Mithilfe von zusätzlichen Gelenken können innere (virtuelle) Kraftgrößen ausgelöst und in äußere (virtuelle) Kraftgrößen umgewandelt werden. Soll eine spezielle Verschiebungsgröße an einem Punkt m des Systems bestimmt werden, so ist am Ort und in Richtung der zu bestimmenden Verschiebungsgröße eine entsprechende virtuelle äußere Kraftgröße anzubringen. Die virtuelle äußere Kraftgröße wird in der Regel zu δf m = bzw. δm m = angenommen. Der Strich über der Kraftgröße symbolisiert, dass es sich um eine virtuelle Größe handelt. Im Folgenden sind Beispiele für korrespondierende virtuelle Kraft- und reale Verschiebungsgrößen gegeben. Reale Verformungsgröße Virtuelle Kraftgröße ϕ δm w δf u δf Reale Relativ-Verformung Virtuelle Kraftgröße ϕ δm w δf u δf

10 5. Grundlagen zum Prinzip der virtuellen Kräfte 3 Systematisches Vorgehen zur Bestimmung der Verschiebung w in Trägermitte:. Statisches System unter Streckenlast. Gesucht: Durchsenkung w in q Feldmitte. w l/ l/. Aufbringen einer virtuellen Last am Ort und in Richtung der gesuchten Verformung. Das virtuelle System entspricht dem realen System. l / δf = l / 3. Berechnung des realen und des virtuellen Momentenverlaufs M und δm. q l²/8 l /4 M δm 4. Anwendung des PvK und Lösen der Unbekannten Die virtuellen Lagerkräfte verrichten keine Arbeit, da die zugeordneten Lagerverschiebungen null sind.

11 4 5 Prinzip der virtuellen Kräfte 5. Beispielaufgabe q = 5, kn/m P = 5 kn 3 q = 5, kn/m 4, m EI = 3. knm² EA S = 8.kN sonst EA EA S 4 4, m 4, m. Berechnen Sie für die gegebene Belastung den Momenten- und Normalkraftverlauf.. Berechnen Sie mit dem Prinzip der virtuellen Kräfte (PvK) die Horizontalverschiebung sowie die Verdrehung am Knoten. 3. Wie groß muss EA S mindestens sein, wenn die Horizontalverschiebung am Knoten maximal 4 cm betragen darf? 5.. Schnittgrößen aus gegebener Belastung Auflagerreaktionen P = 5 kn R = 5 4 = kn 3 q = 5, kn/m R 5 4 8,8 kn kn kn 4, Berechnung: H global : A H = 5 = 3 kn M 3,rechts : B V = + 4 = kn V global : A V = + = kn A V = kn A H = 3 kn M A = 6 knm EA S 4 B V = kn M,global : M A = = 6 knm 4, 4,

12 5. Beispielaufgabe 5 Normalkraftverlauf -5 kn 3 Stab -: N = - /4 = - kn 3 - kn + kn - kn 4 V - = N - Stab -3: N = -P = -5 kn Stab 3-4: N = -/ = - kn Stab -3: N = 3 + N -3 = kn V -3 3 F! 4 -V 3-4 -N 3-4 Momentenverlauf = knm knm 5 ( 4 ) knm 8 = Das Auflagermoment M A geht komplett in den Stab 3, da der Stab mit einem Momentengelenk am Auflager angeschlossen ist. Der Stab 3 ist unbelastet, somit nimmt das Moment linear bis zum Gelenk in Knoten 3 ab.

13 6 5 Prinzip der virtuellen Kräfte 5.. Verschiebungen am Knoten Horizontalverschiebung am Knoten Folgend sind die Schnittgrößen unter der virtuellen Kraft δf dargestellt. u Berechnung: δf = 3 H global : A H = δf = M 3,rechts : B V = EA S V global : A V = A V = A H = M A = 4 4 B V = M,global : M A = δf 4 = δn - 4 δm Virtuelle Arbeit: Die virtuelle Normalkraft δn verrichtet im Stab 3 auf der realen Dehnung ε Arbeit, da dieser eine endliche Dehnsteifigkeit EA S besitzt. Für alle anderen Stäbe gilt aufgrund von EA, dass die Dehnungen ε = N/EA zu Null werden. Verdrehung am Knoten Da sich am Knoten ein Gelenk befindet, sind die Endverdrehungen der beiden angeschlossenen Stäbe voneinander unabhängig und können somit separat bestimmt werden. Alternativ könnte die Relativverdrehung der beiden Stäbe an diesem Knoten auch gemeinsam bestimmt werden (hier nicht vorgeführt).

14 5. Beispielaufgabe 7 Berechnung von ϕ u δm u = φ u 3 EA S -/4 A V = A H = M A = 4 B V = δn - δm M : N -3 = -/4 N -3 F 3 : N -3 = 4 N -3 3 N -3 V -3 Stab und Stab 3 werden jeweils an einem Ende mit einem Einzelmoment belastet (δm u bzw. M A ). Da sie sonst unbelastet sind, nimmt das Moment jeweils bis zu den Gelenken linear ab. Die anderen Stäbe sind unbelastete Pendelstäbe M =.

15 8 5 Prinzip der virtuellen Kräfte Virtuelle Arbeit: Berechnung von ϕ re φ z, w x, u δm re = φ re 3 EA S A V = A H = M A = 4 B V = + + /4-4 δn δm Der Momentenverlauf ergibt sich analog zu dem Verlauf aus δm u.

16 5. Beispielaufgabe 9 M 3,links : N - =/4 N - 3 F : N -3 =- 4 N - N -3 V -3 Virtuelle Arbeit: 5..3 Horizontalverschiebung am Knoten maximal 4, cm Unter Verwendung der Berechnungen aus Teilaufgabe b) Formel umstellen und nach EA S auflösen: Somit ergibt sich bei der Forderung nach einer maximalen horizontalen Verschiebung am Knoten von u = 4, cm ein EA S von mindestens 4 78 kn.

17 5 Prinzip der virtuellen Kräfte Aufgabe 5 Schwierigkeitsgrad einfach q A F q 4 m 4 m gegeben: F = kn q = 5 kn/m EI =. knm² EA = 5. kn a) Berechnen Sie für die gegebene Belastung den Momenten-, Querkraft- und Normalkraftverlauf. b) Bestimmen Sie mithilfe des Prinzips der virtuellen Kräfte alle Verschiebungen sowie die Verdrehung am Knoten A. Schwierigkeitsgrad einfach Aufgabe 6 T l l gegeben: T = K l = m EI = 4. knm² EA =. kn α T = 4* -5 /K h =,5 m a) Bestimmen Sie mithilfe des Prinzips der virtuellen Kräfte jeweils alle Verschiebungen und Verdrehungen an den Punkten und.

18 5.3 Aufgaben 7 Aufgabe 4 Schwierigkeitsgrad mittel ψ m A F m m m m m gegeben: F = 8 kn EI = 5. knm² EA =. kn a) Berechnen Sie für die gegebene Belastung den Momenten- und Normalkraftverlauf. b) Bestimmen Sie mithilfe des Prinzips der virtuellen Kräfte die vertikale Verschiebung und Verdrehung des Knotens A. c) Bestimmen Sie mithilfe des Prinzips der virtuellen Kräfte die vertikale Verschiebung und Verdrehung des Knotens A für den Fall, dass für die Stäbe + gilt: EA und EI. Aufgabe 5 F Schwierigkeitsgrad mittel s 45 A m m m m m gegeben: F = kn s = 4 kn/m EI =. knm² EA = 5. kn a) Berechnen Sie für die gegebene Belastung den Momenten- und Normalkraftverlauf. b) Bestimmen Sie mithilfe des Prinzips der virtuellen Kräfte die vertikale Verschiebung rechts und links vom Gelenk A.

19 8 5 Prinzip der virtuellen Kräfte Schwierigkeitsgrad mittel Aufgabe 6 F 3 m A w w m 4 m 4 m gegeben: F = 6 kn w = 5 kn/m EI = 5. knm² EA =. kn a) Berechnen Sie für die gegebene Belastung den Momenten- und Normalkraftverlauf. b) Bestimmen Sie mithilfe des Prinzips der virtuellen Kräfte die horizontale Verschiebung des Knotens A. Aufgabe 7 Schwierigkeitsgrad mittel F M ψ B 3 m A 3 m 3 m 6 m gegeben: F = kn M = 3 knm EI = 4. knm² EA = 4. kn a) Berechnen Sie für die gegebene Belastung den Momenten- und Normalkraftverlauf. b) Bestimmen Sie mithilfe des Prinzips der virtuellen Kräfte die vertikale Verschiebung des Auflagers A und die Verdrehung des Knoten B.

20 34 5 Prinzip der virtuellen Kräfte Schwierigkeitsgrad schwer Aufgabe 6 s A l F B l 4l 4l w 4l gegeben: F = kn w = kn/m s = 5 kn/m l = m EI = 3. knm² EA = 5. kn a) Berechnen Sie für die gegebene Belastung den Momenten- und Normalkraftverlauf. b) Bestimmen Sie mithilfe des Prinzips der virtuellen Kräfte die Verdrehung des Knotens A und die vertikale Verschiebung des Knotens B. Schwierigkeitsgrad schwer Aufgabe 7 m w F m A m 4 m m m m gegeben: F = 35 kn w = kn/m EI = 3. knm² EA = 5. kn a) Berechnen Sie für die gegebene Belastung den Momenten- und Normalkraftverlauf. b) Bestimmen Sie mithilfe des Prinzips der virtuellen Kräfte alle Verschiebungen des Punktes A.

21 5.3 Aufgaben 35 Aufgabe 8 F M c φ Schwierigkeitsgrad schwer ψ l A l l l gegeben: F = 3 kn M = knm EI = 5. knm² EA =. kn l = m c φ = 55 knm/rad a) Berechnen Sie für die gegebene Belastung den Momenten- und Normalkraftverlauf. b) Bestimmen Sie mithilfe des Prinzips der virtuellen Kräfte die Verdrehung der Feder und die vertikale Verschiebung des Auflagers A. Aufgabe 9 F Schwierigkeitsgrad schwer 4l c φ 45 A n ψ 4l l l l gegeben: F = kn n = 5 kn/m EI = 5. knm² EA =. kn l = m c φ = 5 knm/rad a) Berechnen Sie für die gegebene Belastung den Momenten-, Querkraft- und Normalkraftverlauf. b) Bestimmen Sie mithilfe des Prinzips der virtuellen Kräfte die Verdrehung der Feder und die horizontale Verschiebung des Knotens A.