„Stabwerk (Technische Mechanik)“ – Versionsunterschied
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In der [[Technische Mechanik|Technischen Mechanik]] bezeichnet der Begriff '''Stabwerk''' (auch '''Stabtragwerk''') ein im Allgemeinen räumliches, aus meistens geraden [[Stab (Statik)|Stäben]] zusammengesetztes Tragwerk, z.B. ein [[Tragwerk (Bauwesen)|Tragwerk von Gebäuden]]. Je nach [[Verbindungstechnik|Verbindungsart]] der Stäbe wird zwischen biegesteifen ([[Ecksteifigkeit|ecksteifen]]) Stabwerken, [[Fachwerk]]en und Mischformen unterschieden.<ref>K. Meskouris, E. Hake: ''Statik der Stabtragwerke'', Springer, 2009, S. 39</ref> |
In der [[Technische Mechanik|Technischen Mechanik]] bezeichnet der Begriff '''Stabwerk''' (auch '''Stabtragwerk''') ein im Allgemeinen räumliches, aus meistens geraden [[Stab (Statik)|Stäben]] zusammengesetztes Tragwerk, z.B. ein [[Tragwerk (Bauwesen)|Tragwerk von Gebäuden]]. Je nach [[Verbindungstechnik|Verbindungsart]] der Stäbe wird zwischen biegesteifen ([[Ecksteifigkeit|ecksteifen]]) Stabwerken, [[Fachwerk]]en und Mischformen unterschieden.<ref>K. Meskouris, E. Hake: ''Statik der Stabtragwerke'', Springer, 2009, S. 39</ref> |
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Zu den Stäben kommen als Konstruktionselemente hinzu die äußeren Abstützungen ([[Lager (Statik)|Lager]]) und die inneren [[Verbindungstechnik|Verbindungen]] (Knoten). |
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Meistens werden gerade Stäbe oder Balken verwendet. Gekrümmte Stäbe haben vorwiegend Kreisbogenform. |
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Die Stabelemente sind dreidimensionale, meistens gerade Elemente (Balken, Fachwerkstäbe), welche eine dominante Längsrichtung aufweisen, sodass sie in der Statik als eindimensionale Elemente, denen ihren 3-D-Eigenschaften (Querschnitt,Statisches Moment,Flächenträgheitsmoment,...) zugewiesen werden. Gekrümmte Stabelemente haben oftmals Kreisbogenform.<!--Parabeln, Kettenlinien,.. kommen auch oft vor.--> |
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Von Fachwerken abgesehen unterliegen die Stäbe neben Normalkraft- auch Biegebeanspruchungen (vorwiegend [[Biegung|Querkraftbiegung]]). Die Biegebeanspruchung bestimmt i.d.R. den zu wählenden Querschnitt der Stäbe. |
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Die Lager haben ''Kraftkomponenten'' ([[Kraft|Kräfte]] und [[Drehmoment]]e) aus dem Stabwerk heraus in die [[Fundament]]e zu übertragen. Je nachdem, wie viele Kraftkomponenten ein Lager übertragen kann, wird es als ''einwertig, zweiwertig, ...'' (bis ''n-wertig'': n=3 bei ebenem, n=6 bei räumlichen Fachwerk) bezeichnet. <ref>K. Meskouris, E. Hake, S. 40</ref> Beim ebenen Tragwerk ist ein |
Die Lager haben ''Kraftkomponenten'' ([[Kraft|Kräfte]] und [[Drehmoment]]e) aus dem Stabwerk heraus in die [[Fundament]]e zu übertragen. Je nachdem, wie viele Kraftkomponenten ein Lager übertragen kann, wird es als ''einwertig, zweiwertig, ...'' (bis ''n-wertig'': n=3 bei ebenem, n=6 bei räumlichen Fachwerk) bezeichnet. <ref>K. Meskouris, E. Hake, S. 40</ref> Beim ebenen Tragwerk ist ein Drehlager zweiwertig, ein in der Tragwerksebene verschiebliches Drehlager (''Loslager'') einwertig und eine feste Einspannung dreiwertig. |
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Die Kraftkomponenten zwischen den Stabelementen werden über die Knoten geleitet. Anstatt von der Wertigkeit wird von ''festem Anschluss'', von ''Gelenk'' und von ''Längs- |
Die Kraftkomponenten zwischen den Stabelementen werden über die Knoten geleitet. Anstatt von der Wertigkeit wird von ''festem Anschluss'', von ''Gelenk'' und von ''Längs- bzw. Querkraftmechanismus'' gesprochen. Bei einem ebenen Stabwerk werden in diesen Verbindungen Normal-, Querkraft und Drehmoment (fester Anschluss), Normal- und Querkraft (Gelenk), Querkraft und Drehmoment (Längsmechanismus oder Normalkraftgelenk<ref name="BaustatikTUWien">Pichler, Bernhard. Eberhardsteiner, Josef: ''Baustatik VO'' ''LVA-Nr 202.065''. [http://shop.tuverlag.at/de/baustatik-vo?info=74 TU Verlag] Wien, 2016 ISBN 9783903024175''</ref>) und Längskraft und Drehmoment (Quermechanismus oder (Querkraftgelenk<ref name="BaustatikTUWien" />) übertragen. |
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== Fachwerk == |
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Ein [[Fachwerk]] besteht aus |
Ein [[Fachwerk]] besteht allein aus aneinander gefügten, in sich unverschieblichen Stabdreiecken. Über die Verbindungsstellen (Knoten) werden nur Normalkräfte (Zug und Druck) zu den Stäben geführt. [[Drehmoment]]e sind prinzipiell nicht zu übertragen, und Knotenverdrehungen durch Normalkraftverformungen der Stäbe sind sehr klein.<ref>K. Meskouris, E. Hake, S. 94/95</ref> Ecksteife Verbindungen sind nicht erforderlich, man kann sich mit unaufwändigen biegeweichen Knotenverbindungen, die man rechnerisch sogar wie [[Gelenk (Technik)|Drehgelenke]] behandelt, begnügen. |
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Ein Fachwerk wird in der technischen Literatur als ein Stabwerk definiert, das aus Stäben die gelenkig<ref name="mang">[[Herbert Mang|H. Mang]], G Hofstetter: ''Festigkeitslehre.'' Springer Verlag, WienNewYork 2008 (4. Auflage), ISBN 978-3-642-40751-2, S. 156</ref><ref name="TechnischeMechanik">D. Gross, W. Hauger, J. Schröder, W.A. Wall: ''Technische Mechanik 1''; Kapitel 6 Fachwerke. Springerverlag, ISBN 978-3-642-13805-8. </ref><ref name="UniversitätMagdeburg">[Manuskript von Universität Magdeburg http://www.uni-magdeburg.de/ifme/l-festigkeit/pdf/AB_Fachwerke.pdf]</ref><ref>Fries Walter: "Fachwerk und Rahmenwerk: Ein systematischer Grundriß der Statik des ebenen Tragwerks" [https://books.google.at/books?id=LpGgBgAAQBAJ&pg=PA49&lpg=PA49&dq=Fachwerk+und+Rahmenwerk:+Ein+systematischer+Grundri%C3%9F+der+Statik+des+ebenen+.&source=bl&ots=6t-m3pVKMe&sig=PwFhUFKp5KWurn2tJlDoMZobqIA&hl=de&sa=X&ved=0ahUKEwjlxeCAnfXLAhXIDpoKHTQnBO0Q6AEILTAD#v=onepage&q=Fachwerk%20und%20Rahmenwerk%3A%20Ein%20systematischer%20Grundri%C3%9F%20der%20Statik%20des%20ebenen%20.&f=false S6]</ref><ref>Douglas C. Giancoli, Physik: Lehr- und Übungsbuch [https://books.google.at/books?id=blIf3HCpDy8C&printsec=frontcover&hl=de&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q&f=false S427]</ref><ref>[https://www.umwelt-campus.de/ucb/fileadmin/users/90_t.preussler/dokumente/Skripte/TEMECH/TMI/Ebene_Fachwerke.pdf S1]</ref><ref>[http://goepf.bettschen.org/Statik11.pdf S2]</ref><ref>[http://wandinger.userweb.mwn.de/TM1/v3_4.pdf S2]</ref> miteinander [[Verbindungstechnik|verbunden]] sind. |
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Ein statisch unterbestimmtes („kinematisches“) Stabwerk wäre auf seinen Fundamenten oder in sich selber beweglich, also instabil. Statisch überbestimmte Stabwerke (= statisch unbestimmte Stabwerke) sind stabiler als statisch bestimmte Stabwerke, haben jedoch den Nachteil, dass der Aufwand zur Ermittlung der an den Stäben anliegenden Kräfte größer wird. Thermische Ausdehnungen und Setzungen der Fundamente können bei ihnen sekundäre, innere Beanspruchungen und Verformungen bewirken (also zusätzlich zu den von außen anliegenden Lasten wie Bauteilgewichte, [[Schneelast|Schnee-]] und [[Verkehrslast]] sowie [[Winddruck]]). Fertigungsungenauigkeiten bei den Stablängen können die Montage erschweren und auch zu sekundären, inneren Beanspruchungen und Verformungen führen (Zwängungen). |
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Aus den Gleichgewichtsbedingungen wurden für Fachwerke die sogenannten ''Abzählkriterien'' als vereinfachte Bestimmungsmethode entwickelt. |
Aus den Gleichgewichtsbedingungen wurden für Stabwerke und nochmals speziell für Fachwerke die sogenannten ''Abzählkriterien'' als vereinfachte Bestimmungsmethode entwickelt. Für Grenzfälle liefern sie aber nicht immer das richtige Ergebnis, was wegen ihrer schematischen Anwendung zudem nicht erkennbar ist. |
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Erfahrene Stabwerk-Konstrukteure benutzen deshalb zusätzliche, sogenannte ''Abbau- bzw. Aufbaukriterien'' (Frage: Was passiert, wenn ein Stab entfernt bzw. ein Stab hinzugefügt wird?). Die sichere Antwort für jeden Fall und für Ungeübte folgt nur aus der Arbeit mit den Gleichgewichtsbedingungen. |
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Wobei diese nur bei Fachwerken angewandt wird, weil Stabwerke i.d.R. aufgrund der biegesteifen Anschlüsse vielfach (in der Praxis oft auch großer 100 z.B. Gitterrost oder Rahmenträger) statisch unbestimmt sind und somit nur die Methode nach der Anschauung Relevanz hat. |
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Die Fachwerk-Abzählkriterien unterscheiden sich von den o.g. Kriterien in erster Linie durch die Tatsache, dass alle Verbindungen als Drehgelenke |
Die Fachwerk-Abzählkriterien unterscheiden sich von den o.g. Kriterien in erster Linie durch die Tatsache, dass alle Verbindungen als Drehgelenke bewertbar sind. |
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Für '''ebene''' [[Fachwerk|Fachwerke]] wird folgende Formel verwendet:<ref name ="föppl">Das „[[August Föppl|Föpplsche]] Gesetz“, vgl. Max Mengeringshausen: ''Raumfachwerke,'' Bauverlag GmbH, 1975, S.28 </ref><ref name ="lernen">statik-lernen.de: ''Statische (Un-)Bestimmtheit'' [http://www.statik-lernen.de/grundl_statische_bestimmtheit_1.html Abzählkriterium]</ref> |
Für '''ebene''' [[Fachwerk|Fachwerke]] wird folgende Formel verwendet:<ref name ="föppl">Das „[[August Föppl|Föpplsche]] Gesetz“, vgl. Max Mengeringshausen: ''Raumfachwerke,'' Bauverlag GmbH, 1975, S.28 </ref><ref name ="lernen">statik-lernen.de: ''Statische (Un-)Bestimmtheit'' [http://www.statik-lernen.de/grundl_statische_bestimmtheit_1.html Abzählkriterium]</ref> |
Version vom 31. Mai 2016, 12:42 Uhr
In der Technischen Mechanik bezeichnet der Begriff Stabwerk (auch Stabtragwerk) ein im Allgemeinen räumliches, aus meistens geraden Stäben zusammengesetztes Tragwerk, z.B. ein Tragwerk von Gebäuden. Je nach Verbindungsart der Stäbe wird zwischen biegesteifen (ecksteifen) Stabwerken, Fachwerken und Mischformen unterschieden.[1]
Konstruktionselemente
Zu den Stäben kommen als Konstruktionselemente hinzu die äußeren Abstützungen (Lager) und die inneren Verbindungen (Knoten).
Stäbe
Meistens werden gerade Stäbe oder Balken verwendet. Gekrümmte Stäbe haben vorwiegend Kreisbogenform.
Von Fachwerken abgesehen unterliegen die Stäbe neben Normalkraft- auch Biegebeanspruchungen (vorwiegend Querkraftbiegung). Die Biegebeanspruchung bestimmt i.d.R. den zu wählenden Querschnitt der Stäbe.
Abstützungen (Lager)
Die Lager haben Kraftkomponenten (Kräfte und Drehmomente) aus dem Stabwerk heraus in die Fundamente zu übertragen. Je nachdem, wie viele Kraftkomponenten ein Lager übertragen kann, wird es als einwertig, zweiwertig, ... (bis n-wertig: n=3 bei ebenem, n=6 bei räumlichen Fachwerk) bezeichnet. [2] Beim ebenen Tragwerk ist ein Drehlager zweiwertig, ein in der Tragwerksebene verschiebliches Drehlager (Loslager) einwertig und eine feste Einspannung dreiwertig.
Verbindungen (Knoten)
Die Kraftkomponenten zwischen den Stabelementen werden über die Knoten geleitet. Anstatt von der Wertigkeit wird von festem Anschluss, von Gelenk und von Längs- bzw. Querkraftmechanismus gesprochen. Bei einem ebenen Stabwerk werden in diesen Verbindungen Normal-, Querkraft und Drehmoment (fester Anschluss), Normal- und Querkraft (Gelenk), Querkraft und Drehmoment (Längsmechanismus oder Normalkraftgelenk[3]) und Längskraft und Drehmoment (Quermechanismus oder (Querkraftgelenk[3]) übertragen.
Fachwerk
Ein Fachwerk besteht allein aus aneinander gefügten, in sich unverschieblichen Stabdreiecken. Über die Verbindungsstellen (Knoten) werden nur Normalkräfte (Zug und Druck) zu den Stäben geführt. Drehmomente sind prinzipiell nicht zu übertragen, und Knotenverdrehungen durch Normalkraftverformungen der Stäbe sind sehr klein.[4] Ecksteife Verbindungen sind nicht erforderlich, man kann sich mit unaufwändigen biegeweichen Knotenverbindungen, die man rechnerisch sogar wie Drehgelenke behandelt, begnügen.
Statische Bestimmtheit
Ein statisch unterbestimmtes („kinematisches“) Stabwerk wäre auf seinen Fundamenten oder in sich selber beweglich, also instabil. Statisch überbestimmte Stabwerke (= statisch unbestimmte Stabwerke) sind stabiler als statisch bestimmte Stabwerke, haben jedoch den Nachteil, dass der Aufwand zur Ermittlung der an den Stäben anliegenden Kräfte größer wird. Thermische Ausdehnungen und Setzungen der Fundamente können bei ihnen sekundäre, innere Beanspruchungen und Verformungen bewirken (also zusätzlich zu den von außen anliegenden Lasten wie Bauteilgewichte, Schnee- und Verkehrslast sowie Winddruck). Fertigungsungenauigkeiten bei den Stablängen können die Montage erschweren und auch zu sekundären, inneren Beanspruchungen und Verformungen führen (Zwängungen).
Aus den Gleichgewichtsbedingungen wurden für Stabwerke und nochmals speziell für Fachwerke die sogenannten Abzählkriterien als vereinfachte Bestimmungsmethode entwickelt. Für Grenzfälle liefern sie aber nicht immer das richtige Ergebnis, was wegen ihrer schematischen Anwendung zudem nicht erkennbar ist.
Erfahrene Stabwerk-Konstrukteure benutzen deshalb zusätzliche, sogenannte Abbau- bzw. Aufbaukriterien (Frage: Was passiert, wenn ein Stab entfernt bzw. ein Stab hinzugefügt wird?). Die sichere Antwort für jeden Fall und für Ungeübte folgt nur aus der Arbeit mit den Gleichgewichtsbedingungen.
Grad der statischen Bestimmtheit
Der Grad der statischen Bestimmtheit eines Stabwerks wird mit der ganzzahligen Größe angegeben:
- statisch überbestimmt/ unbestimmt,
- statisch bestimmt,
- statisch unterbestimmt.
Abzählkriterien
allgemeines Abzählkriterium
Die Bestimmung von n kann mit der folgenden, als Abzählkriterium bekannten Formel erfolgen:[5][6]
- ebene Tragwerke:
- räumliche Tragwerke:
Hierbei sind:
i: Summe der in den Auflagern unterbundenen Bewegungsmöglichkeiten (Wertigkeiten der Auflager,)
j: Summe der in den Verbindungen unterbundenen Bewegungsmöglichkeiten (Wertigkeiten der Verbindungen),
k: Anzahl der starren Bauteile.
Rechenbeispiel: (ebener) Gerberträger
- > > der Gerberträger ist ein statisch bestimmtes Tragwerk.
Mit dem Abzählkriterium ermittelte statische Unbestimmtheit entspricht immer der Realität, aber nicht immer ermittelte statische Bestimmtheit. Unter- und Überbestimmtheiten können sich bei diesem Verfahren gegenseitig aufheben. Beispiel hierfür ist ein zweiteiliger Balken, der auf drei Loslagern liegt: Trotz ermitteltem n = 0 ist er offensichtlich nicht statisch bestimmt.[7]
Abzählkriterium für Fachwerke
Die Fachwerk-Abzählkriterien unterscheiden sich von den o.g. Kriterien in erster Linie durch die Tatsache, dass alle Verbindungen als Drehgelenke bewertbar sind.
Für ebene Fachwerke wird folgende Formel verwendet:[8][9]
Hierbei sind:
a: Summe der in den Auflagerdrehgelenken unterbundenen Bewegungsmöglichkeiten (Wertigkeiten der Auflager),
s: Anzahl der Stäbe,
z: Anzahl der Drehgelenke (Auflager + Verbindungen).
Beispiel: nebenstehend abgebildetes Fachwerk
- > > das nebenstehend abgebildete Fachwerk ist statisch bestimmt.
Für räumliche Fachwerke wird folgende Formel verwendet:[8][9]
Auch die Abzählkriterien für Fachwerke sind nur eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung für den Nachweis statischer Bestimmtheit.[11]
Literatur
- Klaus-Jürgen Schneider, Erwin Schweda: Statisch bestimmte ebene Stabwerke. 2 Bde. 3., neubearb. Aufl., Werner, Düsseldorf 1985, ISBN 3-8041-3377-0 und ISBN 3-8041-3378-9
- Walter Wunderlich, Gunter Kiener: Statik der Stabtragwerke. Teubner, Stuttgart 2004, ISBN 3-519-05061-7
- Konstantin Meskouris, Erwin Hake: Statik der Stabtragwerke : Einführung in die Tragwerkslehre. 2. Aufl., Springer, Berlin 2009, ISBN 978-3-540-88992-2
Einzelnachweise
- ↑ K. Meskouris, E. Hake: Statik der Stabtragwerke, Springer, 2009, S. 39
- ↑ K. Meskouris, E. Hake, S. 40
- ↑ a b Pichler, Bernhard. Eberhardsteiner, Josef: Baustatik VO LVA-Nr 202.065. TU Verlag Wien, 2016 ISBN 9783903024175
- ↑ K. Meskouris, E. Hake, S. 94/95
- ↑ Roman Harcke: Statische Bestimmtheit Abzählkriterium
- ↑ Oliver Romberg, Nikolaus Hinrichs: Keine Panik vor Mechanik. Vieweg & Teubner Verlag, Wiesbaden 2011, ISBN 978-3-8348-1489-0, S. 35.
- ↑ B. Marussig: Kraftgrößenverfahren, Seite 6: Nachteile des Abzählkriteriums
- ↑ a b Das „Föpplsche Gesetz“, vgl. Max Mengeringshausen: Raumfachwerke, Bauverlag GmbH, 1975, S.28
- ↑ a b statik-lernen.de: Statische (Un-)Bestimmtheit Abzählkriterium
- ↑ Marussig, Kraftgrößenverfahren, Seite 4, Abzählkriterien für Fachwerke
- ↑ Marussig, Kraftgrößenverfahren, Seite 5, Beispiel d: Abzählkriterim nicht hinreichend