Aufgabe: Balken mit Streckenlasten

Aufgabe: Schnittgrößen und Schnittgrößenverläufe

1. Freischnitt und Resultierende der Streckenlasten

Zunächst schneiden wir den Balken von seinen Lagern frei und bestimmen die Resultierenden der Streckenlasten:

Wir haben hier zwei Streckenlasten gegeben, eine rechteckige und eine dreieckige. Wir bestimmen also zunächst die Flächen beider Streckenlasten.

Dreieckige Streckenlast:

Für die dreieckige Streckenlast wird der Flächeninhalt eines Dreiecks bestimmt.

Hierbei ist die Breite von 4m, über welche die Streckenlast wirkt, und die Höhe der Streckenlast mit . Es ergibt sich demnach:

Rechteckige Streckenlast:

Für die rechteckige Streckenlast wird der Flächeninhalt eines Rechtecks bestimmt.

Hierbei ist die Breite von 5m, über welche die Streckenlast wirkt, und die Höhe der Streckenlast mit . Es resultiert:

Nachdem die Resultierenden der Streckenlasten bestimmt sind, benötigen wir als nächstes die Angriffspunkte dieser.

Wir müssen also die Lage des Schwerpunktes entweder kennen oder berechnen. Für Rechteck und Dreieck ist die Lage der Schwerpunkte bekannt.

Bei einem rechtwinkligen Dreieck liegt der Schwerpunkt bei 1/3 der Fläche vom rechten Winkel ausgehend.

Bei einem Rechteck liegt der Schwerpunkt in der Mitte. 

In unserem Beispiel ist die Angabe der Lage der Schwerpunkte nur in Richtung der Balkenachse notwendig (x-Richtung). 

2. Bestimmung der Auflagerkräfte

Als nächstes bestimmen wir die Auflagerkräfte.

Gleichgewichtsbedingung in x-Richtung:

:   

Es sind keine Kräfte in -Richtung gegeben, deswegen wird die Auflagerkraft .

Gleichgewichtsbedingung in y-Richtung:

:

Momentengleichgewichtsbedingung um A (linksdrehende Momente positiv):

: 

3. Bestimmung der Schnittgrößenverläufe (analytisch)

Bevor wir mit der Berechnung der Schnittgrößen beginnen, müssen wir uns überlegen, wo genau die Schnitte durchgeführt werden müssen. Geschnitten wird immer 

Wir haben hier statische Unstetigkeiten infolge der Streckenlasten. Wir müssen also je einen Schnitt durch jede Streckenlast durchführen:

In der obigen Grafik sind die beiden Schnitte eingezeichnet. Der 1. Schnitt wird zwischen durchgeführt, der 2. Schnitt zwischen .

1. Schnitt

Wie deutlich zu erkennen ist, ist bei dem 1. Schnitt die gegebene Teilstreckenlast nun nicht mehr dreieckig. Wir benötigen aber hier die Fläche dieser Teilstreckenlast (Berechnung der Querkraft) sowie die Lage des Schwerpunktes (Berechnung des Moments) für die Berechnungen der Schnittgrößen. Wir können die Streckenlast bei der Querkraft und beim Biegemoment wie folgt berücksichtigen:

Um die Formeln oben anwenden zu können, benötigen wir zunächst den Verlauf . Dafür verwenden wir die Geradengleichung:

und für unseren Fall:

Dabei ist die Ausgangsstreckenlast. Wir müssen also den Verlauf von bestimmen. Dazu betrachten wir diesen in einem Koordinatensystem:

Dabei ist der Beginn der Funktion auf der bzw. Achse und die Steigung (negativ) der rot eingezeichneten Funktion. 

Die Geradengleichung ergibt sich dann wie folgt:

Als nächstes bestimmen wir die Schnittgrößen. Die Normalkraft wird aus der Gleichgewichtsbedingung in -Richtung bestimmt.

: 

Die Normalkraft wird Null, weil keine horizontalen Kräfte an den Balken angreifen.

Die Querkraft wird aus der Gleichgewichtsbedingung in -Richtung bestimmt. Hierbei geht auch die Teilstreckenlast ein:

:   

Einsetzen von :

Die Grenzen des Intergals müssen der Teilstreckenlast entsprechend angepasst werden:

Integration durchführen:

Grenzen einsetzen:

Einsetzen von :

Zusammenfassen:

Das Biegemoment wird mittels der Momentengleichgewichtsbedingung bestimmt. Dabei wird der Bezugspunkt immer in den Schnitt gelegt. Für die Streckenlast wird die zweimalige Integration durchgeführt:

:   

Einsetzen von :

Erste Integration:

Zweite Integration:

Zusammenfassen:

Einsetzen von und :

Probe: Die Ableitung des Biegemoments ergibt die Querkraft

Für den ersten Schnitt sind nun alle Schnittgrößen bestimmt. 

2. Schnitt 

Für den zweiten Schnitt betrachten wir die Laufkoordinate und beginnen bei , also am Anfang der rechteckigen Streckenlast.

Hier ist die Funktion konstant. Es ergibt sich also mit und (es gibt keine Steigung):

Wir beginnen mit der Normalkraft, welche wir aus der Gleichgewichtsbedingung in -Richtung berechnen:

:  

Es existiert keine Normalkraft, weil keine horizontalen Kräfte an den Balken angreifen.

Die Querkraft berechnen wir aus der Gleichgewichtsbedingung in -Richtung:

: 

Einsetzen von :

Integration durchführen:

Einsetzen von und

Zusammenfassen:

Für die Berechnung des Biegemoments wenden wir die Momentengleichgewichtsbedingung an:

:   

Einsetzen von :

:

Auflösen nach :

1. Integration:

2. Integration:

Einsetzen von , und :

Zusammenfassen:

Probe: Ableitung des Biegemoments ergibt die Querkraft

4. Bestimmung der Schnittgrößenverläufe (grafisch)

In der nachfolgenden Grafik sind die Schnittgrößenverläufe veranschaulicht:

Zu beachten: Die Schnittgrößenverläufe (analytisch) werden herangezogen, um diese grafisch zu visualisieren. Dabei werden innerhalb der Grafik die Randwerte (immer positiv) angegeben. Positive Verläufe werden unterhalb des Balkens eingezeichnet (gemäß der nach unten gerichteten z-Achse) und negative Verläufe oberhalb des Balkens. Außerdem werden diese zusätzlich durch + und - gekennzeichnet. 

Randwerte

1. Schnitt: :

2. Schnitt: