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Belastungsarten - Technische Mechanik

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In der Festigkeitslehre unterscheidet man verschiedene Belastungsarten, die auf ein Bauteil einwirken können. Belastungen entstehen durch Kräfte, die auf das Bauteil einwirken. Welche Belastungsart anliegt, ist abhängig von der Wirkungsrichtung der Kraft, ihrer Position, ihrer Verteilung und ihrem zeitlichen Verlauf.

Unterscheidung nach dem Angriffspunkt und der Wirkungsrichtung

Bei dieser Art der Differenzierung unterscheidet man die Belastungsarten auf Basis ihres Angriffspunkts und ihrer Wirkungsrichtung, welche sie charakterisieren. Daraus ergeben sich die vier Grundbelastungsarten: Normalkraftbelastung (Zug/Druck), Biegung, Scherung (Schubbeanspruchung) und Torsion (Verdrehung).

Grundsätzlich gilt, dass jede Belastungen in diese vier typischen Grundbelastungsarten zerlegt werden können. Diese Grundbelastungsarten können einzeln oder auch in Kombination vorliegen. Bei einer Kombination ist es sinnvoll die Gesamtbelastung in die entsprechenden einzelnen Grundbeanspruchungsarten zu zerlegen und in ersten Schritt einzeln zu berechnen.

Normalkraftbelastung – Zug / Druck
Bei einer Normalkraftbelastung greift die Kraft in der Schwerachse, wobei auch die Wirkungsrichtung der Kraft stets in Richtung der Schwerachse vorliegt. Man kann bei der Normalkraft zwischen Zug- und Druckbelastung unterscheiden, je nachdem, ob der Kraftvektor in die Querschnittsfläche hinein- oder hinauszeigt.

Scherung / Schubbeanspruchung
Eine Scherbeanspruchung entsteht, wenn entgegengesetzte Querkräfte gering zueinander versetzt auf ein Bauteil einwirken. Diese Kräfte verursachen die sogenannte Scherbelastung oder auch Gleitung. Man spricht hier auch von einer Schubbeanspruchung, da hier Schubspannungen im Bauteil entstehen. Scherbeanspruchungen treten typischer Weise bei Niet-, Schraub- und Bolzenverbindungen auf.

Biegung
Auch bei der Biegung kann man zwischen zwei Fällen unterscheiden. Es existieren a) die reine Biegung, bei der ein Momentenpaar an den Stabenden vorhanden ist und b) die Querkraftbiegung, bei der das Biegemoment durch eine Querkraft (senkrecht zur Schwerachse) hervorgerufen wird.
Bei der Querkraftbiegung muss man unbedingt beachten, dass neben dem Biegemoment auch die Querkraft als Belastung vorliegt.

Torsion / Verdrehung
Bei der Torsion wird ein Drehmoment in Richtung der Schwerachse aufgebracht – das Bauteil (z.B. Träger, Stab) wird dabei verdreht. Man findet diese Belastung typischer Weise bei Wellen.

Belastungsarten Technische Mechanik

Bemerkung
Wie bereits erwähnt, treten diese verschiedenen Arten der Belastung nur selten als einzelne Belastung auf. In den meisten Fällen des realen „Maschinenbau-Alltags“ wirken verschiedene Beanspruchungen in einem Bauteil gemeinsam. In den meisten Kapiteln dieses Mechanik-Skriptes* werden jedoch lediglich die einzelnen Belastungsarten isoliert voneinander beschrieben. Die Berechnung von überlagerten Belastungen wird erst in späteren Teilen des Skripts dargestellt.

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Belastungsarten – Unterscheidung nach Lastverteilung

Punktlast
Bei der Punktlast greift eine Kraft an einem einzelnen Punkt an.

Streckenlast
Bei der Streckenlast ist eine Kraft auf einer Linie / Strecke verteilt. Die Kraft kann dabei gleichmäßig oder auch ungleichmäßig verteilt sein.

Flächenlast
Bei einer Flächenlast ist die Kraft über eine bestimmte Fläche verteilt. Die Kraft kann dabei gleichmäßig oder auch ungleichmäßig verteilt sein.

Belastungsarten – Unterscheidung nach dem zeitlichen Verlauf

Mit dem zeitlichen Verlauf einer Belastung ist gemeint, ob eine Kraft dauerhaft wirkt, oder möglicher Weise einen dynamischen Verlauf hat und über die Zeit veränderlich ist. Man unterscheidet zwischen folgenden Belastungsarten:

1. statische Belastung
Die einwirkende Kraft und ihre Wirkungsrichtung bleiben konstant; man spricht hier auch von einer ruhenden oder statischen Belastung.

2. dynamische Belastung
Die einwirkende Kraft und/oder ihre Wirkungsrichtung verändern sich über die Zeit.
Man unterscheidet bei dynamischen Belastungen des Weiteren in:

a) dynamisch-schwellende Belastung
Die einwirkende Kraft schwankt zwischen zwei oder mehreren Werten, die jedoch immer über oder unter Null liegen (die Belastungsrichtung wechselt also nicht => z.B. kein Wechsel zwischen Zug und Druck).

b) dynamisch wechselnde Belastung
Die einwirkende Kraft schwankt zwischen zwei oder mehreren Werten, die abwechselnd über und unter Null liegen (es findet z.B. ein ständiger Wechsel zwischen Zug und Druck statt).

c) harmonische Belastung
Die einwirkende Kraft kann schwellend oder auch wechselnd sein, weist jedoch einen harmonischen Verlauf auf – sehr häufig sinusförmig (oft bei rotierenden Teilen anzufinden).

d) zufällige Belastung
Die einwirkende Kraft ist in ihrer Höhe und Wirkungsrichtung zufällig und somit unvorhersehbar.

e) schlagartige Belastung
Die einwirkende Kraft ist besonders hoch aber die Wirkungsdauer nur sehr kurzzeitig. Die schlagartige Belastung tritt zum Beispiel bei einem Autocrash oder einer Explosion auf.

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