Biegelinie
Eine Biegelinie (auch Biegungslinie, Durchbiegungslinie, elastische Linie) ist eine mathematisch einfach beschreibbare Kurve für die Verformung eines geraden Balkens bei mechanischer Belastung.<ref>Otto Lueger: Lexikon der gesamten Technik. 1904</ref>
Sie wurde 1744 von Euler mathematisch beschrieben und später von Eytelwein (1808) und Navier (1826) vereinfacht.<ref>Karl-Eugen Kurrer: The History of the Theory of Structures. Searching for Equilibrium. Berlin: Ernst & Sohn, S. 426ff, ISBN 978-3-433-03229-9</ref>
Verlauf des Biegemoments
an einem Balken (anthrazit)
mit mittiger Kraft F,
hier dargestellt als Punktlast P,
mit dem maximalen Biegemoment M (pink) bei l/2,
einschließlich des Querkraftverlaufs Q (orange)
und der Biegeline w (dunkelblau)
Die Gleichung der Biegelinie ist ein Teil der Balkentheorie.<ref>Heinz Parkus: Mechanik der festen Körper. Springer-Verlag, Wien 1966, ISBN 3-211-80777-2</ref> Sie wird verwendet, um die Durchbiegung von Balken im Bereich des linear-elastischen Materialverhaltens zu bestimmen. Dabei wird die Theorie I. Ordnung zugrunde gelegt, d. h. man nimmt die biegebedingten Verformungen als so klein an, dass sie bei der Aufstellung der Gleichung vernachlässigt werden können.
Für den Bereich des nichtlinear-elastischen Materialverhaltens sind Abänderungen erforderlich (vgl. Nichtlineare Stabstatik).
Zusammenhang mit der Balkenkrümmung
Der Zusammenhang zwischen Balkenkrümmung und Biegelinie ist mit einer Differentialgleichung darstellbar.
Die Krümmung <math>\kappa(x)</math> in einem elastischen geraden Balken ist dem Biegemoment <math>M_y</math> (Schnittmoment) an der Stelle <math>x</math> proportional. Unter Einbeziehung des Hooke’schen Stoffgesetzes erhält man
- <math>\kappa = \frac 1 r = \frac{M_y}{EI_y}</math>.<ref name="pichler2017Baustatik">Bernhard Pichler, Josef Eberhardsteiner: Baustatik VO – LVA-Nr 202.065. Hrsg.: E202 Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen – Fakultät Bauingenieurwesen, TU Wien. SS 2017 Auflage. TU Verlag, Wien 2017, ISBN 978-3-903024-41-0, 10. Lösen der linearen Differentialgleichungen in der linearen Stabtheorie (516 S., tuverlag.at – Erstausgabe: 2012). <templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />Baustatik VO – LVA-Nr 202.065 ( des Vorlage:IconExternal vom 17. Juli 2017 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.</ref><ref>Herbert Mang, Günter Hofstetter: Festigkeitslehre. 3. Auflage. Springer, Berlin/Heidelberg 2008, ISBN 978-3-211-72453-8, Seite 228</ref>
Darin sind
- <math>r</math> der Krümmungsradius an der Stelle <math>x</math>
- <math>E</math> der Elastizitätsmodul des Balkenmaterials
- <math>I_y</math> das axiale Flächenträgheitsmoment des Balkenquerschnitts.
Mit der rein geometrischen Definition einer Kurvenkrümmung folgt daraus die Differentialgleichung der Balkendurchbiegung <math>w(x)</math>:
- <math>{\frac{w(x)} {({1 + (w'(x))^2})^{3/2}}} = -\frac{M_y(x)}{EI_y}</math>.<ref>Herbert Mang, Günter Hofstetter: Festigkeitslehre. 3. Auflage. Springer, Berlin / Heidelberg 2008, ISBN 978-3-211-72453-8, Seite 176</ref>
Die Striche bezeichnen die Ableitung nach der Balkenlängskoordinate <math>x</math>.
In den meisten praktischen Fällen ist die Durchbiegung <math>w</math> so klein, dass <math>(w')^2 \ll 1</math> bleibt. Dann genügt zur Bestimmung der Biegelinie <math>w(x)</math> die genäherte Differentialgleichung:
- <math>w(x) \approx -\frac{M_y(x)}{EI_y}</math><ref name="pichler2017Baustatik" />
Differentialbeziehungen
In der Balkentheorie gibt es unter den Bernoullischen Annahmen folgende Differentialgleichungen für die Queranteile:
- <math> \frac{\mathrm{d}R(x)}{\mathrm{d}x} = -q(x)</math><ref name="pichler2013baustatik2">Bernhard Pichler: 202.068 Baustatik 2. WS2013 Auflage. Wien 2013, VO_06_ThIIO_Uebertragungsbeziehungen (Onlineplattform der TU Wien).</ref>
- <math> \frac{\mathrm{d}M(x)}{\mathrm{d}x} = R(x)-N^{II}(x)\cdot\left[\frac{\mathrm dw_v}{\mathrm dx}+\frac{\mathrm dw}{\mathrm dx}\right]+m(x)</math><ref name="pichler2013baustatik2" />
- <math> \frac{\mathrm{d}\varphi(x)}{\mathrm{d}x} = -\left[\frac{M(x)}{E \cdot I(x)}+\kappa^e(x)\right]</math><ref name="pichler2013baustatik2" /><ref name="pichler2016baustatik">Bernhard Pichler, Josef Eberhardsteiner: Baustatik VO – LVA-Nr 202.065. SS2016 Auflage. TU Verlag, Wien 2016, ISBN 978-3-903024-17-5, Lineare Stabtheorie ebener Stabtragwerke (520 S.).</ref>
- <math> \frac{\mathrm{d}w(x)}{\mathrm{d}x} = \varphi(x) + \frac{V(x)}{G\tilde A(x)}</math>
mit
- der Laufkoordinate <math>x</math> entlang der Balkenachse
- dem Elastizitätsmodul <math>E</math>
- dem Schubmodul <math>G</math> (Term tritt in der schubstarren Theorie nicht in den Differentialgleichungen auf)
- dem Flächenträgheitsmoment I(x)
- <math>R(x)</math> der Transversalkraft (in der Theorie I. Ordnung gilt <math>R(x)=V(x)</math>)
- <math>V(x)</math> der Querkraft
- <math>N^{II}(x)</math> die Normalkraft nach Theorie Theorie II. Ordnung (in der Theorie I. Ordnung tritt dieser Term in der Differenzialgleichung nicht auf)
- <math>q(x)</math> der Gleichlast (Querbelastung pro Längeneinheit<ref name="pichler2016baustatik" />)
- <math>M(x)</math> dem Biegemoment
- <math>m(x)</math> dem Streckenmoment (Biegebelastung pro Längeneinheit<ref name="pichler2016baustatik" />)
- <math>\varphi(x)</math> der Verdrehung
- <math>\kappa^e(x)</math> der eingeprägten Krümmung
- <math>w(x)</math> der Durchbiegung zufolge Belastung
- <math>w_v(x)</math> der Durchbiegung zufolge Vorverformung
- <math>\tilde A(x)=\kappa \cdot A</math> der Schubfläche (Term tritt in der schubstarren Theorie nicht auf).
Durch diese Differentialgleichungen ist somit ein Zusammenhang zwischen der Durchbiegung <math>w</math> und dem Biegemoment <math>M_y(x)</math> im Balken gegeben. Dies führt zu drei Gleichungen, für die ein Zusammenhang zwischen der Durchbiegung und den Schnittlasten im Balken (Biegemoment und Querkraft) sowie der äußeren Flächenlast <math>q_z(x)</math> gegeben ist (Die Koordinate <math>x</math> wird hierbei entlang der Balkenachse gezählt, die Biegung erfolgt um die Koordinaten-Achse <math>y</math>, die Koordinate <math>z</math> verläuft in Richtung der Querkraft.):
- <math>\begin{alignat}{2}
&EI_y \, w(x) \approx EI_y \, \kappa(x) &&= -M_y(x)\\
(&EI_y \, w(x))' &&= -Q_z(x)\\ (&EI_y \, w(x)) &&= q_z(x) \end{alignat}</math>
Die letzte Gleichung vierter Ordnung heißt auch Euler-Bernoulli-Gleichung.
Damit die Durchbiegung berechnet werden kann, muss der Elastizitätsmodul des Materials bekannt sein. Ferner muss vorab das Flächenträgheitsmoment des Balkenquerschnitts ermittelt und der Verlauf der äußeren Streckenlast <math>q_z(x)</math> oder der Verlauf von Biegemoment oder Querkraft bestimmt werden. Die Gleichung kann dann mehrmals integriert werden, bis auf der einen Seite die Durchbiegung steht. Hierbei ergeben sich mehrere Integrationskonstanten, die durch eine entsprechende Anzahl von Randbedingungen bestimmbar sind.
Die folgende Zusammenstellung zeigt das Vorgehen, wenn vorab der Verlauf des Biegemoments ermittelt wurde und der Elastizitätsmodul und das Flächenträgheitsmoment über die Länge des Balkens konstant sind:
- <math> EI_y \, w(x) = - M_y(x)</math> ,
- <math> EI_y \, w'(x) = -\int M_y(x) \mathrm \, dx + C_1</math> ,
- <math> EI_y \, w(x) = -\int \int M_y(x) \mathrm \, dx^2 + xC_1 + C_2</math>.
Es ergeben sich die zwei unbekannten Konstanten <math>C_1</math> und <math>C_2</math>. Diese können nun durch zwei Randbedingungen bestimmt werden. Zum Beispiel gilt bei einem Auflager an der Stelle <math>x = a</math>, welches eine Querkraft aufnehmen kann: <math>w(a) = 0</math>. Für ein Auflager an der Stelle <math>x = b</math>, welches ein Moment aufnehmen kann, gilt: <math>w'(b) = 0</math>.
Wenn der Balken mit einer Streckenlast <math>q(x)</math> beaufschlagt ist, findet man den Biegemomentverlauf wie folgt:
- <math> EI_y \, w'(x) = q(x)</math> ,
- <math> EI_y \, w (x) = \int q(x) \mathrm \, dx + C_3</math> ,
- <math> EI_y \, w (x) = \int \int q(x) \mathrm \, dx^2 + xC_3 + C_4 = -M_y(x)</math> ,
bestimmt die Integrationskonstanten und folgt weiter der vorherigen Zusammenstellung.
Kreismembran
Im Falle einer kreisrunden Membran werden oft auch vereinfacht die Formeln aus der Balkentheorie verwendet. Unter der Annahme einer homogenen Membran wird dann bei rotationssymmetrischen Kräften eine einfache Biegelinie berechnet. Also nur ein Querschnitt der Membran.
Mit dem tangentialen und radialen Biegemoment <math>M_t</math> und <math>M_r</math> und unter Vernachlässigung von Differentialen höherer Ordnung ergibt sich die Momentgleichung
- <math>M_r + \frac{\mathrm d M_r}{\mathrm dr}\cdot r - M_t + Q \cdot r = 0.</math>
Die Biegemomente lassen sich über die Poissonzahl <math>\mu</math> angeben zu:
- <math>M_r = -D \left( \frac{\mathrm d^2w}{\mathrm dr^2} + \frac{\mu}{r}\frac{\mathrm dw}{\mathrm dr} \right)</math>
- <math>M_t = -D \left( \mu \frac{\mathrm d^2w}{\mathrm dr^2} + \frac{1}{r}\frac{\mathrm dw}{\mathrm dr} \right)</math>
<math>D</math> ist hierbei das Widerstandsmoment, das sich über den Elastizitätsmodul <math>E_M</math> der Membran mit Dicke <math>d</math> wie folgt beschreiben lässt:
- <math>D = \frac{E_M\cdot d^3}{12\cdot (1 - \mu^2)}</math>
Die Biegelinie einer Kreismembran lautet dann in Differentialform, unter Vernachlässigung von kleinen Termen höherer Ordnung sowie von Zugspannungen (nur zulässig für geringe Dehnungen):
- <math>\frac{\mathrm d^3w}{\mathrm dr^3} + \frac{1}{r}\frac{\mathrm d^2w}{\mathrm dr^2} - \frac{1}{r^2}\frac{\mathrm dw}{\mathrm dr} = \frac{Q}{D}</math>
Weblinks
- Vorlage:Cite book/Name: [Internetquelle: archiv-url ungültig Die Biegelinie.] , archiviert vom Vorlage:IconExternal (nicht mehr online verfügbar) am Vorlage:Cite book/URL; abgerufen am 5. Juni 2019.Vorlage:Cite book/URLVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung2Vorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung
- Zur Biegelinie (PDF; 116 kB)
Belege
<references />