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Widerstandsmoment


Als Widerstandsmoment [math]W[/math] wird in der technischen Mechanik eine allein aus der Geometrie (Form und Maße) eines Balkenquerschnitts abgeleitete Größe bezeichnet. Sie ist ein Maß dafür, welchen Widerstand ein Balken bei Belastung der Entstehung innerer Spannungen entgegensetzt.

Bei der Belastung Biegen wird vom axialen oder Biegewiderstandsmoment [math]W_{\mathrm{ax}}[/math] gesprochen, beim Verwinden (Torsion) vom polaren [math]W_{p}[/math] oder Torsionswiderstandsmoment [math]W_{t}[/math] .

Das Widerstandsmoment eines Querschnitts steht in einfachem geometrischen Zusammenhang mit dem Flächenträgheitsmoment, mit dessen Hilfe bei der Querschnitts-Bemessung die Verformung eines Balkens bei Belastung berechnet wird (siehe auch Steifigkeit). Widerstandsmoment und Flächenträgheitsmoment sind, in Abhängigkeit von den typischen Abmessungen geometrisch einfacher Flächen und standardisierter Materialprofile (z. B. Stahlprofile), in allgemeinen technischen Handbüchern enthalten, oft in gemeinsamen Tabellen.

Grundlagen

Bei Kräften senkrecht zu einer Bezugsachse will die Kraft den Körper biegen bzw. - sofern ein Hebel vorhanden - um diese Achse drehen. Wird die Drehung durch Einspannung verhindert, entsteht ein Biege- oder Torsionsmoment. Widerstandmomente werden immer in Bezug auf die jeweilige Momentenachse berechnet.

Berechnung

Das Widerstandsmoment ist definiert als:

[math]W = \frac{I}{a_{\mathrm{max}}}[/math]

mit

Die Einheit des Widerstandsmoments ist [math]m^3[/math].

Für symmetrische Querschnitte sind die Widerstandsmomente in den Randfasern parallel zur Symmetrieachse gleich. Deshalb sind auch die Spannungen in diesen Fasern gleich, wenn die Biegekräfte senkrecht zu dieser Symmetrieachse wirken.

Anwendung

Bei einer rein elastische Verformung werden die in den Randfasern auftretenden maximalen Spannungen ermittelt durch:

[math]\sigma_{\mathrm{max}} = \frac{M_b}{W_{ax}} = M_b \cdot \frac{a_{\mathrm{max}}}{I_{ax}}[/math]

mit

und durch:

[math]\tau_{\mathrm{max}} = \frac{M_t}{W_{p}} = M_t \cdot \frac{a_{\mathrm{max}}}{I_{p}}[/math]

mit

Die so ermittelten maximal auftretenden Spannungen werden mit den vom Werkstoff erträglichen Spannungen (Festigkeit) verglichen, um zu überprüfen, ob der Balken versagt.

Beispiele

Anmerkung: Für nicht kreisförmige Querschnitte können zwar die polaren Widerstandsmomente berechnet werden. Sie besitzen jedoch wenig praktische Bedeutung, da die Verteilung der Torsionsspannung für derartige Querschnitte anderen Gesetzen unterliegt.

Für ein Rechteck mit der Breite b parallel zur y-Achse und der Höhe h ist das Widerstandsmoment bezüglich der Horizontalachse
[math]W_{y} = \frac{b \cdot h^2}{6}[/math]
Für dasselbe Rechteck ist das Widerstandsmoment bezüglich der Vertikalachse
[math]W_{z} = \frac{h \cdot b^2}{6}[/math]
für ein Quadrat mit der Seitenlänge a = b = h vereinfacht sich das Widerstandsmoment zu
[math] W_{y}=W_{z} = \frac{a^3}{6}[/math]
Für einen Kreis mit Durchmesser [math]D[/math]
[math]W_{ax} = \frac{\pi}{32} D^3[/math]
[math]W_{p} = 2 \cdot \frac{\pi}{32} D^3 = \frac{\pi}{16} D^3[/math]

Für einen Kreisring mit Außendurchmesser D und Innendurchmesser d ist das Widerstandsmoment
[math]W_{ax} = \frac{\pi}{32}\cdot \frac{(D^4 - d^4)}{D} [/math]
[math]W_{p} = 2 \cdot \frac{\pi}{32} \cdot \frac{(D^4 - d^4)}{D} = \frac{\pi}{16} \cdot \frac{(D^4 - d^4)}{D}[/math]

Für ein Trapez mit der Basis B parallel zur y-Achse und der Höhe h
[math]W_{o} = \frac{h^2(B^2+4Bb+b^2)}{12(2B+b)} = W_{\mathrm{min}} [/math]
[math]W_{u} = \frac{h^2(B^2+4Bb+b^2)}{12(B+2b)} [/math]

  • Hohlprofil (Rechteckrohr)
Für ein Rechteckrohr (Vierkantrohr) mit der Außenbreite/-Höhe [math]B[/math] und [math]H[/math], der Innenbreite [math]b[/math] und [math]h[/math]; außerdem muss das Profil symmetrisch sein, d. h. die gegenüberliegenden Wandstärken müssen gleich groß sein
[math]W_{y} = \frac{BH^3-bh^3}{6H} [/math]
[math]W_{z} = \frac{B^3H-b^3h}{6B} [/math]
Für dünnwandige Rechteckprofile mit der gleichmäßigen Wandstärke [math]t[/math] ist das Torsionswiderstandsmoment [math]W_{t}[/math]
[math]W_{t} = \frac{t(H+h)(B+b)}{2} [/math]
oder
[math]W_{t}=2t(H-t)(B-t)[/math]

Siehe auch


Kategorien: Technische Mechanik

Quelle: Wikipedia - http://de.wikipedia.org/wiki/Widerstandsmoment (Vollständige Liste der Autoren des Textes [Versionsgeschichte])    Lizenz: CC-by-sa-3.0

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