Grundlagen der Strukturen, Materialien und Kräfte

Definition und Anforderungen an Strukturen

Eine Struktur ist ein Element oder eine Gruppe miteinander verbundener Elemente, die dazu dienen, verschiedene Arten von Belastungen aufzunehmen. Strukturen müssen nicht nur äußere Kräfte (Lasten) tragen, sondern auch ihr Eigengewicht. Sie müssen so konstruiert sein, dass sie nicht zusammenbrechen oder umkippen. Strukturen sollten robust, leicht und stabil sein.

Strukturelemente: Stäbe und Balken

Die häufigsten Elemente in den meisten Strukturen sind Stäbe (oder Balken). Im Allgemeinen sind Stäbe massive Elemente, wobei Material aus Bereichen entfernt wird, die keine Belastung aufnehmen, um Gewicht zu reduzieren. Balken nehmen typischerweise Biegebeanspruchungen auf. Sie unterstützen Kompressionskräfte, wenn sie flach gelagert und an ihren Enden abgestützt sind.

Mechanische Eigenschaften und Beanspruchungen

Der Widerstand der Komponenten einer Struktur hängt von den mechanischen Eigenschaften der verwendeten Materialien und der Art der auftretenden Beanspruchung ab.

Wichtige mechanische Eigenschaften von Werkstoffen:

• Mechanische Festigkeit
• Härte
• Elastizität
• Plastizität
• Zähigkeit

Wichtige Kräfte (Beanspruchungen), die auf ein Material wirken können:

• Zug
• Druck
• Biegung
• Torsion (Verdrehung)
• Scherung (Abscheren)

Prüfverfahren von Materialien

Die Widerstandsfähigkeit von Materialien gegenüber verschiedenen Beanspruchungen wird durch genormte Tests ermittelt. Diese Tests sind Standardverfahren, um die Merkmale und Eigenschaften von Materialien zu überprüfen und zu quantifizieren.

Die wichtigsten Prüfmechanismen umfassen die Härte-, Zug-, Druck-, Schlagfestigkeits-, Biege- und Torsionsprüfung.

Zur Durchführung der Tests werden Materialproben in üblichen Größen und Formen verwendet (oft als Sonden bezeichnet). Die Anwendung unterschiedlicher Belastungen auf die Proben erfolgt durch spezielle Maschinen und Geräte, die die Kräfte regulieren und messen können. Ein Beispiel für ein solches Gerät zur Härteprüfung ist das Durometer.

Stabilität und Schwerpunkt

Eine Struktur ist stabil, wenn sie durch die auf sie wirkenden Kräfte weder zerstört noch umgeworfen wird.

Die Stabilität eines Bauwerks erhöht sich, wenn:

• Das Verhältnis zwischen der Grundfläche und der Höhe größer ist.
• Der Schwerpunkt niedriger liegt.

Der Schwerpunkt eines Körpers ist der Punkt, an dem die Summe aller Gewichtskräfte des Körpers angreift.

Klassifizierung von Strukturen

Aufgrund der Vielzahl existierender Strukturen ist eine eindeutige Klassifizierung schwierig. Abhängig von den einzelnen Komponenten werden folgende Typen unterschieden:

Massive Strukturen:

Mauern, Böschungen, Wellenbrecher, etc.

Stabstrukturen:

Können trianguliert, als Fachwerk, horizontal oder vertikal ausgeführt sein.

Lamellare Strukturen:

Gebildet durch Blätter oder Platten, z. B. die Karosserie eines Autos oder eines Flugzeugs.

Hängende Strukturen:

Die Hauptelemente sind Kabel und Spurstangen.

Klassifizierung nach Mobilität und Orientierung

Für die statische Analyse werden Strukturen oft nach der Mobilität und der Lage der Elemente, die die größten Anstrengungen aufnehmen, zusammengefasst:

• Mobilität der Elemente: Starr oder gelenkig.
• Lage der Elemente: Horizontal oder vertikal.

Viele Bauwerke bestehen aus starren und gelenkigen, vertikalen und horizontalen Elementen.

Starre und Gelenkige Strukturen

Eine starre Struktur verformt sich unter Belastung nicht, ohne dass die Elemente brechen. Eine gelenkige Struktur (oder gegliederte Struktur) verformt sich durch die Verschiebung ihrer Elemente, wenn Kräfte angewendet werden. (Anmerkung: Der Originaltext enthält hier einen unverständlichen Satz über Ringe und Kronen, der sinngemäß nicht korrigierbar ist.)

Vertikale und Horizontale Strukturen

Vertikale Strukturen bestehen aus vertikalen Elementen, die die größten Anstrengungen aufnehmen. Diese Elemente arbeiten hauptsächlich unter Kompression (Druck).

Horizontale Strukturen bestehen aus horizontalen Elementen, die die größten Anstrengungen aufnehmen. Diese Elemente arbeiten hauptsächlich unter Biegung.

Gebogene horizontale Strukturen, wie der Bogen und das Gewölbe, werden verwendet, da sie in der Lage sind, größere Anstrengungen zu unterstützen.

Im Bauwesen bestehen Balken und Stützen häufig aus bewehrtem Beton (Stahlbeton).

Grundlagen der Elektrizität und Atomstruktur

Das Atom

Das Atom ist der elementarste Bestandteil einer Substanz, der deren grundlegende Merkmale und Eigenschaften beibehält. Es besteht aus:

• Dem Kern, der Protonen und Neutronen enthält.
• Der Hülle, in der sich die Elektronen bewegen.

Protonen sind positiv geladen, Elektronen sind negativ geladen, und Neutronen besitzen keine Ladung. Geladene Teilchen mit unterschiedlichen Vorzeichen ziehen sich an, während gleiche Vorzeichen sich abstoßen.

Die elektrische Ladung eines Elements ergibt sich aus der Differenz zwischen der Anzahl der Protonen und der Elektronen.

Elektrischer Strom und Statische Elektrizität

Der elektrische Strom ist die Bewegung von Elektronen durch einen Körper.

Statische elektrische Phänomene treten auf, wenn Atome eines Körpers Elektronen gewinnen oder verlieren, wodurch der Körper positiv oder negativ geladen wird.

Ohmsches Gesetz

Das Ohmsche Gesetz beschreibt den elektrischen Widerstand eines Materials, welcher dessen Fähigkeit ist, den Durchgang von elektrischem Strom zu behindern.