Mechanische Eigenschaften, Kräfte und Tragwerke

Grundbegriffe der Kraft

Kraft ist die Ursache, die den Bewegungs- oder Ruhezustand eines Körpers verändern, ihn beschleunigen oder Verformungen hervorrufen kann. Die Einheit der Kraft ist das Newton (N).

Mechanische Eigenschaften von Materialien

Die mechanischen Eigenschaften bestimmen das Verhalten von Werkstoffen und Materialien, wenn eine oder mehrere Kräfte auf sie einwirken.

Festigkeit, Zähigkeit und Sprödigkeit

• Widerstandsfähigkeit (Festigkeit): Die Fähigkeit eines Materials, einwirkenden Kräften standzuhalten, ohne sich übermäßig zu verformen oder zu brechen.
• Zähigkeit: Die Eigenschaft bestimmter Werkstoffe, Kräften und Stößen über einen Zeitraum zu widerstehen, ohne zu brechen.
• Sprödigkeit (Brüchigkeit): Beschreibt ein Material, das bei Stoß- oder Schlagbelastung oder beim Versuch, es zu biegen, leicht bricht.

Elastizität, Plastizität und Duktilität

• Elastizität: Die Eigenschaft von Materialien, nach dem Nachlassen einer verformenden Krafteinwirkung wieder ihre ursprüngliche Gestalt anzunehmen.
• Plastizität (plastische Verformbarkeit): Die Eigenschaft von Werkstoffen, sich unter Krafteinwirkung dauerhaft zu verformen, ohne zu zerbrechen, wodurch unterschiedliche Formen erzeugt werden können.
• Duktilität: Die Eigenschaft einiger Materialien, sich dauerhaft zu dünnen Drähten oder Fäden verformen zu lassen, ohne dabei zu reißen oder zu brechen.
• Steifigkeit (Starrheit): Eigenschaft eines Körpers, sich unter Krafteinwirkung nicht leicht biegen oder verformen zu lassen.
• Flexibilität: Eigenschaft, sich leicht biegen zu lassen, ohne schaden zu nehmen.

Härte

Härte ist der Widerstand, den ein Material dem Eindringen eines anderen Körpers oder dem Zerkratzen seiner Oberfläche entgegensetzt.

Arten mechanischer Beanspruchungen

Wenn eine Kraft auf einen Körper ausgeübt wird, hängt die resultierende Beanspruchung von den Abmessungen, der Form sowie der Wirkungsweise der Kraft auf das Objekt ab. Man unterscheidet fünf grundlegende Beanspruchungsarten:

• Zug (Zugspannung / Traktion): Entsteht, wenn zwei entgegengesetzte Kräfte an einem Körper ziehen und ihn dadurch dehnen oder verlängern. Das Verhalten hängt vom Werkstoff sowie dem Querschnitt bzw. der Dicke ab.
• Druck (Druckspannung / Kompression): Tritt auf, wenn Kräfte in entgegengesetzter Richtung aufeinander zu auf denselben Körper wirken und ihn stauchen oder verkürzen.
  • Knickung: Eine Verformung, die insbesondere lange, schlanke Bauteile erfahren, wenn sie einer Druckbeanspruchung ausgesetzt sind.
• Biegung: Entsteht durch Kräfte oder Lasten, die quer zur Längsachse eines Bauteils wirken und dieses krümmen. Dies hängt vom Werkstoff, der Länge sowie der Querschnittsform und Dicke ab. Je größer der Querschnitt und die Dicke, desto widerstandsfähiger ist das Bauteil gegen Abkant- und Biegekräfte.
• Torsion (Dreh-Effekt): Die Wirkung von Kräften oder Drehmomenten, die dazu neigen, einen Körper um seine eigene Achse zu verdrehen.
• Scherung (Schneiden / Abscheren): Die Konzentration zweier entgegengesetzt wirkender Kräfte auf einen sehr nahen Querschnitt desselben Elements. Sind diese Kräfte groß genug, überwinden sie die Scherfestigkeit des Werkstoffs und trennen ihn.

Tragwerke und Konstruktionen

Struktur und Funktion

Eine Struktur (Tragwerk) ist ein Verbund von Elementen, der im Wesentlichen folgende Grundfunktionen erfüllt:

• Aufnahme von äußeren und inneren Kräften
• Tragen des Eigengewichts sowie der aufliegenden Lasten
• Gewährleistung der Gesamtstabilität des Systems abhängig von Material und Form

Tragwerk und Rüstung

Eine Rüstung (Fachwerk / Tragwerksverband) ist eine Anordnung widerstandsfähiger, miteinander verbundener Bauteile, die das tragende Skelett verschiedener Objekte oder Bauwerke bildet. Dazu zählen Metall- und Betonstrukturen wie Gebäude, Türme, Masten oder Brückenkonstruktionen.

Genormte Profile: Das IPN-Profil

Das IPN-Profil ist ein genormtes I-Trägerprofil (Doppel-T-Träger), bei dem Flanschbreite und Stegdicke standardisiert festgelegt sind (beispielsweise definiert durch eine Profilhöhe bzw. einen Steg von 80 mm oder mehr).