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c) Nullstäbe Ein Nullstab ist ein Stab ohne Belastungen. Er kann für Berechnungen vernachlässigt werden. Um Nullstäbe zu erkennen, werden die einzelnen Knoten betrachtet. Kann eine Kraftkomponente eines Stabes an einem Knoten nicht von irgendeinem anderen anliegenden Stab aufgenommen werden, so handelt es sich bei dem Stab um einen Nullstab. Kann ein Stab von einem Knoten aus nicht als Nullstab identifiziert werden heißt das nicht, dass er kein Nullstab ist, sondern nur, dass von diesem Knoten aus keine Aussage möglich ist. Im Zweidimensionalen gibt es folgende Fälle: 1 2 3 S1 S2 α α α S3 F S4 S5 S6 S7 An einem Knoten mit nur zwei Stäben S1 und S2, die nicht in einer Linie sind (α = 180 ◦ ), sind beide Stäbe Nullstäbe. Greift an einem Knoten mit zwei Stäben S3 und S4 eine Kraft F an, die genau in Richtung eines Stabes geht (hier S4), dann ist der andere Stab ein Nullstab (Geht die Kraft nicht genau in Richtung eines Stabes, dann kann an dem Knoten keine Aussage über offensichtliche Nullstäbe getroffen werden). Die gleiche Situation ergibt sich bei einem Knoten mit drei Stäben S5, S6 und S7. Gehen zwei Stäbe in die gleiche Richtung, ist der dritte ein Nullstab und die anderen beiden gleich groß. 24 Die Idee hinter den Regeln gilt auch im Dreidimensionalen: Wenn eine Stabkraft oder ein Anteil davon an einem Knoten nicht von anderen Stäben/Kräften aufgenommen werden kann, so muss der dazugehörige Stab ein Nullstab sein. Beispiel z y x Bx Fy Dz Ay Dy l Az Ax Ez b h Cx Rechts kann man an Knoten E erkennen, dass SAE (einziger mit x-Anteilen) und SEF (einziger mit y-Anteilen) Nullstäbe sind, da die- se Anteile nicht von anderen Stä- ben/Kräften am Knoten aufgenommen werden können (Über- prüfbar mit GGB). Genauso sind SCD von D aus betrachtet und SBF von B aus betrachtet offen- sichtlich Nullstäbe. Alle anderen Stäbe können nicht als offensichtliche Nullstäbe klassifiziert werden. 24 Eine Überprüfung aller Aussagen kann mit Hilfe der beiden Kräftegleichgewichte am Knoten durchgeführt werden. 36 Beispiel
d) Stabkräfte im Dreidimensionalen Wie in Abschnitt 2.3 angesprochen, gibt es zwei eng verwandte Methoden, die Richtungs- anteile beliebig orientierter Kräfte zu berechnen. Die eine Variante ist die Projektion auf die gesuchte Richtung (wofür im Allgemeinen zwei Projektionen im Dreidimensionalen durchgeführt werden), die andere über die Längenverhältnisse (Gauß-Vektoren). b y y z x rx Beispiel rz ry c β a Fr z r y x Bx F x Dabei ist die erste Variante sinnvoll, wenn keine Bezugslängen, sondern nur der/die Winkel gegeben sind (z. B. Fx = cos (β)F ). Die zweite Variante ist geschickt, wenn mit vorhandenen Län- genverhältnissen die Wirkungslinie der Kraft beschrieben werden kann (z. B. Fx = aF ). Die Verwandtschaft besteht darin, dass c wegen der Trigonometrie gilt: cos (β) = a c . Kennt man die Wirkungslinie des Kraftvektors (beispielsweise in Stä- ben entlang des Stabes), dann kann man aus der Geometrie Rückschlüsse auf die Wirkungslinie und somit auf ⎛ Fr,z ⎞ ⎛ rz ⎞ Fr,x ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜Fr,y⎟ ⎝ ⎠ = rx ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ 1 ⎜ry⎟ ⎝ ⎠ r Fr (37.1) die Kraftanteile ziehen. Da rx, ry und rz jeweils senkrecht aufeinander stehen, gilt sowohl Gleichung (37.1), als auch rx r + ry r senkrechter Vektoren zu einem Vektor der Länge r) 25 . 0 0 0 rx+ry+rz = r rx+ry+rz √ r2 x+r2 y+r2 z Fy Dz Dy l Ez b = r2 x +r2 y +r2 z +2rxry+2rxrz+2ryrz r 2 x +r2 y +r2 z h Cx + rz r = r2 x +r2 y +r2 z r 2 x +r2 y +r2 z = 1 (Addition = 1 Wie wir vor kurzem gesehen haben, ist SAE ein Nullstab. Sind die ein- gezeichneten angreifenden Kräfte be- kannt und wollen wir SAF berechnen, so können wir dazu die Längenverhält- nisse von SAE und das Kräftegleich- gewicht in z-Richtung in Knoten A Ay Az Ax nutzen: A h Fz : 0 = Az + √ l2 +b2 +h2 SAF ⇒ SAF = − √ l2 +b2 +h2 h Az Natürlich kann man SAF auch erst auf die xz- oder yz- Ebene projizieren und dann den z-Anteil bestimmen (zwei mal 2D Pythagoras), aber über die Längenverhältnisse geht es schneller (ein mal 3D Pythagoras). 25 Die Länge r berechnet sich nach Pythagoras im Dreidimensionalen zu r = 37 r 2 x + r 2 y + r 2 z. Beispiel
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