fischertechnik Statics

Warum sind Gebäude, Brücken und andere Bauwerke so gebaut, wie wir sie kennen? Tauche ein in die Welt der Statik! 

STATIK 

Unter Statik versteht man das Gleichgewicht der Körper. Die Statik untersucht die Bedingungen, unter denen die an einem Körper angreifenden Kräfte im Gleichgewicht sind. Sie ist damit die Grundlage aller Berechnungen und Konstruktionen von Bauwerken wie Brücken oder Häusern. 

Auf Bauteile der Statik wirken unterschiedliche Belastungen. 
- Das Gewicht einer Konstruktion nennt man Eigenlast. 
- Das Gewicht von Personen, Möbeln, Tellern oder sogar Autos nennt man Verkehrslast.

STRUKTUREN

Statische Gebilde nennt man auch Strukturen. Eine Struktur muss stark genug sein, um ihr eigenes Gewicht sowie jegliche Last zu tragen, die auf sie einwirkt. Ein Stuhl, der von alleinsteht, jedoch zusammenbricht, wenn sich jemand auf ihn setzt, macht nicht viel Sinn. 

NATÜRLICHE STRUKTUREN

Strukturen findet man natürlich auch in der Natur. Euer Skelett ist beispielsweise eine Struktur. Es muss sein eigenes Gewicht sowie das Gewicht der weicheren Teile eures Körpers tragen können. Und tragt ihr dann noch eine Einkaufstasche oder euren Schulranzen, muss es diese weiteren Lasten ebenfalls tragen können. 

Bei einigen Lebewesen, wie z.B. Schnecken oder Schalentieren, liegt die Skelettstruktur auf der Außenseite in Form einer Schale vor. 

Eine weitere natürliche Struktur ist eine Eierschale, die stark genug ist, dass sich entwickelnde Küken zu halten und zu schützen, aber dünn genug ist, um zu brechen, wenn das Küken bereit ist zu schlüpfen. 

KÜNSTLICHE STRUKTUREN

Künstliche Strukturen basieren auf natürlichen Strukturen. Ein Zelt besteht aus einem „Skelett" aus Stangen, die eine ,,Haut" aus Stoff tragen. Eine Pappschachtel ist eine Schutzstruktur, um Eier aufzubewahren. 
 

RAHMENSTRUKTUREN UND SCHALENSTRUKTUREN


Strukturen können in zwei Gruppen unterteilt werden - Rahmenstrukturen und Schalenstrukturen. 

RAHMENSTRUKTUR


Eine Rahmenstruktur besteht aus einer Reihe von Teilen, die miteinander verbunden sind. Die Teile einer Rahmenstruktur werden normalerweise als Träger bezeichnet. So ist zum Beispiel euer Rückgrat ein Träger in der Rahmenstruktur eures Skeletts. 

SCHALENSTRUKTUR

Eine Schalenstruktur besteht aus einem Stück, wie z.B. eine Eierschale. Künstliche Schalenstrukturen, wie z.B. Eierkartons, gewellte Dachziegel oder die Bleche einer Fahrzeugkarosserie, bestehen aus dünnem Kunststoff oder Stahlplatten, wodurch ihr Gewicht geringer wird. Die Platten werden in Rippen und Kurven geformt, um ihnen Festigkeit zu verleihen. 
Denkt daran, dass eine Struktur ihr eigenes Gewicht sowie ihre Last tragen muss, daher sind die effektivsten Strukturen diejenigen, die sowohl stark als auch leicht sind.

STABILITÄT - STRASSENLATERNE 

Eine stabile Struktur ist eine Struktur, die ausbalanciert ist und nicht leicht umkippt. Hierzu schauen wir uns das Modell Straßenlaterne genauer an. Diese Untersuchung wird euch dabei helfen, stabile Strukturen zu konstruieren und zu optimieren.

Aufgabe 

Baue das Modell Straßenlaterne auf und probiert jeden der folgenden Wege aus, um die Straßenlaterne stabiler zu machen. Was beobachtest du von Schritt zu Schritt? Wie verändert sich die Stabilität?
 

Tisch

Auch ein Tisch ist ein statischer Gegenstand. Er trägt sowohl sein eigenes Gewicht, also die Eigenlast, als auch die Verkehrslasten. Das sind vor allem Personen oder Dekorationsgegenstände, wie bspw. Vasen, die auf einem Tisch sitzen oder stehen, aber auch das versehentliche Anstoßen des Tisches. Damit ein Tisch alle diese Lasten aufnehmen kann, braucht er eine Menge statischer Besonderheiten.

Aufgabe: 

  • Baue den Tisch nach.
  • Achte darauf, dass die Streben richtig verbunden sind.
  • Belaste den Tisch zunächst von oben. Als nächstes drückst du seitlich gegen die Sitzfläche, dann gegen eines der Beine. Was passiert jeweils?

Die statischen Merkmale deines Modelltisches sind die abgewinkelten Beine. Sie sind durch den Winkel bereits nach zwei Seiten stabil. Die Rahmenkonstruktion des Hockers ist zusätzlich verstrebt und verspannt. Mit den silbernen Streben zwischen den Beinen wird der Rahmen auf Druck und Zug hin stabilisiert. Die Krönung der Statik sind allerdings die Verbindungsstellen, die Dreiecke entstehen lassen. Dreiecke sind auch dann stabil, wenn die Stäbe an den Verbindungsstellen bewegliche Gelenke haben. Solche Dreiecke werden als statische Dreiecke bezeichnet. Dein Modelltisch ist also in dreierlei Hinsicht statisch stabil.
Alle Verbindungsstellen nennt man in der Statik Knoten.

Aufgabe: 

  • Entferne die Verspannungen und belaste den Tisch. Welche Auswirkung hat das auf die Statik des Tisches?
  • Füge die Verspannungen wieder hinzu. Entferne die Streben. Belaste den Tisch erneut. Wie stabil ist er jetzt?
  • Nun baue auch die Verspannungen wieder ab. Belaste den Tisch. Was kannst du beobachten?
     

TRAGWERKE

Tragwerke dienen dazu, Kräfte weiterzuleiten und ihr Gleichgewicht zu vermitteln. Bei einer Brücke beispielsweise leitet das Tragwerk die Kräfte auf die Brückenpfeiler weiter und verteilt so die Last und hält die Brücke im Gleichgewicht.

Arten von Tragwerken
Es gibt verschiedene Tragwerke:

  • STÄBE 
    Stäbe sind Tragwerke, deren Länge groß ist im Verhältnis zur Breite und Dicke. Sie können entweder selbständige Tragwerke bilden oder aber Teile von solchen, und selbst wieder aus Stäben zusammengesetzt sein.
  • FLÄCHENTRAGWERKE 
    Bei ihnen sind Länge und Breite groß, verglichen mit dem Dicken. Dazu gehören: Scheiben, Platten und Schalen. 

  • KÖRPERTRAGWERKE
    Hier sind alle Abmessungen in der gleichen Größenordnung.

Arten von Flächentragwerken

Zu den Flächentragwerken gehören wie schon erwähnt Scheiben, Platten und Schalen, welche wir dir nun genauer erklären möchten:

SCHEIBEN 

Unter einer Scheibe versteht man ein ebenes Flächentragwerk, entweder aus einzelnen Stäben zusammengesetzt oder in Form einer Blechtafel, Holzplatte, Leichtbauplatte o. ä. Wichtig ist, dass die Belastungskräfte in die Ebene des Tragwerkes fallen, so dass die Gesamtkonstruktion sich auf einer Zeichenebene darstellen lässt. Wir haben es dann mit einem ebenen Kräftesystem zu tun.

PLATTEN

Eine Platte ist ebenfalls ein ebenes Tragwerk, nur stehen hier die Wirkungslinien der Belastungskräfte senkrecht oder schräg zur Plattenebene. Platte und Scheibe unterscheiden sich also nur durch die Art der Belastung.

SCHALEN 


Wölbt sich ein Tragwerk in eine oder zwei Richtungen, so spricht man von einer Schale (Zylinderschale, Kugelschale). Solche Tragwerke werden beispielsweise als Dachkonstruktionen und Kuppeln verwendet. Platten und Schalen unterscheiden sich stark in ihrer Tragfähigkeit: Eine allseitig von Zugkräften beanspruchte Scheibe erweist sich als sehr stabil. Sie vermag verhältnismäßig große Kräfte aufzunehmen, bis sie durch übermäßige Verformung oder Zerreißen unbrauchbar wurde. 

Dagegen verformt sich eine dünne Scheibe unter Druckbeanspruchung. Diesen Vorgang nennt man »beulen«. Ein Beispiel für eine ausgebeulte Form in der Statik ist ein gewölbtes Tragwerk.

FACHWERKHAUS

Aus Stäben zusammengesetzte Tragwerke heißen Fachwerke. Am Beispiel des Fachwerkhauses werden wir spielerisch entdecken, wie Stabilität verändert werden kann. Dazu schauen wir uns an, was passiert, wenn das Modell steif ist, oder eben nicht. 

Eine steife Struktur ist eine Struktur, die ihre Form behält, wenn Kräfte auf sie einwirken.

Aufgabe 


  1. Bau das Modell komplett auf und teste die Stabilität.
  1. Entferne das mittlere Andreaskreuz und bewege die Konstruktion nach links und nach rechts.

Du stellst fest, das Fachwerkhaus hat in der Längsrichtung an Stabilität verloren.

  1. Entferne die zwei seitlichen Andreaskreuze und bewege die Konstruktion nach hinten und nach vorne.
  1. Jetzt weißt du was in Fachwerkhaus für Elemente für Steifigkeit verantwortlich sind.
  1. Entferne und experimentiere mit weiteren Elementen. Wie verändert sich die Stabilität?

GEWÖLBTES TRAGWERK

Eine Kombination aus den Prinzipien Schalen, Beulen und Fachwerk ist das Modell gewölbtes Tragwerk.

Aufgabe

  • Baue das Modell bis zum Bauschritt 5 auf und teste anschließend bei jedem weiteren Schritt die Stabilität. Wie verändert sich die Stabilität des Modells?
  • Baue das Modell nun zu Ende und teste die Stabilität erneut. Was beobachtest du? 

KRÄFTESYSTEM

Das Modell Kräftesystem erlaubt es, über einen einarmigen Hebel eine Scheibe - dargestellt durch eine Strebe - auf Druck zu beanspruchen.

Die Kraft am Hebel wird über eine Winde und ein flaschenzugartiges Rollensystem aufgebracht. Der Hebel ist stark auf Biegung beansprucht und muss daher durch ein aufgesetztes Fachwerk verstärkt werden. Beim Betätigen der Winde kannst du den Biegevorgang der Scheibe beobachten. 

Aufgabe

  • Entferne die mittlere horizontale Strebe.
  • Beim Drehen der Seilwinde wirken die Kräfte erneut auf die zwei seitlichen Streben, kannst du beobachten, wie sie sich verbiegen?
  • Bau die Strebe wieder ein und betätige die Seilwinde, was hat sich verändert?

ANWENDUNG DER STATISCHEN GRUNDGESETZE

 

STAHLBAU 

Eine besonders wichtige Rolle spielt die Statik im Stahlbau. Hierzu gehören stählerne Dach- und Hallenkonstruktionen (z.B. bei Flugzeughallen), Brücken in Stahlbauweise, Maste und Türme aus Stahl sowie Kräne und andere Förderanlagen. 
 

AUSSICHTSTURM

Bestimmt warst du schon einmal auf einem Aussichtsturm und hast richtig weit in die Ferne geschaut, denn genau dafür wird ein Aussichtsturm gebaut. Er hat die Funktion, eine möglichst weite Fernsicht und eine „Rundumsicht“ von 360° zu ermöglichen. Steht so ein Turm beispielsweise in einem Wald, sollte er die höchsten Bäume deutlich überragen – sonst sieht man nichts.


Aufgabe
- Baue das Modell Aussichtsturm und spanne das Seil stark. Der Aufzug fährt problemlos hoch und runter, oder?
- Jetzt lockere das Seil. Was beobachtest du?
Das Prinzip der Spannung wird beispielsweise auch im Modell Seilbogenbrücke angewandt.

Geschafft! Jetzt bist du in die Welt der Statik eingetaucht und hast die Grundlagen kennengelernt. Dein neues Wissen kannst du nun bei den weiteren Modellen anwenden. Kannst du auch hier erkennen, was für Stabilität sorgt und wie man diese beeinflussen kann?

Viel Spaß beim Tüfteln und Ausprobieren!
 
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