Was ist eine Scherbelastung?
Eine Scherbelastung ist eine Kraft, die beim Aufbringen auf ein Strukturelement eine Scherbelastung verursacht. Die Schubspannung, die eine Kraft pro Flächeneinheit ist, tritt in der Ebene senkrecht zur Normalspannung auf. Es entsteht, wenn zwei Ebenen desselben Objekts versuchen, aneinander vorbeizuschieben. Ingenieure müssen die Scherbelastung von Bauwerken berechnen, um sicherzustellen, dass keine mechanischen Fehler auftreten. Eine zu hohe Scherbelastung kann dazu führen, dass Materialien nachgeben oder sich dauerhaft verformen.
Normale Spannungen treten auf, wenn ein Material unter Spannung oder Druck gesetzt wird. In diesem Fall liegen beide aufgebrachten Kräfte auf derselben Achse. Wenn die Kräfte entlang verschiedener Achsen aufgebracht werden, treten zusätzlich zu den normalen Spannungen Scherbeanspruchungen auf. Ein quadratisches Element des Materials erfährt Kräfte, die dazu neigen, es in ein Parallelogramm zu verwandeln. Die durchschnittliche Scherspannung in einem Material ist gleich der Scherbelastung geteilt durch die betreffende Querschnittsfläche.
Während die Schubspannung eine Kraft pro Flächeneinheit ist, bezieht sich die Schublast im Allgemeinen nur auf die Kraft selbst. Daher sind die Einheiten Kraft, am häufigsten Newton oder Pfund-Kraft. Wenn eine Scherbelastung auf ein eingeschränktes Material ausgeübt wird, ist eine Reaktionskraft dafür verantwortlich, dass das Material stationär bleibt. Diese Reaktionskraft stellt die "zweite" Kraft dar, die angewendet wird; In Kombination mit einer Reaktionskraft kann eine einzelne Kraft Scherbeanspruchungen hervorrufen.
Die Scherbelastung ist wichtig für die Berechnung der Spannungen innerhalb eines Trägers. Die Euler-Bernoulli-Balkengleichung bezieht die Scherbelastung auf die Biegebewegung in einem Balken. Ein Biegemoment ist das Drehmoment, durch das ein Balken abgelenkt wird. Die maximal zulässige Scherbelastung eines Trägers hängt sowohl vom Material als auch von der Geometrie des Trägers ab. Dickere Träger aus stärkeren Materialien können höhere Scherbelastungen aushalten.
Wenn Kräfte interne Spannungen zu hoch werden lassen, gibt ein Material nach. Das Nachgeben verändert dauerhaft die entspannte Form und Größe eines Materials, wie es der Fall ist, wenn das Material frei von äußeren Kräften ist. Eine Büroklammer kann einfach von Hand zur Streckgrenze gebracht werden. Durch das Nachgeben wird nicht nur die Geometrie eines Materials verzerrt, sondern es können auch Materialien bruchempfindlicher werden. Das Management dieses Risikos ist für Bauingenieure und Maschinenbauer von entscheidender Bedeutung.
Die Entscheidung, welche Materialien am stärksten sind oder die höchsten Streckgrenzen aufweisen, ist durch Experimente einfacher als durch theoretische Analysen. Es ist beispielsweise allgemein bekannt, dass Stahl mehr innere Spannungen aushält als Aluminium. Die Erklärung, warum dies der Fall ist, ist Gegenstand mehrerer konkurrierender Theorien. Einige dieser Theorien betonen die Scherbeanspruchung als grundlegend für die Erklärung, wann Materialien nachgeben.