Wie berechnet man Spannung Dehnung und Elastizitätsmodul
Berechne Spannung (sigma=F/A), Dehnung (epsilon=dL/L) und Elastizitätsmodul E aus Hooke sigma=E*epsilon. Sicherheitsfaktor Stähle S235/S275/S355 nach DIN EN 1993, Eurocode 3.
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Wie berechnet man Spannung, Dehnung und Elastizitätsmodul: das Hookesche Gesetz (1660) sigma = E * epsilon verbindet Spannung sigma (Pa oder MPa = N/mm^2) und dimensionslose Dehnung epsilon (dL/L) durch den Elastizitätsmodul E (GPa). Einaxiale Spannung: sigma = F/A. Dehnung: epsilon = (L_f - L_0)/L_0. Für Baustahl S275 (DIN EN 10025-2): E = 210 GPa, fy = 275 MPa, Bruchdehnung ~22%. Sicherheitsfaktor FS = f_y / sigma_Betrieb: für Bemessung FS ≥ 1,15-1,5 nach Eurocode 3 (DIN EN 1993-1-1). Gilt nur im elastischen Bereich. Grundlegend für Maschinenbau, Bauingenieurwesen, Biomedizin.
Werkstoffmechanik-Formeln
Normalspannung: sigma = F/A. Pa (N/m^2). Technik: MPa (N/mm^2). Rundstab d: A = pi*d^2/4.
Dehnung: epsilon = dL/L_0, dimensionslos. Mikrostrain (µε = 10^-6) für Dehnungsmessstreifen. Stähle 0,1-0,3%, Polymere 1-5%, Gummi 100%.
Elastizitätsmodul E: Steigung sigma-epsilon-Kurve. Stahl 210 GPa, Aluminium 70 GPa, Beton 30 GPa. DIN EN ISO 6892-1 Zugversuch.
Poissonzahl nu: nu = -epsilon_lat / epsilon_ax. Stahl 0,30; Aluminium 0,33; Beton 0,18-0,20. G = E/(2(1+nu)).
Sicherheitsfaktor FS: FS = sigma_zulässig / sigma_Betrieb. Eurocode 3 LRFD gamma_M0=1,05, gamma_F=1,35-1,5. Gebäude FS 1,5-2,5; Luftfahrt 1,5.
Geschichte und Kontext
Robert Hooke veröffentlichte das Gesetz "Ut tensio sic vis" 1660, enthüllt 1678. Thomas Young (1807) definierte Elastizitätsmodul. Cauchy (1821) 3D-Tensor. Otto Mohr (1882) Mohrscher Kreis. Tresca (1864) und von Mises (1913) Plastifizierung. 20. Jahrhundert FEM (Turner 1956 Boeing). Heute globale Strukturindustrie > 12 Bio. USD: Baugewerbe (DIN EN 1990-1999, BauO Bayern, IBC USA), Luftfahrt (EASA CS-25 LBA), Automobil (UN R29 Kabine, VW, BMW, Mercedes), Biomedizin (DIN EN ISO 7206 Hüfte, MDR EU 2017/745 BfArM). DIN EN 10025-2 Stähle S235/S275/S355/S420/S460/S690. ThyssenKrupp, Salzgitter, ArcelorMittal Hersteller. Weltweite Stahlproduktion 1,9 Mrd. Tonnen/Jahr (worldsteel 2024). DIBt Deutsches Institut für Bautechnik allgemein bauaufsichtliche Zulassungen.
Tabelle E-Module und charakteristische Spannungen
- Stahl S235: E=210 GPa, fy=235 MPa, fu=360 MPa
- Stahl S275: E=210 GPa, fy=275 MPa, fu=430 MPa
- Stahl S355: E=210 GPa, fy=355 MPa, fu=510 MPa
- Stahl S460: E=210 GPa, fy=460 MPa
- Edelstahl AISI 304: E=193 GPa, fy=205 MPa
- Aluminium 6061-T6: E=69 GPa, fy=276 MPa
- Aluminium 7075-T6: E=72 GPa, fy=503 MPa (Luftfahrt)
- Titan Ti-6Al-4V: E=114 GPa, fy=830 MPa (Biomedizin)
- Beton C25/30: E=31 GPa, fck=25 MPa (DIN EN 1992)
- Holz C24: E=11 GPa, fm,k=24 MPa (DIN EN 338)
- CFK Kohlefaser: E=70-700 GPa, fu=600-7000 MPa
Detaillierte numerische Beispiele
Beispiel 1 - Kran-Stahlseil. Durchmesser 20 mm, F=50.000 N. A=314 mm^2. Sigma=159 MPa. S355 FS=2,23. DIN EN 12385.
Beispiel 2 - Stahlbetonsäule C25/30 DIN EN 1992. Querschnitt 30x30 cm. F=800 kN. Sigma=8,89 MPa. fcd=14,2 MPa, FS=1,60. Eurocode 2 DIN EN 1992-1-1.
Beispiel 3 - Stahlzugstab S275 Eurocode 3. phi 30 mm, F=200 kN. Sigma=283 MPa, fyd=262 MPa, FS=0,93 NICHT erfüllt. Vergrößern phi 35: FS=1,26 OK. DIN EN 1993-1-1 §6.2.3.
Beispiel 4 - Aluminium Luftfahrt 6061-T6. EASA CS-23 Zertifizierung. 12x12 mm: sigma=174 MPa, FS=1,59. E=69 GPa, epsilon=2,52*10^-3.
Beispiel 5 - Hüftprothese Ti-6Al-4V. phi 12 mm. F=2058 N (3 BW). Sigma=18,2 MPa. FS=45 statisch, FS_Ermüdung=22,8 (10^7 Zyklen). DIN EN ISO 7206, MDR EU 2017/745 Klasse III BfArM Inverkehrbringen.
Grenzen
- Hooke nur elastischer Bereich.
- Plastifizierung keine Erholung.
- Verfestigung Strain Hardening.
- Einschnürung lokal sigma_u.
- Anisotropie Holz, Verbundwerkstoffe.
- Temperatur E Stahl -10-20% bei 400°C.
- Ermüdung Wöhler-Kurve.
- Kriechen hohe T.
- Sprödbruch tiefe T (-20°C) Charpy.
- Größeneffekte Hall-Petch Korngrenze.
Häufige Fehler
- Spannung mit Kraft verwechseln.
- Gesamt- vs Relativdehnung.
- Hooke jenseits Streckgrenze.
- Poisson 2D/3D ignorieren.
- E mit G verwechseln.
- Brutto- vs Nettoquerschnitt Bohrungen.
- Teilsicherheitsbeiwerte vergessen.
- Ermüdung Mittel- vs Amplitudenspannung.
- Knicken Euler vs Hooke.
- Schweißeigenspannungen WEZ vernachlässigen.
Praktische Anwendungen
- Bauwesen: BauO, DIN EN 1990-1999, Eurocode 3 Stahl, 2 Beton.
- Luft-/Raumfahrt: EASA CS-25, LBA Deutschland.
- Automobil: UN R29, VW, BMW, Mercedes-Benz.
- Biomedizin: DIN EN ISO 7206, MDR EU, BfArM.
- Maschinenbau: Shigley, ASME BPVC.
- Energie: Windenergieanlagen IEC 61400-1, Siemens Gamesa.
- Schiffbau: DNV Germanischer Lloyd.
- Geotechnik: Anker, Mikropfähle DIN EN.
- Erdöl: Pipelines ASME B31.4.
- Eisenbahn: Deutsche Bahn DB Netz UIC-60 Schienen.
Unterstützung
Fragen: info@calcoi.com. Professionelle Anwendungen: Beer-Johnston-DeWolf "Mechanics of Materials" 8. Aufl. (McGraw-Hill 2019), Hibbeler 10. Aufl. (Pearson 2017), Eurocode 3 DIN EN 1993-1-1, DIN EN 10025-2.
Aktualisiert im Juli 2026
Häufig gestellte Fragen
Unterschied zwischen Spannung und Druck?
Was bedeuten elastischer und plastischer Bereich?
Welcher E-Modul für verschiedene Stähle?
Wie misst man den E-Modul?
Sicherheitsfaktor vs LRFD-Lastfaktor?
Temperatureinflüsse auf Parameter?
Was ist das von-Mises-Kriterium?
Formel
sigma = F / A (Pa)
epsilon = dL / L_0 (adimensionale)
sigma = E * epsilon
E = sigma / epsilon (GPa)
G = E / (2*(1+nu))
K = E / (3*(1-2*nu))
nu = -epsilon_lat / epsilon_ax
sigma_VM = sqrt(0.5 * ((s1-s2)^2 + (s2-s3)^2 + (s3-s1)^2))
Hooke 1660; Young 1807; Cauchy 1821; von Mises 1913; NTC 2018; Eurocodice 3 EN 1993-1-1
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