Was ist eine Scherlast?

Eine Schublast ist eine Kraft, die eine Schubspannung verursacht, wenn sie auf ein Strukturelement ausgeübt wird. Schubspannung, die eine Kraft pro Flächeneinheit ist, tritt in der Ebene senkrecht zur Normalspannung auf; es entsteht, wenn zwei Ebenen desselben Objekts versuchen, aneinander vorbeizugleiten. Ingenieure müssen die Querlast auf Strukturen berechnen, um sicherzustellen, dass sie keinen mechanischen Versagen ausgesetzt sind. Eine zu hohe Belastung kann dazu führen, dass Materialien nachgeben oder sich dauerhaft verformen.

Normalspannungen treten auf, wenn ein Material Zug oder Druck ausgesetzt wird. In diesem Fall liegen beide aufgebrachten Kräfte auf derselben Achse. Werden die Kräfte entlang verschiedener Achsen aufgebracht, treten zusätzlich zu den Normalspannungen Schubspannungen auf. Ein quadratisches Element des Materials erfährt Kräfte, die dazu neigen, es in ein Parallelogramm zu verzerren. Die durchschnittliche Schubspannung in einem Material ist gleich der Schubbelastung geteilt durch die betreffende Querschnittsfläche.

Während die Schubspannung die Kraft pro Flächeneinheit ist, bezieht sich die Schublast im Allgemeinen nur auf die Kraft selbst. Daher sind die entsprechenden Einheiten die Krafteinheiten, am häufigsten Newton oder Pfund-Kraft. Wenn auf ein eingespanntes Material eine Scherbelastung ausgeübt wird, ist eine Reaktionskraft dafür verantwortlich, das Material stationär zu halten. Diese Reaktionskraft stellt die „zweite“ aufgebrachte Kraft dar; in Kombination mit einer Reaktionskraft kann eine einzelne Kraft zu Schubspannungen führen.

Die Querlast ist wichtig für die Berechnung der Spannungen innerhalb eines Balkens. Die Euler-Bernoulli-Balkengleichung bezieht die Querlast auf die Biegebewegung im gesamten Balken. Ein Biegemoment ist das Torsionsmoment, das eine Durchbiegung eines Balkens bewirkt. Die maximal zulässige Belastung eines Trägers hängt sowohl vom Material als auch von der Geometrie des Trägers ab – dickere Träger aus stärkeren Materialien können höheren Scherbelastungen standhalten.

Wenn die inneren Spannungen durch Kräfte zu hoch werden, gibt ein Material nach. Das Nachgeben verändert dauerhaft die entspannte Form und Größe eines Materials, wie es auftritt, wenn das Material frei von äußeren Kräften ist. Eine Büroklammer lässt sich leicht mit der Hand an die Streckgrenze bringen. Das Fließen verzerrt nicht nur die Geometrie eines Materials, sondern kann Materialien auch anfälliger für Bruch machen. Das Management dieses Risikos ist für Bauingenieure und Maschinenbauer von entscheidender Bedeutung.

Die Entscheidung, welche Materialien die stärksten sind oder die höchsten Streckgrenzen aufweisen, ist durch Experimente einfacher als durch theoretische Analysen. Es ist beispielsweise allgemein bekannt, dass Stahl mehr Eigenspannungen vertragen kann als Aluminium. Die Erklärung dafür, warum dies der Fall ist, ist Gegenstand mehrerer konkurrierender Theorien. Einige dieser Theorien betonen die Scherspannung als grundlegend für die Erklärung, wann Materialien nachgeben.