Zug- und Druckspannung
Zugspannung und Druckspannung als Formen der Normalspannung
Sowohl die Zugspannung als auch die Druckspannung ist parallel zum Flächennormalvektor und demnach senkrecht zur Schnittebene eines Werkstückes gerichtet. Beide Spannungsarten gehören also zur Normalspannung. Die Definition, ob es sich bei der konkret anliegenden Spannung um eine Zugspannung oder Druckspannung handelt, erfolgt aus der entsprechenden Wirkrichtung heraus.
Sofern die Kraft, aus der Spannung resultiert, so ausgerichtet ist, dass sie an der Schnittebene des Bauteils zieht, wird sie als Zugspannung definiert. Der errechnete Zahlenwert bekommt ein positives Vorzeichen. Sofern die angreifende Spannung jedoch einen Druck gegen die Bauteilschnittebene ausübt, wird sie als Druckspannung definiert und der entsprechende Zahlenwert bekommt ein negatives Vorzeichen.
Beispiel - prismatischer Stab
Die Betrachtung der Spannungsverhältnisse erfolgt zum einen unter einwirkender Zugkraft und zum anderen unter Druckkraft. Diese greifen jeweils an den Stabenden und in Achsmitte an.
Über den Stabquerschnitt ergibt sich demnach eine konstante Zug- bzw. Druckspannung σ, welche sich folgendermaßen berechnen lässt:
[N/m2]
Ein Vergleich aller Querschnitte der Spannungsachse wird ergeben, dass die oben berechnete Spannung an allen Stellen gleich ist. Anders ausgedrückt: Über sämtliche Querschnitte der Spannungsachse entlang der Bauteilschwerachse ist der Spannungsfluss gleich groß.
Bei einem Stab, dessen Querschnitt entlang seiner Längsachse nicht gleich groß ist, verhält sich die Spannungsverteilung jedoch anders. Es gelten die Formeln:
Je nach der Querschnittgröße wird auch die entsprechend wirkende Druck- oder Zugspannung an der jeweiligen Stelle größer oder kleiner.
Besonders gravierend treten diese Spannungsunterschiede bei sogenannten Querschnittsprüngen auf. Hier kann es sogar zu regelrechten Umverteilungen von Zugspannung und Druckspannung kommen. Beispiele hierfür sind Kerbspannungswirkungen an Kerben, Kanten oder Ecken.
Hier zwei Beispiele mit Aufgabe* für die Berechnung der Zug- und Druckspannung in einem Stab: