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Festigkeitslehre

Hookesches Gesetz

Spannung und Dehnung sind im elastischen Bereich proportional – der Faktor ist der E-Modul.

Umstellen nach

Das Hookesche Gesetz beschreibt den linear-elastischen Bereich eines Werkstoffs: Die Normalspannung σ ist proportional zur Dehnung ε. Der Proportionalitätsfaktor ist der Elastizitätsmodul E (kurz E-Modul), ein Werkstoffkennwert mit der Einheit einer Spannung. Je größer E, desto steifer der Werkstoff: Stahl (E ≈ 210 000 N/mm²) dehnt sich bei gleicher Spannung nur ein Drittel so stark wie Aluminium (E ≈ 70 000 N/mm²).

Das Gesetz gilt nur unterhalb der Proportionalitätsgrenze, praktisch also unterhalb der Streckgrenze. Wird diese überschritten, bleibt nach Entlastung eine plastische Verformung zurück, und der lineare Zusammenhang gilt nicht mehr.

In der Praxis wird das Hookesche Gesetz in beide Richtungen genutzt: um aus gemessenen Dehnungen (Dehnungsmessstreifen) auf Spannungen zu schließen und um aus Spannungen die Verformung von Bauteilen zu berechnen.

Größen und Einheiten

SymbolBedeutungEinheit
NormalspannungZug- (positiv) oder Druckspannung (negativ) im elastischen BereichN/mm²
ElastizitätsmodulWerkstoffkennwert für die Steifigkeit (1 GPa = 1 000 N/mm²)N/mm²
Dehnungdimensionsloser Zahlenwert (0,001 = 1 ‰)–

Rechner

N/mm²
N/mm²
typisch: Stahl 210 000 · Aluminium 70 000 · Beton 30 000
typisch: 0,0001 … 0,002

Ergebnis

Rechenweg

  1. Werte eintragen, eine Größe leer lassen, „Lösen“ drücken.

GrafikSpannungs-Dehnungs-Gerade im elastischen Bereich

Spannungs-Dehnungs-Gerade im elastischen BereichArbeitspunkt bei ε = 0,00075 und σ = 157,5 N/mm². Kurven für Stahl, Aluminium, Beton.010020030000,00050,0010,0015εσ in N/mm²157,50,00075StahlAluminiumBeton
Beispiel: 157,5 N/mm²

Ergebnis ohne Gewähr – ersetzt keine Fachplanung.

Beispiel

Der Zugstab aus Stahl (E = 210 000 N/mm²) aus dem vorigen Beispiel zeigt eine gemessene Dehnung von 0,00075. Welche Spannung herrscht im Stab?

  1. Gegeben: E = 210 000 N/mm², ε = 0,00075 (dimensionslos, entspricht 0,75 ‰).
  2. Formel: σ = E · ε.
  3. Einsetzen: σ = 210 000 N/mm² · 0,00075 = 157,5 N/mm².
  4. Plausibilität: 157,5 N/mm² liegt unter der Streckgrenze von S235 (235 N/mm²), der Stab bleibt im elastischen Bereich – das Hookesche Gesetz ist anwendbar.

Ergebnis: 157,5 N/mm²

Gültigkeit & Hinweise

  • Gilt nur im linear-elastischen Bereich, also unterhalb der Streckgrenze bzw. Proportionalitätsgrenze.
  • E ist bei Stahl nahezu unabhängig von der Festigkeitsklasse: S235 und S355 haben denselben E-Modul von rund 210 000 N/mm².
  • Bei Beton und Holz ist E stark von Güte, Feuchte und Belastungsrichtung abhängig (Nadelholz längs zur Faser etwa 11 000 N/mm², quer dazu deutlich weniger).

Typische Fehler

  • Dehnung in Prozent oder Promille statt als reinen Zahlenwert einsetzen (0,075 % = 0,00075).
  • E-Modul in kN/mm² oder GPa einsetzen (210 GPa = 210 000 N/mm²).
Verwandte Formeln:Quelle: Grundlagen der Festigkeitslehre, z. B. Tabellenbuch Metall; Roloff/Matek: Maschinenelemente