Belastungssteifigkeit

Belastungssteifigkeit bezeichnet die Widerstandsfähigkeit eines Materials oder Bauteils gegen Verformung unter einer bestimmten Belastung. In linear elastischen Systemen ist sie das Verhältnis von Kraft F zu Verformung δ (k = F/δ). Bei nichtlinearen Materialien, die sich mit zunehmender Last anders verformen, wird oft die Tangentialsteifigkeit k_t = dF/dδ verwendet, die die momentane Steifigkeit an einem gegebenen Belastungsniveau beschreibt. Ebenso kann die Sekantensteifigkeit k_s = F/δ als durchschnittliche Steifigkeit über einen bestimmten Dehnungsbereich verstanden werden.

Abhängigkeiten und Verhalten: Die Belastungssteifigkeit hängt von Materialeigenschaften, Geometrie, Belastungsrichtung und der Belastungsgeschichte ab. Sie ist oft stark von der Belastungsrate, Temperatur und zeitabhängigen Effekte wie Viskoelastizität beeinflusst. In vielen Geweben steigt die Belastungssteifigkeit mit zunehmender Last durch Mechanismen wie die Rekrutierung von Mikrostrukturen; andere Materialien zeigen Abnahme der Steifigkeit durch Ermüdung oder Risse.

Messung und Charakterisierung: Sie wird in klassischen Zug-, Druck- oder Biegeprüfungen aus den resultierenden Kraft-Verformungs-Daten abgeleitet. Ergänzend kommen instrumentierte Eindringtests, dynamische mechanische Analysen oder Proben mit vorgegebenen Vorbelastungen zum Einsatz, um die Tangential- oder Sekantensteifigkeit zu bestimmen.

Anwendungen: In der Biomechanik beschreibt Belastungssteifigkeit das Verhalten von Geweben wie Knochen, Knorpel oder Sehnen unter Last. In der Technik spielt sie eine Rolle bei der Auslegung von Bauteilen, die nichtlinear oder belastungsgeschichtlich reagieren, etwa bei Sicherheitseigenschaften, Verschleißprognosen und Materialmodellierung.

Sie steht im Zusammenhang mit Elastizität, Viskoelastizität, Dämpfung und dem gesamten nichtlinearen Verhalten von Materialien.