Steifigkeitseffekte

Steifigkeitseffekte bezeichnen Veränderungen im statischen oder dynamischen Verhalten von Strukturen und Materialien, die durch Änderungen der Steifigkeit entstehen. Steifigkeit beschreibt im Sinne des elastischen Verhaltens die Beziehung zwischen Stress und Dehnung; Steifigkeitseffekte treten auf, wenn diese Beziehung durch Parameter wie Temperatur, Belastungsrichtung, Geometrie oder zeitliche Veränderungen variiert. Solche Effekte können geometrisch bedingt sein (Veränderung des Trägheitsmoments), materialbedingt (hart- oder weichwerden, Phasenübergänge, Richtungsabhängigkeit) oder zeitabhängig (Viskoelastizität, Alterung) auftreten.

Ursachen umfassen Temperatur- und Feuchtigkeitseinflüsse, altersbedingte Veränderungen der Mikrostruktur, anisotrope oder Verbundmaterialien mit richtungsabhängiger Steifigkeit, Vorspannung sowie nichtlineares oder hysteretisches Materialverhalten. Auch Geometrieänderungen, wie Durchbrüche oder Verschleiß, können die effektive Steifigkeit eines Bauteils beeinflussen.

Auswirkungen sind unter anderem Verschiebungen der Eigenfrequenzen und der Modenformen, Änderungen der Dämpfung und des Resonanzverhaltens sowie in der Nichtlinearen Dynamik Phänomene wie harte oder weiche Steifigkeit, Sprunghaftigkeit der Resonanzkurve oder erhöhtes Risiko von Knicken und Instabilitäten bei bestimmten Lastpfaden. In Verbundwerkstoffen kann die Steifigkeitseffekte stark richtungsabhängig sein und lokale Spannungsverteilungen verändern.

In der Praxis werden Steifigkeitseffekte durch dynamische Tests, Modalanalysen oder finite-Elemente-Modelle mit temperatur- oder belastungsabhängigen Steifigkeiten untersucht. Die Identifikation erfolgt durch Parameteranpassung der Steifigkeitsmatrix bzw. durch multiskalige Ansätze bei komplexen Materialien. Der Begriff spielt auch in der Numerik eine Rolle: große Steifigkeitskontraste in Gleichungen verursachen numerische Steifigkeit und beeinflussen die Wahl von Integrationsverfahren.