Stresskonzentrationen

Stresskonzentrationen bezeichnen lokale Spannungs­erhöhungen in Bauteilen, die durch geometrische Unregelmäßigkeiten, Lastpfade oder Materialunterschiede verursacht werden. An Kerben, Bohrungen, scharfen Kanten oder rauer Oberfläche sammelt sich die Last, sodass die lokale Spannung über dem nominalen Niveau liegt. Dies erhöht das Risiko von Materialversagen, insbesondere bei zyklischer Belastung.

Hauptursachen sind geometrische Merkmale wie Kerben, Löcher, Übergänge mit kleinem Radius, scharfe Kanten sowie Oberflächenrauheiten. Auch Lastpfad-Verknotungen, Restspannungen und Temperaturunterschiede können Konzentrationen erzeugen. Die Größe des Konzentrationsfaktors hängt von Geometrie, Material und Belastung ab.

Zur Beschreibung wird der Stresskonzentrationsfaktor Kt verwendet: Kt = sigma_max / sigma_nominal. Kt ist stark geometrieabhängig. In einer unendlichen Platte mit Loch unter Zug beträgt Kt typischerweise 3; scharfe Kerben erhöhen Kt. Der tatsächliche Faktor unter realen Bedingungen wird oft durch Notch-Sensitivity q und Kf beschrieben, wobei Kf ≈ 1 + q(Kt − 1).

Berechnung erfolgt durch analytische Lösungen, Finite-Elemente-Analysen und experimentelle Methoden wie Dehnungsmessstreifen oder Photoelastizität. Zur Reduzierung von Stresskonzentrationen empfiehlt sich glatte Übergänge, größere Radien an Kerben, Oberflächenreinigung und Maßnahmen zur Verringerung Restspannungen.

Stresskonzentrationen beeinflussen Festigkeit, Lebensdauer und Sicherheit von Bauteilen, besonders bei Fatigue. Das Verständnis von Kt, Kf und Gestaltungsregeln ist zentral in der mechanischen Konstruktion.