Stabilität und Knickversagen (Buckling) schlanker Strukturen

Buckling (Knickung, elastisches Beulen) bezeichnet das instabile Versagen schlanker Strukturen unter überwiegend druckenden Lasten. Charakteristisch ist ein schlagartiger Übergang von einer geradlinigen oder ebenen Gleichgewichtslage in eine seitlich ausgelenkte Form, häufig bei Lasten, die deutlich unter der rein festigkeitsbasierten Traggrenze liegen.

Materialwissenschaftlich und strukturell ist Knickung ein Stabilitätsproblem, das stark von der Geometrie (Schlankheitsgrad, Querschnittsform), den Randbedingungen (Einspannung, Lagerung) und den effektiven Steifigkeiten (E-, Schub- und Biegesteifigkeit, Verbundsteifigkeit in Faserverbunden) abhängt. Die klassische Euler-Knicktheorie liefert kritische Lasten für ideal gerade, elastische Stäbe, ist jedoch nur ein Grenzfall. In realen Bauteilen führen Imperfektionen wie Anfangskrümmung, Residualspannungen und Inhomogenitäten zu erheblicher Reduktion der kritischen Last.

Es werden verschiedene Buckling-Moden unterschieden: globales Knicken von Stäben und Rahmen, Platten- und Schalenbeulen sowie lokale Knickmoden in dünnwandigen Profilen. In Faserverbundwerkstoffen treten zusätzlich interlaminare Knick- und Delaminationsphänomene auf. Die Knickungsanalyse umfasst lineare Eigenwertstabilitätsberechnungen zur Abschätzung kritischer Lasten sowie nichtlineare Analysen (geometrisch und ggf. materialnichtlinear), um Post-Knick-Verhalten und Tragreserven zu erfassen.

Knickverhinderung erfolgt durch Anpassung von Geometrie (geringerer Schlankheitsgrad, Steifen, Sandwichaufbau), Wahl steiferer Werkstoffe bzw. Faserlagenorientierungen, Einbringen günstiger Randbedingungen und Kontrolle von Imperfektionen. Für die Auslegung sind semiprobabilistische Bemessungskonzepte mit Knickkurven sowie numerische Simulation (FEM) etabliert, um die hohe Imperfektionssensitivität buckelgefährdeter Strukturen angemessen zu berücksichtigen.

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