Bestimmung des Elastizitätsmoduls durch Biegeversuche an Kortikalisproben mit ungleichmäßigem Querschnitt

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften)

Hintergrund

Balkenartige Kortikalisproben, welche nicht langen Knochen entstammen, sind gewöhnlich gekennzeichnet durch ungleichmäßige Querschnittseigenschaften entlang der Balkenachse und eine vergleichsweise große räumliche Variation der lokalen Materialeigenschaften. Die Nachbearbeitung oder Herstellung von Mikroproben sind hierbei nicht immer empfehlenswert. Laborübliche Biegeversuche bieten technische Vorteile zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls.

Ziele

Die Ermittlung eines geeigneten Auswerteverfahrens zur Bestimmung des mittleren Elastizitätsmoduls von balkenartigen Proben mit ungleichmäßigem Querschnitt.

Materialien & Methoden

Insgesamt wurden 138 Proben menschlicher Beckenkortikalis entnommen und unter Biegebelastung getestet. Zusätzlich erfolgten Validierungsversuche an synthetischen Probekörpern. Die Verschiebungsmessung erfolgte sowohl konventionell als auch optisch. Zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls auf der Grundlage der gemessenen Verformungen wurden verschiedene, auf der linear-elastischen Biegetheorie des Balkens beruhende Methoden angewandt und deren Ergebnisse verglichen.

Ergebnisse

Die Ermittlung des Elastizitätsmoduls rein aus der Mittendurchbiegung erwies sich als nicht sinnvoll. Die Eliminierung von verfälschenden Einflüssen, wie der Auflagereindrückung, und die Berücksichtigung der Durchbiegungen an mehreren Punkten entlang der Balkenachse werden empfohlen.

Fazit

Eine Anpassung der gemessenen Durchbiegungen an die analytisch ermittelte Biegelinie des Balkens mit seinen ungleichmäßigen Querschnittseigenschaften wird als die geeignetste Methode zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls angesehen.

Referenzen

1 Gebhardt, M., Steinke, H., Slowik, V., 2023. Determination of the Modulus of Elasticity by Bending Tests of Specimens with Nonuniform Cross Section. Exp Mech 63 (4), 743–758. 10.1007/s11340-023-00945-y.

Abb. 1: Versuchsaufbau (oben) und mittels digitaler Bildkorrelation gemessene vertikale Verschiebungskomponente (unten) [1]