Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Jensen 27.07.2009, Seite 1 Zugelassene Hilfsmittel: SCHNEIDER - Bautabellen für Ingenieure bzw. WENDEHORST - Bautechnische Zahlentafeln NAME: MATR.-NR.: Aufgabe 1 2 3 4 5 Summe Mögliche Punktzahl 10 20 15 20 25 90 Erreichte Punktzahl Bearbeitungszeit 90 Minuten (1 Punkt entspricht etwa einem Zeitansatz von 1 Minute) (Die Lösungen sind möglichst auf den Aufgabenblättern zu erstellen. Auf der Aufgabenstellung sind Name und Matrikelnummer einzutragen.) Aufgabe 1 (10 Punkte) a) Welche Ziele verfolgt die Gewässerrenaturierung? b) In welche drei Bereiche wird moderner Hochwasserschutz eingeteilt? c) Was verstehen Sie unter der (n-1) Bedingung bei Wehranlagen? d) Was versteht man unter dem sog. Totraum einer Talsperre? e) Welche Möglichkeiten zur Messung von Abflüssen kennen Sie? f) Auf welche Ursachen gehen im Allgemeinen Sturmfluten zurück? g) Wie groß ist der zeitliche Abstand zwischen zwei Thw s an der Nordseeküste? h) Was ist eine Springtide? i) Warum ist die Saughöhe beim Fördern von Wasser auf ca. 10 m begrenzt? h) Was ist ein HQ 100 und wie wird es ermittelt?
Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Jensen 27.07.2009, Seite 2 Aufgabe 2 (20 Punkte) Dargestellt ist der Pfeiler-Grundriss einer Brücke über die Sieg bei Betzdorf dargestellt. Die Pfeilerquerschnitte besitzen wie abgebildet - unterschiedliche Formen. Die Wasserspiegeltiefe im unbeeinflussten Bereich des Rechteckquerschnittes vor und hinter der Brücke liegt bei h 1 = h 2 = 2,50 m. Die Gesamtrauheit der Sohle beträgt k st = 35 m 1/3 /s, das Gefälle wurde mit I = 0,15% gemessen. ρ = 1000 kg/m³, g = 9,81 m/s² 26,50 3,50 4,50 4,50 5,00 5,00 4,00 3,50 0,90 Alle Maße in Meter! a) Wie groß ist der Durchfluß Q an der Brücke? b) Erfolgt der Abfluss zwischen den Pfeilern strömend oder schiessend? c) Ermitteln Sie den zu erwartenden Pfeilerstau vor der Brücke!
Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Jensen 27.07.2009, Seite 3 Aufgabe 3 (15 Punkte) Die alte Wassermühle in Bertsendorf in Sachsen-Anhalt soll im Rahmen der Attraktivitätssteigerung im Bereich Tourismus restauriert werden. Der Fokus liegt hierbei auf der Instandsetzung des oberschlächtigen Wasserrades. Da jedoch kein Bedarf an der damals betriebenen Gerteidemühle besteht, soll das Wasserrad lediglich zur Stromerzeugung genutzt werden. Für den Bertsebach, aus dem das Betriebswasser abgeleitet werden soll, liegen aus den hydrologischen Jahrbüchern mittlere Abflussmengen der letzten 10 Jahre vor. Unterschreitungstage Abfluss [d] [m³/s] 364 0,758 350 0,239 300 0,096 210 0,043 100 0,018 50 0,013 10 0,008 1 0,005 Als Auflage der zuständigen Unteren Wasserbehörde darf nur so viel Wasser aus dem Bertsebach entnommen werden, dass eine Mindestabflussmenge von 10 Liter/Sekunde unterhalb der Entnahmestelle nicht unterschritten wird. Das Wasserrad wird nach Angaben des Herstellers ein maximales Schluckvermögen von Q max = 100 Liter/Sekunde bei einem Durchmesser von d = 2,0 m haben. Der Wirkungsgrad beträgt inklusive aller elektrischen Komponenten η = 0,70. ρ Wasser = 1000 kg/m³, g = 9,81 m/s² a) Stellen sie den Zufluss der effektiv von dem Wasserrad genutzt werden kann bzw. darf in dem vorgegeben Diagramm dar! Die aufzutragenden Abflussmengen sind in der Einheit und Skalierung günstig zu wählen. b) Ermitteln Sie das Jahresarbeitsvermögen des Wasserrades! Abflussdauerlinie Wasserrad 110 100 90 80 70 Abfluss [?] 60 50 40 30 20 10 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Unterschreitungstage [d]
Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Jensen 27.07.2009, Seite 4 Aufgabe 4 (20 Punkte) Der unten dargestellte rechteckige Fließquerschnitt soll in einen naturähnlichen Querschnitt umgestaltet werden. Nach der Renaturierung sollen keine höheren Wasserstände (h max = 3,32 m) auftreten als vor der Umgestaltung. Die Rauheit des Rechteckquerschnittes beträgt k st = 50 m 1/3 /s. Das Gefälle beträgt I SO = 2. Für die Gestaltung des naturnahen Querschnittes steht ein b 2 = 21 m breiter Bereich zur Verfügung (siehe Skizze, strichpunktierter Bereich). a) Berechnen Sie den Abfluss Q im alten Fließquerschnitt als Grundlage für die Gestaltung des neuen naturnahen Querschnittes! b) Entwerfen Sie einen neuen Fließquerschnitt, wenn für die naturraue Sohle ein Manning-Strickler-Beiwert von k st,neu = 35 m 1/3 /s vorgesehen ist! Die Neigung der Böschungen sollte nicht steiler als 2:3 sein. GOK h = 3,50 m h max = 3,32 m b 1= 9,5 m b 2 = 18 m
Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Jensen 27.07.2009, Seite 5 Aufgabe 5 (25 Punkte) Die Abbildung unten zeigt das Leitungsschema des Regenüberlaufbeckens (RÜB) in Musterhausen mit der unterhalb gelegenen Kläranlage. Das RÜB wird bei Regenwetter mit Oberflächen- und Schmutzwasser aus dem Gemeindegebiet beaufschlagt. Die maximale Wassertiefe im RÜB beträgt h max = 6,70 m. Höher kann das Wasser aufgrund der vorhandenen Beckenüberlauföffnung nicht steigen. Das Wasser aus dem RÜB wird über eine 340 m lange PVC-Rohrleitung dem Sandfang der unterhalb gelegenen Kläranlage zugeführt. Damit sich in der Rohrleitung kein Sand absetzt, darf die Durchflussmenge zur Kläranlage bei Entleerung des Beckens Q = 150 l/s nicht unterschreiten. Beckenzulauf RÜB Beckenüberlauföffnung (mündet direkt in den Musterbach) H max = 6,70 m Absperrventil (Kugelhahn) Pumpe PVC-Rohr, glatt+neu D i = 300 mm L ges= 340 m (Länge über Pumpe und Absperrventil identisch!) Kläranlage Sandfang (Wehrbreite b = 1,95 m) H max = 9,0 m 2,45 m W =?? Um Energiekosten zu sparen erfolgt die Entleerung des Beckens zunächst in freiem Gefälle (ohne Pumpe) über das offene Absperrventil. Wenn der Wasserspiegelunterschied zwischen RÜB und Sandfang nicht mehr ausreicht, springt die Pumpe an, gleichzeitig wird das Absperrventil geschlossen. ρ(20 C) = 1000 kg/m³, g = 9,81 m/s² a) Bemessen Sie die Kronenhöhe des dachförmigen Wehres im Sandfang für den Bemessungszufluß Q = 150 l/s für einen Bemessungswasserstand h = 2,45 m! b) Bemessen Sie die Pumpe, so dass bei leerlaufendem Becken immer mindestens Q = 150 l/s abgeführt werden (Gesamtwirkungsgrad der Pumpe η = 0,67)!