Robert Freimann Hydraulik für Bauingenieure Grundlagen und Anwendungen is mit Verzeichn chbegriffe englischer Fa 2., aktualisierte Auflage
Freimann Hydraulik für Bauingenieure
Lehrbücher des Bauingenieurwesens Dallmann Baustatik Band 1: Berechnung statisch bestimmter Tragwerke Band 2: Berechnung statisch unbestimmter Tragwerke Band 3: Theorie II. Ordnung und computerorientierte Methoden der Stabtragwerke Engel/Lauer Einführung in die Boden- und Felsmechanik Engel/Al-Akel Einführung inden Erd-, Grund- und Dammbau Freimann Hydraulik für Bauingenieure Göttsche/Petersen Festigkeitslehre klipp und klar für Studierende des Bauingenieurwesens Jochim/Lademann Planung von Bahnanlagen Krawietz/Heimke Physik im Bauwesen Malpricht Schalungsplanung Proporowitz (Hrsg.) Baubetrieb Bauverfahren Proporowitz (Hrsg.) Baubetrieb Bauwirtschaft Prüser Konstruieren im Stahlbetonbau 1 Prüser Konstruieren im Stahlbetonbau 2 Rjasanowa Mathematik für Bauingenieure Rjasanowa Mathematische Modelle im Bauingenieurwesen
Robert Freimann Hydraulik für Bauingenieure Grundlagen und Anwendungen 2., aktualisierte Auflage Mit 171 Bildern, 59Tabellen, 57 Beispielen, 56 Aufgaben mit Lösungen und einem Verzeichnis englischer Fachbegriffe Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag
Autor Prof. Dr.-Ing. Robert Freimann Hochschule München Fakultät Bauingenieurwesen E-Mail: robert.freimann@hm.edu Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. ISBN: 978-3-446-42786-0 E-Book-ISBN: 978-3-446-43148-5 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung mit Ausnahme der in den 53, 54 URG genannten Sonderfälle, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag 2012 Carl Hanser Verlag München Internet: http://www.hanser.de Lektorat: Christine Fritzsch Herstellung: Franziska Kaufmann Satz: Robert Freimann, Mühldorf Coverconcept: Marc Müller-Bremer, www.rebranding.de, München Coverrealisierung: Stephan Rönigk Druck und Bindung: Beltz Bad Langensalza GmbH, Bad Langensalza Printed in Germany
Vorwort HYDRAULIK FÜR BAUINGENIEURE Bücher mit diesem Titel gibt es zuhauf, wozu also schon wieder eines? Haben sich denn das Wasser oder die Physik geändert? werden Sie, liebe Leserin, lieber Leser, fragen. Nein, noch ist diesbezüglich (fast) alles beim Alten. Aber mancherorts hat sich das Studium und dessen Aufbau erneuert, auch die Studierenden fordern heute zu Recht eine praxisgerechte Aufbereitung der hydraulischen Grundlagen inklusive zahlreicher durchgerechneter Beispiele und selbst zu lösender Aufgaben mit detaillierten Lösungen. Und nicht zuletzt gibt es hier und da auch neue Erkenntnisse. Zudem erfordert die Globalisierung des Arbeitsmarktes die Beherrschung einschlägiger englischer Fachbegriffe. Neben diesen möglichen Beweggründen, sich für dieses Buch zu entscheiden, hat Sie aber vielleicht einfach die gesamte Aufmachung des Buches angesprochen. Was auch immer der Grund für Ihre Entscheidung gewesen sein mag, Sie dürfen und können eine erfolgreiche und anwendungsorientierte Einarbeitung in das Thema mithilfe dieses Buches erwarten. Dieses Buch richtet sich in erster Linie an Studierende des Bauingenieurwesens an Technischen Universitäten, Hochschulen und vergleichbaren Bildungseinrichtungen. Neben der Vermittlung der im Studium erforderlichen Kenntnisse kann es aber auch dem Praktiker eine wertvolle Hilfe zur kurzfristigen Auffrischung von hydraulischen Inhalten sein. Auch Personen anderer Fachgebiete, die im Bauwesen tätig sind, können sich dieses Buches bedienen, um sich in die Hydraulik einzuarbeiten. Der Stoff ist fundiert dargestellt, ohne dabei theoretische Her- und Ableitungen in den Vordergrund zu stellen. Nach einem einführenden Überblick und einer knappen Darstellung der wichtigsten Grundlagen in Kapitel 1werden in Kapitel 2die von ruhenden Flüssigkeiten ausgehenden Kräfte behandelt. Basierend auf den wichtigsten Zusammenhängen von bewegten Flüssigkeiten, der sog. Hydrodynamik, in Kapitel 3folgen in Kapitel 4die Berechnungen von Wasserbewegungen durch Öffnungen hindurch und über Staubauwerke hinweg. Danach werden die zeitlich unveränderlichen Strömungsvorgänge in Druckleitungen (Kapitel 5)sowie die damit zusammenhängenden Pumpenvorgänge (Kapitel 6)aufbereitet. Nach den Gerinnen mit freiem Wasserspiegel (Kapitel 7)geht es mit Kapitel 8in den Untergrund und um die Frage, wie Fließbewegungen in porösen Medien zu bearbeiten sind. In einem weiteren Kapitel werden dann zusätzliche Themengebiete, die in der Praxis ebenfalls von Bedeutung sind, beleuchtet (Kapitel 9). Zu den vielen Aufgaben in den Randspalten des Buches, die Sie selbst bearbeiten dürfen (und sollen!), werden in Kapitel 10schließlich die Lösungen in ausführlichen Schritten präsentiert. An dieser Stelle danke ich allen, die mir mit Rat und Tat bei der Erstellung des Manuskriptes behilflich waren. Ein besonderer Dank geht an Frau Christine Fritzsch und Frau Franziska Kaufmann vom Fachbuchverlag Leipzig (im Carl Hanser Verlag) für die vielen nützlichen Hinweise und die jederzeit gute und angenehme Zusammenarbeit. Die 2008 erschienene erste Auflage dieses Lehrbuches wurde überwiegend freundlich und wohlwollend aufgenommen. Bei der Vorbereitung einer Neuauflage ging es daher vor allem um die Beseitigung kleiner Fehler, Ungereimtheiten sowie das Verständnis erleichternde Ergänzungen. Sollten sich trotz dieser Korrekturen noch Anregungen zur Verbesserung des Buches ergeben, so nehme ich entsprechende Hinweise unter robert.freimann@hm.edu gerne entgegen. Herzlichen Dank an alle Fachkollegen und Studierenden, die mit ihren Bemerkungen mitgeholfen haben, das Buch in der 2. Auflage noch etwas besser zu machen. München, im Dezember 2011 Robert Freimann
Inhaltsverzeichnis 7 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung... 11 1.1 Bedeutung der Hydraulik... 11 1.2 Eigenschaften des Wassers... 12 1.2.1 Dichte.... 13 1.2.2 Viskosität oder Zähigkeit.... 13 1.2.3 Volumenelastizität.... 14 1.2.4 Schallgeschwindigkeit.... 14 1.2.5 Oberflächenspannung und Kapillarität.... 14 1.2.6 Dampfbildung.... 15 2 Hydrostatik... 16 2.1 Flüssigkeitsdruck... 16 2.1.1 Druckeinheiten.... 17 2.1.2 Bezugsdruck.... 18 2.1.3 Kommunizierende Gefäße und Röhren... 19 2.2 Grundlegendes zum Druck auf Flächen... 21 2.3 Druck auf ebene Flächen.... 22 2.4 Tabellarische Ermittlung der Druckkraft... 27 2.5 Druck auf gekrümmte und polygonartig zusammengesetzte Berandung... 30 2.6 Auftrieb.... 31 2.7 Schwimmstabilität.... 33 3 Hydrodynamik... 35 3.1 Allgemeine Begriffe... 35 3.2 Bewegungsarten von Flüssigkeiten.... 37 3.2.1 Stationäre und instationäre Bewegung... 37 3.2.2 Gleichförmige und ungleichförmige Bewegung... 37 3.2.3 Kontinuierliche und diskontinuierliche Bewegung... 38 3.2.4 Beispiel zuden Bewegungsarten.... 38 3.3 Fließverhaltenrealer Flüssigkeiten.... 39 3.3.1 Laminares undturbulentes Fließen.... 39 3.3.2 Schubspannung... 40 3.3.3 Reynoldszahl... 41 3.4 Kontinuitätsbedingung... 41 3.5 Energiegleichung von Bernoulli... 43 3.5.1 Bernoulligleichung für ideale Flüssigkeiten.... 43 3.5.2 Bernoulligleichung für reale Flüssigkeiten.... 48 3.5.3 Messung und Beobachtung der Energieanteile... 49 3.6 Impulssatz... 50
8 Inhaltsverzeichnis 3.6.1 Allgemeine Betrachtungen... 50 3.6.2 Stützkraft bei Druckrohrleitungen... 51 3.6.3 Stützkraft bei Gerinneströmungen.... 55 3.6.4 Stützkraft bei freien Strahlen... 56 3.7 Potenzialströmungen... 57 4 Ausfluss und Überfall... 58 4.1 Allgemeines... 58 4.2 Ausfluss aus Bodenöffnungen... 59 4.3 Ausfluss aus Seitenöffnungen... 61 4.3.1 Ausfluss aus großer Öffnung... 61 4.3.2 Ausfluss aus kleiner Öffnung... 63 4.3.3 Ausfluss unter Gegendruck.... 63 4.4 Ausfluss unter Planschütz.... 64 4.4.1 Freier Ausfluss... 64 4.4.2 Rückgestauter Ausfluss... 66 4.5 Abfluss über Wehre.... 68 4.5.1 Bezeichnungen und Einteilungen.... 68 4.5.2 Abflussberechnung... 70 4.5.3 Unvollkommener Üverfall... 72 5 Rohrhydraulik... 74 5.1 Vorbemerkungen... 74 5.2 Reibungsverluste.... 75 5.2.1 Ermittlungskonzept... 75 5.2.2 Laminare Strömung.... 76 5.2.3 Turbulente Strömung... 76 5.2.4 Nichtkreisförmige Querschnitte... 81 5.3 Einzelverluste... 82 5.3.1 Grundlagen... 82 5.3.2 Rohreinlauf.... 83 5.3.3 Querschnittsänderung... 83 5.3.4 Richtungsänderung... 84 5.3.5 Rohrtrennungen und -vereinigungen... 85 5.3.6 Armaturen... 88 5.3.7 Rohrauslauf... 88 5.4 Pumpen- und Turbinenleistung... 90 5.5 Zusammenfassung Energieplan.... 94 5.6 Betriebliche bzw. integrale Rauheit... 97 6 Pumpenhydraulik... 102 6.1 Pumpenarten.... 102 6.1.1 Unterscheidung nach Arbeitsprinzip.... 102 6.1.2 Bauformen von Kreiselpumpen.... 103
Inhaltsverzeichnis 9 6.2 Charakteristik von Kreiselpumpen.... 104 6.2.1 Pumpenkennlinie... 104 6.2.2 Anlagenkennlinie... 104 6.2.3 Betriebspunkt.... 104 6.3 Kombination von Kreiselpumpen.... 107 6.4 NPSH-Berechnung... 109 7 Gerinnehydraulik... 113 7.1 Allgemeine Beziehungen.... 114 7.2 Strömen und Schießen.... 117 7.3 Gleichförmige Strömung... 120 7.3.1 Fließformel nach Darcy-Weisbach.... 121 7.3.2 Fließformel nach Gauckler-Manning-Strickler.... 122 7.3.3 Normalabfluss... 123 7.4 Grenzverhältnisse... 125 7.5 Fließwechsel... 128 7.5.1 Vom strömenden zum schießenden Abfluss... 128 7.5.2 Vom schießenden zum strömenden Abfluss... 129 7.5.3 Wechselsprung... 130 7.5.4 Tosbecken.... 131 7.6 Ungleichförmige Strömung.... 132 7.6.1 Ohne Fließwechsel... 132 7.6.2 Mit Fließwechsel... 134 7.7 Querschnittsänderungen.... 135 7.7.1 Querschnittserweiterung... 135 7.7.2 Querschnittsverringerung... 138 7.7.3 LokaleVerlustebei Querschnittsverringerung.... 140 7.8 Wasserspiegellinienberechnung... 143 7.8.1 Allgemeine Zusammenhänge... 143 7.8.2 Hydraulische Kontrollquerschnitte.... 145 7.8.3 Vorgabeeiner Abschnittslänge Δx... 145 7.8.4 Vorgabe einer Wasserspiegeldifferenz Δh... 147 7.9 Abfluss in natürlichen Fließgewässern... 148 7.9.1 Unterschiedliche Rauheiten imquerschnitt... 148 7.9.2 Gegliederte Fließquerschnitte... 149 7.9.3 Querschnitte mit Großbewuchs... 151 8 Sickerströmungen... 152 8.1 Grundlagen... 152 8.2 Druckhöhen und Standrohrspiegelhöhen... 154 8.3 Anwendung von Potenzialliniennetzen.... 155 8.3.1 Unterströmung von Bauwerken.... 156 8.3.2 Dammdurchsickerung... 158 8.4 Anströmung von Brunnen und Gräben... 159
10 Inhaltsverzeichnis 8.4.1 Vertikaler Brunnen... 160 8.4.2 Entwässerungsgraben.... 162 9 Ergänzende Themen... 164 9.1 Instationärer Beckenausfluss... 164 9.1.1 Freier Ausfluss... 164 9.1.2 Ausfluss unter gegendruck.... 167 9.2 Berechnung von Rohrnetzen.... 169 9.2.1 Rohrsysteme.... 169 9.2.2 Berechnung von Ringnetzen.... 170 9.3 Druckstoß... 174 9.3.1 Veranschaulichungder Problematik... 174 9.3.2 Schnelles Schließen amrohrleitungsende.... 176 9.3.3 Langsames Schließen amrohrleitungsende... 180 9.3.4 Weitere Ursachen für Druckstöße... 180 9.4 Schwall und Sunk... 180 10 Lösungen... 183 10.1 Aufgaben in Kapitel 1... 183 10.2 Aufgaben in Kapitel 2... 184 10.3 Aufgaben in Kapitel 3... 192 10.4 Aufgaben in Kapitel 4... 195 10.5 Aufgaben in Kapitel 5... 199 10.6 Aufgaben in Kapitel 6... 204 10.7 Aufgaben in Kapitel 7... 207 10.8 Aufgaben in Kapitel 8... 216 10.9 Aufgaben in Kapitel 9... 218 Literaturverzeichnis... 221 Verzeichnis englischer Fachbegriffe... 222 Sachwortverzeichnis... 226