Hydraulik für Bauingenieure

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Freimann Hydraulik für Bauingenieure

Lehrbücher des Bauingenieurwesens Dallmann Baustatik Band 1: Berechnung statisch bestimmter Tragwerke Band 2: Berechnung statisch unbestimmter Tragwerke Freimann Hydraulik für Bauingenieure Göttsche/Petersen Festigkeitslehre klipp und klar Jochim/Lademann Planung von Bahnanlagen Krawietz/Heimke Physik im Bauwesen Proporowitz (Hrsg.) Baubetrieb Bauverfahren Proporowitz (Hrsg.) Baubetrieb Bauwirtschaft Prüser Konstruieren im Stahlbetonbau 1 Rjasanowa Mathematik für Bauingenieure

Robert Freimann Hydraulik für Bauingenieure Grundlagen und Anwendungen Mit 171 Bildern, 59 Tabellen, 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: freimann@bau.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 978-3-446-41054-1 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 2009 Carl Hanser Verlag München Internet: http://www.hanser.de Lektorat: Christine Fritzsch Herstellung: Franziska Kaufmann Satz: Robert Freimann, Mühldorf Druck und Binden: Druckhaus Thomas Müntzer 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, Fachhochschulen 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 1 werden in Kapitel 2 die von ruhenden Flüssigkeiten ausgehenden Kräfte behandelt. Basierend auf den wichtigsten Zusammenhängen von bewegten Flüssigkeiten, der sog. Hydrodynamik, in Kapitel 3 folgen in Kapitel 4 die 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 8 in 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 10 schließlich 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. Sollten sich trotz Rechtschreibprüfungsprogramm, mehrmaliger Durchsicht des Manuskriptes und aufmerksamer Berechnungen der Zahlenbeispiele Fehler eingeschlichen haben oder sonstige Anregungen zur Verbesserung des Buches auftauchen, so nehme ich entsprechende Hinweise unter freimann@bau.hm.edu gerne entgegen. München, im September 2008 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 zu den Bewegungsarten......................................... 38 3.3 Fließverhalten realer Flüssigkeiten........... 39 3.3.1 Laminares und turbulentes 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 Überfall............ 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 Lokale Verluste bei Querschnittsverringerung...... 140 7.8 Wasserspiegellinienberechnung.......... 143 7.8.1 Allgemeine Zusammenhänge........................................... 143 7.8.2 Hydraulische Kontrollquerschnitte........................................ 145 7.8.3 Vorgabe einer Abschnittslänge Δx... 145 7.8.4 Vorgabe einer Wasserspiegeldifferenz Δh... 147 7.9 Abfluss in natürlichen Fließgewässern........................................... 148 7.9.1 Unterschiedliche Rauheiten im Querschnitt................................. 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 Veranschaulichung der Problematik..... 174 9.3.2 Schnelles Schließen am Rohrleitungsende................................. 176 9.3.3 Langsames Schließen am Rohrleitungsende................................ 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