Wasserbau Zusammenfassung PDF

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Zusammenfassung Teil Wasserbau aus dem SS16...

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Wasserbau Wasserbauliche Maßnahmen Wasserwirtschaf Definition -

Gesamtheit der Planungen, Maßnahmen und Tätigkeiten, die der Ordnung, Nutzung, Pflege und Schutz des ober-und unterirdischen Wassers dienen

Bauliche Maßnahmen Nutzwasserwirtschaf -

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Wasserentnahme (Trinkwasser, Betriebs-und Nutzwasser)  Betriebswasser  Wasser, das einer spezifischen technischen, gewerblichen, landwirtschaflichen oder hauswirtschaflichen Anwendung dient  Nicht für den menschlichen Genuss vorgesehen, sollte jedoch einer gewissen Mindesthygiene entsprechen Wasseraufbereitung (mechanisch, physikalisch, chemisch) Wasserverteilung Wasserentsorgung und -reinigung Wasserkrafnutzung (Flusskrafwerke, Staudämme) Wasserwegebau (Wasserstraßenbau, Schleusenbau, Hebewerke, Hafenanlagen)

Schutzwasserwirtschaf -

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Hochwasserschutz  Dammbau  Rückhalteräume  Umleitungen Naturnaher Wasserbau  Gewässerentwicklung  Renaturierung  Revitalisierung

Grundlagen der Gerinnehydraulik Eigenschafen des Wassers Kavitation -

Entsteht immer dann, wenn infolge eines hohen Unterdrucks das Wasser anfängt zu sieden

Hook´sche Gesetz -

Für alle elastisch verformbaren Körper und insbesondere für elastische Federn gilt, dass die Längenänderung der einwirkenden Kraf proportional ist

Dichte -

P = 1000 kg/m³ Gewichtskraf

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Dichte p =

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Dichte des Wassers ist abhängig vom Salz-und Feststoffgehalt, Temperatur und Druck Maximale Dichte bei +4°C

Masse m Volumen ∀

Aufrieb -

Berechnet sich aus Gewichtskraf des verdrängten Wasservolumens eines eingetauchten Körpers Damit ein teilweise eingetauchter Körper schwimmt, muss die Aufriebskraf größer sein als die Gewichtskraf des Körpers

Sublimieren -

Direkter Übergang von einem festen zu einem gasförmigen Aggregatzustand

Volumenelastizität -

E = 2,1·109 N/m² (inkompressibel) Volumenänderung ∀ des Wassers bei Druckänderung p  ∀ = ∀ *(p/E)

Viskosität (Zähigkeit) -

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Widerstand gegenüber Schubspannungen, Bindung der Teilchen aneinander Kohäsion  Zusammenhalt von Atomen und Molekülen der gleichen Art  Innere Anziehungskraf der Wasserteilchen untereinander, Oberflächenspannung  Anziehungskraf zwischen Teilchen stärker als zu Luf -> Tropfen oder Blasenform an Oberfläche Adhäsion  Zusammenhalt von Atomen und Molekülen verschiedener gleichen Art  Größere Anziehungskraf zwischen Glas und Wassermolekülen als zwischen Wassermolekülen -> Wasser wird am Rand nach oben gezogen

Potentialströmung -

Strömung eines idealen Fluids (keine Adhäsion, keine Kohäsion, keine Viskosität, wirbelfrei) Ideale Fluide umströmen einen angeströmten Körper ohne Ablösungen und Turbulenzen

Reale Fluidbewegungen -

Aufgrund der vorhandenen Viskosität ist Wasser den realen Fluiden zuzuordnen Wasserbewegung geht stets mit kohäsiven und adhäsiven Effekten einher und ist daher geprägt von den stattfindenden Reibungsprozessen

Bewegungsarten von Wasser Definitionen -

Strömung  Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen infolge Druckunterschieden und Schwerkrafwirkung

Dimensionalität der Strömungsbetrachtung -

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Dreidimensionale Strömungsbetrachtung  Bewegung in allen 3 Koordinatenrichtungen  z.B. Häfen Zweidimensionale Strömungsbetrachtung  Bewegung nur in x und y Richtung  z.B. Ausbreitung bei Hochwasser Eindimensionale Strömungsbetrachtung  Strömungsintensität anhand einer querschnittsgemittelten Fließgeschwindigkeit charakterisiert  Häufig Grundlage bei zahlreichen Bemessungsansätzen und Berechnungsformeln  z.B. Flussverlauf

Bahnlinie und Stromlinie -

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Bahnlinie  Tatsächlich von einem Flüssigkeitsteilchen zurückgelegter Weg Stromlinie  Stromlinien folgen den Geschwindigkeitsvektoren im Strömungsfeld  Zeigen durch angelegte Tangenten die jeweilige Strömungsrichtung an  Entlang einer Stromlinie immer gleiche Geschwindigkeit  Stromlinien können sich niemals kreuzen, da am Kreuzungspunkt gleichzeitig zwei verschiedene Geschwindigkeiten aufreten müssten  Die festen Berandungen eines Strömungsbereiches stellen ebenso wie der Wasserspiegel in einem offenen Gerinne Stromlinien dar Stromlinienbilder  Je enger die Stromlinien beieinander liegen, desto höher sind die Strömungsgeschwindigkeiten Stromröhre  Bündel von Stromlinien von einer geschlossenen Kurve umschlungen -> Stromröhre

Kontrollraum -

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Kontinuitätssatz  „Innerhalb eines geschlossenen Raumes muss die Erhaltung von Masse, Impuls und damit auch der Energie stets gewährleistet sein!“ Definition eines Kontrollraums notwendig (beliebig abgrenzbar, raumfest, nicht ortsfest, Oberfläche ist massendurchlässig, Durchströmung möglich)

Couette-Strömung -

Linearer Geschwindigkeitsverlauf zwischen zwei parallel zueinander ausgerichtet Platten, die sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in gleiche Richtung bewegen und deren Zwischenraum mit Wasser gefüllt ist

Volumen-und Massenstrom -

Massenstrom  Massenänderung über die Zeit Kontinuitätsgleichung  Das was innerhalb eines Zeitraumes in einen KR reingeht, kommt in der gleichen Zeit auch wieder raus!  mEin = mAus

Bewegungsarten des Wassers in offenen Gerinnen -

Stationärer Fließvorgang  Fließgeschwindigkeit v an einem betrachteten Punkt unabhängig von der Zeit t -> In einem Querschnitt ist v über die Zeit konstant 

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dv dx

=0

dv dx

≠0

Kontinuierlicher Fließvorgang  Durchfluss Q ändert sich zu einem Zeitpunkt t über die betrachtete Strecke x nicht 

-

≠0

Ungleichförmige Bewegung  Fließgeschwindigkeit v ändert sich entlang des Fließweges x 

-

dv dt

Gleichförmige Bewegung  Zu einem bestimmten Zeitpunkt t ist die Fließgeschwindigkeit v über die betrachtete Strecke x konstant 

-

=0

Instationäre Bewegung  Zeitliche Veränderung der Fließgeschwindigkeit v an einem betrachteten Punkt 

-

dv dt

dQ dx

=0

Diskontinuierliche Bewegung  Durchfluss Q ändert sich entlang des Fließweges x 

dQ dx

≠0

Laminares und turbulentes Fließen -

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Laminares Fließen  Die Flüssigkeitsteilchen bewegen sich in parallelen Schichten ohne Querbewegungen  Tritt bei geringen Geschwindigkeiten oder hoher Viskosität des Fluids auf Turbulentes Fließen  Überlagerung der Hauptströmung mit weiteren Geschwindigkeitskomponenten in andere Richtungen  Es treten Wirbelbewegungen (Turbulenzen) auf, kein schneiden der Stromlinien  Turbulentes Fließen tritt bei hoher Geschwindigkeit oder geringer Fluidviskosität auf

Rynoldszahl -

Hilfsgröße zur Beurteilung ab wann eine Strömung turbulent ist Dimensionslos und daher universell einsetzbar

Strömen und Schießen -

Durch das Verhältnis der Hauptströmungsgeschwindigkeit v zur Störungsausbreitungsgeschwindigkeit c können die Situationen unterschieden werden  Strömender Abfluss (Fr < 1): Störungswellen sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts  Grenzverhältnis (Fr = 1): Stationäre Wellenfront  Schießender Abfluss (Fr > 1): Störungswellen schwimmen mit der Hauptströmung vollständig stromabwärts ab und es entsteht eine kegelförmige Wellenfront  Oberflächenwellen breiten sich bei einer schießenden Strömung nicht entgegen der Fließrichtung aus  Dimensionslos und daher universell einsetzbar

Energiegleichung nach Daniel Bernoulli Messung und Beobachtung der Energieanteile -

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Die Druckhöhe wird mit einem Standrohr (Piezometerrohr) gemessen  Wird senkrecht zur Strömungsrichtung auf die Stromröhre aufgesetzt und zeigt mit seinem Flüssigkeitsspeigel die statische Druckhöhe an Die Gesamtenergiehöhe wird mit einem Pitotrohr gemessen  Öffnungsfläche steht senkrecht zur Strömungsrichtung und nimmt damit sowohl den statischen als auch den dynamischen Druck auf Die Kombination aus Piezometer- und Pitotrohr heißt Prandtlrohr  Damit werden zugleich Druck- und Energiehöhe gemessen und aus der Differenz lässt sich die Geschwindigkeitshöhe berechnen

Verlusthöhe -

Entsteht durch…  Reibung zwischen Berandung und Flüssigkeit sowie durch die Turbulenz des Fließvorganges -> Im Strömungsverlauf kontinuierlich zunehmende Reibungsverlusthöhen hr  Strömungsstörungen in örtlich begrenzten Bereichen wie Rohrein- und –ausläufen, Durchmesseränderungen, Armaturen -> Örtliche Einzelverlusthöhen he

Berechnung gleichförmiger Strömungen – Fließformeln Gleichförmige Strömung -

Geschwindigkeit ändert sich entlang der Fließstrecke s nicht Die Fließtiefe h ist entlang der Fließstrecke konstant Energielinie, Wasserspiegellinie und Sohlenlinie verlaufen parallel zueinander Fließvorgang wird durch Wassergewichtskraf FG in Gang gehalten Dem entgegen wirkt die Reibungskraf FW Beide Kräfe im Gleichgewicht -> weder Beschleunigung noch Verlangsamung

Fließformeln -

Mathematische Gleichung zur Berechnung der Fließgeschwindigkeit in einem Gerinne mit bekanntem Gerinnequerschnitt, bekannter Sohlenneigung und bekanntem Fließwiderstand dar

Universelle Fließformel nach Darcy-Weisbach -

Annahmen: Gleichförmige Strömung, geringe Sohlenneigung Widerstandsbeiwert aus Moody-Diagramm

Moody-Diagramm -

korreliert die drei Parameter Re-Zahl, Hydraulischer Radius rhy und Wandungsrauheit

Ansatz nach Colebrook & White -

modifizierten ihren rohrhydraulischen Ansatz für rauhe Bedingungen

Ansatz von Keulegan -

Anwendbarkeit des Colebrook-White-Ansatzes für prismatische offenen Gerinnen optimiert Nach Keulegan wirkt sich die relative Rauheit auf den Widerstandsbeiwert λ aus  Große relative Überdeckung (rhy/ks > 20) -> Br = 6,25  Kleine relative Überdeckung (rhy/ks < 4) -> Br = 3,25

Empirische Fließformel nach Gauckler, Manning und Strickler -

Einfache Handhabung Der empirische Strickler-Beiwert kst fasst alle Strömungseinflüsse zusammen (Tabellenwerte)

Normalabfluss -

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Beim Normalabfluss handelt es sich um eine stationär-gleichförmige Strömung, bei der Energielinie, Wasserspiegellinie und Sohlenlinie parallel zueinander sind Grund dafür ist Grund dafür ist ein Kräfegleichgewicht zwischen der treibenden Kraf (Hangabtriebskraf) und der haltenden Kraf (Reibungskraf entlang der Gerinnewandungen) eines Wasservolumens Zugehörige Wassertiefe ist die Normalabflusstiefe hn Normalabfluss stellt sich in der Praxis bei gleich bleibenden Querschnitts- und Rauheitsbedingungen in einem genügend langen Gerinne ein

Grenzzustand Grenzverhältnisse bei Änderung der Fließart -

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Fließart kann von Strömend Fr < 1, zu Schießend Fr > 1 wechseln Dabei wird der Grenzzustand durchlaufen  Benötigte Energiehöhe H zur Aufrechterhaltung des Durchflusses Q ist minimal  Bei konstanter Energiehöhe H ist beim Grenzzustand der Durchfluss Q maximal Energiehöhe setzt sich zusammen aus Summe von Orts-, Druck und Geschwindigkeitshöhe Der Grenzzustand in einem Gerinne ist nur vom Durchfluss Q und der Querschnittsform und Geometrie abhängig, nicht jedoch von der Sohlneigung des Gerinneabschnittes

Fließwechsel Wechselsprung -

In Abhängigkeit von den Zuströmbedingungen (Fließgeschwindigkeit, Wassertiefe) ändert der Wechselsprung seine Erscheinungsform

Energiehöhenverlust beim Wechselsprung -

In den meisten Fällen ist der Wechselsprung nicht ortsfest, weil die links- und rechtsseitigen Stützkräfe unterschiedliche Beträge haben

Tosbecken -

Haben die Aufgabe, den Wechselsprung örtlich zu fixieren und seine Energie zu dissipieren

Ungleichförmige Strömungen Wasserspiegel-Profiltypen -

Zur qualitativen Bestimmung des Wasserspiegelverlaufes entlang des Fließweges bei ungleichförmigen Strömungen Lassen sich anhand der Differentialgleichung für die Wasserspiegellinie in einem allgemeinen Gerinne bestimmen

Iterative Wasserspiegellinienberechnung Iterative Lösung: Standard-Step Methode -

Die Genauigkeit berechneter Wasserspiegellagen lässt sich bei der Standard-Step-Methode erhöhen, indem die Abstände Δx zwischen den benachbarten Querprofilen verringert werden

Feststofftransport Relevanz des Feststofftransports Begriffe -

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Erosion  Natürliche Abtragung von Gestein und Boden durch Wasser, Gletscher und Wind Sedimentation  Ablagern/Absetzen von Teilchen aus Flüssigkeiten oder Gasen unter dem Einfluss der Schwerkraf oder der Zentrifugalkraf Akkumulation  Umlagern von Feststoffen durch das fließende Wasser

Wasserbauliche Relevanz -

Wasserbauliche Anlagen greifen in das Strömungs-und Abflussregime ein Auch der Feststofftransport wird beeinflusst Daraus resultieren Erosions- und Sedimentationseffekte, welche nachhaltig den Lebensraum Fließgewässer verändern können Verlandung von Buhnenfeldern und Hafenanlagen, Sohlenerosion in begradigtem Gewässer Gegenmaßnahmen beispielsweise Geschiebeverklappung am Rhein

Definition und Klassifizierung Bestimmung der Korngrößenverteilung und der Körnungslinie -

Die Bestimmung der Korngrößenverteilung eines Sohlensubstrates geschieht i.d.R. durch Siebung

Bewegungsarten von Feststoffen -

Schwebstoffe bewegen sich im gesamten Wasserkörper in etwa mit der Fließgeschwindigkeit Geschiebe bewegt sich sohlennah langsamer als die Fließgeschwindigkeit Kleinere Partikel wechseln die Bewegungsart

Bewegungsbeginn in Abhängigkeit von der Fließgeschwindigkeit -

Bewegungszustand einer Feststofffraktion in Abhängigkeit von der mittleren Fließgeschwindigkeit

Schubspannung im Wasserbau -

Flächig wirkende tangential an der Kontaktfläche angreifende mechanische Spannung, die eine Scherbelastung bewirkt Bei offenen Gerinnen wird die Schubspannung auch Sohlenschubspannung genannt  Tangential an der Sohloberfläche flächig angreifende Kraf, welche vom vorbeifließenden Wasser erzeugt wird [N/m²]...