VÍZÉPÍTÉS ALAPJAI Dr. Csoma Rózsa egy. doc. k BME Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék ww.vit.bme.hu é z s s é n Kmf. 16 T:463-2249
[email protected] a pz
T é i t K e Vízgazdálkodás: i z k e nö akkor ott annyi olyan erk vízrlegyen é z s m amikor ahol amennyi amilyen szükséges ó k t r a a z T s S2013. aug.: aszály akkor : 2013. jún. árvíz s ó balatoni vízeresztés i ott : Alföldön aszály ni é c k a u t annyi : balatoni vízeresztés vízpótlás r g t á s s on cianid a Tiszában olyan : a Balatonrd iható k á l e i r z etCélok : S z E e Vízrendezés: védelmet nyújtani embernek, víznek, környezetnek k M r B szevíz adta lehetőségek kiaknázása Hasznosítás: ó t r a Eszköz: T vízi létesítmények tervezése + építése + üzemeltetése = VÍZÉPÍTÉS 2013.09.12.
Csoma: Vízépítés
1
TERVEZETT TÉMAKÖRÖK k é z s s é n z a p T é II. Építmények álló vízben i t K e i z k III. Építmények mozgó vízben rke rnö e é z s m ó IV. Csapadék mennyiségének becslése k t r a a z T s S medrekben s V. Vízelvezetés szabad felszínű é ció i n k a u t VI. A vízellátó és vízelvezető hálózat főbb jellemzői r g t á s s on d r k és építmények VII. Felszínilalatti vizek á e r z etS z VIII. Vízépítési nagyműtárgyak E e k M er B z IX. Szabványok, előírások s ó t r X. Ta???? I.
Alapfogalmak, a víz jellemzői
2013.09.12.
Csoma: Vízépítés
2
TARTALOM k é Alapfogalmak, a víz jellemzői z s s é n z ‒ Fajsúly, sűrűség, rugalmassági modulusTa p é i t K ‒ Viszkozitás e i z k e nö ‒ Halmazállapot-váltások k r r e é z II. Építmények álló vízben s m ó k t a – A hidrosztatikai nyomásarfogalma z S T s s – Nyomáseloszlás sík felületekre é és görbe ó i i n ukc – A nyomóerő tmeghatározása a r g t á s – Felhajtóerő, úszás s n d o r k vízben á l III. Építmények mozgó e i r z t S e – E Főbb mozgásjellemzők z e k M r – Hidrodinamikai nyomás e B I.
z s tó
r a T
2013.09.12.
Csoma: Vízépítés
3
A víz jellemzői 1. sűrűség Sűrűség () - fajsúly (g) =1000 kg/m3 (p0~105 Pa, 4°C) g = 9.81 m/s2= 9.81 N/kg függ: nyomástól, hőmérséklettől g ≈ 10000 N/m3= 10 kN/m3
m G mg ; g g V V V
k é z s s é n z a p T é i t K zep,T i k e ö dk 1 rn 1 r e é dp dT z s m T ó ak p t r a z S T s s é ó i c 1 1 Rugalmassági modulus: ani k u t r g t p E 9 2 E ~2·10 N/m d (Esá ~2·10nsN/m ) o r k á l terjedése p 1 E e nyomásváltozás = hang i r z w t S e z E e terjedése w~1415 m/s k M r B sze ó t r 1 a Hőtágulási együttható T T T
acél
11
2
T
p
2013.09.12.
Csoma: Vízépítés
4
A víz jellemzői 2. mozgás Viszkozitás (nyúlósság):
k é z s s é n z a p T é i t K e i z k e nö k r r e é z s m ó k t r a a z T sS s é ció i n k a u t r g t á s s on d r dv k á t : nyíró/csúsztató feszültség: l t-re t t k i z dn S e t : indításhoz szüks. feszültség, z E e k : konzisztencia tény. anyagjellemzők k M r B sze n : folyási index ó t r víz: newtoni, th = 0, n = 1, k = h Ta h, Pa s : dinamikai viszkozitás
nyírófeszültség folyadékban meghatározza, hogyan folyik
}
h
2013.09.12.
Csoma: Vízépítés
h
5
n
A víz jellemzői 3. halmazállapotok Telítettségi gőznyomás: a halmazállapot-váltás határa hőmérséklettől +nyomástól függ 100 °C fölött : kukta 100 °C alatt : kavitáció
k é z s s é n z a p T é i t K e i z k e nö k r r e é z s m ó k t r a a z T, °C p , kN/m T sS s é ció 0 0.610 i n k a 4 0.812 u t r g t á s s on 10 1.227 d r k á 20 2.336 l e i r z e7.375 t 40 S z E e 60 19.917 k M r B 80 sze 47.356 ó t r 100 101.322 a T 110 143.265 g
2013.09.12.
2
Csoma: Vízépítés
6
A víz jellemzői 3. Jégjelenségek: statikus jégképződés:
1000.00 999.75 , kg/m3 999.50 999.25 999.00 0 2
k é 4 6 8 sz 10 12 s 14 n pzé – tavak, csendesebb vízfolyások a T é i – felszínről hűl, kisebb sűrűség miatt hideg víz a felszínre törekszik t K e i z k – kristályképződés, kristályosodási gócok ke ö n r r e é – felszíni jég vastagszik, míg alatta a víz hűlni tud, utána szigetel z s m ó ak t r dinamikus jégképződés: a z S T ‒ először partközeli sekélyebb, lassabb részen: parti jég (stat.) s s é ó i i c ‒ mozgó víz átkeveredik, egyenletes hőmérsékletű n k a u t r g t ‒ teljes szelvényben egyszerre : hosszú fagyos idő á s s n d ko r • felszíni ljég á e i r z • lebegő jég, fenékjég: együtt kásajég, gomolyagba összeállva t S e z E e felemelkedik, felszínen víz továbbviszi k M r e 3 B z jég sűrűség: ρ ≈ 920 kg/m s ó t r hozzáfagy, tágul, felcsúszik a T 2013.09.12.
Csoma: Vízépítés
T, oC
7
Jégjelenségek k é z s s é n z a p T é i t K e i z k e nö k r r e é z s m ó k t r a a z T sS s é ció i n k a u t r g t á s s on d r k á l e i r z etS z E e k M r B sze ó t r Ta 2013.09.12.
Csoma: Vízépítés
8
Hidrosztatikai alapok: 1. a víznyomás Nyomás: nyomóerő egységnyi felületen (skalár) k é z s • tulajdonságai: s é n z a p pl. p = p ‒ iránytól független T fenék oldal é i t K e i ‒ változás térben és időben gyengítetlenül terjed: hidr. z k e ö k n r sajtó, fék, stb. r e é z s ‒ mélységgel lineárisan nő: pr=tóp0+ hgakm p : abszolút nyomás Ta s Sz s é ó i p0 : légköri nyomás, i c n k a u t hg >: túlnyomás, r g t á s s on= szívás d hg <: alulnyomás r k á l e i r • h=ptúl/g S : nyomásmagasság z t-
e z E e k M r több B (i), nem ekeveredő folyadék: z s ó p p h g t r Tpfa: felszíni nyomás f
i i
i
2013.09.12.
Csoma: Vízépítés
pfenék
poldal
9
Hidrosztatikai alapok: 2. a nyomáseloszlás Nyomáseloszlás (p) helyett k nyomásmagasság-eloszlás (p/g, azaz felszín alatti mélység é z s s é n • határoló felületen: merőleges z a p T é i • sarkokban változatlan t K e i z k e nö • mélységgel lineárisan növekszik k r r e é • vízszintes síkon állandó z s m
ó ak t r a z S T s s é ó i h =8,9-6,7=2,2 m i c n k a u t r g t á s s n d ko r h á l t-re i z p = hS∙g = 2,2∙10e= 22 kN/m z E e k M r B sze p = h ∙g = 6,3∙10= 63 kN/m ó t r a T 1
h2=8,9-2,6=6,3 m h1
1
1
1
2
2
2013.09.12.
2
Csoma: Vízépítés
h2
2
10
Hidrosztatikai alapok: 3. a nyomóerő Nyomóerő állandó szélességű, sík, egy oldalán terhelt nyomottzfelületre ék
s s é n z a p T é i t K e i z k e nö k r r e é z s m ó k t r a a z T sS s é ció i n k a u t r g t á s s on d r k á l e i r z etS z E e k M r B sze ó t r Ta
• nagysága: nyomáseloszlás ábra területe alapján • hatásvonala a nyomott felületre merőleges a nyomáseloszlás (terhelési test) súly pontján át
2013.09.12.
Csoma: Vízépítés
11
Hidrosztatikai alapok: 4. nyomóerő B = 100 m-en 1. függőleges: F1 = h12/2∙B∙g= 2,22∙/2∙100∙10= 2420 kN x1=h1/3 = 2,2/3 =0,73 m
k é z s s é n 2. vízszintes: F2 = h1∙L∙B∙g= 2,2∙26,6∙100∙10= 58 520akN pz T é i x2=L/2 = 26,6/2 =13,3 m t K e i z k e nö 17 850 kN k 3. Ferde : F3 = (h1+h2)/2∙a∙B∙g= (2,2+6,3)/2∙4,2∙100∙10= r r e é z s m km x3=trapéz súlypont= t1,76 ó r a a z L = 26,6 T m S s s é cimó h =8,9-6,7=2,2 h =8,9-2,6=6,3 m i n k a u t F r g t F á s h s n x d o r h k á l t-re i F z S e x z a = 4,2 m E x e h k M r B sze ó t r Ta 1
2
1
3
1
1
1
3
2
3
2013.09.12.
Csoma: Vízépítés
2
12
Hidrosztatikai alapok: 5. a nyomóerő k é z s s é n z a p • két oldalon terhelt: szuperpozíció T é i t K e i z k e nö k r r e é z s m ó k t r a a z T sS s é ció i n k a u t r g t á s s on d r k á l e i r z etS z E e • változó szélességű nyomott felület: k M r e B erő: terhelési test térfogata z s ó t hatásvonal: terhelési test súly pontján át r Ta
Nyomóerő egyéb felületekre 1. sík felületek
2013.09.12.
Csoma: Vízépítés
13
Hidrosztatikai alapok: 6. a nyomóerő Nyomóerő egyéb felületekre 2. görbe, állandó szélességű nyomott felületek:
k é z s s • komponens nyomásmagasság-eloszlás é n z a p T vízszintes: a függőleges é i t K e i vetületre z k e nö k r függőleges: a fölötte r e é z s m levő víz ó k t a z erő, hatásvonal: mint előbb Tar S s s é ció i n k • görbe felületre: a u t r g t á s Csak komponens! s on d r k á l e i V r z t S e z E e k M B szer H ó t r Ta 2013.09.12.
Csoma: Vízépítés
14
Hidrosztatikai alapok 2. felhajtóerő, egyensúly
• Folyadékba merült testre ható nyomáseloszlás + nyomóerő:
F V g k é z s s é n z a p T é i t K e i z k e nö k r r e é z s m ó ● Ff =Vki∙g, vízalatti súlypontban (D) k t r a a z ● ha Ff < G, a test lemerül a fenékreT S s s é ció ● ha Ff = G, a test lebeg i n k a ha homogén, u t r g t á s s on kp. (D) • súlypont (S) = vízkiszorítási d r k á l • bármely helyzetben lebeg e i r zegyensúly t S e • közömbös z E e k ha SM alul, D rfelül: stabil egyensúly e B z ha S felül, D alul: labilis egyensúly s ó t ●ha Ff >arG, a test felúszik a felszínre T ●talajvízben is !!!! f
2013.09.12.
Csoma: Vízépítés
ki
15
Mozgásjellemzők 1. sebesség (v): egy pontban (vektor) k é sebességeloszlás: szelvény (cső, meder) mentén z s s é n z a áramvonal : érintője minden pontban a sebességvektor, p T é i t K e ..)ki áramcső: áramvonalak határolják (pl. meder,zcső,
e nö k r r e é z s m ó k t r a a z T sS s é ció i n k a u t r g t á s s on d r k á l e i r z etS z E e k M r B sze ó t r Ta
2013.09.12.
Csoma: Vízépítés
16
Áramvonal tulajdonságai tulajdonságai: k é áramvonalon keresztül áramlás nincs; z s s é n z a mivel az áramvonal egy pontjában csak egy sebesség lehet, így p T é i t K e nem metszhetik egymást, i z k e ö k rn r hirtelen irányváltozása nem lehetséges, e é z s m ó nem ágazhatnak el és nem csatlakozhatnak egymáshoz; k t r a a vagyS-∞. z T ha mégis, akkor sebesség 0, +∞ s s
é ció i n k a u t r g t á s s on d r k á l e i r z etS z E e k M r B sze ó t r Ta
2013.09.12.
Csoma: Vízépítés
17
Mozgásjellemzők áramlási szelvény (A): k é z s merőleges az áramvonalakra, s é n z a p normálisa a sebességgel párhuzamos T é i t K i folyadékhozam (Q): egységnyi idő alatt A-neze k ö k n r átlépő térfogat (V) r e é
z s m ó k t r a középsebesség (vm): a z TátlépősQS egységnyi felületen s é ció i n k a u t r g kapcsolat a fentiek között: t á s s on d r V lávdA t-rvekA Q zi tS e z E e k M B szer ó t r Ta m
2013.09.12.
Csoma: Vízépítés
18
Vízmozgások k időben állandó időben változó é z s s é n permanens, z a p T é i egyenletes t K térben állandó nagyon ritka e i z k e nö mesterséges k r r e é z permanens,tós nempermanens, m k r a a z fokozatosan vált. fok. vált. térben fokozatosan S T s s é ó i vízfolyások i c n k a u t r műtárgyak, nyitási/zárási g t változó á s s szerelvények n d o hullám r hirtelen k á l t-re i z nem „üzemszerű” S e
z E e k M r B sze változó: gyorsulás << nehézségi térerősség, így fokozatosan ó nyomáseloszlás hidrosztatikaival közelíthető t r Ta 2013.09.12.
Csoma: Vízépítés
19
