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author | Andreas Müller <andreas.mueller@ost.ch> | 2021-08-03 07:37:42 +0200 |
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committer | GitHub <noreply@github.com> | 2021-08-03 07:37:42 +0200 |
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diff --git a/buch/papers/spannung/Einleitung.tex b/buch/papers/spannung/Einleitung.tex index cf6e916..8e0d36d 100644 --- a/buch/papers/spannung/Einleitung.tex +++ b/buch/papers/spannung/Einleitung.tex @@ -1,15 +1,19 @@ \section{Einleitung\label{spannung:section:Einleitung}} -In diesem Kapitel geht es darum das Hook'sche Gesetz im Dreidimensionalen zu beschreiben. -Dieses beschreibt die Beziehung von Spannung und Dehnung von linear elastischen Materialien im Eindimensionalen. +\rhead{Einleitung} +Das Hook'sche Gesetz beschreibt die Beziehung von Spannung und Dehnung von linear-elastischen Materialien im Eindimensionalen. +In diesem Kapitel geht es darum, das Hook'sche Gesetz im Dreidimensionalen zu beschreiben. Durch variable Krafteinwirkungen entstehen in jedem Punkt des Materials eine Vielzahl an unterschiedlichen Spannungen. -Jeder erdenkliche Punkt im Dreidimensionalen beschreibt daher einen entsprechenden individuellen Spannungszustand. +In jedem erdenklichen Punkt im Dreidimensionalen herrscht daher ein entsprechender individueller Spannungszustand. Um das Hook'sche Gesetz für den 3D Spannungszustand formulieren zu können, reichen Skalare nicht aus. -Darum werden Vektoren, Matrizen und Tensoren zur Hilfe gezogen. -Diese allgemeine Spannungsformel ist Grundlage für Computerprogramme und geotechnische Versuche, wie der Oedometer-Versuch. +Darum werden Vektoren, Matrizen und Tensoren zu Hilfe gezogen. +Mit diesen lässt sich eine Spannungsformel für den 3D Spannungszustand bilden. +Diese Spannungsformel ist Grundlage für Computerprogramme und geotechnische Versuche, wie der Oedometer-Versuch. -Um die mathematische Untersuchung vorzunehmen, beschäftigt man sich zuerst mit den spezifischen Gegebenheiten und Voraussetzungen. -Ebenfalls gilt es ein paar wichtige Begriffe und deren mathematischen Zeichen einzuführen, -damit sich den Berechnungen schlüssig folgen lässt. +Um die mathematischen und physikalischen Berechnungen anwenden zu können, +müssen vorerst ein paar spezifische Bedingungen vorausgesetzt und Annahmen getroffen werden. +Ebenfalls gilt es, ein paar wichtige Begriffe und deren mathematischen Zeichen einzuführen. +In diesem Kapitel gehen wir auch auf die Zusammenhänge von Spannungen, Dehnungen und Verformungen an elastischen Materialien ein, +wie sie in gängigen Lehrbüchern der Mechanik oder der Geotechnik behandelt werden, z.~B.~\cite{spannung:Grundlagen-der-Geotechnik}. \section{Spannungsausbreitung\label{spannung:section:Spannungsausbreitung}} \rhead{Spannungsausbreitung} @@ -21,30 +25,34 @@ Belastet man den Boden mit einer Spannung \sigma = \frac{F}{A} +, \] -, so wird diese in den Boden geleitet und von diesem kompensiert. -Im Boden entstehen unterschiedlich hohe Zusatzspannung. -Die Zusatzspannung scheint sich räumlich und berechenbar im Boden auszubreiten. -Im Falle einer konstanten Flächenlast $\sigma$ (siehe Abbildung 1.1) breitet sich die Zusatzspannung zwiebelartig aus. -Mit der Tiefe $t$ nimmt diese permanent ab (siehe Abbildung 1.2). -Wie diese Geometrie der Ausbreitung ist wird durch viele Modelle und Ansätze näherungsweise beschrieben. -Diese Zusatzspannung $\sigma$ ist aber sicher abhängig von $(x,y,t)$. +so wird diese in den Boden geleitet und von diesem kompensiert. +Im Boden entstehen unterschiedlich hohe Zusatzspannungen. +Diese Zusatzspannung breitet sich räumlich im Boden aus. +Im Falle einer konstanten Flächenlast $\sigma$ siehe Abbildung~\ref{fig:Bild4} breitet sich die Zusatzspannung zwiebelartig aus. \begin{figure} \centering - \includegraphics[width=0.5\linewidth,keepaspectratio]{papers/spannung/Grafiken/Bild4.png} - \caption{Ausbreitung der Zusatzspannung im Boden} + \includegraphics[width=0.4\linewidth,keepaspectratio]{papers/spannung/Grafiken/Bild4.png} + \caption{Ausbreitung der Zusatzspannung im Boden infolge einfacher Flächenlast} \label{fig:Bild4} \end{figure} +Mit der Tiefe $t$ nimmt diese permanent ab (siehe Abbildung~\ref{fig:Bild5}). +Wie diese Geometrie der Ausbreitung aussieht, kann durch viele Modelle und Ansätze näherungsweise beschrieben werden. +Diese Zusatzspannung $\sigma$ ist im Wesentlichen abhängig von $(x,y,t)$. +Je nach Modell werden noch andere Parameter berücksichtigt. +Das können beispielsweise verschiedene Bodenkennwerte oder auch der Wassergehalt sein. + \begin{figure} \centering - \includegraphics[width=0.5\linewidth,keepaspectratio]{papers/spannung/Grafiken/Bild5.png} - \caption{Funktionen Spannung und Dehnung} + \includegraphics[width=0.35\linewidth,keepaspectratio]{papers/spannung/Grafiken/Bild5.png} + \caption{Funktionen der Spannung und Dehnung im Zusammenhang mit der Tiefe} \label{fig:Bild5} \end{figure} -Bei jeder dieser Zusatzspannung geht eine entsprechende Zusatzdehnung einher, welche eine Setzung bedeutet. +Bei jeder dieser Zusatzspannung geht eine entsprechende Zusatzdehnung des Bodens einher, welche eine Setzung bedeutet. Im einfachsten Fall kann modellhaft mit \[ \varepsilon @@ -58,43 +66,25 @@ s \int_{0}^{\infty}\varepsilon\enspace dt \] berechnet werden mit: -\[ -\varepsilon -= -\text{Dehnung [$-$]} -\] -\[ -\sigma -= -\text{Spannung [\si{\kilo\pascal}]} -\] -\[ -E -= -\text{Elastizitätsmodul; Young-Modul [\si{\kilo\pascal}]} -\] -\[ -t -= -\text{Tiefe [\si{\meter}]} -\] -\[ -s -= -\text{Setzung, Absenkung [m]} -\] - +\begin{align*} + \varepsilon &= \text{Dehnung [$-$]} \\ + \sigma &= \text{Spannung [\si{\kilo\pascal}]} \\ + E &= \text{Elastizitätsmodul; Young-Modul [\si{\kilo\pascal}]}\\ + t &= \text{Tiefe [\si{\meter}]} \\ + s &= \text{Setzung, Absenkung [m].} +\end{align*} +Diese Zusammenhänge sind wie erwähnt unter anderem im Lehrbuch \cite{spannung:Grundlagen-der-Geotechnik} beschrieben. In der praktischen Geotechnik wird man allerdings weitaus schwierigere Situationen antreffen. -Ein Beispiel wäre eine Baugrube mit einem Baugrubenabschluss, wo ein Teil des Bodens abgetragen ist (siehe Abbildung 1.3). +Ein Beispiel wäre eine Baugrube mit einem Baugrubenabschluss, wo ein Teil des Bodens abgetragen ist (siehe Abbildung~\ref{fig:Bild3}). Die Ausbreitung der Zusatzspannung $\sigma(x,y,t)$ würde hier deutlich komplizierter ausfallen. Dies bedeutet auch eine komplexere Setzung der Bodenoberfläche infolge einer Flächenlast $\sigma$. -Aus allen zusätzlichen Spannungen müssen die adäquaten Dehnung mit Hilfe einer Spannungsgleichung berechnet werden. -Diese beruht auf Annahmen nach Hooke auf einem linear elastischen Boden. -Generell wird im Ingenieurwesen versucht Phänomene möglichst nach dem Hook'schen Gesetz abbilden zu können. +Aus allen zusätzlichen Spannungen müssen die adäquaten Dehnungen mit Hilfe einer Spannungsgleichung berechnet werden. +Diese beruht auf Annahmen nach Hooke auf einem linear-elastischen Boden. +Generell wird im Bauingenieurwesen oder auch im Maschinenbau versucht, manche Phänomene möglichst nach dem Hook'schen Gesetz abbilden zu können. \begin{figure} \centering - \includegraphics[width=0.5\linewidth,keepaspectratio]{papers/spannung/Grafiken/Bild3.png} - \caption{Beispiel Lastauftrag auf Boden} + \includegraphics[width=0.45\linewidth,keepaspectratio]{papers/spannung/Grafiken/Bild3.png} + \caption{Beispiel eines Lastauftrags auf den Boden bei einer komplexeren Situation, welche kompliziertere Spannungsausbreitung zur Folge hat} \label{fig:Bild3} -\end{figure}
\ No newline at end of file +\end{figure} |