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authorAndreas Müller <andreas.mueller@ost.ch>2021-09-06 15:53:41 +0200
committerAndreas Müller <andreas.mueller@ost.ch>2021-09-06 15:53:41 +0200
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-rw-r--r--buch/papers/spannung/Einleitung.tex13
-rw-r--r--buch/papers/spannung/teil0.tex9
-rw-r--r--buch/papers/spannung/teil1.tex16
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diff --git a/buch/papers/spannung/Einleitung.tex b/buch/papers/spannung/Einleitung.tex
index c06207b..1062b8b 100644
--- a/buch/papers/spannung/Einleitung.tex
+++ b/buch/papers/spannung/Einleitung.tex
@@ -1,6 +1,10 @@
\section{Einleitung\label{spannung:section:Einleitung}}
\rhead{Einleitung}
Das Hook'sche Gesetz beschreibt die Beziehung von Spannung und Dehnung von linear-elastischen Materialien im Eindimensionalen.
+\index{Hook'sches Gesetz}%
+\index{Spannung}%
+\index{Dehnung}%
+\index{elastisches Material}%
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.
In jedem erdenklichen Punkt im Dreidimensionalen herrscht daher ein entsprechender individueller Spannungszustand.
@@ -8,6 +12,7 @@ Um das Hook'sche Gesetz für den 3D Spannungszustand formulieren zu können, rei
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.
+\index{Oedometer-Versuch}%
Um die mathematischen und physikalischen Berechnungen anwenden zu können,
müssen vorerst ein paar spezifische Bedingungen vorausgesetzt und Annahmen getroffen werden.
@@ -18,7 +23,11 @@ wie sie in gängigen Lehrbüchern der Mechanik oder der Geotechnik behandelt wer
\section{Spannungsausbreitung\label{spannung:section:Spannungsausbreitung}}
\rhead{Spannungsausbreitung}
Die Geotechnik ist eine Ingenieurdisziplin, bei welcher man Erdbau und den Erdbau tangierende Bauwerke dimensioniert.
+\index{Geotechnik}%
+\index{Erdbau}%
Sie beinhaltet aber auch die statische Beurteilung von Boden und Fels.
+\index{Boden}%
+\index{Fels}%
Belastet man den Boden mit einer Spannung
\[
@@ -53,7 +62,8 @@ Das können beispielsweise verschiedene Bodenkennwerte oder auch der Wassergehal
\label{fig:Bild5}
\end{figure}
-Bei jeder dieser Zusatzspannung geht eine entsprechende Zusatzdehnung des Bodens einher, welche eine Setzung bedeutet.
+Mit jeder dieser Zusatzspannung geht eine entsprechende Zusatzdehnung des Bodens einher, welche eine Setzung bedeutet.
+\index{Setzung}%
Im einfachsten Fall kann modellhaft mit
\[
\varepsilon
@@ -77,6 +87,7 @@ berechnet werden mit:
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~\ref{fig:Bild3}).
+\index{Baugrube}%
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 Dehnungen mit Hilfe einer Spannungsgleichung berechnet werden.
diff --git a/buch/papers/spannung/teil0.tex b/buch/papers/spannung/teil0.tex
index 089c28e..f9afde0 100644
--- a/buch/papers/spannung/teil0.tex
+++ b/buch/papers/spannung/teil0.tex
@@ -17,6 +17,8 @@ Es werden jeweils drei Seiten dieses Würfels betrachtet, wobei die drei gegenü
sodass der Elementarwürfel im Gleichgewicht ist.
Wäre dieses Gleichgewicht nicht vorhanden, käme es zu Verschiebungen und Drehungen.
Das infinitesimale Bodenteilchen hat die Koordinatenachsen $1$, $2$, $3$.
+\index{Normalspannung}%
+\index{Schubspannung}%
Veränderungen der Normalspannungen können durch Schubspannungen kompensiert werden und umgekehrt.
So sind insgesamt neun verschiedene Spannungen möglich, konkret sind dies drei Normal- und sechs Schubspannungen.
Normalspannungen wirken normal (mit rechtem Winkel) zur angreifenden Fläche und Schubspannungen parallel zur angreifenden Fläche.
@@ -61,6 +63,9 @@ mit
\end{align*}
Diese Beziehung gilt bei linear-elastischen Materialien, welche reversible Verformungen zulassen.
Es ist praktisch, die relative Dehnung $\varepsilon$ anzugeben und nicht eine absolute Längenänderung $\Delta l$.
+\index{Dehnung, relativ}%
+\index{Längenänderung}%
+\index{Elastizitätsmodul}%
\begin{figure}
\centering
\includegraphics[width=0.35\linewidth,keepaspectratio]{papers/spannung/Grafiken/Bild1.png}
@@ -78,6 +83,6 @@ Im Falle, dass $E$ nicht konstant ist, wird dieser durch
\[
E
=
-\frac{\text{d}\sigma}{\text{d}\varepsilon}
+\frac{d\sigma}{d\varepsilon}
\]
-ausgedrückt. \ No newline at end of file
+ausgedrückt.
diff --git a/buch/papers/spannung/teil1.tex b/buch/papers/spannung/teil1.tex
index 647b452..10f7663 100644
--- a/buch/papers/spannung/teil1.tex
+++ b/buch/papers/spannung/teil1.tex
@@ -1,9 +1,11 @@
\section{Skalare, Vektoren, Matrizen und Tensoren\label{spannung:section:Skalare,_Vektoren,_Matrizen_und_Tensoren}}
\rhead{Skalare, Vektoren, Matrizen und Tensoren}
Der Begriff Tensor kann als Überbegriff der mathematischen Objekte Skalar, Vektor und Matrix, betrachtet werden.
+\index{Tensor}%
Allerdings sind noch höhere Stufen dieser Objekte beinhaltet.
Skalare, Vektoren oder Matrizen sind daher auch Tensoren.
Ein Skalar ist ein Tensor 0. Stufe.
+\index{Stufe}%
Mit einem Vektor können mehrere Skalare auf einmal beschrieben werden.
Ein Vektor hat daher die Stufe 1 und ist höherstufig als ein Skalar.
Mit einer Matrix können wiederum mehrere Vektoren auf einmal beschrieben werden.
@@ -14,10 +16,18 @@ Jede Stufe von Tensoren verlangt andere Rechenregeln.
So zeigt sich auch der Nachteil von Tensoren mit Stufen höher als 2.
Man ist also bestrebt höherstufige Tensoren mit Skalaren, Vektoren oder Matrizen zu beschreiben.
-In den 40er Jahren vom 19. Jahrhundert wurde der Begriff Tensor von Rowan Hamilton in die Mathematik eingeführt.
+In den 40er Jahren des 19.~Jahrhunderts wurde der Begriff Tensor von Rowan Hamilton in die Mathematik eingeführt.
+\index{Hamilton, Rowan}%
James Clerk Maxwell hat bereits mit Tensoren operiert, ohne den Begriff Tensor gekannt zu haben.
+\index{Maxwell, James Clerk}%
Erst Woldemar Voigt hat den Begriff in die moderne Bedeutung von Skalar, Matrix und Vektor verallgemeinert.
+\index{Voigt, Woldemar}
Er hat in der Elastizitätstheorie als erstes Tensoren eingesetzt und beschrieben.
+\index{Elastizitätstheorie}%
Auch Albert Einstein hat solche Tensoren eingesetzt,
-um in der Relativitätstheorie die Änderung der 4D Raumzeit beschreiben zu können.
-\cite{spannung:Tensor}
+\index{Einstein, Albert}%
+um in der Relativitätstheorie die Änderung der vierdimensionalen Raumzeit beschreiben zu können
+\index{Relativitätstheorie}%
+\index{Raumzeit}%
+\cite{spannung:Tensor}.
+
diff --git a/buch/papers/spannung/teil2.tex b/buch/papers/spannung/teil2.tex
index 8620afe..8bf1968 100644
--- a/buch/papers/spannung/teil2.tex
+++ b/buch/papers/spannung/teil2.tex
@@ -1,18 +1,18 @@
\section{Dreiachsiger Spannungszustand\label{spannung:section:Dreiachsiger_Spannungszustand}}
\rhead{Dreiachsiger Spannungszustand}
-Durch komplexe Spannungsausbreitungen im Boden entstehen im 3D Spannungszustand unterschiedliche Normal- und Schubspannungen.
+Durch komplexe Spannungsausbreitungen im Boden entstehen im 3D-Spannungszustand unterschiedliche Normal- und Schubspannungen.
\begin{figure}
\centering
\includegraphics[width=0.30\linewidth,keepaspectratio]{papers/spannung/Grafiken/infinitesimalerWuerfel.png}
\caption{Beispiel eines Spannungszustandes; Vergrösserung eines infinitesimalen Bodenteilchen}
\label{fig:infinitesimalerWuerfel}
\end{figure}
-Ein Tensor 0. Stufe, sprich ein Skalar, kann lediglich den 1D Spannungszustand beschreiben.
-Um den 3D Spannungszustandes als ein mathematisches Objekt darstellen zu können, wird ein Tensor 2. Stufe, sprich eine Matrix, eingesetzt.
+Ein Tensor 0.~Stufe, sprich ein Skalar, kann lediglich den 1D-Spannungszustand beschreiben.
+Um den 3D-Spannungszustandes als ein mathematisches Objekt darstellen zu können, wird ein Tensor 2.~Stufe, sprich eine Matrix, eingesetzt.
Die Spannungen sind durch die zwei Indizes
-\[
+\(
i, j\in\left\{1, 2, 3\right\}
-\]
+\)
definiert.
Daher ergeben sich die neun Spannungen.
Die nachfolgenden Zusammenhänge sind in \cite{spannung:Voigtsche-Notation} beschrieben.
@@ -30,11 +30,11 @@ Dieser Spannungstensor kann schliesslich mit $3^2$ Einträgen als $3\times3$ Mat
\]
dargestellt werden und beschreibt somit den gesamten Spannungszustand.
Die Dehnungen wirken in die gleichen Richtungen wie die korrespondierenden Spannungen und sind durch die zwei Indizes
-\[
+\(
k, l\in\left\{1, 2, 3\right\}
-\]
+\)
definiert.
-Der Dehnungstensor ist ebenfalls ein Tensor 2. Stufe und kann somit auch als $3\times3$ Matrix mit
+Der Dehnungstensor ist ebenfalls ein Tensor 2.~Stufe und kann somit auch als $3\times3$ Matrix mit
\[
\overline{\varepsilon}
=
@@ -48,7 +48,7 @@ Der Dehnungstensor ist ebenfalls ein Tensor 2. Stufe und kann somit auch als $3\
\]
dargestellt werden und beschreibt den gesamten Dehnungszustand.
-Der Spannungs- und Dehnungstensor 2. Stufe kann je in einen Tensor 1. Stufe überführt werden, welches ein Spaltenvektor ist.
+Der Spannungs- und Dehnungstensor 2.~Stufe kann je in einen Tensor 1.~Stufe überführt werden, welches ein Spaltenvektor ist.
Man darf Zeile um Zeile in eine Spalte notieren, sodass es einen Spaltenvektor ergibt.
So ergibt sich der Spannungsvektor
@@ -108,18 +108,19 @@ und der Dehnungsvektor
\end{pmatrix}
.
\]
-Um die Beziehung von Spannung und Dehnung, welche mit Tensoren 2. Stufe ausgedrückt werden, zu beschreiben, wird ein Elastizitätstensor 4. Stufe benötigt.
-Dieser ist im 1D Spannungszustand ein Tensor 0. Stufe und somit ein Skalar, der Elastizitätsmodul $E$.
+Um die Beziehung von Spannung und Dehnung, welche mit Tensoren 2.~Stufe ausgedrückt werden, zu beschreiben, wird ein Elastizitätstensor 4.~Stufe benötigt.
+\index{Elastizitätstensor}%
+Dieser ist im 1D-Spannungszustand ein Tensor 0.~Stufe und somit ein Skalar, der Elastizitätsmodul $E$.
-Dieser Elastizitätstensor 4. Stufe kann als Tensor 2. Stufe, sprich als Matrix, dargestellt werden.
+Dieser Elastizitätstensor 4.~Stufe kann als Tensor 2.~Stufe, sprich als Matrix, dargestellt werden.
So wird die Spannungsgleichung stark vereinfacht, da nun eine Matrix auf einen Vektor operiert.
-Dieser Tensor muss für eine Spannung jeden Einfluss aus allen 9 Dehnungen mit Konstanten erfassen.
-Dies bedeutet um eine von 9 Spannungen berechnen zu können müssen alle 9 Dehnung mit unterschiedlichen Faktoren summiert werden.
-Es ergeben sich $9^2$ Einträge, welches mit den 4 Indizes
-\[
+Dieser Tensor muss für eine Spannung jeden Einfluss aus allen neun Dehnungen mit Konstanten erfassen.
+Dies bedeutet um eine von neun Spannungen berechnen zu können müssen alle neun Dehnung mit unterschiedlichen Faktoren summiert werden.
+Es ergeben sich $9^2$ Einträge, welches mit den vier Indizes
+\(
i, j, k, l\in\left\{1, 2, 3\right\}
,
-\]
+\)
die zueinander verknüpft werden müssen, zu begründen ist.
Es ergeben sich $3^4$ Einträge, sprich eine $9\times9$ Matrix, welche allgemein
\[
@@ -157,6 +158,7 @@ C_{ijkl}\cdot\varepsilon_{kl}
\]
geschrieben werden.
Der Elastizitätstensor muss für isotrope Materialien zwingend symmetrisch sein.
+\index{isotrop}%
Folglich gilt:
\[
\overline{\overline{C}}
@@ -169,6 +171,8 @@ Die Konstanten $C$ werden nun nach dem Hook'schen Gesetz mit Hilfe des Elastizit
Da dieser Modul durch die eindimensionale Betrachtung definiert ist,
muss für die dreidimensionale Betrachtung eine weitere Kennzahl eingeführt werden.
Dies ist die Querdehnungszahl $\nu$ (auch Poisson-Zahl), welche durch
+\index{Querdehnungszahl}%
+\index{Poisson-Zahl}%
\[
\nu
=
@@ -228,7 +232,7 @@ Die Normalspannung $\sigma_{22}$ lässt sich zum Beispiel als
\]
berechnen.
-Reduzierte Spannungs- und Dehnungsgleichungen
+\section{Reduzierte Spannungs- und Dehnungsgleichungen}
Man betrachte nun die Eigenschaften des Elastizitätstensors.
Dieser ist quadratisch und symmetrisch, die verschiedenen Einträge wechseln sich aber miteinander ab.
@@ -270,6 +274,7 @@ und folglich auch
\]
gilt.
Diese Eigenschaft wird durch die Voigt'sche Notation \cite{spannung:Voigtsche-Notation} ausgenutzt, um die Gleichung vereinfachen zu können.
+\index{Voigt'sche Notation}%
Durch diese Symmetrie gilt
\[
\overline{\sigma}
@@ -442,7 +447,8 @@ Es ist ersichtlich, dass die Schubdehnungen keinen Einfluss auf $\sigma_{33}$ ha
Der Einfluss der zu $\sigma_{33}$ äquivalenten Dehnung $\varepsilon_{33}$ hat den grössten Einfluss.
Die anderen Normalspannungen $\sigma_{11}$ und $\sigma_{22}$ haben einen unter anderem mit $\nu$ korrigierten Einfluss.
-Von $\overline{\overline{C}}$ bildet man die inverse Matrix $\overline{\overline{C}}\mathstrut^{-1}$, mithilfe des Gauss - Jordan Algorithmus, um die Gleichung umstellen zu können.
+Von $\overline{\overline{C}}$ bildet man die inverse Matrix $\overline{\overline{C}}\mathstrut^{-1}$, mithilfe des Gauss-Jordan-Algorithmus, um die Gleichung umstellen zu können.
+\index{Gauss-Algorithmus}%
Durch einige Berechnungsschritte erhält man die Dehnungsgleichung:
\[
@@ -492,4 +498,4 @@ Um wieder die Einflüsse der Parameter veranschaulichen zu können berechnet man
\]
Diese hängt wieder am meisten von $\sigma_{22}$ ab.
Ist die Querdehnung $\nu$ grösser, so wird die Dehnung $\varepsilon_{22}$ reduziert.
-Bei inkompressiblen Medien, bei welchen keine Dehnungen und nur identische Normalspannungen auftreten können, ist folglich $\nu=0.5$.
+Bei inkompressiblen Medien, bei welchen keine Dehnungen und nur identische Normalspannungen auftreten können, ist folglich $\nu=\frac12$.
diff --git a/buch/papers/spannung/teil3.tex b/buch/papers/spannung/teil3.tex
index a9080ea..c68c0d1 100644
--- a/buch/papers/spannung/teil3.tex
+++ b/buch/papers/spannung/teil3.tex
@@ -62,7 +62,7 @@ und
\frac{3E}{2(1+\nu)} \overbrace{\frac{2}{3}(\varepsilon_{11} - \varepsilon_{33})}^{\displaystyle{\varepsilon_{s}}}
.
\]
-Die Faktoren mit den Dehnungskomponenten können so mit
+Die Faktoren mit den Dehnungskomponenten können so als
\[
\varepsilon_{v}
=
diff --git a/buch/papers/spannung/teil4.tex b/buch/papers/spannung/teil4.tex
index 00b2d4f..2e0de45 100644
--- a/buch/papers/spannung/teil4.tex
+++ b/buch/papers/spannung/teil4.tex
@@ -1,6 +1,9 @@
\section{Oedometrischer Elastizitätsmodul\label{spannung:section:Oedometrischer Elastizitätsmodul}}
\rhead{Oedometrischer Elastizitätsmodul}
Mit dem Oedometer-Versuch kann der oedometrische Elastizitätsmodul $E_{\text{OED}}$ bestimmt werden.
+\index{Oedometer-Versuch}%
+\index{oedometrischer Elastizitätsmodul}%
+\index{Elastizitätsmodul, oedometrisch}%
Dieser beschreibt ebenfalls das Verhältnis zwischen Spannung und Dehnung, allerdings unter anderen Bedingungen.
Diese Bedingung ist das Verhindern der seitlichen Verformung, sprich der Dehnung in Richtung $1$ und $2$.
Es wird ein Probeelement mit immer grösseren Gewichten belastet, welche gleichmässig auf das Material drücken.
@@ -33,6 +36,12 @@ Die Spannung $\sigma_{11}$ wird durch die aufgebrachte Kraft mit
=
\frac{F}{A}
\]
+\begin{figure}
+ \centering
+ \includegraphics[width=0.45\linewidth,keepaspectratio]{papers/spannung/Grafiken/DiagrammOedometer-Versuch.png}
+ \caption{Diagramm Charakteristik verschiedener Elastizitätsmodule bei gleichem Material}
+ \label{fig:DiagrammOedometer-Versuch}
+\end{figure}%
und die Dehnung $\varepsilon_{11}$ jeweils mit den entsprechenden Setzungen berechnet.
Diese Randbedingungen können in die vereinfachte Gleichung \eqref{spannung:Matrixschreibweise} eingesetzt werden.
Diese lautet nun:
@@ -71,9 +80,3 @@ Den Versuch kann man auf einem $\sigma$-$\varepsilon$-Diagramm abtragen (siehe A
Durch die Komprimierung nimmt der Boden mehr Spannung auf, und verformt sich zugleich weniger stark.
Mit diesem ermittelten $E_{\text{OED}}$ kann man nun weitere Berechnungen für die Geotechnik durchführen.
-\begin{figure}
- \centering
- \includegraphics[width=0.45\linewidth,keepaspectratio]{papers/spannung/Grafiken/DiagrammOedometer-Versuch.png}
- \caption{Diagramm Charakteristik verschiedener Elastizitätsmodule bei gleichem Material}
- \label{fig:DiagrammOedometer-Versuch}
-\end{figure} \ No newline at end of file