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E-Book

Physik im Bauwesen

Grundwissen und Bauphysik

AutorRhena Krawietz, Wilfried Heimke
VerlagFachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag
Erscheinungsjahr2007
Seitenanzahl244 Seiten
ISBN9783446411630
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis23,99 EUR

Die "Physik im Bauwesen" umfasst physikalische Grundgesetze, die im Baubereich für die Fächer Baumechanik, Wasserwesen, Metallbau, Technische Gebäudeausrüstung und Baustofflehre erforderlich sind, und als spezielle Anwendung in der Baupraxis die klassischen Gebiete der Bauphysik Wärme, Feuchte, Schall, erweitert um die Kapitel Beleuchtungstechnik, Farben, Elektrizität, Brandschutz und Materialprüfung.

Das Lehrbuch ist aus Vorlesungen der Autoren hervorgegangen und wendet sich an Studienanfänger des Bauingenieurwesens und der Architektur. Eingefügte Anwendungsbeispiele und die ausführliche Beschreibung von Demonstrationsversuchen helfen, die theoretischen Zusammenhänge besser zu verstehen. Eine Vielzahl von Aufgaben zu den einzelnen Kapiteln mit ausführlichen Lösungen im Anhang sollen das aktive Lernen fördern.

Die Darstellung der Grundlagen aus Mechanik, Schwingungen und Wellen, Elektrodynamik, Thermodynamik sowie Strahlung und Materie kann auch von Studierenden anderer Ingenieurwissenschaften zur Wissensaneignung genutzt werden.

Das Hervorheben wichtiger Formeln, die Angabe von Einheiten und ein sehr ausführliches Sachwortverzeichnis machen das Buch gleichzeitig zu einem Kompendium für in der Praxis tätige Bauingenieure.

Die Autoren

Prof. Dr.-Ing. Rhena Krawietz lehrt seit 2001 Physik und Bauphysik an der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH).
Prof. Dr. Wilfried Heimke war bis zu seiner Emeritierung an der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) für die Fächer Technische Physik und Bauphysik berufen.

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Leseprobe

Vorwort (S. 5-6)

Die „Physik im Bauwesen" umfasst zum einen physikalische Grundgesetze, deren bautechnische Anwendungen in technischen Disziplinen ausführlich behandelt werden. Zum anderen werden bauspezifische Teilgebiete detaillierter dargestellt, um den (zukünftigen) Bauingenieur und Architekten zur Anwendung naturwissenschaftlichen Grundwissens im Fachgebiet „Bauphysik" zu befähigen.

In seinem ersten Teil stellt das vorliegende Lehrbuch deshalb die physikalischen Grundgesetze für das Bauwesen in der Form eines Kompendiums systematisch dar. Die Teilgebiete Mechanik, Felder, Schwingungen und Wellen, Thermodynamik, Strahlung und Materie wurden dabei so ausgewählt und durch einen Abschnitt Fehlerrechnung bei physikalischen Experimenten ergänzt, dass sie auch von Studierenden anderer ingenieurtechnischer Studienrichtungen genutzt werden können.

In seinem zweiten Teil werden die Gesetze der Bauphysik ausführlich behandelt. Die für den Bauingenieur und Architekten wichtigen Phänomene werden hier nicht nur beschrieben, sondern deren Gemeinsamkeiten und Verallgemeinerungsmöglichkeiten durch die Aufdeckung der physikalischen, logischen Struktur gezeigt. Dabei kann die „Physik im Bauwesen" kein Ersatz für die in der Baukonstruktionslehre zu behandelnden bauphysikalischen Forderungen und deren Realisierung sein, sie soll vielmehr dem Bauingenieur und Architekten helfen, die physikalischen Grundregeln in seinem Fach fortdauernd anzuwenden und damit zu seiner Disponibilität beitragen.

Die physikalischen Phänomene werden weitgehend unabhängig von bestehenden Normenwerken (die sich in einer fortschreitenden Entwicklung befinden) dargestellt, für die Anwendung in der Praxis ist aber deren Kenntnis zusätzlich erforderlich.

Den mittlerweile klassischen Gebieten der Bauphysik (Wärme, Feuchte, Schall, Licht und Brand) wurden die Kapitel Elektrizität und Materialprüfung hinzugefügt, um die Grundkenntnisse auf wichtige Teilgebiete, mit denen der Bauingenieur und Architekt in Berührung kommt, auszudehnen.

Das Buch ist aus Vorlesungen hervorgegangen, die die Autoren an der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden für Architekten und Bauingenieure gehalten haben bzw. halten. Es wendet sich deshalb an Studierende dieser Grundstudienrichtungen. Darüber hinaus kann es in der Praxis tätigen Bauingenieuren und Architekten als Nachschlagewerk dienen. Die Beschreibungen von Demonstrations-Experimenten, Aufgaben am Ende jedes Abschnitts (mit ausführlichen Lösungen im Anhang) und eingefügte Anwendungsbeispiele entsprechen dem Lehrbuchcharakter. Eine (innerhalb der Abschnitte fortlaufende) Nummerierung wichtiger Formeln und Tabellen, die Hervorhebung der Sachwörter sowie ein Verzeichnis dieser Sachwörter und der verwendeten Formelzeichen sollen das Nachschlagen erleichtern.

Beim Leser werden Kenntnisse aus den Fächern Mathematik und Physik, wie sie der Hochschulreife der allgemeinbildenden Schule entsprechen, vorausgesetzt. Bei der Darstellung der Formeln für technische Berechnungsverfahren wurde bewusst nicht auf eine Herleitung verzichtet, um dabei auch typische Methoden der physikalischen Erkenntnisgewinnung demonstrieren zu können und gleichzeitig die Voraussetzungen für die Anwendbarkeit zu zeigen. Beim informatorischen Lesen können diese Ableitungen übergangen werden, die Standardformeln lassen sich auch mit geringem mathematischen Aufwand anwenden.

Die verwendeten Formelzeichen entsprechen weitgehend Beispielen aus der weiterführenden Literatur (einschl. Normen und Nachschlagwerke). Sie bezeichnen ausnahmslos physikalische Größen, deren SI-Einheiten jeweils beim erstmaligen Auftauchen im Text gesondert angegeben sind.

Bei der technischen Fertigstellung des satzfertigen Manuskripts leisteten Frau Annett Lossau, Frau Nicole Baude sowie die Herren Dipl.-Ing. (FH) Michael Starke, Dipl.-Ing. (FH) Maik Rentzsch und Fritz Thomas wertvolle Hilfe. Ihnen gebührt der herzliche Dank der Autoren ebenso wie dem Verlag und insbesondere Frau Christine Fritzsch, Frau Franziska Kaufmann und Frau Heidi Bornemann.

Inhaltsverzeichnis
Vorwort6
Inhaltsverzeichnis8
Grundlagen14
1 Einführung14
1.1 Physikalische Größen14
1.1.1 Symbolik14
1.1.2 Maßeinheiten14
1.1.3 Größen- und Zahlenwertgleichungen15
1.2 Fehlerrechnung16
1.2.1 Fehlerarten16
1.2.2 Fehler einer Messreih17
1.2.3 Fehlerfortpflanzung18
1.2.4 Lineare Regression (Ausgleichsgerade)20
2 Mechanik23
2.1 Kinematik und Dynamik23
2.1.1 Punktmasse, starrer und elastischer Körper23
2.1.2 Eindimensionale Bewegung24
2.1.3 Bewegung im Rau25
2.1.4 NEWTONsche Axiome27
2.1.5 Arbeit, Leistung und Energie30
2.2 Erhaltungssätze32
2.2.1 Impulssatz32
2.3 Bewegte Bezugssysteme33
2.3.1 Inertialsystem33
2.3.2 Translatorisch beschleunigte Bezugssysteme33
2.3.3 Gleichförmig rotierendes Bezugssystem34
2.4 Aufbau der Stoffe35
2.4.1 Atome, Moleküle, Ionen35
2.4.2 Bindungskräfte und -arten,37
2.5 Feste Körper41
2.5.1 Starrer Körper41
2.5.2 Kräfte am starren Körper41
2.5.3 Statik43
2.5.4 Starrer Rotato45
2.5.5 Äußere Reibung46
2.5.6 Elastische Stoffe47
2.6 Flüssigkeiten und Gase50
2.6.1 Kennzeichen der Flüssigkeiten und Gase50
2.6.2 Oberflächenspannung50
2.6.3 Druck in Flüssigkeiten und Gasen51
2.6.4 Flüssigkeiten und Gase im Schwerefeld52
2.6.5 Bewegte Flüssigkeiten und Gase52
3 Felder57
3.1 Gravitationsfeld57
3.1.1 Feldstärke57
3.1.2 Potenzial57
3.2 Statisches elektrisches Feld58
3.2.1 Elektrostatik58
3.2.2 Elektrostatik der Metalle59
3.2.3 Nichtleiter im elektrischen Feld60
3.3 Stationärer elektrischer Strom61
3.3.1 Gleichstrom in Metallen und Flüssigkeiten61
3.3.2 Gesetze des Ladungstransporte62
3.4 Statisches magnetisches Feld64
3.4.1 Magnetostatik64
3.4.2 Stoffe im Magnetfeld64
3.4.3 Magnetische Wirkungen elektrische66
3.4.4 Kräfte im Magnetfeld67
3.5 Instationäre Felder67
3.5.1 Elektromagnetische Induktion67
3.5.2 Wechselstrom68
4 Schwingungen und Wellen70
4.1 Mechanische Schwingungen70
4.1.1 Harmonische Schwingungen70
4.1.2 Gedämpfte harmonische Schwingung71
4.1.3 Erzwungene harmonisch72
4.1.4 Überlagerung von Schwingungen75
4.1.5 Schwingungen ausgedehnter Medien77
4.2 Mechanische Wellen78
4.2.1 Wellengleichung78
4.2.2 Wellenarten80
4.2.3 Reflexion, Brechung und Beugung80
4.2.4 Stehende Wellen82
4.2.5 Doppler-Effekt82
4.3 Elektromagnetische Wellen83
4.3.1 Wellengleichung83
4.3.2 Elektromagnetisches Spektru83
4.3.3 DOPPLER-Effekt für elektromagnetische Wellen84
4.3.4 Strahlenoptik84
4.3.5 Wellenoptik88
5 Thermodynamik91
5.1 Temperatur und Wärmemenge91
5.1.1 Temperaturskalen91
5.1.2 Thermische Ausdehnung91
5.1.3 Wärmekapazität92
5.2 Zustandsänderungen93
5.2.1 Zustandsgrößen93
5.2.2 Zustandsgleichungen93
5.2.3 Thermodynamische Prozesse94
5.3 Phasenumwandlungen96
5.3.1 Aggregatzustände und Phasen96
5.3.2 Umwandlungswärmen97
6 Strahlung und Materie99
6.1 Atomspektren99
6.1.1 Quantelung der Energie99
6.1.2 Induzierte Emission100
6.2 Wechselwirkung von Strahlung und Materie101
6.2.1 Photo- und COMPTON-Effekt101
6.2.2 Bremsstrahlung101
6.2.3 Paarbildung102
6.3 Radioaktivität102
6.3.1 Instabile Kerne102
6.3.2 Zerfallsgesetz102
Bauphysik105
7 Gegenstand der Bauphysik105
8 Wärmetransport107
8.1 Temperaturausgleich107
8.1.1 Temperaturmessung107
8.1.2 Arten des Wärmetransportes108
8.2 Wärmeleitung109
8.2.1 Stationärer Wärmestrom109
8.2.2 Messverfahren für die Wärmeleitfähigkeit111
8.2.3 Wärmedurchgang112
8.2.4 Wärmediffusion116
8.2.5 Temperaturwellen118
8.2.6 Kurzzeitige Wärmeableitung122
8.3 Wärmekonvektion124
8.3.1 Konvektionsstromdichte124
8.3.2 Lüftungswärmeverlust125
8.4 Wärmestrahlung126
8.4.1 Strahlungsgesetze126
8.4.2 Strahlungsabsorption, -reflexion und127
8.5 Energieberechnungen129
8.5.1 Wärmedurchgang durch transparente129
9 Feuchtigkeitstransport131
9.1 Kapillarität131
9.2 Luftfeuchtigkeit132
9.2.1 Absolute und relative Luftfeuchtigkeit132
9.2.3 Messverfahren für die Luftfeuchtigkeit135
9.2.2 Taupunkt135
9.3 Wasserdampfdiffusion136
9.3.1 Stationärer Dampfstro136
9.3.2 Dampfleitfähigkeit138
10 Schallausbreitung141
10.1 Schallfeldgrößen141
10.1.1 Wellengleichung141
10.1.2 Schallgeschwindigkeit142
10.1.3 Schalldruck und Schallschnelle142
10.1.4 Klanganalyse143
10.1.5 Stehende Schallwellen144
10.2 Wellenausbreitung146
10.2.1 Reflexion und Brechung146
10.2.2 Beugung147
10.3 Energiestrom einer Welle148
10.3.1 Energie- und Stromdichte148
10.3.2 Schallstärke und Schallpege149
10.4 Physiologische Akustik150
10.4.1 Hörfläche150
10.4.2 Lautheit152
10.4.3 Bewertete Schallpegel153
10.4.4 Trägheit der Gehörempfindung153
10.5 Schallabsorption und Schalldämmung154
10.5.1 Schluck- und Reflexionsgrad154
10.5.2 Schallabsorption155
10.5.3 Nachhall156
10.5.4 Schalldämm-Maß159
10.5.5 Luftschall- und Körperschall-Dämmung163
10.6 Verkehrslärm166
10.6.1 Äquivalenter Dauerschallpegel166
10.6.2 Entfernungsgesetz167
10.7 Ultraschall169
11 Beleuchtung170
11.1 Lichttechnische Grundbegriffe170
11.1.1 Lichtstrom, Lichtstärke, Wirkungsgrad170
11.1.2 Beleuchtungsstärke172
11.1.3 Leuchtdichte, Leuchtdichtefaktor172
11.1.4 Messung lichttechnischer Größen173
11.2 Tageslicht174
11.2.1 Natürliche Beleuchtung174
11.2.2 Tageslichtquotient175
11.3 Künstliches Licht178
11.3.1 Lichterzeugung178
11.3.2 Temperaturstrahle178
11.3.3 Luminiszenzstrahle179
11.4 Farben182
11.4.1 Farbreize182
11.4.2 Farbvalenzen183
11.4.3 Farbempfindungen188
12 Elektrizität191
12.1 Blitzerscheinungen191
12.1.1 Elektrostatische Grundlagen191
12.1.2 Feldstärke und Entladungsmechanismu193
12.1.3 Entladungsdauer und -strom,194
12.2 Elektrostatische Verfahren195
12.2.1 Elektrofilter, elektrische Sortierung195
12.2.2 Beschichtungsverfahren195
12.3 Elektroosmose196
12.3.1 Unipolare Stromleitung196
12.3.2 Aktive und passive Elektroosmos197
12.4 Elektrolytische Erscheinungen197
12.4.1 Elektrolytische Verfahren197
12.4.2 Dissoziation198
12.4.3 Elektrochemisches Entsalzen198
13 Brandschutz199
13.1 Anforderungen199
13.2 Brandverlauf199
13.3 Brandverhalten201
13.3.1 Stahlkonstruktionen201
13.3.2 Betonkonstruktionen202
13.3.3 Holzkonstruktionen203
13.4 Nachweisverfahren203
14 Materialprüfung204
14.1 Grobstrukturuntersuchungen204
14.1.1 Wechselwirkung an Atomen,204
14.1.2 Defektoskopie204
14.2 Feinstrukturuntersuchungen205
14.2.1 Wechselwirkung an Gittern, Beugung205
14.2.2 Elektronenmikroskopie205
14.3 Sonstige Prüfverfahren208
14.3.1 R ÖNTGEN-Fluoreszenzanalyse208
14.3.2 Kombinierte Verfahren208
14.3.3 Elektronenstrahl-Mikroanalysato209
14.3.4 Streuung von Strahlen209
14.3.5 Neutronenstreuung211
14.3.6 Magnetische und magnetoinduktive212
Lösungen216
Lösungen der Aufgaben zum Teil Grundlagen216
Lösungen der Aufgaben zum Teil Bauphysik221
Verzeichnis der Formelzeichen227
Sachwortverzeichnis237

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