R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
Rechteck
A = b·y, P = b + 2y
Trapez (Böschungsneigung z:1)
A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
Kreisrohr, voll oder halb gefüllt
R = D/4
Erforderliches Gefälle
S = (n·Q/(A·R2/3))²
Pumpen und Pumpenleistung
Hydraulische Leistung
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Wellenleistung
Pshaft = Ph/ηpump
Elektrische Leistung
Pel = Pshaft/ηmotor
Förderhöhe
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Anlagenverluste
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Zeitwert des Geldes
Endwert
FV = PV·(1 + i)n
Barwert
PV = FV/(1 + i)n
Mehrere Perioden pro Jahr
i = r/m, N = m·n
Rente, Barwert
PV = PMT·[1 − (1 + i)−n]/i
Rente, Endwert
FV = PMT·[(1 + i)n − 1]/i
Methode
Zeichne einen Zeitstrahl mit jeder Zahlung und ihrem Zeitpunkt.
Passe den Zinssatz an die Periode an: ein Monatszins für monatliche Zahlungen.
Verwende FV = PV·(1 + i)ⁿ für Einzelbeträge und die Rentenformeln für gleich hohe Zahlungen.
Prüfe Vorzeichen und Größenordnung des Ergebnisses.
Kapitalwert & interner Zinsfuß
Kapitalwert
NPV = −C0 + Σ CFt/(1 + r)t
Gleiche Zahlungen
NPV = −C0 + CF·[1 − (1 + r)−n]/r
Interner Zinsfuß
das r, bei dem NPV = 0
Entscheidung
annehmen, wenn NPV > 0 (oder IRR > geforderte Rendite)
Methode
Liste alle Zahlungen mit ihrem Jahr auf; die Investition in Jahr 0 ist negativ.
Zinse jede Zahlung ab: CFt/(1 + r)t.
Addiere sie zum Kapitalwert (NPV). Positiv bedeutet, dass das Projekt mehr als r erwirtschaftet.
Für den internen Zinsfuß (IRR) suchst du durch Probieren oder Interpolation den Zinssatz, bei dem der Kapitalwert null ist.
Normalverteilung
z-Wert
z = (x − μ)/σ
Unterhalb von x
P(X < x) = Φ(z)
Oberhalb von x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
Dazwischen
Φ(z2) − Φ(z1)
Perzentil
x = μ + z·σ
Methode
Rechne den Wert in einen z-Wert um: z = (x − μ)/σ.
Lies Φ(z) ab, die Fläche links von z.
Für die Fläche rechts verwende 1 − Φ(z); für ein Intervall subtrahiere die beiden linken Flächen.
Für ein Perzentil rechnest du rückwärts: Bestimme z zur Fläche, dann x = μ + z·σ.
2Übungsaufgaben
1.Auflagerkräfte am BalkenMittel
Der Einfeldträger hat in A ein Festlager und in B ein Loslager. Er trägt eine Einzellast P im Abstand 3 m von A und ein eingeprägtes Moment M (gegen den Uhrzeigersinn) im Abstand 1 m von A. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RB, nach oben positiv.
L = 8 mP = 80 kN bei 3 mM = 50 kN·m (gegen den Uhrzeigersinn) bei 1 m
RB = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
Der Kragträger ist in A an der Wand eingespannt. Er trägt eine linear veränderliche Last, die an der Wand 10 kN/m beträgt und bis zum freien Ende B auf null abfällt, sowie eine Einzellast P im Abstand 4 m von der Wand. Bestimme den Betrag des Einspannmoments MA an der Wand.
L = 10 mw0 = 10 kN/mP = 45 kN bei 4 m
MA = kN·m
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
Bestimme mit dem Knotenpunktverfahren die Kraft FAC im Stab AC. Gib Zug positiv und Druck negativ an.
Spannweite = 8 mHöhe = 4 mB liegt 5 m von A entferntvertikale Last = 25 kN
FAC = kN
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
Bestimme mit dem Knotenpunktverfahren die Kraft FAC im Stab AC. Gib Zug positiv und Druck negativ an.
Spannweite = 5 mHöhe = 3 mB liegt 4 m von A entferntvertikale Last = 10 kNhorizontale Last = 25 kN ←
FAC = kN
5.Querkraft und BiegemomentMittel
Die Markierungen A bis G teilen den Balken in sechs gleiche Teile. An welcher Markierung ist das Biegemoment betragsmäßig am größten, positiv oder negativ? Klicke sie im Diagramm an.
10 kN @ 3 m12 kN/m, 1–6 m
1A (x = 0 m)
2B (x = 1 m)
3C (x = 2 m)
4D (x = 3 m)
5E (x = 4 m)
6F (x = 5 m)
7G (x = 6 m)
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
Die Markierungen A bis G teilen den Balken in sechs gleiche Teile. An welcher Markierung ist das Biegemoment betragsmäßig am größten, positiv oder negativ? Klicke sie im Diagramm an.
30 kN @ 12 m40 kN @ 4 m
1A (x = 0 m)
2B (x = 2 m)
3C (x = 4 m)
4D (x = 6 m)
5E (x = 8 m)
6F (x = 10 m)
7G (x = 12 m)
7.DurchbiegungMittel
Ein Kragarm trägt über seine ganze Länge eine Gleichstreckenlast w. Bestimme die Durchbiegung δ am freien Ende.
w = 8 kN/mL = 2,5 mE = 11 GPa (Holz)I = 160 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.DurchbiegungSchwer
Ein Einfeldträger trägt eine Gleichstreckenlast w und eine Einzellast P in Feldmitte. Bestimme mit Superposition die Durchbiegung δmax in Feldmitte.
P = 17 kNw = 8 kN/mL = 3 mE = 70 GPa (Aluminium)I = 160 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Knicken von StützenMittel
Eine Stütze der Länge L aus Stahl ist unten eingespannt und oben gelenkig gelagert. Bestimme mit der Euler-Formel ihre kritische Knicklast Pcr.
L = 1 mE = 200 GPa (Stahl)b × h = 20 × 50 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
Eine Stütze der Länge L aus Stahl ist unten eingespannt und oben gelenkig gelagert. Bestimme ihre Schlankheit und die kritische Knickspannung σcr nach Euler.
L = 1,5 mE = 200 GPa (Stahl)d = 25 mm
σcr = MPa
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
Eine Platte von 100 mm × 150 mm hat ein kreisförmiges Loch mit dem Durchmesser 60 mm auf ihrer vertikalen Mittellinie, dessen Mittelpunkt 105 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.
b = 100 mmh = 150 mmd = 60 mmLochmittelpunkt: y = 105 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
Ein Gusseisenträger hat den dargestellten T-Querschnitt mit dem Flansch oben. Die zulässigen Spannungen betragen 50 MPa auf Zug und 120 MPa auf Druck. Bestimme das größte negative Biegemoment Mallow, das der Träger aufnehmen kann (gib seinen Betrag an).
Eine 3 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,5, Cr = 0,02 und e₀ = 0,8. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 45 kPa und die Vorbelastungsspannung 105 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 30 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.
Eine 6 m dicke Tonschicht hat einen Konsolidationsbeiwert cv = 1 m²/Jahr. Sie liegt auf undurchlässigem Fels, mit Sand darüber, das Wasser kann also nur oben austreten. Für 70 % mittlere Konsolidation ist der Zeitfaktor Tv = 0,403. Wie viele Jahre t braucht die Schicht, um 70 % Konsolidation zu erreichen?
Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 2 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Wasser, seine Oberkante liegt 2,5 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.
Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Meerwasser, seine Oberkante liegt 1,5 m unter der Oberfläche. Bestimme die Tiefe ycp des Druckmittelpunkts unter der Oberfläche.
Wasser (ρ = 1000 kg/m³) fließt mit 0,9 m/s durch ein waagerechtes, 150 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 150 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,02 und g = 9,81 m/s². Bestimme den Druckverlust Δp über das Rohr in kPa.
Zwei offene Behälter sind durch ein 200 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 250 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015 verbunden. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 4 Krümmer (je K = 0,3), ein Ventil (K = 10) und der Auslauf in den unteren Behälter (K = 1,0). Verwende g = 9,81 m/s². Welcher Wasserspiegelunterschied Δz zwischen den Behältern ergibt einen Durchfluss von 60 L/s?
Ein Trapezgerinne (rauer Beton) hat eine Sohlbreite von 5 m und eine Böschungsneigung von 2:1 (horizontal:vertikal). Wasser fließt gleichförmig 1,3 m tief. Manning n = 0,014, und das Sohlgefälle ist S = 0,001. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.
b = 5 my = 1,3 mz = 2n = 0,014S = 0,001
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
Ein Betonkanal mit einem Innendurchmesser von 450 mm (Manning n = 0,013) muss bei gerade voller Füllung eine Selbstreinigungsgeschwindigkeit von 0,9 m/s erreichen. Bestimme das Mindestgefälle S (in m/m).
D = 450 mmn = 0,013V = 0,9 m/s
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
In einem Versuch fördert eine Pumpe 20 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 40 m, während ihre Welle 10,1 kW aufnimmt. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Pumpenwirkungsgrad η in Prozent.
Q = 20 L/sH = 40 mPshaft = 10,1 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
Eine Pumpe fördert 120 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 7 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 300 m lang, hat einen Innendurchmesser von 250 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 8 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Der obere Tank ist geschlossen, und die Luft über dem Wasser steht unter einem Überdruck von 150 kPa. Bestimme die Förderhöhe H, die die Pumpe aufbringen muss.
Eine Kreditkarte berechnet einen nominalen Zinssatz von 15 % pro Jahr bei halbjährlicher Verzinsung. Bestimme den effektiven Jahreszins EAR in Prozent.
r = 15%m = 2
EAR = %
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Du sparst 9 Jahre lang am Ende jedes Monats €50. Das Konto bringt 4,8 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Wie viel hast du am Ende gespart? Bestimme FV.
A = €504,8% / 12N = 108
FV = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Eine Investition von €75 000 bringt am Ende der Jahre 1 bis 4 diese Zahlungen: €18 000, €35 000, €28 000, €24 000. Die Kapitalkosten betragen 9 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.
Ein Projekt kostet €10 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 €7 500, €7 500, €6 000. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.
CF0 = −10 000CF1 = 7 500CF2 = 7 500CF3 = 6 000
IRR = %
29.NormalverteilungMittel
Ziehe z so, dass die schattierte Fläche zwischen −z und z unter der Standardnormalverteilung gleich 0,9164 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.
A = 0,9164
z =
30.NormalverteilungSchwer
Die Lieferzeiten sind normalverteilt mit dem Mittelwert 32 min und der Standardabweichung 6 min. Bestimme den Wert x, unter dem 90 % von ihnen liegen (das 90. Perzentil).
μ = 32σ = 6P = 90%
x = min
3Lösungen
1.Auflagerkräfte am Balken
Antwort: RB = 23,75 kN
Statisches Gleichgewicht: Für einen ruhenden Körper gilt ΣFx = 0, ΣFy = 0 und ΣM = 0 um jeden Punkt. Ersetze jede Streckenlast durch ihre Resultierende (ihre Fläche), die im Schwerpunkt der Lastfigur angreift, und bilde die Momente um ein Auflager, damit dessen Auflagerkraft aus der Gleichung herausfällt.
Momente um A
Gegen den Uhrzeigersinn positiv.
ΣMA = 0: RB·8 − 80·3 + 50 = 0
RB = 190/8 = 23,75 kN
Vertikales Gleichgewicht
RA = 80 − 23,75 = 56,25 kN
Antwort
RB = 23,75 kN
Eine negative Auflagerkraft wirkt nach unten.
2.Auflagerkräfte am Balken
Antwort: MA = 346,7 kN·m
Gleichgewicht am Kragarm: Eine Einspannung kann nach oben drücken und auch eine Drehung verhindern, sie liefert also eine vertikale Auflagerkraft RA und ein Einspannmoment MA. ΣFy = 0 liefert RA, und die Momente um die Wand liefern MA = Σ(Last × Abstand von der Wand). Eine Streckenlast wirkt als ihre Resultierende im Schwerpunkt der Lastfigur.
Resultierende der Dreieckslast
W = ½·10·10 = 50 kN
x̄ = L/3 = 3,333 m
Moment um die Wand
MA = W·x̄ + P·a = 50·3,333 + 45·4 = 346,7 kN·m
Antwort
MA = 346,7 kN·m
3.Fachwerk: Knotenpunktverfahren
Antwort: FAC = 11,72 kN
Knotenpunktverfahren: Jeder Knoten eines Fachwerks ist im Gleichgewicht, also gilt an jedem Knoten ΣFx = 0 und ΣFy = 0. Beginne an einem Knoten mit höchstens zwei unbekannten Stabkräften. Ein negatives Ergebnis bedeutet, dass der Stab auf Druck beansprucht ist.
Auflagerkräfte
Gleichgewicht des ganzen Fachwerks. Momente um A, gegen den Uhrzeigersinn positiv.
ΣMA = 0: Cy·8 = 25·5 → Cy = 15,63 kN
ΣFy = 0: Ay = 25 − 15,63 = 9,375 kN
Knoten C
Das Loslager gibt nur eine vertikale Kraft, daher hat Knoten C nur zwei unbekannte Stabkräfte. Nimm beide als Zug an.
Knotenpunktverfahren: Jeder Knoten eines Fachwerks ist im Gleichgewicht, also gilt an jedem Knoten ΣFx = 0 und ΣFy = 0. Beginne an einem Knoten mit höchstens zwei unbekannten Stabkräften. Ein negatives Ergebnis bedeutet, dass der Stab auf Druck beansprucht ist.
Auflagerkräfte
Gleichgewicht des ganzen Fachwerks. Momente um A, gegen den Uhrzeigersinn positiv.
ΣMA = 0: Cy·5 = 10·4 − 25·3 → Cy = −7 kN
ΣFy = 0: Ay = 10 − −7 = 17 kN
ΣFx = 0: Ax = 25 kN
Knoten C
Das Loslager gibt nur eine vertikale Kraft, daher hat Knoten C nur zwei unbekannte Stabkräfte. Nimm beide als Zug an.
sin γ = 3/3,162 = 0,9487, cos γ = 1/3,162 = 0,3162
Größtes Biegemoment: M ändert seine Steigung überall dort, wo sich die Querkraft ändert, seine Spitzen liegen also dort, wo die Querkraft null kreuzt: unter einer Einzellast, innerhalb einer Streckenlast oder über einem Auflager eines Kragarms. An einer Einspannung eines Kragarms ist das Moment an der Wand am größten. Vergleiche die Größe von M an diesen Stellen, positiv oder negativ.
Auflagerkräfte
Bilde Momente um ein Auflager und verwende dann das vertikale Kräftegleichgewicht.
R1 = 30 kN, R2 = 40 kN
Biegemoment an jeder Markierung
Summiere die Momente aller Kräfte auf einer Seite des Schnitts. Positiv ist ein durchhängendes Moment, negativ ein aufwölbendes.
MA = 0, MB = 30, MC = 54, MD = 66 kN·m, ME = 56, MF = 34, MG = 0
Antwort
Markierung D: MD = 66 kN·m
6.Querkraft und Biegemoment
Antwort: E (x = 8 m)
Größtes Biegemoment: M ändert seine Steigung überall dort, wo sich die Querkraft ändert, seine Spitzen liegen also dort, wo die Querkraft null kreuzt: unter einer Einzellast, innerhalb einer Streckenlast oder über einem Auflager eines Kragarms. An einer Einspannung eines Kragarms ist das Moment an der Wand am größten. Vergleiche die Größe von M an diesen Stellen, positiv oder negativ.
Auflagerkräfte
Bilde Momente um ein Auflager und verwende dann das vertikale Kräftegleichgewicht.
R1 = 5 kN, R2 = 65 kN
Biegemoment an jeder Markierung
Summiere die Momente aller Kräfte auf einer Seite des Schnitts. Positiv ist ein durchhängendes Moment, negativ ein aufwölbendes.
MA = 0, MB = 10, MC = 20, MD = −50, ME = −120 kN·m, MF = −60, MG = 0
Antwort
Markierung E: ME = −120 kN·m
7.Durchbiegung
Antwort: δ = 22,19 mm
Durchbiegung von Balken: Durchbiegungen erhält man durch zweimaliges Integrieren der Krümmung M/(EI). Standardfälle sind tabelliert, zum Beispiel PL³/(3EI) für einen Kragarm mit Endlast und 5wL⁴/(384EI) für einen Einfeldträger unter voller Gleichstreckenlast. Durchbiegungen aus verschiedenen Lasten addieren sich (Superposition).
Konsistente Einheiten
Rechne in N und mm: P in N, w in N/mm (kN/m = N/mm), L in mm, E in N/mm² (GPa × 1000), I in mm⁴.
w = 8 N/mm, L = 2500 mm
EI = 1,76 × 10¹² N·mm²
Durchbiegung
δ = wL⁴/(8EI) = 8·2500⁴/(8·1,76 × 10¹²) = 22,19 mm
Antwort
δ = 22,19 mm
8.Durchbiegung
Antwort: δmax = 1,607 mm
Durchbiegung von Balken: Durchbiegungen erhält man durch zweimaliges Integrieren der Krümmung M/(EI). Standardfälle sind tabelliert, zum Beispiel PL³/(3EI) für einen Kragarm mit Endlast und 5wL⁴/(384EI) für einen Einfeldträger unter voller Gleichstreckenlast. Durchbiegungen aus verschiedenen Lasten addieren sich (Superposition).
Konsistente Einheiten
Rechne in N und mm: P in N, w in N/mm (kN/m = N/mm), L in mm, E in N/mm² (GPa × 1000), I in mm⁴.
P = 17000 N, w = 8 N/mm, L = 3000 mm, EI = 1,12 × 10¹³ N·mm²
Jede Last für sich
δP = PL³/(48EI) = 17000·3000³/(48·1,12 × 10¹³) = 0,8538 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·8·3000⁴/(384·1,12 × 10¹³) = 0,7533 mm
Addieren
δmax = 0,8538 + 0,7533 = 1,607 mm
Antwort
δmax = 1,607 mm
9.Knicken von Stützen
Antwort: Pcr = 134,3 kN
Knicken nach Euler: Eine schlanke Stütze wird bei Pcr = π²EI/(KL)² instabil, wobei KL die Knicklänge ist: K = 1 für gelenkig–gelenkig, 2 für eingespannt–frei, 0,7 für eingespannt–gelenkig und 0,5 für eingespannt–eingespannt. Sie knickt um die Achse mit dem kleinsten I aus. Die Formel gilt für schlanke Stützen, deren kritische Spannung unter der Streckgrenze bleibt.
Kleinstes Flächenträgheitsmoment
Ein Rechteck knickt um seine schwache Achse, mit der kleineren Abmessung hoch drei.
Knicken nach Euler: Eine schlanke Stütze wird bei Pcr = π²EI/(KL)² instabil, wobei KL die Knicklänge ist: K = 1 für gelenkig–gelenkig, 2 für eingespannt–frei, 0,7 für eingespannt–gelenkig und 0,5 für eingespannt–eingespannt. Sie knickt um die Achse mit dem kleinsten I aus. Die Formel gilt für schlanke Stützen, deren kritische Spannung unter der Streckgrenze bleibt.
Kleinstes Flächenträgheitsmoment
Ein runder Querschnitt hat um jede Achse dasselbe I.
I = πd⁴/64 = π·25⁴/64 = 19175 mm⁴
Trägheitsradius und Schlankheit
A = 490,9 mm²
r = √(I/A) = √(19175/490,9) = 6,25 mm
KL = 0,7·1500 = 1050 mm
KL/r = 1050/6,25 = 168
Kritische Spannung
σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/168² = 69,94 MPa
Antwort
σcr = 69,94 MPa
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment
Antwort: Ix = 24,35 × 10⁶ mm⁴
Querschnitte mit Löchern: Behandle ein Loch als negative Fläche. Der Flächenschwerpunkt ist ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), mit A₁, y₁ für die volle Platte und A₂, y₂ für das Loch. Verwende für das Flächenträgheitsmoment um die Schwerachse für jeden Teil den Satz von Steiner und subtrahiere das Loch: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), wobei d der Abstand vom eigenen Schwerpunkt jedes Teils zur Achse durch ȳ ist. Ein Rechteck hat Ic = bh³/12 und ein Kreis Ic = πd⁴/64.
Schwerpunkt
ȳ = (15000·75 − 2827·105)/(15000 − 2827) = 68,03 mm
Volle Platte um ȳ
100·150³/12 + 15000·6,968² = 28,85 × 10⁶ mm⁴
Loch um ȳ
π·60⁴/64 + 2827·36,97² = 4,5 × 10⁶ mm⁴
Subtrahieren
Ix = 24,35 × 10⁶ mm⁴
Antwort
Ix = 24,35 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment
Antwort: Mallow = 32,7 kN·m
Zusammengesetzte Flächen: Teile den Querschnitt in Rechtecke. Der Schwerpunkt ist der flächengewichtete Mittelwert ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Das Flächenträgheitsmoment um die Schwerachse addiert für jeden Teil sein eigenes bh³/12 und seinen Steiner-Anteil A·d², wobei d der Abstand vom Teilschwerpunkt zum Gesamtschwerpunkt ist. Die Biegespannung ist σ = M·y/I.
Effektive Spannung (Terzaghi): Das Korngerüst trägt σ′ = σ − u. Die totale Spannung σ ist das Gewicht von allem über dem Punkt, Σγ·h, mit der Trockenwichte oberhalb des Grundwasserspiegels und der gesättigten Wichte darunter. Unterhalb des Grundwasserspiegels ist der Porenwasserdruck hydrostatisch: u = γw·(Tiefe unter dem Grundwasserspiegel).
Totale Spannung
Addiere das Gewicht jeder Bodenschicht über X. Oberhalb des Grundwasserspiegels die Trockenwichte, darunter die gesättigte Wichte.
Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.
u = γw·(z − zw) = 9,81·6 = 58,86 kPa
Effektive Spannung
σ′ = σ − u = 163,5 − 58,86 = 104,6 kPa
Antwort
σ′ = 104,6 kPa
14.Effektive Spannung im Boden
Antwort: σ = 143 kPa
Effektive Spannung (Terzaghi): Das Korngerüst trägt σ′ = σ − u. Die totale Spannung σ ist das Gewicht von allem über dem Punkt, Σγ·h, mit der Trockenwichte oberhalb des Grundwasserspiegels und der gesättigten Wichte darunter. Unterhalb des Grundwasserspiegels ist der Porenwasserdruck hydrostatisch: u = γw·(Tiefe unter dem Grundwasserspiegel).
Totale Spannung
Addiere das Gewicht jeder Bodenschicht über X. Oberhalb des Grundwasserspiegels die Trockenwichte, darunter die gesättigte Wichte.
σ = γd·1 + γsat,sand·3 + γsat,clay·4
σ = 16·1 + 19·3 + 17,5·4 = 143 kPa
Antwort
σ = 143 kPa
15.Konsolidationssetzung
Antwort: S = 7,395 mm
Primärkonsolidation einer Tonschicht der Dicke H, mit der effektiven Spannung in der Schichtmitte: σ′f = σ′0 + Δσ. Normal konsolidierter Ton: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Überkonsolidierter Ton wird bis zur Vorbelastungsspannung σ′p entlang Cr wiederbelastet und folgt erst darüber Cc. Zeit: t = Tv·Hdr²/cv, wobei der Dränweg Hdr gleich H/2 ist, wenn das Wasser oben und unten austreten kann, und gleich H, wenn nur eine Seite entwässert.
Mit der Vorbelastungsspannung vergleichen
σ′f = 45 + 30 = 75 kPa ≤ 105 kPa
Setzung
Der Ton bleibt auf seiner Wiederbelastungslinie.
S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,02·3/(1 + 0,8)·log₁₀(75/45) = 7,395 mm
Antwort
S = 7,395 mm
16.Konsolidationssetzung
Antwort: t = 14,51 Jahre
Primärkonsolidation einer Tonschicht der Dicke H, mit der effektiven Spannung in der Schichtmitte: σ′f = σ′0 + Δσ. Normal konsolidierter Ton: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Überkonsolidierter Ton wird bis zur Vorbelastungsspannung σ′p entlang Cr wiederbelastet und folgt erst darüber Cc. Zeit: t = Tv·Hdr²/cv, wobei der Dränweg Hdr gleich H/2 ist, wenn das Wasser oben und unten austreten kann, und gleich H, wenn nur eine Seite entwässert.
Dränweg
Hdr = H = 6 m
Zeit
t = Tv·Hdr²/cv = 0,403·6²/1 = 14,51 Jahre
Antwort
t = 14,51 Jahre
17.Hydrostatische Kraft
Antwort: F = 183,9 kN
Hydrostatische Kraft auf eine ebene Fläche: F = ρ·g·yc·A. Sie greift im Druckmittelpunkt an, ycp = yc + Ic/(ycA), der immer unterhalb des Schwerpunkts liegt.
Schwerpunkttiefe und Fläche
yc = d + H/2 = 2,5 + 2,5/2 = 3,75 m
A = H·b = 2,5·2 = 5 m²
Resultierende Kraft
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3,75·5 = 183,9 kN
Antwort
F = 183,9 kN
18.Hydrostatische Kraft
Antwort: ycp = 2,939 m
Hydrostatische Kraft auf eine ebene Fläche: F = ρ·g·yc·A. Sie greift im Druckmittelpunkt an, ycp = yc + Ic/(ycA), der immer unterhalb des Schwerpunkts liegt.
Schwerpunkttiefe und Fläche
yc = d + H/2 = 1,5 + 2,5/2 = 2,75 m
A = H·b = 2,5·1 = 2,5 m²
Resultierende Kraft
F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·2,75·2,5 = 69,13 kN
Druckmittelpunkt
Der Druck nimmt mit der Tiefe zu, daher greift die Resultierende unterhalb des Schwerpunkts an.
Rohrströmung: Die Reynolds-Zahl Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ unterscheidet laminare Strömung (Re unter etwa 2000) von turbulenter Strömung (über etwa 4000). Reibung entlang eines Rohrs kostet die Verlusthöhe nach Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Formstücke, Armaturen, Einlauf und Auslauf erzeugen zusätzlich örtliche Verluste hm = ΣK·V²/(2g). Zwischen zwei offenen Wasserspiegeln liefert die Energiegleichung Δz = hf + hm, einschließlich des Auslaufverlusts K = 1.
Verlusthöhe
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(150/0,15)·0,9²/(2·9,81) = 0,8257 m
Druckverlust
Das Rohr ist waagerecht und die Geschwindigkeit ändert sich nicht, daher reduziert sich die Energiegleichung auf Δp = ρ·g·hf.
Rohrströmung: Die Reynolds-Zahl Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ unterscheidet laminare Strömung (Re unter etwa 2000) von turbulenter Strömung (über etwa 4000). Reibung entlang eines Rohrs kostet die Verlusthöhe nach Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Formstücke, Armaturen, Einlauf und Auslauf erzeugen zusätzlich örtliche Verluste hm = ΣK·V²/(2g). Zwischen zwei offenen Wasserspiegeln liefert die Energiegleichung Δz = hf + hm, einschließlich des Auslaufverlusts K = 1.
Geschwindigkeit
V = Q/A = 0,06/0,04909 = 1,222 m/s
V²/(2g) = 0,07615 m
Verlustbeiwerte
f·L/D = 0,015·200/0,25 = 12
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7
Gesamte Verlusthöhe
hf = 12·0,07615 = 0,9138 m
hm = 12,7·0,07615 = 0,9671 m
Δz = hf + hm = 1,881 m
Antwort
Δz = 1,881 m
21.Gerinneströmung (Manning)
Antwort: Q = 21,01 m³/s
Manning-Gleichung (SI): Für gleichförmige Strömung in einem offenen Gerinne gilt V = (1/n)·R2/3·S1/2 und Q = A·V, mit dem Rauheitsbeiwert n, dem Sohlgefälle S (m/m) und dem hydraulischen Radius R = A/P: Fließquerschnitt geteilt durch benetzten Umfang. In P zählt nur der Rand, der mit dem Wasser in Berührung ist, nicht der Wasserspiegel. Rechteck: A = b·y, P = b + 2y. Trapez mit Böschungsneigung z:1 (horizontal:vertikal): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Ein voll oder halb gefülltes Kreisrohr hat R = D/4.
Geometrie
A = (b + z·y)·y = (5 + 2·1,3)·1,3 = 9,88 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 5 + 2·1,3·√(1 + 2²) = 10,81 m
R = A/P = 0,9136 m
Geschwindigkeit
V = (1/0,014)·0,91362/3·0,0011/2 = 2,127 m/s
Volumenstrom
Q = A·V = 9,88·2,127 = 21,01 m³/s
Antwort
Q = 21,01 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)
Antwort: S = 0,002521 m/m
Manning-Gleichung (SI): Für gleichförmige Strömung in einem offenen Gerinne gilt V = (1/n)·R2/3·S1/2 und Q = A·V, mit dem Rauheitsbeiwert n, dem Sohlgefälle S (m/m) und dem hydraulischen Radius R = A/P: Fließquerschnitt geteilt durch benetzten Umfang. In P zählt nur der Rand, der mit dem Wasser in Berührung ist, nicht der Wasserspiegel. Rechteck: A = b·y, P = b + 2y. Trapez mit Böschungsneigung z:1 (horizontal:vertikal): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Ein voll oder halb gefülltes Kreisrohr hat R = D/4.
Hydraulischer Radius
R = D/4 = 0,45/4 = 0,1125 m
Manning nach S auflösen
S = (n·V/R2/3)² = (0,013·0,9/0,233)² = 0,002521
Antwort
S = 0,002521
Das ist ein Gefälle von 2,521 m pro Kilometer.
23.Pumpen und Pumpenleistung
Antwort: η = 77,7 %
Pumpenleistung: Die an das Wasser abgegebene Leistung ist die hydraulische Leistung Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Die Welle muss mehr liefern, weil in der Pumpe Verluste entstehen: Pshaft = Ph/ηpump, und der Motor nimmt Pel = Pshaft/ηmotor auf. Die Förderhöhe H ergibt sich aus der Energiegleichung: geodätische Höhe + Druckhöhe + alle Reibungs- und örtlichen Verluste.
Hydraulische Leistung
Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,02·40 = 7,848 kW
Wirkungsgrad
η = Ph/Pshaft = 7,848/10,1 = 77,7%
Antwort
η = 77,7%
24.Pumpen und Pumpenleistung
Antwort: H = 30,21 m
Pumpenleistung: Die an das Wasser abgegebene Leistung ist die hydraulische Leistung Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Die Welle muss mehr liefern, weil in der Pumpe Verluste entstehen: Pshaft = Ph/ηpump, und der Motor nimmt Pel = Pshaft/ηmotor auf. Die Förderhöhe H ergibt sich aus der Energiegleichung: geodätische Höhe + Druckhöhe + alle Reibungs- und örtlichen Verluste.
Beide Wasserspiegel sind praktisch in Ruhe, daher gibt es keinen Geschwindigkeitsterm.
H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 7 + 15,29 + 7,919 = 30,21 m
Antwort
H = 30,21 m
25.Zeitwert des Geldes
Antwort: EAR = 15,56 %
Zeitwert des Geldes: Geld heute ist mehr wert als derselbe Betrag später, weil es Zinsen bringen kann. Bei einem Zinssatz i pro Periode wächst ein Betrag auf FV = PV·(1 + i)n. Eine Reihe gleicher Zahlungen (eine Annuität) wird bewertet, indem man alle Zahlungen aufsummiert; daraus ergeben sich die Rentenformeln.
Zinssatz pro Periode
r/m = 0,15/2 = 0,075
Über ein Jahr aufzinsen
EAR = (1 + 0,075)2 − 1 = 1,156 − 1 = 15,56%
Antwort
EAR = 15,56%
Der effektive Jahreszins liegt immer über dem Nominalzins, wenn die Zinsen mehr als einmal im Jahr gutgeschrieben werden.
26.Zeitwert des Geldes
Antwort: FV = 6738 €
Zeitwert des Geldes: Geld heute ist mehr wert als derselbe Betrag später, weil es Zinsen bringen kann. Bei einem Zinssatz i pro Periode wächst ein Betrag auf FV = PV·(1 + i)n. Eine Reihe gleicher Zahlungen (eine Annuität) wird bewertet, indem man alle Zahlungen aufsummiert; daraus ergeben sich die Rentenformeln.
Du hast selbst €5 400 eingezahlt; der Rest sind Zinsen.
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß
Antwort: NPV = 9596 €
Kapitalwert: Zinse jeden Zahlungsstrom mit der geforderten Rendite r auf heute ab und addiere alle: NPV = Σ CFₜ/(1 + r)ᵗ. Ein Projekt mit NPV > 0 verdient mehr als r und schafft Wert. Der interne Zinsfuß (IRR) ist der Zinssatz, bei dem NPV = 0 ist.
Barwert jeder Zahlung
CF0 = −75 000
CF1/(1 + 0,09)1 = 18 000/1,09 = 16 513,76
CF2/(1 + 0,09)2 = 35 000/1,188 = 29 458,80
CF3/(1 + 0,09)3 = 28 000/1,295 = 21 621,14
CF4/(1 + 0,09)4 = 24 000/1,412 = 17 002,21
Addieren
NPV = €9 595,90
Antwort
NPV = €9 595,90
Der Kapitalwert ist positiv, das Projekt verdient also mehr als die geforderte Rendite.
28.Kapitalwert & interner Zinsfuß
Antwort: IRR = 50,99 %
Kapitalwert: Zinse jeden Zahlungsstrom mit der geforderten Rendite r auf heute ab und addiere alle: NPV = Σ CFₜ/(1 + r)ᵗ. Ein Projekt mit NPV > 0 verdient mehr als r und schafft Wert. Der interne Zinsfuß (IRR) ist der Zinssatz, bei dem NPV = 0 ist.
Den IRR eingrenzen
Der Kapitalwert sinkt mit steigendem Zins, also liegt der IRR zwischen einem Zinssatz mit positivem und einem mit negativem Kapitalwert.
NPV(50%) = 111,11
NPV(55%) = −428,32
Eingrenzen
Lineare Interpolation liefert eine erste Schätzung; Wiederholen (oder die IRR-Funktion eines Rechners) liefert den genauen Zinssatz.
IRR ≈ 50 + 5·111,11/(111,11 − (−428,32)) = 51,03%
exakt: NPV(50,99%) = 0 → IRR = 50,99%
Antwort
IRR = 50,99%
29.Normalverteilung
Antwort: z = 1,73
Von einer Fläche zurück zu z: Φ(z) ist die Fläche links von z. Für eine linke Randfläche A suche in der Tabelle z mit Φ(z) = A. Eine rechte Randfläche A bedeutet Φ(z) = 1 − A. Eine zentrale Fläche A zwischen −z und z lässt (1 − A)/2 auf jedem Rand übrig, also Φ(z) = (1 + A)/2. Für einen Wert x verwende x = μ + zσ.
Fläche links von z
Φ(z) = (1 + 0,9164)/2 = 0,9582
Die z-Tabelle rückwärts lesen
Finde 0,9582 in der Tabelle und lies z ab.
z = 1,73
Antwort
z = 1,73
30.Normalverteilung
Antwort: x = 39,69 min
Normalverteilung: Rechne einen Wert x in einen z-Wert um, z = (x − μ)/σ; er gibt an, wie viele Standardabweichungen x vom Mittelwert entfernt liegt. Eine z-Tabelle (oder Φ(z)) liefert die Fläche links von z, also P(X < x). Die Fläche rechts ist 1 − Φ(z), und die Fläche zwischen zwei Werten ist die Differenz ihrer beiden Flächen.
z für das Perzentil
Φ(z) = 0,9 → z = 1,282
Zurück zu x
x = 32 + 1,282·6 = 39,69 min
Antwort
x = 39,69 min
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