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 Kragträger ist in A an der Wand eingespannt. Er trägt über seine ganze Länge eine Gleichstreckenlast w und eine Einzellast P im Abstand 4 m von der Wand. Bestimme den Betrag des Einspannmoments MA an der Wand.
L = 6 mP = 45 kN bei 4 mw = 4 kN/m von 0 bis 6 m
MA = kN·m
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
Der Einfeldträger hat in A ein Festlager und in B ein Loslager. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RB.
L = 8 mP = 35 kN bei 7 mw = 10 kN/m von 2 bis 4 m
RB = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
Genau ein Stab dieses Fachwerks trägt unter diesen Lasten keine Kraft. Welcher ist der Nullstab? Klicke ihn im Diagramm an.
C: 20 kN ↓D: 35 kN ↓G: 15 kN ↓
1Stab AB
2Stab BC
3Stab CD
4Stab DE
5Stab FG
6Stab GH
7Stab AF
8Stab HE
9Stab BF
10Stab CG
11Stab DH
12Stab FC
13Stab HC
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
Genau ein Stab dieses Fachwerks trägt unter diesen Lasten keine Kraft. Welcher ist der Nullstab? Klicke ihn im Diagramm an.
B: 20 kN ↓G: 15 kN ↓H: 40 kN ↓H: 35 kN ←
1Stab AB
2Stab BC
3Stab CD
4Stab DE
5Stab FG
6Stab GH
7Stab AF
8Stab HE
9Stab BF
10Stab CG
11Stab DH
12Stab BG
13Stab DG
5.Querkraft und BiegemomentMittel
Bestimme das Biegemoment Mx im Schnitt x = 4,5 m vom Auflager A. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.
L = 8 mw = 12 kN/m von 0 bis 8 mx = 4,5 m
Mx = kN·m
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
Der Balken liegt in A auf einem Festlager und in B auf einem Loslager und kragt über B um 1,5 m bis zum freien Ende C aus. Über die ganze Länge A–C wirkt eine Gleichstreckenlast w. Bestimme das maximale positive Biegemoment Mmax zwischen den Auflagern.
L = 7,5 mw = 12 kN/m von 0 bis 7,5 mAuflager bei x = 0 und x = 6 m
Mmax = kN·m
7.DurchbiegungMittel
Ein Einfeldträger trägt über die ganze Spannweite eine Gleichstreckenlast w. Bestimme die maximale Durchbiegung δmax in Feldmitte.
w = 12 kN/mL = 8 mE = 70 GPa (Aluminium)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.DurchbiegungSchwer
Ein Einfeldträger trägt eine Gleichstreckenlast w. Seine Durchbiegung darf Spannweite/360 nicht überschreiten. Bestimme das kleinste Flächenträgheitsmoment Ireq, das diese Grenze einhält.
w = 8 kN/mL = 1,5 mE = 11 GPa (Holz)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
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 = 2,5 mE = 200 GPa (Stahl)b × h = 50 × 80 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
Eine Stütze der Länge L aus Stahl ist an beiden Enden gelenkig gelagert. Bestimme ihre Schlankheit und die kritische Knickspannung σcr nach Euler.
L = 5 mE = 200 GPa (Stahl)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
Eine Platte von 150 mm × 200 mm hat ein kreisförmiges Loch mit dem Durchmesser 50 mm auf ihrer vertikalen Mittellinie, dessen Mittelpunkt 140 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.
b = 150 mmh = 200 mmd = 50 mmLochmittelpunkt: y = 140 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 150 MPa auf Druck. Bestimme das größte positive Biegemoment Mallow, das der Träger aufnehmen kann.
Eine 5,5 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,4, Cr = 0,02 und e₀ = 0,85. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 55 kPa und die Vorbelastungsspannung 125 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 80 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.
Eine 9 m dicke Tonschicht hat einen Konsolidationsbeiwert cv = 0,8 m²/Jahr. Sie liegt auf undurchlässigem Fels, mit Sand darüber, das Wasser kann also nur oben austreten. Für 60 % mittlere Konsolidation ist der Zeitfaktor Tv = 0,287. Wie viele Jahre t braucht die Schicht, um 60 % Konsolidation zu erreichen?
Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Wasser, seine Oberkante liegt 4 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.
d = 4 mH = 3 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
18.Hydrostatische KraftSchwer
Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Wasser, seine Oberkante liegt 1 m unter der Oberfläche. Bestimme die Tiefe ycp des Druckmittelpunkts unter der Oberfläche.
Wasser (ρ = 1000 kg/m³) fließt mit 2,2 m/s durch ein waagerechtes, 1000 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 150 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018 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 150 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018 verbunden. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 3 Krümmer (je K = 0,3), ein Ventil (K = 2) 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 50 L/s?
Ein Regenwasserkanal aus Beton mit einem Innendurchmesser von 900 mm läuft gerade voll (als Freispiegelleitung, nicht unter Druck). Manning n = 0,013, und das Gefälle ist S = 0,002. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.
D = 900 mmn = 0,013S = 0,002
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
Ein Trapezgerinne (rauer Beton) mit einer Sohlbreite von 1 m und einer Böschungsneigung von 1,5:1 (horizontal:vertikal) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 1,4 m 11 m³/s abführen. Manning n = 0,014. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).
Q = 11 m³/sb = 1 my = 1,4 mz = 1,5n = 0,014
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
Eine Pumpe fördert 30 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 10 m. Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 82 %, und der antreibende Elektromotor hat einen Wirkungsgrad von 88 %. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die elektrische Leistung Pel, die der Motor aufnimmt, in kW.
Eine Pumpe fördert 120 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 16 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 100 m lang, hat einen Innendurchmesser von 250 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 6 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die Förderhöhe H, die die Pumpe aufbringen muss.
Du legst €2 000 zu 2 % pro Jahr bei stetiger Verzinsung an. Bestimme den Wert FV nach 6 Jahren.
PV = €2 000r = 2%t = 6
FV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Eine Hypothek von €150 000 wird über 20 Jahre mit gleichen Monatsraten bei 2,4 % pro Jahr und monatlicher Verzinsung getilgt. Wie viel ist direkt nach der Rate am Ende von Jahr 9 noch geschuldet? Bestimme die Restschuld B.
P = €150 0002,4% / 12N = 240k = 108
B = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Eine Investition von €30 000 bringt am Ende der Jahre 1 bis 4 diese Zahlungen: €9 000, €15 000, €10 000, €10 000. Die Kapitalkosten betragen 5 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.
Ein Projekt kostet €20 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 4 jeweils €9 500, €11 000, €11 500, €12 000. Die Zahlungen können zu den Kapitalkosten von 10 % wieder angelegt werden. Bestimme den modifizierten internen Zinsfuß MIRR in Prozent.
X ist normalverteilt mit dem Mittelwert 250 g und der Standardabweichung 4 g; Y ist unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 500 g und der Standardabweichung 9 g. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass X + Y größer als 754,9 g ist. Runde z auf zwei Dezimalstellen.
μX = 250, σX = 4μY = 500, σY = 9X + Y > 754,9 g
P =
30.NormalverteilungSchwer
Die Massen X eines Produkts von Linie 1 und Y von Linie 2 sind unabhängig und normalverteilt: X hat den Mittelwert 500 g und die Standardabweichung 8 g, Y hat den Mittelwert 490 g und die Standardabweichung 6 g. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass X größer als Y ist. Runde z auf zwei Dezimalstellen.
μX = 500 g, σX = 8 gμY = 490 g, σY = 6 g
P =
3Lösungen
1.Auflagerkräfte am Balken
Antwort: MA = 252 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 Streckenlast
W = 4·6 = 24 kN, x̄ = 3 m
Moment um die Wand
MA = P·a + W·x̄ = 45·4 + 24·3 = 252 kN·m
Antwort
MA = 252 kN·m
2.Auflagerkräfte am Balken
Antwort: RB = 38,13 kN
Statisches Gleichgewicht: Für einen ruhenden Körper gilt ΣFx = 0, ΣFy = 0 und ΣM = 0 um jeden Punkt. Bildet man die Momente um ein Auflager, fällt dessen Auflagerkraft aus der Gleichung heraus.
Freikörperbild
Ersetze die Lager durch Auflagerkräfte. Ein Loslager gibt eine vertikale Kraft; bei nur vertikalen Lasten gibt auch das Festlager nur eine vertikale Kraft.
Gleichgewicht
Momente um A, gegen den Uhrzeigersinn positiv. Dann das Kräftegleichgewicht in vertikaler Richtung.
Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 10·2 = 20 kN, angreifend bei x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·8 = 35·7 + 10·2·3
RB = 305/8 = 38,13 kN
ΣFy = 0: RA = 55 − 38,13 = 16,88 kN
Antwort
RB = 38,13 kN
3.Fachwerk: Knotenpunktverfahren
Antwort: Stab BF
Nullstäbe: An einem Knoten müssen sich die Kräfte in jeder Richtung ausgleichen. Hat ein Knoten keine Last und kein Auflager und liegen zwei seiner drei Stäbe in einer Linie, dann betrifft das Gleichgewicht quer zu dieser Linie nur den dritten Stab, seine Kraft ist also null. Treffen sich an einem unbelasteten Knoten nur zwei Stäbe, die nicht in einer Linie liegen, sind beide null.
Knoten B
AB und BC liegen auf einer Geraden, und der Knoten trägt keine Last. Das Kräftegleichgewicht quer zu dieser Linie lässt nur BF übrig.
ΣF⊥ = 0 → FBF = 0
Mit dem Knotenpunktverfahren prüfen
Die Lösung aller Knoten ergibt diese Stabkräfte (T = Zug, C = Druck).
Nullstäbe: An einem Knoten müssen sich die Kräfte in jeder Richtung ausgleichen. Hat ein Knoten keine Last und kein Auflager und liegen zwei seiner drei Stäbe in einer Linie, dann betrifft das Gleichgewicht quer zu dieser Linie nur den dritten Stab, seine Kraft ist also null. Treffen sich an einem unbelasteten Knoten nur zwei Stäbe, die nicht in einer Linie liegen, sind beide null.
Knoten C
BC und CD liegen auf einer Geraden, und der Knoten trägt keine Last. Das Kräftegleichgewicht quer zu dieser Linie lässt nur CG übrig.
ΣF⊥ = 0 → FCG = 0
Mit dem Knotenpunktverfahren prüfen
Die Lösung aller Knoten ergibt diese Stabkräfte (T = Zug, C = Druck).
Schnittverfahren: Schneide den Balken dort, wo du die Schnittgrößen brauchst, und behalte eine Seite. Die Querkraft V hält den vertikalen Kräften dieser Seite das Gleichgewicht, das Biegemoment M ihren Momenten um den Schnitt.
Auflagerkräfte
Gleichgewicht des ganzen Balkens.
Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 12·8 = 96 kN, angreifend bei x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·8 = 12·8·4
RB = 384/8 = 48 kN
ΣFy = 0: RA = 96 − 48 = 48 kN
Schnitt bei x = 4,5 m, linken Teil behalten
Nur Kräfte links vom Schnitt erscheinen. Ein Abschnitt der Streckenlast wirkt als eine Kraft in der Mitte dieses Abschnitts.
M = RA·x − (jede Last links vom Schnitt × ihr Abstand zum Schnitt)
Mx = 48·4,5 − 12·4,5·2,25 = 94,5 kN·m
Antwort
Mx = 94,5 kN·m
6.Querkraft und Biegemoment
Antwort: Mmax = 47,46 kN·m
Schnittverfahren: Schneide den Balken dort, wo du die Schnittgrößen brauchst, und behalte eine Seite. Die Querkraft V hält den vertikalen Kräften dieser Seite das Gleichgewicht, das Biegemoment M ihren Momenten um den Schnitt. Maximales Moment: Wegen dM/dx = V hat das Biegemoment sein Maximum dort, wo die Querkraft durch null geht, entweder an einer Einzellast oder innerhalb einer Streckenlast.
Auflagerkräfte
Gleichgewicht am ganzen Balken, einschließlich der Last auf dem Kragarm.
Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 12·7,5 = 90 kN, angreifend bei x̄ = 3,75 m
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 = 12 N/mm, L = 8000 mm
EI = 8,4 × 10¹² N·mm²
Durchbiegung
δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·12·8000⁴/(384·8,4 × 10¹²) = 76,19 mm
Antwort
δmax = 76,19 mm
8.Durchbiegung
Antwort: Ireq = 11,51 × 10⁶ mm⁴
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).
Grenzwert der Durchbiegung
δallow = L/360 = 1500/360 = 4,167 mm
Erforderliches Flächenträgheitsmoment
I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·8·1500⁴/(384·11000·4,167) = 1,151 × 10⁷ mm⁴
Ireq = 11,51 × 10⁶ mm⁴
Antwort
Ireq = 11,51 × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von Stützen
Antwort: Pcr = 537,1 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴
Trägheitsradius und Schlankheit
A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 1·5000 = 5000 mm
KL/r = 5000/7,5 = 666,7
Kritische Spannung
σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/666,7² = 4,441 MPa
Antwort
σcr = 4,441 MPa
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment
Antwort: Ix = 96,33 × 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 = (30000·100 − 1963·140)/(30000 − 1963) = 97,2 mm
Volle Platte um ȳ
150·200³/12 + 30000·2,801² = 100,2 × 10⁶ mm⁴
Loch um ȳ
π·50⁴/64 + 1963·42,8² = 3,904 × 10⁶ mm⁴
Subtrahieren
Ix = 96,33 × 10⁶ mm⁴
Antwort
Ix = 96,33 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment
Antwort: Mallow = 5,244 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.
σ = γd·zw + γsat·(z − zw) = 16·3 + 19·4 = 124 kPa
Porenwasserdruck
Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.
u = γw·(z − zw) = 9,81·4 = 39,24 kPa
Effektive Spannung
σ′ = σ − u = 124 − 39,24 = 84,76 kPa
Antwort
σ′ = 84,76 kPa
14.Effektive Spannung im Boden
Antwort: σ′ = 118,1 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·4 + γsat,sand·2 + γsat,clay·4
σ = 16,5·4 + 20,5·2 + 17,5·4 = 177 kPa
Porenwasserdruck
Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.
u = γw·(z − zw) = 9,81·6 = 58,86 kPa
Effektive Spannung
σ′ = σ − u = 177 − 58,86 = 118,1 kPa
Antwort
σ′ = 118,1 kPa
15.Konsolidationssetzung
Antwort: S = 60,95 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 = 55 + 80 = 135 kPa > 125 kPa
Setzung
Wiederbelastung bis σ′p, Erstbelastung darüber.
S = 0,02·5,5/(1 + 0,85)·log₁₀(125/55) + 0,4·5,5/(1 + 0,85)·log₁₀(135/125)
S = 21,2 + 39,75 = 60,95 mm
Antwort
S = 60,95 mm
16.Konsolidationssetzung
Antwort: t = 29,06 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 = 9 m
Zeit
t = Tv·Hdr²/cv = 0,287·9²/0,8 = 29,06 Jahre
Antwort
t = 29,06 Jahre
17.Hydrostatische Kraft
Antwort: F = 161,9 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 = 4 + 3/2 = 5,5 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
Resultierende Kraft
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·5,5·3 = 161,9 kN
Antwort
F = 161,9 kN
18.Hydrostatische Kraft
Antwort: ycp = 1,857 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 + 1,5/2 = 1,75 m
A = H·b = 1,5·1 = 1,5 m²
Resultierende Kraft
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·1,75·1,5 = 25,75 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) = 0,018·(1000/0,15)·2,2²/(2·9,81) = 29,6 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 = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m
Verlustbeiwerte
f·L/D = 0,018·200/0,15 = 24
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 + 1,0 = 4,4
Gesamte Verlusthöhe
hf = 24·0,408 = 9,793 m
hm = 4,4·0,408 = 1,795 m
Δz = hf + hm = 11,59 m
Antwort
Δz = 11,59 m
21.Gerinneströmung (Manning)
Antwort: Q = 0,8096 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 = 0,6362 m², R = D/4 = 0,225 m
Geschwindigkeit
V = (1/0,013)·0,2252/3·0,0021/2 = 1,273 m/s
Volumenstrom
Q = A·V = 0,6362·1,273 = 0,8096 m³/s
Antwort
Q = 0,8096 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)
Antwort: S = 0,00196 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.
Geometrie
A = (b + z·y)·y = (1 + 1,5·1,4)·1,4 = 4,34 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 1 + 2·1,4·√(1 + 1,5²) = 6,048 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.
Hydraulische Leistung
Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,03·10 = 2,943 kW
Wellenleistung
Pshaft = 2,943/0,82 = 3,589 kW
Elektrische Leistung
Pel = 3,589/0,88 = 4,078 kW
Antwort
Pel = 4,078 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung
Antwort: H = 19,66 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 offen und praktisch in Ruhe, daher entfallen Druck- und Geschwindigkeitsterme.
H = Δz + hL = 16 + 3,655 = 19,66 m
Antwort
H = 19,66 m
25.Zeitwert des Geldes
Antwort: FV = 2255 €
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.
Exponent
r·t = 0,02·6 = 0,12
e0,12 = 1,127
Endwert
FV = 2 000·1,127 = €2 254,99
Antwort
FV = €2 254,99
26.Zeitwert des Geldes
Antwort: B = 91288 €
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.
Monatliche Rate
i = 0,002, N = 240
A = 150 000·0,002/(1 − (1 + 0,002)−240) = €787,57
Barwert der verbleibenden Raten
Was noch geschuldet wird, muss genau durch die verbleibenden Raten getilgt werden.
N − k = 240 − 108 = 132
B = 787,6·(1 − (1 + 0,002)−132)/0,002 = €91 288,46
Antwort
B = €91 288,46
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß
Antwort: NPV = 9042 €
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 = −30 000
CF1/(1 + 0,05)1 = 9 000/1,05 = 8 571,43
CF2/(1 + 0,05)2 = 15 000/1,103 = 13 605,44
CF3/(1 + 0,05)3 = 10 000/1,158 = 8 638,38
CF4/(1 + 0,05)4 = 10 000/1,216 = 8 227,02
Addieren
NPV = €9 042,27
Antwort
NPV = €9 042,27
Der Kapitalwert ist positiv, das Projekt verdient also mehr als die geforderte Rendite.
28.Kapitalwert & interner Zinsfuß
Antwort: MIRR = 26,12 %
Modifizierter interner Zinsfuß: Zinse jede Einzahlung mit dem Wiederanlagezins (meist den Kapitalkosten) bis zum Projektende auf, um den Endwert TV zu erhalten. Der MIRR ist der Zinssatz, der die Anfangsinvestition in TV überführt: MIRR = (TV/C₀)^(1/n) − 1.
Endwert der Einzahlungen
9 500·1,13 = 12 644,50
11 000·1,12 = 13 310,00
11 500·1,11 = 12 650,00
12 000·1,10 = 12 000,00
TV = 50 604,50
MIRR
MIRR = (50 604,50/20 000)1/4 − 1 = 26,12%
Antwort
MIRR = 26,12%
29.Normalverteilung
Antwort: P = 0,3085
Summen und Differenzen normalverteilter Variablen: Sind X und Y unabhängig und normalverteilt, sind auch X + Y und X − Y normalverteilt. Die Mittelwerte werden addiert oder subtrahiert: E(X ± Y) = μX ± μY. Die Varianzen addieren sich immer, auch bei einer Differenz: Var(X ± Y) = σX² + σY², also σ = √(σX² + σY²). Standardabweichungen werden nie direkt addiert. Die Summe von n unabhängigen Objekten mit derselben Verteilung hat den Mittelwert n·μ und die Standardabweichung σ·√n. Standardisiere dann wie gewohnt: z = (x − Mittelwert)/σ und lies Φ(z) ab.
Verteilung der Summe
μ = 750 g, σ = √(4² + 9²) = 9,849 g
Standardisieren
z = (754,9 − 750)/9,849 = 0,5
Oberer Rand
P = 1 − Φ(0,5) = 1 − 0,6915 = 0,3085
Antwort
P = 0,3085
30.Normalverteilung
Antwort: P = 0,8413
Summen und Differenzen normalverteilter Variablen: Sind X und Y unabhängig und normalverteilt, sind auch X + Y und X − Y normalverteilt. Die Mittelwerte werden addiert oder subtrahiert: E(X ± Y) = μX ± μY. Die Varianzen addieren sich immer, auch bei einer Differenz: Var(X ± Y) = σX² + σY², also σ = √(σX² + σY²). Standardabweichungen werden nie direkt addiert. Die Summe von n unabhängigen Objekten mit derselben Verteilung hat den Mittelwert n·μ und die Standardabweichung σ·√n. Standardisiere dann wie gewohnt: z = (x − Mittelwert)/σ und lies Φ(z) ab.
Verteilung der Differenz
μ = 500 − 490 = 10 g, σ = 10 g
Standardisieren
z = (0 − 10)/10 = −1
Wahrscheinlichkeit
P = 1 − Φ(−1) = 0,8413
Antwort
P = 0,8413
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