Übungsaufgaben für die Prüfung FE Civil: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 30 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

Neue AufgabenZurück zum Kurs

Wähle im Druckfenster „Als PDF speichern“, um eine Kopie auf deinem Gerät zu behalten.

1Formeln und Methoden

Auflagerkräfte am Balken

Gleichgewicht
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Gleichstreckenlast
Resultierende w·L in der Mitte der Last
Moment
M = F·d

Methode

  1. Zeichne ein Freikörperbild und ersetze jedes Lager durch seine Lagerreaktionen.
  2. Ersetze jede verteilte Last durch eine Einzelkraft in ihrem Schwerpunkt.
  3. Bilde die Momente um ein Lager, um die Reaktion am anderen zu bestimmen.
  4. Bestimme mit ΣFy = 0 die verbleibende Reaktion und kontrolliere mit einer zweiten Momentengleichung.

Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Knotenpunktverfahren
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
Schnittverfahren
ΣM = 0 about a cut point
Stabkraft
positiv = Zug, negativ = Druck

Methode

  1. Bestimme die Lagerreaktionen für das ganze Fachwerk.
  2. Knotenpunktverfahren: Beginne an einem Knoten mit höchstens zwei unbekannten Stabkräften und verwende ΣFx = 0 und ΣFy = 0.
  3. Ritterschnittverfahren: Schneide durch den gesuchten Stab und bilde die Momente um den Punkt, in dem sich die anderen unbekannten Stäbe schneiden.
  4. Nimm Zug an; ein negatives Ergebnis bedeutet Druck.

Querkraft und Biegemoment

Querkraft und Moment
V = ΣF auf einer Seite, M = ΣF·d auf einer Seite
Biegespannung
σ = M·y/I
Rechteck
I = bh³/12
Widerstandsmoment
W = I/ymax
Einfeldträger, Gleichstreckenlast
Mmax = wL²/8

Methode

  1. Bestimme die Lagerreaktionen aus dem Gleichgewicht des ganzen Balkens.
  2. Schneide den Balken an der gesuchten Stelle und behalte eine Seite.
  3. Querkraft: Summe der vertikalen Kräfte auf dieser Seite. Biegemoment: Summe ihrer Momente um die Schnittstelle.
  4. Für das maximale Moment suchst du die Stelle, an der die Querkraft null ist.

Durchbiegung

Einzellast in Feldmitte
δ = PL³/(48EI)
Gleichstreckenlast, Einfeldträger
δ = 5wL⁴/(384EI)
Kragarm, Endlast
δ = PL³/(3EI)
Kragarm, Gleichstreckenlast
δ = wL⁴/(8EI)
Überlagerungssatz
δ = δ1 + δ2

Knicken von Stützen

Eulersche Knicklast
Pcr = π²EI/(KL)²
Knicklängenbeiwert
K = 1 gelenkig–gelenkig, 0,5 eingespannt–eingespannt, 0,7 eingespannt–gelenkig, 2 eingespannt–frei
Kritische Spannung
σcr = Pcr/A
Schlankheit
λ = KL/r, r = √(I/A)

Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Schwerpunkt
ȳ = ΣAiyi/ΣAi
Rechteck
I = bh³/12
Satz von Steiner
I = Ic + A·d²
Zusammengesetzter Querschnitt
I = Σ(Ic,i + Aidi²)

Effektive Spannung im Boden

Totale Spannung
σ = Σγi·hi
Porenwasserdruck
u = γw·(z − zw)
Effektive Spannung
σ′ = σ − u
Wasser
γw = 9,81 kN/m³

Konsolidationssetzung

Normal konsolidiert
S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0)
Endspannung
σ′f = σ′0 + Δσ (at mid-depth of the layer)
Überkonsolidiert, σ′f ≤ σ′p
S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0)
Überkonsolidiert, σ′f > σ′p
S = H/(1 + e0)·[Cr·log₁₀(σ′p/σ′0) + Cc·log₁₀(σ′f/σ′p)]
Überkonsolidierungsgrad
OCR = σ′p/σ′0
Konsolidierungszeit
t = Tv·Hdr²/cv
Dränweg
Hdr = H/2 (zweiseitige Entwässerung), H (einseitige Entwässerung)
Zeitfaktoren
U 50% → 0,197, 60% → 0,287, 70% → 0,403, 80% → 0,567, 90% → 0,848

Hydrostatische Kraft

Druck in der Tiefe
p = ρgh
Kraft auf eine senkrechte Wand
F = ρg·hc·A
Druckmittelpunkt
yp = yc + Ic/(ycA)
Rechteck
Ic = bH³/12

Rohrreibung und Verlusthöhe

Reynolds-Zahl
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Strömungsform
laminar unter Re ≈ 2000, turbulent über Re ≈ 4000
Mittlere Geschwindigkeit
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Örtliche Verluste
hm = ΣK·V²/(2g)
Typische K-Werte
Einlauf 0,5, Auslauf 1,0, 90°-Krümmer ≈ 0,3
Druckverlust
Δp = ρ·g·hf
Zwei offene Behälter
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Freier Auslauf
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Gerinneströmung (Manning)

Manning-Gleichung
V = (1/n)·R2/3·S1/2
Volumenstrom
Q = A·V
Hydraulischer Radius
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

  1. Zeichne einen Zeitstrahl mit jeder Zahlung und ihrem Zeitpunkt.
  2. Passe den Zinssatz an die Periode an: ein Monatszins für monatliche Zahlungen.
  3. Verwende FV = PV·(1 + i)ⁿ für Einzelbeträge und die Rentenformeln für gleich hohe Zahlungen.
  4. 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

  1. Liste alle Zahlungen mit ihrem Jahr auf; die Investition in Jahr 0 ist negativ.
  2. Zinse jede Zahlung ab: CFt/(1 + r)t.
  3. Addiere sie zum Kapitalwert (NPV). Positiv bedeutet, dass das Projekt mehr als r erwirtschaftet.
  4. 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

  1. Rechne den Wert in einen z-Wert um: z = (x − μ)/σ.
  2. Lies Φ(z) ab, die Fläche links von z.
  3. Für die Fläche rechts verwende 1 − Φ(z); für ein Intervall subtrahiere die beiden linken Flächen.
  4. Für ein Perzentil rechnest du rückwärts: Bestimme z zur Fläche, dann x = μ + z·σ.

2Übungsaufgaben

1.Auflagerkräfte am BalkenMittel
P1​ = 20 kNP2​ = 45 kNABRA​RB​ = ?1,5 m1 m2,5 m

Der Einfeldträger hat in A ein Festlager und in B ein Loslager. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RB.

L = 5 mP1 = 20 kN bei 1,5 mP2 = 45 kN bei 2,5 m
RB = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 8 kN/mP = 35 kNABCRB​ = ?3 m1 m1 m

Der Balken hat in A ein Festlager und in B, 4 m von A entfernt, ein Loslager und kragt über B bis zum freien Ende C aus. Er trägt eine Einzellast P im Abstand 3 m von A und eine Gleichstreckenlast w von 3 m bis zum freien Ende bei 5 m. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RB, nach oben positiv.

AB = 4 mAC = 5 mP = 35 kN bei 3 mw = 8 kN/m von 3 bis 5 m
RB = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABCDEFGH15 kN20 kN10 kN4 × 3 m3 m

Genau ein Stab dieses Fachwerks trägt unter diesen Lasten keine Kraft. Welcher ist der Nullstab? Klicke ihn im Diagramm an.

D: 15 kN ↓G: 20 kN ↓H: 10 kN ↓
  1. 1Stab AB
  2. 2Stab BC
  3. 3Stab CD
  4. 4Stab DE
  5. 5Stab FG
  6. 6Stab GH
  7. 7Stab AF
  8. 8Stab HE
  9. 9Stab BF
  10. 10Stab CG
  11. 11Stab DH
  12. 12Stab FC
  13. 13Stab HC
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
ABCDEFGH40 kN15 kN20 kN15 kN4 × 4 m3 m

Genau ein Stab dieses Fachwerks trägt unter diesen Lasten keine Kraft. Welcher ist der Nullstab? Klicke ihn im Diagramm an.

D: 40 kN ↓F: 15 kN →G: 20 kN ↓H: 15 kN ↓
  1. 1Stab AB
  2. 2Stab BC
  3. 3Stab CD
  4. 4Stab DE
  5. 5Stab FG
  6. 6Stab GH
  7. 7Stab AF
  8. 8Stab HE
  9. 9Stab BF
  10. 10Stab CG
  11. 11Stab DH
  12. 12Stab BG
  13. 13Stab DG
5.Querkraft und BiegemomentMittel
60 kN10 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 m

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.

60 kN @ 4 m10 kN @ 3 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
10 kN/m60 kN45 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 m

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.

60 kN @ 0 m45 kN @ 12 m10 kN/m, 2–8 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
7.DurchbiegungMittel
P = 23 kNABδ1 m5 m

Ein Kragarm der Länge L ist in A eingespannt und trägt eine Einzellast P im Abstand a = 1 m von A. Bestimme die Durchbiegung δP unter der Last.

P = 23 kNa = 1 mL = 6 mE = 11 GPa (Holz)I = 12 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
8.DurchbiegungSchwer
w = 10 kN/mδL = 1,5 m

Ein Einfeldträger trägt eine Gleichstreckenlast w. Seine Durchbiegung darf Spannweite/360 nicht überschreiten. Bestimme das kleinste Flächenträgheitsmoment Ireq, das diese Grenze einhält.

w = 10 kN/mL = 1,5 mE = 70 GPa (Aluminium)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von StützenMittel
PL = 1,5 m25 × 100 mmQuerschnitt

Eine Stütze der Länge L aus Stahl ist unten eingespannt und oben gelenkig gelagert. Bestimme mit der Euler-Formel ihre kritische Knicklast Pcr.

L = 1,5 mE = 200 GPa (Stahl)b × h = 25 × 100 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 1 md = 40 mmQuerschnitt

Eine Stütze der Länge L aus Aluminium ist an beiden Enden gelenkig gelagert. Bestimme ihre Schlankheit und die kritische Knickspannung σcr nach Euler.

L = 1 mE = 70 GPa (Aluminium)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
200 mm150 mm60 mmØ40xIx​ = ?

Eine Platte von 200 mm × 150 mm hat ein kreisförmiges Loch mit dem Durchmesser 40 mm auf ihrer vertikalen Mittellinie, dessen Mittelpunkt 60 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.

b = 200 mmh = 150 mmd = 40 mmLochmittelpunkt: y = 60 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
1803022010xM = 25 kN·mMaße in mm

Der T-Querschnitt wird als Balken mit dem Flansch oben verwendet und trägt ein positives Biegemoment von 25 kN·m. Bestimme den Betrag der Biegespannung σoben an der Oberkante.

bf = 180 mmtf = 30 mmtw = 10 mmhw = 220 mmM = 25 kN·m
σoben = MPa
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 17 kN/m³γsat​ = 19,5 kN/m³8 mGrundwasserspiegelXz = 5 m

Bestimme für das gezeigte Bodenprofil die vertikale effektive Spannung σ′ im Punkt X.

z = 5 mzw = 2 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 17 kN/m³Sand: γsat = 19,5 kN/m³
σ′ = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 15 kN/m³γsat​ = 20 kN/m³3 mTonγsat​ = 19 kN/m³8 mGrundwasserspiegelXz = 7 m

Bestimme für das gezeigte Bodenprofil die vertikale effektive Spannung σ′ im Punkt X.

z = 7 mzw = 2 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 15 kN/m³Sand: γsat = 20 kN/m³Ton: γsat = 19 kN/m³
σ′ = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 100 kPaSandTonCc​ = 0,2, Cr​ = 0,06e0​ = 0,8σ′0​ = 80 kPaOCR = 33,5 mGrundwasserspiegel

Eine 3,5 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,2, Cr = 0,06 und e₀ = 0,8. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 80 kPa und der Überkonsolidierungsgrad OCR = 3. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 100 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 3,5 mCc = 0,2Cr = 0,06e0 = 0,8σ′0 = 80 kPaOCR = 3Δσ = 100 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 7 m7 mundurchlässiger FelsGrundwasserspiegel

In einem Ödometerversuch im Labor erreicht eine 20 mm dicke Tonprobe, die oben und unten entwässert, in 10 min 50 % Konsolidation. Im Feld bildet derselbe Ton eine 7 m dicke Schicht. Sie liegt auf undurchlässigem Fels, mit Sand darüber, das Wasser kann also nur oben austreten. Wie viele Tage t braucht die Schicht im Feld, um 50 % Konsolidation zu erreichen?

hlab = 20 mmtlab = 10 minH = 7 mFeld: einseitige Entwässerung
t = Tage
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 4 mH = 2,5 m

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 = 2,5 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
18.Hydrostatische KraftSchwer
Schützd = 4 mH = 3 m

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1,5 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 = 1,5 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
Q = 6 L/sD = 75 mmL = 50 mf = 0,015

Wasser fließt mit 6 L/s durch ein 50 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 75 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

Q = 6 L/sL = 50 mD = 75 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 5freier AuslaufH = ?L = 200 m, D = 200 mm, f = 0,0182× Krümmer (K = 0,3)

Ein 200 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 200 mm (Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018) führt von einem offenen Behälter weg und tritt als freier Strahl ins Freie aus. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 2 Krümmer (je K = 0,3) und ein Ventil (K = 5). Verwende g = 9,81 m/s². Wie hoch H muss der Wasserspiegel im Behälter über dem Rohrauslauf liegen, damit der Durchfluss 100 L/s beträgt?

Q = 100 L/sL = 200 mD = 200 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 5
H = m
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
D = 450 mmn = 0,013, S = 0,003

Ein Regenwasserkanal aus Beton mit einem Innendurchmesser von 450 mm läuft gerade voll (als Freispiegelleitung, nicht unter Druck). Manning n = 0,013, und das Gefälle ist S = 0,003. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

D = 450 mmn = 0,013S = 0,003
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
b = 2,5 my = 0,6 mn = 0,025, Q = 1,5 m³/s

Ein 2,5 m breites Rechteckgerinne (Kies) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 0,6 m 1,5 m³/s abführen. Manning n = 0,025. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).

Q = 1,5 m³/sb = 2,5 my = 0,6 mn = 0,025
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 30 L/sH = 28 m

In einem Versuch fördert eine Pumpe 30 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 28 m, während ihre Welle 12,7 kW aufnimmt. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Pumpenwirkungsgrad η in Prozent.

Q = 30 L/sH = 28 mPshaft = 12,7 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 40 L/sΔz = 5 mL = 200 m, D = 150 mm, f = 0,022, ΣK = 6

Eine Pumpe fördert 40 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 5 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 200 m lang, hat einen Innendurchmesser von 150 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,022; 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.

Q = 40 L/sΔz = 5 mL = 200 mD = 150 mmf = 0,022ΣK = 6
H = m
25.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre0123456€12 000FV = ?

Du legst €12 000 zu einem Nominalzins von 2 % pro Jahr mit vierteljährlicher Verzinsung an. Bestimme den Wert FV der Anlage nach 6 Jahren.

PV = €12 0002% / 4n = 6
FV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…48€8 000A?AAA

Ein Darlehen von €8 000 wird über 4 Jahre in gleichen Monatsraten zurückgezahlt. Der Zinssatz beträgt 6 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Bestimme die Monatsrate A.

P = €8 0006% / 12N = 48
A = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre01234−20 0007 0006 0008 0009 000

Eine Investition von €20 000 bringt am Ende der Jahre 1 bis 4 diese Zahlungen: €7 000, €6 000, €8 000, €9 000. Die Kapitalkosten betragen 12 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

r = 12%CF0 = −20 000CF1 = 7 000CF2 = 6 000CF3 = 8 000CF4 = 9 000
NPV = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
r (%)NPVABr* = ?0

Projekt A kostet €20 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 jeweils €11 500, €8 000, €4 000. Projekt B kostet €30 000 und bringt €7 500, €12 000, €17 000. Bestimme den Schnittpunktzins (Fisher-Zins) r*, bei dem beide Projekte denselben Kapitalwert haben, in Prozent.

A: −20 000, 11 500, 8 000, 4 000B: −30 000, 7 500, 12 000, 17 000
r* = %
29.NormalverteilungMittel
49,585P = ?

Die Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit dem Mittelwert 65 Punkte und der Standardabweichung 10 Punkte. Welcher Anteil liegt zwischen 49,5 und 85 Punkte? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 65σ = 10x1 = 49,5x2 = 85
P =
30.NormalverteilungSchwer
235240245250255260265gunten 40%

Die Gewichte von Beuteln sind normalverteilt mit dem Mittelwert 250 g und der Standardabweichung 5 g. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten unteren 40 % links davon liegen. Bestimme die Grenze x.

μ = 250 gσ = 5 g40%
x = g

3Lösungen

1.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RB = 28,5 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.

P1​ = 20 kNP2​ = 45 kNABRA​RB​1,5 m1 m2,5 m

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.

ΣMA = 0: RB·5 = 20·1,5 + 45·2,5
RB = 142,5/5 = 28,5 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 28,5 = 36,5 kN

Antwort

RB = 28,5 kN
2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RB = 42,25 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.

Resultierende der Streckenlast

W = 8·2 = 16 kN, x̄ = (3 + 5)/2 = 4 m

Gleichgewicht

Momente um A, gegen den Uhrzeigersinn positiv. Dann das Kräftegleichgewicht in vertikaler Richtung.

ΣMA = 0: RB·4 = 35·3 + 16·4
RB = 169/4 = 42,25 kN
RA = 51 − 42,25 = 8,75 kN

Antwort

RB = 42,25 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).

AB: 16,25 kN (T), BC: 16,25 kN (T), CD: 28,75 kN (T), DE: 28,75 kN (T), FG: 32,5 kN (C), GH: 32,5 kN (C), AF: 22,98 kN (C), HE: 40,66 kN (C), BF: 0, CG: 20 kN (C), DH: 15 kN (T), FC: 22,98 kN (T), HC: 5,303 kN (T)

Antwort

Nullstab: BF
4.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: Stab CG

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).

AB: 42,92 kN (T), BC: 70,83 kN (T), CD: 70,83 kN (T), DE: 72,08 kN (T), FG: 42,92 kN (C), GH: 72,08 kN (C), AF: 34,9 kN (C), HE: 90,1 kN (C), BF: 20,94 kN (T), CG: 0, DH: 39,06 kN (T), BG: 34,9 kN (C), DG: 1,563 kN (T)

Antwort

Nullstab: CG
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: E (x = 4 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 = 25 kN, R2 = 45 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 = 25, MC = 50, MD = 75, ME = 90 kN·m, MF = 45, MG = 0

Antwort

Markierung E: ME = 90 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 = 80 kN, R2 = 85 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 = −120, MC = −100, MD = −120, ME = −180 kN·m, MF = −90, MG = 0

Antwort

Markierung E: ME = −180 kN·m
7.Durchbiegung

Antwort: δP = 58,08 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 = 23000 N, a = 1000 mm, L = 6000 mm
EI = 1,32 × 10¹¹ N·mm²

Durchbiegung unter der Last

δP = Pa³/(3EI) = 23000·1000³/(3·1,32 × 10¹¹) = 58,08 mm

Antwort

δP = 58,08 mm
8.Durchbiegung

Antwort: Ireq = 2,26 × 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) = 5·10·1500⁴/(384·70000·4,167) = 2,26 × 10⁶ mm⁴
Ireq = 2,26 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ireq = 2,26 × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 233,1 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.

Imin = h·b³/12 = 100·25³/12 = 130208 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,7·1500 = 1050 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·130208/1050² = 233126 N = 233,1 kN

Antwort

Pcr = 233,1 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 69,09 MPa

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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Trägheitsradius und Schlankheit

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 1·1000 = 1000 mm
KL/r = 1000/10 = 100

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/100² = 69,09 MPa

Antwort

σcr = 69,09 MPa
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 55,83 × 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 = (30000·75 − 1257·60)/(30000 − 1257) = 75,66 mm

Volle Platte um ȳ

200·150³/12 + 30000·−0,6558² = 56,26 × 10⁶ mm⁴

Loch um ȳ

π·40⁴/64 + 1257·−15,66² = 0,4337 × 10⁶ mm⁴

Subtrahieren

Ix = 55,83 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 55,83 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: σoben = 37,97 MPa

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.

In zwei Rechtecke teilen

Miss jedes y von der Unterkante aus.

Flansch: Af = 180·30 = 5400 mm², yf = 220 + 30/2 = 235 mm
Steg: Aw = 10·220 = 2200 mm², yw = 220/2 = 110 mm

Schwerpunkt

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (5400·235 + 2200·110)/7600 = 198,8 mm

Satz von Steiner

Flansch: 180·30³/12 + 5400·(235 − 198,8)² = 7,475 × 10⁶ mm⁴
Steg: 10·220³/12 + 2200·(110 − 198,8)² = 2,623 × 10⁷ mm⁴
Ix = 7,475 × 10⁶ + 2,623 × 10⁷ = 3,37 × 10⁷ mm⁴

Biegespannung

Die Oberkante liegt h − ȳ von der Achse entfernt.

y = 250 − 198,8 = 51,18 mm
σ = M·y/I = 2,5 × 10⁷·51,18/3,37 × 10⁷ = 37,97 MPa

Antwort

σoben = 37,97 MPa
13.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ′ = 63,07 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·zw + γsat·(z − zw) = 17·2 + 19,5·3 = 92,5 kPa

Porenwasserdruck

Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.

u = γw·(z − zw) = 9,81·3 = 29,43 kPa

Effektive Spannung

σ′ = σ − u = 92,5 − 29,43 = 63,07 kPa

Antwort

σ′ = 63,07 kPa
14.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ′ = 76,95 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·2 + γsat,sand·1 + γsat,clay·4
σ = 15·2 + 20·1 + 19·4 = 126 kPa

Porenwasserdruck

Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.

u = γw·(z − zw) = 9,81·5 = 49,05 kPa

Effektive Spannung

σ′ = σ − u = 126 − 49,05 = 76,95 kPa

Antwort

σ′ = 76,95 kPa
15.Konsolidationssetzung

Antwort: S = 41,09 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.

Vorbelastungsspannung

σ′p = OCR·σ′0 = 3·80 = 240 kPa

Mit der Vorbelastungsspannung vergleichen

σ′f = 80 + 100 = 180 kPa ≤ 240 kPa

Setzung

Der Ton bleibt auf seiner Wiederbelastungslinie.

S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,06·3,5/(1 + 0,8)·log₁₀(180/80) = 41,09 mm

Antwort

S = 41,09 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 3403 Tage

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.

Dränwege

Hdr,lab = 20/2 = 10 mm = 0,01 m
Hdr,field = 7 m

Die Zeit umrechnen

t = Tv·Hdr²/cv mit demselben T_v und cv im Labor und im Feld.

tfield = 10·(7/0,01)² = 4,9 × 10⁶ min
tfield = 4,9 × 10⁶/1440 = 3403 Tage

Antwort

t = 3403 Tage
17.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 128,8 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 + 2,5/2 = 5,25 m
A = H·b = 2,5·1 = 2,5 m²
Schützd = 4 mH = 2,5 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·5,25·2,5 = 128,8 kN

Antwort

F = 128,8 kN
18.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 242,8 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 = 3·1,5 = 4,5 m²
Schützd = 4 mH = 3 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·5,5·4,5 = 242,8 kN

Antwort

F = 242,8 kN
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 0,9401 m

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.

Mittlere Geschwindigkeit

A = π·0,075²/4 = 0,004418 m²
V = Q/A = 0,006/0,004418 = 1,358 m/s

Geschwindigkeitshöhe

V²/(2g) = 1,358²/(2·9,81) = 0,09401 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(50/0,075)·1,358²/(2·9,81) = 0,9401 m

Antwort

hf = 0,9401 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: H = 12,96 m

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 = 0,1/0,03142 = 3,183 m/s
V²/(2g) = 0,5164 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,018·200/0,2 = 18
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 = 6,1

Energiegleichung

Der austretende Strahl hat noch seine Geschwindigkeitshöhe; sie ist kein Verlust, muss aber aufgebracht werden.

H = (1 + 18 + 6,1)·0,5164 = 12,96 m

Antwort

H = 12,96 m
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 0,1562 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 = 0,159 m², R = D/4 = 0,1125 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,013)·0,11252/3·0,0031/2 = 0,9819 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 0,159·0,9819 = 0,1562 m³/s

Antwort

Q = 0,1562 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,002083 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·y = 2,5·0,6 = 1,5 m²
P = b + 2y = 2,5 + 2·0,6 = 3,7 m
R = A/P = 0,4054 m

Manning nach S auflösen

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,025·1,5/(1,5·0,5478) = 0,04564
S = 0,04564² = 0,002083

Antwort

S = 0,002083

Das ist ein Gefälle von 2,083 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: η = 64,89 %

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 = 1000·9,81·0,03·28 = 8,24 kW

Wirkungsgrad

η = Ph/Pshaft = 8,24/12,7 = 64,89%

Antwort

η = 64,89%
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: H = 14,23 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.

Geschwindigkeit

V = Q/A = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s
V²/(2g) = 0,2611 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (29,33 + 6)·0,2611 = 9,227 m

Förderhöhe

Beide Wasserspiegel sind offen und praktisch in Ruhe, daher entfallen Druck- und Geschwindigkeitsterme.

H = Δz + hL = 5 + 9,227 = 14,23 m

Antwort

H = 14,23 m
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 13526 €

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 und Anzahl der Perioden

i = r/m = 0,02/4 = 0,005
N = m·n = 4·6 = 24

Endwert

FV = 12 000·(1 + 0,005)24 = 12 000·1,127 = €13 525,92

Antwort

FV = €13 525,92
26.Zeitwert des Geldes

Antwort: A = 187,9 €

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.

Monatszins und Anzahl der Raten

i = 0,06/12 = 0,005
N = 12·4 = 48

Rate

Der Barwert von N gleichen Raten A ist A·(1 − (1 + i)⁻ᴺ)/i. Setze ihn gleich dem Darlehen und löse nach A auf.

(1 + i)−N = 0,7871
A = 8 000·0,005/(1 − 0,7871) = €187,88

Antwort

A = €187,88
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = 2447 €

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 = −20 000
CF1/(1 + 0,12)1 = 7 000/1,12 = 6 250,00
CF2/(1 + 0,12)2 = 6 000/1,254 = 4 783,16
CF3/(1 + 0,12)3 = 8 000/1,405 = 5 694,24
CF4/(1 + 0,12)4 = 9 000/1,574 = 5 719,66

Addieren

NPV = €2 447,07

Antwort

NPV = €2 447,07

Der Kapitalwert ist positiv, das Projekt verdient also mehr als die geforderte Rendite.

28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: r* = 8,144 %

Schnittpunktzins (Fisher-Zins): der Kalkulationszins, bei dem zwei Projekte denselben Kapitalwert haben. Er ist der interne Zinsfuß der Differenz ihrer Zahlungen (B − A). Darunter hat das Projekt mit den späteren, größeren Zahlungen den höheren Kapitalwert; darüber gewinnt das andere.

Differenz der Zahlungen

ΔCF0 = −30 000 − (−20 000) = −10 000
ΔCF1 = 7 500 − 11 500 = −4 000
ΔCF2 = 12 000 − 8 000 = 4 000
ΔCF3 = 17 000 − 4 000 = 13 000

Interner Zinsfuß der Differenz

NPVΔ(8%) = 45,47
NPVΔ(9%) = −264,62
r* = 8,144%

Antwort

r* = 8,144%

Probe: Bei 8,144% betragen beide Kapitalwerte €636,98.

29.Normalverteilung

Antwort: P = 0,9167

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-Werte

z₁ = (49,5 − 65)/10 = −1,55
z₂ = (85 − 65)/10 = 2

Fläche dazwischen

P = Φ(2) − Φ(−1,55) = 0,9772 − 0,06057 = 0,9167

Antwort

P = 0,9167
30.Normalverteilung

Antwort: x = 248,8 g

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

Φ(z) = 0,4

z aus der Tabelle

z ≈ −0,25

Zurück zu den ursprünglichen Einheiten

x = 250 − 0,25·5 = 248,8 g

Antwort

x = 248,8 g

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-civil