Übungsaufgaben für die Prüfung FE Civil: Lernpaket

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

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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​ = 50 kNP2​ = 25 kNABRA​RB​ = ?4 m1 m1 m

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

L = 6 mP1 = 50 kN bei 4 mP2 = 25 kN bei 5 m
RB = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 6 kN/mP = 25 kNABRA​ = ?RB​2 m2 m1 m

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

L = 5 mP = 25 kN bei 2 mw = 6 kN/m von 0 bis 4 m
RA = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABCDEFGH25 kN10 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: 25 kN ↓G: 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 kN30 kN40 kN20 kN4 × 3 m4 m

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

B: 40 kN ↓F: 30 kN →G: 40 kN ↓H: 20 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
5.Querkraft und BiegemomentMittel
w = 3 kN/mABSchnitt2 m4 m

Bestimme das Biegemoment Mx im Schnitt x = 2 m vom Auflager A. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.

L = 6 mw = 3 kN/m von 0 bis 6 mx = 2 m
Mx = kN·m
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
10 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.

10 kN @ 12 m45 kN @ 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
w = 20 kN/mδL = 4 m

Ein Einfeldträger trägt über die ganze Spannweite eine Gleichstreckenlast w. Bestimme die maximale Durchbiegung δmax in Feldmitte.

w = 20 kN/mL = 4 mE = 70 GPa (Aluminium)I = 84 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.DurchbiegungSchwer
w = 12 kN/mδL = 8 m

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

w = 12 kN/mL = 8 mE = 200 GPa (Stahl)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von StützenMittel
PL = 1,5 md = 25 mmQuerschnitt

Eine Stütze der Länge L aus Stahl ist an beiden Enden eingespannt. Bestimme mit der Euler-Formel ihre kritische Knicklast Pcr.

L = 1,5 mE = 200 GPa (Stahl)d = 25 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
P = 65 kNL = 4 md = ?Querschnitt

Eine runde Vollstütze der Länge L aus Aluminium ist unten eingespannt und oben gelenkig gelagert. Sie muss 65 kN mit einer Sicherheit von 2,5 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.

P = 65 kNn = 2,5L = 4 mE = 70 GPa (Aluminium)
d = mm
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
100 mm200 mm80 mmØ50xIx​ = ?

Eine Platte von 100 mm × 200 mm hat ein kreisförmiges Loch mit dem Durchmesser 50 mm auf ihrer vertikalen Mittellinie, dessen Mittelpunkt 80 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.

b = 100 mmh = 200 mmd = 50 mmLochmittelpunkt: y = 80 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
120280148xM = 40 kN·mMaße in mm

Ein symmetrischer I-Querschnitt hat Flansche mit 120 mm Breite und 14 mm Dicke, eine Gesamthöhe von 280 mm und einen Steg mit 8 mm Dicke. Er überträgt ein Biegemoment von 40 kN·m um die Achse x. Bestimme den Betrag der maximalen Biegespannung σmax im Querschnitt.

B = 120 mmH = 280 mmtf = 14 mmtw = 8 mmM = 40 kN·m
σmax = MPa
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 16,5 kN/m³γsat​ = 20,5 kN/m³9 mGrundwasserspiegelXz = 4 m

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

z = 4 mzw = 2 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 16,5 kN/m³Sand: γsat = 20,5 kN/m³
σ′ = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 16,5 kN/m³γsat​ = 19,5 kN/m³3 mTonγsat​ = 18 kN/m³4 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 = 16,5 kN/m³Sand: γsat = 19,5 kN/m³Ton: γsat = 18 kN/m³
σ′ = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 20 kPaSandTonCc​ = 0,3, Cr​ = 0,05e0​ = 0,6σ′0​ = 80 kPaσ′p​ = 190 kPa3,5 mGrundwasserspiegel

Eine 3,5 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,3, Cr = 0,05 und e₀ = 0,6. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 80 kPa und die Vorbelastungsspannung 190 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 20 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 3,5 mCc = 0,3Cr = 0,05e0 = 0,6σ′0 = 80 kPaσ′p = 190 kPaΔσ = 20 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 4 mcv​ = 4 m²/Jahr4 mSandGrundwasserspiegel

Eine 4 m dicke Tonschicht hat einen Konsolidationsbeiwert cv = 4 m²/Jahr. Sie liegt zwischen zwei Sandschichten, das Wasser kann also oben und unten austreten. Für 50 % mittlere Konsolidation ist der Zeitfaktor Tv = 0,197. Wie viele Jahre t braucht die Schicht, um 50 % Konsolidation zu erreichen?

H = 4 mcv = 4 m²/JahrU = 50%Tv = 0,197zweiseitige Entwässerung
t = Jahre
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 3 mH = 2 m

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Wasser, seine Oberkante liegt 3 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.

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

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Glycerin, seine Oberkante liegt 3 m unter der Oberfläche. Bestimme die Tiefe ycp des Druckmittelpunkts unter der Oberfläche.

d = 3 mH = 2 mb = 1 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 2,8 m/sD = 250 mmL = 100 mf = 0,028

Wasser fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 2,8 m/s durch ein 100 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 250 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,028 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

V = 2,8 m/sL = 100 mD = 250 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 5freier AuslaufH = ?L = 300 m, D = 300 mm, f = 0,0154× Krümmer (K = 0,3)

Ein 300 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm (Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015) führt von einem offenen Behälter weg und tritt als freier Strahl ins Freie aus. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 4 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 120 L/s beträgt?

Q = 120 L/sL = 300 mD = 300 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 5
H = m
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
b = 5,5 my = 0,9 m2 : 1n = 0,03, S = 0,001

Ein Trapezgerinne (Erdreich mit Grasbewuchs) hat eine Sohlbreite von 5,5 m und eine Böschungsneigung von 2:1 (horizontal:vertikal). Wasser fließt gleichförmig 0,9 m tief. Manning n = 0,03, und das Sohlgefälle ist S = 0,001. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

b = 5,5 my = 0,9 mz = 2n = 0,03S = 0,001
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
D = 200 mmn = 0,013, V = 1 m/s

Ein Betonkanal mit einem Innendurchmesser von 200 mm (Manning n = 0,013) muss bei gerade voller Füllung eine Selbstreinigungsgeschwindigkeit von 1 m/s erreichen. Bestimme das Mindestgefälle S (in m/m).

D = 200 mmn = 0,013V = 1 m/s
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 10 L/sH = 76 m

In einem Versuch fördert eine Pumpe 10 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 76 m, während ihre Welle 9,1 kW aufnimmt. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Pumpenwirkungsgrad η in Prozent.

Q = 10 L/sH = 76 mPshaft = 9,1 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
200 kPa (Überdruck)PQ = 75 L/sΔz = 9 mL = 150 m, D = 250 mm, f = 0,015, ΣK = 8

Eine Pumpe fördert 75 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 9 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 150 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 200 kPa. Bestimme die Förderhöhe H, die die Pumpe aufbringen muss.

Q = 75 L/sΔz = 9 mL = 150 mD = 250 mmf = 0,015ΣK = 8ptank = 200 kPa
H = m
25.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre0123…8PV = ?€10 000

Du brauchst €10 000 in 8 Jahren. Ein Konto bringt 3 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Wie viel musst du heute einzahlen? Bestimme den Barwert PV.

FV = €10 0003% / 12n = 8
PV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…300€150 000A?AAA

Ein Darlehen von €150 000 wird über 25 Jahre in gleichen Monatsraten zurückgezahlt. Der Zinssatz beträgt 7,2 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Bestimme die Monatsrate A.

P = €150 0007,2% / 12N = 300
A = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre012345−50 00010 50021 00013 00013 50019 000

Ein Projekt kostet heute €50 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 5 jeweils €10 500, €21 000, €13 000, €13 500, €19 000. Die Kapitalkosten betragen 10 %. Nimm an, dass die Zahlungen gleichmäßig über jedes Jahr eingehen. Bestimme die dynamische Amortisationsdauer DPB in Jahren.

r = 10%CF0 = −50 000CF1 = 10 500CF2 = 21 000CF3 = 13 000CF4 = 13 500CF5 = 19 000
DPB = Jahre
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre01234−25 0007 50011 00012 50011 000

Ein Projekt kostet €25 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 4 jeweils €7 500, €11 000, €12 500, €11 000. Die Zahlungen können zu den Kapitalkosten von 10 % wieder angelegt werden. Bestimme den modifizierten internen Zinsfuß MIRR in Prozent.

r = 10%CF0 = −25 000CF1 = 7 500CF2 = 11 000CF3 = 12 500CF4 = 11 000
MIRR = %
29.NormalverteilungMittel
−3−2−10123zschattierte Fläche rechts von z = 0,3594

Ziehe z so, dass die schattierte Fläche unter der Standardnormalverteilung rechts von z gleich 0,3594 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.

A = 0,3594
z =
30.NormalverteilungSchwer
0,02 mm0D − d?

Bohrungsdurchmesser D sind normalverteilt mit dem Mittelwert 25,02 mm und der Standardabweichung 0,02 mm. Wellendurchmesser d sind unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 25 mm und der Standardabweichung 0,01 mm. Eine zufällig gewählte Welle passt, wenn D − d > 0 ist. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass sie passt. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

Bohrung: μ = 25,02 mm, σ = 0,02 mmWelle: μ = 25 mm, σ = 0,01 mm
P =

3Lösungen

1.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RB = 54,17 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​ = 50 kNP2​ = 25 kNABRA​RB​4 m1 m1 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·6 = 50·4 + 25·5
RB = 325/6 = 54,17 kN
ΣFy = 0: RA = 75 − 54,17 = 20,83 kN

Antwort

RB = 54,17 kN
2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 29,4 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.

w = 6 kN/mP = 25 kNABRA​RB​2 m2 m1 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.

Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 6·4 = 24 kN, angreifend bei x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·5 = 25·2 + 6·4·2
RB = 98/5 = 19,6 kN
ΣFy = 0: RA = 49 − 19,6 = 29,4 kN

Antwort

RA = 29,4 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: 15 kN (T), BC: 15 kN (T), CD: 31,67 kN (T), DE: 31,67 kN (T), FG: 30 kN (C), GH: 30 kN (C), AF: 18,75 kN (C), HE: 39,58 kN (C), BF: 0, CG: 10 kN (C), DH: 25 kN (T), FC: 18,75 kN (T), HC: 2,083 kN (C)

Antwort

Nullstab: BF
4.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: Stab DH

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 D

CD und DE liegen auf einer Geraden, und der Knoten trägt keine Last. Das Kräftegleichgewicht quer zu dieser Linie lässt nur DH übrig.

ΣF⊥ = 0 → FDH = 0

Mit dem Knotenpunktverfahren prüfen

Die Lösung aller Knoten ergibt diese Stabkräfte (T = Zug, C = Druck).

AB: 63,75 kN (T), BC: 63,75 kN (T), CD: 41,25 kN (T), DE: 41,25 kN (T), FG: 67,5 kN (C), GH: 67,5 kN (C), AF: 56,25 kN (C), HE: 68,75 kN (C), BF: 40 kN (T), CG: 40 kN (C), DH: 0, FC: 6,25 kN (T), HC: 43,75 kN (T)

Antwort

Nullstab: DH
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mx = 12 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.

Auflagerkräfte

Gleichgewicht des ganzen Balkens.

Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 3·6 = 18 kN, angreifend bei x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 3·6·3
RB = 54/6 = 9 kN
ΣFy = 0: RA = 18 − 9 = 9 kN
w = 3 kN/mABRA​ = 9RB​ = 9Schnitt2 m4 m

Schnitt bei x = 2 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 = 9·2 − 3·2·1 = 12 kN·m

Antwort

Mx = 12 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 = 7 kN, R2 = 48 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 = 14, MC = 28, MD = 42, ME = 56 kN·m, MF = −20, MG = 0

Antwort

Markierung E: ME = 56 kN·m
7.Durchbiegung

Antwort: δmax = 11,34 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 = 20 N/mm, L = 4000 mm
EI = 5,88 × 10¹² N·mm²

Durchbiegung

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·20·4000⁴/(384·5,88 × 10¹²) = 11,34 mm

Antwort

δmax = 11,34 mm
8.Durchbiegung

Antwort: Ireq = 144 × 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 = 8000/360 = 22,22 mm

Erforderliches Flächenträgheitsmoment

I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·12·8000⁴/(384·200000·22,22) = 1,44 × 10⁸ mm⁴
Ireq = 144 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ireq = 144 × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 67,29 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 runder Querschnitt hat um jede Achse dasselbe I.

I = πd⁴/64 = π·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,5·1500 = 750 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·19175/750² = 67288 N = 67,29 kN

Antwort

Pcr = 67,29 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: d = 78,29 mm

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.

Erforderliche kritische Last

Pcr = n·P = 2,5·65000 = 162500 N
KL = 0,7·4000 = 2800 mm

Nach dem Durchmesser auflösen

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·162500·2800²/(π³·70000))^(1/4) = 78,29 mm

Antwort

d = 78,29 mm

Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 143,1, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.

11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 65,49 × 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 = (20000·100 − 1963·80)/(20000 − 1963) = 102,2 mm

Volle Platte um ȳ

100·200³/12 + 20000·−2,177² = 66,76 × 10⁶ mm⁴

Loch um ȳ

π·50⁴/64 + 1963·−22,18² = 1,273 × 10⁶ mm⁴

Subtrahieren

Ix = 65,49 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 65,49 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: σmax = 79,82 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.

Außenrechteck minus die beiden seitlichen Aussparungen

Beide Aussparungen zusammen sind (B − tw) breit und hw = H − 2tf hoch und haben die Achse x gemeinsam.

hw = 280 − 2·14 = 252 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (120·280³ − 112·252³)/12
Ix = 7,016 × 10⁷ mm⁴

Biegespannung

y = 140 mm
σ = M·y/I = 4 × 10⁷·140/7,016 × 10⁷ = 79,82 MPa

Antwort

σmax = 79,82 MPa
13.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ′ = 54,38 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) = 16,5·2 + 20,5·2 = 74 kPa

Porenwasserdruck

Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.

u = γw·(z − zw) = 9,81·2 = 19,62 kPa

Effektive Spannung

σ′ = σ − u = 74 − 19,62 = 54,38 kPa

Antwort

σ′ = 54,38 kPa
14.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ′ = 59,07 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·2 + γsat,sand·1 + γsat,clay·2
σ = 16,5·2 + 19,5·1 + 18·2 = 88,5 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 = 88,5 − 29,43 = 59,07 kPa

Antwort

σ′ = 59,07 kPa
15.Konsolidationssetzung

Antwort: S = 10,6 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 = 80 + 20 = 100 kPa ≤ 190 kPa

Setzung

Der Ton bleibt auf seiner Wiederbelastungslinie.

S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,05·3,5/(1 + 0,6)·log₁₀(100/80) = 10,6 mm

Antwort

S = 10,6 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 0,197 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/2 = 4/2 = 2 m

Zeit

t = Tv·Hdr²/cv = 0,197·2²/4 = 0,197 Jahre

Antwort

t = 0,197 Jahre
17.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 78,48 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 = 3 + 2/2 = 4 m
A = H·b = 2·1 = 2 m²
Schützd = 3 mH = 2 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4·2 = 78,48 kN

Antwort

F = 78,48 kN
18.Hydrostatische Kraft

Antwort: ycp = 4,083 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 = 3 + 2/2 = 4 m
A = H·b = 2·1 = 2 m²
Schützd = 3 mH = 2 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·4·2 = 98,88 kN

Druckmittelpunkt

Der Druck nimmt mit der Tiefe zu, daher greift die Resultierende unterhalb des Schwerpunkts an.

Ic = b·H³/12 = 1·2³/12 = 0,6667 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 4 + 0,6667/(4·2) = 4,083 m

Antwort

ycp = 4,083 m
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 4,475 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.

Geschwindigkeitshöhe

V²/(2g) = 2,8²/(2·9,81) = 0,3996 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(100/0,25)·2,8²/(2·9,81) = 4,475 m

Antwort

hf = 4,475 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: H = 3,334 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 = 0,12/0,07069 = 1,698 m/s
V²/(2g) = 0,1469 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,015·300/0,3 = 15
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 = 6,7

Energiegleichung

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

H = (1 + 15 + 6,7)·0,1469 = 3,334 m

Antwort

H = 3,334 m
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 5,406 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 = (5,5 + 2·0,9)·0,9 = 6,57 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 5,5 + 2·0,9·√(1 + 2²) = 9,525 m
R = A/P = 0,6898 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,03)·0,68982/3·0,0011/2 = 0,8229 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 6,57·0,8229 = 5,406 m³/s

Antwort

Q = 5,406 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,009175 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 = 0,2/4 = 0,05 m

Manning nach S auflösen

S = (n·V/R2/3)² = (0,013·1/0,1357)² = 0,009175

Antwort

S = 0,009175

Das ist ein Gefälle von 9,175 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: η = 81,93 %

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 = 1000·9,81·0,01·76 = 7,456 kW

Wirkungsgrad

η = Ph/Pshaft = 7,456/9,1 = 81,93%

Antwort

η = 81,93%
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: H = 31,41 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 = 0,075/0,04909 = 1,528 m/s
V²/(2g) = 0,119 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (9 + 8)·0,119 = 2,023 m

Druckhöhe

p/(ρ·g) = 200000/(1000·9,81) = 20,39 m

Förderhöhe

Beide Wasserspiegel sind praktisch in Ruhe, daher gibt es keinen Geschwindigkeitsterm.

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 9 + 20,39 + 2,023 = 31,41 m

Antwort

H = 31,41 m
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: PV = 7869 €

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 = 0,03/12 = 0,0025
N = 12·8 = 96

Barwert

PV = FV/(1 + i)N = 10 000/1,271 = €7 868,63

Antwort

PV = €7 868,63
26.Zeitwert des Geldes

Antwort: A = 1079 €

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 = 0,07200000000000001/12 = 0,006
N = 12·25 = 300

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 = 0,1662
A = 150 000·0,006/(1 − 0,1662) = €1 079,38

Antwort

A = €1 079,38
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: DPB = 4,348 Jahre

Amortisationsdauer: die Zeit, bis die kumulierten Zahlungsüberschüsse die Anfangsinvestition zurückgezahlt haben. Man nimmt an, dass das Geld gleichmäßig über jedes Jahr eingeht, der letzte Teil ist also ein Bruchteil eines Jahres. Die statische Amortisationsdauer vernachlässigt den Zeitwert des Geldes; die dynamische Amortisationsdauer verwendet stattdessen die abgezinsten Zahlungen.

Abgezinste und kumulierte Zahlungen

Jahr 1: 10 500/1,1 = 9 545,45 → Σ = 9 545,45
Jahr 2: 21 000/1,21 = 17 355,37 → Σ = 26 900,83
Jahr 3: 13 000/1,331 = 9 767,09 → Σ = 36 667,92
Jahr 4: 13 500/1,464 = 9 220,68 → Σ = 45 888,60
Jahr 5: 19 000/1,611 = 11 797,51 → Σ = 57 686,11

Bruchteil des letzten Jahres

DPB = 4 + 4 111,40/11 797,51 = 4,348

Antwort

DPB = 4,348 Jahre

Die dynamische Amortisationsdauer ist immer länger als die statische (3,407 Jahre).

28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: MIRR = 17,74 %

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

7 500·1,13 = 9 982,50
11 000·1,12 = 13 310,00
12 500·1,11 = 13 750,00
11 000·1,10 = 11 000,00
TV = 48 042,50

MIRR

MIRR = (48 042,50/25 000)1/4 − 1 = 17,74%

Antwort

MIRR = 17,74%
29.Normalverteilung

Antwort: z = 0,36

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 − 0,3594 = 0,6406

Die z-Tabelle rückwärts lesen

Finde 0,6406 in der Tabelle und lies z ab.

z = 0,36

Antwort

z = 0,36
30.Normalverteilung

Antwort: P = 0,8133

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 = 25,02 − 25 = 0,02 mm, σ = 0,02236 mm

Standardisieren

z = (0 − 0,02)/0,02236 = −0,89

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(−0,89) = 0,8133

Antwort

P = 0,8133

Dies ist unabhängiges Übungsmaterial. ExamProblems ist nicht mit der Organisation verbunden, die diese Prüfung durchführt, und wird von ihr nicht unterstützt; der Prüfungsname dient nur zur Beschreibung des Inhalts. Die FE exam wird von NCEES durchgeführt; diese Organisation ist nicht mit ExamProblems verbunden und unterstützt es nicht.

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