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
w0​ = 8 kN/mP = 45 kNABRB​ = ?4 m2 m

Der Einfeldträger (Festlager in A, Loslager in B) trägt eine linear veränderliche Last, die von 8 kN/m in A auf null in B abfällt. Außerdem greift eine Einzellast P im Abstand 4 m von A an. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RB.

L = 6 mw0 = 8 kN/mP = 45 kN bei 4 m
RB = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 10 kN/mP = 60 kNABRA​ = ?RB​2 m0,5 m1,5 m2 m

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

L = 6 mP = 60 kN bei 2,5 mw = 10 kN/m von 2 bis 4 m
RA = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABCDEFGH30 kN10 kN30 kN4 × 3 m3 m

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

B: 30 kN ↓G: 10 kN ↓H: 30 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
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
ABBCACACB45 kN30 kN4 m1 m4 m

Bestimme mit dem Knotenpunktverfahren die Kraft FAB im Stab AB. Gib Zug positiv und Druck negativ an.

Spannweite = 4 mHöhe = 4 mB liegt 1 m von A entferntvertikale Last = 45 kNhorizontale Last = 30 kN →
FAB = kN
5.Querkraft und BiegemomentMittel
5 kN/m10 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 @ 6 m5 kN/m, 0–12 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)
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
w = 2 kN/mP = 40 kNABSchnitt4 m4 m

Bestimme das Biegemoment Mx im Schnitt x = 4 m vom Auflager A. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.

L = 8 mP = 40 kN bei 4 mw = 2 kN/m von 0 bis 8 mx = 4 m
Mx = kN·m
7.DurchbiegungMittel
P = 3 kNABδ1 m4 m

Ein Einfeldträger trägt eine Einzellast P im Abstand a = 1 m vom Auflager A. Bestimme die Durchbiegung δP unter der Last.

P = 3 kNa = 1 mL = 5 mE = 11 GPa (Holz)I = 8,5 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
8.DurchbiegungSchwer
w = 6 kN/mP = 2 kNδL = 3 m

Ein Einfeldträger trägt eine Gleichstreckenlast w und eine Einzellast P in Feldmitte. Bestimme mit Superposition die Durchbiegung δmax in Feldmitte.

P = 2 kNw = 6 kN/mL = 3 mE = 11 GPa (Holz)I = 84 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Knicken von StützenMittel
PL = 2 md = 50 mmQuerschnitt

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

L = 2 mE = 70 GPa (Aluminium)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
P = 150 kNL = 1 md = ?Querschnitt

Eine runde Vollstütze der Länge L aus Stahl ist unten eingespannt und oben frei. Sie muss 150 kN mit einer Sicherheit von 3 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.

P = 150 kNn = 3L = 1 mE = 200 GPa (Stahl)
d = mm
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
1002520018xMaße in mm

Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix des T-Querschnitts um die waagerechte Achse x durch seinen Schwerpunkt.

bf = 100 mmtf = 25 mmtw = 18 mmhw = 200 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
120 mm300 mm120 mm40 × 40xIx​ = ?

Eine Platte von 120 mm × 300 mm hat einen rechteckigen Ausschnitt von 40 mm Breite und 40 mm Höhe, der auf der vertikalen Mittellinie sitzt und dessen Mittelpunkt 120 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.

b = 120 mmh = 300 mmAusschnitt: 40 × 40 mmLochmittelpunkt: y = 120 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 16 kN/m³γsat​ = 19,5 kN/m³9 mGrundwasserspiegelXz = 3 m

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

z = 3 mzw = 1 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 16 kN/m³Sand: γsat = 19,5 kN/m³
σ′ = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 16,5 kN/m³γsat​ = 18,5 kN/m³4 mTonγsat​ = 17,5 kN/m³8 mGrundwasserspiegelXz = 8 m

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

z = 8 mzw = 3 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 16,5 kN/m³Sand: γsat = 18,5 kN/m³Ton: γsat = 17,5 kN/m³
σ = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 220 kPaSandTonCc​ = 0,25, Cr​ = 0,02e0​ = 1,2σ′0​ = 120 kPaσ′p​ = 220 kPa6,5 mGrundwasserspiegel

Eine 6,5 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,25, Cr = 0,02 und e₀ = 1,2. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 120 kPa und die Vorbelastungsspannung 220 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 220 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 6,5 mCc = 0,25Cr = 0,02e0 = 1,2σ′0 = 120 kPaσ′p = 220 kPaΔσ = 220 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 9,5 mcv​ = 5 m²/Jahr9,5 mSandGrundwasserspiegel

Eine 9,5 m dicke Tonschicht hat einen Konsolidationsbeiwert cv = 5 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 = 9,5 mcv = 5 m²/JahrU = 50%Tv = 0,197zweiseitige Entwässerung
t = Jahre
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 2 mH = 1 m

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 3 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Wasser, seine Oberkante liegt 2 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.

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

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1,5 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Wasser, seine Oberkante liegt 1 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.

d = 1 mH = 2,5 mb = 1,5 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 2,6 m/sD = 200 mmL = 200 mf = 0,03

Wasser fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 2,6 m/s durch ein 200 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 200 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,03 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

V = 2,6 m/sL = 200 mD = 200 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 2Δz = ?L = 100 m, D = 300 mm, f = 0,022× Krümmer (K = 0,3)

Zwei offene Behälter sind durch ein 100 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,02 verbunden. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 2 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 75 L/s?

Q = 75 L/sL = 100 mD = 300 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
b = 1 my = 2,2 m3 : 1n = 0,012, S = 0,001

Ein Trapezgerinne (glatter Beton) hat eine Sohlbreite von 1 m und eine Böschungsneigung von 3:1 (horizontal:vertikal). Wasser fließt gleichförmig 2,2 m tief. Manning n = 0,012, und das Sohlgefälle ist S = 0,001. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

b = 1 my = 2,2 mz = 3n = 0,012S = 0,001
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
b = 2 my = 1,3 mn = 0,012, Q = 4,7 m³/s

Ein 2 m breites Rechteckgerinne (glatter Beton) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 1,3 m 4,7 m³/s abführen. Manning n = 0,012. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).

Q = 4,7 m³/sb = 2 my = 1,3 mn = 0,012
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 30 L/sH = 30 m

In einem Versuch fördert eine Pumpe 30 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 30 m, während ihre Welle 10,4 kW aufnimmt. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Pumpenwirkungsgrad η in Prozent.

Q = 30 L/sH = 30 mPshaft = 10,4 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 75 L/sΔz = 5 mL = 150 m, D = 250 mm, f = 0,022, ΣK = 5

Eine Pumpe fördert 75 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 150 m lang, hat einen Innendurchmesser von 250 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,022; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 5 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 70 %. Bestimme die Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 75 L/sΔz = 5 mL = 150 mD = 250 mmf = 0,022ΣK = 5η = 70%
Pshaft = kW
25.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre0123…9PV = ?€8 000+4%+4%…r = 7%

Eine Immobilie soll im nächsten Jahr eine Nettomiete von €8 000 erzielen. Die Miete soll für immer um 4 % pro Jahr wachsen. Die geforderte Rendite beträgt 7 % pro Jahr. Bestimme den heutigen Wert PV der Immobilie.

C1 = €8 000g = 4%r = 7%
PV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Jahre0123…27€6 000€6 000€6 000FV = ?

Du zahlst 27 Jahre lang am Anfang jedes Jahres €6 000 ein, die erste Einzahlung heute. Das Konto bringt 6 % pro Jahr. Wie viel ist am Ende von Jahr 27 auf dem Konto? Bestimme FV.

A = €6 000i = 6%n = 27
FV = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre01234−60 00020 00028 00017 00013 000

Eine Investition von €60 000 bringt am Ende der Jahre 1 bis 4 diese Zahlungen: €20 000, €28 000, €17 000, €13 000. Die Kapitalkosten betragen 6 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

r = 6%CF0 = −60 000CF1 = 20 000CF2 = 28 000CF3 = 17 000CF4 = 13 000
NPV = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123456−25 0006 0006 0006 0006 0006 0006 000

Eine Investition von €25 000 bringt 6 Jahre lang am Ende jedes Jahres €6 000. Bestimme ihren internen Zinsfuß IRR in Prozent.

C0 = €25 000CF = €6 000n = 6
IRR = %
29.NormalverteilungMittel
−3−2−10123zschattierte Fläche zwischen −z und z = 0,4713

Ziehe z so, dass die schattierte Fläche zwischen −z und z unter der Standardnormalverteilung gleich 0,4713 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.

A = 0,4713
z =
30.NormalverteilungSchwer
0,04 mm0D − d?

Bohrungsdurchmesser D sind normalverteilt mit dem Mittelwert 25,04 mm und der Standardabweichung 0,015 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 = 25,04 mm, σ = 0,015 mmWelle: μ = 25 mm, σ = 0,01 mm
P =

3Lösungen

1.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RB = 38 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 Dreieckslast

W = ½·8·6 = 24 kN
x̄ = L/3 = 2 m

Gleichgewicht

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

ΣMA = 0: RB·6 = 24·2 + 45·4
RB = 38 kN
RA = 69 − 38 = 31 kN

Antwort

RB = 38 kN
2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 45 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 = 10 kN/mP = 60 kNABRA​RB​2 m0,5 m1,5 m2 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 = 10·2 = 20 kN, angreifend bei x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 60·2,5 + 10·2·3
RB = 210/6 = 35 kN
ΣFy = 0: RA = 80 − 35 = 45 kN

Antwort

RA = 45 kN
3.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: 35 kN (T), BC: 40 kN (T), CD: 40 kN (T), DE: 35 kN (T), FG: 35 kN (C), GH: 35 kN (C), AF: 49,5 kN (C), HE: 49,5 kN (C), BF: 35 kN (T), CG: 0, DH: 5 kN (T), BG: 7,071 kN (C), DG: 7,071 kN (C)

Antwort

Nullstab: CG
4.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: FAB = −3,865 kN

Knotenpunktverfahren: Jeder Knoten eines Fachwerks ist im Gleichgewicht, also gilt an jedem Knoten ΣFx = 0 und ΣFy = 0. Beginne an einem Knoten mit höchstens zwei unbekannten Stabkräften. Ein negatives Ergebnis bedeutet, dass der Stab auf Druck beansprucht ist.

ABBCACACB45 kN30 kNAy​Cy​Ax​

Auflagerkräfte

Gleichgewicht des ganzen Fachwerks. Momente um A, gegen den Uhrzeigersinn positiv.

ΣMA = 0: Cy·4 = 45·1 + 30·4 → Cy = 41,25 kN
ΣFy = 0: Ay = 45 − 41,25 = 3,75 kN
ΣFx = 0: Ax = −30 kN

Knoten A

Nimm an, dass jeder Stab auf Zug beansprucht ist (er zieht vom Knoten weg). Nur AB hat in A eine vertikale Komponente.

sin α = 4/4,123 = 0,9701
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −3,75/0,9701 = −3,865 kN

Antwort

FAB = −3,865 kN (Druck)
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: D (x = 6 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 = 35 kN, R2 = 35 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 = 60, MC = 100, MD = 120 kN·m, ME = 100, MF = 60, MG = 0

Antwort

Markierung D: MD = 120 kN·m
6.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mx = 96 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 = 2·8 = 16 kN, angreifend bei x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·8 = 40·4 + 2·8·4
RB = 224/8 = 28 kN
ΣFy = 0: RA = 56 − 28 = 28 kN
w = 2 kN/mP = 40 kNABRA​ = 28RB​ = 28Schnitt4 m4 m

Schnitt bei x = 4 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 = 28·4 − 2·4·2 = 96 kN·m

Antwort

Mx = 96 kN·m
7.Durchbiegung

Antwort: δP = 34,22 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 = 3000 N, a = 1000 mm, b = 4000 mm, L = 5000 mm
EI = 9,35 × 10¹⁰ N·mm²

Durchbiegung unter der Last

δP = Pa²b²/(3EIL) = 3000·1000²·4000²/(3·9,35 × 10¹⁰·5000) = 34,22 mm

Antwort

δP = 34,22 mm
8.Durchbiegung

Antwort: δmax = 8,066 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 = 2000 N, w = 6 N/mm, L = 3000 mm, EI = 9,24 × 10¹¹ N·mm²

Jede Last für sich

δP = PL³/(48EI) = 2000·3000³/(48·9,24 × 10¹¹) = 1,218 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·6·3000⁴/(384·9,24 × 10¹¹) = 6,849 mm

Addieren

δmax = 1,218 + 6,849 = 8,066 mm

Antwort

δmax = 8,066 mm
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 13,25 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Knicklänge

KL = 2·2000 = 4000 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·306796/4000² = 13247 N = 13,25 kN

Antwort

Pcr = 13,25 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: d = 65,65 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 = 3·150000 = 450000 N
KL = 2·1000 = 2000 mm

Nach dem Durchmesser auflösen

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·450000·2000²/(π³·200000))^(1/4) = 65,65 mm

Antwort

d = 65,65 mm

Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 121,9, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.

11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 30,8 × 10⁶ mm⁴

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 = 100·25 = 2500 mm², yf = 200 + 25/2 = 212,5 mm
Steg: Aw = 18·200 = 3600 mm², yw = 200/2 = 100 mm

Schwerpunkt

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (2500·212,5 + 3600·100)/6100 = 146,1 mm

Satz von Steiner

Flansch: 100·25³/12 + 2500·(212,5 − 146,1)² = 1,115 × 10⁷ mm⁴
Steg: 18·200³/12 + 3600·(100 − 146,1)² = 1,965 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,115 × 10⁷ + 1,965 × 10⁷ = 3,08 × 10⁷ mm⁴ = 30,8 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 30,8 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 268,3 × 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 = (36000·150 − 1600·120)/(36000 − 1600) = 151,4 mm

Volle Platte um ȳ

120·300³/12 + 36000·−1,395² = 270,1 × 10⁶ mm⁴

Loch um ȳ

40·40³/12 + 1600·−31,4² = 1,79 × 10⁶ mm⁴

Subtrahieren

Ix = 268,3 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 268,3 × 10⁶ mm⁴
13.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ′ = 35,38 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) = 16·1 + 19,5·2 = 55 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 = 55 − 19,62 = 35,38 kPa

Antwort

σ′ = 35,38 kPa
14.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ = 138 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·3 + γsat,sand·1 + γsat,clay·4
σ = 16,5·3 + 18,5·1 + 17,5·4 = 138 kPa

Antwort

σ = 138 kPa
15.Konsolidationssetzung

Antwort: S = 155,2 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 = 120 + 220 = 340 kPa > 220 kPa

Setzung

Wiederbelastung bis σ′p, Erstbelastung darüber.

S = 0,02·6,5/(1 + 1,2)·log₁₀(220/120) + 0,25·6,5/(1 + 1,2)·log₁₀(340/220)
S = 15,56 + 139,6 = 155,2 mm

Antwort

S = 155,2 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 0,889 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 = 9,5/2 = 4,75 m

Zeit

t = Tv·Hdr²/cv = 0,197·4,75²/5 = 0,889 Jahre

Antwort

t = 0,889 Jahre
17.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 73,58 kN

Hydrostatische Kraft auf eine ebene Fläche: F = ρ·g·yc·A. Sie greift im Druckmittelpunkt an, ycp = yc + Ic/(ycA), der immer unterhalb des Schwerpunkts liegt.

Schwerpunkttiefe und Fläche

yc = d + H/2 = 2 + 1/2 = 2,5 m
A = H·b = 1·3 = 3 m²
Schützd = 2 mH = 1 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,5·3 = 73,58 kN

Antwort

F = 73,58 kN
18.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 82,77 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 = 1 + 2,5/2 = 2,25 m
A = H·b = 2,5·1,5 = 3,75 m²
Schützd = 1 mH = 2,5 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,25·3,75 = 82,77 kN

Antwort

F = 82,77 kN
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 10,34 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) = 2,6²/(2·9,81) = 0,3445 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(200/0,2)·2,6²/(2·9,81) = 10,34 m

Antwort

hf = 10,34 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Δz = 0,6178 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 = 0,075/0,07069 = 1,061 m/s
V²/(2g) = 0,05738 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,02·100/0,3 = 6,667
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

Gesamte Verlusthöhe

hf = 6,667·0,05738 = 0,3825 m
hm = 4,1·0,05738 = 0,2353 m
Δz = hf + hm = 0,6178 m

Antwort

Δz = 0,6178 m
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 47,55 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 = (1 + 3·2,2)·2,2 = 16,72 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 1 + 2·2,2·√(1 + 3²) = 14,91 m
R = A/P = 1,121 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,012)·1,1212/3·0,0011/2 = 2,844 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 16,72·2,844 = 47,55 m³/s

Antwort

Q = 47,55 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,001007 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 = 2·1,3 = 2,6 m²
P = b + 2y = 2 + 2·1,3 = 4,6 m
R = A/P = 0,5652 m

Manning nach S auflösen

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,012·4,7/(2,6·0,6836) = 0,03173
S = 0,03173² = 0,001007

Antwort

S = 0,001007

Das ist ein Gefälle von 1,007 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: η = 84,89 %

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 = 1000·9,81·0,03·30 = 8,829 kW

Wirkungsgrad

η = Ph/Pshaft = 8,829/10,4 = 84,89%

Antwort

η = 84,89%
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 7,531 kW

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) = (13,2 + 5)·0,119 = 2,165 m

Förderhöhe

H = Δz + hL = 5 + 2,165 = 7,165 m

Wellenleistung

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,075·7,165/0,7 = 7,531 kW

Antwort

Pshaft = 7,531 kW
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: PV = 266667 €

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.

Wachsende ewige Rente

PV = C1/(r − g) = 8 000/(0,07 − 0,04) = 8 000/0,03 = €266 666,67

Antwort

PV = €266 666,67
26.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 405169 €

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.

Endwertfaktor der nachschüssigen Rente

((1 + 0,06)27 − 1)/0,06 = 63,71

Vorschüssige Rente

Jede Einzahlung ist ein Jahr länger angelegt.

FV = 6 000·63,71·1,06 = €405 168,67

Antwort

FV = €405 168,67
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = 8359 €

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 = −60 000
CF1/(1 + 0,06)1 = 20 000/1,06 = 18 867,92
CF2/(1 + 0,06)2 = 28 000/1,124 = 24 919,90
CF3/(1 + 0,06)3 = 17 000/1,191 = 14 273,53
CF4/(1 + 0,06)4 = 13 000/1,262 = 10 297,22

Addieren

NPV = €8 358,57

Antwort

NPV = €8 358,57

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

28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 11,53 %

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.

Erforderlicher Rentenbarwertfaktor

(1 − (1 + i)−6)/i = 25 000/6 000 = 4,167

Nach dem Zinssatz auflösen

Der Rentenbarwertfaktor sinkt, wenn der Zinssatz steigt; schließe den Zinssatz ein und grenze ihn ein.

i = 11%: 4,231
i = 12%: 4,111
IRR = 11,53%

Antwort

IRR = 11,53%
29.Normalverteilung

Antwort: z = 0,63

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 + 0,4713)/2 = 0,7357

Die z-Tabelle rückwärts lesen

Finde 0,7357 in der Tabelle und lies z ab.

z = 0,63

Antwort

z = 0,63
30.Normalverteilung

Antwort: P = 0,9868

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 = 25,04 − 25 = 0,04 mm, σ = 0,01803 mm

Standardisieren

z = (0 − 0,04)/0,01803 = −2,22

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(−2,22) = 0,9868

Antwort

P = 0,9868

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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