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
P = 25 kNM = 40 kN·mABRB​ = ?4 m3 m3 m

Der Einfeldträger hat in A ein Festlager und in B ein Loslager. Er trägt eine Einzellast P im Abstand 7 m von A und ein eingeprägtes Moment M (gegen den Uhrzeigersinn) im Abstand 4 m von A. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RB, nach oben positiv.

L = 10 mP = 25 kN bei 7 mM = 40 kN·m (gegen den Uhrzeigersinn) bei 4 m
RB = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 10 kN/mP = 15 kNABRA​ = ?RB​2 m2 m2 m2 m

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

L = 8 mP = 15 kN bei 2 mw = 10 kN/m von 4 bis 6 m
RA = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABBCACACB60 kN8 m1 m3 m

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

Spannweite = 8 mHöhe = 3 mB liegt 1 m von A entferntvertikale Last = 60 kN
FAB = kN
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
ABCDEFGH25 kN25 kN35 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.

F: 25 kN ↓F: 25 kN →G: 35 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 BG
  13. 13Stab DG
5.Querkraft und BiegemomentMittel
w = 3 kN/mP = 60 kNAB2 m1 m

Der Kragarm ist in A eingespannt. Er trägt über seine ganze Länge eine Gleichstreckenlast w und eine Einzellast P im Abstand 2 m von A. Bestimme das Biegemoment MA an der Einspannung A. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.

L = 3 mP = 60 kN bei 2 mw = 3 kN/m von 0 bis 3 m
MA = kN·m
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
w = 16 kN/mAB2 m2 m

Der Einfeldträger trägt auf einem Teil seiner Spannweite eine Gleichstreckenlast. Bestimme das maximale Biegemoment Mmax im Balken.

L = 4 mw = 16 kN/m von 0 bis 2 m
Mmax = kN·m
7.DurchbiegungMittel
w = 5 kN/mABθ5 m

Ein Einfeldträger trägt über die ganze Spannweite eine Gleichstreckenlast w. Bestimme die Neigung θA des Balkens am Auflager A im Bogenmaß.

w = 5 kN/mL = 5 mE = 70 GPa (Aluminium)I = 23 × 10⁶ mm⁴
θA = rad
8.DurchbiegungSchwer
P = 29 kNABδ3 m1 m

Ein Einfeldträger trägt eine Einzellast P im Abstand b = 1 m vom Auflager B. Bestimme die maximale Durchbiegung δmax des Balkens.

P = 29 kNb = 1 mL = 4 mE = 200 GPa (Stahl)I = 36 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Knicken von StützenMittel
PL = 6 md = 60 mmQuerschnitt

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

L = 6 mE = 70 GPa (Aluminium)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
P = 135 kNL = 3 md = ?Querschnitt

Eine runde Vollstütze der Länge L aus Aluminium ist an beiden Enden eingespannt. Sie muss 135 kN mit einer Sicherheit von 2 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.

P = 135 kNn = 2L = 3 mE = 70 GPa (Aluminium)
d = mm
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
1404001614xMaße in mm

Ein symmetrischer I-Querschnitt hat Flansche mit 140 mm Breite und 16 mm Dicke, eine Gesamthöhe von 400 mm und einen Steg mit 14 mm Dicke. Bestimme sein elastisches Widerstandsmoment Sx für Biegung um die horizontale Schwerachse x.

B = 140 mmH = 400 mmtf = 16 mmtw = 14 mm
Sx = × 10³ mm³
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
200 mm300 mm180 mm80 × 40xIx​ = ?

Eine Platte von 200 mm × 300 mm hat einen rechteckigen Ausschnitt von 80 mm Breite und 40 mm Höhe, der auf der vertikalen Mittellinie sitzt und dessen Mittelpunkt 180 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.

b = 200 mmh = 300 mmAusschnitt: 80 × 40 mmLochmittelpunkt: y = 180 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 15 kN/m³γsat​ = 19,5 kN/m³14 mGrundwasserspiegelXz = 5 m

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

z = 5 mzw = 1 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 15 kN/m³Sand: γsat = 19,5 kN/m³
σ′ = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 16,5 kN/m³γsat​ = 20 kN/m³5 mTonγsat​ = 18 kN/m³8 mGrundwasserspiegelXz = 9 m

Bestimme für das gezeigte Bodenprofil den Porenwasserdruck u im Punkt X.

z = 9 mzw = 1 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 16,5 kN/m³Sand: γsat = 20 kN/m³Ton: γsat = 18 kN/m³
u = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 65 kPaSandTonCc​ = 0,45, Cr​ = 0,06e0​ = 0,85σ′0​ = 65 kPaσ′p​ = 145 kPa4 mGrundwasserspiegel

Eine 4 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,45, Cr = 0,06 und e₀ = 0,85. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 65 kPa und die Vorbelastungsspannung 145 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 65 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 4 mCc = 0,45Cr = 0,06e0 = 0,85σ′0 = 65 kPaσ′p = 145 kPaΔσ = 65 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 2,5 mcv​ = 1,5 m²/Jahr2,5 mSandGrundwasserspiegel

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

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1,5 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Wasser, seine Oberkante liegt 0,5 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.

d = 0,5 mH = 1 mb = 1,5 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
18.Hydrostatische KraftSchwer
Schützd = 1,5 mH = 2,5 m

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 3 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Glycerin, seine Oberkante liegt 1,5 m unter der Oberfläche. Bestimme die Tiefe ycp des Druckmittelpunkts unter der Oberfläche.

d = 1,5 mH = 2,5 mb = 3 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
Q = 100 L/sD = 200 mmL = 800 mf = 0,03

Wasser fließt mit 100 L/s durch ein 800 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.

Q = 100 L/sL = 800 mD = 200 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 2freier AuslaufH = ?L = 150 m, D = 250 mm, f = 0,0153× Krümmer (K = 0,3)

Ein 150 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 250 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), 3 Krümmer (je K = 0,3) und ein Ventil (K = 2). 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 = 150 mD = 250 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2
H = m
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
b = 4,5 my = 2,2 m1 : 1n = 0,014, S = 0,0008

Ein Trapezgerinne (rauer Beton) hat eine Sohlbreite von 4,5 m und eine Böschungsneigung von 1:1 (horizontal:vertikal). Wasser fließt gleichförmig 2,2 m tief. Manning n = 0,014, und das Sohlgefälle ist S = 0,0008. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

b = 4,5 my = 2,2 mz = 1n = 0,014S = 0,0008
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
b = 1,5 my = 0,6 m3 : 1n = 0,025, Q = 1,2 m³/s

Ein Trapezgerinne (Kies) mit einer Sohlbreite von 1,5 m und einer Böschungsneigung von 3:1 (horizontal:vertikal) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 0,6 m 1,2 m³/s abführen. Manning n = 0,025. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).

Q = 1,2 m³/sb = 1,5 my = 0,6 mz = 3n = 0,025
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 40 L/sH = 44 m

Eine Pumpe mit einem Wirkungsgrad von 60 % fördert 40 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 44 m. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die benötigte Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 40 L/sH = 44 mη = 60%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 75 L/sΔz = 12 mL = 500 m, D = 200 mm, f = 0,018, ΣK = 5

Eine Pumpe fördert 75 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 12 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 500 m lang, hat einen Innendurchmesser von 200 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 5 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 78 %. Bestimme die Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 75 L/sΔz = 12 mL = 500 mD = 200 mmf = 0,018ΣK = 5η = 78%
Pshaft = kW
25.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre0123…9PV = ?€2 000+1,5%+1,5%…r = 5,5%

Eine Immobilie soll im nächsten Jahr eine Nettomiete von €2 000 erzielen. Die Miete soll für immer um 1,5 % pro Jahr wachsen. Die geforderte Rendite beträgt 5,5 % pro Jahr. Bestimme den heutigen Wert PV der Immobilie.

C1 = €2 000g = 1,5%r = 5,5%
PV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…192A?AA€10 000

Du möchtest in 16 Jahren €10 000 haben. Du sparst am Ende jedes Monats denselben Betrag auf einem Konto mit 4,8 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Bestimme die monatliche Einzahlung A.

FV = €10 0004,8% / 12N = 192
A = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre01234−45 00015 00018 00015 00018 000

Eine Investition von €45 000 bringt am Ende der Jahre 1 bis 4 diese Zahlungen: €15 000, €18 000, €15 000, €18 000. Die Kapitalkosten betragen 15 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

r = 15%CF0 = −45 000CF1 = 15 000CF2 = 18 000CF3 = 15 000CF4 = 18 000
NPV = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre012−25 00012 00016 500

Ein Projekt kostet €25 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 2 €12 000, €16 500. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.

CF0 = −25 000CF1 = 12 000CF2 = 16 500
IRR = %
29.NormalverteilungMittel
−3−2−10123zschattierte Fläche zwischen −z und z = 0,9523

Ziehe z so, dass die schattierte Fläche zwischen −z und z unter der Standardnormalverteilung gleich 0,9523 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.

A = 0,9523
z =
30.NormalverteilungSchwer
380420460500540580620hunten 40%

Die Lebensdauern von Batterien sind normalverteilt mit dem Mittelwert 500 h und der Standardabweichung 40 h. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten unteren 40 % links davon liegen. Bestimme die Grenze x.

μ = 500 hσ = 40 h40%
x = h

3Lösungen

1.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RB = 13,5 kN

Statisches Gleichgewicht: Für einen ruhenden Körper gilt ΣFx = 0, ΣFy = 0 und ΣM = 0 um jeden Punkt. Ersetze jede Streckenlast durch ihre Resultierende (ihre Fläche), die im Schwerpunkt der Lastfigur angreift, und bilde die Momente um ein Auflager, damit dessen Auflagerkraft aus der Gleichung herausfällt.

Momente um A

Gegen den Uhrzeigersinn positiv.

ΣMA = 0: RB·10 − 25·7 + 40 = 0
RB = 135/10 = 13,5 kN

Vertikales Gleichgewicht

RA = 25 − 13,5 = 11,5 kN

Antwort

RB = 13,5 kN

Eine negative Auflagerkraft wirkt nach unten.

2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 18,75 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 = 15 kNABRA​RB​2 m2 m2 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 = 5 m
ΣMA = 0: RB·8 = 15·2 + 10·2·5
RB = 130/8 = 16,25 kN
ΣFy = 0: RA = 35 − 16,25 = 18,75 kN

Antwort

RA = 18,75 kN
3.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: FAB = −55,34 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.

ABBCACACB60 kNAy​Cy​

Auflagerkräfte

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 60·1 → Cy = 7,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 7,5 = 52,5 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 = 3/3,162 = 0,9487
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −52,5/0,9487 = −55,34 kN

Antwort

FAB = −55,34 kN (Druck)
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: 70,42 kN (T), BC: 82,5 kN (T), CD: 82,5 kN (T), DE: 47,92 kN (T), FG: 70,42 kN (C), GH: 47,92 kN (C), AF: 56,77 kN (C), HE: 59,9 kN (C), BF: 9,063 kN (T), CG: 0, DH: 25,94 kN (T), BG: 15,1 kN (C), DG: 43,23 kN (C)

Antwort

Nullstab: CG
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: MA = −133,5 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.

Den Teil mit dem freien Ende behalten

P: −60·2 = −120 kN·m
w: −3·3²/2 = −13,5 kN·m
MA = −120 − 13,5 = −133,5 kN·m

Antwort

MA = −133,5 kN·m

Negativ bedeutet Zug an der Oberseite.

6.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mmax = 18 kN·m

Schnittverfahren: Schneide den Balken dort, wo du die Schnittgrößen brauchst, und behalte eine Seite. Die Querkraft V hält den vertikalen Kräften dieser Seite das Gleichgewicht, das Biegemoment M ihren Momenten um den Schnitt. Maximales Moment: Wegen dM/dx = V hat das Biegemoment sein Maximum dort, wo die Querkraft durch null geht, entweder an einer Einzellast oder innerhalb einer Streckenlast.

Auflagerkräfte

Gleichgewicht des ganzen Balkens.

Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 16·2 = 32 kN, angreifend bei x̄ = 1 m
ΣMA = 0: RB·4 = 16·2·1
RB = 32/4 = 8 kN
ΣFy = 0: RA = 32 − 8 = 24 kN

Querkraftnullstelle

Die Querkraft beginnt bei RA, bleibt über unbelastete Abschnitte konstant und fällt innerhalb der Last mit der Steigung w.

RA − w·(x0 − 0) = 0
x0 = 0 + 24/16 = 1,5 m

Maximales Moment

Mmax = RA·x0 − w·(x0 − 0)²/2 = 24·1,5 − 16·1,5²/2 = 18 kN·m

Antwort

Mmax = 18 kN·m
7.Durchbiegung

Antwort: θA = 0,01617 rad

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). Die Neigung θ = dv/dx ist das erste Integral von M/(EI); in konsistenten Einheiten ergibt sie sich im Bogenmaß.

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 = 5 N/mm, L = 5000 mm
EI = 1,61 × 10¹² N·mm²

Endneigung

θA = wL³/(24EI) = 5·5000³/(24·1,61 × 10¹²) = 0,01617 rad

Antwort

θA = 0,01617 rad

Das sind 0,9268°.

8.Durchbiegung

Antwort: δmax = 3,753 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 = 29000 N, b = 1000 mm, L = 4000 mm
EI = 7,2 × 10¹² N·mm²

Lage des Maximums

Setzt man die Neigung im längeren Abschnitt null, erhält man die Lage.

x = √((L² − b²)/3) = √((4000² − 1000²)/3) = 2236 mm

Maximale Durchbiegung

δmax = Pb(L² − b²)3/2/(9√3·EIL) = 3,753 mm

Antwort

δmax = 3,753 mm
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 12,21 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Knicklänge

KL = 1·6000 = 6000 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·636173/6000² = 12209 N = 12,21 kN

Antwort

Pcr = 12,21 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: d = 65,06 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 = 2·135000 = 270000 N
KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Nach dem Durchmesser auflösen

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·270000·1500²/(π³·70000))^(1/4) = 65,06 mm

Antwort

d = 65,06 mm

Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 92,23, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.

11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Sx = 1117 × 10³ mm³

Flächenträgheitsmoment: Für ein Rechteck gilt um seine eigene Schwerachse I = bh³/12 und um seine Grundlinie bh³/3 (Satz von Steiner I = Ic + A·d²). Ein Loch wird berücksichtigt, indem man sein I abzieht, solange beide Teile dieselbe Achse haben. Das elastische Widerstandsmoment ist S = I/c, wobei c der Abstand zur Randfaser ist.

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 = 400 − 2·16 = 368 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (140·400³ − 126·368³)/12
Ix = 2,234 × 10⁸ mm⁴

Widerstandsmoment

c = H/2 = 200 mm
Sx = I/c = 2,234 × 10⁸/200
Sx = 1,117 × 10⁶ mm³ = 1117 × 10³ mm³

Antwort

Sx = 1117 × 10³ mm³
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 446,5 × 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 = (60000·150 − 3200·180)/(60000 − 3200) = 148,3 mm

Volle Platte um ȳ

200·300³/12 + 60000·1,69² = 450,2 × 10⁶ mm⁴

Loch um ȳ

80·40³/12 + 3200·31,69² = 3,64 × 10⁶ mm⁴

Subtrahieren

Ix = 446,5 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 446,5 × 10⁶ mm⁴
13.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ′ = 53,76 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) = 15·1 + 19,5·4 = 93 kPa

Porenwasserdruck

Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.

u = γw·(z − zw) = 9,81·4 = 39,24 kPa

Effektive Spannung

σ′ = σ − u = 93 − 39,24 = 53,76 kPa

Antwort

σ′ = 53,76 kPa
14.Effektive Spannung im Boden

Antwort: u = 78,48 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).

Porenwasserdruck

Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.

u = γw·(z − zw) = 9,81·8 = 78,48 kPa

Antwort

u = 78,48 kPa
15.Konsolidationssetzung

Antwort: S = 39,05 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 = 65 + 65 = 130 kPa ≤ 145 kPa

Setzung

Der Ton bleibt auf seiner Wiederbelastungslinie.

S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,06·4/(1 + 0,85)·log₁₀(130/65) = 39,05 mm

Antwort

S = 39,05 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 0,2052 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 = 2,5/2 = 1,25 m

Zeit

t = Tv·Hdr²/cv = 0,197·1,25²/1,5 = 0,2052 Jahre

Antwort

t = 0,2052 Jahre
17.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 14,71 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 = 0,5 + 1/2 = 1 m
A = H·b = 1·1,5 = 1,5 m²
Schützd = 0,5 mH = 1 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·1·1,5 = 14,71 kN

Antwort

F = 14,71 kN
18.Hydrostatische Kraft

Antwort: ycp = 2,939 m

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

Schwerpunkttiefe und Fläche

yc = d + H/2 = 1,5 + 2,5/2 = 2,75 m
A = H·b = 2,5·3 = 7,5 m²
Schützd = 1,5 mH = 2,5 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·2,75·7,5 = 254,9 kN

Druckmittelpunkt

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

Ic = b·H³/12 = 3·2,5³/12 = 3,906 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 2,75 + 3,906/(2,75·7,5) = 2,939 m

Antwort

ycp = 2,939 m
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 61,97 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·0,2²/4 = 0,03142 m²
V = Q/A = 0,1/0,03142 = 3,183 m/s

Geschwindigkeitshöhe

V²/(2g) = 3,183²/(2·9,81) = 0,5164 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(800/0,2)·3,183²/(2·9,81) = 61,97 m

Antwort

hf = 61,97 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: H = 4,082 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 = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s
V²/(2g) = 0,3046 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,015·150/0,25 = 9
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 = 3,4

Energiegleichung

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

H = (1 + 9 + 3,4)·0,3046 = 4,082 m

Antwort

H = 4,082 m
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 36,82 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 = (4,5 + 1·2,2)·2,2 = 14,74 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 4,5 + 2·2,2·√(1 + 1²) = 10,72 m
R = A/P = 1,375 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,014)·1,3752/3·0,00081/2 = 2,498 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 14,74·2,498 = 36,82 m³/s

Antwort

Q = 36,82 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,0008521 m/m

Manning-Gleichung (SI): Für gleichförmige Strömung in einem offenen Gerinne gilt V = (1/n)·R2/3·S1/2 und Q = A·V, mit dem Rauheitsbeiwert n, dem Sohlgefälle S (m/m) und dem hydraulischen Radius R = A/P: Fließquerschnitt geteilt durch benetzten Umfang. In P zählt nur der Rand, der mit dem Wasser in Berührung ist, nicht der Wasserspiegel. Rechteck: A = b·y, P = b + 2y. Trapez mit Böschungsneigung z:1 (horizontal:vertikal): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Ein voll oder halb gefülltes Kreisrohr hat R = D/4.

Geometrie

A = (b + z·y)·y = (1,5 + 3·0,6)·0,6 = 1,98 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 1,5 + 2·0,6·√(1 + 3²) = 5,295 m
R = A/P = 0,374 m

Manning nach S auflösen

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,025·1,2/(1,98·0,5191) = 0,02919
S = 0,02919² = 0,0008521

Antwort

S = 0,0008521

Das ist ein Gefälle von 0,8521 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 28,78 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.

Hydraulische Leistung

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,04·44 = 17,27 kW

Wellenleistung

Pshaft = Ph/η = 17,27/0,6 = 28,78 kW

Antwort

Pshaft = 28,78 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 25,02 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 = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (45 + 5)·0,2905 = 14,52 m

Förderhöhe

H = Δz + hL = 12 + 14,52 = 26,52 m

Wellenleistung

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,075·26,52/0,78 = 25,02 kW

Antwort

Pshaft = 25,02 kW
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: PV = 50000 €

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) = 2 000/(0,055 − 0,015) = 2 000/0,04 = €50 000,00

Antwort

PV = €50 000,00
26.Zeitwert des Geldes

Antwort: A = 34,72 €

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 Einzahlungen

i = 0,048/12 = 0,004
N = 12·16 = 192

Einzahlung

A = FV·i/((1 + i)N − 1) = 10 000·0,004/(2,152 − 1) = €34,72

Antwort

A = €34,72
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = 1808 €

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 = −45 000
CF1/(1 + 0,15)1 = 15 000/1,15 = 13 043,48
CF2/(1 + 0,15)2 = 18 000/1,322 = 13 610,59
CF3/(1 + 0,15)3 = 15 000/1,521 = 9 862,74
CF4/(1 + 0,15)4 = 18 000/1,749 = 10 291,56

Addieren

NPV = €1 808,37

Antwort

NPV = €1 808,37

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

28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 8,711 %

Kapitalwert: Zinse jeden Zahlungsstrom mit der geforderten Rendite r auf heute ab und addiere alle: NPV = Σ CFₜ/(1 + r)ᵗ. Ein Projekt mit NPV > 0 verdient mehr als r und schafft Wert. Der interne Zinsfuß (IRR) ist der Zinssatz, bei dem NPV = 0 ist.

Den IRR eingrenzen

Der Kapitalwert sinkt mit steigendem Zins, also liegt der IRR zwischen einem Zinssatz mit positivem und einem mit negativem Kapitalwert.

NPV(5%) = 1 394,56
NPV(10%) = −454,55

Eingrenzen

Lineare Interpolation liefert eine erste Schätzung; Wiederholen (oder die IRR-Funktion eines Rechners) liefert den genauen Zinssatz.

IRR ≈ 5 + 5·1 394,56/(1 394,56 − (−454,55)) = 8,771%
exakt: NPV(8,711%) = 0 → IRR = 8,711%

Antwort

IRR = 8,711%
29.Normalverteilung

Antwort: z = 1,98

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 + 0,9523)/2 = 0,9761

Die z-Tabelle rückwärts lesen

Finde 0,9761 in der Tabelle und lies z ab.

z = 1,98

Antwort

z = 1,98
30.Normalverteilung

Antwort: x = 490 h

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 = 500 − 0,25·40 = 490 h

Antwort

x = 490 h

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