R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
Rechteck
A = b·y, P = b + 2y
Trapez (Böschungsneigung z:1)
A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
Kreisrohr, voll oder halb gefüllt
R = D/4
Erforderliches Gefälle
S = (n·Q/(A·R2/3))²
Pumpen und Pumpenleistung
Hydraulische Leistung
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Wellenleistung
Pshaft = Ph/ηpump
Elektrische Leistung
Pel = Pshaft/ηmotor
Förderhöhe
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Anlagenverluste
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Zeitwert des Geldes
Endwert
FV = PV·(1 + i)n
Barwert
PV = FV/(1 + i)n
Mehrere Perioden pro Jahr
i = r/m, N = m·n
Rente, Barwert
PV = PMT·[1 − (1 + i)−n]/i
Rente, Endwert
FV = PMT·[(1 + i)n − 1]/i
Methode
Zeichne einen Zeitstrahl mit jeder Zahlung und ihrem Zeitpunkt.
Passe den Zinssatz an die Periode an: ein Monatszins für monatliche Zahlungen.
Verwende FV = PV·(1 + i)ⁿ für Einzelbeträge und die Rentenformeln für gleich hohe Zahlungen.
Prüfe Vorzeichen und Größenordnung des Ergebnisses.
Kapitalwert & interner Zinsfuß
Kapitalwert
NPV = −C0 + Σ CFt/(1 + r)t
Gleiche Zahlungen
NPV = −C0 + CF·[1 − (1 + r)−n]/r
Interner Zinsfuß
das r, bei dem NPV = 0
Entscheidung
annehmen, wenn NPV > 0 (oder IRR > geforderte Rendite)
Methode
Liste alle Zahlungen mit ihrem Jahr auf; die Investition in Jahr 0 ist negativ.
Zinse jede Zahlung ab: CFt/(1 + r)t.
Addiere sie zum Kapitalwert (NPV). Positiv bedeutet, dass das Projekt mehr als r erwirtschaftet.
Für den internen Zinsfuß (IRR) suchst du durch Probieren oder Interpolation den Zinssatz, bei dem der Kapitalwert null ist.
Normalverteilung
z-Wert
z = (x − μ)/σ
Unterhalb von x
P(X < x) = Φ(z)
Oberhalb von x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
Dazwischen
Φ(z2) − Φ(z1)
Perzentil
x = μ + z·σ
Methode
Rechne den Wert in einen z-Wert um: z = (x − μ)/σ.
Lies Φ(z) ab, die Fläche links von z.
Für die Fläche rechts verwende 1 − Φ(z); für ein Intervall subtrahiere die beiden linken Flächen.
Für ein Perzentil rechnest du rückwärts: Bestimme z zur Fläche, dann x = μ + z·σ.
2Übungsaufgaben
1.Auflagerkräfte am BalkenMittel
Der Einfeldträger hat in A ein Festlager und in B ein Loslager. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RB.
L = 5 mP1 = 60 kN bei 1,5 mP2 = 15 kN bei 4 m
RB = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
Der Kragträger ist in A an der Wand eingespannt. Er trägt eine linear veränderliche Last, die an der Wand null ist und bis zum freien Ende B auf 4 kN/m ansteigt, sowie eine Einzellast P im Abstand 2 m von der Wand. Bestimme den Betrag des Einspannmoments MA an der Wand.
L = 6 mw0 = 4 kN/mP = 50 kN bei 2 m
MA = kN·m
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
Genau ein Stab dieses Fachwerks trägt unter diesen Lasten keine Kraft. Welcher ist der Nullstab? Klicke ihn im Diagramm an.
B: 25 kN ↓
1Stab AB
2Stab BC
3Stab CD
4Stab DE
5Stab FG
6Stab GH
7Stab AF
8Stab HE
9Stab BF
10Stab CG
11Stab DH
12Stab BG
13Stab DG
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
Genau ein Stab dieses Fachwerks trägt unter diesen Lasten keine Kraft. Welcher ist der Nullstab? Klicke ihn im Diagramm an.
H: 40 kN ←
1Stab AB
2Stab BC
3Stab CD
4Stab DE
5Stab FG
6Stab GH
7Stab AF
8Stab HE
9Stab BF
10Stab CG
11Stab DH
12Stab BG
13Stab DG
5.Querkraft und BiegemomentMittel
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.
45 kN @ 4 m30 kN @ 5 m
1A (x = 0 m)
2B (x = 1 m)
3C (x = 2 m)
4D (x = 3 m)
5E (x = 4 m)
6F (x = 5 m)
7G (x = 6 m)
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
Bestimme das Biegemoment Mx im Schnitt x = 1 m vom Auflager A. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.
L = 10 mP = 25 kN bei 1 mw = 6 kN/m von 0 bis 10 mx = 1 m
Mx = kN·m
7.DurchbiegungMittel
Ein Einfeldträger trägt über die ganze Spannweite eine Gleichstreckenlast w. Bestimme die maximale Durchbiegung δmax in Feldmitte.
w = 6 kN/mL = 2,5 mE = 11 GPa (Holz)I = 36 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.DurchbiegungSchwer
Ein Einfeldträger trägt eine Gleichstreckenlast w. Seine Durchbiegung darf Spannweite/360 nicht überschreiten. Bestimme das kleinste Flächenträgheitsmoment Ireq, das diese Grenze einhält.
w = 4 kN/mL = 3 mE = 70 GPa (Aluminium)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von StützenMittel
Eine Stütze der Länge L aus Aluminium ist unten eingespannt und oben frei. Bestimme mit der Euler-Formel ihre kritische Knicklast Pcr.
L = 2,5 mE = 70 GPa (Aluminium)b × h = 25 × 60 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
Eine Stütze der Länge L aus Stahl ist an beiden Enden eingespannt. Bestimme ihre Schlankheit und die kritische Knickspannung σcr nach Euler.
L = 6 mE = 200 GPa (Stahl)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
Ein rechteckiger Hohlquerschnitt (Kastenquerschnitt) hat die Außenbreite B = 260 mm, die Außenhöhe H = 325 mm und eine gleichmäßige Wanddicke t = 16 mm. Bestimme seinen Trägheitsradius r um die horizontale Schwerachse.
B = 260 mmH = 325 mmt = 16 mm
r = mm
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
Der T-Querschnitt wird als Balken mit dem Flansch oben verwendet und trägt ein positives Biegemoment von 15 kN·m. Bestimme die Biegespannung σunten an der Unterkante.
Eine 5 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,35, Cr = 0,05 und e₀ = 1,2. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 120 kPa und die Vorbelastungsspannung 160 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 90 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.
Eine 2,5 m dicke Tonschicht hat einen Konsolidationsbeiwert cv = 1,5 m²/Jahr. Sie liegt auf undurchlässigem Fels, mit Sand darüber, das Wasser kann also nur oben austreten. Für 90 % mittlere Konsolidation ist der Zeitfaktor Tv = 0,848. Wie viele Jahre t braucht die Schicht, um 90 % Konsolidation zu erreichen?
Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 3 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Wasser, seine Oberkante liegt 1,5 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.
Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 2 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Öl, seine Oberkante liegt 1 m unter der Oberfläche. Bestimme die Tiefe ycp des Druckmittelpunkts unter der Oberfläche.
d = 1 mH = 2,5 mb = 2 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
Wasser fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 0,8 m/s durch ein 100 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 100 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,025 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.
Zwei offene Behälter sind durch ein 100 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 250 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,02 verbunden. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 3 Krümmer (je K = 0,3), ein Ventil (K = 5) und der Auslauf in den unteren Behälter (K = 1,0). Verwende g = 9,81 m/s². Welcher Wasserspiegelunterschied Δz zwischen den Behältern ergibt einen Durchfluss von 50 L/s?
Ein Regenwasserkanal aus Beton mit einem Innendurchmesser von 600 mm läuft gerade voll (als Freispiegelleitung, nicht unter Druck). Manning n = 0,013, und das Gefälle ist S = 0,003. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.
D = 600 mmn = 0,013S = 0,003
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
Ein Betonkanal mit einem Innendurchmesser von 600 mm (Manning n = 0,013) muss bei gerade voller Füllung eine Selbstreinigungsgeschwindigkeit von 0,75 m/s erreichen. Bestimme das Mindestgefälle S (in m/m).
D = 600 mmn = 0,013V = 0,75 m/s
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
Eine Pumpe fördert 15 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 18 m. Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 78 %, und der antreibende Elektromotor hat einen Wirkungsgrad von 90 %. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die elektrische Leistung Pel, die der Motor aufnimmt, in kW.
Eine Pumpe fördert 75 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 11 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 100 m lang, hat einen Innendurchmesser von 200 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 Pumpenwirkungsgrad beträgt 72 %. Bestimme die Wellenleistung Pshaft in kW.
Du legst €12 000 zu einem Nominalzins von 2 % pro Jahr mit monatlicher Verzinsung an. Bestimme den Wert FV der Anlage nach 7 Jahren.
PV = €12 0002% / 12n = 7
FV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Du leihst dir €10 000 zu 4,8 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung und zahlst am Ende jedes Monats €250 zurück. Wie viele Monate dauert es, bis das Darlehen getilgt ist (die letzte Rate darf kleiner sein)? Gib die Anzahl der Raten N an.
P = €10 000A = €2504,8% / 12
N = Raten
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Eine Maschine kostet heute €30 000. Sie erwirtschaftet 6 Jahre lang am Ende jedes Jahres €5 500 und kann danach für €6 000 verkauft werden. Die Kapitalkosten betragen 12 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.
C0 = €30 000CF = €5 500S = €6 000n = 6r = 12%
NPV = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Ein Projekt kostet €50 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 €21 000, €25 000, €37 000. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.
CF0 = −50 000CF1 = 21 000CF2 = 25 000CF3 = 37 000
IRR = %
29.NormalverteilungMittel
Ziehe z so, dass die schattierte Fläche unter der Standardnormalverteilung rechts von z gleich 0,0166 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.
A = 0,0166
z =
30.NormalverteilungSchwer
Die Lebensdauern von Batterien sind normalverteilt mit dem Mittelwert 500 h und der Standardabweichung 40 h. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten oberen 85 % rechts davon liegen. Bestimme die Grenze x.
μ = 500 hσ = 40 h85%
x = h
3Lösungen
1.Auflagerkräfte am Balken
Antwort: RB = 30 kN
Statisches Gleichgewicht: Für einen ruhenden Körper gilt ΣFx = 0, ΣFy = 0 und ΣM = 0 um jeden Punkt. Bildet man die Momente um ein Auflager, fällt dessen Auflagerkraft aus der Gleichung heraus.
Freikörperbild
Ersetze die Lager durch Auflagerkräfte. Ein Loslager gibt eine vertikale Kraft; bei nur vertikalen Lasten gibt auch das Festlager nur eine vertikale Kraft.
Gleichgewicht
Momente um A, gegen den Uhrzeigersinn positiv. Dann das Kräftegleichgewicht in vertikaler Richtung.
ΣMA = 0: RB·5 = 60·1,5 + 15·4
RB = 150/5 = 30 kN
ΣFy = 0: RA = 75 − 30 = 45 kN
Antwort
RB = 30 kN
2.Auflagerkräfte am Balken
Antwort: MA = 148 kN·m
Gleichgewicht am Kragarm: Eine Einspannung kann nach oben drücken und auch eine Drehung verhindern, sie liefert also eine vertikale Auflagerkraft RA und ein Einspannmoment MA. ΣFy = 0 liefert RA, und die Momente um die Wand liefern MA = Σ(Last × Abstand von der Wand). Eine Streckenlast wirkt als ihre Resultierende im Schwerpunkt der Lastfigur.
Resultierende der Dreieckslast
W = ½·4·6 = 12 kN
x̄ = 2L/3 = 4 m
Moment um die Wand
MA = W·x̄ + P·a = 12·4 + 50·2 = 148 kN·m
Antwort
MA = 148 kN·m
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).
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).
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 = 20 kN, R2 = 55 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 = 20, MC = 40, MD = 60, ME = 80 kN·m, MF = 55, MG = 0
Antwort
Markierung E: ME = 80 kN·m
6.Querkraft und Biegemoment
Antwort: Mx = 49,5 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.
Auflagerkräfte
Gleichgewicht des ganzen Balkens.
Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 6·10 = 60 kN, angreifend bei x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 25·1 + 6·10·5
RB = 325/10 = 32,5 kN
ΣFy = 0: RA = 85 − 32,5 = 52,5 kN
Schnitt bei x = 1 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 = 52,5·1 − 6·1·0,5 = 49,5 kN·m
Antwort
Mx = 49,5 kN·m
7.Durchbiegung
Antwort: δmax = 7,706 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 = 6 N/mm, L = 2500 mm
EI = 3,96 × 10¹¹ N·mm²
Durchbiegung
δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·6·2500⁴/(384·3,96 × 10¹¹) = 7,706 mm
Antwort
δmax = 7,706 mm
8.Durchbiegung
Antwort: Ireq = 7,232 × 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 = 3000/360 = 8,333 mm
Erforderliches Flächenträgheitsmoment
I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·4·3000⁴/(384·70000·8,333) = 7,232 × 10⁶ mm⁴
Ireq = 7,232 × 10⁶ mm⁴
Antwort
Ireq = 7,232 × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von Stützen
Antwort: Pcr = 2,159 kN
Knicken nach Euler: Eine schlanke Stütze wird bei Pcr = π²EI/(KL)² instabil, wobei KL die Knicklänge ist: K = 1 für gelenkig–gelenkig, 2 für eingespannt–frei, 0,7 für eingespannt–gelenkig und 0,5 für eingespannt–eingespannt. Sie knickt um die Achse mit dem kleinsten I aus. Die Formel gilt für schlanke Stützen, deren kritische Spannung unter der Streckgrenze bleibt.
Kleinstes Flächenträgheitsmoment
Ein Rechteck knickt um seine schwache Achse, mit der kleineren Abmessung hoch drei.
Knicken nach Euler: Eine schlanke Stütze wird bei Pcr = π²EI/(KL)² instabil, wobei KL die Knicklänge ist: K = 1 für gelenkig–gelenkig, 2 für eingespannt–frei, 0,7 für eingespannt–gelenkig und 0,5 für eingespannt–eingespannt. Sie knickt um die Achse mit dem kleinsten I aus. Die Formel gilt für schlanke Stützen, deren kritische Spannung unter der Streckgrenze bleibt.
Kleinstes Flächenträgheitsmoment
Ein runder Querschnitt hat um jede Achse dasselbe I.
I = πd⁴/64 = π·30⁴/64 = 39761 mm⁴
Trägheitsradius und Schlankheit
A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 0,5·6000 = 3000 mm
KL/r = 3000/7,5 = 400
Kritische Spannung
σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/400² = 12,34 MPa
Antwort
σcr = 12,34 MPa
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment
Antwort: r = 122,6 mm
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. Der Trägheitsradius r = √(I/A) ist der Abstand, in dem die ganze Fläche dasselbe I ergäbe; er wird beim Knicken von Stützen verwendet.
Nettofläche und Netto-Flächenträgheitsmoment
b = 228 mm, h = 293 mm
A = BH − bh = 260·325 − 228·293 = 17696 mm²
I = (BH³ − bh³)/12 = 2,659 × 10⁸ mm⁴
Trägheitsradius
r = √(I/A) = √(2,659 × 10⁸/17696) = 122,6 mm
Antwort
r = 122,6 mm
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment
Antwort: σunten = 109,4 MPa
Zusammengesetzte Flächen: Teile den Querschnitt in Rechtecke. Der Schwerpunkt ist der flächengewichtete Mittelwert ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Das Flächenträgheitsmoment um die Schwerachse addiert für jeden Teil sein eigenes bh³/12 und seinen Steiner-Anteil A·d², wobei d der Abstand vom Teilschwerpunkt zum Gesamtschwerpunkt ist. Die Biegespannung ist σ = M·y/I.
In zwei Rechtecke teilen
Miss jedes y von der Unterkante aus.
Flansch: Af = 140·25 = 3500 mm², yf = 160 + 25/2 = 172,5 mm
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.
Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.
u = γw·(z − zw) = 9,81·3 = 29,43 kPa
Effektive Spannung
σ′ = σ − u = 121,5 − 29,43 = 92,07 kPa
Antwort
σ′ = 92,07 kPa
14.Effektive Spannung im Boden
Antwort: σ′ = 93,42 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·4 + γsat,clay·3,5
σ = 15·2 + 18,5·4 + 18·3,5 = 167 kPa
Porenwasserdruck
Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.
u = γw·(z − zw) = 9,81·7,5 = 73,58 kPa
Effektive Spannung
σ′ = σ − u = 167 − 73,58 = 93,42 kPa
Antwort
σ′ = 93,42 kPa
15.Konsolidationssetzung
Antwort: S = 108,1 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 + 90 = 210 kPa > 160 kPa
Setzung
Wiederbelastung bis σ′p, Erstbelastung darüber.
S = 0,05·5/(1 + 1,2)·log₁₀(160/120) + 0,35·5/(1 + 1,2)·log₁₀(210/160)
S = 14,2 + 93,94 = 108,1 mm
Antwort
S = 108,1 mm
16.Konsolidationssetzung
Antwort: t = 3,533 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 = 2,5 m
Zeit
t = Tv·Hdr²/cv = 0,848·2,5²/1,5 = 3,533 Jahre
Antwort
t = 3,533 Jahre
17.Hydrostatische Kraft
Antwort: F = 147,2 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 = 1,5 + 2/2 = 2,5 m
A = H·b = 2·3 = 6 m²
Resultierende Kraft
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,5·6 = 147,2 kN
Antwort
F = 147,2 kN
18.Hydrostatische Kraft
Antwort: ycp = 2,481 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 + 2,5/2 = 2,25 m
A = H·b = 2,5·2 = 5 m²
Resultierende Kraft
F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·2,25·5 = 97,12 kN
Druckmittelpunkt
Der Druck nimmt mit der Tiefe zu, daher greift die Resultierende unterhalb des Schwerpunkts an.
Rohrströmung: Die Reynolds-Zahl Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ unterscheidet laminare Strömung (Re unter etwa 2000) von turbulenter Strömung (über etwa 4000). Reibung entlang eines Rohrs kostet die Verlusthöhe nach Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Formstücke, Armaturen, Einlauf und Auslauf erzeugen zusätzlich örtliche Verluste hm = ΣK·V²/(2g). Zwischen zwei offenen Wasserspiegeln liefert die Energiegleichung Δz = hf + hm, einschließlich des Auslaufverlusts K = 1.
Geschwindigkeitshöhe
V²/(2g) = 0,8²/(2·9,81) = 0,03262 m
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(100/0,1)·0,8²/(2·9,81) = 0,8155 m
Antwort
hf = 0,8155 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe
Antwort: Δz = 0,8144 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 = 0,05/0,04909 = 1,019 m/s
V²/(2g) = 0,05288 m
Verlustbeiwerte
f·L/D = 0,02·100/0,25 = 8
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 5 + 1,0 = 7,4
Gesamte Verlusthöhe
hf = 8·0,05288 = 0,423 m
hm = 7,4·0,05288 = 0,3913 m
Δz = hf + hm = 0,8144 m
Antwort
Δz = 0,8144 m
21.Gerinneströmung (Manning)
Antwort: Q = 0,3363 m³/s
Manning-Gleichung (SI): Für gleichförmige Strömung in einem offenen Gerinne gilt V = (1/n)·R2/3·S1/2 und Q = A·V, mit dem Rauheitsbeiwert n, dem Sohlgefälle S (m/m) und dem hydraulischen Radius R = A/P: Fließquerschnitt geteilt durch benetzten Umfang. In P zählt nur der Rand, der mit dem Wasser in Berührung ist, nicht der Wasserspiegel. Rechteck: A = b·y, P = b + 2y. Trapez mit Böschungsneigung z:1 (horizontal:vertikal): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Ein voll oder halb gefülltes Kreisrohr hat R = D/4.
Geometrie
A = 0,2827 m², R = D/4 = 0,15 m
Geschwindigkeit
V = (1/0,013)·0,152/3·0,0031/2 = 1,189 m/s
Volumenstrom
Q = A·V = 0,2827·1,189 = 0,3363 m³/s
Antwort
Q = 0,3363 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)
Antwort: S = 0,001193 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 = 0,6/4 = 0,15 m
Manning nach S auflösen
S = (n·V/R2/3)² = (0,013·0,75/0,2823)² = 0,001193
Antwort
S = 0,001193
Das ist ein Gefälle von 1,193 m pro Kilometer.
23.Pumpen und Pumpenleistung
Antwort: Pel = 3,773 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 = 1000·9,81·0,015·18 = 2,649 kW
Wellenleistung
Pshaft = 2,649/0,78 = 3,396 kW
Elektrische Leistung
Pel = 3,396/0,9 = 3,773 kW
Antwort
Pel = 3,773 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung
Antwort: Pshaft = 15,84 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.
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.
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.
Die Rentenformel umstellen
i = 0,004
(1 + i)−N = 1 − 10 000·0,004/250 = 0,84
Mit Logarithmen lösen
N = −ln(0,84)/ln(1,004) = 43,68
Auf ganze Raten aufrunden
43 volle Raten lassen eine kleine Restschuld, die die letzte, kleinere Rate tilgt.
N = 44
Antwort
N = 44 Raten
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß
Antwort: NPV = −4347 €
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 der jährlichen Zahlungen
5 500·4,111 = 22 612,74
Barwert des Restwerts
6 000/1,974 = 3 039,79
NPV
NPV = −30 000 + 22 612,74 + 3 039,79 = −€4 347,47
Antwort
NPV = −€4 347,47
28.Kapitalwert & interner Zinsfuß
Antwort: IRR = 27,12 %
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(25%) = 1 744,00
NPV(30%) = −2 212,11
Eingrenzen
Lineare Interpolation liefert eine erste Schätzung; Wiederholen (oder die IRR-Funktion eines Rechners) liefert den genauen Zinssatz.
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 − 0,0166 = 0,9834
Die z-Tabelle rückwärts lesen
Finde 0,9834 in der Tabelle und lies z ab.
z = 2,13
Antwort
z = 2,13
30.Normalverteilung
Antwort: x = 458 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) = 0,15
z aus der Tabelle
z ≈ −1,04
Zurück zu den ursprünglichen Einheiten
x = 500 − 1,04·40 = 458 h
Antwort
x = 458 h
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