Übungsaufgaben für die Prüfung FE Civil: Lernpaket

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

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1Formeln und Methoden

Auflagerkräfte am Balken

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

Methode

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

Fachwerk: Knotenpunktverfahren

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

Methode

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

Querkraft und Biegemoment

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

Methode

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

Durchbiegung

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

Knicken von Stützen

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

Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

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

Effektive Spannung im Boden

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

Konsolidationssetzung

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

Hydrostatische Kraft

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

Rohrreibung und Verlusthöhe

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

Gerinneströmung (Manning)

Manning-Gleichung
V = (1/n)·R2/3·S1/2
Volumenstrom
Q = A·V
Hydraulischer Radius
R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
Rechteck
A = b·y, P = b + 2y
Trapez (Böschungsneigung z:1)
A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
Kreisrohr, voll oder halb gefüllt
R = D/4
Erforderliches Gefälle
S = (n·Q/(A·R2/3))²

Pumpen und Pumpenleistung

Hydraulische Leistung
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Wellenleistung
Pshaft = Ph/ηpump
Elektrische Leistung
Pel = Pshaft/ηmotor
Förderhöhe
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Anlagenverluste
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Zeitwert des Geldes

Endwert
FV = PV·(1 + i)n
Barwert
PV = FV/(1 + i)n
Mehrere Perioden pro Jahr
i = r/m, N = m·n
Rente, Barwert
PV = PMT·[1 − (1 + i)−n]/i
Rente, Endwert
FV = PMT·[(1 + i)n − 1]/i

Methode

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

Kapitalwert & interner Zinsfuß

Kapitalwert
NPV = −C0 + Σ CFt/(1 + r)t
Gleiche Zahlungen
NPV = −C0 + CF·[1 − (1 + r)−n]/r
Interner Zinsfuß
das r, bei dem NPV = 0
Entscheidung
annehmen, wenn NPV > 0 (oder IRR > geforderte Rendite)

Methode

  1. Liste alle Zahlungen mit ihrem Jahr auf; die Investition in Jahr 0 ist negativ.
  2. Zinse jede Zahlung ab: CFt/(1 + r)t.
  3. Addiere sie zum Kapitalwert (NPV). Positiv bedeutet, dass das Projekt mehr als r erwirtschaftet.
  4. Für den internen Zinsfuß (IRR) suchst du durch Probieren oder Interpolation den Zinssatz, bei dem der Kapitalwert null ist.

Normalverteilung

z-Wert
z = (x − μ)/σ
Unterhalb von x
P(X < x) = Φ(z)
Oberhalb von x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
Dazwischen
Φ(z2) − Φ(z1)
Perzentil
x = μ + z·σ

Methode

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

2Übungsaufgaben

1.Auflagerkräfte am BalkenMittel
P1​ = 60 kNP2​ = 15 kNABRA​RB​ = ?1,5 m2,5 m1 m

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
w0​ = 4 kN/mP = 50 kNABMA​ = ?2 m4 m

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
ABCDEFGH25 kN4 × 4 m3 m

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

B: 25 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
ABCDEFGH40 kN4 × 3 m4 m

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

H: 40 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
45 kN30 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 m

Die Markierungen A bis G teilen den Balken in sechs gleiche Teile. An welcher Markierung ist das Biegemoment betragsmäßig am größten, positiv oder negativ? Klicke sie im Diagramm an.

45 kN @ 4 m30 kN @ 5 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
w = 6 kN/mP = 25 kNABSchnitt1 m9 m

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
w = 6 kN/mδL = 2,5 m

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
w = 4 kN/mδL = 3 m

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
PL = 2,5 m25 × 60 mmQuerschnitt

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

L = 2,5 mE = 70 GPa (Aluminium)b × h = 25 × 60 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 6 md = 30 mmQuerschnitt

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
B = 260H = 325t = 16xMaße in mm

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
1402516016xM = 15 kN·mMaße in mm

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.

bf = 140 mmtf = 25 mmtw = 16 mmhw = 160 mmM = 15 kN·m
σunten = MPa
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 16,5 kN/m³γsat​ = 18,5 kN/m³9 mGrundwasserspiegelXz = 7 m

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

z = 7 mzw = 4 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 16,5 kN/m³Sand: γsat = 18,5 kN/m³
σ′ = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 15 kN/m³γsat​ = 18,5 kN/m³6 mTonγsat​ = 18 kN/m³7 mGrundwasserspiegelXz = 9,5 m

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

z = 9,5 mzw = 2 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 15 kN/m³Sand: γsat = 18,5 kN/m³Ton: γsat = 18 kN/m³
σ′ = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 90 kPaSandTonCc​ = 0,35, Cr​ = 0,05e0​ = 1,2σ′0​ = 120 kPaσ′p​ = 160 kPa5 mGrundwasserspiegel

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.

H = 5 mCc = 0,35Cr = 0,05e0 = 1,2σ′0 = 120 kPaσ′p = 160 kPaΔσ = 90 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 2,5 mcv​ = 1,5 m²/Jahr2,5 mundurchlässiger FelsGrundwasserspiegel

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?

H = 2,5 mcv = 1,5 m²/JahrU = 90%Tv = 0,848einseitige Entwässerung
t = Jahre
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 1,5 mH = 2 m

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.

d = 1,5 mH = 2 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 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
V = 0,8 m/sD = 100 mmL = 100 mf = 0,025

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.

V = 0,8 m/sL = 100 mD = 100 mmf = 0,025g = 9,81 m/s²
hf = m
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 5Δz = ?L = 100 m, D = 250 mm, f = 0,023× Krümmer (K = 0,3)

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?

Q = 50 L/sL = 100 mD = 250 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Δz = m
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
D = 600 mmn = 0,013, S = 0,003

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
D = 600 mmn = 0,013, V = 0,75 m/s

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
PQ = 15 L/sH = 18 m

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.

Q = 15 L/sH = 18 mηpump = 78%ηmotor = 90%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 75 L/sΔz = 11 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,015, ΣK = 8

Eine Pumpe fördert 75 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 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.

Q = 75 L/sΔz = 11 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 8η = 72%
Pshaft = kW
25.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre01234567€12 000FV = ?

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
Monate0123…N = ?€10 000€250€250€250€2504,8% / 12

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
Jahre0123456−30 0005 5005 5005 5005 5005 50011 500

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
Jahre0123−50 00021 00025 00037 000

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
−3−2−10123zschattierte Fläche rechts von z = 0,0166

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
380420460500540580620hoben 85%

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.

P1​ = 60 kNP2​ = 15 kNABRA​RB​1,5 m2,5 m1 m

Freikörperbild

Ersetze die Lager durch Auflagerkräfte. Ein Loslager gibt eine vertikale Kraft; bei nur vertikalen Lasten gibt auch das Festlager nur eine vertikale Kraft.

Gleichgewicht

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

ΣMA = 0: RB·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).

AB: 25 kN (T), BC: 16,67 kN (T), CD: 16,67 kN (T), DE: 8,333 kN (T), FG: 25 kN (C), GH: 8,333 kN (C), AF: 31,25 kN (C), HE: 10,42 kN (C), BF: 18,75 kN (T), CG: 0, DH: 6,25 kN (T), BG: 10,42 kN (T), DG: 10,42 kN (C)

Antwort

Nullstab: CG
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: 30 kN (C), BC: 20 kN (C), CD: 20 kN (C), DE: 10 kN (C), FG: 10 kN (C), GH: 30 kN (C), AF: 16,67 kN (C), HE: 16,67 kN (T), BF: 13,33 kN (T), CG: 0, DH: 13,33 kN (C), BG: 16,67 kN (C), DG: 16,67 kN (T)

Antwort

Nullstab: CG
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: E (x = 4 m)

Größtes Biegemoment: M ändert seine Steigung überall dort, wo sich die Querkraft ändert, seine Spitzen liegen also dort, wo die Querkraft null kreuzt: unter einer Einzellast, innerhalb einer Streckenlast oder über einem Auflager eines Kragarms. An einer Einspannung eines Kragarms ist das Moment an der Wand am größten. Vergleiche die Größe von M an diesen Stellen, positiv oder negativ.

Auflagerkräfte

Bilde Momente um ein Auflager und verwende dann das vertikale Kräftegleichgewicht.

R1 = 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
w = 6 kN/mP = 25 kNABRA​ = 52,5RB​ = 32,5Schnitt1 m9 m

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.

Imin = h·b³/12 = 60·25³/12 = 78125 mm⁴

Knicklänge

KL = 2·2500 = 5000 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·78125/5000² = 2159 N = 2,159 kN

Antwort

Pcr = 2,159 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 12,34 MPa

Knicken nach Euler: Eine schlanke Stütze wird bei Pcr = π²EI/(KL)² instabil, wobei KL die Knicklänge ist: K = 1 für gelenkig–gelenkig, 2 für eingespannt–frei, 0,7 für eingespannt–gelenkig und 0,5 für eingespannt–eingespannt. Sie knickt um die Achse mit dem kleinsten I aus. Die Formel gilt für schlanke Stützen, deren kritische Spannung unter der Streckgrenze bleibt.

Kleinstes Flächenträgheitsmoment

Ein runder Querschnitt hat um jede Achse dasselbe I.

I = πd⁴/64 = π·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
Steg: Aw = 16·160 = 2560 mm², yw = 160/2 = 80 mm

Schwerpunkt

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (3500·172,5 + 2560·80)/6060 = 133,4 mm

Satz von Steiner

Flansch: 140·25³/12 + 3500·(172,5 − 133,4)² = 5,527 × 10⁶ mm⁴
Steg: 16·160³/12 + 2560·(80 − 133,4)² = 1,277 × 10⁷ mm⁴
Ix = 5,527 × 10⁶ + 1,277 × 10⁷ = 1,829 × 10⁷ mm⁴

Biegespannung

Die Unterkante liegt ȳ von der Achse entfernt.

y = 133,4 mm
σ = M·y/I = 1,5 × 10⁷·133,4/1,829 × 10⁷ = 109,4 MPa

Antwort

σunten = 109,4 MPa
13.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ′ = 92,07 kPa

Effektive Spannung (Terzaghi): Das Korngerüst trägt σ′ = σ − u. Die totale Spannung σ ist das Gewicht von allem über dem Punkt, Σγ·h, mit der Trockenwichte oberhalb des Grundwasserspiegels und der gesättigten Wichte darunter. Unterhalb des Grundwasserspiegels ist der Porenwasserdruck hydrostatisch: u = γw·(Tiefe unter dem Grundwasserspiegel).

Totale Spannung

Addiere das Gewicht jeder Bodenschicht über X. Oberhalb des Grundwasserspiegels die Trockenwichte, darunter die gesättigte Wichte.

σ = γd·zw + γsat·(z − zw) = 16,5·4 + 18,5·3 = 121,5 kPa

Porenwasserdruck

Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.

u = γw·(z − zw) = 9,81·3 = 29,43 kPa

Effektive Spannung

σ′ = σ − u = 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
Schützd = 1,5 mH = 2 mF

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
Schützd = 1 mH = 2,5 mF

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.

Ic = b·H³/12 = 2·2,5³/12 = 2,604 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 2,25 + 2,604/(2,25·5) = 2,481 m

Antwort

ycp = 2,481 m
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 0,8155 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) = 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.

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) = (7,5 + 8)·0,2905 = 4,503 m

Förderhöhe

H = Δz + hL = 11 + 4,503 = 15,5 m

Wellenleistung

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,075·15,5/0,72 = 15,84 kW

Antwort

Pshaft = 15,84 kW
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 13802 €

Zeitwert des Geldes: Geld heute ist mehr wert als derselbe Betrag später, weil es Zinsen bringen kann. Bei einem Zinssatz i pro Periode wächst ein Betrag auf FV = PV·(1 + i)n. Eine Reihe gleicher Zahlungen (eine Annuität) wird bewertet, indem man alle Zahlungen aufsummiert; daraus ergeben sich die Rentenformeln.

Zinssatz und Anzahl der Perioden

i = r/m = 0,02/12 = 0,001667
N = m·n = 12·7 = 84

Endwert

FV = 12 000·(1 + 0,001667)84 = 12 000·1,15 = €13 801,68

Antwort

FV = €13 801,68
26.Zeitwert des Geldes

Antwort: N = 44 Raten

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.

IRR ≈ 25 + 5·1 744,00/(1 744,00 − (−2 212,11)) = 27,2%
exakt: NPV(27,12%) = 0 → IRR = 27,12%

Antwort

IRR = 27,12%
29.Normalverteilung

Antwort: z = 2,13

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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