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​ = 75 kNP2​ = 75 kNABCRA​ = ?1 m3,5 m1,5 m

Der Balken hat in A ein Festlager und in B, 4,5 m von A entfernt, ein Loslager und kragt über B bis zum freien Ende C aus. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RA, nach oben positiv.

AB = 4,5 mAC = 6 mP1 = 75 kN bei 1 mP2 = 75 kN bei 6 m
RA = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 5 kN/mP = 45 kNABRA​RB​ = ?4 m3 m1 m

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

L = 8 mP = 45 kN bei 7 mw = 5 kN/m von 0 bis 4 m
RB = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABCDEFGH15 kN10 kN20 kN4 × 3 m3 m

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

B: 15 kN ↓D: 10 kN ↓F: 20 kN ↓
  1. 1Stab AB
  2. 2Stab BC
  3. 3Stab CD
  4. 4Stab DE
  5. 5Stab FG
  6. 6Stab GH
  7. 7Stab AF
  8. 8Stab HE
  9. 9Stab BF
  10. 10Stab CG
  11. 11Stab DH
  12. 12Stab FC
  13. 13Stab HC
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
ABBCACACB15 kN5 kN8 m5 m2 m

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

Spannweite = 8 mHöhe = 2 mB liegt 5 m von A entferntvertikale Last = 15 kNhorizontale Last = 5 kN →
FAC = kN
5.Querkraft und BiegemomentMittel
w = 2 kN/mABSchnitt0,5 m3,5 m

Bestimme das Biegemoment Mx im Schnitt x = 0,5 m vom Auflager A. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.

L = 4 mw = 2 kN/m von 0 bis 4 mx = 0,5 m
Mx = kN·m
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
w = 2 kN/mABC5 m1,5 m

Der Balken liegt in A auf einem Festlager und in B auf einem Loslager und kragt über B um 1,5 m bis zum freien Ende C aus. Über die ganze Länge A–C wirkt eine Gleichstreckenlast w. Bestimme das maximale positive Biegemoment Mmax zwischen den Auflagern.

L = 6,5 mw = 2 kN/m von 0 bis 6,5 mAuflager bei x = 0 und x = 5 m
Mmax = kN·m
7.DurchbiegungMittel
P = 16 kNABδ4 m1 m

Ein Einfeldträger trägt eine Einzellast P im Abstand a = 4 m vom Auflager A. Bestimme die Durchbiegung δP unter der Last.

P = 16 kNa = 4 mL = 5 mE = 200 GPa (Stahl)I = 8,5 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
8.DurchbiegungSchwer
P = 80 kNAB1,5 m1,5 m

Ein einseitig eingespannter Träger ist in A eingespannt und in B gelenkig gestützt. Er trägt in Feldmitte eine Einzellast P. EI ist konstant. Bestimme die Auflagerkraft RB an der Stütze.

L = 3 mP = 80 kN bei 1,5 m
RB = kN
9.Knicken von StützenMittel
PL = 2,5 m20 × 80 mmQuerschnitt

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

L = 2,5 mE = 70 GPa (Aluminium)b × h = 20 × 80 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
P = 85 kNL = 4 md = ?Querschnitt

Eine runde Vollstütze der Länge L aus Aluminium ist an beiden Enden eingespannt. Sie muss 85 kN mit einer Sicherheit von 2 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.

P = 85 kNn = 2L = 4 mE = 70 GPa (Aluminium)
d = mm
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
200 mm300 mm180 mmØ60xIx​ = ?

Eine Platte von 200 mm × 300 mm hat ein kreisförmiges Loch mit dem Durchmesser 60 mm auf ihrer vertikalen Mittellinie, dessen Mittelpunkt 180 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.

b = 200 mmh = 300 mmd = 60 mmLochmittelpunkt: y = 180 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
2401520018xM = 40 kN·mMaße in mm

Der T-Querschnitt wird als Balken mit dem Flansch oben verwendet und trägt ein positives Biegemoment von 40 kN·m. Bestimme die Biegespannung σunten an der Unterkante.

bf = 240 mmtf = 15 mmtw = 18 mmhw = 200 mmM = 40 kN·m
σunten = MPa
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 16,5 kN/m³γsat​ = 19 kN/m³14 mGrundwasserspiegelXz = 7 m

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

z = 7 mzw = 4 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 16,5 kN/m³Sand: γsat = 19 kN/m³
u = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 16,5 kN/m³γsat​ = 19,5 kN/m³4 mTonγsat​ = 17,5 kN/m³6 mGrundwasserspiegelXz = 7 m

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

z = 7 mzw = 2 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 16,5 kN/m³Sand: γsat = 19,5 kN/m³Ton: γsat = 17,5 kN/m³
σ′ = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 180 kPaSandTonCc​ = 0,4, Cr​ = 0,05e0​ = 0,95σ′0​ = 40 kPaOCR = 1,52,5 mGrundwasserspiegel

Eine 2,5 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,4, Cr = 0,05 und e₀ = 0,95. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 40 kPa und der Überkonsolidierungsgrad OCR = 1,5. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 180 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 2,5 mCc = 0,4Cr = 0,05e0 = 0,95σ′0 = 40 kPaOCR = 1,5Δσ = 180 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 9 mcv​ = 0,5 m²/Jahr9 mSandGrundwasserspiegel

Eine 9 m dicke Tonschicht hat einen Konsolidationsbeiwert cv = 0,5 m²/Jahr. Sie liegt zwischen zwei Sandschichten, das Wasser kann also oben und unten austreten. Für 60 % mittlere Konsolidation ist der Zeitfaktor Tv = 0,287. Wie viele Jahre t braucht die Schicht, um 60 % Konsolidation zu erreichen?

H = 9 mcv = 0,5 m²/JahrU = 60%Tv = 0,287zweiseitige Entwässerung
t = Jahre
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 2,5 mH = 1 m

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Wasser, seine Oberkante liegt 2,5 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.

d = 2,5 mH = 1 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
18.Hydrostatische KraftSchwer
Schützd = 0,5 mH = 3 m

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1,5 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Meerwasser, seine Oberkante liegt 0,5 m unter der Oberfläche. Bestimme die Tiefe ycp des Druckmittelpunkts unter der Oberfläche.

d = 0,5 mH = 3 mb = 1,5 mρ = 1025 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
Q = 15 L/sD = 100 mmL = 300 mf = 0,018

Wasser fließt mit 15 L/s durch ein 300 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 100 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

Q = 15 L/sL = 300 mD = 100 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²
hf = m
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 10Δz = 25 mL = 100 m, D = 300 mm, f = 0,0152× Krümmer (K = 0,3)

Zwei offene Behälter sind durch ein 100 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015 verbunden. Der Wasserspiegel des oberen Behälters liegt 25 m über dem des unteren. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 2 Krümmer (je K = 0,3), ein Ventil (K = 10) und der Auslauf in den unteren Behälter (K = 1,0). Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Durchfluss Q in L/s.

Δz = 25 mL = 100 mD = 300 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Q = L/s
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
b = 1 my = 1,6 m3 : 1n = 0,03, S = 0,0005

Ein Trapezgerinne (Erdreich mit Grasbewuchs) hat eine Sohlbreite von 1 m und eine Böschungsneigung von 3:1 (horizontal:vertikal). Wasser fließt gleichförmig 1,6 m tief. Manning n = 0,03, und das Sohlgefälle ist S = 0,0005. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

b = 1 my = 1,6 mz = 3n = 0,03S = 0,0005
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
b = 4 my = 0,7 m2 : 1n = 0,015, Q = 5,2 m³/s

Ein Trapezgerinne (Mauerwerk) mit einer Sohlbreite von 4 m und einer Böschungsneigung von 2:1 (horizontal:vertikal) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 0,7 m 5,2 m³/s abführen. Manning n = 0,015. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).

Q = 5,2 m³/sb = 4 my = 0,7 mz = 2n = 0,015
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 80 L/sH = 38 m

Eine Pumpe mit einem Wirkungsgrad von 78 % fördert 80 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 38 m. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die benötigte Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 80 L/sH = 38 mη = 78%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
250 kPa (Überdruck)PQ = 30 L/sΔz = 17 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0,022, ΣK = 8

Eine Pumpe fördert 30 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 17 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 100 m lang, hat einen Innendurchmesser von 150 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,022; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 8 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Der obere Tank ist geschlossen, und die Luft über dem Wasser steht unter einem Überdruck von 250 kPa. Bestimme die Förderhöhe H, die die Pumpe aufbringen muss.

Q = 30 L/sΔz = 17 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,022ΣK = 8ptank = 250 kPa
H = m
25.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre012€5 000FV = ?

Du legst €5 000 zu 8 % pro Jahr bei stetiger Verzinsung an. Bestimme den Wert FV nach 2 Jahren.

PV = €5 000r = 8%t = 2
FV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Jahre0123…13€1 000€1 000€1 000FV = ?

Du zahlst 13 Jahre lang am Anfang jedes Jahres €1 000 ein, die erste Einzahlung heute. Das Konto bringt 5 % pro Jahr. Wie viel ist am Ende von Jahr 13 auf dem Konto? Bestimme FV.

A = €1 000i = 5%n = 13
FV = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre0123456€60 000€3 000€3 000€3 000€3 000€3 000€3 000r = 10%, EAC = ?

Eine Maschine kostet heute €60 000, hält 6 Jahre und verursacht €3 000 Betriebskosten pro Jahr (am Ende jedes Jahres gezahlt). Die Kapitalkosten betragen 10 %. Bestimme ihre äquivalenten jährlichen Kosten EAC.

C0 = €60 000M = €3 000n = 6r = 10%
EAC = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre012−10 0007 0005 000

Ein Projekt kostet €10 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 2 €7 000, €5 000. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.

CF0 = −10 000CF1 = 7 000CF2 = 5 000
IRR = %
29.NormalverteilungMittel
−3−2−10123zschattierte Fläche zwischen −z und z = 0,8882

Ziehe z so, dass die schattierte Fläche zwischen −z und z unter der Standardnormalverteilung gleich 0,8882 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.

A = 0,8882
z =
30.NormalverteilungSchwer
μ = 250x = ?5%

Die Gewichte von Beuteln sind normalverteilt mit dem Mittelwert 250 g und der Standardabweichung 5 g. Bestimme den Wert x, unter dem 5 % von ihnen liegen (das 5. Perzentil).

μ = 250σ = 5P = 5%
x = g

3Lösungen

1.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 33,33 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·4,5 = 75·1 + 75·6
RB = 525/4,5 = 116,7 kN

Vertikales Gleichgewicht

RA = 75 + 75 − 116,7 = 33,33 kN

Antwort

RA = 33,33 kN
2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RB = 44,38 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 = 5 kN/mP = 45 kNABRA​RB​4 m3 m1 m

Freikörperbild

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

Gleichgewicht

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

Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 5·4 = 20 kN, angreifend bei x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·8 = 45·7 + 5·4·2
RB = 355/8 = 44,38 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 44,38 = 20,63 kN

Antwort

RB = 44,38 kN
3.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: Stab CG

Nullstäbe: An einem Knoten müssen sich die Kräfte in jeder Richtung ausgleichen. Hat ein Knoten keine Last und kein Auflager und liegen zwei seiner drei Stäbe in einer Linie, dann betrifft das Gleichgewicht quer zu dieser Linie nur den dritten Stab, seine Kraft ist also null. Treffen sich an einem unbelasteten Knoten nur zwei Stäbe, die nicht in einer Linie liegen, sind beide null.

Knoten G

FG und GH 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: 28,75 kN (T), BC: 28,75 kN (T), CD: 16,25 kN (T), DE: 16,25 kN (T), FG: 22,5 kN (C), GH: 22,5 kN (C), AF: 40,66 kN (C), HE: 22,98 kN (C), BF: 15 kN (T), CG: 0, DH: 10 kN (T), FC: 8,839 kN (C), HC: 8,839 kN (T)

Antwort

Nullstab: CG
4.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: FAC = 15,94 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.

ABBCACACB15 kN5 kNAy​Cy​Ax​

Auflagerkräfte

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 15·5 + 5·2 → Cy = 10,63 kN
ΣFy = 0: Ay = 15 − 10,63 = 4,375 kN
ΣFx = 0: Ax = −5 kN

Knoten C

Das Loslager gibt nur eine vertikale Kraft, daher hat Knoten C nur zwei unbekannte Stabkräfte. Nimm beide als Zug an.

sin γ = 2/3,606 = 0,5547, cos γ = 3/3,606 = 0,8321
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −10,63/0,5547 = −19,15 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−19,15)·0,8321 = 15,94 kN

Antwort

FAC = 15,94 kN (Zug)
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mx = 1,75 kN·m

Schnittverfahren: Schneide den Balken dort, wo du die Schnittgrößen brauchst, und behalte eine Seite. Die Querkraft V hält den vertikalen Kräften dieser Seite das Gleichgewicht, das Biegemoment M ihren Momenten um den Schnitt.

Auflagerkräfte

Gleichgewicht des ganzen Balkens.

Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 2·4 = 8 kN, angreifend bei x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 2·4·2
RB = 16/4 = 4 kN
ΣFy = 0: RA = 8 − 4 = 4 kN
w = 2 kN/mABRA​ = 4RB​ = 4Schnitt0,5 m3,5 m

Schnitt bei x = 0,5 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 = 4·0,5 − 2·0,5·0,25 = 1,75 kN·m

Antwort

Mx = 1,75 kN·m
6.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mmax = 5,176 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 am ganzen Balken, einschließlich der Last auf dem Kragarm.

Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 2·6,5 = 13 kN, angreifend bei x̄ = 3,25 m
ΣMA = 0: RB·5 = 2·6,5·3,25
RB = 42,25/5 = 8,45 kN
ΣFy = 0: RA = 13 − 8,45 = 4,55 kN

Querkraftnullstelle

RA − w·x0 = 0 → x0 = 4,55/2 = 2,275 m

Maximales positives Moment

Mmax = RA·x0 − w·x0²/2 = RA²/(2w) = 4,55²/(2·2) = 5,176 kN·m

Antwort

Mmax = 5,176 kN·m
7.Durchbiegung

Antwort: δP = 10,04 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 = 16000 N, a = 4000 mm, b = 1000 mm, L = 5000 mm
EI = 1,7 × 10¹² N·mm²

Durchbiegung unter der Last

δP = Pa²b²/(3EIL) = 16000·4000²·1000²/(3·1,7 × 10¹²·5000) = 10,04 mm

Antwort

δP = 10,04 mm
8.Durchbiegung

Antwort: RB = 25 kN

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). Bei einem statisch unbestimmten Balken entfernt man ein überzähliges Lager und fordert dort die Durchbiegung null (Verträglichkeit).

Stütze entfernen

Ohne die Stütze ist der Balken ein Kragarm. Sein freies Ende würde sich unter der Last durchbiegen.

δload = P(L/2)²(3L − L/2)/(6EI) = 5PL³/(48EI)

Verträglichkeit an der Stütze

Die Stützkraft RB allein hebt das freie Ende um RBL³/(3EI) an. Die Stütze hält B bei null Durchbiegung, also müssen sich beide aufheben. EI kürzt sich heraus.

RB·L³/(3EI) = 5PL³/(48EI) → RB = 5P/16 = 5·80/16 = 25 kN

Antwort

RB = 25 kN
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 23,58 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 = 80·20³/12 = 53333 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,5·2500 = 1250 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·53333/1250² = 23582 N = 23,58 kN

Antwort

Pcr = 23,58 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: d = 66,92 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 = 2·85000 = 170000 N
KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Nach dem Durchmesser auflösen

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·170000·2000²/(π³·70000))^(1/4) = 66,92 mm

Antwort

d = 66,92 mm

Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 119,6, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.

11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 446,7 × 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 − 2827·180)/(60000 − 2827) = 148,5 mm

Volle Platte um ȳ

200·300³/12 + 60000·1,484² = 450,1 × 10⁶ mm⁴

Loch um ȳ

π·60⁴/64 + 2827·31,48² = 3,439 × 10⁶ mm⁴

Subtrahieren

Ix = 446,7 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 446,7 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: σunten = 187,1 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 = 240·15 = 3600 mm², yf = 200 + 15/2 = 207,5 mm
Steg: Aw = 18·200 = 3600 mm², yw = 200/2 = 100 mm

Schwerpunkt

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (3600·207,5 + 3600·100)/7200 = 153,8 mm

Satz von Steiner

Flansch: 240·15³/12 + 3600·(207,5 − 153,8)² = 1,047 × 10⁷ mm⁴
Steg: 18·200³/12 + 3600·(100 − 153,8)² = 2,24 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,047 × 10⁷ + 2,24 × 10⁷ = 3,287 × 10⁷ mm⁴

Biegespannung

Die Unterkante liegt ȳ von der Achse entfernt.

y = 153,8 mm
σ = M·y/I = 4 × 10⁷·153,8/3,287 × 10⁷ = 187,1 MPa

Antwort

σunten = 187,1 MPa
13.Effektive Spannung im Boden

Antwort: u = 29,43 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) = 9,81·3 = 29,43 kPa

Antwort

u = 29,43 kPa
14.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ′ = 75,45 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·2 + γsat,clay·3
σ = 16,5·2 + 19,5·2 + 17,5·3 = 124,5 kPa

Porenwasserdruck

Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.

u = γw·(z − zw) = 9,81·5 = 49,05 kPa

Effektive Spannung

σ′ = σ − u = 124,5 − 49,05 = 75,45 kPa

Antwort

σ′ = 75,45 kPa
15.Konsolidationssetzung

Antwort: S = 300,7 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.

Vorbelastungsspannung

σ′p = OCR·σ′0 = 1,5·40 = 60 kPa

Mit der Vorbelastungsspannung vergleichen

σ′f = 40 + 180 = 220 kPa > 60 kPa

Setzung

Wiederbelastung bis σ′p, Erstbelastung darüber.

S = 0,05·2,5/(1 + 0,95)·log₁₀(60/40) + 0,4·2,5/(1 + 0,95)·log₁₀(220/60)
S = 11,29 + 289,4 = 300,7 mm

Antwort

S = 300,7 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 11,62 Jahre

Primärkonsolidation einer Tonschicht der Dicke H, mit der effektiven Spannung in der Schichtmitte: σ′f = σ′0 + Δσ. Normal konsolidierter Ton: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Überkonsolidierter Ton wird bis zur Vorbelastungsspannung σ′p entlang Cr wiederbelastet und folgt erst darüber Cc. Zeit: t = Tv·Hdr²/cv, wobei der Dränweg Hdr gleich H/2 ist, wenn das Wasser oben und unten austreten kann, und gleich H, wenn nur eine Seite entwässert.

Dränweg

Hdr = H/2 = 9/2 = 4,5 m

Zeit

t = Tv·Hdr²/cv = 0,287·4,5²/0,5 = 11,62 Jahre

Antwort

t = 11,62 Jahre
17.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 29,43 kN

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

Schwerpunkttiefe und Fläche

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

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3·1 = 29,43 kN

Antwort

F = 29,43 kN
18.Hydrostatische Kraft

Antwort: ycp = 2,375 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 = 0,5 + 3/2 = 2 m
A = H·b = 3·1,5 = 4,5 m²
Schützd = 0,5 mH = 3 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·2·4,5 = 90,5 kN

Druckmittelpunkt

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

Ic = b·H³/12 = 1,5·3³/12 = 3,375 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 2 + 3,375/(2·4,5) = 2,375 m

Antwort

ycp = 2,375 m
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 10,04 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·0,1²/4 = 0,007854 m²
V = Q/A = 0,015/0,007854 = 1,91 m/s

Geschwindigkeitshöhe

V²/(2g) = 1,91²/(2·9,81) = 0,1859 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(300/0,1)·1,91²/(2·9,81) = 10,04 m

Antwort

hf = 10,04 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Q = 378,6 L/s

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.

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,015·100/0,3 = 5
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 + 1,0 = 12,1

Energiegleichung

Beide Wasserspiegel sind offen zur Atmosphäre und praktisch in Ruhe, daher geht das gesamte Δz in der Rohrleitung verloren.

25 = (5 + 12,1)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·25/17,1) = 5,356 m/s

Volumenstrom

Q = V·π·D²/4 = 5,356·0,07069 = 0,3786 m³/s = 378,6 L/s

Antwort

Q = 378,6 L/s
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 6,131 m³/s

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

Geometrie

A = (b + z·y)·y = (1 + 3·1,6)·1,6 = 9,28 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 1 + 2·1,6·√(1 + 3²) = 11,12 m
R = A/P = 0,8346 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,03)·0,83462/3·0,00051/2 = 0,6607 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 9,28·0,6607 = 6,131 m³/s

Antwort

Q = 6,131 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,0009925 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 = (4 + 2·0,7)·0,7 = 3,78 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 4 + 2·0,7·√(1 + 2²) = 7,13 m
R = A/P = 0,5301 m

Manning nach S auflösen

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,015·5,2/(3,78·0,655) = 0,0315
S = 0,0315² = 0,0009925

Antwort

S = 0,0009925

Das ist ein Gefälle von 0,9925 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 38,23 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 = 1000·9,81·0,08·38 = 29,82 kW

Wellenleistung

Pshaft = Ph/η = 29,82/0,78 = 38,23 kW

Antwort

Pshaft = 38,23 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: H = 45,81 m

Pumpenleistung: Die an das Wasser abgegebene Leistung ist die hydraulische Leistung Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Die Welle muss mehr liefern, weil in der Pumpe Verluste entstehen: Pshaft = Ph/ηpump, und der Motor nimmt Pel = Pshaft/ηmotor auf. Die Förderhöhe H ergibt sich aus der Energiegleichung: geodätische Höhe + Druckhöhe + alle Reibungs- und örtlichen Verluste.

Geschwindigkeit

V = Q/A = 0,03/0,01767 = 1,698 m/s
V²/(2g) = 0,1469 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (14,67 + 8)·0,1469 = 3,33 m

Druckhöhe

p/(ρ·g) = 250000/(1000·9,81) = 25,48 m

Förderhöhe

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

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 17 + 25,48 + 3,33 = 45,81 m

Antwort

H = 45,81 m
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 5868 €

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.

Exponent

r·t = 0,08·2 = 0,16
e0,16 = 1,174

Endwert

FV = 5 000·1,174 = €5 867,55

Antwort

FV = €5 867,55
26.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 18599 €

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

Endwertfaktor der nachschüssigen Rente

((1 + 0,05)13 − 1)/0,05 = 17,71

Vorschüssige Rente

Jede Einzahlung ist ein Jahr länger angelegt.

FV = 1 000·17,71·1,05 = €18 598,63

Antwort

FV = €18 598,63
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: EAC = 16776 €

Äquivalente jährliche Kosten: Verteile den Barwert aller Kosten als gleichen jährlichen Betrag (eine Rente) über die Lebensdauer: EAC = PV·r/(1 − (1 + r)⁻ⁿ). So lassen sich Maschinen mit unterschiedlicher Lebensdauer vergleichen.

Rentenbarwertfaktor

(1 − 1,1−6)/0,1 = 4,355

Annualisierter Kaufpreis

60 000/4,355 = 13 776,44

EAC

EAC = 13 776,44 + 3 000 = €16 776,44

Antwort

EAC = €16 776,44
28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 13,9 %

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(10%) = 495,87
NPV(15%) = −132,33

Eingrenzen

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

IRR ≈ 10 + 5·495,87/(495,87 − (−132,33)) = 13,95%
exakt: NPV(13,9%) = 0 → IRR = 13,9%

Antwort

IRR = 13,9%
29.Normalverteilung

Antwort: z = 1,59

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 + 0,8882)/2 = 0,9441

Die z-Tabelle rückwärts lesen

Finde 0,9441 in der Tabelle und lies z ab.

z = 1,59

Antwort

z = 1,59
30.Normalverteilung

Antwort: x = 241,8 g

Normalverteilung: Rechne einen Wert x in einen z-Wert um, z = (x − μ)/σ; er gibt an, wie viele Standardabweichungen x vom Mittelwert entfernt liegt. Eine z-Tabelle (oder Φ(z)) liefert die Fläche links von z, also P(X < x). Die Fläche rechts ist 1 − Φ(z), und die Fläche zwischen zwei Werten ist die Differenz ihrer beiden Flächen.

z für das Perzentil

Φ(z) = 0,05 → z = −1,645

Zurück zu x

x = 250 + −1,645·5 = 241,78 g

Antwort

x = 241,78 g

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

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