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​ = 50 kNP2​ = 15 kNABRA​ = ?RB​1 m0,5 m2,5 m

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

L = 4 mP1 = 50 kN bei 1 mP2 = 15 kN bei 1,5 m
RA = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 8 kN/mP = 10 kNABCRA​ = ?0,5 m2 m0,5 m1 m

Der Balken hat in A ein Festlager und in B, 3 m von A entfernt, ein Loslager und kragt über B bis zum freien Ende C aus. Er trägt eine Einzellast P im Abstand 0,5 m von A und eine Gleichstreckenlast w von 2,5 m bis zum freien Ende bei 4 m. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RA, nach oben positiv.

AB = 3 mAC = 4 mP = 10 kN bei 0,5 mw = 8 kN/m von 2,5 bis 4 m
RA = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABCDEFGH30 kN35 kN10 kN4 × 4 m4 m

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

B: 30 kN ↓G: 35 kN ↓H: 10 kN ↓
  1. 1Stab AB
  2. 2Stab BC
  3. 3Stab CD
  4. 4Stab DE
  5. 5Stab FG
  6. 6Stab GH
  7. 7Stab AF
  8. 8Stab HE
  9. 9Stab BF
  10. 10Stab CG
  11. 11Stab DH
  12. 12Stab BG
  13. 13Stab DG
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
ABBCACACB55 kN25 kN8 m3 m3 m

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

Spannweite = 8 mHöhe = 3 mB liegt 3 m von A entferntvertikale Last = 55 kNhorizontale Last = 25 kN →
FAB = kN
5.Querkraft und BiegemomentMittel
M0​ = 35 kN·mAB1 m7 m

Der Einfeldträger trägt bei x = 1 m von A ein Moment M0 = 35 kN·m im Uhrzeigersinn und sonst keine Last. Bestimme das Biegemoment Mx unmittelbar links vom eingeprägten Moment. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.

L = 8 mM0 = 35 kN·m im Uhrzeigersinn, bei 1 m
Mx = kN·m
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
w = 3 kN/mP = 35 kNABSchnitt0,5 m2,5 m7 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 = 10 mP = 35 kN bei 3 mw = 3 kN/m von 0 bis 10 mx = 0,5 m
Mx = kN·m
7.DurchbiegungMittel
w = 10 kN/mP = 18 kNABδ5 m

Ein Kragarm trägt über seine ganze Länge eine Gleichstreckenlast w und an seinem freien Ende eine Einzellast P. Bestimme mit Superposition die Durchbiegung δ am freien Ende.

P = 18 kNw = 10 kN/mL = 5 mE = 200 GPa (Stahl)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.DurchbiegungSchwer
w = 2 kN/mABδ4,5 m

Ein Holzbalken als Einfeldträger mit Rechteckquerschnitt, 100 mm breit, trägt über die ganze Spannweite eine Gleichstreckenlast w. Seine Durchbiegung in Feldmitte darf Spannweite/250 nicht überschreiten. Bestimme die kleinste Querschnittshöhe hreq.

w = 2 kN/mL = 4,5 mE = 11 GPa (Holz)b = 100 mm
hreq = mm
9.Knicken von StützenMittel
PL = 4 m30 × 80 mmQuerschnitt

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

L = 4 mE = 70 GPa (Aluminium)b × h = 30 × 80 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
P = 50 kNL = 3 md = ?Querschnitt

Eine runde Vollstütze der Länge L aus Aluminium ist an beiden Enden gelenkig gelagert. Sie muss 50 kN mit einer Sicherheit von 2 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.

P = 50 kNn = 2L = 3 mE = 70 GPa (Aluminium)
d = mm
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
1402028020xMaße in mm

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

bf = 140 mmtf = 20 mmtw = 20 mmhw = 280 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
1603020016xM = 10 kN·mMaße in mm

Der T-Querschnitt wird als Balken mit dem Flansch oben verwendet und trägt ein positives Biegemoment von 10 kN·m. Bestimme die Biegespannung σunten an der Unterkante.

bf = 160 mmtf = 30 mmtw = 16 mmhw = 200 mmM = 10 kN·m
σunten = MPa
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 15 kN/m³γsat​ = 20 kN/m³12 mGrundwasserspiegelXz = 12 m

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

z = 12 mzw = 3 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 15 kN/m³Sand: γsat = 20 kN/m³
u = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 16 kN/m³γsat​ = 20,5 kN/m³4 mTonγsat​ = 18,5 kN/m³5 mGrundwasserspiegelXz = 6,5 m

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

z = 6,5 mzw = 2 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 16 kN/m³Sand: γsat = 20,5 kN/m³Ton: γsat = 18,5 kN/m³
σ′ = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 130 kPaSandTonCc​ = 0,4, Cr​ = 0,02e0​ = 1,05σ′0​ = 105 kPaOCR = 36,5 mGrundwasserspiegel

Eine 6,5 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,4, Cr = 0,02 und e₀ = 1,05. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 105 kPa und der Überkonsolidierungsgrad OCR = 3. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 130 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 6,5 mCc = 0,4Cr = 0,02e0 = 1,05σ′0 = 105 kPaOCR = 3Δσ = 130 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 6,5 mcv​ = 4 m²/Jahr6,5 mSandGrundwasserspiegel

Eine 6,5 m dicke Tonschicht hat einen Konsolidationsbeiwert cv = 4 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 = 6,5 mcv = 4 m²/JahrU = 60%Tv = 0,287zweiseitige Entwässerung
t = Jahre
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 0,5 mH = 1 m

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

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

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Glycerin, seine Oberkante liegt 2 m unter der Oberfläche. Bestimme die Tiefe ycp des Druckmittelpunkts unter der Oberfläche.

d = 2 mH = 3 mb = 1 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 2,1 m/sD = 100 mmL = 500 mf = 0,03

Wasser fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 2,1 m/s durch ein 500 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 100 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,03 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

V = 2,1 m/sL = 500 mD = 100 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 2freier AuslaufH = ?L = 200 m, D = 300 mm, f = 0,0253× Krümmer (K = 0,3)

Ein 200 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm (Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,025) führt von einem offenen Behälter weg und tritt als freier Strahl ins Freie aus. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 3 Krümmer (je K = 0,3) und ein Ventil (K = 2). Verwende g = 9,81 m/s². Wie hoch H muss der Wasserspiegel im Behälter über dem Rohrauslauf liegen, damit der Durchfluss 75 L/s beträgt?

Q = 75 L/sL = 200 mD = 300 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2
H = m
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
D = 1200 mmn = 0,013, S = 0,004

Ein Regenwasserkanal aus Beton mit einem Innendurchmesser von 1200 mm ist halb gefüllt. Manning n = 0,013, und das Gefälle ist S = 0,004. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

D = 1200 mmn = 0,013S = 0,004
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
b = 6 my = 0,5 m1 : 1n = 0,03, Q = 3,4 m³/s

Ein Trapezgerinne (Erdreich mit Grasbewuchs) mit einer Sohlbreite von 6 m und einer Böschungsneigung von 1:1 (horizontal:vertikal) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 0,5 m 3,4 m³/s abführen. Manning n = 0,03. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).

Q = 3,4 m³/sb = 6 my = 0,5 mz = 1n = 0,03
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 100 L/sH = 26 m

In einem Versuch fördert eine Pumpe 100 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 26 m, während ihre Welle 32,7 kW aufnimmt. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Pumpenwirkungsgrad η in Prozent.

Q = 100 L/sH = 26 mPshaft = 32,7 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
150 kPa (Überdruck)PQ = 60 L/sΔz = 5 mL = 300 m, D = 200 mm, f = 0,02, ΣK = 3

Eine Pumpe fördert 60 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 5 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 300 m lang, hat einen Innendurchmesser von 200 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,02; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 3 (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 150 kPa. Bestimme die Förderhöhe H, die die Pumpe aufbringen muss.

Q = 60 L/sΔz = 5 mL = 300 mD = 200 mmf = 0,02ΣK = 3ptank = 150 kPa
H = m
25.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre012345€10 000FV = ?

Du legst €10 000 zu 7 % pro Jahr bei stetiger Verzinsung an. Bestimme den Wert FV nach 5 Jahren.

PV = €10 000r = 7%t = 5
FV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…N = ?€15 000€250€250€250€2503,6% / 12

Du leihst dir €15 000 zu 3,6 % 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 = €15 000A = €2503,6% / 12
N = Raten
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre0123…8€50 000€4 000€4 000€4 000€4 000r = 8%, EAC = ?

Eine Maschine kostet heute €50 000, hält 8 Jahre und verursacht €4 000 Betriebskosten pro Jahr (am Ende jedes Jahres gezahlt). Die Kapitalkosten betragen 8 %. Bestimme ihre äquivalenten jährlichen Kosten EAC.

C0 = €50 000M = €4 000n = 8r = 8%
EAC = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123−25 00011 00018 50016 500

Ein Projekt kostet €25 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 €11 000, €18 500, €16 500. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.

CF0 = −25 000CF1 = 11 000CF2 = 18 500CF3 = 16 500
IRR = %
29.NormalverteilungMittel
57,585P = ?

Die Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit dem Mittelwert 65 Punkte und der Standardabweichung 10 Punkte. Welcher Anteil liegt zwischen 57,5 und 85 Punkte? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 65σ = 10x1 = 57,5x2 = 85
P =
30.NormalverteilungSchwer
μ = 178x = ?10%

Die Körpergrößen erwachsener Männer sind normalverteilt mit dem Mittelwert 178 cm und der Standardabweichung 7 cm. Bestimme den Wert x, unter dem 10 % von ihnen liegen (das 10. Perzentil).

μ = 178σ = 7P = 10%
x = cm

3Lösungen

1.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 46,88 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​ = 50 kNP2​ = 15 kNABRA​RB​1 m0,5 m2,5 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·4 = 50·1 + 15·1,5
RB = 72,5/4 = 18,13 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 18,13 = 46,88 kN

Antwort

RA = 46,88 kN
2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 7,333 kN

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

Resultierende der Streckenlast

W = 8·1,5 = 12 kN, x̄ = (2,5 + 4)/2 = 3,25 m

Gleichgewicht

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

ΣMA = 0: RB·3 = 10·0,5 + 12·3,25
RB = 44/3 = 14,67 kN
RA = 22 − 14,67 = 7,333 kN

Antwort

RA = 7,333 kN
3.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: Stab CG

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

Knoten C

BC und CD liegen auf einer Geraden, und der Knoten trägt keine Last. Das Kräftegleichgewicht quer zu dieser Linie lässt nur CG übrig.

ΣF⊥ = 0 → FCG = 0

Mit dem Knotenpunktverfahren prüfen

Die Lösung aller Knoten ergibt diese Stabkräfte (T = Zug, C = Druck).

AB: 42,5 kN (T), BC: 55 kN (T), CD: 55 kN (T), DE: 32,5 kN (T), FG: 42,5 kN (C), GH: 32,5 kN (C), AF: 60,1 kN (C), HE: 45,96 kN (C), BF: 42,5 kN (T), CG: 0, DH: 22,5 kN (T), BG: 17,68 kN (C), DG: 31,82 kN (C)

Antwort

Nullstab: CG
4.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: FAB = −35,36 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.

ABBCACACB55 kN25 kNAy​Cy​Ax​

Auflagerkräfte

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 55·3 + 25·3 → Cy = 30 kN
ΣFy = 0: Ay = 55 − 30 = 25 kN
ΣFx = 0: Ax = −25 kN

Knoten A

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

sin α = 3/4,243 = 0,7071
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −25/0,7071 = −35,36 kN

Antwort

FAB = −35,36 kN (Druck)
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mx = −4,375 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. Ein eingeprägtes Moment lässt die Momentenlinie um die Größe dieses Moments springen.

Auflagerkräfte

Momente um A, gegen den Uhrzeigersinn positiv: RB·L − M0 = 0. Vertikales Gleichgewicht: RA + RB = 0.

RB = M0/L = 35/8 = 4,375 kN (nach oben)
RA = −RB = −4,375 kN (nach unten)

Schnitt unmittelbar links vom eingeprägten Moment

Der linke Teil enthält nur RA.

Mx = RA·a = −4,375·1 = −4,375 kN·m

Antwort

Mx = −4,375 kN·m
6.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mx = 19,38 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 = 3·10 = 30 kN, angreifend bei x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 35·3 + 3·10·5
RB = 255/10 = 25,5 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 25,5 = 39,5 kN
w = 3 kN/mP = 35 kNABRA​ = 39,5RB​ = 25,5Schnitt0,5 m2,5 m7 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 = 39,5·0,5 − 3·0,5·0,25 = 19,38 kN·m

Antwort

Mx = 19,38 kN·m
7.Durchbiegung

Antwort: δ = 63,8 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 = 18000 N, w = 10 N/mm, L = 5000 mm
EI = 2,4 × 10¹³ N·mm²

Jede Last für sich

δP = PL³/(3EI) = 18000·5000³/(3·2,4 × 10¹³) = 31,25 mm
δw = wL⁴/(8EI) = 10·5000⁴/(8·2,4 × 10¹³) = 32,55 mm

Addieren

δ = 31,25 + 32,55 = 63,8 mm

Antwort

δ = 63,8 mm
8.Durchbiegung

Antwort: hreq = 186,4 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 = 2 N/mm, L = 4500 mm, E = 11000 N/mm²

Grenzwert der Durchbiegung

δallow = L/250 = 4500/250 = 18 mm

Erforderliches Flächenträgheitsmoment

Ireq = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·2·4500⁴/(384·11000·18) = 5,393 × 10⁷ mm⁴

Erforderliche Höhe

bh³/12 = Ireq → h = (12·5,393 × 10⁷/100)1/3 = 186,4 mm

Antwort

hreq = 186,4 mm

In der Praxis wählt man die nächste Standardhöhe über diesem Wert.

9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 15,86 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 = 80·30³/12 = 180000 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,7·4000 = 2800 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·180000/2800² = 15862 N = 15,86 kN

Antwort

Pcr = 15,86 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: d = 71,77 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 = 2·50000 = 100000 N
KL = 1·3000 = 3000 mm

Nach dem Durchmesser auflösen

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·100000·3000²/(π³·70000))^(1/4) = 71,77 mm

Antwort

d = 71,77 mm

Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 167,2, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.

11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 78,68 × 10⁶ mm⁴

Zusammengesetzte Flächen: Teile den Querschnitt in Rechtecke. Der Schwerpunkt ist der flächengewichtete Mittelwert ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Das Flächenträgheitsmoment um die Schwerachse addiert für jeden Teil sein eigenes bh³/12 und seinen Steiner-Anteil A·d², wobei d der Abstand vom Teilschwerpunkt zum Gesamtschwerpunkt ist. Die Biegespannung ist σ = M·y/I.

In zwei Rechtecke teilen

Miss jedes y von der Unterkante aus.

Flansch: Af = 140·20 = 2800 mm², yf = 280 + 20/2 = 290 mm
Steg: Aw = 20·280 = 5600 mm², yw = 280/2 = 140 mm

Schwerpunkt

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (2800·290 + 5600·140)/8400 = 190 mm

Satz von Steiner

Flansch: 140·20³/12 + 2800·(290 − 190)² = 2,809 × 10⁷ mm⁴
Steg: 20·280³/12 + 5600·(140 − 190)² = 5,059 × 10⁷ mm⁴
Ix = 2,809 × 10⁷ + 5,059 × 10⁷ = 7,868 × 10⁷ mm⁴ = 78,68 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 78,68 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: σunten = 46,4 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 = 160·30 = 4800 mm², yf = 200 + 30/2 = 215 mm
Steg: Aw = 16·200 = 3200 mm², yw = 200/2 = 100 mm

Schwerpunkt

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (4800·215 + 3200·100)/8000 = 169 mm

Satz von Steiner

Flansch: 160·30³/12 + 4800·(215 − 169)² = 1,052 × 10⁷ mm⁴
Steg: 16·200³/12 + 3200·(100 − 169)² = 2,59 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,052 × 10⁷ + 2,59 × 10⁷ = 3,642 × 10⁷ mm⁴

Biegespannung

Die Unterkante liegt ȳ von der Achse entfernt.

y = 169 mm
σ = M·y/I = 1 × 10⁷·169/3,642 × 10⁷ = 46,4 MPa

Antwort

σunten = 46,4 MPa
13.Effektive Spannung im Boden

Antwort: u = 88,29 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) = 9,81·9 = 88,29 kPa

Antwort

u = 88,29 kPa
14.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ′ = 75,1 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·2,5
σ = 16·2 + 20,5·2 + 18,5·2,5 = 119,3 kPa

Porenwasserdruck

Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.

u = γw·(z − zw) = 9,81·4,5 = 44,15 kPa

Effektive Spannung

σ′ = σ − u = 119,3 − 44,15 = 75,1 kPa

Antwort

σ′ = 75,1 kPa
15.Konsolidationssetzung

Antwort: S = 22,19 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 = 3·105 = 315 kPa

Mit der Vorbelastungsspannung vergleichen

σ′f = 105 + 130 = 235 kPa ≤ 315 kPa

Setzung

Der Ton bleibt auf seiner Wiederbelastungslinie.

S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,02·6,5/(1 + 1,05)·log₁₀(235/105) = 22,19 mm

Antwort

S = 22,19 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 0,7579 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 = 6,5/2 = 3,25 m

Zeit

t = Tv·Hdr²/cv = 0,287·3,25²/4 = 0,7579 Jahre

Antwort

t = 0,7579 Jahre
17.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 14,71 kN

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

Schwerpunkttiefe und Fläche

yc = d + H/2 = 0,5 + 1/2 = 1 m
A = H·b = 1·1,5 = 1,5 m²
Schützd = 0,5 mH = 1 mF

Resultierende Kraft

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

Antwort

F = 14,71 kN
18.Hydrostatische Kraft

Antwort: ycp = 3,714 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 = 2 + 3/2 = 3,5 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
Schützd = 2 mH = 3 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·3,5·3 = 129,8 kN

Druckmittelpunkt

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

Ic = b·H³/12 = 1·3³/12 = 2,25 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 3,5 + 2,25/(3,5·3) = 3,714 m

Antwort

ycp = 3,714 m
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 33,72 m

Rohrströmung: Die Reynolds-Zahl Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ unterscheidet laminare Strömung (Re unter etwa 2000) von turbulenter Strömung (über etwa 4000). Reibung entlang eines Rohrs kostet die Verlusthöhe nach Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Formstücke, Armaturen, Einlauf und Auslauf erzeugen zusätzlich örtliche Verluste hm = ΣK·V²/(2g). Zwischen zwei offenen Wasserspiegeln liefert die Energiegleichung Δz = hf + hm, einschließlich des Auslaufverlusts K = 1.

Geschwindigkeitshöhe

V²/(2g) = 2,1²/(2·9,81) = 0,2248 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(500/0,1)·2,1²/(2·9,81) = 33,72 m

Antwort

hf = 33,72 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: H = 1,209 m

Rohrströmung: Die Reynolds-Zahl Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ unterscheidet laminare Strömung (Re unter etwa 2000) von turbulenter Strömung (über etwa 4000). Reibung entlang eines Rohrs kostet die Verlusthöhe nach Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Formstücke, Armaturen, Einlauf und Auslauf erzeugen zusätzlich örtliche Verluste hm = ΣK·V²/(2g). Zwischen zwei offenen Wasserspiegeln liefert die Energiegleichung Δz = hf + hm, einschließlich des Auslaufverlusts K = 1.

Geschwindigkeit

V = Q/A = 0,075/0,07069 = 1,061 m/s
V²/(2g) = 0,05738 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,025·200/0,3 = 16,67
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 = 3,4

Energiegleichung

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

H = (1 + 16,67 + 3,4)·0,05738 = 1,209 m

Antwort

H = 1,209 m
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 1,233 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 = 0,5655 m², R = D/4 = 0,3 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,013)·0,32/3·0,0041/2 = 2,18 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 0,5655·2,18 = 1,233 m³/s

Antwort

Q = 1,233 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,002958 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 = (6 + 1·0,5)·0,5 = 3,25 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 6 + 2·0,5·√(1 + 1²) = 7,414 m
R = A/P = 0,4383 m

Manning nach S auflösen

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,03·3,4/(3,25·0,577) = 0,05439
S = 0,05439² = 0,002958

Antwort

S = 0,002958

Das ist ein Gefälle von 2,958 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: η = 78 %

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 = 1000·9,81·0,1·26 = 25,51 kW

Wirkungsgrad

η = Ph/Pshaft = 25,51/32,7 = 78%

Antwort

η = 78%
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: H = 26,43 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 = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (30 + 3)·0,1859 = 6,135 m

Druckhöhe

p/(ρ·g) = 150000/(1000·9,81) = 15,29 m

Förderhöhe

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

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 5 + 15,29 + 6,135 = 26,43 m

Antwort

H = 26,43 m
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 14191 €

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 = 0,07·5 = 0,35
e0,35 = 1,419

Endwert

FV = 10 000·1,419 = €14 190,68

Antwort

FV = €14 190,68
26.Zeitwert des Geldes

Antwort: N = 67 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 = 0,003
(1 + i)−N = 1 − 15 000·0,003/250 = 0,82

Mit Logarithmen lösen

N = −ln(0,82)/ln(1,003) = 66,25

Auf ganze Raten aufrunden

66 volle Raten lassen eine kleine Restschuld, die die letzte, kleinere Rate tilgt.

N = 67

Antwort

N = 67 Raten
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: EAC = 12701 €

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 − 1,08−8)/0,08 = 5,747

Annualisierter Kaufpreis

50 000/5,747 = 8 700,74

EAC

EAC = 8 700,74 + 4 000 = €12 700,74

Antwort

EAC = €12 700,74
28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 35,01 %

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(35%) = 5,33
NPV(40%) = −1 690,96

Eingrenzen

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

IRR ≈ 35 + 5·5,33/(5,33 − (−1 690,96)) = 35,02%
exakt: NPV(35,01%) = 0 → IRR = 35,01%

Antwort

IRR = 35,01%
29.Normalverteilung

Antwort: P = 0,7506

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-Werte

z₁ = (57,5 − 65)/10 = −0,75
z₂ = (85 − 65)/10 = 2

Fläche dazwischen

P = Φ(2) − Φ(−0,75) = 0,9772 − 0,2266 = 0,7506

Antwort

P = 0,7506
30.Normalverteilung

Antwort: x = 169 cm

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) = 0,1 → z = −1,282

Zurück zu x

x = 178 + −1,282·7 = 169,03 cm

Antwort

x = 169,03 cm

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