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​ = 10 kNP2​ = 30 kNABCRB​ = ?2 m1,5 m1,5 m

Der Balken hat in A ein Festlager und in B, 3,5 m von A entfernt, ein Loslager und kragt über B bis zum freien Ende C aus. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RB, nach oben positiv.

AB = 3,5 mAC = 5 mP1 = 10 kN bei 2 mP2 = 30 kN bei 5 m
RB = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 6 kN/mP = 25 kNABRA​ = ?RB​5 m4 m1 m

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

L = 10 mP = 25 kN bei 5 mw = 6 kN/m von 5 bis 9 m
RA = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABCDEFGH15 kN30 kN30 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: 30 kN ↓H: 30 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
ABCDEFGH20 kN40 kN30 kN35 kN4 × 3 m4 m

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

B: 20 kN ↓D: 40 kN ↓H: 30 kN ↓H: 35 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
5.Querkraft und BiegemomentMittel
w = 5 kN/mABSchnitt3,5 m1,5 m

Bestimme die Querkraft Vx im Schnitt x = 3,5 m vom Auflager A. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.

L = 5 mw = 5 kN/m von 0 bis 5 mx = 3,5 m
Vx = kN
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
4 kN/m30 kN45 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 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.

30 kN @ 0 m45 kN @ 12 m4 kN/m, 2–10 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
7.DurchbiegungMittel
P = 23 kNABδ1,5 m0,5 m

Ein Kragarm der Länge L ist in A eingespannt und trägt eine Einzellast P im Abstand a = 1,5 m von A. Bestimme die Durchbiegung δB am freien Ende B.

P = 23 kNa = 1,5 mL = 2 mE = 200 GPa (Stahl)I = 12 × 10⁶ mm⁴
δB = mm
8.DurchbiegungSchwer
w = 4 kN/mδL = 2,5 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 = 2,5 mE = 11 GPa (Holz)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von StützenMittel
PL = 4 md = 50 mmQuerschnitt

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

L = 4 mE = 200 GPa (Stahl)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 4 md = 40 mmQuerschnitt

Eine Stütze der Länge L aus Stahl ist an beiden Enden eingespannt. Bestimme ihre Schlankheit und die kritische Knickspannung σcr nach Euler.

L = 4 mE = 200 GPa (Stahl)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
100 mm150 mm105 mmØ50xIx​ = ?

Eine Platte von 100 mm × 150 mm hat ein kreisförmiges Loch mit dem Durchmesser 50 mm auf ihrer vertikalen Mittellinie, dessen Mittelpunkt 105 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.

b = 100 mmh = 150 mmd = 50 mmLochmittelpunkt: y = 105 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
1802510010xM = 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 = 180 mmtf = 25 mmtw = 10 mmhw = 100 mmM = 15 kN·m
σunten = MPa
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 15,5 kN/m³γsat​ = 19 kN/m³7 mGrundwasserspiegelXz = 4 m

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

z = 4 mzw = 1 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 15,5 kN/m³Sand: γsat = 19 kN/m³
σ′ = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 15,5 kN/m³γsat​ = 20,5 kN/m³3 mTonγsat​ = 17,5 kN/m³5 mGrundwasserspiegelXz = 5,5 m

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

z = 5,5 mzw = 2 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 15,5 kN/m³Sand: γsat = 20,5 kN/m³Ton: γsat = 17,5 kN/m³
u = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 25 kPaSandTonCc​ = 0,45, Cr​ = 0,03e0​ = 1,1σ′0​ = 105 kPaσ′p​ = 145 kPa2 mGrundwasserspiegel

Eine 2 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,45, Cr = 0,03 und e₀ = 1,1. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 105 kPa und die Vorbelastungsspannung 145 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 25 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 2 mCc = 0,45Cr = 0,03e0 = 1,1σ′0 = 105 kPaσ′p = 145 kPaΔσ = 25 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 2,5 m2,5 mundurchlässiger FelsGrundwasserspiegel

In einem Ödometerversuch im Labor erreicht eine 25 mm dicke Tonprobe, die oben und unten entwässert, in 12 min 50 % Konsolidation. Im Feld bildet derselbe Ton eine 2,5 m dicke Schicht. Sie liegt auf undurchlässigem Fels, mit Sand darüber, das Wasser kann also nur oben austreten. Wie viele Tage t braucht die Schicht im Feld, um 50 % Konsolidation zu erreichen?

hlab = 25 mmtlab = 12 minH = 2,5 mFeld: einseitige Entwässerung
t = Tage
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 2 mH = 1 m

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

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

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 3 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Öl, seine Oberkante liegt 0,5 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.

d = 0,5 mH = 1 mb = 3 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
Q = 75 L/sD = 200 mmL = 400 mf = 0,025

Wasser fließt mit 75 L/s durch ein 400 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 200 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,025 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

Q = 75 L/sL = 400 mD = 200 mmf = 0,025g = 9,81 m/s²
hf = m
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 0,2Δz = 12 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0,0252× Krümmer (K = 0,3)

Zwei offene Behälter sind durch ein 100 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 150 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,025 verbunden. Der Wasserspiegel des oberen Behälters liegt 12 m über dem des unteren. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 2 Krümmer (je K = 0,3), ein Ventil (K = 0,2) und der Auslauf in den unteren Behälter (K = 1,0). Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Durchfluss Q in L/s.

Δz = 12 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 0,2Kexit = 1,0
Q = L/s
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
b = 3 my = 1,9 m1,5 : 1n = 0,025, S = 0,0008

Ein Trapezgerinne (Kies) hat eine Sohlbreite von 3 m und eine Böschungsneigung von 1,5:1 (horizontal:vertikal). Wasser fließt gleichförmig 1,9 m tief. Manning n = 0,025, und das Sohlgefälle ist S = 0,0008. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

b = 3 my = 1,9 mz = 1,5n = 0,025S = 0,0008
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
b = 5,5 my = 1,9 mn = 0,022, Q = 36 m³/s

Ein 5,5 m breites Rechteckgerinne (sauberes Erdreich) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 1,9 m 36 m³/s abführen. Manning n = 0,022. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).

Q = 36 m³/sb = 5,5 my = 1,9 mn = 0,022
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 60 L/sH = 48 m

In einem Versuch fördert eine Pumpe 60 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 48 m, während ihre Welle 43,5 kW aufnimmt. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Pumpenwirkungsgrad η in Prozent.

Q = 60 L/sH = 48 mPshaft = 43,5 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 80 L/sΔz = 25 mL = 300 m, D = 200 mm, f = 0,015, ΣK = 6

Eine Pumpe fördert 80 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 25 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 300 m lang, hat einen Innendurchmesser von 200 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 6 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 80 %. Bestimme die Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 80 L/sΔz = 25 mL = 300 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 6η = 80%
Pshaft = kW
25.Zeitwert des GeldesMittel
Perioden0123…1211 + EAR = ?16% / 12

Eine Kreditkarte berechnet einen nominalen Zinssatz von 16 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Bestimme den effektiven Jahreszins EAR in Prozent.

r = 16%m = 12
EAR = %
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…336€150€150€150FV = ?

Du sparst 28 Jahre lang am Ende jedes Monats €150. Das Konto bringt 3,6 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Wie viel hast du am Ende gespart? Bestimme FV.

A = €1503,6% / 12N = 336
FV = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre0123456−60 00015 00025 50013 50024 00019 50018 000

Ein Projekt kostet heute €60 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 6 jeweils €15 000, €25 500, €13 500, €24 000, €19 500, €18 000. Die Kapitalkosten betragen 5 %. Nimm an, dass die Zahlungen gleichmäßig über jedes Jahr eingehen. Bestimme die dynamische Amortisationsdauer DPB in Jahren.

r = 5%CF0 = −60 000CF1 = 15 000CF2 = 25 500CF3 = 13 500CF4 = 24 000CF5 = 19 500CF6 = 18 000
DPB = Jahre
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre012−20 00012 00014 000

Ein Projekt kostet €20 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 2 €12 000, €14 000. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.

CF0 = −20 000CF1 = 12 000CF2 = 14 000
IRR = %
29.NormalverteilungMittel
125 kg124,4 kgT = X₁ + … + X₅?

Gegeben sind Zementsäcke; ihre Massen sind unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 25 kg und der Standardabweichung 0,5 kg. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass die Gesamtmasse von 5 davon unter 124,4 kg liegt. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μ = 25 kgσ = 0,5 kgn = 5< 124.4 kg
P =
30.NormalverteilungSchwer
10 g0X − Y?

Die Massen X eines Produkts von Linie 1 und Y von Linie 2 sind unabhängig und normalverteilt: X hat den Mittelwert 500 g und die Standardabweichung 8 g, Y hat den Mittelwert 490 g und die Standardabweichung 6 g. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass X größer als Y ist. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μX = 500 g, σX = 8 gμY = 490 g, σY = 6 g
P =

3Lösungen

1.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RB = 48,57 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·3,5 = 10·2 + 30·5
RB = 170/3,5 = 48,57 kN

Vertikales Gleichgewicht

RA = 10 + 30 − 48,57 = −8,571 kN

Antwort

RB = 48,57 kN

RA ist negativ: Das Festlager in A muss den Balken nach unten halten.

2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 19,7 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 = 6 kN/mP = 25 kNABRA​RB​5 m4 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 = 6·4 = 24 kN, angreifend bei x̄ = 7 m
ΣMA = 0: RB·10 = 25·5 + 6·4·7
RB = 293/10 = 29,3 kN
ΣFy = 0: RA = 49 − 29,3 = 19,7 kN

Antwort

RA = 19,7 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: 26,25 kN (T), BC: 26,25 kN (T), CD: 48,75 kN (T), DE: 48,75 kN (T), FG: 37,5 kN (C), GH: 37,5 kN (C), AF: 37,12 kN (C), HE: 68,94 kN (C), BF: 15 kN (T), CG: 0, DH: 30 kN (T), FC: 15,91 kN (T), HC: 15,91 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 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: 1,875 kN (C), BC: 1,875 kN (C), CD: 34,37 kN (T), DE: 34,37 kN (T), FG: 51,25 kN (C), GH: 51,25 kN (C), AF: 55,21 kN (C), HE: 57,29 kN (C), BF: 20 kN (T), CG: 0, DH: 40 kN (T), FC: 30,21 kN (T), HC: 30,21 kN (C)

Antwort

Nullstab: CG
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Vx = −5 kN

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 = 5·5 = 25 kN, angreifend bei x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 5·5·2,5
RB = 62,5/5 = 12,5 kN
ΣFy = 0: RA = 25 − 12,5 = 12,5 kN
w = 5 kN/mABRA​ = 12,5RB​ = 12,5Schnitt3,5 m1,5 m

Schnitt bei x = 3,5 m, linken Teil behalten

Nur Kräfte links vom Schnitt erscheinen. Ein Abschnitt der Streckenlast wirkt als eine Kraft in der Mitte dieses Abschnitts.

V = RA − (alle Lasten nach unten links vom Schnitt)
Vx = 12,5 − 5·3,5 = −5 kN

Antwort

Vx = −5 kN
6.Querkraft und Biegemoment

Antwort: F (x = 10 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 = 42,25 kN, R2 = 64,75 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 = −60, MC = −43,5, MD = −43, ME = −58,5, MF = −90 kN·m, MG = 0

Antwort

Markierung F: MF = −90 kN·m
7.Durchbiegung

Antwort: δB = 16,17 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 = 23000 N, a = 1500 mm, L = 2000 mm
EI = 2,4 × 10¹² N·mm²

Durchbiegung am freien Ende

Durchbiegung an der Last plus Neigung an der Last mal Restlänge.

δP = Pa³/(3EI) = 10,78 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0,01078 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 16,17 mm

Antwort

δB = 16,17 mm
8.Durchbiegung

Antwort: Ireq = 26,63 × 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 = 2500/360 = 6,944 mm

Erforderliches Flächenträgheitsmoment

I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·4·2500⁴/(384·11000·6,944) = 2,663 × 10⁷ mm⁴
Ireq = 26,63 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ireq = 26,63 × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 77,24 kN

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

Kleinstes Flächenträgheitsmoment

Ein runder Querschnitt hat um jede Achse dasselbe I.

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,7·4000 = 2800 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·306796/2800² = 77244 N = 77,24 kN

Antwort

Pcr = 77,24 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 49,35 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Trägheitsradius und Schlankheit

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 0,5·4000 = 2000 mm
KL/r = 2000/10 = 200

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/200² = 49,35 MPa

Antwort

σcr = 49,35 MPa
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 25,78 × 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 = (15000·75 − 1963·105)/(15000 − 1963) = 70,48 mm

Volle Platte um ȳ

100·150³/12 + 15000·4,518² = 28,43 × 10⁶ mm⁴

Loch um ȳ

π·50⁴/64 + 1963·34,52² = 2,646 × 10⁶ mm⁴

Subtrahieren

Ix = 25,78 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 25,78 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: σunten = 355,8 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 = 180·25 = 4500 mm², yf = 100 + 25/2 = 112,5 mm
Steg: Aw = 10·100 = 1000 mm², yw = 100/2 = 50 mm

Schwerpunkt

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (4500·112,5 + 1000·50)/5500 = 101,1 mm

Satz von Steiner

Flansch: 180·25³/12 + 4500·(112,5 − 101,1)² = 815470 mm⁴
Steg: 10·100³/12 + 1000·(50 − 101,1)² = 3,448 × 10⁶ mm⁴
Ix = 815470 + 3,448 × 10⁶ = 4,264 × 10⁶ mm⁴

Biegespannung

Die Unterkante liegt ȳ von der Achse entfernt.

y = 101,1 mm
σ = M·y/I = 1,5 × 10⁷·101,1/4,264 × 10⁶ = 355,8 MPa

Antwort

σunten = 355,8 MPa
13.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ′ = 43,07 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) = 15,5·1 + 19·3 = 72,5 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 = 72,5 − 29,43 = 43,07 kPa

Antwort

σ′ = 43,07 kPa
14.Effektive Spannung im Boden

Antwort: u = 34,34 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) = 9,81·3,5 = 34,34 kPa

Antwort

u = 34,34 kPa
15.Konsolidationssetzung

Antwort: S = 2,65 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 = 105 + 25 = 130 kPa ≤ 145 kPa

Setzung

Der Ton bleibt auf seiner Wiederbelastungslinie.

S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,03·2/(1 + 1,1)·log₁₀(130/105) = 2,65 mm

Antwort

S = 2,65 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 333,3 Tage

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.

Dränwege

Hdr,lab = 25/2 = 12,5 mm = 0,0125 m
Hdr,field = 2,5 m

Die Zeit umrechnen

t = Tv·Hdr²/cv mit demselben T_v und cv im Labor und im Feld.

tfield = 12·(2,5/0,0125)² = 480000 min
tfield = 480000/1440 = 333,3 Tage

Antwort

t = 333,3 Tage
17.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 24,52 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 + 1/2 = 2,5 m
A = H·b = 1·1 = 1 m²
Schützd = 2 mH = 1 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,5·1 = 24,52 kN

Antwort

F = 24,52 kN
18.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 25,9 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 = 1·3 = 3 m²
Schützd = 0,5 mH = 1 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·1·3 = 25,9 kN

Antwort

F = 25,9 kN
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 14,52 m

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

Mittlere Geschwindigkeit

A = π·0,2²/4 = 0,03142 m²
V = Q/A = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s

Geschwindigkeitshöhe

V²/(2g) = 2,387²/(2·9,81) = 0,2905 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(400/0,2)·2,387²/(2·9,81) = 14,52 m

Antwort

hf = 14,52 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Q = 62,26 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 = 0,025·100/0,15 = 16,67
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,3

Energiegleichung

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

12 = (16,67 + 2,3)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·12/18,97) = 3,523 m/s

Volumenstrom

Q = V·π·D²/4 = 3,523·0,01767 = 0,06226 m³/s = 62,26 L/s

Antwort

Q = 62,26 L/s
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 13,63 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 = (3 + 1,5·1,9)·1,9 = 11,11 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 3 + 2·1,9·√(1 + 1,5²) = 9,851 m
R = A/P = 1,128 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,025)·1,1282/3·0,00081/2 = 1,226 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 11,11·1,226 = 13,63 m³/s

Antwort

Q = 13,63 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,004917 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·y = 5,5·1,9 = 10,45 m²
P = b + 2y = 5,5 + 2·1,9 = 9,3 m
R = A/P = 1,124 m

Manning nach S auflösen

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,022·36/(10,45·1,081) = 0,07012
S = 0,07012² = 0,004917

Antwort

S = 0,004917

Das ist ein Gefälle von 4,917 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: η = 64,95 %

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 = 1000·9,81·0,06·48 = 28,25 kW

Wirkungsgrad

η = Ph/Pshaft = 28,25/43,5 = 64,95%

Antwort

η = 64,95%
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 33,77 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 = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (22,5 + 6)·0,3305 = 9,419 m

Förderhöhe

H = Δz + hL = 25 + 9,419 = 34,42 m

Wellenleistung

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,08·34,42/0,8 = 33,77 kW

Antwort

Pshaft = 33,77 kW
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: EAR = 17,23 %

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 pro Periode

r/m = 0,16/12 = 0,01333

Über ein Jahr aufzinsen

EAR = (1 + 0,01333)12 − 1 = 1,172 − 1 = 17,23%

Antwort

EAR = 17,23%

Der effektive Jahreszins liegt immer über dem Nominalzins, wenn die Zinsen mehr als einmal im Jahr gutgeschrieben werden.

26.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 86799 €

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

Monatszins und Anzahl der Einzahlungen

i = 0,036000000000000004/12 = 0,003
N = 12·28 = 336

Endwert der Einzahlungen

FV = A·((1 + i)N − 1)/i = 150·(2,736 − 1)/0,003 = €86 799,18

Antwort

FV = €86 799,18

Du hast selbst €50 400 eingezahlt; der Rest sind Zinsen.

27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: DPB = 3,553 Jahre

Amortisationsdauer: die Zeit, bis die kumulierten Zahlungsüberschüsse die Anfangsinvestition zurückgezahlt haben. Man nimmt an, dass das Geld gleichmäßig über jedes Jahr eingeht, der letzte Teil ist also ein Bruchteil eines Jahres. Die statische Amortisationsdauer vernachlässigt den Zeitwert des Geldes; die dynamische Amortisationsdauer verwendet stattdessen die abgezinsten Zahlungen.

Abgezinste und kumulierte Zahlungen

Jahr 1: 15 000/1,05 = 14 285,71 → Σ = 14 285,71
Jahr 2: 25 500/1,103 = 23 129,25 → Σ = 37 414,97
Jahr 3: 13 500/1,158 = 11 661,81 → Σ = 49 076,77
Jahr 4: 24 000/1,216 = 19 744,86 → Σ = 68 821,63

Bruchteil des letzten Jahres

DPB = 3 + 10 923,23/19 744,86 = 3,553

Antwort

DPB = 3,553 Jahre

Die dynamische Amortisationsdauer ist immer länger als die statische (3,25 Jahre).

28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 18,88 %

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(15%) = 1 020,79
NPV(20%) = −277,78

Eingrenzen

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

IRR ≈ 15 + 5·1 020,79/(1 020,79 − (−277,78)) = 18,93%
exakt: NPV(18,88%) = 0 → IRR = 18,88%

Antwort

IRR = 18,88%
29.Normalverteilung

Antwort: P = 0,2946

Summen und Differenzen normalverteilter Variablen: Sind X und Y unabhängig und normalverteilt, sind auch X + Y und X − Y normalverteilt. Die Mittelwerte werden addiert oder subtrahiert: E(X ± Y) = μX ± μY. Die Varianzen addieren sich immer, auch bei einer Differenz: Var(X ± Y) = σX² + σY², also σ = √(σX² + σY²). Standardabweichungen werden nie direkt addiert. Die Summe von n unabhängigen Objekten mit derselben Verteilung hat den Mittelwert n·μ und die Standardabweichung σ·√n. Standardisiere dann wie gewohnt: z = (x − Mittelwert)/σ und lies Φ(z) ab.

Verteilung der Summe

μT = 125 kg, σT = 0,5·√5 = 1,118 kg

Standardisieren

z = (124,4 − 125)/1,118 = −0,54

Wahrscheinlichkeit

P = Φ(−0,54) = 0,2946

Antwort

P = 0,2946
30.Normalverteilung

Antwort: P = 0,8413

Summen und Differenzen normalverteilter Variablen: Sind X und Y unabhängig und normalverteilt, sind auch X + Y und X − Y normalverteilt. Die Mittelwerte werden addiert oder subtrahiert: E(X ± Y) = μX ± μY. Die Varianzen addieren sich immer, auch bei einer Differenz: Var(X ± Y) = σX² + σY², also σ = √(σX² + σY²). Standardabweichungen werden nie direkt addiert. Die Summe von n unabhängigen Objekten mit derselben Verteilung hat den Mittelwert n·μ und die Standardabweichung σ·√n. Standardisiere dann wie gewohnt: z = (x − Mittelwert)/σ und lies Φ(z) ab.

Verteilung der Differenz

μ = 500 − 490 = 10 g, σ = 10 g

Standardisieren

z = (0 − 10)/10 = −1

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(−1) = 0,8413

Antwort

P = 0,8413

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