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​ = 30 kNABCRA​ = ?1 m1,5 m1,5 m

Der Balken hat in A ein Festlager und in B, 2,5 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 = 2,5 mAC = 4 mP1 = 75 kN bei 1 mP2 = 30 kN bei 4 m
RA = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 5 kN/mP = 40 kNQ = 60 kNADCRD​ = ?1 m2 m2 m3 m

Ein Gerberträger ist in A an der Wand eingespannt, hat ein Gelenk in C (3 m von A) und liegt in D (8 m von A) auf einem Loslager. Er trägt eine Einzellast P im Abstand 5 m von A, eine Gleichstreckenlast w auf dem ganzen Teil CD und eine Einzellast Q im Abstand 1 m von A. Bestimme die Auflagerkraft RD am Loslager.

AC = 3 mAD = 8 mP = 40 kN bei 5 mw = 5 kN/m von 3 bis 8 mQ = 60 kN bei 1 m
RD = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABBCACACB20 kN6 m1 m4 m

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

Spannweite = 6 mHöhe = 4 mB liegt 1 m von A entferntvertikale Last = 20 kN
FAC = kN
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
ABBCACACB55 kN5 kN4 m1 m3 m

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

Spannweite = 4 mHöhe = 3 mB liegt 1 m von A entferntvertikale Last = 55 kNhorizontale Last = 5 kN ←
FAB = kN
5.Querkraft und BiegemomentMittel
10 kN/m50 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 m

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

50 kN @ 3 m10 kN/m, 1–4 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
5 kN/m40 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 m

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

40 kN @ 6 m5 kN/m, 0–5 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
7.DurchbiegungMittel
w = 5 kN/mδL = 6 m

Ein Kragarm trägt über seine ganze Länge eine Gleichstreckenlast w. Bestimme die Durchbiegung δ am freien Ende.

w = 5 kN/mL = 6 mE = 200 GPa (Stahl)I = 160 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.DurchbiegungSchwer
w = 15 kN/mδL = 3 m

Ein Einfeldträger trägt eine Gleichstreckenlast w. Seine Durchbiegung darf Spannweite/360 nicht überschreiten. Bestimme das kleinste Flächenträgheitsmoment Ireq, das diese Grenze einhält.

w = 15 kN/mL = 3 mE = 200 GPa (Stahl)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von StützenMittel
PL = 3 m25 × 80 mmQuerschnitt

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

L = 3 mE = 200 GPa (Stahl)b × h = 25 × 80 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 4 md = 80 mmQuerschnitt

Eine Stütze der Länge L aus Aluminium ist unten eingespannt und oben frei. Bestimme ihre Schlankheit und die kritische Knickspannung σcr nach Euler.

L = 4 mE = 70 GPa (Aluminium)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
280190t = 14ȳ = ?Maße in mm

Ein U-Profil liegt mit der offenen Seite nach oben: eine Bodenplatte von 280 mm Breite mit zwei senkrechten Schenkeln, insgesamt 190 mm hoch. Boden und Schenkel sind alle 14 mm dick. Bestimme die Höhe ȳ des Schwerpunkts über der Unterkante.

b = 280 mmh = 190 mmt = 14 mm
ȳ = mm
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
1403022014xM = 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 = 140 mmtf = 30 mmtw = 14 mmhw = 220 mmM = 40 kN·m
σunten = MPa
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 15,5 kN/m³γsat​ = 18,5 kN/m³10 mGrundwasserspiegelXz = 4 m

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

z = 4 mzw = 1 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 15,5 kN/m³Sand: γsat = 18,5 kN/m³
u = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 15,5 kN/m³γsat​ = 20 kN/m³3 mTonγsat​ = 17,5 kN/m³8 mGrundwasserspiegelXz = 7 m

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

z = 7 mzw = 1 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 15,5 kN/m³Sand: γsat = 20 kN/m³Ton: γsat = 17,5 kN/m³
σ = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 35 kPaSandTonCc​ = 0,3, Cr​ = 0,06e0​ = 1σ′0​ = 65 kPaσ′p​ = 115 kPa7,5 mGrundwasserspiegel

Eine 7,5 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,3, Cr = 0,06 und e₀ = 1. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 65 kPa und die Vorbelastungsspannung 115 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 35 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 7,5 mCc = 0,3Cr = 0,06e0 = 1σ′0 = 65 kPaσ′p = 115 kPaΔσ = 35 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 8 mcv​ = 4 m²/Jahr8 mSandGrundwasserspiegel

Eine 8 m dicke Tonschicht hat einen Konsolidationsbeiwert cv = 4 m²/Jahr. Sie liegt zwischen zwei Sandschichten, das Wasser kann also oben und unten austreten. Für 50 % mittlere Konsolidation ist der Zeitfaktor Tv = 0,197. Wie viele Jahre t braucht die Schicht, um 50 % Konsolidation zu erreichen?

H = 8 mcv = 4 m²/JahrU = 50%Tv = 0,197zweiseitige Entwässerung
t = Jahre
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 2,5 mH = 2 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 = 2 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
18.Hydrostatische KraftSchwer
Schützd = 4 mH = 3 m

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Wasser, seine Oberkante liegt 4 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.

d = 4 mH = 3 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 2,4 m/sD = 100 mmL = 500 mf = 0,028

Wasser fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 2,4 m/s durch ein 500 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 100 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,028 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

V = 2,4 m/sL = 500 mD = 100 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 10Δz = ?L = 150 m, D = 100 mm, f = 0,0153× Krümmer (K = 0,3)

Zwei offene Behälter sind durch ein 150 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 100 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015 verbunden. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 3 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. Welcher Wasserspiegelunterschied Δz zwischen den Behältern ergibt einen Durchfluss von 12 L/s?

Q = 12 L/sL = 150 mD = 100 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
b = 5,5 my = 1,4 mn = 0,022, S = 0,0008

Ein Rechteckgerinne (sauberes Erdreich) ist 5,5 m breit. Wasser fließt gleichförmig 1,4 m tief. Manning n = 0,022, und das Sohlgefälle ist S = 0,0008. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

b = 5,5 my = 1,4 mn = 0,022S = 0,0008
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
D = 375 mmn = 0,013, V = 0,9 m/s

Ein Betonkanal mit einem Innendurchmesser von 375 mm (Manning n = 0,013) muss bei gerade voller Füllung eine Selbstreinigungsgeschwindigkeit von 0,9 m/s erreichen. Bestimme das Mindestgefälle S (in m/m).

D = 375 mmn = 0,013V = 0,9 m/s
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 15 L/sH = 70 m

Eine Pumpe fördert 15 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 70 m. Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 82 %, und der antreibende Elektromotor hat einen Wirkungsgrad von 88 %. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die elektrische Leistung Pel, die der Motor aufnimmt, in kW.

Q = 15 L/sH = 70 mηpump = 82%ηmotor = 88%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 40 L/sΔz = 15 mL = 150 m, D = 150 mm, f = 0,015, ΣK = 5

Eine Pumpe fördert 40 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 15 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 150 m lang, hat einen Innendurchmesser von 150 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 5 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 78 %. Bestimme die Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 40 L/sΔz = 15 mL = 150 mD = 150 mmf = 0,015ΣK = 5η = 78%
Pshaft = kW
25.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre0123…19€2 000FV = ?

Du legst €2 000 zu 2 % pro Jahr bei stetiger Verzinsung an. Bestimme den Wert FV nach 19 Jahren.

PV = €2 000r = 2%t = 19
FV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Jahre0123…14€3 000€3 000€3 000FV = ?

Du zahlst 14 Jahre lang am Anfang jedes Jahres €3 000 ein, die erste Einzahlung heute. Das Konto bringt 8 % pro Jahr. Wie viel ist am Ende von Jahr 14 auf dem Konto? Bestimme FV.

A = €3 000i = 8%n = 14
FV = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre0123456−20 0006 5006 5008 0006 5007 5005 500

Ein Projekt kostet heute €20 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 6 jeweils €6 500, €6 500, €8 000, €6 500, €7 500, €5 500. Die Kapitalkosten betragen 6 %. Nimm an, dass die Zahlungen gleichmäßig über jedes Jahr eingehen. Bestimme die dynamische Amortisationsdauer DPB in Jahren.

r = 6%CF0 = −20 000CF1 = 6 500CF2 = 6 500CF3 = 8 000CF4 = 6 500CF5 = 7 500CF6 = 5 500
DPB = Jahre
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123−10 0004 5004 5004 000

Ein Projekt kostet €10 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 €4 500, €4 500, €4 000. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.

CF0 = −10 000CF1 = 4 500CF2 = 4 500CF3 = 4 000
IRR = %
29.NormalverteilungMittel
502542P = ?

Die Lebensdauern von Batterien sind normalverteilt mit dem Mittelwert 500 h und der Standardabweichung 40 h. Welcher Anteil liegt zwischen 502 und 542 h? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 500σ = 40x1 = 502x2 = 542
P =
30.NormalverteilungSchwer
μ = 32x = ?25%

Die Lieferzeiten sind normalverteilt mit dem Mittelwert 32 min und der Standardabweichung 6 min. Bestimme den Wert x, unter dem 25 % von ihnen liegen (das 25. Perzentil).

μ = 32σ = 6P = 25%
x = min

3Lösungen

1.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 27 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·2,5 = 75·1 + 30·4
RB = 195/2,5 = 78 kN

Vertikales Gleichgewicht

RA = 75 + 30 − 78 = 27 kN

Antwort

RA = 27 kN
2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RD = 28,5 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. Ein Gelenk im Balken kann kein Biegemoment übertragen, das ergibt eine zusätzliche Gleichung: Das Moment der Kräfte auf jeder Seite um das Gelenk ist null.

Teil CD

Das Gelenk überträgt kein Moment, daher müssen die Momente um C allein am Teil CD im Gleichgewicht sein.

W = 5·5 = 25 kN bei 2,5 m von C
ΣMC = 0: RD·5 = 40·2 + 25·2,5
RD = 28,5 kN
VC = 65 − 28,5 = 36,5 kN

Antwort

RD = 28,5 kN
3.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: FAC = 4,167 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.

ABBCACACB20 kNAy​Cy​

Auflagerkräfte

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

ΣMA = 0: Cy·6 = 20·1 → Cy = 3,333 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − 3,333 = 16,67 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 = 4/6,403 = 0,6247, cos γ = 5/6,403 = 0,7809
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −3,333/0,6247 = −5,336 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−5,336)·0,7809 = 4,167 kN

Antwort

FAC = 4,167 kN (Zug)
4.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: FAB = −47,43 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 kN5 kNAy​Cy​Ax​

Auflagerkräfte

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

ΣMA = 0: Cy·4 = 55·1 − 5·3 → Cy = 10 kN
ΣFy = 0: Ay = 55 − 10 = 45 kN
ΣFx = 0: Ax = 5 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 = 3/3,162 = 0,9487
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −45/0,9487 = −47,43 kN

Antwort

FAB = −47,43 kN (Druck)
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: D (x = 3 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 = 42,5 kN, R2 = 37,5 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 = 42,5, MC = 80, MD = 107,5 kN·m, ME = 75, MF = 37,5, MG = 0

Antwort

Markierung D: MD = 107,5 kN·m
6.Querkraft und Biegemoment

Antwort: F (x = 5 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 = 4,5 kN, R2 = 60,5 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 = 2, MC = −1, MD = −9, ME = −22, MF = −40 kN·m, MG = 0

Antwort

Markierung F: MF = −40 kN·m
7.Durchbiegung

Antwort: δ = 25,31 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 = 5 N/mm, L = 6000 mm
EI = 3,2 × 10¹³ N·mm²

Durchbiegung

δ = wL⁴/(8EI) = 5·6000⁴/(8·3,2 × 10¹³) = 25,31 mm

Antwort

δ = 25,31 mm
8.Durchbiegung

Antwort: Ireq = 9,492 × 10⁶ mm⁴

Durchbiegung von Balken: Durchbiegungen erhält man durch zweimaliges Integrieren der Krümmung M/(EI). Standardfälle sind tabelliert, zum Beispiel PL³/(3EI) für einen Kragarm mit Endlast und 5wL⁴/(384EI) für einen Einfeldträger unter voller Gleichstreckenlast. Durchbiegungen aus verschiedenen Lasten addieren sich (Superposition).

Grenzwert der Durchbiegung

δallow = L/360 = 3000/360 = 8,333 mm

Erforderliches Flächenträgheitsmoment

I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·15·3000⁴/(384·200000·8,333) = 9,492 × 10⁶ mm⁴
Ireq = 9,492 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ireq = 9,492 × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 91,39 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 = 80·25³/12 = 104167 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·104167/1500² = 91385 N = 91,39 kN

Antwort

Pcr = 91,39 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 4,318 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Trägheitsradius und Schlankheit

A = 5027 mm²
r = √(I/A) = √(2,011 × 10⁶/5027) = 20 mm
KL = 2·4000 = 8000 mm
KL/r = 8000/20 = 400

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/400² = 4,318 MPa

Antwort

σcr = 4,318 MPa
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: ȳ = 59,91 mm

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 Rechtecke aufteilen

Nimm den Boden über die ganze Breite und die beiden Schenkel darüber (Höhe h − t), damit nichts doppelt gezählt wird.

Grundlage: A1 = 280·14 = 3920 mm², y1 = 7 mm
zwei Schenkel: A2 = 2·14·176 = 4928 mm², y2 = 14 + 176/2 = 102 mm

Schwerpunkt

ȳ = (3920·7 + 4928·102)/8848 = 59,91 mm

Antwort

ȳ = 59,91 mm
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: σunten = 179,9 MPa

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

In zwei Rechtecke teilen

Miss jedes y von der Unterkante aus.

Flansch: Af = 140·30 = 4200 mm², yf = 220 + 30/2 = 235 mm
Steg: Aw = 14·220 = 3080 mm², yw = 220/2 = 110 mm

Schwerpunkt

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (4200·235 + 3080·110)/7280 = 182,1 mm

Satz von Steiner

Flansch: 140·30³/12 + 4200·(235 − 182,1)² = 1,206 × 10⁷ mm⁴
Steg: 14·220³/12 + 3080·(110 − 182,1)² = 2,844 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,206 × 10⁷ + 2,844 × 10⁷ = 4,05 × 10⁷ mm⁴

Biegespannung

Die Unterkante liegt ȳ von der Achse entfernt.

y = 182,1 mm
σ = M·y/I = 4 × 10⁷·182,1/4,05 × 10⁷ = 179,9 MPa

Antwort

σunten = 179,9 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 = 125,5 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·1 + γsat,sand·2 + γsat,clay·4
σ = 15,5·1 + 20·2 + 17,5·4 = 125,5 kPa

Antwort

σ = 125,5 kPa
15.Konsolidationssetzung

Antwort: S = 42,09 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 = 65 + 35 = 100 kPa ≤ 115 kPa

Setzung

Der Ton bleibt auf seiner Wiederbelastungslinie.

S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,06·7,5/(1 + 1)·log₁₀(100/65) = 42,09 mm

Antwort

S = 42,09 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 0,788 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 = 8/2 = 4 m

Zeit

t = Tv·Hdr²/cv = 0,197·4²/4 = 0,788 Jahre

Antwort

t = 0,788 Jahre
17.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 68,67 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 + 2/2 = 3,5 m
A = H·b = 2·1 = 2 m²
Schützd = 2,5 mH = 2 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3,5·2 = 68,67 kN

Antwort

F = 68,67 kN
18.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 161,9 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 = 4 + 3/2 = 5,5 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
Schützd = 4 mH = 3 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·5,5·3 = 161,9 kN

Antwort

F = 161,9 kN
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 41,1 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) = 2,4²/(2·9,81) = 0,2936 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(500/0,1)·2,4²/(2·9,81) = 41,1 m

Antwort

hf = 41,1 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Δz = 4,152 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 = 0,012/0,007854 = 1,528 m/s
V²/(2g) = 0,119 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,015·150/0,1 = 22,5
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 + 1,0 = 12,4

Gesamte Verlusthöhe

hf = 22,5·0,119 = 2,677 m
hm = 12,4·0,119 = 1,475 m
Δz = hf + hm = 4,152 m

Antwort

Δz = 4,152 m
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 9,416 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·y = 5,5·1,4 = 7,7 m²
P = b + 2y = 5,5 + 2·1,4 = 8,3 m
R = A/P = 0,9277 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,022)·0,92772/3·0,00081/2 = 1,223 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 7,7·1,223 = 9,416 m³/s

Antwort

Q = 9,416 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,003214 m/m

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

Hydraulischer Radius

R = D/4 = 0,375/4 = 0,09375 m

Manning nach S auflösen

S = (n·V/R2/3)² = (0,013·0,9/0,2064)² = 0,003214

Antwort

S = 0,003214

Das ist ein Gefälle von 3,214 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pel = 14,27 kW

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

Hydraulische Leistung

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,015·70 = 10,3 kW

Wellenleistung

Pshaft = 10,3/0,82 = 12,56 kW

Elektrische Leistung

Pel = 12,56/0,88 = 14,27 kW

Antwort

Pel = 14,27 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 10,17 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 = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s
V²/(2g) = 0,2611 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (15 + 5)·0,2611 = 5,223 m

Förderhöhe

H = Δz + hL = 15 + 5,223 = 20,22 m

Wellenleistung

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,04·20,22/0,78 = 10,17 kW

Antwort

Pshaft = 10,17 kW
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 2925 €

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 = 0,02·19 = 0,38
e0,38 = 1,462

Endwert

FV = 2 000·1,462 = €2 924,57

Antwort

FV = €2 924,57
26.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 78456 €

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 + 0,08)14 − 1)/0,08 = 24,21

Vorschüssige Rente

Jede Einzahlung ist ein Jahr länger angelegt.

FV = 3 000·24,21·1,08 = €78 456,34

Antwort

FV = €78 456,34
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: DPB = 3,265 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: 6 500/1,06 = 6 132,08 → Σ = 6 132,08
Jahr 2: 6 500/1,124 = 5 784,98 → Σ = 11 917,05
Jahr 3: 8 000/1,191 = 6 716,95 → Σ = 18 634,01
Jahr 4: 6 500/1,262 = 5 148,61 → Σ = 23 782,62

Bruchteil des letzten Jahres

DPB = 3 + 1 365,99/5 148,61 = 3,265

Antwort

DPB = 3,265 Jahre

Die dynamische Amortisationsdauer ist immer länger als die statische (2,875 Jahre).

28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 14,67 %

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%) = 815,18
NPV(15%) = −54,25

Eingrenzen

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

IRR ≈ 10 + 5·815,18/(815,18 − (−54,25)) = 14,69%
exakt: NPV(14,67%) = 0 → IRR = 14,67%

Antwort

IRR = 14,67%
29.Normalverteilung

Antwort: P = 0,3332

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 = (502 − 500)/40 = 0,05
z₂ = (542 − 500)/40 = 1,05

Fläche dazwischen

P = Φ(1,05) − Φ(0,05) = 0,8531 − 0,5199 = 0,3332

Antwort

P = 0,3332
30.Normalverteilung

Antwort: x = 27,95 min

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) = 0,25 → z = −0,6745

Zurück zu x

x = 32 + −0,6745·6 = 27,95 min

Antwort

x = 27,95 min

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