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​ = 35 kNP2​ = 35 kNABRA​ = ?RB​1,5 m1,5 m1 m

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

L = 4 mP1 = 35 kN bei 1,5 mP2 = 35 kN bei 3 m
RA = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 12 kN/mP = 35 kNABRA​RB​ = ?2 m1 m1 m

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

L = 4 mP = 35 kN bei 3 mw = 12 kN/m von 2 bis 4 m
RB = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABCDEFGH40 kN15 kN4 × 4 m3 m

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

B: 40 kN ↓D: 15 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
ABCDEFGH20 kN30 kN15 kN15 kN4 × 3 m4 m

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

F: 20 kN ↓F: 30 kN →G: 15 kN ↓H: 15 kN ↓
  1. 1Stab AB
  2. 2Stab BC
  3. 3Stab CD
  4. 4Stab DE
  5. 5Stab FG
  6. 6Stab GH
  7. 7Stab AF
  8. 8Stab HE
  9. 9Stab BF
  10. 10Stab CG
  11. 11Stab DH
  12. 12Stab BG
  13. 13Stab DG
5.Querkraft und BiegemomentMittel
10 kN50 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.

10 kN @ 4 m50 kN @ 3 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
w = 6 kN/mABC8 m2,5 m

Der Balken liegt in A auf einem Festlager und in B auf einem Loslager und kragt über B um 2,5 m bis zum freien Ende C aus. Über die ganze Länge A–C wirkt eine Gleichstreckenlast w. Bestimme das maximale positive Biegemoment Mmax zwischen den Auflagern.

L = 10,5 mw = 6 kN/m von 0 bis 10,5 mAuflager bei x = 0 und x = 8 m
Mmax = kN·m
7.DurchbiegungMittel
w = 20 kN/mδL = 4 m

Ein Einfeldträger trägt über die ganze Spannweite eine Gleichstreckenlast w. Bestimme die maximale Durchbiegung δmax in Feldmitte.

w = 20 kN/mL = 4 mE = 70 GPa (Aluminium)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.DurchbiegungSchwer
w = 4 kN/mP = 28 kNδL = 3 m

Ein Einfeldträger trägt eine Gleichstreckenlast w und eine Einzellast P in Feldmitte. Bestimme mit Superposition die Durchbiegung δmax in Feldmitte.

P = 28 kNw = 4 kN/mL = 3 mE = 200 GPa (Stahl)I = 12 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Knicken von StützenMittel
PL = 5 m30 × 60 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 = 5 mE = 70 GPa (Aluminium)b × h = 30 × 60 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 3 md = 80 mmQuerschnitt

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

L = 3 mE = 70 GPa (Aluminium)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
1002512018xMaße in mm

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

bf = 100 mmtf = 25 mmtw = 18 mmhw = 120 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
200 mm240 mm168 mm40 × 50xIx​ = ?

Eine Platte von 200 mm × 240 mm hat einen rechteckigen Ausschnitt von 40 mm Breite und 50 mm Höhe, der auf der vertikalen Mittellinie sitzt und dessen Mittelpunkt 168 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.

b = 200 mmh = 240 mmAusschnitt: 40 × 50 mmLochmittelpunkt: y = 168 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 17 kN/m³γsat​ = 18,5 kN/m³6 mGrundwasserspiegelXz = 5 m

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

z = 5 mzw = 4 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 17 kN/m³Sand: γsat = 18,5 kN/m³
σ = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 16 kN/m³γsat​ = 19 kN/m³3 mTonγsat​ = 17,5 kN/m³8 mGrundwasserspiegelXz = 7 m

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

z = 7 mzw = 2 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 16 kN/m³Sand: γsat = 19 kN/m³Ton: γsat = 17,5 kN/m³
σ′ = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 200 kPaSandTonCc​ = 0,5, Cr​ = 0,03e0​ = 1,05σ′0​ = 70 kPaOCR = 22 mGrundwasserspiegel

Eine 2 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,5, Cr = 0,03 und e₀ = 1,05. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 70 kPa und der Überkonsolidierungsgrad OCR = 2. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 200 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 2 mCc = 0,5Cr = 0,03e0 = 1,05σ′0 = 70 kPaOCR = 2Δσ = 200 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 6 mcv​ = 2,5 m²/Jahr6 mSandGrundwasserspiegel

Eine 6 m dicke Tonschicht hat einen Konsolidationsbeiwert cv = 2,5 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 = 6 mcv = 2,5 m²/JahrU = 50%Tv = 0,197zweiseitige Entwässerung
t = Jahre
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 0,5 mH = 1,5 m

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 3 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 = 1,5 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
18.Hydrostatische KraftSchwer
Schützd = 2 mH = 1,5 m

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

d = 2 mH = 1,5 mb = 1 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 2,7 m/sD = 100 mmL = 800 mf = 0,022

Wasser (ρ = 1000 kg/m³) fließt mit 2,7 m/s durch ein waagerechtes, 800 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 100 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,022 und g = 9,81 m/s². Bestimme den Druckverlust Δp über das Rohr in kPa.

V = 2,7 m/sL = 800 mD = 100 mmf = 0,022ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 10Δz = ?L = 100 m, D = 250 mm, f = 0,0253× Krümmer (K = 0,3)

Zwei offene Behälter sind durch ein 100 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 250 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,025 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 120 L/s?

Q = 120 L/sL = 100 mD = 250 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
b = 1,5 my = 1,7 mn = 0,015, S = 0,0008

Ein Rechteckgerinne (Mauerwerk) ist 1,5 m breit. Wasser fließt gleichförmig 1,7 m tief. Manning n = 0,015, und das Sohlgefälle ist S = 0,0008. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

b = 1,5 my = 1,7 mn = 0,015S = 0,0008
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
D = 250 mmn = 0,013, V = 0,6 m/s

Ein Betonkanal mit einem Innendurchmesser von 250 mm (Manning n = 0,013) muss bei gerade voller Füllung eine Selbstreinigungsgeschwindigkeit von 0,6 m/s erreichen. Bestimme das Mindestgefälle S (in m/m).

D = 250 mmn = 0,013V = 0,6 m/s
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 50 L/sH = 40 m

In einem Versuch fördert eine Pumpe 50 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 40 m, während ihre Welle 24,5 kW aufnimmt. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Pumpenwirkungsgrad η in Prozent.

Q = 50 L/sH = 40 mPshaft = 24,5 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 80 L/sΔz = 9 mL = 150 m, D = 250 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 9 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 150 m lang, hat einen Innendurchmesser von 250 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 82 %. Bestimme die Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 80 L/sΔz = 9 mL = 150 mD = 250 mmf = 0,015ΣK = 6η = 82%
Pshaft = kW
25.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre012€10 000FV = ?

Du legst €10 000 zu 8 % pro Jahr bei stetiger Verzinsung an. Bestimme den Wert FV nach 2 Jahren.

PV = €10 000r = 8%t = 2
FV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…192A?AA€100 000

Du möchtest in 16 Jahren €100 000 haben. Du sparst am Ende jedes Monats denselben Betrag auf einem Konto mit 2,4 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Bestimme die monatliche Einzahlung A.

FV = €100 0002,4% / 12N = 192
A = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre012345−40 00010 50010 50010 50010 50020 500

Eine Maschine kostet heute €40 000. Sie erwirtschaftet 5 Jahre lang am Ende jedes Jahres €10 500 und kann danach für €10 000 verkauft werden. Die Kapitalkosten betragen 12 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

C0 = €40 000CF = €10 500S = €10 000n = 5r = 12%
NPV = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123−20 00011 5009 0006 500

Ein Projekt kostet €20 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 jeweils €11 500, €9 000, €6 500. Die Zahlungen können zu den Kapitalkosten von 10 % wieder angelegt werden. Bestimme den modifizierten internen Zinsfuß MIRR in Prozent.

r = 10%CF0 = −20 000CF1 = 11 500CF2 = 9 000CF3 = 6 500
MIRR = %
29.NormalverteilungMittel
200 mm199,8 mmX + Y?

X ist normalverteilt mit dem Mittelwert 120 mm und der Standardabweichung 0,3 mm; Y ist unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 80 mm und der Standardabweichung 0,4 mm. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass X + Y größer als 199,8 mm ist. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μX = 120, σX = 0,3μY = 80, σY = 0,4X + Y > 199,8 mm
P =
30.NormalverteilungSchwer
557085100115130145Punkteunten 85%

Die IQ-Werte sind normalverteilt mit dem Mittelwert 100 Punkte und der Standardabweichung 15 Punkte. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten unteren 85 % links davon liegen. Bestimme die Grenze x.

μ = 100 Punkteσ = 15 Punkte85%
x = Punkte

3Lösungen

1.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 30,63 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​ = 35 kNP2​ = 35 kNABRA​RB​1,5 m1,5 m1 m

Freikörperbild

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

Gleichgewicht

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

ΣMA = 0: RB·4 = 35·1,5 + 35·3
RB = 157,5/4 = 39,38 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 39,38 = 30,63 kN

Antwort

RA = 30,63 kN
2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RB = 44,25 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 = 12 kN/mP = 35 kNABRA​RB​2 m1 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 = 12·2 = 24 kN, angreifend bei x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·4 = 35·3 + 12·2·3
RB = 177/4 = 44,25 kN
ΣFy = 0: RA = 59 − 44,25 = 14,75 kN

Antwort

RB = 44,25 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: 45 kN (T), BC: 36,67 kN (T), CD: 36,67 kN (T), DE: 28,33 kN (T), FG: 45 kN (C), GH: 28,33 kN (C), AF: 56,25 kN (C), HE: 35,42 kN (C), BF: 33,75 kN (T), CG: 0, DH: 21,25 kN (T), BG: 10,42 kN (T), DG: 10,42 kN (C)

Antwort

Nullstab: CG
4.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: Stab CG

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

Knoten C

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

ΣF⊥ = 0 → FCG = 0

Mit dem Knotenpunktverfahren prüfen

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

AB: 42,19 kN (T), BC: 39,37 kN (T), CD: 39,37 kN (T), DE: 25,31 kN (T), FG: 42,19 kN (C), GH: 25,31 kN (C), AF: 20,31 kN (C), HE: 42,19 kN (C), BF: 3,75 kN (C), CG: 0, DH: 18,75 kN (T), BG: 4,688 kN (T), DG: 23,44 kN (C)

Antwort

Nullstab: CG
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 = 28,33 kN, R2 = 31,67 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 = 28,33, MC = 56,67, MD = 85 kN·m, ME = 63,33, MF = 31,67, MG = 0

Antwort

Markierung D: MD = 85 kN·m
6.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mmax = 39,08 kN·m

Schnittverfahren: Schneide den Balken dort, wo du die Schnittgrößen brauchst, und behalte eine Seite. Die Querkraft V hält den vertikalen Kräften dieser Seite das Gleichgewicht, das Biegemoment M ihren Momenten um den Schnitt. Maximales Moment: Wegen dM/dx = V hat das Biegemoment sein Maximum dort, wo die Querkraft durch null geht, entweder an einer Einzellast oder innerhalb einer Streckenlast.

Auflagerkräfte

Gleichgewicht am ganzen Balken, einschließlich der Last auf dem Kragarm.

Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 6·10,5 = 63 kN, angreifend bei x̄ = 5,25 m
ΣMA = 0: RB·8 = 6·10,5·5,25
RB = 330,8/8 = 41,34 kN
ΣFy = 0: RA = 63 − 41,34 = 21,66 kN

Querkraftnullstelle

RA − w·x0 = 0 → x0 = 21,66/6 = 3,609 m

Maximales positives Moment

Mmax = RA·x0 − w·x0²/2 = RA²/(2w) = 21,66²/(2·6) = 39,08 kN·m

Antwort

Mmax = 39,08 kN·m
7.Durchbiegung

Antwort: δmax = 7,937 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 = 20 N/mm, L = 4000 mm
EI = 8,4 × 10¹² N·mm²

Durchbiegung

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·20·4000⁴/(384·8,4 × 10¹²) = 7,937 mm

Antwort

δmax = 7,937 mm
8.Durchbiegung

Antwort: δmax = 8,32 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 = 28000 N, w = 4 N/mm, L = 3000 mm, EI = 2,4 × 10¹² N·mm²

Jede Last für sich

δP = PL³/(48EI) = 28000·3000³/(48·2,4 × 10¹²) = 6,563 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·4·3000⁴/(384·2,4 × 10¹²) = 1,758 mm

Addieren

δmax = 6,563 + 1,758 = 8,32 mm

Antwort

δmax = 8,32 mm
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 7,614 kN

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

Kleinstes Flächenträgheitsmoment

Ein Rechteck knickt um seine schwache Achse, mit der kleineren Abmessung hoch drei.

Imin = h·b³/12 = 60·30³/12 = 135000 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·135000/3500² = 7614 N = 7,614 kN

Antwort

Pcr = 7,614 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 30,71 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 = 1·3000 = 3000 mm
KL/r = 3000/20 = 150

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/150² = 30,71 MPa

Antwort

σcr = 30,71 MPa
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 8,813 × 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 = 100·25 = 2500 mm², yf = 120 + 25/2 = 132,5 mm
Steg: Aw = 18·120 = 2160 mm², yw = 120/2 = 60 mm

Schwerpunkt

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (2500·132,5 + 2160·60)/4660 = 98,89 mm

Satz von Steiner

Flansch: 100·25³/12 + 2500·(132,5 − 98,89)² = 2,953 × 10⁶ mm⁴
Steg: 18·120³/12 + 2160·(60 − 98,89)² = 5,86 × 10⁶ mm⁴
Ix = 2,953 × 10⁶ + 5,86 × 10⁶ = 8,813 × 10⁶ mm⁴ = 8,813 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 8,813 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 225,2 × 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 = (48000·120 − 2000·168)/(48000 − 2000) = 117,9 mm

Volle Platte um ȳ

200·240³/12 + 48000·2,087² = 230,6 × 10⁶ mm⁴

Loch um ȳ

40·50³/12 + 2000·50,09² = 5,434 × 10⁶ mm⁴

Subtrahieren

Ix = 225,2 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 225,2 × 10⁶ mm⁴
13.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ = 86,5 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·zw + γsat·(z − zw) = 17·4 + 18,5·1 = 86,5 kPa

Antwort

σ = 86,5 kPa
14.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ′ = 71,95 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·1 + γsat,clay·4
σ = 16·2 + 19·1 + 17,5·4 = 121 kPa

Porenwasserdruck

Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.

u = γw·(z − zw) = 9,81·5 = 49,05 kPa

Effektive Spannung

σ′ = σ − u = 121 − 49,05 = 71,95 kPa

Antwort

σ′ = 71,95 kPa
15.Konsolidationssetzung

Antwort: S = 148 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 = 2·70 = 140 kPa

Mit der Vorbelastungsspannung vergleichen

σ′f = 70 + 200 = 270 kPa > 140 kPa

Setzung

Wiederbelastung bis σ′p, Erstbelastung darüber.

S = 0,03·2/(1 + 1,05)·log₁₀(140/70) + 0,5·2/(1 + 1,05)·log₁₀(270/140)
S = 8,811 + 139,1 = 148 mm

Antwort

S = 148 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 0,7092 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 = 6/2 = 3 m

Zeit

t = Tv·Hdr²/cv = 0,197·3²/2,5 = 0,7092 Jahre

Antwort

t = 0,7092 Jahre
17.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 55,18 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 + 1,5/2 = 1,25 m
A = H·b = 1,5·3 = 4,5 m²
Schützd = 0,5 mH = 1,5 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·1,25·4,5 = 55,18 kN

Antwort

F = 55,18 kN
18.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 35,61 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 + 1,5/2 = 2,75 m
A = H·b = 1,5·1 = 1,5 m²
Schützd = 2 mH = 1,5 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·2,75·1,5 = 35,61 kN

Antwort

F = 35,61 kN
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Δp = 641,5 kPa

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.

Verlusthöhe

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(800/0,1)·2,7²/(2·9,81) = 65,39 m

Druckverlust

Das Rohr ist waagerecht und die Geschwindigkeit ändert sich nicht, daher reduziert sich die Energiegleichung auf Δp = ρ·g·hf.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·65,39 = 641520 Pa = 641,5 kPa

Antwort

Δp = 641,5 kPa
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Δz = 6,823 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 = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s
V²/(2g) = 0,3046 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,025·100/0,25 = 10
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 + 1,0 = 12,4

Gesamte Verlusthöhe

hf = 10·0,3046 = 3,046 m
hm = 12,4·0,3046 = 3,777 m
Δz = hf + hm = 6,823 m

Antwort

Δz = 6,823 m
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 3,111 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 = 1,5·1,7 = 2,55 m²
P = b + 2y = 1,5 + 2·1,7 = 4,9 m
R = A/P = 0,5204 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,015)·0,52042/3·0,00081/2 = 1,22 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 2,55·1,22 = 3,111 m³/s

Antwort

Q = 3,111 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,002453 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 = 0,25/4 = 0,0625 m

Manning nach S auflösen

S = (n·V/R2/3)² = (0,013·0,6/0,1575)² = 0,002453

Antwort

S = 0,002453

Das ist ein Gefälle von 2,453 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: η = 80,08 %

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 = 1000·9,81·0,05·40 = 19,62 kW

Wirkungsgrad

η = Ph/Pshaft = 19,62/24,5 = 80,08%

Antwort

η = 80,08%
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 10,56 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 = 0,08/0,04909 = 1,63 m/s
V²/(2g) = 0,1354 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (9 + 6)·0,1354 = 2,031 m

Förderhöhe

H = Δz + hL = 9 + 2,031 = 11,03 m

Wellenleistung

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,08·11,03/0,82 = 10,56 kW

Antwort

Pshaft = 10,56 kW
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 11735 €

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

Exponent

r·t = 0,08·2 = 0,16
e0,16 = 1,174

Endwert

FV = 10 000·1,174 = €11 735,11

Antwort

FV = €11 735,11
26.Zeitwert des Geldes

Antwort: A = 427,7 €

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 = 0,024/12 = 0,002
N = 12·16 = 192

Einzahlung

A = FV·i/((1 + i)N − 1) = 100 000·0,002/(1,468 − 1) = €427,73

Antwort

A = €427,73
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = 3524 €

Kapitalwert: Zinse jeden Zahlungsstrom mit der geforderten Rendite r auf heute ab und addiere alle: NPV = Σ CFₜ/(1 + r)ᵗ. Ein Projekt mit NPV > 0 verdient mehr als r und schafft Wert. Der interne Zinsfuß (IRR) ist der Zinssatz, bei dem NPV = 0 ist.

Barwert der jährlichen Zahlungen

10 500·3,605 = 37 850,15

Barwert des Restwerts

10 000/1,762 = 5 674,27

NPV

NPV = −40 000 + 37 850,15 + 5 674,27 = €3 524,42

Antwort

NPV = €3 524,42
28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: MIRR = 14,87 %

Modifizierter interner Zinsfuß: Zinse jede Einzahlung mit dem Wiederanlagezins (meist den Kapitalkosten) bis zum Projektende auf, um den Endwert TV zu erhalten. Der MIRR ist der Zinssatz, der die Anfangsinvestition in TV überführt: MIRR = (TV/C₀)^(1/n) − 1.

Endwert der Einzahlungen

11 500·1,12 = 13 915,00
9 000·1,11 = 9 900,00
6 500·1,10 = 6 500,00
TV = 30 315,00

MIRR

MIRR = (30 315,00/20 000)1/3 − 1 = 14,87%

Antwort

MIRR = 14,87%
29.Normalverteilung

Antwort: P = 0,6554

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

μ = 200 mm, σ = √(0,3² + 0,4²) = 0,5 mm

Standardisieren

z = (199,8 − 200)/0,5 = −0,4

Oberer Rand

P = 1 − Φ(−0,4) = 1 − 0,3446 = 0,6554

Antwort

P = 0,6554
30.Normalverteilung

Antwort: x = 115,6 Punkte

Von einer Fläche zurück zu z: Φ(z) ist die Fläche links von z. Für eine linke Randfläche A suche in der Tabelle z mit Φ(z) = A. Eine rechte Randfläche A bedeutet Φ(z) = 1 − A. Eine zentrale Fläche A zwischen −z und z lässt (1 − A)/2 auf jedem Rand übrig, also Φ(z) = (1 + A)/2. Für einen Wert x verwende x = μ + zσ.

Fläche links

Φ(z) = 0,85

z aus der Tabelle

z ≈ 1,04

Zurück zu den ursprünglichen Einheiten

x = 100 + 1,04·15 = 115,6 Punkte

Antwort

x = 115,6 Punkte

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