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
P = 55 kNM = 40 kN·mABRB​ = ?1 m3,5 m0,5 m

Der Einfeldträger hat in A ein Festlager und in B ein Loslager. Er trägt eine Einzellast P im Abstand 4,5 m von A und ein eingeprägtes Moment M (gegen den Uhrzeigersinn) im Abstand 1 m von A. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RB, nach oben positiv.

L = 5 mP = 55 kN bei 4,5 mM = 40 kN·m (gegen den Uhrzeigersinn) bei 1 m
RB = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 5 kN/mP = 60 kNABCRB​ = ?1,5 m0,5 m2,5 m1,5 m

Der Balken hat in A ein Festlager und in B, 4,5 m von A entfernt, ein Loslager und kragt über B bis zum freien Ende C aus. Er trägt eine Einzellast P im Abstand 1,5 m von A und eine Gleichstreckenlast w von 2 m bis zum freien Ende bei 6 m. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RB, nach oben positiv.

AB = 4,5 mAC = 6 mP = 60 kN bei 1,5 mw = 5 kN/m von 2 bis 6 m
RB = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABBCACACB55 kN6 m2 m2 m

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

Spannweite = 6 mHöhe = 2 mB liegt 2 m von A entferntvertikale Last = 55 kN
FAC = kN
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
ABCDEFGH35 kN10 kN15 kN30 kN4 × 4 m3 m

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

D: 35 kN ↓F: 10 kN →G: 15 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 BG
  13. 13Stab DG
5.Querkraft und BiegemomentMittel
w = 3 kN/mABSchnitt1 m4 m

Bestimme das Biegemoment Mx im Schnitt x = 1 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 = 3 kN/m von 0 bis 5 mx = 1 m
Mx = kN·m
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
30 kN45 kN10 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 m10 kN @ 4 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 = 29 kNABδ0,5 m1,5 m

Ein Kragarm der Länge L ist in A eingespannt und trägt eine Einzellast P im Abstand a = 0,5 m von A. Bestimme die Durchbiegung δB am freien Ende B.

P = 29 kNa = 0,5 mL = 2 mE = 11 GPa (Holz)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δB = mm
8.DurchbiegungSchwer
w = 1,5 kN/mABδ4 m

Ein Holzbalken als Einfeldträger mit Rechteckquerschnitt, 125 mm breit, trägt über die ganze Spannweite eine Gleichstreckenlast w. Seine Durchbiegung in Feldmitte darf Spannweite/360 nicht überschreiten. Bestimme die kleinste Querschnittshöhe hreq.

w = 1,5 kN/mL = 4 mE = 11 GPa (Holz)b = 125 mm
hreq = mm
9.Knicken von StützenMittel
PL = 5 m50 × 80 mmQuerschnitt

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

L = 5 mE = 200 GPa (Stahl)b × h = 50 × 80 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 2 md = 25 mmQuerschnitt

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

L = 2 mE = 70 GPa (Aluminium)d = 25 mm
σcr = MPa
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
B = 180H = 375t = 8xMaße in mm

Ein rechteckiger Hohlquerschnitt (Kastenquerschnitt) hat die Außenbreite B = 180 mm, die Außenhöhe H = 375 mm und eine gleichmäßige Wanddicke t = 8 mm. Bestimme seinen Trägheitsradius r um die horizontale Schwerachse.

B = 180 mmH = 375 mmt = 8 mm
r = mm
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
160201008xM = 20 kN·mMaße in mm

Der T-Querschnitt wird als Balken mit dem Flansch oben verwendet und trägt ein positives Biegemoment von 20 kN·m. Bestimme den Betrag der Biegespannung σoben an der Oberkante.

bf = 160 mmtf = 20 mmtw = 8 mmhw = 100 mmM = 20 kN·m
σoben = MPa
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 16,5 kN/m³γsat​ = 20,5 kN/m³13 mGrundwasserspiegelXz = 12 m

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

z = 12 mzw = 1 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 16,5 kN/m³Sand: γsat = 20,5 kN/m³
σ′ = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 17 kN/m³γsat​ = 20,5 kN/m³6 mTonγsat​ = 17 kN/m³4 mGrundwasserspiegelXz = 8 m

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

z = 8 mzw = 3 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 17 kN/m³Sand: γsat = 20,5 kN/m³Ton: γsat = 17 kN/m³
u = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 100 kPaSandTonCc​ = 0,3, Cr​ = 0,02e0​ = 0,7σ′0​ = 60 kPaOCR = 22 mGrundwasserspiegel

Eine 2 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,3, Cr = 0,02 und e₀ = 0,7. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 60 kPa und der Überkonsolidierungsgrad OCR = 2. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 100 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 2 mCc = 0,3Cr = 0,02e0 = 0,7σ′0 = 60 kPaOCR = 2Δσ = 100 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 6,5 m6,5 mSandGrundwasserspiegel

In einem Ödometerversuch im Labor erreicht eine 20 mm dicke Tonprobe, die oben und unten entwässert, in 4 min 50 % Konsolidation. Im Feld bildet derselbe Ton eine 6,5 m dicke Schicht. Sie liegt zwischen zwei Sandschichten, das Wasser kann also oben und unten austreten. Wie viele Tage t braucht die Schicht im Feld, um 50 % Konsolidation zu erreichen?

hlab = 20 mmtlab = 4 minH = 6,5 mFeld: zweiseitige Entwässerung
t = Tage
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 2,5 mH = 3 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 = 3 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
18.Hydrostatische KraftSchwer
Schützd = 0,5 mH = 1,5 m

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1,5 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Glycerin, 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 = 1,5 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 1,7 m/sD = 300 mmL = 500 mf = 0,028

Wasser fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 1,7 m/s durch ein 500 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,028 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

V = 1,7 m/sL = 500 mD = 300 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 2freier AuslaufH = ?L = 150 m, D = 300 mm, f = 0,0184× Krümmer (K = 0,3)

Ein 150 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm (Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018) führt von einem offenen Behälter weg und tritt als freier Strahl ins Freie aus. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 4 Krümmer (je K = 0,3) und ein Ventil (K = 2). Verwende g = 9,81 m/s². Wie hoch H muss der Wasserspiegel im Behälter über dem Rohrauslauf liegen, damit der Durchfluss 75 L/s beträgt?

Q = 75 L/sL = 150 mD = 300 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2
H = m
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
b = 5 my = 1,4 mn = 0,022, S = 0,0015

Ein Rechteckgerinne (sauberes Erdreich) ist 5 m breit. Wasser fließt gleichförmig 1,4 m tief. Manning n = 0,022, und das Sohlgefälle ist S = 0,0015. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

b = 5 my = 1,4 mn = 0,022S = 0,0015
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
b = 1,5 my = 1,2 mn = 0,022, Q = 3,1 m³/s

Ein 1,5 m breites Rechteckgerinne (sauberes Erdreich) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 1,2 m 3,1 m³/s abführen. Manning n = 0,022. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).

Q = 3,1 m³/sb = 1,5 my = 1,2 mn = 0,022
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 40 L/sH = 52 m

Eine Pumpe fördert 40 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 52 m. Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 78 %, 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 = 40 L/sH = 52 mηpump = 78%ηmotor = 88%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
150 kPa (Überdruck)PQ = 120 L/sΔz = 13 mL = 100 m, D = 250 mm, f = 0,02, ΣK = 4

Eine Pumpe fördert 120 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 13 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 100 m lang, hat einen Innendurchmesser von 250 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,02; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 4 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Der obere Tank ist geschlossen, und die Luft über dem Wasser steht unter einem Überdruck von 150 kPa. Bestimme die Förderhöhe H, die die Pumpe aufbringen muss.

Q = 120 L/sΔz = 13 mL = 100 mD = 250 mmf = 0,02ΣK = 4ptank = 150 kPa
H = m
25.Zeitwert des GeldesMittel
Perioden0123…1211 + EAR = ?24% / 12

Eine Kreditkarte berechnet einen nominalen Zinssatz von 24 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Bestimme den effektiven Jahreszins EAR in Prozent.

r = 24%m = 12
EAR = %
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…72€20 000A?AAA

Ein Darlehen von €20 000 wird über 6 Jahre in gleichen Monatsraten zurückgezahlt. Der Zinssatz beträgt 7,2 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Bestimme die Monatsrate A.

P = €20 0007,2% / 12N = 72
A = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre01234−20 0009 0009 0008 0007 000

Eine Investition von €20 000 bringt am Ende der Jahre 1 bis 4 diese Zahlungen: €9 000, €9 000, €8 000, €7 000. Die Kapitalkosten betragen 5 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

r = 5%CF0 = −20 000CF1 = 9 000CF2 = 9 000CF3 = 8 000CF4 = 7 000
NPV = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123…9−150 00016 500+5%+5%+5%r = 12%, NPV = ?

Ein Projekt kostet heute €150 000. Seine Zahlung beträgt €16 500 am Ende von Jahr 1 und wächst um 5 % pro Jahr bis zur letzten Zahlung am Ende von Jahr 9. Die Kapitalkosten betragen 12 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

C0 = €150 000CF1 = €16 500g = 5%n = 9r = 12%
NPV = €
29.NormalverteilungMittel
144 kg146,8 kgT = X₁ + … + X₁₂?

Gegeben sind Kartons; ihre Massen sind unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 12 kg und der Standardabweichung 0,8 kg. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass die Gesamtmasse von 12 davon 146,8 kg übersteigt. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μ = 12 kgσ = 0,8 kgn = 12> 146,8 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 = 41,5 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.

Momente um A

Gegen den Uhrzeigersinn positiv.

ΣMA = 0: RB·5 − 55·4,5 + 40 = 0
RB = 207,5/5 = 41,5 kN

Vertikales Gleichgewicht

RA = 55 − 41,5 = 13,5 kN

Antwort

RB = 41,5 kN

Eine negative Auflagerkraft wirkt nach unten.

2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RB = 37,78 kN

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

Resultierende der Streckenlast

W = 5·4 = 20 kN, x̄ = (2 + 6)/2 = 4 m

Gleichgewicht

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

ΣMA = 0: RB·4,5 = 60·1,5 + 20·4
RB = 170/4,5 = 37,78 kN
RA = 80 − 37,78 = 42,22 kN

Antwort

RB = 37,78 kN
3.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: FAC = 36,67 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 kNAy​Cy​

Auflagerkräfte

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

ΣMA = 0: Cy·6 = 55·2 → Cy = 18,33 kN
ΣFy = 0: Ay = 55 − 18,33 = 36,67 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 = 2/4,472 = 0,4472, cos γ = 4/4,472 = 0,8944
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −18,33/0,4472 = −40,99 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−40,99)·0,8944 = 36,67 kN

Antwort

FAC = 36,67 kN (Zug)
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: 39,17 kN (T), BC: 68,33 kN (T), CD: 68,33 kN (T), DE: 77,5 kN (T), FG: 39,17 kN (C), GH: 77,5 kN (C), AF: 36,46 kN (C), HE: 96,87 kN (C), BF: 21,87 kN (T), CG: 0, DH: 28,13 kN (T), BG: 36,46 kN (C), DG: 11,46 kN (T)

Antwort

Nullstab: CG
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mx = 6 kN·m

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

Auflagerkräfte

Gleichgewicht des ganzen Balkens.

Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 3·5 = 15 kN, angreifend bei x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 3·5·2,5
RB = 37,5/5 = 7,5 kN
ΣFy = 0: RA = 15 − 7,5 = 7,5 kN
w = 3 kN/mABRA​ = 7,5RB​ = 7,5Schnitt1 m4 m

Schnitt bei x = 1 m, linken Teil behalten

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

M = RA·x − (jede Last links vom Schnitt × ihr Abstand zum Schnitt)
Mx = 7,5·1 − 3·1·0,5 = 6 kN·m

Antwort

Mx = 6 kN·m
6.Querkraft und Biegemoment

Antwort: E (x = 8 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 = 16,67 kN, R2 = 68,33 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 = −86,67, MD = −133,3, ME = −180 kN·m, MF = −90, MG = 0

Antwort

Markierung E: ME = −180 kN·m
7.Durchbiegung

Antwort: δB = 5,035 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 = 29000 N, a = 500 mm, L = 2000 mm
EI = 1,32 × 10¹² N·mm²

Durchbiegung am freien Ende

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

δP = Pa³/(3EI) = 0,9154 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0,002746 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 5,035 mm

Antwort

δB = 5,035 mm
8.Durchbiegung

Antwort: hreq = 157,8 mm

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

Konsistente Einheiten

Rechne in N und mm: P in N, w in N/mm (kN/m = N/mm), L in mm, E in N/mm² (GPa × 1000), I in mm⁴.

w = 1,5 N/mm, L = 4000 mm, E = 11000 N/mm²

Grenzwert der Durchbiegung

δallow = L/360 = 4000/360 = 11,11 mm

Erforderliches Flächenträgheitsmoment

Ireq = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·1,5·4000⁴/(384·11000·11,11) = 4,091 × 10⁷ mm⁴

Erforderliche Höhe

bh³/12 = Ireq → h = (12·4,091 × 10⁷/125)1/3 = 157,8 mm

Antwort

hreq = 157,8 mm

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

9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 65,8 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 = 80·50³/12 = 833333 mm⁴

Knicklänge

KL = 1·5000 = 5000 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·833333/5000² = 65797 N = 65,8 kN

Antwort

Pcr = 65,8 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 13,77 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Trägheitsradius und Schlankheit

A = 490,9 mm²
r = √(I/A) = √(19175/490,9) = 6,25 mm
KL = 0,7·2000 = 1400 mm
KL/r = 1400/6,25 = 224

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/224² = 13,77 MPa

Antwort

σcr = 13,77 MPa
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: r = 135,6 mm

Flächenträgheitsmoment: Für ein Rechteck gilt um seine eigene Schwerachse I = bh³/12 und um seine Grundlinie bh³/3 (Satz von Steiner I = Ic + A·d²). Ein Loch wird berücksichtigt, indem man sein I abzieht, solange beide Teile dieselbe Achse haben. Das elastische Widerstandsmoment ist S = I/c, wobei c der Abstand zur Randfaser ist. Der Trägheitsradius r = √(I/A) ist der Abstand, in dem die ganze Fläche dasselbe I ergäbe; er wird beim Knicken von Stützen verwendet.

Nettofläche und Netto-Flächenträgheitsmoment

b = 164 mm, h = 359 mm
A = BH − bh = 180·375 − 164·359 = 8624 mm²
I = (BH³ − bh³)/12 = 1,587 × 10⁸ mm⁴

Trägheitsradius

r = √(I/A) = √(1,587 × 10⁸/8624) = 135,6 mm

Antwort

r = 135,6 mm
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: σoben = 143 MPa

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

In zwei Rechtecke teilen

Miss jedes y von der Unterkante aus.

Flansch: Af = 160·20 = 3200 mm², yf = 100 + 20/2 = 110 mm
Steg: Aw = 8·100 = 800 mm², yw = 100/2 = 50 mm

Schwerpunkt

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (3200·110 + 800·50)/4000 = 98 mm

Satz von Steiner

Flansch: 160·20³/12 + 3200·(110 − 98)² = 567467 mm⁴
Steg: 8·100³/12 + 800·(50 − 98)² = 2,51 × 10⁶ mm⁴
Ix = 567467 + 2,51 × 10⁶ = 3,077 × 10⁶ mm⁴

Biegespannung

Die Oberkante liegt h − ȳ von der Achse entfernt.

y = 120 − 98 = 22 mm
σ = M·y/I = 2 × 10⁷·22/3,077 × 10⁶ = 143 MPa

Antwort

σoben = 143 MPa
13.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ′ = 134,1 kPa

Effektive Spannung (Terzaghi): Das Korngerüst trägt σ′ = σ − u. Die totale Spannung σ ist das Gewicht von allem über dem Punkt, Σγ·h, mit der Trockenwichte oberhalb des Grundwasserspiegels und der gesättigten Wichte darunter. Unterhalb des Grundwasserspiegels ist der Porenwasserdruck hydrostatisch: u = γw·(Tiefe unter dem Grundwasserspiegel).

Totale Spannung

Addiere das Gewicht jeder Bodenschicht über X. Oberhalb des Grundwasserspiegels die Trockenwichte, darunter die gesättigte Wichte.

σ = γd·zw + γsat·(z − zw) = 16,5·1 + 20,5·11 = 242 kPa

Porenwasserdruck

Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.

u = γw·(z − zw) = 9,81·11 = 107,9 kPa

Effektive Spannung

σ′ = σ − u = 242 − 107,9 = 134,1 kPa

Antwort

σ′ = 134,1 kPa
14.Effektive Spannung im Boden

Antwort: u = 49,05 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) = 9,81·5 = 49,05 kPa

Antwort

u = 49,05 kPa
15.Konsolidationssetzung

Antwort: S = 51,18 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 = 2·60 = 120 kPa

Mit der Vorbelastungsspannung vergleichen

σ′f = 60 + 100 = 160 kPa > 120 kPa

Setzung

Wiederbelastung bis σ′p, Erstbelastung darüber.

S = 0,02·2/(1 + 0,7)·log₁₀(120/60) + 0,3·2/(1 + 0,7)·log₁₀(160/120)
S = 7,083 + 44,1 = 51,18 mm

Antwort

S = 51,18 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 293,4 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 = 20/2 = 10 mm = 0,01 m
Hdr,field = 6,5/2 = 3,25 m

Die Zeit umrechnen

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

tfield = 4·(3,25/0,01)² = 422500 min
tfield = 422500/1440 = 293,4 Tage

Antwort

t = 293,4 Tage
17.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 117,7 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 + 3/2 = 4 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
Schützd = 2,5 mH = 3 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4·3 = 117,7 kN

Antwort

F = 117,7 kN
18.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 34,76 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 = 1,5·1,5 = 2,25 m²
Schützd = 0,5 mH = 1,5 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·1,25·2,25 = 34,76 kN

Antwort

F = 34,76 kN
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 6,874 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) = 1,7²/(2·9,81) = 0,1473 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(500/0,3)·1,7²/(2·9,81) = 6,874 m

Antwort

hf = 6,874 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: H = 0,7861 m

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

Geschwindigkeit

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

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,018·150/0,3 = 9
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 = 3,7

Energiegleichung

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

H = (1 + 9 + 3,7)·0,05738 = 0,7861 m

Antwort

H = 0,7861 m
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 11,47 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 = 5·1,4 = 7 m²
P = b + 2y = 5 + 2·1,4 = 7,8 m
R = A/P = 0,8974 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,022)·0,89742/3·0,00151/2 = 1,638 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 7·1,638 = 11,47 m³/s

Antwort

Q = 11,47 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,004025 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 = 1,5·1,2 = 1,8 m²
P = b + 2y = 1,5 + 2·1,2 = 3,9 m
R = A/P = 0,4615 m

Manning nach S auflösen

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,022·3,1/(1,8·0,5972) = 0,06344
S = 0,06344² = 0,004025

Antwort

S = 0,004025

Das ist ein Gefälle von 4,025 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pel = 29,73 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 = 1000·9,81·0,04·52 = 20,4 kW

Wellenleistung

Pshaft = 20,4/0,78 = 26,16 kW

Elektrische Leistung

Pel = 26,16/0,88 = 29,73 kW

Antwort

Pel = 29,73 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: H = 31,95 m

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

Geschwindigkeit

V = Q/A = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s
V²/(2g) = 0,3046 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (8 + 4)·0,3046 = 3,655 m

Druckhöhe

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

Förderhöhe

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

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 13 + 15,29 + 3,655 = 31,95 m

Antwort

H = 31,95 m
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: EAR = 26,82 %

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 = 0,24/12 = 0,02

Über ein Jahr aufzinsen

EAR = (1 + 0,02)12 − 1 = 1,268 − 1 = 26,82%

Antwort

EAR = 26,82%

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

26.Zeitwert des Geldes

Antwort: A = 342,9 €

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 Raten

i = 0,07200000000000001/12 = 0,006
N = 12·6 = 72

Rate

Der Barwert von N gleichen Raten A ist A·(1 − (1 + i)⁻ᴺ)/i. Setze ihn gleich dem Darlehen und löse nach A auf.

(1 + i)−N = 0,65
A = 20 000·0,006/(1 − 0,65) = €342,90

Antwort

A = €342,90
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = 9404 €

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 jeder Zahlung

CF0 = −20 000
CF1/(1 + 0,05)1 = 9 000/1,05 = 8 571,43
CF2/(1 + 0,05)2 = 9 000/1,103 = 8 163,27
CF3/(1 + 0,05)3 = 8 000/1,158 = 6 910,70
CF4/(1 + 0,05)4 = 7 000/1,216 = 5 758,92

Addieren

NPV = €9 404,31

Antwort

NPV = €9 404,31

Der Kapitalwert ist positiv, das Projekt verdient also mehr als die geforderte Rendite.

28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = −46150 €

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 wachsenden Rente

((1,05)/(1,12))9 = 0,5594
PV = 16 500/(0,12 − 0,05)·(1 − 0,5594) = 103 849,94

NPV

NPV = 103 849,94 − 150 000 = −€46 150,06

Antwort

NPV = −€46 150,06

Der Kapitalwert ist negativ, das Projekt verdient also weniger als die geforderte Rendite.

29.Normalverteilung

Antwort: P = 0,1562

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 = 144 kg, σT = 0,8·√12 = 2,771 kg

Standardisieren

z = (146,8 − 144)/2,771 = 1,01

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(1,01) = 0,1562

Antwort

P = 0,1562
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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