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 = 25 kNM = 60 kN·mABRA​ = ?3 m0,5 m2,5 m

Der Einfeldträger hat in A ein Festlager und in B ein Loslager. Er trägt eine Einzellast P im Abstand 3 m von A und ein eingeprägtes Moment M (gegen den Uhrzeigersinn) im Abstand 3,5 m von A. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RA, nach oben positiv.

L = 6 mP = 25 kN bei 3 mM = 60 kN·m (gegen den Uhrzeigersinn) bei 3,5 m
RA = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 12 kN/mP = 20 kNABCRB​ = ?1 m2 m1,5 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 m von A und eine Gleichstreckenlast w von 3 m bis zum freien Ende bei 6 m. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RB, nach oben positiv.

AB = 4,5 mAC = 6 mP = 20 kN bei 1 mw = 12 kN/m von 3 bis 6 m
RB = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABCDEFGH40 kN35 kN40 kN35 kN4 × 4 m4 m

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

B: 40 kN ↓C: 35 kN ↓F: 40 kN ↓G: 35 kN ↓
  1. 1Stab AB
  2. 2Stab BC
  3. 3Stab CD
  4. 4Stab DE
  5. 5Stab FG
  6. 6Stab GH
  7. 7Stab AF
  8. 8Stab HE
  9. 9Stab BF
  10. 10Stab CG
  11. 11Stab DH
  12. 12Stab FC
  13. 13Stab HC
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
ABBCACACB20 kN5 kN8 m6 m2 m

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

Spannweite = 8 mHöhe = 2 mB liegt 6 m von A entferntvertikale Last = 20 kNhorizontale Last = 5 kN →
FAB = kN
5.Querkraft und BiegemomentMittel
w = 10 kN/mABSchnitt3,5 m6,5 m

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

L = 10 mw = 10 kN/m von 0 bis 10 mx = 3,5 m
Mx = kN·m
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
w = 5 kN/mP = 60 kNAB1 m3 m

Der Einfeldträger trägt über die ganze Spannweite eine Gleichstreckenlast w und eine Einzellast P. Bestimme das maximale Biegemoment Mmax im Balken.

L = 4 mP = 60 kN bei 1 mw = 5 kN/m von 0 bis 4 m
Mmax = kN·m
7.DurchbiegungMittel
P = 12 kNABδ4,5 m3,5 m

Ein Einfeldträger trägt eine Einzellast P im Abstand a = 4,5 m vom Auflager A. Bestimme die Durchbiegung δP unter der Last.

P = 12 kNa = 4,5 mL = 8 mE = 200 GPa (Stahl)I = 84 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
8.DurchbiegungSchwer
w = 6 kN/mAB4 m

Ein einseitig eingespannter Träger ist in A eingespannt und in B gelenkig gestützt. Er trägt über seine ganze Länge eine Gleichstreckenlast w. EI ist konstant. Bestimme die Auflagerkraft RB an der Stütze.

L = 4 mw = 6 kN/m
RB = kN
9.Knicken von StützenMittel
PL = 3 md = 40 mmQuerschnitt

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

L = 3 mE = 200 GPa (Stahl)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 3 md = 50 mmQuerschnitt

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

L = 3 mE = 200 GPa (Stahl)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
2302801610xMaße in mm

Ein symmetrischer I-Querschnitt hat Flansche mit 230 mm Breite und 16 mm Dicke, eine Gesamthöhe von 280 mm und einen Steg mit 10 mm Dicke. Bestimme sein Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Schwerachse x.

B = 230 mmH = 280 mmtf = 16 mmtw = 10 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
100 mm240 mm72 mm60 × 30xIx​ = ?

Eine Platte von 100 mm × 240 mm hat einen rechteckigen Ausschnitt von 60 mm Breite und 30 mm Höhe, der auf der vertikalen Mittellinie sitzt und dessen Mittelpunkt 72 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.

b = 100 mmh = 240 mmAusschnitt: 60 × 30 mmLochmittelpunkt: y = 72 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 17 kN/m³γsat​ = 18,5 kN/m³10 mGrundwasserspiegelXz = 5 m

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

z = 5 mzw = 3 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 17 kN/m³Sand: γsat = 18,5 kN/m³
σ = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 15,5 kN/m³γsat​ = 20 kN/m³5 mTonγsat​ = 18 kN/m³4 mGrundwasserspiegelXz = 7 m

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

z = 7 mzw = 2 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 15,5 kN/m³Sand: γsat = 20 kN/m³Ton: γsat = 18 kN/m³
u = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 45 kPaSandTonCc​ = 0,45, Cr​ = 0,06e0​ = 0,8σ′0​ = 85 kPaσ′p​ = 185 kPa7,5 mGrundwasserspiegel

Eine 7,5 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,45, Cr = 0,06 und e₀ = 0,8. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 85 kPa und die Vorbelastungsspannung 185 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 45 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 7,5 mCc = 0,45Cr = 0,06e0 = 0,8σ′0 = 85 kPaσ′p = 185 kPaΔσ = 45 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 5 mcv​ = 1,5 m²/Jahr5 mundurchlässiger FelsGrundwasserspiegel

Eine 5 m dicke Tonschicht hat einen Konsolidationsbeiwert cv = 1,5 m²/Jahr. Sie liegt auf undurchlässigem Fels, mit Sand darüber, das Wasser kann also nur oben austreten. Für 70 % mittlere Konsolidation ist der Zeitfaktor Tv = 0,403. Wie viele Jahre t braucht die Schicht, um 70 % Konsolidation zu erreichen?

H = 5 mcv = 1,5 m²/JahrU = 70%Tv = 0,403einseitige Entwässerung
t = Jahre
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 0,5 mH = 2,5 m

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

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

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 3 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Öl, seine Oberkante liegt 1 m unter der Oberfläche. Bestimme die Tiefe ycp des Druckmittelpunkts unter der Oberfläche.

d = 1 mH = 2,5 mb = 3 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 1,2 m/sD = 150 mmL = 50 mf = 0,028

Wasser fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 1,2 m/s durch ein 50 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 150 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,028 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

V = 1,2 m/sL = 50 mD = 150 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 2Δz = 15 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,024× Krümmer (K = 0,3)

Zwei offene Behälter sind durch ein 200 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 200 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,02 verbunden. Der Wasserspiegel des oberen Behälters liegt 15 m über dem des unteren. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 4 Krümmer (je K = 0,3), ein Ventil (K = 2) und der Auslauf in den unteren Behälter (K = 1,0). Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Durchfluss Q in L/s.

Δz = 15 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
b = 4 my = 1,6 m3 : 1n = 0,022, S = 0,0005

Ein Trapezgerinne (sauberes Erdreich) hat eine Sohlbreite von 4 m und eine Böschungsneigung von 3:1 (horizontal:vertikal). Wasser fließt gleichförmig 1,6 m tief. Manning n = 0,022, und das Sohlgefälle ist S = 0,0005. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

b = 4 my = 1,6 mz = 3n = 0,022S = 0,0005
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
b = 3,5 my = 0,8 mn = 0,022, Q = 1,9 m³/s

Ein 3,5 m breites Rechteckgerinne (sauberes Erdreich) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 0,8 m 1,9 m³/s abführen. Manning n = 0,022. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).

Q = 1,9 m³/sb = 3,5 my = 0,8 mn = 0,022
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 60 L/sH = 42 m

Eine Pumpe mit einem Wirkungsgrad von 72 % fördert 60 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 42 m. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die benötigte Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 60 L/sH = 42 mη = 72%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 10 L/sΔz = 5 mL = 200 m, D = 100 mm, f = 0,015, ΣK = 5

Eine Pumpe fördert 10 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 5 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 200 m lang, hat einen Innendurchmesser von 100 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. Bestimme die Förderhöhe H, die die Pumpe aufbringen muss.

Q = 10 L/sΔz = 5 mL = 200 mD = 100 mmf = 0,015ΣK = 5
H = m
25.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre0123…9PV = ?€10 000+1,5%+1,5%…r = 3,5%

Eine Immobilie soll im nächsten Jahr eine Nettomiete von €10 000 erzielen. Die Miete soll für immer um 1,5 % pro Jahr wachsen. Die geforderte Rendite beträgt 3,5 % pro Jahr. Bestimme den heutigen Wert PV der Immobilie.

C1 = €10 000g = 1,5%r = 3,5%
PV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Jahre0123…16€2 000€2 000€2 000FV = ?

Du zahlst 16 Jahre lang am Anfang jedes Jahres €2 000 ein, die erste Einzahlung heute. Das Konto bringt 5 % pro Jahr. Wie viel ist am Ende von Jahr 16 auf dem Konto? Bestimme FV.

A = €2 000i = 5%n = 16
FV = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre0123…9−250 00029 000+3%+3%…r = 12%, NPV = ?

Ein Projekt kostet heute €250 000. Es erwirtschaftet am Ende des ersten Jahres €29 000, danach wächst der Zahlungsüberschuss für immer um 3 % pro Jahr. Die Kapitalkosten betragen 12 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

C0 = €250 000CF1 = €29 000g = 3%r = 12%
NPV = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123456−10 0002 5002 5002 5002 5002 5002 500

Eine Investition von €10 000 bringt 6 Jahre lang am Ende jedes Jahres €2 500. Bestimme ihren internen Zinsfuß IRR in Prozent.

C0 = €10 000CF = €2 500n = 6
IRR = %
29.NormalverteilungMittel
−3−2−10123zschattierte Fläche zwischen −z und z = 0,5527

Ziehe z so, dass die schattierte Fläche zwischen −z und z unter der Standardnormalverteilung gleich 0,5527 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.

A = 0,5527
z =
30.NormalverteilungSchwer
235240245250255260265gunten 70%

Die Gewichte von Beuteln sind normalverteilt mit dem Mittelwert 250 g und der Standardabweichung 5 g. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten unteren 70 % links davon liegen. Bestimme die Grenze x.

μ = 250 gσ = 5 g70%
x = g

3Lösungen

1.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 22,5 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·6 − 25·3 + 60 = 0
RB = 15/6 = 2,5 kN

Vertikales Gleichgewicht

RA = 25 − 2,5 = 22,5 kN

Antwort

RA = 22,5 kN

Eine negative Auflagerkraft wirkt nach unten.

2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RB = 40,44 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 = 12·3 = 36 kN, x̄ = (3 + 6)/2 = 4,5 m

Gleichgewicht

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

ΣMA = 0: RB·4,5 = 20·1 + 36·4,5
RB = 182/4,5 = 40,44 kN
RA = 56 − 40,44 = 15,56 kN

Antwort

RB = 40,44 kN
3.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: Stab DH

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 D

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

ΣF⊥ = 0 → FDH = 0

Mit dem Knotenpunktverfahren prüfen

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

AB: 95 kN (T), BC: 95 kN (T), CD: 55 kN (T), DE: 55 kN (T), FG: 110 kN (C), GH: 110 kN (C), AF: 134,4 kN (C), HE: 77,78 kN (C), BF: 40 kN (T), CG: 35 kN (C), DH: 0, FC: 21,21 kN (T), HC: 77,78 kN (T)

Antwort

Nullstab: DH
4.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: FAB = −11,86 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 kN5 kNAy​Cy​Ax​

Auflagerkräfte

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 20·6 + 5·2 → Cy = 16,25 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − 16,25 = 3,75 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 = 2/6,325 = 0,3162
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −3,75/0,3162 = −11,86 kN

Antwort

FAB = −11,86 kN (Druck)
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mx = 113,8 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 = 10·10 = 100 kN, angreifend bei x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 10·10·5
RB = 500/10 = 50 kN
ΣFy = 0: RA = 100 − 50 = 50 kN
w = 10 kN/mABRA​ = 50RB​ = 50Schnitt3,5 m6,5 m

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

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

M = RA·x − (jede Last links vom Schnitt × ihr Abstand zum Schnitt)
Mx = 50·3,5 − 10·3,5·1,75 = 113,8 kN·m

Antwort

Mx = 113,8 kN·m
6.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mmax = 52,5 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 des ganzen Balkens.

Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 5·4 = 20 kN, angreifend bei x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 60·1 + 5·4·2
RB = 100/4 = 25 kN
ΣFy = 0: RA = 80 − 25 = 55 kN

Wo ist V = 0?

V(1⁻) = RA − w·1 = 50 kN
V(1⁺) = 50 − 60 = −10 kN
Die Querkraft wechselt an der Last das Vorzeichen, das Maximum liegt also unter der Last.

Maximales Moment

Mmax = RA·1 − w·1²/2 = 55·1 − 5·1²/2 = 52,5 kN·m

Antwort

Mmax = 52,5 kN·m

Es tritt bei x = 1 m von A auf.

7.Durchbiegung

Antwort: δP = 7,383 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 = 12000 N, a = 4500 mm, b = 3500 mm, L = 8000 mm
EI = 1,68 × 10¹³ N·mm²

Durchbiegung unter der Last

δP = Pa²b²/(3EIL) = 12000·4500²·3500²/(3·1,68 × 10¹³·8000) = 7,383 mm

Antwort

δP = 7,383 mm
8.Durchbiegung

Antwort: RB = 9 kN

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). Bei einem statisch unbestimmten Balken entfernt man ein überzähliges Lager und fordert dort die Durchbiegung null (Verträglichkeit).

Stütze entfernen

Ohne die Stütze ist der Balken ein Kragarm. Sein freies Ende würde sich unter der Last durchbiegen.

δload = wL⁴/(8EI)

Verträglichkeit an der Stütze

Die Stützkraft RB allein hebt das freie Ende um RBL³/(3EI) an. Die Stütze hält B bei null Durchbiegung, also müssen sich beide aufheben. EI kürzt sich heraus.

RB·L³/(3EI) = wL⁴/(8EI) → RB = 3wL/8 = 3·6·4/8 = 9 kN

Antwort

RB = 9 kN
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 6,89 kN

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

Kleinstes Flächenträgheitsmoment

Ein runder Querschnitt hat um jede Achse dasselbe I.

I = πd⁴/64 = π·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Knicklänge

KL = 2·3000 = 6000 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/6000² = 6890 N = 6,89 kN

Antwort

Pcr = 6,89 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 8,567 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Trägheitsradius und Schlankheit

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 2·3000 = 6000 mm
KL/r = 6000/12,5 = 480

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/480² = 8,567 MPa

Antwort

σcr = 8,567 MPa
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 141,1 × 10⁶ mm⁴

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.

Außenrechteck minus die beiden seitlichen Aussparungen

Beide Aussparungen zusammen sind (B − tw) breit und hw = H − 2tf hoch und haben die Achse x gemeinsam.

hw = 280 − 2·16 = 248 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (230·280³ − 220·248³)/12
Ix = 1,411 × 10⁸ mm⁴ = 141,1 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 141,1 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 110,6 × 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 = (24000·120 − 1800·72)/(24000 − 1800) = 123,9 mm

Volle Platte um ȳ

100·240³/12 + 24000·−3,892² = 115,6 × 10⁶ mm⁴

Loch um ȳ

60·30³/12 + 1800·−51,89² = 4,982 × 10⁶ mm⁴

Subtrahieren

Ix = 110,6 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 110,6 × 10⁶ mm⁴
13.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ = 88 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) = 17·3 + 18,5·2 = 88 kPa

Antwort

σ = 88 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 = 46,13 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 = 85 + 45 = 130 kPa ≤ 185 kPa

Setzung

Der Ton bleibt auf seiner Wiederbelastungslinie.

S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,06·7,5/(1 + 0,8)·log₁₀(130/85) = 46,13 mm

Antwort

S = 46,13 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 6,717 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 = 5 m

Zeit

t = Tv·Hdr²/cv = 0,403·5²/1,5 = 6,717 Jahre

Antwort

t = 6,717 Jahre
17.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 64,38 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 + 2,5/2 = 1,75 m
A = H·b = 2,5·1,5 = 3,75 m²
Schützd = 0,5 mH = 2,5 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·1,75·3,75 = 64,38 kN

Antwort

F = 64,38 kN
18.Hydrostatische Kraft

Antwort: ycp = 2,481 m

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

Schwerpunkttiefe und Fläche

yc = d + H/2 = 1 + 2,5/2 = 2,25 m
A = H·b = 2,5·3 = 7,5 m²
Schützd = 1 mH = 2,5 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·2,25·7,5 = 145,7 kN

Druckmittelpunkt

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

Ic = b·H³/12 = 3·2,5³/12 = 3,906 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 2,25 + 3,906/(2,25·7,5) = 2,481 m

Antwort

ycp = 2,481 m
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 0,685 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) = 1,2²/(2·9,81) = 0,07339 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(50/0,15)·1,2²/(2·9,81) = 0,685 m

Antwort

hf = 0,685 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Q = 108,4 L/s

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

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,02·200/0,2 = 20
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 + 1,0 = 4,7

Energiegleichung

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

15 = (20 + 4,7)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·15/24,7) = 3,452 m/s

Volumenstrom

Q = V·π·D²/4 = 3,452·0,03142 = 0,1084 m³/s = 108,4 L/s

Antwort

Q = 108,4 L/s
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 14,28 m³/s

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

Geometrie

A = (b + z·y)·y = (4 + 3·1,6)·1,6 = 14,08 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 4 + 2·1,6·√(1 + 3²) = 14,12 m
R = A/P = 0,9972 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,022)·0,99722/3·0,00051/2 = 1,015 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 14,08·1,015 = 14,28 m³/s

Antwort

Q = 14,28 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,0004957 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 = 3,5·0,8 = 2,8 m²
P = b + 2y = 3,5 + 2·0,8 = 5,1 m
R = A/P = 0,549 m

Manning nach S auflösen

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,022·1,9/(2,8·0,6705) = 0,02227
S = 0,02227² = 0,0004957

Antwort

S = 0,0004957

Das ist ein Gefälle von 0,4957 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 34,34 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 = 1000·9,81·0,06·42 = 24,72 kW

Wellenleistung

Pshaft = Ph/η = 24,72/0,72 = 34,34 kW

Antwort

Pshaft = 34,34 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: H = 7,892 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 = 0,01/0,007854 = 1,273 m/s
V²/(2g) = 0,08263 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (30 + 5)·0,08263 = 2,892 m

Förderhöhe

Beide Wasserspiegel sind offen und praktisch in Ruhe, daher entfallen Druck- und Geschwindigkeitsterme.

H = Δz + hL = 5 + 2,892 = 7,892 m

Antwort

H = 7,892 m
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: PV = 500000 €

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.

Wachsende ewige Rente

PV = C1/(r − g) = 10 000/(0,035 − 0,015) = 10 000/0,02 = €500 000,00

Antwort

PV = €500 000,00
26.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 49681 €

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 + 0,05)16 − 1)/0,05 = 23,66

Vorschüssige Rente

Jede Einzahlung ist ein Jahr länger angelegt.

FV = 2 000·23,66·1,05 = €49 680,73

Antwort

FV = €49 680,73
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = 72222 €

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.

Wert der Zahlungen

PV = 29 000/(0,12 − 0,03) = 322 222,22

NPV

NPV = 322 222,22 − 250 000 = €72 222,22

Antwort

NPV = €72 222,22

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

28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 12,98 %

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.

Erforderlicher Rentenbarwertfaktor

(1 − (1 + i)−6)/i = 10 000/2 500 = 4

Nach dem Zinssatz auflösen

Der Rentenbarwertfaktor sinkt, wenn der Zinssatz steigt; schließe den Zinssatz ein und grenze ihn ein.

i = 12%: 4,111
i = 13%: 3,998
IRR = 12,98%

Antwort

IRR = 12,98%
29.Normalverteilung

Antwort: z = 0,76

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 von z

Φ(z) = (1 + 0,5527)/2 = 0,7764

Die z-Tabelle rückwärts lesen

Finde 0,7764 in der Tabelle und lies z ab.

z = 0,76

Antwort

z = 0,76
30.Normalverteilung

Antwort: x = 252,6 g

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) = 0,7

z aus der Tabelle

z ≈ 0,52

Zurück zu den ursprünglichen Einheiten

x = 250 + 0,52·5 = 252,6 g

Antwort

x = 252,6 g

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