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​ = 30 kNP2​ = 20 kNABRA​RB​ = ?1 m1,5 m3,5 m

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

L = 6 mP1 = 30 kN bei 1 mP2 = 20 kN bei 2,5 m
RB = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 5 kN/mP = 65 kNABCRA​ = ?2 m0,5 m0,5 m2 m

Der Balken hat in A ein Festlager und in B, 3 m von A entfernt, ein Loslager und kragt über B bis zum freien Ende C aus. Er trägt eine Einzellast P im Abstand 2,5 m von A und eine Gleichstreckenlast w von 2 m bis zum freien Ende bei 5 m. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RA, nach oben positiv.

AB = 3 mAC = 5 mP = 65 kN bei 2,5 mw = 5 kN/m von 2 bis 5 m
RA = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABCDEFGH10 kN15 kN25 kN10 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: 10 kN ↓D: 15 kN ↓F: 25 kN ↓H: 10 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
ABCDEFGH10 kN20 kN20 kN20 kN4 × 3 m4 m

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

D: 10 kN ↓F: 20 kN ↓G: 20 kN ↓H: 20 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
5 kN/m50 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.

50 kN @ 4 m5 kN/m, 4–8 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)
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
40 kN35 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.

40 kN @ 12 m35 kN @ 2 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
w = 2 kN/mδL = 8 m

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

w = 2 kN/mL = 8 mE = 70 GPa (Aluminium)I = 84 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.DurchbiegungSchwer
w = 10 kN/mδL = 6 m

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

w = 10 kN/mL = 6 mE = 11 GPa (Holz)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von StützenMittel
PL = 2 md = 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 = 2 mE = 70 GPa (Aluminium)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
P = 125 kNL = 3 md = ?Querschnitt

Eine runde Vollstütze der Länge L aus Stahl ist an beiden Enden gelenkig gelagert. Sie muss 125 kN mit einer Sicherheit von 2 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.

P = 125 kNn = 2L = 3 mE = 200 GPa (Stahl)
d = mm
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
2001522012xMaße in mm

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

bf = 200 mmtf = 15 mmtw = 12 mmhw = 220 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
120 mm300 mm210 mm80 × 30xIx​ = ?

Eine Platte von 120 mm × 300 mm hat einen rechteckigen Ausschnitt von 80 mm Breite und 30 mm Höhe, der auf der vertikalen Mittellinie sitzt und dessen Mittelpunkt 210 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.

b = 120 mmh = 300 mmAusschnitt: 80 × 30 mmLochmittelpunkt: y = 210 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 16 kN/m³γsat​ = 18,5 kN/m³8 mGrundwasserspiegelXz = 7 m

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

z = 7 mzw = 2 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 16 kN/m³Sand: γsat = 18,5 kN/m³
u = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 17 kN/m³γsat​ = 20 kN/m³5 mTonγsat​ = 18 kN/m³7 mGrundwasserspiegelXz = 8,5 m

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

z = 8,5 mzw = 3 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 17 kN/m³Sand: γsat = 20 kN/m³Ton: γsat = 18 kN/m³
σ′ = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 65 kPaSandTonCc​ = 0,2, Cr​ = 0,03e0​ = 1,2σ′0​ = 70 kPaσ′p​ = 170 kPa4,5 mGrundwasserspiegel

Eine 4,5 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,2, Cr = 0,03 und e₀ = 1,2. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 70 kPa und die Vorbelastungsspannung 170 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 65 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 4,5 mCc = 0,2Cr = 0,03e0 = 1,2σ′0 = 70 kPaσ′p = 170 kPaΔσ = 65 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 4 mcv​ = 2,5 m²/Jahr4 mundurchlässiger FelsGrundwasserspiegel

Eine 4 m dicke Tonschicht hat einen Konsolidationsbeiwert cv = 2,5 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 = 4 mcv = 2,5 m²/JahrU = 70%Tv = 0,403einseitige Entwässerung
t = Jahre
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 1,5 mH = 1,5 m

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 2 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Wasser, seine Oberkante liegt 1,5 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.

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

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 2 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Wasser, seine Oberkante liegt 1,5 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.

d = 1,5 mH = 1 mb = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
Q = 20 L/sD = 150 mmL = 150 mf = 0,018

Wasser fließt mit 20 L/s durch ein 150 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 150 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

Q = 20 L/sL = 150 mD = 150 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²
hf = m
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 10Δz = 10 mL = 100 m, D = 300 mm, f = 0,0254× Krümmer (K = 0,3)

Zwei offene Behälter sind durch ein 100 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,025 verbunden. Der Wasserspiegel des oberen Behälters liegt 10 m über dem des unteren. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 4 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. Bestimme den Durchfluss Q in L/s.

Δz = 10 mL = 100 mD = 300 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Q = L/s
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
b = 6 my = 1,6 mn = 0,014, S = 0,0015

Ein Rechteckgerinne (rauer Beton) ist 6 m breit. Wasser fließt gleichförmig 1,6 m tief. Manning n = 0,014, und das Sohlgefälle ist S = 0,0015. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

b = 6 my = 1,6 mn = 0,014S = 0,0015
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
b = 3,5 my = 0,6 mn = 0,012, Q = 4,6 m³/s

Ein 3,5 m breites Rechteckgerinne (glatter Beton) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 0,6 m 4,6 m³/s abführen. Manning n = 0,012. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).

Q = 4,6 m³/sb = 3,5 my = 0,6 mn = 0,012
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 20 L/sH = 54 m

Eine Pumpe mit einem Wirkungsgrad von 80 % fördert 20 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 54 m. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die benötigte Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 20 L/sH = 54 mη = 80%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 60 L/sΔz = 10 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,02, ΣK = 8

Eine Pumpe fördert 60 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 10 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 100 m lang, hat einen Innendurchmesser von 200 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,02; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 8 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 85 %. Bestimme die Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 60 L/sΔz = 10 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,02ΣK = 8η = 85%
Pshaft = kW
25.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre0123…10€8 000FV = ?

Du legst €8 000 zu einem Nominalzins von 3,6 % pro Jahr mit vierteljährlicher Verzinsung an. Bestimme den Wert FV der Anlage nach 10 Jahren.

PV = €8 0003,6% / 4n = 10
FV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Jahre0123…10€5 000€5 000€5 000FV = ?

Du zahlst 10 Jahre lang am Anfang jedes Jahres €5 000 ein, die erste Einzahlung heute. Das Konto bringt 4 % pro Jahr. Wie viel ist am Ende von Jahr 10 auf dem Konto? Bestimme FV.

A = €5 000i = 4%n = 10
FV = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre0123456−30 0007 0007 0007 0007 0007 00011 500

Eine Maschine kostet heute €30 000. Sie erwirtschaftet 6 Jahre lang am Ende jedes Jahres €7 000 und kann danach für €4 500 verkauft werden. Die Kapitalkosten betragen 8 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

C0 = €30 000CF = €7 000S = €4 500n = 6r = 8%
NPV = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123456−200 00040 000+4%+4%+4%+4%+4%r = 10%, NPV = ?

Ein Projekt kostet heute €200 000. Seine Zahlung beträgt €40 000 am Ende von Jahr 1 und wächst um 4 % pro Jahr bis zur letzten Zahlung am Ende von Jahr 6. Die Kapitalkosten betragen 10 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

C0 = €200 000CF1 = €40 000g = 4%n = 6r = 10%
NPV = €
29.NormalverteilungMittel
245,25260,25P = ?

Die Gewichte von Beuteln sind normalverteilt mit dem Mittelwert 250 g und der Standardabweichung 5 g. Welcher Anteil liegt zwischen 245,25 und 260,25 g? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 250σ = 5x1 = 245,25x2 = 260,25
P =
30.NormalverteilungSchwer
μ = 32x = ?5%

Die Lieferzeiten sind normalverteilt mit dem Mittelwert 32 min und der Standardabweichung 6 min. Bestimme den Wert x, unter dem 5 % von ihnen liegen (das 5. Perzentil).

μ = 32σ = 6P = 5%
x = min

3Lösungen

1.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RB = 13,33 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​ = 30 kNP2​ = 20 kNABRA​RB​1 m1,5 m3,5 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·6 = 30·1 + 20·2,5
RB = 80/6 = 13,33 kN
ΣFy = 0: RA = 50 − 13,33 = 36,67 kN

Antwort

RB = 13,33 kN
2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 8,333 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 = 5·3 = 15 kN, x̄ = (2 + 5)/2 = 3,5 m

Gleichgewicht

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

ΣMA = 0: RB·3 = 65·2,5 + 15·3,5
RB = 215/3 = 71,67 kN
RA = 80 − 71,67 = 8,333 kN

Antwort

RA = 8,333 kN
3.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: Stab CG

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

Knoten G

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

ΣF⊥ = 0 → FCG = 0

Mit dem Knotenpunktverfahren prüfen

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

AB: 32,5 kN (T), BC: 32,5 kN (T), CD: 27,5 kN (T), DE: 27,5 kN (T), FG: 30 kN (C), GH: 30 kN (C), AF: 45,96 kN (C), HE: 38,89 kN (C), BF: 10 kN (T), CG: 0, DH: 15 kN (T), FC: 3,536 kN (C), HC: 3,536 kN (T)

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: 5,625 kN (T), BC: 16,25 kN (T), CD: 16,25 kN (T), DE: 11,87 kN (T), FG: 25,63 kN (C), GH: 31,88 kN (C), AF: 42,71 kN (C), HE: 19,79 kN (C), BF: 14,17 kN (T), CG: 0, DH: 15,83 kN (T), BG: 17,71 kN (C), DG: 7,292 kN (C)

Antwort

Nullstab: CG
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: C (x = 4 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 = 43,33 kN, R2 = 26,67 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 = 86,67, MC = 173,3 kN·m, MD = 150, ME = 106,7, MF = 53,33, MG = 0

Antwort

Markierung C: MC = 173,3 kN·m
6.Querkraft und Biegemoment

Antwort: F (x = 10 m)

Größtes Biegemoment: M ändert seine Steigung überall dort, wo sich die Querkraft ändert, seine Spitzen liegen also dort, wo die Querkraft null kreuzt: unter einer Einzellast, innerhalb einer Streckenlast oder über einem Auflager eines Kragarms. An einer Einspannung eines Kragarms ist das Moment an der Wand am größten. Vergleiche die Größe von M an diesen Stellen, positiv oder negativ.

Auflagerkräfte

Bilde Momente um ein Auflager und verwende dann das vertikale Kräftegleichgewicht.

R1 = 20 kN, R2 = 55 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 = 40, MC = 10, MD = −20, ME = −50, MF = −80 kN·m, MG = 0

Antwort

Markierung F: MF = −80 kN·m
7.Durchbiegung

Antwort: δmax = 18,14 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 = 2 N/mm, L = 8000 mm
EI = 5,88 × 10¹² N·mm²

Durchbiegung

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·2·8000⁴/(384·5,88 × 10¹²) = 18,14 mm

Antwort

δmax = 18,14 mm
8.Durchbiegung

Antwort: Ireq = 920,5 × 10⁶ mm⁴

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

Grenzwert der Durchbiegung

δallow = L/360 = 6000/360 = 16,67 mm

Erforderliches Flächenträgheitsmoment

I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·10·6000⁴/(384·11000·16,67) = 9,205 × 10⁸ mm⁴
Ireq = 920,5 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ireq = 920,5 × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 224,2 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,7·2000 = 1400 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·636173/1400² = 224242 N = 224,2 kN

Antwort

Pcr = 224,2 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: d = 69,42 mm

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.

Erforderliche kritische Last

Pcr = n·P = 2·125000 = 250000 N
KL = 1·3000 = 3000 mm

Nach dem Durchmesser auflösen

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·250000·3000²/(π³·200000))^(1/4) = 69,42 mm

Antwort

d = 69,42 mm

Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 172,9, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.

11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 30,09 × 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 = 200·15 = 3000 mm², yf = 220 + 15/2 = 227,5 mm
Steg: Aw = 12·220 = 2640 mm², yw = 220/2 = 110 mm

Schwerpunkt

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (3000·227,5 + 2640·110)/5640 = 172,5 mm

Satz von Steiner

Flansch: 200·15³/12 + 3000·(227,5 − 172,5)² = 9,131 × 10⁶ mm⁴
Steg: 12·220³/12 + 2640·(110 − 172,5)² = 2,096 × 10⁷ mm⁴
Ix = 9,131 × 10⁶ + 2,096 × 10⁷ = 3,009 × 10⁷ mm⁴ = 30,09 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 30,09 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 260,6 × 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 = (36000·150 − 2400·210)/(36000 − 2400) = 145,7 mm

Volle Platte um ȳ

120·300³/12 + 36000·4,286² = 270,7 × 10⁶ mm⁴

Loch um ȳ

80·30³/12 + 2400·64,29² = 10,1 × 10⁶ mm⁴

Subtrahieren

Ix = 260,6 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 260,6 × 10⁶ mm⁴
13.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
14.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ′ = 100 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·3 + γsat,sand·2 + γsat,clay·3,5
σ = 17·3 + 20·2 + 18·3,5 = 154 kPa

Porenwasserdruck

Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.

u = γw·(z − zw) = 9,81·5,5 = 53,96 kPa

Effektive Spannung

σ′ = σ − u = 154 − 53,96 = 100 kPa

Antwort

σ′ = 100 kPa
15.Konsolidationssetzung

Antwort: S = 17,5 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 = 70 + 65 = 135 kPa ≤ 170 kPa

Setzung

Der Ton bleibt auf seiner Wiederbelastungslinie.

S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,03·4,5/(1 + 1,2)·log₁₀(135/70) = 17,5 mm

Antwort

S = 17,5 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 2,579 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 = 4 m

Zeit

t = Tv·Hdr²/cv = 0,403·4²/2,5 = 2,579 Jahre

Antwort

t = 2,579 Jahre
17.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 66,22 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 = 1,5 + 1,5/2 = 2,25 m
A = H·b = 1,5·2 = 3 m²
Schützd = 1,5 mH = 1,5 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,25·3 = 66,22 kN

Antwort

F = 66,22 kN
18.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 39,24 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 = 1,5 + 1/2 = 2 m
A = H·b = 1·2 = 2 m²
Schützd = 1,5 mH = 1 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2·2 = 39,24 kN

Antwort

F = 39,24 kN
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 1,175 m

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

Mittlere Geschwindigkeit

A = π·0,15²/4 = 0,01767 m²
V = Q/A = 0,02/0,01767 = 1,132 m/s

Geschwindigkeitshöhe

V²/(2g) = 1,132²/(2·9,81) = 0,06529 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(150/0,15)·1,132²/(2·9,81) = 1,175 m

Antwort

hf = 1,175 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Q = 215,9 L/s

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

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,025·100/0,3 = 8,333
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7

Energiegleichung

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

10 = (8,333 + 12,7)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·10/21,03) = 3,054 m/s

Volumenstrom

Q = V·π·D²/4 = 3,054·0,07069 = 0,2159 m³/s = 215,9 L/s

Antwort

Q = 215,9 L/s
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 27,32 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 = 6·1,6 = 9,6 m²
P = b + 2y = 6 + 2·1,6 = 9,2 m
R = A/P = 1,043 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,014)·1,0432/3·0,00151/2 = 2,846 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 9,6·2,846 = 27,32 m³/s

Antwort

Q = 27,32 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,002023 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 = 3,5·0,6 = 2,1 m²
P = b + 2y = 3,5 + 2·0,6 = 4,7 m
R = A/P = 0,4468 m

Manning nach S auflösen

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,012·4,6/(2,1·0,5845) = 0,04498
S = 0,04498² = 0,002023

Antwort

S = 0,002023

Das ist ein Gefälle von 2,023 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 13,24 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 = 1000·9,81·0,02·54 = 10,59 kW

Wellenleistung

Pshaft = Ph/η = 10,59/0,8 = 13,24 kW

Antwort

Pshaft = 13,24 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 9,242 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 = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (10 + 8)·0,1859 = 3,346 m

Förderhöhe

H = Δz + hL = 10 + 3,346 = 13,35 m

Wellenleistung

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,06·13,35/0,85 = 9,242 kW

Antwort

Pshaft = 9,242 kW
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 11448 €

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 und Anzahl der Perioden

i = r/m = 0,036000000000000004/4 = 0,009
N = m·n = 4·10 = 40

Endwert

FV = 8 000·(1 + 0,009)40 = 8 000·1,431 = €11 448,18

Antwort

FV = €11 448,18
26.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 62432 €

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 + 0,04)10 − 1)/0,04 = 12,01

Vorschüssige Rente

Jede Einzahlung ist ein Jahr länger angelegt.

FV = 5 000·12,01·1,04 = €62 431,76

Antwort

FV = €62 431,76
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = 5196 €

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

7 000·4,623 = 32 360,16

Barwert des Restwerts

4 500/1,587 = 2 835,76

NPV

NPV = −30 000 + 32 360,16 + 2 835,76 = €5 195,92

Antwort

NPV = €5 195,92
28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = −9493 €

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

((1,04)/(1,1))6 = 0,7142
PV = 40 000/(0,1 − 0,04)·(1 − 0,7142) = 190 506,93

NPV

NPV = 190 506,93 − 200 000 = −€9 493,07

Antwort

NPV = −€9 493,07

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

29.Normalverteilung

Antwort: P = 0,8088

Normalverteilung: Rechne einen Wert x in einen z-Wert um, z = (x − μ)/σ; er gibt an, wie viele Standardabweichungen x vom Mittelwert entfernt liegt. Eine z-Tabelle (oder Φ(z)) liefert die Fläche links von z, also P(X < x). Die Fläche rechts ist 1 − Φ(z), und die Fläche zwischen zwei Werten ist die Differenz ihrer beiden Flächen.

z-Werte

z₁ = (245,25 − 250)/5 = −0,95
z₂ = (260,25 − 250)/5 = 2,05

Fläche dazwischen

P = Φ(2,05) − Φ(−0,95) = 0,9798 − 0,1711 = 0,8088

Antwort

P = 0,8088
30.Normalverteilung

Antwort: x = 22,13 min

Normalverteilung: Rechne einen Wert x in einen z-Wert um, z = (x − μ)/σ; er gibt an, wie viele Standardabweichungen x vom Mittelwert entfernt liegt. Eine z-Tabelle (oder Φ(z)) liefert die Fläche links von z, also P(X < x). Die Fläche rechts ist 1 − Φ(z), und die Fläche zwischen zwei Werten ist die Differenz ihrer beiden Flächen.

z für das Perzentil

Φ(z) = 0,05 → z = −1,645

Zurück zu x

x = 32 + −1,645·6 = 22,13 min

Antwort

x = 22,13 min

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