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​ = 15 kNP2​ = 40 kNABRA​RB​ = ?3 m3 m2 m

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

L = 8 mP1 = 15 kN bei 3 mP2 = 40 kN bei 6 m
RB = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 5 kN/mP = 20 kNABCRB​ = ?3 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 3 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 3 mw = 5 kN/m von 3 bis 6 m
RB = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABCDEFGH20 kN40 kN20 kN4 × 3 m3 m

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

D: 20 kN ↓G: 40 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 FC
  13. 13Stab HC
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
ABCDEFGH25 kN10 kN10 kN20 kN20 kN4 × 4 m3 m

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

B: 25 kN ↓C: 10 kN ↓F: 10 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 FC
  13. 13Stab HC
5.Querkraft und BiegemomentMittel
P1​ = 70 kNP2​ = 45 kNABC3,5 m2,5 m1,5 m

Der Balken liegt in A auf einem Festlager und in B auf einem Loslager und kragt über B um 1,5 m bis zum freien Ende C aus. Er trägt eine Einzellast P1 zwischen den Auflagern und eine Einzellast P2 in C. Bestimme das Biegemoment Mx unter der Last P1. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.

L = 7,5 mP1 = 70 kN bei 3,5 mP2 = 45 kN bei 7,5 mAuflager bei x = 0 und x = 6 m
Mx = kN·m
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
12 kN/m20 kN35 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 m

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

20 kN @ 6 m35 kN @ 3 m12 kN/m, 0–4 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
7.DurchbiegungMittel
w = 10 kN/mδL = 1,5 m

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

w = 10 kN/mL = 1,5 mE = 11 GPa (Holz)I = 8,5 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.DurchbiegungSchwer
w = 4 kN/mAB5 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 = 5 mw = 4 kN/m
RB = kN
9.Knicken von StützenMittel
PL = 3 md = 60 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 = 60 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
P = 25 kNL = 2 md = ?Querschnitt

Eine runde Vollstütze der Länge L aus Aluminium ist an beiden Enden eingespannt. Sie muss 25 kN mit einer Sicherheit von 3 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.

P = 25 kNn = 3L = 2 mE = 70 GPa (Aluminium)
d = mm
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
3001522010xMaße in mm

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

bf = 300 mmtf = 15 mmtw = 10 mmhw = 220 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
200 mm240 mm144 mm60 × 40xIx​ = ?

Eine Platte von 200 mm × 240 mm hat einen rechteckigen Ausschnitt von 60 mm Breite und 40 mm Höhe, der auf der vertikalen Mittellinie sitzt und dessen Mittelpunkt 144 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.

b = 200 mmh = 240 mmAusschnitt: 60 × 40 mmLochmittelpunkt: y = 144 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 16,5 kN/m³γsat​ = 20 kN/m³12 mGrundwasserspiegelXz = 10 m

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

z = 10 mzw = 4 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 16,5 kN/m³Sand: γsat = 20 kN/m³
u = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 16,5 kN/m³γsat​ = 20 kN/m³6 mTonγsat​ = 19 kN/m³7 mGrundwasserspiegelXz = 9,5 m

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

z = 9,5 mzw = 4 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 16,5 kN/m³Sand: γsat = 20 kN/m³Ton: γsat = 19 kN/m³
σ′ = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 70 kPaSandTonCc​ = 0,4, Cr​ = 0,02e0​ = 0,6σ′0​ = 50 kPaσ′p​ = 170 kPa6,5 mGrundwasserspiegel

Eine 6,5 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,4, Cr = 0,02 und e₀ = 0,6. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 50 kPa und die Vorbelastungsspannung 170 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 70 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 6,5 mCc = 0,4Cr = 0,02e0 = 0,6σ′0 = 50 kPaσ′p = 170 kPaΔσ = 70 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 6,5 mcv​ = 5 m²/Jahr6,5 mundurchlässiger FelsGrundwasserspiegel

Eine 6,5 m dicke Tonschicht hat einen Konsolidationsbeiwert cv = 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 = 6,5 mcv = 5 m²/JahrU = 70%Tv = 0,403einseitige Entwässerung
t = Jahre
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 = 2,5 mH = 2 m

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Glycerin, seine Oberkante liegt 2,5 m unter der Oberfläche. Bestimme die Tiefe ycp des Druckmittelpunkts unter der Oberfläche.

d = 2,5 mH = 2 mb = 1 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
Q = 5 L/sD = 50 mmL = 1000 mf = 0,028

Wasser fließt mit 5 L/s durch ein 1000 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 50 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,028 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

Q = 5 L/sL = 1000 mD = 50 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 5freier AuslaufH = ?L = 200 m, D = 150 mm, f = 0,0222× Krümmer (K = 0,3)

Ein 200 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 150 mm (Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,022) führt von einem offenen Behälter weg und tritt als freier Strahl ins Freie aus. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 2 Krümmer (je K = 0,3) und ein Ventil (K = 5). Verwende g = 9,81 m/s². Wie hoch H muss der Wasserspiegel im Behälter über dem Rohrauslauf liegen, damit der Durchfluss 25 L/s beträgt?

Q = 25 L/sL = 200 mD = 150 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 5
H = m
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
D = 1200 mmn = 0,013, S = 0,0005

Ein Regenwasserkanal aus Beton mit einem Innendurchmesser von 1200 mm ist halb gefüllt. Manning n = 0,013, und das Gefälle ist S = 0,0005. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

D = 1200 mmn = 0,013S = 0,0005
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
b = 4,5 my = 1,3 m1,5 : 1n = 0,014, Q = 13 m³/s

Ein Trapezgerinne (rauer Beton) mit einer Sohlbreite von 4,5 m und einer Böschungsneigung von 1,5:1 (horizontal:vertikal) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 1,3 m 13 m³/s abführen. Manning n = 0,014. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).

Q = 13 m³/sb = 4,5 my = 1,3 mz = 1,5n = 0,014
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 25 L/sH = 40 m

In einem Versuch fördert eine Pumpe 25 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 40 m, während ihre Welle 13,1 kW aufnimmt. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Pumpenwirkungsgrad η in Prozent.

Q = 25 L/sH = 40 mPshaft = 13,1 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
350 kPa (Überdruck)PQ = 30 L/sΔz = 6 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0,018, ΣK = 6

Eine Pumpe fördert 30 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 6 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 100 m lang, hat einen Innendurchmesser von 150 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 6 (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 350 kPa. Bestimme die Förderhöhe H, die die Pumpe aufbringen muss.

Q = 30 L/sΔz = 6 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,018ΣK = 6ptank = 350 kPa
H = m
25.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre0123…10PV = ?€25 000

Du brauchst €25 000 in 10 Jahren. Ein Konto bringt 4,8 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Wie viel musst du heute einzahlen? Bestimme den Barwert PV.

FV = €25 0004,8% / 12n = 10
PV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…192A?AA€50 000

Du möchtest in 16 Jahren €50 000 haben. Du sparst am Ende jedes Monats denselben Betrag auf einem Konto mit 5,4 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Bestimme die monatliche Einzahlung A.

FV = €50 0005,4% / 12N = 192
A = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre0123…9−400 00016 000+3%+3%…r = 8%, NPV = ?

Ein Projekt kostet heute €400 000. Es erwirtschaftet am Ende des ersten Jahres €16 000, danach wächst der Zahlungsüberschuss für immer um 3 % pro Jahr. Die Kapitalkosten betragen 8 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

C0 = €400 000CF1 = €16 000g = 3%r = 8%
NPV = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123−10 0003 5004 5005 000

Ein Projekt kostet €10 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 €3 500, €4 500, €5 000. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.

CF0 = −10 000CF1 = 3 500CF2 = 4 500CF3 = 5 000
IRR = %
29.NormalverteilungMittel
245,25259,25P = ?

Die Gewichte von Beuteln sind normalverteilt mit dem Mittelwert 250 g und der Standardabweichung 5 g. Welcher Anteil liegt zwischen 245,25 und 259,25 g? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 250σ = 5x1 = 245,25x2 = 259,25
P =
30.NormalverteilungSchwer
μ = 100x = ?97,5%

Die IQ-Werte sind normalverteilt mit dem Mittelwert 100 Punkte und der Standardabweichung 15 Punkte. Bestimme den Wert x, unter dem 97,5 % von ihnen liegen (das 97,5. Perzentil).

μ = 100σ = 15P = 97,5%
x = Punkte

3Lösungen

1.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RB = 35,63 kN

Statisches Gleichgewicht: Für einen ruhenden Körper gilt ΣFx = 0, ΣFy = 0 und ΣM = 0 um jeden Punkt. Bildet man die Momente um ein Auflager, fällt dessen Auflagerkraft aus der Gleichung heraus.

P1​ = 15 kNP2​ = 40 kNABRA​RB​3 m3 m2 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·8 = 15·3 + 40·6
RB = 285/8 = 35,63 kN
ΣFy = 0: RA = 55 − 35,63 = 19,38 kN

Antwort

RB = 35,63 kN
2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RB = 28,33 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 = (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 = 20·3 + 15·4,5
RB = 127,5/4,5 = 28,33 kN
RA = 35 − 28,33 = 6,667 kN

Antwort

RB = 28,33 kN
3.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: Stab BF

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 B

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

ΣF⊥ = 0 → FBF = 0

Mit dem Knotenpunktverfahren prüfen

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

AB: 30 kN (T), BC: 30 kN (T), CD: 50 kN (T), DE: 50 kN (T), FG: 60 kN (C), GH: 60 kN (C), AF: 42,43 kN (C), HE: 70,71 kN (C), BF: 0, CG: 40 kN (C), DH: 20 kN (T), FC: 42,43 kN (T), HC: 14,14 kN (T)

Antwort

Nullstab: BF
4.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: 40 kN (T), BC: 40 kN (T), CD: 26,67 kN (T), DE: 26,67 kN (T), FG: 73,33 kN (C), GH: 73,33 kN (C), AF: 75 kN (C), HE: 33,33 kN (C), BF: 25 kN (T), CG: 20 kN (C), DH: 0, FC: 16,67 kN (T), HC: 33,33 kN (T)

Antwort

Nullstab: DH
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mx = 62,71 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 am ganzen Balken. Auch die Last am Kragende wirkt um A.

ΣMA = 0: RB·6 = 70·3,5 + 45·7,5
RB = 582,5/6 = 97,08 kN
ΣFy = 0: RA = 115 − 97,08 = 17,92 kN

Schnitt unter P1, linken Teil behalten

Mx = RA·3,5 = 17,92·3,5 = 62,71 kN·m

Antwort

Mx = 62,71 kN·m
6.Querkraft und Biegemoment

Antwort: E (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 = 22,75 kN, R2 = 80,25 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 = 16,75, MC = 21,5, MD = 14,25, ME = −40 kN·m, MF = −20, MG = 0

Antwort

Markierung E: ME = −40 kN·m
7.Durchbiegung

Antwort: δmax = 7,05 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 = 10 N/mm, L = 1500 mm
EI = 9,35 × 10¹⁰ N·mm²

Durchbiegung

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·10·1500⁴/(384·9,35 × 10¹⁰) = 7,05 mm

Antwort

δmax = 7,05 mm
8.Durchbiegung

Antwort: RB = 7,5 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 = 3·4·5/8 = 7,5 kN

Antwort

RB = 7,5 kN
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 34,88 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 = 2·3000 = 6000 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·636173/6000² = 34882 N = 34,88 kN

Antwort

Pcr = 34,88 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: d = 38,56 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 = 3·25000 = 75000 N
KL = 0,5·2000 = 1000 mm

Nach dem Durchmesser auflösen

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·75000·1000²/(π³·70000))^(1/4) = 38,56 mm

Antwort

d = 38,56 mm

Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 103,7, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.

11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 29,36 × 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 = 300·15 = 4500 mm², yf = 220 + 15/2 = 227,5 mm
Steg: Aw = 10·220 = 2200 mm², yw = 220/2 = 110 mm

Schwerpunkt

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (4500·227,5 + 2200·110)/6700 = 188,9 mm

Satz von Steiner

Flansch: 300·15³/12 + 4500·(227,5 − 188,9)² = 6,783 × 10⁶ mm⁴
Steg: 10·220³/12 + 2200·(110 − 188,9)² = 2,258 × 10⁷ mm⁴
Ix = 6,783 × 10⁶ + 2,258 × 10⁷ = 2,936 × 10⁷ mm⁴ = 29,36 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 29,36 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 228,6 × 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 = (48000·120 − 2400·144)/(48000 − 2400) = 118,7 mm

Volle Platte um ȳ

200·240³/12 + 48000·1,263² = 230,5 × 10⁶ mm⁴

Loch um ȳ

60·40³/12 + 2400·25,26² = 1,852 × 10⁶ mm⁴

Subtrahieren

Ix = 228,6 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 228,6 × 10⁶ mm⁴
13.Effektive Spannung im Boden

Antwort: u = 58,86 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) = 9,81·6 = 58,86 kPa

Antwort

u = 58,86 kPa
14.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ′ = 118,5 kPa

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

Totale Spannung

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

σ = γd·4 + γsat,sand·2 + γsat,clay·3,5
σ = 16,5·4 + 20·2 + 19·3,5 = 172,5 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 = 172,5 − 53,96 = 118,5 kPa

Antwort

σ′ = 118,5 kPa
15.Konsolidationssetzung

Antwort: S = 30,89 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 = 50 + 70 = 120 kPa ≤ 170 kPa

Setzung

Der Ton bleibt auf seiner Wiederbelastungslinie.

S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,02·6,5/(1 + 0,6)·log₁₀(120/50) = 30,89 mm

Antwort

S = 30,89 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 3,405 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 = 6,5 m

Zeit

t = Tv·Hdr²/cv = 0,403·6,5²/5 = 3,405 Jahre

Antwort

t = 3,405 Jahre
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: ycp = 3,595 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 = 2,5 + 2/2 = 3,5 m
A = H·b = 2·1 = 2 m²
Schützd = 2,5 mH = 2 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·3,5·2 = 86,52 kN

Druckmittelpunkt

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

Ic = b·H³/12 = 1·2³/12 = 0,6667 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 3,5 + 0,6667/(3,5·2) = 3,595 m

Antwort

ycp = 3,595 m
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 185,1 m

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

Mittlere Geschwindigkeit

A = π·0,05²/4 = 0,001963 m²
V = Q/A = 0,005/0,001963 = 2,546 m/s

Geschwindigkeitshöhe

V²/(2g) = 2,546²/(2·9,81) = 0,3305 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(1000/0,05)·2,546²/(2·9,81) = 185,1 m

Antwort

hf = 185,1 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: H = 3,717 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 = 0,025/0,01767 = 1,415 m/s
V²/(2g) = 0,102 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,022·200/0,15 = 29,33
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 = 6,1

Energiegleichung

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

H = (1 + 29,33 + 6,1)·0,102 = 3,717 m

Antwort

H = 3,717 m
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 0,4359 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 = 0,5655 m², R = D/4 = 0,3 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,013)·0,32/3·0,00051/2 = 0,7708 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 0,5655·0,7708 = 0,4359 m³/s

Antwort

Q = 0,4359 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,0005322 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 + z·y)·y = (4,5 + 1,5·1,3)·1,3 = 8,385 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 4,5 + 2·1,3·√(1 + 1,5²) = 9,187 m
R = A/P = 0,9127 m

Manning nach S auflösen

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,014·13/(8,385·0,9409) = 0,02307
S = 0,02307² = 0,0005322

Antwort

S = 0,0005322

Das ist ein Gefälle von 0,5322 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: η = 74,89 %

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 = 1000·9,81·0,025·40 = 9,81 kW

Wirkungsgrad

η = Ph/Pshaft = 9,81/13,1 = 74,89%

Antwort

η = 74,89%
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: H = 44,32 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 = 0,03/0,01767 = 1,698 m/s
V²/(2g) = 0,1469 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (12 + 6)·0,1469 = 2,644 m

Druckhöhe

p/(ρ·g) = 350000/(1000·9,81) = 35,68 m

Förderhöhe

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

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 6 + 35,68 + 2,644 = 44,32 m

Antwort

H = 44,32 m
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: PV = 15484 €

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 = 0,048/12 = 0,004
N = 12·10 = 120

Barwert

PV = FV/(1 + i)N = 25 000/1,615 = €15 484,40

Antwort

PV = €15 484,40
26.Zeitwert des Geldes

Antwort: A = 164,5 €

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

Monatszins und Anzahl der Einzahlungen

i = 0,054000000000000006/12 = 0,0045
N = 12·16 = 192

Einzahlung

A = FV·i/((1 + i)N − 1) = 50 000·0,0045/(2,368 − 1) = €164,47

Antwort

A = €164,47
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = −80000 €

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 = 16 000/(0,08 − 0,03) = 320 000,00

NPV

NPV = 320 000,00 − 400 000 = −€80 000,00

Antwort

NPV = −€80 000,00

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

28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 13,48 %

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

Den IRR eingrenzen

Der Kapitalwert sinkt mit steigendem Zins, also liegt der IRR zwischen einem Zinssatz mit positivem und einem mit negativem Kapitalwert.

NPV(10%) = 657,40
NPV(15%) = −266,29

Eingrenzen

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

IRR ≈ 10 + 5·657,40/(657,40 − (−266,29)) = 13,56%
exakt: NPV(13,48%) = 0 → IRR = 13,48%

Antwort

IRR = 13,48%
29.Normalverteilung

Antwort: P = 0,7968

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 = (259,25 − 250)/5 = 1,85

Fläche dazwischen

P = Φ(1,85) − Φ(−0,95) = 0,9678 − 0,1711 = 0,7968

Antwort

P = 0,7968
30.Normalverteilung

Antwort: x = 129,4 Punkte

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) = 0,975 → z = 1,96

Zurück zu x

x = 100 + 1,96·15 = 129,4 Punkte

Antwort

x = 129,4 Punkte

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