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 = 80 kNM = 10 kN·mABRA​ = ?0,5 m2,5 m1 m

Der Einfeldträger hat in A ein Festlager und in B ein Loslager. Er trägt eine Einzellast P im Abstand 0,5 m von A und ein eingeprägtes Moment M (im Uhrzeigersinn) im Abstand 3 m von A. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RA, nach oben positiv.

L = 4 mP = 80 kN bei 0,5 mM = 10 kN·m (im Uhrzeigersinn) bei 3 m
RA = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 2 kN/mP = 35 kNABRA​RB​ = ?1 m0,5 m2,5 m

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

L = 4 mP = 35 kN bei 1,5 mw = 2 kN/m von 0 bis 1 m
RB = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABBCACACB20 kN4 m3 m3 m

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

Spannweite = 4 mHöhe = 3 mB liegt 3 m von A entferntvertikale Last = 20 kN
FAB = kN
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
ABCDEFGH40 kN35 kN15 kN25 kN4 × 4 m4 m

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

D: 40 kN ↓G: 35 kN ↓H: 15 kN ↓H: 25 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
M0​ = 30 kN·mAB1 m4 m

Der Einfeldträger trägt bei x = 1 m von A ein Moment M0 = 30 kN·m im Uhrzeigersinn und sonst keine Last. Bestimme das Biegemoment Mx unmittelbar links vom eingeprägten Moment. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.

L = 5 mM0 = 30 kN·m im Uhrzeigersinn, bei 1 m
Mx = kN·m
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
w = 12 kN/mP = 30 kNAB3 m2 m

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

L = 5 mP = 30 kN bei 3 mw = 12 kN/m von 0 bis 5 m
Mmax = kN·m
7.DurchbiegungMittel
w = 5 kN/mδL = 4 m

Ein Kragarm trägt über seine ganze Länge eine Gleichstreckenlast w. Bestimme die Durchbiegung δ am freien Ende.

w = 5 kN/mL = 4 mE = 200 GPa (Stahl)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.DurchbiegungSchwer
w = 15 kN/mδL = 2,5 m

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

w = 15 kN/mL = 2,5 mE = 200 GPa (Stahl)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von StützenMittel
PL = 2,5 m30 × 40 mmQuerschnitt

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

L = 2,5 mE = 70 GPa (Aluminium)b × h = 30 × 40 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 5 md = 60 mmQuerschnitt

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

L = 5 mE = 200 GPa (Stahl)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
100 mm240 mm168 mmØ30xIx​ = ?

Eine Platte von 100 mm × 240 mm hat ein kreisförmiges Loch mit dem Durchmesser 30 mm auf ihrer vertikalen Mittellinie, dessen Mittelpunkt 168 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.

b = 100 mmh = 240 mmd = 30 mmLochmittelpunkt: y = 168 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
1602401810xM = 40 kN·mMaße in mm

Ein symmetrischer I-Querschnitt hat Flansche mit 160 mm Breite und 18 mm Dicke, eine Gesamthöhe von 240 mm und einen Steg mit 10 mm Dicke. Er überträgt ein Biegemoment von 40 kN·m um die Achse x. Bestimme den Betrag der Biegespannung σj am Übergang vom Steg zum Obergurt.

B = 160 mmH = 240 mmtf = 18 mmtw = 10 mmM = 40 kN·m
σj = MPa
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 16 kN/m³γsat​ = 19 kN/m³7 mGrundwasserspiegelXz = 5 m

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

z = 5 mzw = 3 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 16 kN/m³Sand: γsat = 19 kN/m³
σ′ = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 16 kN/m³γsat​ = 18,5 kN/m³5 mTonγsat​ = 18,5 kN/m³7 mGrundwasserspiegelXz = 8,5 m

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

z = 8,5 mzw = 2 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 16 kN/m³Sand: γsat = 18,5 kN/m³Ton: γsat = 18,5 kN/m³
σ′ = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 20 kPaSandTonCc​ = 0,2, Cr​ = 0,03e0​ = 0,65σ′0​ = 80 kPaσ′p​ = 110 kPa3,5 mGrundwasserspiegel

Eine 3,5 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,2, Cr = 0,03 und e₀ = 0,65. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 80 kPa und die Vorbelastungsspannung 110 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 20 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 3,5 mCc = 0,2Cr = 0,03e0 = 0,65σ′0 = 80 kPaσ′p = 110 kPaΔσ = 20 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 5,5 m5,5 mSandGrundwasserspiegel

In einem Ödometerversuch im Labor erreicht eine 19 mm dicke Tonprobe, die oben und unten entwässert, in 5 min 50 % Konsolidation. Im Feld bildet derselbe Ton eine 5,5 m dicke Schicht. Sie liegt zwischen zwei Sandschichten, das Wasser kann also oben und unten austreten. Wie viele Tage t braucht die Schicht im Feld, um 50 % Konsolidation zu erreichen?

hlab = 19 mmtlab = 5 minH = 5,5 mFeld: zweiseitige Entwässerung
t = Tage
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 2 mH = 3 m

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

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

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

d = 2 mH = 2,5 mb = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
Q = 80 L/sD = 250 mmL = 150 mf = 0,018

Wasser fließt mit 80 L/s durch ein 150 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 250 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

Q = 80 L/sL = 150 mD = 250 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²
hf = m
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 10Δz = ?L = 200 m, D = 100 mm, f = 0,0152× Krümmer (K = 0,3)

Zwei offene Behälter sind durch ein 200 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 100 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015 verbunden. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 2 Krümmer (je K = 0,3), ein Ventil (K = 10) und der Auslauf in den unteren Behälter (K = 1,0). Verwende g = 9,81 m/s². Welcher Wasserspiegelunterschied Δz zwischen den Behältern ergibt einen Durchfluss von 20 L/s?

Q = 20 L/sL = 200 mD = 100 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
b = 3,5 my = 0,8 mn = 0,025, S = 0,0005

Ein Rechteckgerinne (Kies) ist 3,5 m breit. Wasser fließt gleichförmig 0,8 m tief. Manning n = 0,025, und das Sohlgefälle ist S = 0,0005. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

b = 3,5 my = 0,8 mn = 0,025S = 0,0005
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
D = 300 mmn = 0,013, V = 0,6 m/s

Ein Betonkanal mit einem Innendurchmesser von 300 mm (Manning n = 0,013) muss bei gerade voller Füllung eine Selbstreinigungsgeschwindigkeit von 0,6 m/s erreichen. Bestimme das Mindestgefälle S (in m/m).

D = 300 mmn = 0,013V = 0,6 m/s
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 25 L/sH = 42 m

In einem Versuch fördert eine Pumpe 25 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 42 m, während ihre Welle 13,7 kW aufnimmt. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Pumpenwirkungsgrad η in Prozent.

Q = 25 L/sH = 42 mPshaft = 13,7 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 75 L/sΔz = 7 mL = 500 m, D = 200 mm, f = 0,015, ΣK = 4

Eine Pumpe fördert 75 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 7 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 500 m lang, hat einen Innendurchmesser von 200 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 4 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 85 %. Bestimme die Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 75 L/sΔz = 7 mL = 500 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 4η = 85%
Pshaft = kW
25.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre0123456PV = ?€2 000€2 000€2 000€2 000

Eine Rente zahlt am Ende jedes Jahres €2 000, 6 Jahre lang. Der Zinssatz beträgt 8 % pro Jahr. Bestimme den Barwert PV der Rente.

A = €2 000i = 8%n = 6
PV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Jahre0123…21€5 000€5 000€5 000FV = ?

Du zahlst 21 Jahre lang am Anfang jedes Jahres €5 000 ein, die erste Einzahlung heute. Das Konto bringt 7 % pro Jahr. Wie viel ist am Ende von Jahr 21 auf dem Konto? Bestimme FV.

A = €5 000i = 7%n = 21
FV = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre01234−30 00010 0009 0007 00012 000

Eine Investition von €30 000 bringt am Ende der Jahre 1 bis 4 diese Zahlungen: €10 000, €9 000, €7 000, €12 000. Die Kapitalkosten betragen 6 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

r = 6%CF0 = −30 000CF1 = 10 000CF2 = 9 000CF3 = 7 000CF4 = 12 000
NPV = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123−20 00013 50015 00013 000

Ein Projekt kostet €20 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 €13 500, €15 000, €13 000. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.

CF0 = −20 000CF1 = 13 500CF2 = 15 000CF3 = 13 000
IRR = %
29.NormalverteilungMittel
340 kg328 kgT = X₁ + … + X₄?

Gegeben sind Passagiere mit Gepäck; ihre Massen sind unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 85 kg und der Standardabweichung 12 kg. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass die Gesamtmasse von 4 davon unter 328 kg liegt. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μ = 85 kgσ = 12 kgn = 4< 328 kg
P =
30.NormalverteilungSchwer
4 s0X − Y?

Die Rundenzeit X von Läufer A und die Rundenzeit Y von Läufer B sind unabhängig und normalverteilt: X hat den Mittelwert 52 s und die Standardabweichung 4 s, Y hat den Mittelwert 48 s und die Standardabweichung 3 s. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass X größer als Y ist. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μX = 52 s, σX = 4 sμY = 48 s, σY = 3 s
P =

3Lösungen

1.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 67,5 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·4 − 80·0,5 − 10 = 0
RB = 50/4 = 12,5 kN

Vertikales Gleichgewicht

RA = 80 − 12,5 = 67,5 kN

Antwort

RA = 67,5 kN

Eine negative Auflagerkraft wirkt nach unten.

2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RB = 13,38 kN

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

w = 2 kN/mP = 35 kNABRA​RB​1 m0,5 m2,5 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.

Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 2·1 = 2 kN, angreifend bei x̄ = 0,5 m
ΣMA = 0: RB·4 = 35·1,5 + 2·1·0,5
RB = 53,5/4 = 13,38 kN
ΣFy = 0: RA = 37 − 13,38 = 23,63 kN

Antwort

RB = 13,38 kN
3.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: FAB = −7,071 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 kNAy​Cy​

Auflagerkräfte

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

ΣMA = 0: Cy·4 = 20·3 → Cy = 15 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − 15 = 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 = 3/4,243 = 0,7071
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −5/0,7071 = −7,071 kN

Antwort

FAB = −7,071 kN (Druck)
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: 12,5 kN (T), BC: 50 kN (T), CD: 50 kN (T), DE: 52,5 kN (T), FG: 37,5 kN (C), GH: 77,5 kN (C), AF: 53,03 kN (C), HE: 74,25 kN (C), BF: 37,5 kN (T), CG: 0, DH: 37,5 kN (T), BG: 53,03 kN (C), DG: 3,536 kN (T)

Antwort

Nullstab: CG
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mx = −6 kN·m

Schnittverfahren: Schneide den Balken dort, wo du die Schnittgrößen brauchst, und behalte eine Seite. Die Querkraft V hält den vertikalen Kräften dieser Seite das Gleichgewicht, das Biegemoment M ihren Momenten um den Schnitt. Ein eingeprägtes Moment lässt die Momentenlinie um die Größe dieses Moments springen.

Auflagerkräfte

Momente um A, gegen den Uhrzeigersinn positiv: RB·L − M0 = 0. Vertikales Gleichgewicht: RA + RB = 0.

RB = M0/L = 30/5 = 6 kN (nach oben)
RA = −RB = −6 kN (nach unten)

Schnitt unmittelbar links vom eingeprägten Moment

Der linke Teil enthält nur RA.

Mx = RA·a = −6·1 = −6 kN·m

Antwort

Mx = −6 kN·m
6.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mmax = 72 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 = 12·5 = 60 kN, angreifend bei x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 30·3 + 12·5·2,5
RB = 240/5 = 48 kN
ΣFy = 0: RA = 90 − 48 = 42 kN

Wo ist V = 0?

V(3⁻) = RA − w·3 = 6 kN
V(3⁺) = 6 − 30 = −24 kN
Die Querkraft wechselt an der Last das Vorzeichen, das Maximum liegt also unter der Last.

Maximales Moment

Mmax = RA·3 − w·3²/2 = 42·3 − 12·3²/2 = 72 kN·m

Antwort

Mmax = 72 kN·m

Es tritt bei x = 3 m von A auf.

7.Durchbiegung

Antwort: δ = 6,667 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 = 5 N/mm, L = 4000 mm
EI = 2,4 × 10¹³ N·mm²

Durchbiegung

δ = wL⁴/(8EI) = 5·4000⁴/(8·2,4 × 10¹³) = 6,667 mm

Antwort

δ = 6,667 mm
8.Durchbiegung

Antwort: Ireq = 5,493 × 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 = 2500/360 = 6,944 mm

Erforderliches Flächenträgheitsmoment

I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·15·2500⁴/(384·200000·6,944) = 5,493 × 10⁶ mm⁴
Ireq = 5,493 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ireq = 5,493 × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 2,487 kN

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

Kleinstes Flächenträgheitsmoment

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

Imin = h·b³/12 = 40·30³/12 = 90000 mm⁴

Knicklänge

KL = 2·2500 = 5000 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·90000/5000² = 2487 N = 2,487 kN

Antwort

Pcr = 2,487 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 36,26 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Trägheitsradius und Schlankheit

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 0,7·5000 = 3500 mm
KL/r = 3500/15 = 233,3

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/233,3² = 36,26 MPa

Antwort

σcr = 36,26 MPa
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 113,5 × 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 − 706,9·168)/(24000 − 706,9) = 118,5 mm

Volle Platte um ȳ

100·240³/12 + 24000·1,457² = 115,3 × 10⁶ mm⁴

Loch um ȳ

π·30⁴/64 + 706,9·49,46² = 1,769 × 10⁶ mm⁴

Subtrahieren

Ix = 113,5 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 113,5 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: σj = 52,17 MPa

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

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 = 240 − 2·18 = 204 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (160·240³ − 150·204³)/12
Ix = 7,82 × 10⁷ mm⁴

Biegespannung

y = 120 − 18 = 102 mm
σ = M·y/I = 4 × 10⁷·102/7,82 × 10⁷ = 52,17 MPa

Antwort

σj = 52,17 MPa
13.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ′ = 66,38 kPa

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

Totale Spannung

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

σ = γd·zw + γsat·(z − zw) = 16·3 + 19·2 = 86 kPa

Porenwasserdruck

Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.

u = γw·(z − zw) = 9,81·2 = 19,62 kPa

Effektive Spannung

σ′ = σ − u = 86 − 19,62 = 66,38 kPa

Antwort

σ′ = 66,38 kPa
14.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ′ = 88,48 kPa

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

Totale Spannung

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

σ = γd·2 + γsat,sand·3 + γsat,clay·3,5
σ = 16·2 + 18,5·3 + 18,5·3,5 = 152,3 kPa

Porenwasserdruck

Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.

u = γw·(z − zw) = 9,81·6,5 = 63,77 kPa

Effektive Spannung

σ′ = σ − u = 152,3 − 63,77 = 88,48 kPa

Antwort

σ′ = 88,48 kPa
15.Konsolidationssetzung

Antwort: S = 6,167 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 = 80 + 20 = 100 kPa ≤ 110 kPa

Setzung

Der Ton bleibt auf seiner Wiederbelastungslinie.

S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,03·3,5/(1 + 0,65)·log₁₀(100/80) = 6,167 mm

Antwort

S = 6,167 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 291 Tage

Primärkonsolidation einer Tonschicht der Dicke H, mit der effektiven Spannung in der Schichtmitte: σ′f = σ′0 + Δσ. Normal konsolidierter Ton: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Überkonsolidierter Ton wird bis zur Vorbelastungsspannung σ′p entlang Cr wiederbelastet und folgt erst darüber Cc. Zeit: t = Tv·Hdr²/cv, wobei der Dränweg Hdr gleich H/2 ist, wenn das Wasser oben und unten austreten kann, und gleich H, wenn nur eine Seite entwässert.

Dränwege

Hdr,lab = 19/2 = 9,5 mm = 0,0095 m
Hdr,field = 5,5/2 = 2,75 m

Die Zeit umrechnen

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

tfield = 5·(2,75/0,0095)² = 418975 min
tfield = 418975/1440 = 291 Tage

Antwort

t = 291 Tage
17.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 103 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 + 3/2 = 3,5 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
Schützd = 2 mH = 3 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3,5·3 = 103 kN

Antwort

F = 103 kN
18.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 159,4 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 + 2,5/2 = 3,25 m
A = H·b = 2,5·2 = 5 m²
Schützd = 2 mH = 2,5 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3,25·5 = 159,4 kN

Antwort

F = 159,4 kN
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 1,462 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·0,25²/4 = 0,04909 m²
V = Q/A = 0,08/0,04909 = 1,63 m/s

Geschwindigkeitshöhe

V²/(2g) = 1,63²/(2·9,81) = 0,1354 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(150/0,25)·1,63²/(2·9,81) = 1,462 m

Antwort

hf = 1,462 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Δz = 13,91 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 = 0,02/0,007854 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,015·200/0,1 = 30
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 + 1,0 = 12,1

Gesamte Verlusthöhe

hf = 30·0,3305 = 9,915 m
hm = 12,1·0,3305 = 3,999 m
Δz = hf + hm = 13,91 m

Antwort

Δz = 13,91 m
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 1,679 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 = 3,5·0,8 = 2,8 m²
P = b + 2y = 3,5 + 2·0,8 = 5,1 m
R = A/P = 0,549 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,025)·0,5492/3·0,00051/2 = 0,5997 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 2,8·0,5997 = 1,679 m³/s

Antwort

Q = 1,679 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,001924 m/m

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

Hydraulischer Radius

R = D/4 = 0,3/4 = 0,075 m

Manning nach S auflösen

S = (n·V/R2/3)² = (0,013·0,6/0,1778)² = 0,001924

Antwort

S = 0,001924

Das ist ein Gefälle von 1,924 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: η = 75,19 %

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 = 1000·9,81·0,025·42 = 10,3 kW

Wirkungsgrad

η = Ph/Pshaft = 10,3/13,7 = 75,19%

Antwort

η = 75,19%
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 16,49 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 = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (37,5 + 4)·0,2905 = 12,06 m

Förderhöhe

H = Δz + hL = 7 + 12,06 = 19,06 m

Wellenleistung

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,075·19,06/0,85 = 16,49 kW

Antwort

Pshaft = 16,49 kW
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: PV = 9246 €

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.

Rentenbarwertfaktor

(1 − (1 + i)−n)/i = (1 − 0,6302)/0,08 = 4,623

Barwert

PV = 2 000·4,623 = €9 245,76

Antwort

PV = €9 245,76
26.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 240029 €

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 + 0,07)21 − 1)/0,07 = 44,87

Vorschüssige Rente

Jede Einzahlung ist ein Jahr länger angelegt.

FV = 5 000·44,87·1,07 = €240 028,70

Antwort

FV = €240 028,70
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = 2826 €

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

Barwert jeder Zahlung

CF0 = −30 000
CF1/(1 + 0,06)1 = 10 000/1,06 = 9 433,96
CF2/(1 + 0,06)2 = 9 000/1,124 = 8 009,97
CF3/(1 + 0,06)3 = 7 000/1,191 = 5 877,33
CF4/(1 + 0,06)4 = 12 000/1,262 = 9 505,12

Addieren

NPV = €2 826,39

Antwort

NPV = €2 826,39

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

28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 47,91 %

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(45%) = 708,93
NPV(50%) = −481,48

Eingrenzen

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

IRR ≈ 45 + 5·708,93/(708,93 − (−481,48)) = 47,98%
exakt: NPV(47,91%) = 0 → IRR = 47,91%

Antwort

IRR = 47,91%
29.Normalverteilung

Antwort: P = 0,3085

Summen und Differenzen normalverteilter Variablen: Sind X und Y unabhängig und normalverteilt, sind auch X + Y und X − Y normalverteilt. Die Mittelwerte werden addiert oder subtrahiert: E(X ± Y) = μX ± μY. Die Varianzen addieren sich immer, auch bei einer Differenz: Var(X ± Y) = σX² + σY², also σ = √(σX² + σY²). Standardabweichungen werden nie direkt addiert. Die Summe von n unabhängigen Objekten mit derselben Verteilung hat den Mittelwert n·μ und die Standardabweichung σ·√n. Standardisiere dann wie gewohnt: z = (x − Mittelwert)/σ und lies Φ(z) ab.

Verteilung der Summe

μT = 340 kg, σT = 12·√4 = 24 kg

Standardisieren

z = (328 − 340)/24 = −0,5

Wahrscheinlichkeit

P = Φ(−0,5) = 0,3085

Antwort

P = 0,3085
30.Normalverteilung

Antwort: P = 0,7881

Summen und Differenzen normalverteilter Variablen: Sind X und Y unabhängig und normalverteilt, sind auch X + Y und X − Y normalverteilt. Die Mittelwerte werden addiert oder subtrahiert: E(X ± Y) = μX ± μY. Die Varianzen addieren sich immer, auch bei einer Differenz: Var(X ± Y) = σX² + σY², also σ = √(σX² + σY²). Standardabweichungen werden nie direkt addiert. Die Summe von n unabhängigen Objekten mit derselben Verteilung hat den Mittelwert n·μ und die Standardabweichung σ·√n. Standardisiere dann wie gewohnt: z = (x − Mittelwert)/σ und lies Φ(z) ab.

Verteilung der Differenz

μ = 52 − 48 = 4 s, σ = 5 s

Standardisieren

z = (0 − 4)/5 = −0,8

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(−0,8) = 0,7881

Antwort

P = 0,7881

Dies ist unabhängiges Übungsmaterial. ExamProblems ist nicht mit der Organisation verbunden, die diese Prüfung durchführt, und wird von ihr nicht unterstützt; der Prüfungsname dient nur zur Beschreibung des Inhalts. Die FE exam wird von NCEES durchgeführt; diese Organisation ist nicht mit ExamProblems verbunden und unterstützt es nicht.

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