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
Zeichne einen Zeitstrahl mit jeder Zahlung und ihrem Zeitpunkt.
Passe den Zinssatz an die Periode an: ein Monatszins für monatliche Zahlungen.
Verwende FV = PV·(1 + i)ⁿ für Einzelbeträge und die Rentenformeln für gleich hohe Zahlungen.
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
Liste alle Zahlungen mit ihrem Jahr auf; die Investition in Jahr 0 ist negativ.
Zinse jede Zahlung ab: CFt/(1 + r)t.
Addiere sie zum Kapitalwert (NPV). Positiv bedeutet, dass das Projekt mehr als r erwirtschaftet.
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
Rechne den Wert in einen z-Wert um: z = (x − μ)/σ.
Lies Φ(z) ab, die Fläche links von z.
Für die Fläche rechts verwende 1 − Φ(z); für ein Intervall subtrahiere die beiden linken Flächen.
Für ein Perzentil rechnest du rückwärts: Bestimme z zur Fläche, dann x = μ + z·σ.
2Übungsaufgaben
1.Auflagerkräfte am BalkenMittel
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
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
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
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 ←
1Stab AB
2Stab BC
3Stab CD
4Stab DE
5Stab FG
6Stab GH
7Stab AF
8Stab HE
9Stab BF
10Stab CG
11Stab DH
12Stab BG
13Stab DG
5.Querkraft und BiegemomentMittel
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
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
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
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
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
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
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
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.
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.
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?
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
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.
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.
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?
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
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
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
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.
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
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
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.
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
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
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.
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.
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).
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.
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.
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
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
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.
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
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