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 Balken hat in A ein Festlager und in B, 8 m von A entfernt, ein Loslager und kragt über B bis zum freien Ende C aus. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RA, nach oben positiv.
AB = 8 mAC = 10 mP1 = 35 kN bei 7 mP2 = 65 kN bei 10 m
RA = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
Der Einfeldträger hat in A ein Festlager und in B ein Loslager. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RA.
L = 4 mP = 30 kN bei 2,5 mw = 5 kN/m von 1 bis 4 m
RA = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
Bestimme mit dem Knotenpunktverfahren die Kraft FAB im Stab AB. Gib Zug positiv und Druck negativ an.
Spannweite = 8 mHöhe = 3 mB liegt 7 m von A entferntvertikale Last = 45 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.
B: 30 kN ↓D: 20 kN ↓F: 25 kN ↓F: 10 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 Kragarm ist in A eingespannt. Er trägt über seine ganze Länge eine Gleichstreckenlast w und eine Einzellast P im Abstand 3 m von A. Bestimme das Biegemoment Mx im Schnitt x = 2 m von der Einspannung A. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.
L = 4 mP = 50 kN bei 3 mw = 3 kN/m von 0 bis 4 mx = 2 m
Mx = kN·m
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
Bestimme das Biegemoment Mx im Schnitt x = 1,5 m vom Auflager A. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.
L = 4 mP = 45 kN bei 2 mw = 6 kN/m von 0 bis 4 mx = 1,5 m
Mx = kN·m
7.DurchbiegungMittel
Ein Einfeldträger trägt über die ganze Spannweite eine Gleichstreckenlast w. Bestimme die maximale Durchbiegung δmax in Feldmitte.
w = 4 kN/mL = 3 mE = 11 GPa (Holz)I = 8,5 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.DurchbiegungSchwer
Ein Holzbalken als Einfeldträger mit Rechteckquerschnitt, 125 mm breit, trägt über die ganze Spannweite eine Gleichstreckenlast w. Seine Durchbiegung in Feldmitte darf Spannweite/250 nicht überschreiten. Bestimme die kleinste Querschnittshöhe hreq.
w = 3 kN/mL = 6 mE = 11 GPa (Holz)b = 125 mm
hreq = mm
9.Knicken von StützenMittel
Eine Stütze der Länge L aus Stahl ist unten eingespannt und oben frei. Bestimme mit der Euler-Formel ihre kritische Knicklast Pcr.
L = 5 mE = 200 GPa (Stahl)b × h = 50 × 60 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
Eine Stütze der Länge L aus Stahl ist unten eingespannt und oben frei. Bestimme ihre Schlankheit und die kritische Knickspannung σcr nach Euler.
L = 1 mE = 200 GPa (Stahl)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
Eine Platte von 100 mm × 300 mm hat ein kreisförmiges Loch mit dem Durchmesser 60 mm auf ihrer vertikalen Mittellinie, dessen Mittelpunkt 195 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.
b = 100 mmh = 300 mmd = 60 mmLochmittelpunkt: y = 195 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
Ein symmetrischer I-Querschnitt hat Flansche mit 190 mm Breite und 14 mm Dicke, eine Gesamthöhe von 340 mm und einen Steg mit 8 mm Dicke. Er überträgt ein Biegemoment von 100 kN·m um die Achse x. Bestimme den Betrag der Biegespannung σj am Übergang vom Steg zum Obergurt.
Eine 6 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,25, Cr = 0,06 und e₀ = 0,95. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 110 kPa und die Vorbelastungsspannung 220 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 150 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.
Eine 4 m dicke Tonschicht hat einen Konsolidationsbeiwert cv = 3 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?
Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 3 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 = 1 mb = 3 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 0,5 m unter der Oberfläche. Bestimme die Tiefe ycp des Druckmittelpunkts unter der Oberfläche.
Wasser fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 2,9 m/s durch ein 200 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 250 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,025 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.
Ein 150 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm (Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018) 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 = 2). Verwende g = 9,81 m/s². Wie hoch H muss der Wasserspiegel im Behälter über dem Rohrauslauf liegen, damit der Durchfluss 200 L/s beträgt?
Ein Trapezgerinne (sauberes Erdreich) hat eine Sohlbreite von 4,5 m und eine Böschungsneigung von 2:1 (horizontal:vertikal). Wasser fließt gleichförmig 0,9 m tief. Manning n = 0,022, und das Sohlgefälle ist S = 0,0005. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.
b = 4,5 my = 0,9 mz = 2n = 0,022S = 0,0005
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
Ein 4,5 m breites Rechteckgerinne (sauberes Erdreich) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 0,6 m 2,4 m³/s abführen. Manning n = 0,022. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).
Q = 2,4 m³/sb = 4,5 my = 0,6 mn = 0,022
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
In einem Versuch fördert eine Pumpe 20 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 34 m, während ihre Welle 9,3 kW aufnimmt. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Pumpenwirkungsgrad η in Prozent.
Q = 20 L/sH = 34 mPshaft = 9,3 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
Eine Pumpe fördert 12 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 11 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 100 m lang, hat einen Innendurchmesser von 100 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,022; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 8 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 75 %. Bestimme die Wellenleistung Pshaft in kW.
Eine Rente zahlt am Ende jedes Jahres €8 000, 8 Jahre lang. Der Zinssatz beträgt 5 % pro Jahr. Bestimme den Barwert PV der Rente.
A = €8 000i = 5%n = 8
PV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Ein Darlehen von €15 000 wird über 3 Jahre mit gleichen Monatsraten bei 5,4 % pro Jahr und monatlicher Verzinsung getilgt. Wie viel Zinsen I werden über die gesamte Laufzeit gezahlt?
P = €15 0005,4% / 12N = 36
I = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Ein Projekt kostet heute €400 000. Es erwirtschaftet am Ende des ersten Jahres €29 000, danach wächst der Zahlungsüberschuss für immer um 2 % pro Jahr. Die Kapitalkosten betragen 10 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.
C0 = €400 000CF1 = €29 000g = 2%r = 10%
NPV = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Ein Projekt kostet €25 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 2 €15 000, €11 500. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.
CF0 = −25 000CF1 = 15 000CF2 = 11 500
IRR = %
29.NormalverteilungMittel
Die IQ-Werte sind normalverteilt mit dem Mittelwert 100 Punkte und der Standardabweichung 15 Punkte. Welcher Anteil liegt zwischen 82,75 und 103,75 Punkte? Gib P als Dezimalzahl an.
μ = 100σ = 15x1 = 82,75x2 = 103,75
P =
30.NormalverteilungSchwer
Die Lebensdauern von Batterien sind normalverteilt mit dem Mittelwert 500 h und der Standardabweichung 40 h. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten unteren 85 % links davon liegen. Bestimme die Grenze x.
μ = 500 hσ = 40 h85%
x = h
3Lösungen
1.Auflagerkräfte am Balken
Antwort: RA = −11,88 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·8 = 35·7 + 65·10
RB = 895/8 = 111,9 kN
Vertikales Gleichgewicht
RA = 35 + 65 − 111,9 = −11,88 kN
Antwort
RA = −11,88 kN
RA ist negativ: Das Festlager in A muss den Balken nach unten halten.
2.Auflagerkräfte am Balken
Antwort: RA = 16,88 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 = 5·3 = 15 kN, angreifend bei x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·4 = 30·2,5 + 5·3·2,5
RB = 112,5/4 = 28,13 kN
ΣFy = 0: RA = 45 − 28,13 = 16,88 kN
Antwort
RA = 16,88 kN
3.Fachwerk: Knotenpunktverfahren
Antwort: FAB = −14,28 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·8 = 45·7 → Cy = 39,38 kN
ΣFy = 0: Ay = 45 − 39,38 = 5,625 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 = 3/7,616 = 0,3939
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −5,625/0,3939 = −14,28 kN
Antwort
FAB = −14,28 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.
Den Teil mit dem freien Ende behalten
P: −50·1 = −50 kN·m
w: −3·2²/2 = −6 kN·m
Mx = −50 − 6 = −56 kN·m
Antwort
Mx = −56 kN·m
Negativ bedeutet Zug an der Oberseite.
6.Querkraft und Biegemoment
Antwort: Mx = 45 kN·m
Schnittverfahren: Schneide den Balken dort, wo du die Schnittgrößen brauchst, und behalte eine Seite. Die Querkraft V hält den vertikalen Kräften dieser Seite das Gleichgewicht, das Biegemoment M ihren Momenten um den Schnitt.
Auflagerkräfte
Gleichgewicht des ganzen Balkens.
Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 6·4 = 24 kN, angreifend bei x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 45·2 + 6·4·2
RB = 138/4 = 34,5 kN
ΣFy = 0: RA = 69 − 34,5 = 34,5 kN
Schnitt bei x = 1,5 m, linken Teil behalten
Nur Kräfte links vom Schnitt erscheinen. Ein Abschnitt der Streckenlast wirkt als eine Kraft in der Mitte dieses Abschnitts.
M = RA·x − (jede Last links vom Schnitt × ihr Abstand zum Schnitt)
Mx = 34,5·1,5 − 6·1,5·0,75 = 45 kN·m
Antwort
Mx = 45 kN·m
7.Durchbiegung
Antwort: δmax = 45,12 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 = 4 N/mm, L = 3000 mm
EI = 9,35 × 10¹⁰ N·mm²
Durchbiegung
δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·4·3000⁴/(384·9,35 × 10¹⁰) = 45,12 mm
Antwort
δmax = 45,12 mm
8.Durchbiegung
Antwort: hreq = 264 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.
bh³/12 = Ireq → h = (12·1,918 × 10⁸/125)1/3 = 264 mm
Antwort
hreq = 264 mm
In der Praxis wählt man die nächste Standardhöhe über diesem Wert.
9.Knicken von Stützen
Antwort: Pcr = 12,34 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴
Trägheitsradius und Schlankheit
A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 2·1000 = 2000 mm
KL/r = 2000/7,5 = 266,7
Kritische Spannung
σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/266,7² = 27,76 MPa
Antwort
σcr = 27,76 MPa
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment
Antwort: Ix = 218 × 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 = (30000·150 − 2827·195)/(30000 − 2827) = 145,3 mm
Volle Platte um ȳ
100·300³/12 + 30000·4,682² = 225,7 × 10⁶ mm⁴
Loch um ȳ
π·60⁴/64 + 2827·49,68² = 7,615 × 10⁶ mm⁴
Subtrahieren
Ix = 218 × 10⁶ mm⁴
Antwort
Ix = 218 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment
Antwort: σj = 96,49 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.
Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.
u = γw·(z − zw) = 9,81·4 = 39,24 kPa
Effektive Spannung
σ′ = σ − u = 107 − 39,24 = 67,76 kPa
Antwort
σ′ = 67,76 kPa
14.Effektive Spannung im Boden
Antwort: σ′ = 84,67 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·1 + γsat,sand·4 + γsat,clay·3,5
σ = 15,5·1 + 19,5·4 + 18,5·3,5 = 158,3 kPa
Porenwasserdruck
Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.
u = γw·(z − zw) = 9,81·7,5 = 73,58 kPa
Effektive Spannung
σ′ = σ − u = 158,3 − 73,58 = 84,67 kPa
Antwort
σ′ = 84,67 kPa
15.Konsolidationssetzung
Antwort: S = 111,4 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 = 110 + 150 = 260 kPa > 220 kPa
Setzung
Wiederbelastung bis σ′p, Erstbelastung darüber.
S = 0,06·6/(1 + 0,95)·log₁₀(220/110) + 0,25·6/(1 + 0,95)·log₁₀(260/220)
S = 55,57 + 55,81 = 111,4 mm
Antwort
S = 111,4 mm
16.Konsolidationssetzung
Antwort: t = 2,149 Jahre
Primärkonsolidation einer Tonschicht der Dicke H, mit der effektiven Spannung in der Schichtmitte: σ′f = σ′0 + Δσ. Normal konsolidierter Ton: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Überkonsolidierter Ton wird bis zur Vorbelastungsspannung σ′p entlang Cr wiederbelastet und folgt erst darüber Cc. Zeit: t = Tv·Hdr²/cv, wobei der Dränweg Hdr gleich H/2 ist, wenn das Wasser oben und unten austreten kann, und gleich H, wenn nur eine Seite entwässert.
Dränweg
Hdr = H = 4 m
Zeit
t = Tv·Hdr²/cv = 0,403·4²/3 = 2,149 Jahre
Antwort
t = 2,149 Jahre
17.Hydrostatische Kraft
Antwort: F = 73,58 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 + 1/2 = 2,5 m
A = H·b = 1·3 = 3 m²
Resultierende Kraft
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,5·3 = 73,58 kN
Antwort
F = 73,58 kN
18.Hydrostatische Kraft
Antwort: ycp = 1,722 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 = 0,5 + 2/2 = 1,5 m
A = H·b = 2·2 = 4 m²
Resultierende Kraft
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·1,5·4 = 58,86 kN
Druckmittelpunkt
Der Druck nimmt mit der Tiefe zu, daher greift die Resultierende unterhalb des Schwerpunkts an.
Rohrströmung: Die Reynolds-Zahl Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ unterscheidet laminare Strömung (Re unter etwa 2000) von turbulenter Strömung (über etwa 4000). Reibung entlang eines Rohrs kostet die Verlusthöhe nach Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Formstücke, Armaturen, Einlauf und Auslauf erzeugen zusätzlich örtliche Verluste hm = ΣK·V²/(2g). Zwischen zwei offenen Wasserspiegeln liefert die Energiegleichung Δz = hf + hm, einschließlich des Auslaufverlusts K = 1.
Geschwindigkeitshöhe
V²/(2g) = 2,9²/(2·9,81) = 0,4286 m
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(200/0,25)·2,9²/(2·9,81) = 8,573 m
Antwort
hf = 8,573 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe
Antwort: H = 5,345 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 = 0,2/0,07069 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m
Verlustbeiwerte
f·L/D = 0,018·150/0,3 = 9
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 = 3,1
Energiegleichung
Der austretende Strahl hat noch seine Geschwindigkeitshöhe; sie ist kein Verlust, muss aber aufgebracht werden.
H = (1 + 9 + 3,1)·0,408 = 5,345 m
Antwort
H = 5,345 m
21.Gerinneströmung (Manning)
Antwort: Q = 4,391 m³/s
Manning-Gleichung (SI): Für gleichförmige Strömung in einem offenen Gerinne gilt V = (1/n)·R2/3·S1/2 und Q = A·V, mit dem Rauheitsbeiwert n, dem Sohlgefälle S (m/m) und dem hydraulischen Radius R = A/P: Fließquerschnitt geteilt durch benetzten Umfang. In P zählt nur der Rand, der mit dem Wasser in Berührung ist, nicht der Wasserspiegel. Rechteck: A = b·y, P = b + 2y. Trapez mit Böschungsneigung z:1 (horizontal:vertikal): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Ein voll oder halb gefülltes Kreisrohr hat R = D/4.
Geometrie
A = (b + z·y)·y = (4,5 + 2·0,9)·0,9 = 5,67 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 4,5 + 2·0,9·√(1 + 2²) = 8,525 m
R = A/P = 0,6651 m
Geschwindigkeit
V = (1/0,022)·0,66512/3·0,00051/2 = 0,7744 m/s
Volumenstrom
Q = A·V = 5,67·0,7744 = 4,391 m³/s
Antwort
Q = 4,391 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)
Antwort: S = 0,001036 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.
Pumpenleistung: Die an das Wasser abgegebene Leistung ist die hydraulische Leistung Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Die Welle muss mehr liefern, weil in der Pumpe Verluste entstehen: Pshaft = Ph/ηpump, und der Motor nimmt Pel = Pshaft/ηmotor auf. Die Förderhöhe H ergibt sich aus der Energiegleichung: geodätische Höhe + Druckhöhe + alle Reibungs- und örtlichen Verluste.
Hydraulische Leistung
Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,02·34 = 6,671 kW
Wirkungsgrad
η = Ph/Pshaft = 6,671/9,3 = 71,73%
Antwort
η = 71,73%
24.Pumpen und Pumpenleistung
Antwort: Pshaft = 2,287 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 − 0,6768)/0,05 = 6,463
Barwert
PV = 8 000·6,463 = €51 705,70
Antwort
PV = €51 705,70
26.Zeitwert des Geldes
Antwort: I = 1281 €
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.
Monatliche Rate
i = 0,0045, N = 36
A = 15 000·0,0045/(1 − (1 + 0,0045)−36) = €452,26
Gesamtzinsen
I = N·A − P = 36·452,3 − 15 000 = €1 281,44
Antwort
I = €1 281,44
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß
Antwort: NPV = −37500 €
Kapitalwert: Zinse jeden Zahlungsstrom mit der geforderten Rendite r auf heute ab und addiere alle: NPV = Σ CFₜ/(1 + r)ᵗ. Ein Projekt mit NPV > 0 verdient mehr als r und schafft Wert. Der interne Zinsfuß (IRR) ist der Zinssatz, bei dem NPV = 0 ist.
Wert der Zahlungen
PV = 29 000/(0,1 − 0,02) = 362 500,00
NPV
NPV = 362 500,00 − 400 000 = −€37 500,00
Antwort
NPV = −€37 500,00
Der Kapitalwert ist negativ, das Projekt verdient also weniger als die geforderte Rendite.
28.Kapitalwert & interner Zinsfuß
Antwort: IRR = 4,162 %
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(0%) = 1 500,00
NPV(5%) = −283,45
Eingrenzen
Lineare Interpolation liefert eine erste Schätzung; Wiederholen (oder die IRR-Funktion eines Rechners) liefert den genauen Zinssatz.
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 = (82,75 − 100)/15 = −1,15
z₂ = (103,75 − 100)/15 = 0,25
Fläche dazwischen
P = Φ(0,25) − Φ(−1,15) = 0,5987 − 0,1251 = 0,4736
Antwort
P = 0,4736
30.Normalverteilung
Antwort: x = 542 h
Von einer Fläche zurück zu z: Φ(z) ist die Fläche links von z. Für eine linke Randfläche A suche in der Tabelle z mit Φ(z) = A. Eine rechte Randfläche A bedeutet Φ(z) = 1 − A. Eine zentrale Fläche A zwischen −z und z lässt (1 − A)/2 auf jedem Rand übrig, also Φ(z) = (1 + A)/2. Für einen Wert x verwende x = μ + zσ.
Fläche links
Φ(z) = 0,85
z aus der Tabelle
z ≈ 1,04
Zurück zu den ursprünglichen Einheiten
x = 500 + 1,04·40 = 542 h
Antwort
x = 542 h
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