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
w0​ = 20 kN/mP = 20 kNABRB​ = ?4 m1 m

Der Einfeldträger (Festlager in A, Loslager in B) trägt eine linear veränderliche Last, die von null in A auf 20 kN/m in B ansteigt. Außerdem greift eine Einzellast P im Abstand 4 m von A an. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RB.

L = 5 mw0 = 20 kN/mP = 20 kN bei 4 m
RB = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 6 kN/mP = 60 kNABRA​ = ?RB​3 m1 m1 m

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

L = 5 mP = 60 kN bei 4 mw = 6 kN/m von 3 bis 5 m
RA = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABBCACACB50 kN5 m1 m2 m

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

Spannweite = 5 mHöhe = 2 mB liegt 1 m von A entferntvertikale Last = 50 kN
FAC = kN
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
ABCDEFGH35 kN35 kN40 kN35 kN25 kN4 × 3 m3 m

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

B: 35 kN ↓D: 35 kN ↓F: 40 kN →G: 35 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
P1​ = 35 kNP2​ = 30 kNAB1,5 m3,5 m1 m

Der Einfeldträger trägt zwei Einzellasten. Bestimme das maximale Biegemoment Mmax im Balken.

L = 6 mP1 = 35 kN bei 1,5 mP2 = 30 kN bei 5 m
Mmax = kN·m
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
w = 20 kN/mAB1 m2 m1 m

Der Einfeldträger trägt auf einem Teil seiner Spannweite eine Gleichstreckenlast. Bestimme das maximale Biegemoment Mmax im Balken.

L = 4 mw = 20 kN/m von 1 bis 3 m
Mmax = kN·m
7.DurchbiegungMittel
w = 20 kN/mδL = 4 m

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

w = 20 kN/mL = 4 mE = 11 GPa (Holz)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.DurchbiegungSchwer
w = 20 kN/mδL = 1,5 m

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

w = 20 kN/mL = 1,5 mE = 70 GPa (Aluminium)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von StützenMittel
PL = 1 m40 × 80 mmQuerschnitt

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

L = 1 mE = 70 GPa (Aluminium)b × h = 40 × 80 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 4 md = 30 mmQuerschnitt

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

L = 4 mE = 70 GPa (Aluminium)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
xD = 200d = 188Maße in mm

Ein Kreisrohr hat den Außendurchmesser D = 200 mm und den Innendurchmesser d = 188 mm. Bestimme seinen Trägheitsradius r um die horizontale Schwerachse.

D = 200 mmd = 188 mm
r = mm
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
100 mm240 mm96 mm30 × 50xIx​ = ?

Eine Platte von 100 mm × 240 mm hat einen rechteckigen Ausschnitt von 30 mm Breite und 50 mm Höhe, der auf der vertikalen Mittellinie sitzt und dessen Mittelpunkt 96 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.

b = 100 mmh = 240 mmAusschnitt: 30 × 50 mmLochmittelpunkt: y = 96 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 15 kN/m³γsat​ = 19,5 kN/m³8 mGrundwasserspiegelXz = 8 m

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

z = 8 mzw = 2 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 15 kN/m³Sand: γsat = 19,5 kN/m³
σ′ = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 15,5 kN/m³γsat​ = 19,5 kN/m³3 mTonγsat​ = 17,5 kN/m³8 mGrundwasserspiegelXz = 7 m

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

z = 7 mzw = 2 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 15,5 kN/m³Sand: γsat = 19,5 kN/m³Ton: γsat = 17,5 kN/m³
σ = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 190 kPaSandTonCc​ = 0,4, Cr​ = 0,04e0​ = 1,1σ′0​ = 100 kPaσ′p​ = 160 kPa5,5 mGrundwasserspiegel

Eine 5,5 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,4, Cr = 0,04 und e₀ = 1,1. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 100 kPa und die Vorbelastungsspannung 160 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 190 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 5,5 mCc = 0,4Cr = 0,04e0 = 1,1σ′0 = 100 kPaσ′p = 160 kPaΔσ = 190 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 3 m3 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 3 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 = 3 mFeld: zweiseitige Entwässerung
t = Tage
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 2 mH = 1 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 = 1 mb = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
18.Hydrostatische KraftSchwer
Schützd = 2,5 mH = 1,5 m

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 3 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Meerwasser, seine Oberkante liegt 2,5 m unter der Oberfläche. Bestimme die Tiefe ycp des Druckmittelpunkts unter der Oberfläche.

d = 2,5 mH = 1,5 mb = 3 mρ = 1025 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 1,5 m/sD = 150 mmL = 800 mf = 0,018

Wasser (ρ = 1000 kg/m³) fließt mit 1,5 m/s durch ein waagerechtes, 800 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 150 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018 und g = 9,81 m/s². Bestimme den Druckverlust Δp über das Rohr in kPa.

V = 1,5 m/sL = 800 mD = 150 mmf = 0,018ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 10freier AuslaufH = ?L = 150 m, D = 150 mm, f = 0,0224× Krümmer (K = 0,3)

Ein 150 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 150 mm (Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,022) führt von einem offenen Behälter weg und tritt als freier Strahl ins Freie aus. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 4 Krümmer (je K = 0,3) und ein Ventil (K = 10). Verwende g = 9,81 m/s². Wie hoch H muss der Wasserspiegel im Behälter über dem Rohrauslauf liegen, damit der Durchfluss 40 L/s beträgt?

Q = 40 L/sL = 150 mD = 150 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10
H = m
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
b = 2 my = 2,3 m1,5 : 1n = 0,014, S = 0,0005

Ein Trapezgerinne (rauer Beton) hat eine Sohlbreite von 2 m und eine Böschungsneigung von 1,5:1 (horizontal:vertikal). Wasser fließt gleichförmig 2,3 m tief. Manning n = 0,014, und das Sohlgefälle ist S = 0,0005. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

b = 2 my = 2,3 mz = 1,5n = 0,014S = 0,0005
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
b = 1 my = 2,1 m3 : 1n = 0,025, Q = 25 m³/s

Ein Trapezgerinne (Kies) mit einer Sohlbreite von 1 m und einer Böschungsneigung von 3:1 (horizontal:vertikal) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 2,1 m 25 m³/s abführen. Manning n = 0,025. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).

Q = 25 m³/sb = 1 my = 2,1 mz = 3n = 0,025
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 25 L/sH = 12 m

Eine Pumpe mit einem Wirkungsgrad von 60 % fördert 25 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 12 m. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die benötigte Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 25 L/sH = 12 mη = 60%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 20 L/sΔz = 8 mL = 300 m, D = 100 mm, f = 0,018, ΣK = 6

Eine Pumpe fördert 20 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 8 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 300 m lang, hat einen Innendurchmesser von 100 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 6 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 75 %. Bestimme die Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 20 L/sΔz = 8 mL = 300 mD = 100 mmf = 0,018ΣK = 6η = 75%
Pshaft = kW
25.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre012€8 000FV = ?

Du legst €8 000 zu einem Nominalzins von 5 % pro Jahr mit monatlicher Verzinsung an. Bestimme den Wert FV der Anlage nach 2 Jahren.

PV = €8 0005% / 12n = 2
FV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate01…144…360€200 000AB = ?A6% / 12

Eine Hypothek von €200 000 wird über 30 Jahre mit gleichen Monatsraten bei 6 % pro Jahr und monatlicher Verzinsung getilgt. Wie viel ist direkt nach der Rate am Ende von Jahr 12 noch geschuldet? Bestimme die Restschuld B.

P = €200 0006% / 12N = 360k = 144
B = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre0123456−30 0007 5007 5007 5007 5007 5007 500

Ein Projekt kostet heute €30 000 und bringt 6 Jahre lang am Ende jedes Jahres €7 500. Die Kapitalkosten betragen 12 %. Nimm an, dass die Zahlungen gleichmäßig über jedes Jahr eingehen. Bestimme die dynamische Amortisationsdauer DPB in Jahren.

r = 12%CF0 = −30 000CF1 = 7 500CF2 = 7 500CF3 = 7 500CF4 = 7 500CF5 = 7 500CF6 = 7 500
DPB = Jahre
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre012−50 00027 00029 500

Ein Projekt kostet €50 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 2 €27 000, €29 500. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.

CF0 = −50 000CF1 = 27 000CF2 = 29 500
IRR = %
29.NormalverteilungMittel
45,570P = ?

Die Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit dem Mittelwert 65 Punkte und der Standardabweichung 10 Punkte. Welcher Anteil liegt zwischen 45,5 und 70 Punkte? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 65σ = 10x1 = 45,5x2 = 70
P =
30.NormalverteilungSchwer
μ = 250x = ?75%

Die Gewichte von Beuteln sind normalverteilt mit dem Mittelwert 250 g und der Standardabweichung 5 g. Bestimme den Wert x, unter dem 75 % von ihnen liegen (das 75. Perzentil).

μ = 250σ = 5P = 75%
x = g

3Lösungen

1.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RB = 49,33 kN

Statisches Gleichgewicht: Für einen ruhenden Körper gilt ΣFx = 0, ΣFy = 0 und ΣM = 0 um jeden Punkt. Ersetze jede Streckenlast durch ihre Resultierende (ihre Fläche), die im Schwerpunkt der Lastfigur angreift, und bilde die Momente um ein Auflager, damit dessen Auflagerkraft aus der Gleichung herausfällt.

Resultierende der Dreieckslast

W = ½·20·5 = 50 kN
x̄ = 2L/3 = 3,333 m

Gleichgewicht

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

ΣMA = 0: RB·5 = 50·3,333 + 20·4
RB = 49,33 kN
RA = 70 − 49,33 = 20,67 kN

Antwort

RB = 49,33 kN
2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 14,4 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 = 6 kN/mP = 60 kNABRA​RB​3 m1 m1 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 = 6·2 = 12 kN, angreifend bei x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·5 = 60·4 + 6·2·4
RB = 288/5 = 57,6 kN
ΣFy = 0: RA = 72 − 57,6 = 14,4 kN

Antwort

RA = 14,4 kN
3.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: FAC = 20 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.

ABBCACACB50 kNAy​Cy​

Auflagerkräfte

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

ΣMA = 0: Cy·5 = 50·1 → Cy = 10 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 10 = 40 kN

Knoten C

Das Loslager gibt nur eine vertikale Kraft, daher hat Knoten C nur zwei unbekannte Stabkräfte. Nimm beide als Zug an.

sin γ = 2/4,472 = 0,4472, cos γ = 4/4,472 = 0,8944
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −10/0,4472 = −22,36 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−22,36)·0,8944 = 20 kN

Antwort

FAC = 20 kN (Zug)
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: 88,75 kN (T), BC: 102,5 kN (T), CD: 102,5 kN (T), DE: 81,25 kN (T), FG: 88,75 kN (C), GH: 81,25 kN (C), AF: 68,94 kN (C), HE: 114,9 kN (C), BF: 48,75 kN (T), CG: 0, DH: 56,25 kN (T), BG: 19,45 kN (C), DG: 30,05 kN (C)

Antwort

Nullstab: CG
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mmax = 46,88 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.

ΣMA = 0: RB·6 = 35·1,5 + 30·5
RB = 202,5/6 = 33,75 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 33,75 = 31,25 kN

Moment unter jeder Last

Behalte jeweils den Teil links von der Last.

unter P1: M = RA·1,5 = 31,25·1,5 = 46,88 kN·m
unter P2: M = RB·1 = 33,75·1 = 33,75 kN·m

Größter Wert

Mmax = 46,88 kN·m (unter P1)

Antwort

Mmax = 46,88 kN·m
6.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mmax = 30 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 = 20·2 = 40 kN, angreifend bei x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 20·2·2
RB = 80/4 = 20 kN
ΣFy = 0: RA = 40 − 20 = 20 kN

Querkraftnullstelle

Die Querkraft beginnt bei RA, bleibt über unbelastete Abschnitte konstant und fällt innerhalb der Last mit der Steigung w.

RA − w·(x0 − 1) = 0
x0 = 1 + 20/20 = 2 m

Maximales Moment

Mmax = RA·x0 − w·(x0 − 1)²/2 = 20·2 − 20·1²/2 = 30 kN·m

Antwort

Mmax = 30 kN·m
7.Durchbiegung

Antwort: δmax = 50,51 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 = 20 N/mm, L = 4000 mm
EI = 1,32 × 10¹² N·mm²

Durchbiegung

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·20·4000⁴/(384·1,32 × 10¹²) = 50,51 mm

Antwort

δmax = 50,51 mm
8.Durchbiegung

Antwort: Ireq = 4,52 × 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 = 1500/360 = 4,167 mm

Erforderliches Flächenträgheitsmoment

I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·20·1500⁴/(384·70000·4,167) = 4,52 × 10⁶ mm⁴
Ireq = 4,52 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ireq = 4,52 × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 73,69 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 = 80·40³/12 = 426667 mm⁴

Knicklänge

KL = 2·1000 = 2000 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·426667/2000² = 73693 N = 73,69 kN

Antwort

Pcr = 73,69 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 4,957 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Trägheitsradius und Schlankheit

A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 0,7·4000 = 2800 mm
KL/r = 2800/7,5 = 373,3

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/373,3² = 4,957 MPa

Antwort

σcr = 4,957 MPa
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: r = 68,62 mm

Flächenträgheitsmoment: Für ein Rechteck gilt um seine eigene Schwerachse I = bh³/12 und um seine Grundlinie bh³/3 (Satz von Steiner I = Ic + A·d²). Ein Loch wird berücksichtigt, indem man sein I abzieht, solange beide Teile dieselbe Achse haben. Das elastische Widerstandsmoment ist S = I/c, wobei c der Abstand zur Randfaser ist. Der Trägheitsradius r = √(I/A) ist der Abstand, in dem die ganze Fläche dasselbe I ergäbe; er wird beim Knicken von Stützen verwendet.

Nettofläche und Netto-Flächenträgheitsmoment

A = π(D² − d²)/4 = 3657 mm²
I = π(D⁴ − d⁴)/64 = 1,722 × 10⁷ mm⁴

Trägheitsradius

r = √(I/A) = √(1,722 × 10⁷/3657) = 68,62 mm

Antwort

r = 68,62 mm
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 114 × 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 − 1500·96)/(24000 − 1500) = 121,6 mm

Volle Platte um ȳ

100·240³/12 + 24000·−1,6² = 115,3 × 10⁶ mm⁴

Loch um ȳ

30·50³/12 + 1500·−25,6² = 1,296 × 10⁶ mm⁴

Subtrahieren

Ix = 114 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 114 × 10⁶ mm⁴
13.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ′ = 88,14 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) = 15·2 + 19,5·6 = 147 kPa

Porenwasserdruck

Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.

u = γw·(z − zw) = 9,81·6 = 58,86 kPa

Effektive Spannung

σ′ = σ − u = 147 − 58,86 = 88,14 kPa

Antwort

σ′ = 88,14 kPa
14.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ = 120,5 kPa

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

Totale Spannung

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

σ = γd·2 + γsat,sand·1 + γsat,clay·4
σ = 15,5·2 + 19,5·1 + 17,5·4 = 120,5 kPa

Antwort

σ = 120,5 kPa
15.Konsolidationssetzung

Antwort: S = 292 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 = 100 + 190 = 290 kPa > 160 kPa

Setzung

Wiederbelastung bis σ′p, Erstbelastung darüber.

S = 0,04·5,5/(1 + 1,1)·log₁₀(160/100) + 0,4·5,5/(1 + 1,1)·log₁₀(290/160)
S = 21,38 + 270,6 = 292 mm

Antwort

S = 292 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 86,57 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 = 3/2 = 1,5 m

Die Zeit umrechnen

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

tfield = 5·(1,5/0,0095)² = 124654 min
tfield = 124654/1440 = 86,57 Tage

Antwort

t = 86,57 Tage
17.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 49,05 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 = 1·2 = 2 m²
Schützd = 2 mH = 1 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,5·2 = 49,05 kN

Antwort

F = 49,05 kN
18.Hydrostatische Kraft

Antwort: ycp = 3,308 m

Hydrostatische Kraft auf eine ebene Fläche: F = ρ·g·yc·A. Sie greift im Druckmittelpunkt an, ycp = yc + Ic/(ycA), der immer unterhalb des Schwerpunkts liegt.

Schwerpunkttiefe und Fläche

yc = d + H/2 = 2,5 + 1,5/2 = 3,25 m
A = H·b = 1,5·3 = 4,5 m²
Schützd = 2,5 mH = 1,5 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·3,25·4,5 = 147,1 kN

Druckmittelpunkt

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

Ic = b·H³/12 = 3·1,5³/12 = 0,8438 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 3,25 + 0,8438/(3,25·4,5) = 3,308 m

Antwort

ycp = 3,308 m
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Δp = 108 kPa

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.

Verlusthöhe

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(800/0,15)·1,5²/(2·9,81) = 11,01 m

Druckverlust

Das Rohr ist waagerecht und die Geschwindigkeit ändert sich nicht, daher reduziert sich die Energiegleichung auf Δp = ρ·g·hf.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·11,01 = 108000 Pa = 108 kPa

Antwort

Δp = 108 kPa
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: H = 9,062 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 = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s
V²/(2g) = 0,2611 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,022·150/0,15 = 22
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 = 11,7

Energiegleichung

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

H = (1 + 22 + 11,7)·0,2611 = 9,062 m

Antwort

H = 9,062 m
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 22,83 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 = (2 + 1,5·2,3)·2,3 = 12,53 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 2 + 2·2,3·√(1 + 1,5²) = 10,29 m
R = A/P = 1,218 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,014)·1,2182/3·0,00051/2 = 1,821 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 12,53·1,821 = 22,83 m³/s

Antwort

Q = 22,83 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,001512 m/m

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

Geometrie

A = (b + z·y)·y = (1 + 3·2,1)·2,1 = 15,33 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 1 + 2·2,1·√(1 + 3²) = 14,28 m
R = A/P = 1,073 m

Manning nach S auflösen

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,025·25/(15,33·1,048) = 0,03889
S = 0,03889² = 0,001512

Antwort

S = 0,001512

Das ist ein Gefälle von 1,512 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 4,905 kW

Pumpenleistung: Die an das Wasser abgegebene Leistung ist die hydraulische Leistung Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Die Welle muss mehr liefern, weil in der Pumpe Verluste entstehen: Pshaft = Ph/ηpump, und der Motor nimmt Pel = Pshaft/ηmotor auf. Die Förderhöhe H ergibt sich aus der Energiegleichung: geodätische Höhe + Druckhöhe + alle Reibungs- und örtlichen Verluste.

Hydraulische Leistung

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,025·12 = 2,943 kW

Wellenleistung

Pshaft = Ph/η = 2,943/0,6 = 4,905 kW

Antwort

Pshaft = 4,905 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 7,28 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 = 0,02/0,007854 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (54 + 6)·0,3305 = 19,83 m

Förderhöhe

H = Δz + hL = 8 + 19,83 = 27,83 m

Wellenleistung

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,02·27,83/0,75 = 7,28 kW

Antwort

Pshaft = 7,28 kW
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 8840 €

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

Zinssatz und Anzahl der Perioden

i = r/m = 0,05/12 = 0,004167
N = m·n = 12·2 = 24

Endwert

FV = 8 000·(1 + 0,004167)24 = 8 000·1,105 = €8 839,53

Antwort

FV = €8 839,53
26.Zeitwert des Geldes

Antwort: B = 158159 €

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 = 0,005, N = 360
A = 200 000·0,005/(1 − (1 + 0,005)−360) = €1 199,10

Barwert der verbleibenden Raten

Was noch geschuldet wird, muss genau durch die verbleibenden Raten getilgt werden.

N − k = 360 − 144 = 216
B = 1199·(1 − (1 + 0,005)−216)/0,005 = €158 158,88

Antwort

B = €158 158,88
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: DPB = 5,78 Jahre

Amortisationsdauer: die Zeit, bis die kumulierten Zahlungsüberschüsse die Anfangsinvestition zurückgezahlt haben. Man nimmt an, dass das Geld gleichmäßig über jedes Jahr eingeht, der letzte Teil ist also ein Bruchteil eines Jahres. Die statische Amortisationsdauer vernachlässigt den Zeitwert des Geldes; die dynamische Amortisationsdauer verwendet stattdessen die abgezinsten Zahlungen.

Abgezinste und kumulierte Zahlungen

Jahr 1: 7 500/1,12 = 6 696,43 → Σ = 6 696,43
Jahr 2: 7 500/1,254 = 5 978,95 → Σ = 12 675,38
Jahr 3: 7 500/1,405 = 5 338,35 → Σ = 18 013,73
Jahr 4: 7 500/1,574 = 4 766,39 → Σ = 22 780,12
Jahr 5: 7 500/1,762 = 4 255,70 → Σ = 27 035,82
Jahr 6: 7 500/1,974 = 3 799,73 → Σ = 30 835,55

Bruchteil des letzten Jahres

DPB = 5 + 2 964,18/3 799,73 = 5,78

Antwort

DPB = 5,78 Jahre

Die dynamische Amortisationsdauer ist immer länger als die statische (4 Jahre).

28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 8,419 %

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(5%) = 2 471,66
NPV(10%) = −1 074,38

Eingrenzen

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

IRR ≈ 5 + 5·2 471,66/(2 471,66 − (−1 074,38)) = 8,485%
exakt: NPV(8,419%) = 0 → IRR = 8,419%

Antwort

IRR = 8,419%
29.Normalverteilung

Antwort: P = 0,6659

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 = (45,5 − 65)/10 = −1,95
z₂ = (70 − 65)/10 = 0,5

Fläche dazwischen

P = Φ(0,5) − Φ(−1,95) = 0,6915 − 0,02559 = 0,6659

Antwort

P = 0,6659
30.Normalverteilung

Antwort: x = 253,4 g

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

z für das Perzentil

Φ(z) = 0,75 → z = 0,6745

Zurück zu x

x = 250 + 0,6745·5 = 253,37 g

Antwort

x = 253,37 g

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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