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
w = 6 kN/mP = 40 kNABRA​ = ?4 m4 m

Der Kragträger ist in A an der Wand eingespannt. Er trägt eine Gleichstreckenlast w von der Wand bis 4 m und eine Einzellast P im Abstand 8 m von der Wand. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RA an der Wand.

L = 8 mP = 40 kN bei 8 mw = 6 kN/m von 0 bis 4 m
RA = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 12 kN/mP = 40 kNABRA​RB​ = ?1 m2 m1 m

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

L = 4 mP = 40 kN bei 3 mw = 12 kN/m von 1 bis 4 m
RB = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABCDEFGH40 kN10 kN20 kN4 × 4 m3 m

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

C: 40 kN ↓D: 10 kN ↓G: 20 kN ↓
  1. 1Stab AB
  2. 2Stab BC
  3. 3Stab CD
  4. 4Stab DE
  5. 5Stab FG
  6. 6Stab GH
  7. 7Stab AF
  8. 8Stab HE
  9. 9Stab BF
  10. 10Stab CG
  11. 11Stab DH
  12. 12Stab FC
  13. 13Stab HC
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
ABBCACACB50 kN25 kN4 m3 m3 m

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

Spannweite = 4 mHöhe = 3 mB liegt 3 m von A entferntvertikale Last = 50 kNhorizontale Last = 25 kN ←
FBC = kN
5.Querkraft und BiegemomentMittel
w = 5 kN/mP = 10 kNABSchnitt1,5 m1 m0,5 m

Der Kragarm ist in A eingespannt. Er trägt über seine ganze Länge eine Gleichstreckenlast w und eine Einzellast P im Abstand 2,5 m von A. Bestimme das Biegemoment Mx im Schnitt x = 1,5 m von der Einspannung A. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.

L = 3 mP = 10 kN bei 2,5 mw = 5 kN/m von 0 bis 3 mx = 1,5 m
Mx = kN·m
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
w = 12 kN/mP = 10 kNABSchnitt2 m8 m

Bestimme das Biegemoment Mx im Schnitt x = 2 m vom Auflager A. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.

L = 10 mP = 10 kN bei 2 mw = 12 kN/m von 0 bis 10 mx = 2 m
Mx = kN·m
7.DurchbiegungMittel
w = 2 kN/mδL = 5 m

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

w = 2 kN/mL = 5 mE = 70 GPa (Aluminium)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.DurchbiegungSchwer
w = 5 kN/mAB4 m

Ein einseitig eingespannter Träger ist in A eingespannt und in B gelenkig gestützt. Er trägt über seine ganze Länge eine Gleichstreckenlast w. EI ist konstant. Bestimme den Betrag des Biegemoments MA an der Einspannung.

L = 4 mw = 5 kN/m
MA = kN·m
9.Knicken von StützenMittel
PL = 1 md = 25 mmQuerschnitt

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

L = 1 mE = 200 GPa (Stahl)d = 25 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 4 md = 80 mmQuerschnitt

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

L = 4 mE = 200 GPa (Stahl)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
250300226xMaße in mm

Ein symmetrischer I-Querschnitt hat Flansche mit 250 mm Breite und 22 mm Dicke, eine Gesamthöhe von 300 mm und einen Steg mit 6 mm Dicke. Bestimme sein Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Schwerachse x.

B = 250 mmH = 300 mmtf = 22 mmtw = 6 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
1001012014xM = 20 kN·mMaße in mm

Der T-Querschnitt wird als Balken mit dem Flansch oben verwendet und trägt ein positives Biegemoment von 20 kN·m. Bestimme den Betrag der Biegespannung σoben an der Oberkante.

bf = 100 mmtf = 10 mmtw = 14 mmhw = 120 mmM = 20 kN·m
σoben = MPa
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 16,5 kN/m³γsat​ = 20 kN/m³9 mGrundwasserspiegelXz = 9 m

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

z = 9 mzw = 2 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 16,5 kN/m³Sand: γsat = 20 kN/m³
u = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 17 kN/m³γsat​ = 18,5 kN/m³6 mTonγsat​ = 19 kN/m³4 mGrundwasserspiegelXz = 8 m

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

z = 8 mzw = 5 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 17 kN/m³Sand: γsat = 18,5 kN/m³Ton: γsat = 19 kN/m³
σ = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 110 kPaSandTonCc​ = 0,4, Cr​ = 0,06e0​ = 0,85σ′0​ = 50 kPaσ′p​ = 80 kPa8 mGrundwasserspiegel

Eine 8 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,4, Cr = 0,06 und e₀ = 0,85. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 50 kPa und die Vorbelastungsspannung 80 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 110 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 8 mCc = 0,4Cr = 0,06e0 = 0,85σ′0 = 50 kPaσ′p = 80 kPaΔσ = 110 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 5,5 m5,5 mSandGrundwasserspiegel

In einem Ödometerversuch im Labor erreicht eine 25 mm dicke Tonprobe, die oben und unten entwässert, in 4 min 50 % Konsolidation. Im Feld bildet derselbe Ton eine 5,5 m dicke Schicht. Sie liegt zwischen zwei Sandschichten, das Wasser kann also oben und unten austreten. Wie viele Tage t braucht die Schicht im Feld, um 50 % Konsolidation zu erreichen?

hlab = 25 mmtlab = 4 minH = 5,5 mFeld: zweiseitige Entwässerung
t = Tage
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 2,5 mH = 2,5 m

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1,5 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Wasser, seine Oberkante liegt 2,5 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.

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

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 2 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Öl, seine Oberkante liegt 3 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.

d = 3 mH = 1 mb = 2 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 2,1 m/sD = 75 mmL = 100 mf = 0,022

Wasser fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 2,1 m/s durch ein 100 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 75 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,022 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

V = 2,1 m/sL = 100 mD = 75 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 5freier AuslaufH = ?L = 100 m, D = 250 mm, f = 0,0154× Krümmer (K = 0,3)

Ein 100 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 250 mm (Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015) 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 = 5). Verwende g = 9,81 m/s². Wie hoch H muss der Wasserspiegel im Behälter über dem Rohrauslauf liegen, damit der Durchfluss 150 L/s beträgt?

Q = 150 L/sL = 100 mD = 250 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 5
H = m
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
b = 1 my = 1,9 mn = 0,03, S = 0,005

Ein Rechteckgerinne (Erdreich mit Grasbewuchs) ist 1 m breit. Wasser fließt gleichförmig 1,9 m tief. Manning n = 0,03, und das Sohlgefälle ist S = 0,005. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

b = 1 my = 1,9 mn = 0,03S = 0,005
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
D = 375 mmn = 0,013, V = 1,2 m/s

Ein Betonkanal mit einem Innendurchmesser von 375 mm (Manning n = 0,013) muss bei gerade voller Füllung eine Selbstreinigungsgeschwindigkeit von 1,2 m/s erreichen. Bestimme das Mindestgefälle S (in m/m).

D = 375 mmn = 0,013V = 1,2 m/s
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 30 L/sH = 42 m

Eine Pumpe mit einem Wirkungsgrad von 82 % fördert 30 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 42 m. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die benötigte Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 30 L/sH = 42 mη = 82%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 20 L/sΔz = 27 mL = 150 m, D = 100 mm, f = 0,02, ΣK = 6

Eine Pumpe fördert 20 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 27 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 150 m lang, hat einen Innendurchmesser von 100 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,02; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 6 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 72 %. Bestimme die Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 20 L/sΔz = 27 mL = 150 mD = 100 mmf = 0,02ΣK = 6η = 72%
Pshaft = kW
25.Zeitwert des GeldesMittel
Perioden0123…1211 + EAR = ?20% / 12

Eine Kreditkarte berechnet einen nominalen Zinssatz von 20 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Bestimme den effektiven Jahreszins EAR in Prozent.

r = 20%m = 12
EAR = %
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…108A?AA€75 000

Du möchtest in 9 Jahren €75 000 haben. Du sparst am Ende jedes Monats denselben Betrag auf einem Konto mit 7,2 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Bestimme die monatliche Einzahlung A.

FV = €75 0007,2% / 12N = 108
A = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre0123…9−400 00025 000+1%+1%…r = 8%, NPV = ?

Ein Projekt kostet heute €400 000. Es erwirtschaftet am Ende des ersten Jahres €25 000, danach wächst der Zahlungsüberschuss für immer um 1 % pro Jahr. Die Kapitalkosten betragen 8 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

C0 = €400 000CF1 = €25 000g = 1%r = 8%
NPV = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123−20 00014 50010 50011 000

Ein Projekt kostet €20 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 €14 500, €10 500, €11 000. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.

CF0 = −20 000CF1 = 14 500CF2 = 10 500CF3 = 11 000
IRR = %
29.NormalverteilungMittel
169,95185,35P = ?

Die Körpergrößen erwachsener Männer sind normalverteilt mit dem Mittelwert 178 cm und der Standardabweichung 7 cm. Welcher Anteil liegt zwischen 169,95 und 185,35 cm? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 178σ = 7x1 = 169,95x2 = 185,35
P =
30.NormalverteilungSchwer
μ = 100x = ?95%

Die IQ-Werte sind normalverteilt mit dem Mittelwert 100 Punkte und der Standardabweichung 15 Punkte. Bestimme den Wert x, unter dem 95 % von ihnen liegen (das 95. Perzentil).

μ = 100σ = 15P = 95%
x = Punkte

3Lösungen

1.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 64 kN

Gleichgewicht am Kragarm: Eine Einspannung kann nach oben drücken und auch eine Drehung verhindern, sie liefert also eine vertikale Auflagerkraft RA und ein Einspannmoment MA. ΣFy = 0 liefert RA, und die Momente um die Wand liefern MA = Σ(Last × Abstand von der Wand). Eine Streckenlast wirkt als ihre Resultierende im Schwerpunkt der Lastfigur.

Resultierende der Streckenlast

W = 6·4 = 24 kN, x̄ = 2 m

Vertikales Gleichgewicht

RA = P + W = 40 + 24 = 64 kN

Antwort

RA = 64 kN
2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RB = 52,5 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 = 12 kN/mP = 40 kNABRA​RB​1 m2 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 = 12·3 = 36 kN, angreifend bei x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·4 = 40·3 + 12·3·2,5
RB = 210/4 = 52,5 kN
ΣFy = 0: RA = 76 − 52,5 = 23,5 kN

Antwort

RB = 52,5 kN
3.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: Stab BF

Nullstäbe: An einem Knoten müssen sich die Kräfte in jeder Richtung ausgleichen. Hat ein Knoten keine Last und kein Auflager und liegen zwei seiner drei Stäbe in einer Linie, dann betrifft das Gleichgewicht quer zu dieser Linie nur den dritten Stab, seine Kraft ist also null. Treffen sich an einem unbelasteten Knoten nur zwei Stäbe, die nicht in einer Linie liegen, sind beide null.

Knoten B

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

ΣF⊥ = 0 → FBF = 0

Mit dem Knotenpunktverfahren prüfen

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

AB: 43,33 kN (T), BC: 43,33 kN (T), CD: 50 kN (T), DE: 50 kN (T), FG: 86,67 kN (C), GH: 86,67 kN (C), AF: 54,17 kN (C), HE: 62,5 kN (C), BF: 0, CG: 20 kN (C), DH: 10 kN (T), FC: 54,17 kN (T), HC: 45,83 kN (T)

Antwort

Nullstab: BF
4.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: FBC = −19,76 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 kN25 kNAy​Cy​Ax​

Auflagerkräfte

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

ΣMA = 0: Cy·4 = 50·3 − 25·3 → Cy = 18,75 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 18,75 = 31,25 kN
ΣFx = 0: Ax = 25 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 = 3/3,162 = 0,9487, cos γ = 1/3,162 = 0,3162
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −18,75/0,9487 = −19,76 kN

Antwort

FBC = −19,76 kN (Druck)
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mx = −15,63 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.

Den Teil mit dem freien Ende behalten

P: −10·1 = −10 kN·m
w: −5·1,5²/2 = −5,625 kN·m
Mx = −10 − 5,625 = −15,63 kN·m

Antwort

Mx = −15,63 kN·m

Negativ bedeutet Zug an der Oberseite.

6.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mx = 112 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 = 12·10 = 120 kN, angreifend bei x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 10·2 + 12·10·5
RB = 620/10 = 62 kN
ΣFy = 0: RA = 130 − 62 = 68 kN
w = 12 kN/mP = 10 kNABRA​ = 68RB​ = 62Schnitt2 m8 m

Schnitt bei x = 2 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 = 68·2 − 12·2·1 = 112 kN·m

Antwort

Mx = 112 kN·m
7.Durchbiegung

Antwort: δmax = 10,11 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 = 2 N/mm, L = 5000 mm
EI = 1,61 × 10¹² N·mm²

Durchbiegung

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·2·5000⁴/(384·1,61 × 10¹²) = 10,11 mm

Antwort

δmax = 10,11 mm
8.Durchbiegung

Antwort: MA = 10 kN·m

Durchbiegung von Balken: Durchbiegungen erhält man durch zweimaliges Integrieren der Krümmung M/(EI). Standardfälle sind tabelliert, zum Beispiel PL³/(3EI) für einen Kragarm mit Endlast und 5wL⁴/(384EI) für einen Einfeldträger unter voller Gleichstreckenlast. Durchbiegungen aus verschiedenen Lasten addieren sich (Superposition). Bei einem statisch unbestimmten Balken entfernt man ein überzähliges Lager und fordert dort die Durchbiegung null (Verträglichkeit).

Stütze entfernen

Ohne die Stütze ist der Balken ein Kragarm. Sein freies Ende würde sich unter der Last durchbiegen.

δload = wL⁴/(8EI)

Verträglichkeit an der Stütze

Die Stützkraft RB allein hebt das freie Ende um RBL³/(3EI) an. Die Stütze hält B bei null Durchbiegung, also müssen sich beide aufheben. EI kürzt sich heraus.

RB·L³/(3EI) = wL⁴/(8EI) → RB = 3wL/8 = 3·5·4/8 = 7,5 kN

Moment an der Einspannung

Momente der Lasten und der Stützkraft um A.

MA = wL²/2 − RB·L = 40 − 30 = 10 kN·m

Antwort

MA = 10 kN·m
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 9,462 kN

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

Kleinstes Flächenträgheitsmoment

Ein runder Querschnitt hat um jede Achse dasselbe I.

I = πd⁴/64 = π·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Knicklänge

KL = 2·1000 = 2000 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·19175/2000² = 9462 N = 9,462 kN

Antwort

Pcr = 9,462 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 100,7 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Trägheitsradius und Schlankheit

A = 5027 mm²
r = √(I/A) = √(2,011 × 10⁶/5027) = 20 mm
KL = 0,7·4000 = 2800 mm
KL/r = 2800/20 = 140

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/140² = 100,7 MPa

Antwort

σcr = 100,7 MPa
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 221,4 × 10⁶ mm⁴

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.

Außenrechteck minus die beiden seitlichen Aussparungen

Beide Aussparungen zusammen sind (B − tw) breit und hw = H − 2tf hoch und haben die Achse x gemeinsam.

hw = 300 − 2·22 = 256 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (250·300³ − 244·256³)/12
Ix = 2,214 × 10⁸ mm⁴ = 221,4 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 221,4 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: σoben = 195,8 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.

In zwei Rechtecke teilen

Miss jedes y von der Unterkante aus.

Flansch: Af = 100·10 = 1000 mm², yf = 120 + 10/2 = 125 mm
Steg: Aw = 14·120 = 1680 mm², yw = 120/2 = 60 mm

Schwerpunkt

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (1000·125 + 1680·60)/2680 = 84,25 mm

Satz von Steiner

Flansch: 100·10³/12 + 1000·(125 − 84,25)² = 1,669 × 10⁶ mm⁴
Steg: 14·120³/12 + 1680·(60 − 84,25)² = 3,004 × 10⁶ mm⁴
Ix = 1,669 × 10⁶ + 3,004 × 10⁶ = 4,673 × 10⁶ mm⁴

Biegespannung

Die Oberkante liegt h − ȳ von der Achse entfernt.

y = 130 − 84,25 = 45,75 mm
σ = M·y/I = 2 × 10⁷·45,75/4,673 × 10⁶ = 195,8 MPa

Antwort

σoben = 195,8 MPa
13.Effektive Spannung im Boden

Antwort: u = 68,67 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).

Porenwasserdruck

Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.

u = γw·(z − zw) = 9,81·7 = 68,67 kPa

Antwort

u = 68,67 kPa
14.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ = 141,5 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·5 + γsat,sand·1 + γsat,clay·2
σ = 17·5 + 18,5·1 + 19·2 = 141,5 kPa

Antwort

σ = 141,5 kPa
15.Konsolidationssetzung

Antwort: S = 573,7 mm

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

Mit der Vorbelastungsspannung vergleichen

σ′f = 50 + 110 = 160 kPa > 80 kPa

Setzung

Wiederbelastung bis σ′p, Erstbelastung darüber.

S = 0,06·8/(1 + 0,85)·log₁₀(80/50) + 0,4·8/(1 + 0,85)·log₁₀(160/80)
S = 52,96 + 520,7 = 573,7 mm

Antwort

S = 573,7 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 134,4 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 = 25/2 = 12,5 mm = 0,0125 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 = 4·(2,75/0,0125)² = 193600 min
tfield = 193600/1440 = 134,4 Tage

Antwort

t = 134,4 Tage
17.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 138 kN

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

Schwerpunkttiefe und Fläche

yc = d + H/2 = 2,5 + 2,5/2 = 3,75 m
A = H·b = 2,5·1,5 = 3,75 m²
Schützd = 2,5 mH = 2,5 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3,75·3,75 = 138 kN

Antwort

F = 138 kN
18.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 60,43 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 = 3 + 1/2 = 3,5 m
A = H·b = 1·2 = 2 m²
Schützd = 3 mH = 1 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·3,5·2 = 60,43 kN

Antwort

F = 60,43 kN
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 6,593 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.

Geschwindigkeitshöhe

V²/(2g) = 2,1²/(2·9,81) = 0,2248 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(100/0,075)·2,1²/(2·9,81) = 6,593 m

Antwort

hf = 6,593 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: H = 6,52 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 = 0,15/0,04909 = 3,056 m/s
V²/(2g) = 0,4759 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,015·100/0,25 = 6
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 = 6,7

Energiegleichung

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

H = (1 + 6 + 6,7)·0,4759 = 6,52 m

Antwort

H = 6,52 m
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 2,414 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 = 1·1,9 = 1,9 m²
P = b + 2y = 1 + 2·1,9 = 4,8 m
R = A/P = 0,3958 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,03)·0,39582/3·0,0051/2 = 1,271 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 1,9·1,271 = 2,414 m³/s

Antwort

Q = 2,414 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,005714 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 = 0,375/4 = 0,09375 m

Manning nach S auflösen

S = (n·V/R2/3)² = (0,013·1,2/0,2064)² = 0,005714

Antwort

S = 0,005714

Das ist ein Gefälle von 5,714 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 15,07 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 = 1000·9,81·0,03·42 = 12,36 kW

Wellenleistung

Pshaft = Ph/η = 12,36/0,82 = 15,07 kW

Antwort

Pshaft = 15,07 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 10,6 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) = (30 + 6)·0,3305 = 11,9 m

Förderhöhe

H = Δz + hL = 27 + 11,9 = 38,9 m

Wellenleistung

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,02·38,9/0,72 = 10,6 kW

Antwort

Pshaft = 10,6 kW
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: EAR = 21,94 %

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 pro Periode

r/m = 0,2/12 = 0,01667

Über ein Jahr aufzinsen

EAR = (1 + 0,01667)12 − 1 = 1,219 − 1 = 21,94%

Antwort

EAR = 21,94%

Der effektive Jahreszins liegt immer über dem Nominalzins, wenn die Zinsen mehr als einmal im Jahr gutgeschrieben werden.

26.Zeitwert des Geldes

Antwort: A = 495,6 €

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

Monatszins und Anzahl der Einzahlungen

i = 0,07200000000000001/12 = 0,006
N = 12·9 = 108

Einzahlung

A = FV·i/((1 + i)N − 1) = 75 000·0,006/(1,908 − 1) = €495,59

Antwort

A = €495,59
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = −42857 €

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 = 25 000/(0,08 − 0,01) = 357 142,86

NPV

NPV = 357 142,86 − 400 000 = −€42 857,14

Antwort

NPV = −€42 857,14

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

28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 38,84 %

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(35%) = 972,92
NPV(40%) = −276,97

Eingrenzen

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

IRR ≈ 35 + 5·972,92/(972,92 − (−276,97)) = 38,89%
exakt: NPV(38,84%) = 0 → IRR = 38,84%

Antwort

IRR = 38,84%
29.Normalverteilung

Antwort: P = 0,7281

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 = (169,95 − 178)/7 = −1,15
z₂ = (185,35 − 178)/7 = 1,05

Fläche dazwischen

P = Φ(1,05) − Φ(−1,15) = 0,8531 − 0,1251 = 0,7281

Antwort

P = 0,7281
30.Normalverteilung

Antwort: x = 124,7 Punkte

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

z für das Perzentil

Φ(z) = 0,95 → z = 1,645

Zurück zu x

x = 100 + 1,645·15 = 124,67 Punkte

Antwort

x = 124,67 Punkte

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