R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
Rechteck
A = b·y, P = b + 2y
Trapez (Böschungsneigung z:1)
A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
Kreisrohr, voll oder halb gefüllt
R = D/4
Erforderliches Gefälle
S = (n·Q/(A·R2/3))²
Pumpen und Pumpenleistung
Hydraulische Leistung
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Wellenleistung
Pshaft = Ph/ηpump
Elektrische Leistung
Pel = Pshaft/ηmotor
Förderhöhe
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Anlagenverluste
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Zeitwert des Geldes
Endwert
FV = PV·(1 + i)n
Barwert
PV = FV/(1 + i)n
Mehrere Perioden pro Jahr
i = r/m, N = m·n
Rente, Barwert
PV = PMT·[1 − (1 + i)−n]/i
Rente, Endwert
FV = PMT·[(1 + i)n − 1]/i
Methode
Zeichne einen Zeitstrahl mit jeder Zahlung und ihrem Zeitpunkt.
Passe den Zinssatz an die Periode an: ein Monatszins für monatliche Zahlungen.
Verwende FV = PV·(1 + i)ⁿ für Einzelbeträge und die Rentenformeln für gleich hohe Zahlungen.
Prüfe Vorzeichen und Größenordnung des Ergebnisses.
Kapitalwert & interner Zinsfuß
Kapitalwert
NPV = −C0 + Σ CFt/(1 + r)t
Gleiche Zahlungen
NPV = −C0 + CF·[1 − (1 + r)−n]/r
Interner Zinsfuß
das r, bei dem NPV = 0
Entscheidung
annehmen, wenn NPV > 0 (oder IRR > geforderte Rendite)
Methode
Liste alle Zahlungen mit ihrem Jahr auf; die Investition in Jahr 0 ist negativ.
Zinse jede Zahlung ab: CFt/(1 + r)t.
Addiere sie zum Kapitalwert (NPV). Positiv bedeutet, dass das Projekt mehr als r erwirtschaftet.
Für den internen Zinsfuß (IRR) suchst du durch Probieren oder Interpolation den Zinssatz, bei dem der Kapitalwert null ist.
Normalverteilung
z-Wert
z = (x − μ)/σ
Unterhalb von x
P(X < x) = Φ(z)
Oberhalb von x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
Dazwischen
Φ(z2) − Φ(z1)
Perzentil
x = μ + z·σ
Methode
Rechne den Wert in einen z-Wert um: z = (x − μ)/σ.
Lies Φ(z) ab, die Fläche links von z.
Für die Fläche rechts verwende 1 − Φ(z); für ein Intervall subtrahiere die beiden linken Flächen.
Für ein Perzentil rechnest du rückwärts: Bestimme z zur Fläche, dann x = μ + z·σ.
2Übungsaufgaben
1.Auflagerkräfte am BalkenMittel
Der Einfeldträger hat in A ein Festlager und in B ein Loslager. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RB.
L = 6 mP1 = 35 kN bei 2 mP2 = 25 kN bei 3,5 m
RB = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
Der Einfeldträger hat in A ein Festlager und in B ein Loslager. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RB.
L = 6 mP = 25 kN bei 2,5 mw = 4 kN/m von 0 bis 4 m
RB = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
Genau ein Stab dieses Fachwerks trägt unter diesen Lasten keine Kraft. Welcher ist der Nullstab? Klicke ihn im Diagramm an.
F: 15 kN ↓H: 30 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
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
Bestimme mit dem Knotenpunktverfahren die Kraft FAB im Stab AB. Gib Zug positiv und Druck negativ an.
Spannweite = 5 mHöhe = 4 mB liegt 3 m von A entferntvertikale Last = 35 kNhorizontale Last = 20 kN ←
FAB = kN
5.Querkraft und BiegemomentMittel
Der Einfeldträger trägt bei x = 4,5 m von A ein Moment M0 = 60 kN·m im Uhrzeigersinn und sonst keine Last. Bestimme das Biegemoment Mx unmittelbar rechts vom eingeprägten Moment. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.
L = 6 mM0 = 60 kN·m im Uhrzeigersinn, bei 4,5 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 = 5 mP = 50 kN bei 1,5 mw = 3 kN/m von 0 bis 5 mx = 1,5 m
Mx = kN·m
7.DurchbiegungMittel
Ein Einfeldträger trägt eine Einzellast P im Abstand a = 1,5 m vom Auflager A. Bestimme die Durchbiegung δP unter der Last.
P = 22 kNa = 1,5 mL = 4 mE = 11 GPa (Holz)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
8.DurchbiegungSchwer
Ein Holzbalken als Einfeldträger mit Rechteckquerschnitt, 150 mm breit, trägt über die ganze Spannweite eine Gleichstreckenlast w. Seine Durchbiegung in Feldmitte darf Spannweite/300 nicht überschreiten. Bestimme die kleinste Querschnittshöhe hreq.
w = 2 kN/mL = 6 mE = 11 GPa (Holz)b = 150 mm
hreq = mm
9.Knicken von StützenMittel
Eine Stütze der Länge L aus Stahl ist unten eingespannt und oben gelenkig gelagert. Bestimme mit der Euler-Formel ihre kritische Knicklast Pcr.
L = 4 mE = 200 GPa (Stahl)b × h = 25 × 100 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
Eine runde Vollstütze der Länge L aus Aluminium ist an beiden Enden gelenkig gelagert. Sie muss 85 kN mit einer Sicherheit von 2 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.
P = 85 kNn = 2L = 2 mE = 70 GPa (Aluminium)
d = mm
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
Eine Platte von 150 mm × 300 mm hat ein kreisförmiges Loch mit dem Durchmesser 30 mm auf ihrer vertikalen Mittellinie, dessen Mittelpunkt 180 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.
b = 150 mmh = 300 mmd = 30 mmLochmittelpunkt: y = 180 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
Eine Platte von 150 mm × 200 mm hat einen rechteckigen Ausschnitt von 50 mm Breite und 40 mm Höhe, der auf der vertikalen Mittellinie sitzt und dessen Mittelpunkt 120 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.
b = 150 mmh = 200 mmAusschnitt: 50 × 40 mmLochmittelpunkt: y = 120 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Bestimme für das gezeigte Bodenprofil die totale vertikale Spannung σ im Punkt X.
Eine 4 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,35, Cr = 0,02 und e₀ = 0,9. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 115 kPa und der Überkonsolidierungsgrad OCR = 3. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 20 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.
In einem Ödometerversuch im Labor erreicht eine 25 mm dicke Tonprobe, die oben und unten entwässert, in 6 min 50 % Konsolidation. Im Feld bildet derselbe Ton eine 9 m dicke Schicht. Sie liegt auf undurchlässigem Fels, mit Sand darüber, das Wasser kann also nur oben austreten. Wie viele Tage t braucht die Schicht im Feld, um 50 % Konsolidation zu erreichen?
Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Wasser, seine Oberkante liegt 2,5 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.
Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 2 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Meerwasser, seine Oberkante liegt 2 m unter der Oberfläche. Bestimme die Tiefe ycp des Druckmittelpunkts unter der Oberfläche.
Wasser fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 1,1 m/s durch ein 200 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 250 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.
Zwei offene Behälter sind durch ein 100 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 100 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,025 verbunden. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 4 Krümmer (je K = 0,3), ein Ventil (K = 2) und der Auslauf in den unteren Behälter (K = 1,0). Verwende g = 9,81 m/s². Welcher Wasserspiegelunterschied Δz zwischen den Behältern ergibt einen Durchfluss von 8 L/s?
Ein Trapezgerinne (glatter Beton) hat eine Sohlbreite von 4,5 m und eine Böschungsneigung von 2:1 (horizontal:vertikal). Wasser fließt gleichförmig 0,6 m tief. Manning n = 0,012, und das Sohlgefälle ist S = 0,003. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.
b = 4,5 my = 0,6 mz = 2n = 0,012S = 0,003
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
Ein 1,5 m breites Rechteckgerinne (Kies) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 2 m 4,4 m³/s abführen. Manning n = 0,025. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).
Q = 4,4 m³/sb = 1,5 my = 2 mn = 0,025
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
In einem Versuch fördert eine Pumpe 15 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 44 m, während ihre Welle 9,2 kW aufnimmt. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Pumpenwirkungsgrad η in Prozent.
Q = 15 L/sH = 44 mPshaft = 9,2 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
Eine Pumpe fördert 80 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 13 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 100 m lang, hat einen Innendurchmesser von 200 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,022; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 3 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 70 %. Bestimme die Wellenleistung Pshaft in kW.
Eine Immobilie soll im nächsten Jahr eine Nettomiete von €6 000 erzielen. Die Miete soll für immer um 2 % pro Jahr wachsen. Die geforderte Rendite beträgt 8 % pro Jahr. Bestimme den heutigen Wert PV der Immobilie.
C1 = €6 000g = 2%r = 8%
PV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Du sparst 20 Jahre lang am Ende jedes Monats €300. Das Konto bringt 2,4 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Wie viel hast du am Ende gespart? Bestimme FV.
A = €3002,4% / 12N = 240
FV = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Eine Investition von €60 000 bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 diese Zahlungen: €27 000, €13 000, €30 000. Die Kapitalkosten betragen 8 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.
Ein Projekt kostet €20 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 €15 000, €13 000, €9 000. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.
CF0 = −20 000CF1 = 15 000CF2 = 13 000CF3 = 9 000
IRR = %
29.NormalverteilungMittel
Ziehe z so, dass die schattierte Fläche zwischen −z und z unter der Standardnormalverteilung gleich 0,9051 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.
A = 0,9051
z =
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 oberen 70 % rechts davon liegen. Bestimme die Grenze x.
μ = 500 hσ = 40 h70%
x = h
3Lösungen
1.Auflagerkräfte am Balken
Antwort: RB = 26,25 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.
ΣMA = 0: RB·6 = 35·2 + 25·3,5
RB = 157,5/6 = 26,25 kN
ΣFy = 0: RA = 60 − 26,25 = 33,75 kN
Antwort
RB = 26,25 kN
2.Auflagerkräfte am Balken
Antwort: RB = 15,75 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 = 4·4 = 16 kN, angreifend bei x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·6 = 25·2,5 + 4·4·2
RB = 94,5/6 = 15,75 kN
ΣFy = 0: RA = 41 − 15,75 = 25,25 kN
Antwort
RB = 15,75 kN
3.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).
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·5 = 35·3 − 20·4 → Cy = 5 kN
ΣFy = 0: Ay = 35 − 5 = 30 kN
ΣFx = 0: Ax = 20 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 = 4/5 = 0,8
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −30/0,8 = −37,5 kN
Antwort
FAB = −37,5 kN (Druck)
5.Querkraft und Biegemoment
Antwort: Mx = 15 kN·m
Schnittverfahren: Schneide den Balken dort, wo du die Schnittgrößen brauchst, und behalte eine Seite. Die Querkraft V hält den vertikalen Kräften dieser Seite das Gleichgewicht, das Biegemoment M ihren Momenten um den Schnitt. Ein eingeprägtes Moment lässt die Momentenlinie um die Größe dieses Moments springen.
Auflagerkräfte
Momente um A, gegen den Uhrzeigersinn positiv: RB·L − M0 = 0. Vertikales Gleichgewicht: RA + RB = 0.
RB = M0/L = 60/6 = 10 kN (nach oben)
RA = −RB = −10 kN (nach unten)
Schnitt unmittelbar rechts vom eingeprägten Moment
Der linke Teil enthält jetzt RA und das eingeprägte Moment.
Mx = RA·a + M0 = −10·4,5 + 60 = 15 kN·m
Antwort
Mx = 15 kN·m
6.Querkraft und Biegemoment
Antwort: Mx = 60,38 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 = 3·5 = 15 kN, angreifend bei x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 50·1,5 + 3·5·2,5
RB = 112,5/5 = 22,5 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 22,5 = 42,5 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 = 42,5·1,5 − 3·1,5·0,75 = 60,38 kN·m
Antwort
Mx = 60,38 kN·m
7.Durchbiegung
Antwort: δP = 19,53 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.
P = 22000 N, a = 1500 mm, b = 2500 mm, L = 4000 mm
EI = 1,32 × 10¹² N·mm²
Durchbiegung unter der Last
δP = Pa²b²/(3EIL) = 22000·1500²·2500²/(3·1,32 × 10¹²·4000) = 19,53 mm
Antwort
δP = 19,53 mm
8.Durchbiegung
Antwort: hreq = 230,7 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 = (12·1,534 × 10⁸/150)1/3 = 230,7 mm
Antwort
hreq = 230,7 mm
In der Praxis wählt man die nächste Standardhöhe über diesem Wert.
9.Knicken von Stützen
Antwort: Pcr = 32,78 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.
Erforderliche kritische Last
Pcr = n·P = 2·85000 = 170000 N
KL = 1·2000 = 2000 mm
Nach dem Durchmesser auflösen
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·170000·2000²/(π³·70000))^(1/4) = 66,92 mm
Antwort
d = 66,92 mm
Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 119,6, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment
Antwort: Ix = 336,8 × 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 = (45000·150 − 706,9·180)/(45000 − 706,9) = 149,5 mm
Volle Platte um ȳ
150·300³/12 + 45000·0,4788² = 337,5 × 10⁶ mm⁴
Loch um ȳ
π·30⁴/64 + 706,9·30,48² = 0,6964 × 10⁶ mm⁴
Subtrahieren
Ix = 336,8 × 10⁶ mm⁴
Antwort
Ix = 336,8 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment
Antwort: Ix = 98,88 × 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 = (30000·100 − 2000·120)/(30000 − 2000) = 98,57 mm
Volle Platte um ȳ
150·200³/12 + 30000·1,429² = 100,1 × 10⁶ mm⁴
Loch um ȳ
50·40³/12 + 2000·21,43² = 1,185 × 10⁶ mm⁴
Subtrahieren
Ix = 98,88 × 10⁶ mm⁴
Antwort
Ix = 98,88 × 10⁶ mm⁴
13.Effektive Spannung im Boden
Antwort: σ = 105 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.
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·4
σ = 16,5·1 + 19·4 + 19·4 = 168,5 kPa
Porenwasserdruck
Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.
u = γw·(z − zw) = 9,81·8 = 78,48 kPa
Effektive Spannung
σ′ = σ − u = 168,5 − 78,48 = 90,02 kPa
Antwort
σ′ = 90,02 kPa
15.Konsolidationssetzung
Antwort: S = 2,932 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.
Vorbelastungsspannung
σ′p = OCR·σ′0 = 3·115 = 345 kPa
Mit der Vorbelastungsspannung vergleichen
σ′f = 115 + 20 = 135 kPa ≤ 345 kPa
Setzung
Der Ton bleibt auf seiner Wiederbelastungslinie.
S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,02·4/(1 + 0,9)·log₁₀(135/115) = 2,932 mm
Antwort
S = 2,932 mm
16.Konsolidationssetzung
Antwort: t = 2160 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 = 9 m
Die Zeit umrechnen
t = Tv·Hdr²/cv mit demselben T_v und cv im Labor und im Feld.
tfield = 6·(9/0,0125)² = 3,11 × 10⁶ min
tfield = 3,11 × 10⁶/1440 = 2160 Tage
Antwort
t = 2160 Tage
17.Hydrostatische Kraft
Antwort: F = 91,97 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 = 2,5 m²
Resultierende Kraft
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3,75·2,5 = 91,97 kN
Antwort
F = 91,97 kN
18.Hydrostatische Kraft
Antwort: ycp = 2,818 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 + 1,5/2 = 2,75 m
A = H·b = 1,5·2 = 3 m²
Resultierende Kraft
F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·2,75·3 = 82,96 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) = 1,1²/(2·9,81) = 0,06167 m
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(200/0,25)·1,1²/(2·9,81) = 0,8881 m
Antwort
hf = 0,8881 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe
Antwort: Δz = 1,571 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 = 0,008/0,007854 = 1,019 m/s
V²/(2g) = 0,05288 m
Verlustbeiwerte
f·L/D = 0,025·100/0,1 = 25
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 + 1,0 = 4,7
Gesamte Verlusthöhe
hf = 25·0,05288 = 1,322 m
hm = 4,7·0,05288 = 0,2485 m
Δz = hf + hm = 1,571 m
Antwort
Δz = 1,571 m
21.Gerinneströmung (Manning)
Antwort: Q = 9,518 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 + 2·0,6)·0,6 = 3,42 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 4,5 + 2·0,6·√(1 + 2²) = 7,183 m
R = A/P = 0,4761 m
Geschwindigkeit
V = (1/0,012)·0,47612/3·0,0031/2 = 2,783 m/s
Volumenstrom
Q = A·V = 3,42·2,783 = 9,518 m³/s
Antwort
Q = 9,518 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)
Antwort: S = 0,003017 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 = 1000·9,81·0,015·44 = 6,475 kW
Wirkungsgrad
η = Ph/Pshaft = 6,475/9,2 = 70,38%
Antwort
η = 70,38%
24.Pumpen und Pumpenleistung
Antwort: Pshaft = 19,76 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.
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.
Du hast selbst €72 000 eingezahlt; der Rest sind Zinsen.
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß
Antwort: NPV = −39,63 €
Kapitalwert: Zinse jeden Zahlungsstrom mit der geforderten Rendite r auf heute ab und addiere alle: NPV = Σ CFₜ/(1 + r)ᵗ. Ein Projekt mit NPV > 0 verdient mehr als r und schafft Wert. Der interne Zinsfuß (IRR) ist der Zinssatz, bei dem NPV = 0 ist.
Barwert jeder Zahlung
CF0 = −60 000
CF1/(1 + 0,08)1 = 27 000/1,08 = 25 000,00
CF2/(1 + 0,08)2 = 13 000/1,166 = 11 145,40
CF3/(1 + 0,08)3 = 30 000/1,26 = 23 814,97
Addieren
NPV = €−39,63
Antwort
NPV = €−39,63
Der Kapitalwert ist negativ, das Projekt verdient also weniger als die geforderte Rendite.
28.Kapitalwert & interner Zinsfuß
Antwort: IRR = 42,67 %
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(40%) = 626,82
NPV(45%) = −519,91
Eingrenzen
Lineare Interpolation liefert eine erste Schätzung; Wiederholen (oder die IRR-Funktion eines Rechners) liefert den genauen Zinssatz.
IRR ≈ 40 + 5·626,82/(626,82 − (−519,91)) = 42,73%
exakt: NPV(42,67%) = 0 → IRR = 42,67%
Antwort
IRR = 42,67%
29.Normalverteilung
Antwort: z = 1,67
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 von z
Φ(z) = (1 + 0,9051)/2 = 0,9525
Die z-Tabelle rückwärts lesen
Finde 0,9525 in der Tabelle und lies z ab.
z = 1,67
Antwort
z = 1,67
30.Normalverteilung
Antwort: x = 479 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) = 0,3
z aus der Tabelle
z ≈ −0,52
Zurück zu den ursprünglichen Einheiten
x = 500 − 0,52·40 = 479 h
Antwort
x = 479 h
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