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
P1​ = 35 kNP2​ = 25 kNABRA​RB​ = ?2 m1,5 m2,5 m

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
w = 4 kN/mP = 25 kNABRA​RB​ = ?2,5 m1,5 m2 m

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
ABCDEFGH15 kN30 kN4 × 3 m4 m

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 ↓
  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
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
ABBCACACB35 kN20 kN5 m3 m4 m

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
M0​ = 60 kN·mAB4,5 m1,5 m

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
w = 3 kN/mP = 50 kNABSchnitt1,5 m3,5 m

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
P = 22 kNABδ1,5 m2,5 m

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
w = 2 kN/mABδ6 m

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
PL = 4 m25 × 100 mmQuerschnitt

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
P = 85 kNL = 2 md = ?Querschnitt

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
150 mm300 mm180 mmØ30xIx​ = ?

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
150 mm200 mm120 mm50 × 40xIx​ = ?

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
Sandγd​ = 15,5 kN/m³γsat​ = 19,5 kN/m³6 mGrundwasserspiegelXz = 6 m

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

z = 6 mzw = 3 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 15,5 kN/m³Sand: γsat = 19,5 kN/m³
σ = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 16,5 kN/m³γsat​ = 19 kN/m³5 mTonγsat​ = 19 kN/m³8 mGrundwasserspiegelXz = 9 m

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

z = 9 mzw = 1 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 16,5 kN/m³Sand: γsat = 19 kN/m³Ton: γsat = 19 kN/m³
σ′ = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 20 kPaSandTonCc​ = 0,35, Cr​ = 0,02e0​ = 0,9σ′0​ = 115 kPaOCR = 34 mGrundwasserspiegel

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.

H = 4 mCc = 0,35Cr = 0,02e0 = 0,9σ′0 = 115 kPaOCR = 3Δσ = 20 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 9 m9 mundurchlässiger FelsGrundwasserspiegel

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?

hlab = 25 mmtlab = 6 minH = 9 mFeld: einseitige Entwässerung
t = Tage
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 2,5 mH = 2,5 m

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.

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

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.

d = 2 mH = 1,5 mb = 2 mρ = 1025 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 1,1 m/sD = 250 mmL = 200 mf = 0,018

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.

V = 1,1 m/sL = 200 mD = 250 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²
hf = m
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 2Δz = ?L = 100 m, D = 100 mm, f = 0,0254× Krümmer (K = 0,3)

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?

Q = 8 L/sL = 100 mD = 100 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
b = 4,5 my = 0,6 m2 : 1n = 0,012, S = 0,003

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
b = 1,5 my = 2 mn = 0,025, Q = 4,4 m³/s

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
PQ = 15 L/sH = 44 m

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
PQ = 80 L/sΔz = 13 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,022, ΣK = 3

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.

Q = 80 L/sΔz = 13 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,022ΣK = 3η = 70%
Pshaft = kW
25.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre0123…9PV = ?€6 000+2%+2%…r = 8%

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
Monate0123…240€300€300€300FV = ?

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
Jahre0123−60 00027 00013 00030 000

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.

r = 8%CF0 = −60 000CF1 = 27 000CF2 = 13 000CF3 = 30 000
NPV = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123−20 00015 00013 0009 000

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
−3−2−10123zschattierte Fläche zwischen −z und z = 0,9051

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
380420460500540580620hoben 70%

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.

P1​ = 35 kNP2​ = 25 kNABRA​RB​2 m1,5 m2,5 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.

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.

w = 4 kN/mP = 25 kNABRA​RB​2,5 m1,5 m2 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 = 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).

AB: 14,06 kN (T), BC: 16,88 kN (T), CD: 16,88 kN (T), DE: 19,69 kN (T), FG: 14,06 kN (C), GH: 19,69 kN (C), AF: 23,44 kN (C), HE: 32,81 kN (C), BF: 3,75 kN (T), CG: 0, DH: 3,75 kN (C), BG: 4,688 kN (C), DG: 4,688 kN (T)

Antwort

Nullstab: CG
4.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: FAB = −37,5 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.

ABBCACACB35 kN20 kNAy​Cy​Ax​

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
w = 3 kN/mP = 50 kNABRA​ = 42,5RB​ = 22,5Schnitt1,5 m3,5 m

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.

w = 2 N/mm, L = 6000 mm, E = 11000 N/mm²

Grenzwert der Durchbiegung

δallow = L/300 = 6000/300 = 20 mm

Erforderliches Flächenträgheitsmoment

Ireq = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·2·6000⁴/(384·11000·20) = 1,534 × 10⁸ mm⁴

Erforderliche Höhe

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.

Imin = h·b³/12 = 100·25³/12 = 130208 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,7·4000 = 2800 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·130208/2800² = 32783 N = 32,78 kN

Antwort

Pcr = 32,78 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: d = 66,92 mm

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.

σ = γd·zw + γsat·(z − zw) = 15,5·3 + 19,5·3 = 105 kPa

Antwort

σ = 105 kPa
14.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ′ = 90,02 kPa

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

Totale Spannung

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

σ = γd·1 + γsat,sand·4 + γsat,clay·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
Schützd = 2,5 mH = 2,5 mF

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
Schützd = 2 mH = 1,5 mF

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.

Ic = b·H³/12 = 2·1,5³/12 = 0,5625 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 2,75 + 0,5625/(2,75·3) = 2,818 m

Antwort

ycp = 2,818 m
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 0,8881 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) = 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.

Geometrie

A = b·y = 1,5·2 = 3 m²
P = b + 2y = 1,5 + 2·2 = 5,5 m
R = A/P = 0,5455 m

Manning nach S auflösen

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,025·4,4/(3·0,6676) = 0,05492
S = 0,05492² = 0,003017

Antwort

S = 0,003017

Das ist ein Gefälle von 3,017 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: η = 70,38 %

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.

Geschwindigkeit

V = Q/A = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (11 + 3)·0,3305 = 4,627 m

Förderhöhe

H = Δz + hL = 13 + 4,627 = 17,63 m

Wellenleistung

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,08·17,63/0,7 = 19,76 kW

Antwort

Pshaft = 19,76 kW
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: PV = 100000 €

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.

Wachsende ewige Rente

PV = C1/(r − g) = 6 000/(0,08 − 0,02) = 6 000/0,06 = €100 000,00

Antwort

PV = €100 000,00
26.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 92295 €

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 = 0,024/12 = 0,002
N = 12·20 = 240

Endwert der Einzahlungen

FV = A·((1 + i)N − 1)/i = 300·(1,615 − 1)/0,002 = €92 294,99

Antwort

FV = €92 294,99

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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