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 Kragträger ist in A an der Wand eingespannt. Er trägt eine Gleichstreckenlast w von der Wand bis 3,5 m und eine Einzellast P im Abstand 3,5 m von der Wand. Bestimme den Betrag des Einspannmoments MA an der Wand.
L = 5 mP = 45 kN bei 3,5 mw = 12 kN/m von 0 bis 3,5 m
MA = kN·m
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
Der Balken hat in A ein Festlager und in B, 2,5 m von A entfernt, ein Loslager und kragt über B bis zum freien Ende C aus. Er trägt eine Einzellast P im Abstand 0,5 m von A und eine Gleichstreckenlast w von 1,5 m bis zum freien Ende bei 4 m. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RB, nach oben positiv.
AB = 2,5 mAC = 4 mP = 35 kN bei 0,5 mw = 4 kN/m von 1,5 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.
D: 35 kN ↓G: 40 kN ↓H: 10 kN ↓
1Stab AB
2Stab BC
3Stab CD
4Stab DE
5Stab FG
6Stab GH
7Stab AF
8Stab HE
9Stab BF
10Stab CG
11Stab DH
12Stab FC
13Stab HC
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 4 m von A entferntvertikale Last = 30 kNhorizontale Last = 30 kN ←
FAB = kN
5.Querkraft und BiegemomentMittel
Der Einfeldträger trägt zwei Einzellasten. Bestimme das maximale Biegemoment Mmax im Balken.
L = 6 mP1 = 55 kN bei 1,5 mP2 = 30 kN bei 4,5 m
Mmax = kN·m
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
Der Balken liegt in A auf einem Festlager und in B auf einem Loslager und kragt über B um 2 m bis zum freien Ende C aus. Über die ganze Länge A–C wirkt eine Gleichstreckenlast w. Bestimme das maximale positive Biegemoment Mmax zwischen den Auflagern.
L = 10 mw = 2 kN/m von 0 bis 10 mAuflager bei x = 0 und x = 8 m
Mmax = kN·m
7.DurchbiegungMittel
Ein Einfeldträger trägt über die ganze Spannweite eine Gleichstreckenlast w. Bestimme die maximale Durchbiegung δmax in Feldmitte.
w = 8 kN/mL = 4 mE = 70 GPa (Aluminium)I = 8,5 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.DurchbiegungSchwer
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 die Auflagerkraft RB an der Stütze.
L = 3 mw = 4 kN/m
RB = kN
9.Knicken von StützenMittel
Eine Stütze der Länge L aus Aluminium ist unten eingespannt und oben frei. Bestimme mit der Euler-Formel ihre kritische Knicklast Pcr.
L = 4 mE = 70 GPa (Aluminium)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
Eine runde Vollstütze der Länge L aus Aluminium ist an beiden Enden eingespannt. Sie muss 125 kN mit einer Sicherheit von 2 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.
P = 125 kNn = 2L = 5 mE = 70 GPa (Aluminium)
d = mm
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
Ein U-Profil liegt mit der offenen Seite nach oben: eine Bodenplatte von 220 mm Breite mit zwei senkrechten Schenkeln, insgesamt 180 mm hoch. Boden und Schenkel sind alle 20 mm dick. Bestimme sein Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse x durch seinen Schwerpunkt.
b = 220 mmh = 180 mmt = 20 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
Der T-Querschnitt wird als Balken mit dem Flansch oben verwendet und trägt ein positives Biegemoment von 20 kN·m. Bestimme die Biegespannung σunten an der Unterkante.
Eine 4,5 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,4, Cr = 0,05 und e₀ = 0,9. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 90 kPa und die Vorbelastungsspannung 120 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 40 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.
Eine 5,5 m dicke Tonschicht hat einen Konsolidationsbeiwert cv = 0,8 m²/Jahr. Sie liegt auf undurchlässigem Fels, mit Sand darüber, das Wasser kann also nur oben austreten. Für 60 % mittlere Konsolidation ist der Zeitfaktor Tv = 0,287. Wie viele Jahre t braucht die Schicht, um 60 % Konsolidation zu erreichen?
Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 2 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Wasser, seine Oberkante liegt 2 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.
d = 2 mH = 1 mb = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
18.Hydrostatische KraftSchwer
Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1,5 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Öl, seine Oberkante liegt 1,5 m unter der Oberfläche. Bestimme die Tiefe ycp des Druckmittelpunkts unter der Oberfläche.
Wasser fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 2,5 m/s durch ein 500 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 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 150 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 100 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015 verbunden. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 4 Krümmer (je K = 0,3), ein Ventil (K = 10) 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 (rauer Beton) hat eine Sohlbreite von 2,5 m und eine Böschungsneigung von 1,5:1 (horizontal:vertikal). Wasser fließt gleichförmig 2,4 m tief. Manning n = 0,014, und das Sohlgefälle ist S = 0,002. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.
b = 2,5 my = 2,4 mz = 1,5n = 0,014S = 0,002
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
Ein Betonkanal mit einem Innendurchmesser von 250 mm (Manning n = 0,013) muss bei gerade voller Füllung eine Selbstreinigungsgeschwindigkeit von 0,9 m/s erreichen. Bestimme das Mindestgefälle S (in m/m).
D = 250 mmn = 0,013V = 0,9 m/s
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
Eine Pumpe mit einem Wirkungsgrad von 82 % fördert 80 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 38 m. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die benötigte Wellenleistung Pshaft in kW.
Q = 80 L/sH = 38 mη = 82%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
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 6 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 200 m lang, hat einen Innendurchmesser von 200 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,02; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 2,5 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Der obere Tank ist geschlossen, und die Luft über dem Wasser steht unter einem Überdruck von 350 kPa. Bestimme die Förderhöhe H, die die Pumpe aufbringen muss.
Eine Kreditkarte berechnet einen nominalen Zinssatz von 16 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Bestimme den effektiven Jahreszins EAR in Prozent.
r = 16%m = 12
EAR = %
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Du leihst dir €20 000 zu 2,4 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung und zahlst am Ende jedes Monats €450 zurück. Wie viele Monate dauert es, bis das Darlehen getilgt ist (die letzte Rate darf kleiner sein)? Gib die Anzahl der Raten N an.
P = €20 000A = €4502,4% / 12
N = Raten
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Eine Investition von €60 000 bringt am Ende der Jahre 1 bis 4 diese Zahlungen: €18 000, €26 000, €13 000, €18 000. Die Kapitalkosten betragen 15 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.
Ein Projekt kostet heute €50 000. Seine Zahlung beträgt €11 000 am Ende von Jahr 1 und wächst um 4 % pro Jahr bis zur letzten Zahlung am Ende von Jahr 5. Die Kapitalkosten betragen 10 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.
C0 = €50 000CF1 = €11 000g = 4%n = 5r = 10%
NPV = €
29.NormalverteilungMittel
Die Lebensdauern von Batterien sind normalverteilt mit dem Mittelwert 500 h und der Standardabweichung 40 h. Welcher Anteil liegt zwischen 438 und 572 h? Gib P als Dezimalzahl an.
μ = 500σ = 40x1 = 438x2 = 572
P =
30.NormalverteilungSchwer
Die Lieferzeiten sind normalverteilt mit dem Mittelwert 32 min und der Standardabweichung 6 min. Bestimme den Wert x, unter dem 90 % von ihnen liegen (das 90. Perzentil).
μ = 32σ = 6P = 90%
x = min
3Lösungen
1.Auflagerkräfte am Balken
Antwort: MA = 231 kN·m
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 = 12·3,5 = 42 kN, x̄ = 1,75 m
Moment um die Wand
MA = P·a + W·x̄ = 45·3,5 + 42·1,75 = 231 kN·m
Antwort
MA = 231 kN·m
2.Auflagerkräfte am Balken
Antwort: RB = 18 kN
Statisches Gleichgewicht: Für einen ruhenden Körper gilt ΣFx = 0, ΣFy = 0 und ΣM = 0 um jeden Punkt. Ersetze jede Streckenlast durch ihre Resultierende (ihre Fläche), die im Schwerpunkt der Lastfigur angreift, und bilde die Momente um ein Auflager, damit dessen Auflagerkraft aus der Gleichung herausfällt.
Resultierende der Streckenlast
W = 4·2,5 = 10 kN, x̄ = (1,5 + 4)/2 = 2,75 m
Gleichgewicht
Momente um A, gegen den Uhrzeigersinn positiv. Dann das Kräftegleichgewicht in vertikaler Richtung.
ΣMA = 0: RB·2,5 = 35·0,5 + 10·2,75
RB = 45/2,5 = 18 kN
RA = 45 − 18 = 27 kN
Antwort
RB = 18 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).
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 = 30·4 − 30·4 → Cy = 0 kN
ΣFy = 0: Ay = 30 − 0 = 30 kN
ΣFx = 0: Ax = 30 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 = 4/5,657 = 0,7071
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −30/0,7071 = −42,43 kN
Antwort
FAB = −42,43 kN (Druck)
5.Querkraft und Biegemoment
Antwort: Mmax = 73,13 kN·m
Schnittverfahren: Schneide den Balken dort, wo du die Schnittgrößen brauchst, und behalte eine Seite. Die Querkraft V hält den vertikalen Kräften dieser Seite das Gleichgewicht, das Biegemoment M ihren Momenten um den Schnitt. Maximales Moment: Wegen dM/dx = V hat das Biegemoment sein Maximum dort, wo die Querkraft durch null geht, entweder an einer Einzellast oder innerhalb einer Streckenlast.
Auflagerkräfte
Gleichgewicht des ganzen Balkens.
ΣMA = 0: RB·6 = 55·1,5 + 30·4,5
RB = 217,5/6 = 36,25 kN
ΣFy = 0: RA = 85 − 36,25 = 48,75 kN
Moment unter jeder Last
Behalte jeweils den Teil links von der Last.
unter P1: M = RA·1,5 = 48,75·1,5 = 73,13 kN·m
unter P2: M = RB·1,5 = 36,25·1,5 = 54,38 kN·m
Größter Wert
Mmax = 73,13 kN·m (unter P1)
Antwort
Mmax = 73,13 kN·m
6.Querkraft und Biegemoment
Antwort: Mmax = 14,06 kN·m
Schnittverfahren: Schneide den Balken dort, wo du die Schnittgrößen brauchst, und behalte eine Seite. Die Querkraft V hält den vertikalen Kräften dieser Seite das Gleichgewicht, das Biegemoment M ihren Momenten um den Schnitt. Maximales Moment: Wegen dM/dx = V hat das Biegemoment sein Maximum dort, wo die Querkraft durch null geht, entweder an einer Einzellast oder innerhalb einer Streckenlast.
Auflagerkräfte
Gleichgewicht am ganzen Balken, einschließlich der Last auf dem Kragarm.
Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 2·10 = 20 kN, angreifend bei x̄ = 5 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).
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 = 8 N/mm, L = 4000 mm
EI = 5,95 × 10¹¹ N·mm²
Durchbiegung
δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·8·4000⁴/(384·5,95 × 10¹¹) = 44,82 mm
Antwort
δmax = 44,82 mm
8.Durchbiegung
Antwort: RB = 4,5 kN
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.
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.
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 = 2·125000 = 250000 N
KL = 0,5·5000 = 2500 mm
Nach dem Durchmesser auflösen
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·250000·2500²/(π³·70000))^(1/4) = 82,39 mm
Antwort
d = 82,39 mm
Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 121,4, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment
Antwort: Ix = 34,92 × 10⁶ mm⁴
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 Rechtecke aufteilen
Nimm den Boden über die ganze Breite und die beiden Schenkel darüber (Höhe h − t), damit nichts doppelt gezählt wird.
Grundlage: A1 = 220·20 = 4400 mm², y1 = 10 mm
zwei Schenkel: A2 = 2·20·160 = 6400 mm², y2 = 20 + 160/2 = 100 mm
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 = 200·15 = 3000 mm², yf = 300 + 15/2 = 307,5 mm
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·2 + γsat,sand·3 + γsat,clay·3
σ = 16,5·2 + 20·3 + 18,5·3 = 148,5 kPa
Porenwasserdruck
Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.
u = γw·(z − zw) = 9,81·6 = 58,86 kPa
Effektive Spannung
σ′ = σ − u = 148,5 − 58,86 = 89,64 kPa
Antwort
σ′ = 89,64 kPa
15.Konsolidationssetzung
Antwort: S = 47,73 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 = 90 + 40 = 130 kPa > 120 kPa
Setzung
Wiederbelastung bis σ′p, Erstbelastung darüber.
S = 0,05·4,5/(1 + 0,9)·log₁₀(120/90) + 0,4·4,5/(1 + 0,9)·log₁₀(130/120)
S = 14,8 + 32,93 = 47,73 mm
Antwort
S = 47,73 mm
16.Konsolidationssetzung
Antwort: t = 10,85 Jahre
Primärkonsolidation einer Tonschicht der Dicke H, mit der effektiven Spannung in der Schichtmitte: σ′f = σ′0 + Δσ. Normal konsolidierter Ton: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Überkonsolidierter Ton wird bis zur Vorbelastungsspannung σ′p entlang Cr wiederbelastet und folgt erst darüber Cc. Zeit: t = Tv·Hdr²/cv, wobei der Dränweg Hdr gleich H/2 ist, wenn das Wasser oben und unten austreten kann, und gleich H, wenn nur eine Seite entwässert.
Dränweg
Hdr = H = 5,5 m
Zeit
t = Tv·Hdr²/cv = 0,287·5,5²/0,8 = 10,85 Jahre
Antwort
t = 10,85 Jahre
17.Hydrostatische Kraft
Antwort: F = 49,05 kN
Hydrostatische Kraft auf eine ebene Fläche: F = ρ·g·yc·A. Sie greift im Druckmittelpunkt an, ycp = yc + Ic/(ycA), der immer unterhalb des Schwerpunkts liegt.
Schwerpunkttiefe und Fläche
yc = d + H/2 = 2 + 1/2 = 2,5 m
A = H·b = 1·2 = 2 m²
Resultierende Kraft
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,5·2 = 49,05 kN
Antwort
F = 49,05 kN
18.Hydrostatische Kraft
Antwort: ycp = 2,633 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 = 1,5 + 2/2 = 2,5 m
A = H·b = 2·1,5 = 3 m²
Resultierende Kraft
F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·2,5·3 = 64,75 kN
Druckmittelpunkt
Der Druck nimmt mit der Tiefe zu, daher greift die Resultierende unterhalb des Schwerpunkts an.
Ic = b·H³/12 = 1,5·2³/12 = 1 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 2,5 + 1/(2,5·3) = 2,633 m
Antwort
ycp = 2,633 m
19.Rohrreibung und Verlusthöhe
Antwort: hf = 9,557 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) = 2,5²/(2·9,81) = 0,3186 m
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(500/0,3)·2,5²/(2·9,81) = 9,557 m
Antwort
hf = 9,557 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe
Antwort: Δz = 1,861 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 = 0,015·150/0,1 = 22,5
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7
Gesamte Verlusthöhe
hf = 22,5·0,05288 = 1,19 m
hm = 12,7·0,05288 = 0,6716 m
Δz = hf + hm = 1,861 m
Antwort
Δz = 1,861 m
21.Gerinneströmung (Manning)
Antwort: Q = 56,06 m³/s
Manning-Gleichung (SI): Für gleichförmige Strömung in einem offenen Gerinne gilt V = (1/n)·R2/3·S1/2 und Q = A·V, mit dem Rauheitsbeiwert n, dem Sohlgefälle S (m/m) und dem hydraulischen Radius R = A/P: Fließquerschnitt geteilt durch benetzten Umfang. In P zählt nur der Rand, der mit dem Wasser in Berührung ist, nicht der Wasserspiegel. Rechteck: A = b·y, P = b + 2y. Trapez mit Böschungsneigung z:1 (horizontal:vertikal): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Ein voll oder halb gefülltes Kreisrohr hat R = D/4.
Geometrie
A = (b + z·y)·y = (2,5 + 1,5·2,4)·2,4 = 14,64 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 2,5 + 2·2,4·√(1 + 1,5²) = 11,15 m
R = A/P = 1,313 m
Geschwindigkeit
V = (1/0,014)·1,3132/3·0,0021/2 = 3,83 m/s
Volumenstrom
Q = A·V = 14,64·3,83 = 56,06 m³/s
Antwort
Q = 56,06 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)
Antwort: S = 0,005519 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 = 0,25/4 = 0,0625 m
Manning nach S auflösen
S = (n·V/R2/3)² = (0,013·0,9/0,1575)² = 0,005519
Antwort
S = 0,005519
Das ist ein Gefälle von 5,519 m pro Kilometer.
23.Pumpen und Pumpenleistung
Antwort: Pshaft = 36,37 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 = 1000·9,81·0,08·38 = 29,82 kW
Wellenleistung
Pshaft = Ph/η = 29,82/0,82 = 36,37 kW
Antwort
Pshaft = 36,37 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung
Antwort: H = 49,11 m
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.
Beide Wasserspiegel sind praktisch in Ruhe, daher gibt es keinen Geschwindigkeitsterm.
H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 6 + 35,68 + 7,436 = 49,11 m
Antwort
H = 49,11 m
25.Zeitwert des Geldes
Antwort: EAR = 17,23 %
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 = 0,16/12 = 0,01333
Über ein Jahr aufzinsen
EAR = (1 + 0,01333)12 − 1 = 1,172 − 1 = 17,23%
Antwort
EAR = 17,23%
Der effektive Jahreszins liegt immer über dem Nominalzins, wenn die Zinsen mehr als einmal im Jahr gutgeschrieben werden.
26.Zeitwert des Geldes
Antwort: N = 47 Raten
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.
Die Rentenformel umstellen
i = 0,002
(1 + i)−N = 1 − 20 000·0,002/450 = 0,9111
Mit Logarithmen lösen
N = −ln(0,9111)/ln(1,002) = 46,59
Auf ganze Raten aufrunden
46 volle Raten lassen eine kleine Restschuld, die die letzte, kleinere Rate tilgt.
N = 47
Antwort
N = 47 Raten
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß
Antwort: NPV = −5849 €
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 + 0,15)1 = 18 000/1,15 = 15 652,17
CF2/(1 + 0,15)2 = 26 000/1,322 = 19 659,74
CF3/(1 + 0,15)3 = 13 000/1,521 = 8 547,71
CF4/(1 + 0,15)4 = 18 000/1,749 = 10 291,56
Addieren
NPV = €−5 848,82
Antwort
NPV = €−5 848,82
Der Kapitalwert ist negativ, das Projekt verdient also weniger als die geforderte Rendite.
28.Kapitalwert & interner Zinsfuß
Antwort: NPV = −5165 €
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 der wachsenden Rente
((1,04)/(1,1))5 = 0,7554
PV = 11 000/(0,1 − 0,04)·(1 − 0,7554) = 44 834,95
NPV
NPV = 44 834,95 − 50 000 = −€5 165,05
Antwort
NPV = −€5 165,05
Der Kapitalwert ist negativ, das Projekt verdient also weniger als die geforderte Rendite.
29.Normalverteilung
Antwort: P = 0,9035
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 = (438 − 500)/40 = −1,55
z₂ = (572 − 500)/40 = 1,8
Fläche dazwischen
P = Φ(1,8) − Φ(−1,55) = 0,9641 − 0,06057 = 0,9035
Antwort
P = 0,9035
30.Normalverteilung
Antwort: x = 39,69 min
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) = 0,9 → z = 1,282
Zurück zu x
x = 32 + 1,282·6 = 39,69 min
Antwort
x = 39,69 min
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