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 über seine ganze Länge eine Gleichstreckenlast w und eine Einzellast P im Abstand 3,5 m von der Wand. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RA an der Wand.
L = 4 mP = 50 kN bei 3,5 mw = 5 kN/m von 0 bis 4 m
RA = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
Der Einfeldträger hat in A ein Festlager und in B ein Loslager. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RA.
L = 8 mP = 55 kN bei 6 mw = 10 kN/m von 1 bis 8 m
RA = 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: 20 kN ↓F: 15 kN ↓G: 15 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 FAC im Stab AC. Gib Zug positiv und Druck negativ an.
Spannweite = 4 mHöhe = 4 mB liegt 3 m von A entferntvertikale Last = 50 kNhorizontale Last = 25 kN →
FAC = kN
5.Querkraft und BiegemomentMittel
Der Kragarm ist in A eingespannt. Er trägt über seine ganze Länge eine Gleichstreckenlast w und eine Einzellast P im Abstand 4,5 m von A. Bestimme das Biegemoment MA an der Einspannung A. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.
L = 5 mP = 65 kN bei 4,5 mw = 5 kN/m von 0 bis 5 m
MA = kN·m
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
Der Einfeldträger trägt über die ganze Spannweite eine Gleichstreckenlast w und eine Einzellast P. Bestimme das maximale Biegemoment Mmax im Balken.
L = 5 mP = 30 kN bei 1 mw = 2 kN/m von 0 bis 5 m
Mmax = kN·m
7.DurchbiegungMittel
Ein Einfeldträger trägt über die ganze Spannweite eine Gleichstreckenlast w. Bestimme die maximale Durchbiegung δmax in Feldmitte.
w = 10 kN/mL = 2,5 mE = 70 GPa (Aluminium)I = 57 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.DurchbiegungSchwer
Ein Holzbalken als Einfeldträger mit Rechteckquerschnitt, 125 mm breit, trägt über die ganze Spannweite eine Gleichstreckenlast w. Seine Durchbiegung in Feldmitte darf Spannweite/360 nicht überschreiten. Bestimme die kleinste Querschnittshöhe hreq.
w = 1 kN/mL = 5 mE = 11 GPa (Holz)b = 125 mm
hreq = mm
9.Knicken von StützenMittel
Eine Stütze der Länge L aus Stahl ist unten eingespannt und oben frei. Bestimme mit der Euler-Formel ihre kritische Knicklast Pcr.
L = 2,5 mE = 200 GPa (Stahl)b × h = 50 × 60 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
Eine runde Vollstütze der Länge L aus Aluminium ist unten eingespannt und oben gelenkig gelagert. Sie muss 75 kN mit einer Sicherheit von 2 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.
P = 75 kNn = 2L = 2 mE = 70 GPa (Aluminium)
d = mm
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix des T-Querschnitts um die waagerechte Achse x durch seinen Schwerpunkt.
bf = 240 mmtf = 15 mmtw = 16 mmhw = 140 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 15 kN·m. Bestimme die Biegespannung σunten an der Unterkante.
Eine 6 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,4, Cr = 0,03 und e₀ = 0,9. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 95 kPa und die Vorbelastungsspannung 125 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 120 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.
In einem Ödometerversuch im Labor erreicht eine 19 mm dicke Tonprobe, die oben und unten entwässert, in 8 min 50 % Konsolidation. Im Feld bildet derselbe Ton eine 6 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 1,5 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 Glycerin, seine Oberkante liegt 4 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.
d = 4 mH = 2 mb = 2 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
Wasser fließt mit 200 L/s durch ein 200 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,02 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.
Ein 200 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm (Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018) führt von einem offenen Behälter weg und tritt als freier Strahl ins Freie aus. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 4 Krümmer (je K = 0,3) und ein Ventil (K = 2). Verwende g = 9,81 m/s². Wie hoch H muss der Wasserspiegel im Behälter über dem Rohrauslauf liegen, damit der Durchfluss 120 L/s beträgt?
Ein Regenwasserkanal aus Beton mit einem Innendurchmesser von 300 mm ist halb gefüllt. Manning n = 0,013, und das Gefälle ist S = 0,0008. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.
D = 300 mmn = 0,013S = 0,0008
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
Ein 2 m breites Rechteckgerinne (Kies) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 1,3 m 2 m³/s abführen. Manning n = 0,025. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).
Q = 2 m³/sb = 2 my = 1,3 mn = 0,025
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
Eine Pumpe fördert 10 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 28 m. Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 72 %, und der antreibende Elektromotor hat einen Wirkungsgrad von 92 %. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die elektrische Leistung Pel, die der Motor aufnimmt, in kW.
Eine Pumpe fördert 100 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 16 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 600 m lang, hat einen Innendurchmesser von 250 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 8 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 65 %. Bestimme die Wellenleistung Pshaft in kW.
Eine Rente zahlt am Ende jedes Jahres €1 000, 4 Jahre lang. Der Zinssatz beträgt 10 % pro Jahr. Bestimme den Barwert PV der Rente.
A = €1 000i = 10%n = 4
PV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Du leihst dir €20 000 zu 4,8 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung und zahlst am Ende jedes Monats €400 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 = €4004,8% / 12
N = Raten
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Eine Maschine kostet heute €60 000. Sie erwirtschaftet 3 Jahre lang am Ende jedes Jahres €23 500 und kann danach für €12 000 verkauft werden. Die Kapitalkosten betragen 12 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.
C0 = €60 000CF = €23 500S = €12 000n = 3r = 12%
NPV = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Ein Projekt kostet €50 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 €36 500, €20 000, €32 000. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.
CF0 = −50 000CF1 = 36 500CF2 = 20 000CF3 = 32 000
IRR = %
29.NormalverteilungMittel
Ziehe z so, dass die schattierte Fläche unter der Standardnormalverteilung rechts von z gleich 0,0154 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.
A = 0,0154
z =
30.NormalverteilungSchwer
Die Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit dem Mittelwert 65 Punkte und der Standardabweichung 10 Punkte. Bestimme den Wert x, unter dem 90 % von ihnen liegen (das 90. Perzentil).
μ = 65σ = 10P = 90%
x = Punkte
3Lösungen
1.Auflagerkräfte am Balken
Antwort: RA = 70 kN
Gleichgewicht am Kragarm: Eine Einspannung kann nach oben drücken und auch eine Drehung verhindern, sie liefert also eine vertikale Auflagerkraft RA und ein Einspannmoment MA. ΣFy = 0 liefert RA, und die Momente um die Wand liefern MA = Σ(Last × Abstand von der Wand). Eine Streckenlast wirkt als ihre Resultierende im Schwerpunkt der Lastfigur.
Resultierende der Streckenlast
W = 5·4 = 20 kN, x̄ = 2 m
Vertikales Gleichgewicht
RA = P + W = 50 + 20 = 70 kN
Antwort
RA = 70 kN
2.Auflagerkräfte am Balken
Antwort: RA = 44,38 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 = 10·7 = 70 kN, angreifend bei x̄ = 4,5 m
ΣMA = 0: RB·8 = 55·6 + 10·7·4,5
RB = 645/8 = 80,63 kN
ΣFy = 0: RA = 125 − 80,63 = 44,38 kN
Antwort
RA = 44,38 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·4 = 50·3 + 25·4 → Cy = 62,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 62,5 = −12,5 kN
ΣFx = 0: Ax = −25 kN
Knoten C
Das Loslager gibt nur eine vertikale Kraft, daher hat Knoten C nur zwei unbekannte Stabkräfte. Nimm beide als Zug an.
sin γ = 4/4,123 = 0,9701, cos γ = 1/4,123 = 0,2425
Schnittverfahren: Schneide den Balken dort, wo du die Schnittgrößen brauchst, und behalte eine Seite. Die Querkraft V hält den vertikalen Kräften dieser Seite das Gleichgewicht, das Biegemoment M ihren Momenten um den Schnitt.
Den Teil mit dem freien Ende behalten
P: −65·4,5 = −292,5 kN·m
w: −5·5²/2 = −62,5 kN·m
MA = −292,5 − 62,5 = −355 kN·m
Antwort
MA = −355 kN·m
Negativ bedeutet Zug an der Oberseite.
6.Querkraft und Biegemoment
Antwort: Mmax = 28 kN·m
Schnittverfahren: Schneide den Balken dort, wo du die Schnittgrößen brauchst, und behalte eine Seite. Die Querkraft V hält den vertikalen Kräften dieser Seite das Gleichgewicht, das Biegemoment M ihren Momenten um den Schnitt. Maximales Moment: Wegen dM/dx = V hat das Biegemoment sein Maximum dort, wo die Querkraft durch null geht, entweder an einer Einzellast oder innerhalb einer Streckenlast.
Auflagerkräfte
Gleichgewicht des ganzen Balkens.
Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 2·5 = 10 kN, angreifend bei x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 30·1 + 2·5·2,5
RB = 55/5 = 11 kN
ΣFy = 0: RA = 40 − 11 = 29 kN
Wo ist V = 0?
V(1⁻) = RA − w·1 = 27 kN
V(1⁺) = 27 − 30 = −3 kN
Die Querkraft wechselt an der Last das Vorzeichen, das Maximum liegt also unter der Last.
Maximales Moment
Mmax = RA·1 − w·1²/2 = 29·1 − 2·1²/2 = 28 kN·m
Antwort
Mmax = 28 kN·m
Es tritt bei x = 1 m von A auf.
7.Durchbiegung
Antwort: δmax = 1,275 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 = 10 N/mm, L = 2500 mm
EI = 3,99 × 10¹² N·mm²
Durchbiegung
δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·10·2500⁴/(384·3,99 × 10¹²) = 1,275 mm
Antwort
δmax = 1,275 mm
8.Durchbiegung
Antwort: hreq = 172,3 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 = (12·5,327 × 10⁷/125)1/3 = 172,3 mm
Antwort
hreq = 172,3 mm
In der Praxis wählt man die nächste Standardhöhe über diesem Wert.
9.Knicken von Stützen
Antwort: Pcr = 49,35 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 = 2·75000 = 150000 N
KL = 0,7·2000 = 1400 mm
Nach dem Durchmesser auflösen
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·150000·1400²/(π³·70000))^(1/4) = 54,26 mm
Antwort
d = 54,26 mm
Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 103,2, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment
Antwort: Ix = 12,02 × 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 zwei Rechtecke teilen
Miss jedes y von der Unterkante aus.
Flansch: Af = 240·15 = 3600 mm², yf = 140 + 15/2 = 147,5 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 = 260·10 = 2600 mm², yf = 260 + 10/2 = 265 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.
Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.
u = γw·(z − zw) = 9,81·9 = 88,29 kPa
Effektive Spannung
σ′ = σ − u = 208,5 − 88,29 = 120,2 kPa
Antwort
σ′ = 120,2 kPa
14.Effektive Spannung im Boden
Antwort: u = 39,24 kPa
Effektive Spannung (Terzaghi): Das Korngerüst trägt σ′ = σ − u. Die totale Spannung σ ist das Gewicht von allem über dem Punkt, Σγ·h, mit der Trockenwichte oberhalb des Grundwasserspiegels und der gesättigten Wichte darunter. Unterhalb des Grundwasserspiegels ist der Porenwasserdruck hydrostatisch: u = γw·(Tiefe unter dem Grundwasserspiegel).
Porenwasserdruck
Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.
u = γw·(z − zw) = 9,81·4 = 39,24 kPa
Antwort
u = 39,24 kPa
15.Konsolidationssetzung
Antwort: S = 308,8 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 = 95 + 120 = 215 kPa > 125 kPa
Setzung
Wiederbelastung bis σ′p, Erstbelastung darüber.
S = 0,03·6/(1 + 0,9)·log₁₀(125/95) + 0,4·6/(1 + 0,9)·log₁₀(215/125)
S = 11,29 + 297,5 = 308,8 mm
Antwort
S = 308,8 mm
16.Konsolidationssetzung
Antwort: t = 2216 Tage
Primärkonsolidation einer Tonschicht der Dicke H, mit der effektiven Spannung in der Schichtmitte: σ′f = σ′0 + Δσ. Normal konsolidierter Ton: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Überkonsolidierter Ton wird bis zur Vorbelastungsspannung σ′p entlang Cr wiederbelastet und folgt erst darüber Cc. Zeit: t = Tv·Hdr²/cv, wobei der Dränweg Hdr gleich H/2 ist, wenn das Wasser oben und unten austreten kann, und gleich H, wenn nur eine Seite entwässert.
Dränwege
Hdr,lab = 19/2 = 9,5 mm = 0,0095 m
Hdr,field = 6 m
Die Zeit umrechnen
t = Tv·Hdr²/cv mit demselben T_v und cv im Labor und im Feld.
tfield = 8·(6/0,0095)² = 3,191 × 10⁶ min
tfield = 3,191 × 10⁶/1440 = 2216 Tage
Antwort
t = 2216 Tage
17.Hydrostatische Kraft
Antwort: F = 33,11 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 = 1,5 + 1,5/2 = 2,25 m
A = H·b = 1,5·1 = 1,5 m²
Resultierende Kraft
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,25·1,5 = 33,11 kN
Antwort
F = 33,11 kN
18.Hydrostatische Kraft
Antwort: F = 247,2 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 = 4 + 2/2 = 5 m
A = H·b = 2·2 = 4 m²
Resultierende Kraft
F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·5·4 = 247,2 kN
Antwort
F = 247,2 kN
19.Rohrreibung und Verlusthöhe
Antwort: hf = 5,44 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.
Mittlere Geschwindigkeit
A = π·0,3²/4 = 0,07069 m²
V = Q/A = 0,2/0,07069 = 2,829 m/s
Geschwindigkeitshöhe
V²/(2g) = 2,829²/(2·9,81) = 0,408 m
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(200/0,3)·2,829²/(2·9,81) = 5,44 m
Antwort
hf = 5,44 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe
Antwort: H = 2,453 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 = 0,12/0,07069 = 1,698 m/s
V²/(2g) = 0,1469 m
Verlustbeiwerte
f·L/D = 0,018·200/0,3 = 12
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 = 3,7
Energiegleichung
Der austretende Strahl hat noch seine Geschwindigkeitshöhe; sie ist kein Verlust, muss aber aufgebracht werden.
H = (1 + 12 + 3,7)·0,1469 = 2,453 m
Antwort
H = 2,453 m
21.Gerinneströmung (Manning)
Antwort: Q = 0,01368 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 = 0,03534 m², R = D/4 = 0,075 m
Geschwindigkeit
V = (1/0,013)·0,0752/3·0,00081/2 = 0,3869 m/s
Volumenstrom
Q = A·V = 0,03534·0,3869 = 0,01368 m³/s
Antwort
Q = 0,01368 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)
Antwort: S = 0,0007914 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 = 1000·9,81·0,01·28 = 2,747 kW
Wellenleistung
Pshaft = 2,747/0,72 = 3,815 kW
Elektrische Leistung
Pel = 3,815/0,92 = 4,147 kW
Antwort
Pel = 4,147 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung
Antwort: Pshaft = 38,19 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.
Rentenbarwertfaktor
(1 − (1 + i)−n)/i = (1 − 0,683)/0,1 = 3,17
Barwert
PV = 1 000·3,17 = €3 169,87
Antwort
PV = €3 169,87
26.Zeitwert des Geldes
Antwort: N = 56 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 = 0,004
(1 + i)−N = 1 − 20 000·0,004/400 = 0,8
Mit Logarithmen lösen
N = −ln(0,8)/ln(1,004) = 55,9
Auf ganze Raten aufrunden
55 volle Raten lassen eine kleine Restschuld, die die letzte, kleinere Rate tilgt.
N = 56
Antwort
N = 56 Raten
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß
Antwort: NPV = 4984 €
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 jährlichen Zahlungen
23 500·2,402 = 56 443,03
Barwert des Restwerts
12 000/1,405 = 8 541,36
NPV
NPV = −60 000 + 56 443,03 + 8 541,36 = €4 984,40
Antwort
NPV = €4 984,40
28.Kapitalwert & interner Zinsfuß
Antwort: IRR = 36,59 %
Kapitalwert: Zinse jeden Zahlungsstrom mit der geforderten Rendite r auf heute ab und addiere alle: NPV = Σ CFₜ/(1 + r)ᵗ. Ein Projekt mit NPV > 0 verdient mehr als r und schafft Wert. Der interne Zinsfuß (IRR) ist der Zinssatz, bei dem NPV = 0 ist.
Den IRR eingrenzen
Der Kapitalwert sinkt mit steigendem Zins, also liegt der IRR zwischen einem Zinssatz mit positivem und einem mit negativem Kapitalwert.
NPV(35%) = 1 017,12
NPV(40%) = −2 062,68
Eingrenzen
Lineare Interpolation liefert eine erste Schätzung; Wiederholen (oder die IRR-Funktion eines Rechners) liefert den genauen Zinssatz.
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 − 0,0154 = 0,9846
Die z-Tabelle rückwärts lesen
Finde 0,9846 in der Tabelle und lies z ab.
z = 2,16
Antwort
z = 2,16
30.Normalverteilung
Antwort: x = 77,82 Punkte
Normalverteilung: Rechne einen Wert x in einen z-Wert um, z = (x − μ)/σ; er gibt an, wie viele Standardabweichungen x vom Mittelwert entfernt liegt. Eine z-Tabelle (oder Φ(z)) liefert die Fläche links von z, also P(X < x). Die Fläche rechts ist 1 − Φ(z), und die Fläche zwischen zwei Werten ist die Differenz ihrer beiden Flächen.
z für das Perzentil
Φ(z) = 0,9 → z = 1,282
Zurück zu x
x = 65 + 1,282·10 = 77,82 Punkte
Antwort
x = 77,82 Punkte
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