Übungsaufgaben für die Prüfung FE Civil: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 30 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

Neue AufgabenZurück zum Kurs

Wähle im Druckfenster „Als PDF speichern“, um eine Kopie auf deinem Gerät zu behalten.

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
P = 40 kNM = 10 kN·mABRA​ = ?3 m2 m3 m

Der Einfeldträger hat in A ein Festlager und in B ein Loslager. Er trägt eine Einzellast P im Abstand 3 m von A und ein eingeprägtes Moment M (im Uhrzeigersinn) im Abstand 5 m von A. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RA, nach oben positiv.

L = 8 mP = 40 kN bei 3 mM = 10 kN·m (im Uhrzeigersinn) bei 5 m
RA = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 4 kN/mP = 10 kNABRA​ = ?RB​1 m9 m

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

L = 10 mP = 10 kN bei 1 mw = 4 kN/m von 0 bis 1 m
RA = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABCDEFGH10 kN40 kN15 kN4 × 3 m4 m

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

B: 10 kN ↓C: 40 kN ↓G: 15 kN ↓
  1. 1Stab AB
  2. 2Stab BC
  3. 3Stab CD
  4. 4Stab DE
  5. 5Stab FG
  6. 6Stab GH
  7. 7Stab AF
  8. 8Stab HE
  9. 9Stab BF
  10. 10Stab CG
  11. 11Stab DH
  12. 12Stab FC
  13. 13Stab HC
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
ABCDEFGH15 kN30 kN10 kN4 × 4 m3 m

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

D: 15 kN ↓F: 30 kN →H: 10 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
5.Querkraft und BiegemomentMittel
P1​ = 55 kNP2​ = 10 kNAB2 m1 m2 m

Der Einfeldträger trägt zwei Einzellasten. Bestimme das maximale Biegemoment Mmax im Balken.

L = 5 mP1 = 55 kN bei 2 mP2 = 10 kN bei 3 m
Mmax = kN·m
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
5 kN/m25 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 m

Die Markierungen A bis G teilen den Balken in sechs gleiche Teile. An welcher Markierung ist das Biegemoment betragsmäßig am größten, positiv oder negativ? Klicke sie im Diagramm an.

25 kN @ 6 m5 kN/m, 0–5 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
7.DurchbiegungMittel
w = 6 kN/mδL = 3 m

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

w = 6 kN/mL = 3 mE = 11 GPa (Holz)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.DurchbiegungSchwer
P = 17 kNABδ4,5 m1,5 m

Ein Einfeldträger trägt eine Einzellast P im Abstand b = 1,5 m vom Auflager B. Bestimme die maximale Durchbiegung δmax des Balkens.

P = 17 kNb = 1,5 mL = 6 mE = 70 GPa (Aluminium)I = 160 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Knicken von StützenMittel
PL = 1 m30 × 100 mmQuerschnitt

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

L = 1 mE = 200 GPa (Stahl)b × h = 30 × 100 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 2 md = 40 mmQuerschnitt

Eine Stütze der Länge L aus Aluminium ist an beiden Enden eingespannt. Bestimme ihre Schlankheit und die kritische Knickspannung σcr nach Euler.

L = 2 mE = 70 GPa (Aluminium)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
B = 220H = 300t = 14xMaße in mm

Ein rechteckiger Hohlquerschnitt (Kastenquerschnitt) hat die Außenbreite B = 220 mm, die Außenhöhe H = 300 mm und eine gleichmäßige Wanddicke t = 14 mm. Bestimme seinen Trägheitsradius r um die horizontale Schwerachse.

B = 220 mmH = 300 mmt = 14 mm
r = mm
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
190280101801210xMaße in mm

Ein geschweißter I-Querschnitt hat einen Obergurt 190 × 10 mm, einen Steg mit 180 mm Höhe und 10 mm Dicke sowie einen Untergurt 280 × 12 mm (Breite × Dicke). Bestimme sein Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse x durch seinen Schwerpunkt.

Obergurt: 190 × 10 mmSteg: 10 × 180 mmUntergurt: 280 × 12 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 16,5 kN/m³γsat​ = 18,5 kN/m³10 mGrundwasserspiegelXz = 8 m

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

z = 8 mzw = 4 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 16,5 kN/m³Sand: γsat = 18,5 kN/m³
σ′ = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 17 kN/m³γsat​ = 20,5 kN/m³6 mTonγsat​ = 19 kN/m³4 mGrundwasserspiegelXz = 8 m

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

z = 8 mzw = 2 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 17 kN/m³Sand: γsat = 20,5 kN/m³Ton: γsat = 19 kN/m³
σ′ = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 85 kPaSandTonCc​ = 0,4, Cr​ = 0,06e0​ = 1σ′0​ = 60 kPaσ′p​ = 160 kPa2,5 mGrundwasserspiegel

Eine 2,5 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,4, Cr = 0,06 und e₀ = 1. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 60 kPa und die Vorbelastungsspannung 160 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 85 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 2,5 mCc = 0,4Cr = 0,06e0 = 1σ′0 = 60 kPaσ′p = 160 kPaΔσ = 85 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 10 m10 mundurchlässiger FelsGrundwasserspiegel

In einem Ödometerversuch im Labor erreicht eine 20 mm dicke Tonprobe, die oben und unten entwässert, in 5 min 50 % Konsolidation. Im Feld bildet derselbe Ton eine 10 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 = 20 mmtlab = 5 minH = 10 mFeld: einseitige Entwässerung
t = Tage
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 1,5 mH = 1 m

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.

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

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Öl, seine Oberkante liegt 1 m unter der Oberfläche. Bestimme die Tiefe ycp des Druckmittelpunkts unter der Oberfläche.

d = 1 mH = 1 mb = 1 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
Q = 30 L/sD = 150 mmL = 100 mf = 0,025

Wasser fließt mit 30 L/s durch ein 100 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 150 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,025 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

Q = 30 L/sL = 100 mD = 150 mmf = 0,025g = 9,81 m/s²
hf = m
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 10Δz = 8 mL = 100 m, D = 250 mm, f = 0,0222× Krümmer (K = 0,3)

Zwei offene Behälter sind durch ein 100 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 250 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,022 verbunden. Der Wasserspiegel des oberen Behälters liegt 8 m über dem des unteren. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 2 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. Bestimme den Durchfluss Q in L/s.

Δz = 8 mL = 100 mD = 250 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Q = L/s
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
D = 450 mmn = 0,013, S = 0,0008

Ein Regenwasserkanal aus Beton mit einem Innendurchmesser von 450 mm läuft gerade voll (als Freispiegelleitung, nicht unter Druck). Manning n = 0,013, und das Gefälle ist S = 0,0008. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

D = 450 mmn = 0,013S = 0,0008
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
b = 2 my = 0,8 m3 : 1n = 0,015, Q = 4,7 m³/s

Ein Trapezgerinne (Mauerwerk) mit einer Sohlbreite von 2 m und einer Böschungsneigung von 3:1 (horizontal:vertikal) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 0,8 m 4,7 m³/s abführen. Manning n = 0,015. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).

Q = 4,7 m³/sb = 2 my = 0,8 mz = 3n = 0,015
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 20 L/sH = 58 m

Eine Pumpe fördert 20 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 58 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.

Q = 20 L/sH = 58 mηpump = 72%ηmotor = 92%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 120 L/sΔz = 10 mL = 200 m, D = 250 mm, f = 0,015, ΣK = 6

Eine Pumpe fördert 120 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 10 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 200 m lang, hat einen Innendurchmesser von 250 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 6 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die Förderhöhe H, die die Pumpe aufbringen muss.

Q = 120 L/sΔz = 10 mL = 200 mD = 250 mmf = 0,015ΣK = 6
H = m
25.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre0123PV = ?€25 000

Du brauchst €25 000 in 3 Jahren. Ein Konto bringt 4,8 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Wie viel musst du heute einzahlen? Bestimme den Barwert PV.

FV = €25 0004,8% / 12n = 3
PV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…60€8 000A?AAA

Ein Darlehen von €8 000 wird über 5 Jahre in gleichen Monatsraten zurückgezahlt. Der Zinssatz beträgt 6 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Bestimme die Monatsrate A.

P = €8 0006% / 12N = 60
A = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre01234€60 000€2 000€2 000€2 000€2 000r = 6%, EAC = ?

Eine Maschine kostet heute €60 000, hält 4 Jahre und verursacht €2 000 Betriebskosten pro Jahr (am Ende jedes Jahres gezahlt). Die Kapitalkosten betragen 6 %. Bestimme ihre äquivalenten jährlichen Kosten EAC.

C0 = €60 000M = €2 000n = 4r = 6%
EAC = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre012−10 0005 5006 500

Ein Projekt kostet €10 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 2 €5 500, €6 500. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.

CF0 = −10 000CF1 = 5 500CF2 = 6 500
IRR = %
29.NormalverteilungMittel
−3−2−10123zschattierte Fläche rechts von z = 0,0735

Ziehe z so, dass die schattierte Fläche unter der Standardnormalverteilung rechts von z gleich 0,0735 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.

A = 0,0735
z =
30.NormalverteilungSchwer
380420460500540580620hoben 60%

Die Lebensdauern von Batterien sind normalverteilt mit dem Mittelwert 500 h und der Standardabweichung 40 h. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten oberen 60 % rechts davon liegen. Bestimme die Grenze x.

μ = 500 hσ = 40 h60%
x = h

3Lösungen

1.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 23,75 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.

Momente um A

Gegen den Uhrzeigersinn positiv.

ΣMA = 0: RB·8 − 40·3 − 10 = 0
RB = 130/8 = 16,25 kN

Vertikales Gleichgewicht

RA = 40 − 16,25 = 23,75 kN

Antwort

RA = 23,75 kN

Eine negative Auflagerkraft wirkt nach unten.

2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 12,8 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 = 10 kNABRA​RB​1 m9 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 = 4·1 = 4 kN, angreifend bei x̄ = 0,5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 10·1 + 4·1·0,5
RB = 12/10 = 1,2 kN
ΣFy = 0: RA = 14 − 1,2 = 12,8 kN

Antwort

RA = 12,8 kN
3.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: Stab DH

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 D

CD und DE liegen auf einer Geraden, und der Knoten trägt keine Last. Das Kräftegleichgewicht quer zu dieser Linie lässt nur DH übrig.

ΣF⊥ = 0 → FDH = 0

Mit dem Knotenpunktverfahren prüfen

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

AB: 26,25 kN (T), BC: 26,25 kN (T), CD: 22,5 kN (T), DE: 22,5 kN (T), FG: 45 kN (C), GH: 45 kN (C), AF: 43,75 kN (C), HE: 37,5 kN (C), BF: 10 kN (T), CG: 15 kN (C), DH: 0, FC: 31,25 kN (T), HC: 37,5 kN (T)

Antwort

Nullstab: DH
4.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: 30,83 kN (T), BC: 31,67 kN (T), CD: 31,67 kN (T), DE: 32,5 kN (T), FG: 30,83 kN (C), GH: 32,5 kN (C), AF: 1,042 kN (C), HE: 40,62 kN (C), BF: 0,625 kN (T), CG: 0, DH: 14,38 kN (T), BG: 1,042 kN (C), DG: 1,042 kN (T)

Antwort

Nullstab: CG
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mmax = 74 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·5 = 55·2 + 10·3
RB = 140/5 = 28 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 28 = 37 kN

Moment unter jeder Last

Behalte jeweils den Teil links von der Last.

unter P1: M = RA·2 = 37·2 = 74 kN·m
unter P2: M = RB·2 = 28·2 = 56 kN·m

Größter Wert

Mmax = 74 kN·m (unter P1)

Antwort

Mmax = 74 kN·m
6.Querkraft und Biegemoment

Antwort: F (x = 5 m)

Größtes Biegemoment: M ändert seine Steigung überall dort, wo sich die Querkraft ändert, seine Spitzen liegen also dort, wo die Querkraft null kreuzt: unter einer Einzellast, innerhalb einer Streckenlast oder über einem Auflager eines Kragarms. An einer Einspannung eines Kragarms ist das Moment an der Wand am größten. Vergleiche die Größe von M an diesen Stellen, positiv oder negativ.

Auflagerkräfte

Bilde Momente um ein Auflager und verwende dann das vertikale Kräftegleichgewicht.

R1 = 7,5 kN, R2 = 42,5 kN

Biegemoment an jeder Markierung

Summiere die Momente aller Kräfte auf einer Seite des Schnitts. Positiv ist ein durchhängendes Moment, negativ ein aufwölbendes.

MA = 0, MB = 5, MC = 5, MD = 0, ME = −10, MF = −25 kN·m, MG = 0

Antwort

Markierung F: MF = −25 kN·m
7.Durchbiegung

Antwort: δmax = 25,01 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 = 6 N/mm, L = 3000 mm
EI = 2,53 × 10¹¹ N·mm²

Durchbiegung

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·6·3000⁴/(384·2,53 × 10¹¹) = 25,01 mm

Antwort

δmax = 25,01 mm
8.Durchbiegung

Antwort: δmax = 4,773 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 = 17000 N, b = 1500 mm, L = 6000 mm
EI = 1,12 × 10¹³ N·mm²

Lage des Maximums

Setzt man die Neigung im längeren Abschnitt null, erhält man die Lage.

x = √((L² − b²)/3) = √((6000² − 1500²)/3) = 3354 mm

Maximale Durchbiegung

δmax = Pb(L² − b²)3/2/(9√3·EIL) = 4,773 mm

Antwort

δmax = 4,773 mm
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 111 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 = 100·30³/12 = 225000 mm⁴

Knicklänge

KL = 2·1000 = 2000 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·225000/2000² = 111033 N = 111 kN

Antwort

Pcr = 111 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 69,09 MPa

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

Kleinstes Flächenträgheitsmoment

Ein runder Querschnitt hat um jede Achse dasselbe I.

I = πd⁴/64 = π·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Trägheitsradius und Schlankheit

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 0,5·2000 = 1000 mm
KL/r = 1000/10 = 100

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/100² = 69,09 MPa

Antwort

σcr = 69,09 MPa
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: r = 112,1 mm

Flächenträgheitsmoment: Für ein Rechteck gilt um seine eigene Schwerachse I = bh³/12 und um seine Grundlinie bh³/3 (Satz von Steiner I = Ic + A·d²). Ein Loch wird berücksichtigt, indem man sein I abzieht, solange beide Teile dieselbe Achse haben. Das elastische Widerstandsmoment ist S = I/c, wobei c der Abstand zur Randfaser ist. Der Trägheitsradius r = √(I/A) ist der Abstand, in dem die ganze Fläche dasselbe I ergäbe; er wird beim Knicken von Stützen verwendet.

Nettofläche und Netto-Flächenträgheitsmoment

b = 192 mm, h = 272 mm
A = BH − bh = 220·300 − 192·272 = 13776 mm²
I = (BH³ − bh³)/12 = 1,73 × 10⁸ mm⁴

Trägheitsradius

r = √(I/A) = √(1,73 × 10⁸/13776) = 112,1 mm

Antwort

r = 112,1 mm
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 50,17 × 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 drei Rechtecke aufteilen

Miss jedes y von der Unterkante aus.

Obergurt: A = 1900 mm², y = 197 mm
Steg: A = 1800 mm², y = 102 mm
Untergurt: A = 3360 mm², y = 6 mm

Schwerpunkt

ȳ = (1900·197 + 1800·102 + 3360·6)/7060 = 81,88 mm

Satz von Steiner

Obergurt: 190·10³/12 + 1900·115,1² = 2,52 × 10⁷ mm⁴
Steg: 10·180³/12 + 1800·20,12² = 5,589 × 10⁶ mm⁴
Untergurt: 280·12³/12 + 3360·75,88² = 1,939 × 10⁷ mm⁴
Ix = 2,52 × 10⁷ + 5,589 × 10⁶ + 1,939 × 10⁷
Ix = 5,017 × 10⁷ mm⁴ = 50,17 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 50,17 × 10⁶ mm⁴
13.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ′ = 100,8 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) = 16,5·4 + 18,5·4 = 140 kPa

Porenwasserdruck

Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.

u = γw·(z − zw) = 9,81·4 = 39,24 kPa

Effektive Spannung

σ′ = σ − u = 140 − 39,24 = 100,8 kPa

Antwort

σ′ = 100,8 kPa
14.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ′ = 95,14 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·2 + γsat,sand·4 + γsat,clay·2
σ = 17·2 + 20,5·4 + 19·2 = 154 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 = 154 − 58,86 = 95,14 kPa

Antwort

σ′ = 95,14 kPa
15.Konsolidationssetzung

Antwort: S = 28,74 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 = 60 + 85 = 145 kPa ≤ 160 kPa

Setzung

Der Ton bleibt auf seiner Wiederbelastungslinie.

S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,06·2,5/(1 + 1)·log₁₀(145/60) = 28,74 mm

Antwort

S = 28,74 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 3472 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 = 20/2 = 10 mm = 0,01 m
Hdr,field = 10 m

Die Zeit umrechnen

t = Tv·Hdr²/cv mit demselben T_v und cv im Labor und im Feld.

tfield = 5·(10/0,01)² = 5 × 10⁶ min
tfield = 5 × 10⁶/1440 = 3472 Tage

Antwort

t = 3472 Tage
17.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 19,62 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 + 1/2 = 2 m
A = H·b = 1·1 = 1 m²
Schützd = 1,5 mH = 1 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2·1 = 19,62 kN

Antwort

F = 19,62 kN
18.Hydrostatische Kraft

Antwort: ycp = 1,556 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 + 1/2 = 1,5 m
A = H·b = 1·1 = 1 m²
Schützd = 1 mH = 1 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·1,5·1 = 12,95 kN

Druckmittelpunkt

Der Druck nimmt mit der Tiefe zu, daher greift die Resultierende unterhalb des Schwerpunkts an.

Ic = b·H³/12 = 1·1³/12 = 0,08333 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 1,5 + 0,08333/(1,5·1) = 1,556 m

Antwort

ycp = 1,556 m
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 2,448 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·0,15²/4 = 0,01767 m²
V = Q/A = 0,03/0,01767 = 1,698 m/s

Geschwindigkeitshöhe

V²/(2g) = 1,698²/(2·9,81) = 0,1469 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(100/0,15)·1,698²/(2·9,81) = 2,448 m

Antwort

hf = 2,448 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Q = 134,5 L/s

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.

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,022·100/0,25 = 8,8
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 + 1,0 = 12,1

Energiegleichung

Beide Wasserspiegel sind offen zur Atmosphäre und praktisch in Ruhe, daher geht das gesamte Δz in der Rohrleitung verloren.

8 = (8,8 + 12,1)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·8/20,9) = 2,74 m/s

Volumenstrom

Q = V·π·D²/4 = 2,74·0,04909 = 0,1345 m³/s = 134,5 L/s

Antwort

Q = 134,5 L/s
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 0,08064 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 = 0,159 m², R = D/4 = 0,1125 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,013)·0,11252/3·0,00081/2 = 0,507 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 0,159·0,507 = 0,08064 m³/s

Antwort

Q = 0,08064 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,001015 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 + z·y)·y = (2 + 3·0,8)·0,8 = 3,52 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 2 + 2·0,8·√(1 + 3²) = 7,06 m
R = A/P = 0,4986 m

Manning nach S auflösen

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,015·4,7/(3,52·0,6288) = 0,03185
S = 0,03185² = 0,001015

Antwort

S = 0,001015

Das ist ein Gefälle von 1,015 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pel = 17,18 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 = 1000·9,81·0,02·58 = 11,38 kW

Wellenleistung

Pshaft = 11,38/0,72 = 15,8 kW

Elektrische Leistung

Pel = 15,8/0,92 = 17,18 kW

Antwort

Pel = 17,18 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: H = 15,48 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.

Geschwindigkeit

V = Q/A = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s
V²/(2g) = 0,3046 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (12 + 6)·0,3046 = 5,483 m

Förderhöhe

Beide Wasserspiegel sind offen und praktisch in Ruhe, daher entfallen Druck- und Geschwindigkeitsterme.

H = Δz + hL = 10 + 5,483 = 15,48 m

Antwort

H = 15,48 m
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: PV = 21653 €

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 und Anzahl der Perioden

i = 0,048/12 = 0,004
N = 12·3 = 36

Barwert

PV = FV/(1 + i)N = 25 000/1,155 = €21 653,41

Antwort

PV = €21 653,41
26.Zeitwert des Geldes

Antwort: A = 154,7 €

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 Raten

i = 0,06/12 = 0,005
N = 12·5 = 60

Rate

Der Barwert von N gleichen Raten A ist A·(1 − (1 + i)⁻ᴺ)/i. Setze ihn gleich dem Darlehen und löse nach A auf.

(1 + i)−N = 0,7414
A = 8 000·0,005/(1 − 0,7414) = €154,66

Antwort

A = €154,66
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: EAC = 19315 €

Äquivalente jährliche Kosten: Verteile den Barwert aller Kosten als gleichen jährlichen Betrag (eine Rente) über die Lebensdauer: EAC = PV·r/(1 − (1 + r)⁻ⁿ). So lassen sich Maschinen mit unterschiedlicher Lebensdauer vergleichen.

Rentenbarwertfaktor

(1 − 1,06−4)/0,06 = 3,465

Annualisierter Kaufpreis

60 000/3,465 = 17 315,49

EAC

EAC = 17 315,49 + 2 000 = €19 315,49

Antwort

EAC = €19 315,49
28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 12,68 %

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(10%) = 371,90
NPV(15%) = −302,46

Eingrenzen

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

IRR ≈ 10 + 5·371,90/(371,90 − (−302,46)) = 12,76%
exakt: NPV(12,68%) = 0 → IRR = 12,68%

Antwort

IRR = 12,68%
29.Normalverteilung

Antwort: z = 1,45

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 − 0,0735 = 0,9265

Die z-Tabelle rückwärts lesen

Finde 0,9265 in der Tabelle und lies z ab.

z = 1,45

Antwort

z = 1,45
30.Normalverteilung

Antwort: x = 490 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) = 0,4

z aus der Tabelle

z ≈ −0,25

Zurück zu den ursprünglichen Einheiten

x = 500 − 0,25·40 = 490 h

Antwort

x = 490 h

Dies ist unabhängiges Übungsmaterial. ExamProblems ist nicht mit der Organisation verbunden, die diese Prüfung durchführt, und wird von ihr nicht unterstützt; der Prüfungsname dient nur zur Beschreibung des Inhalts. Die FE exam wird von NCEES durchgeführt; diese Organisation ist nicht mit ExamProblems verbunden und unterstützt es nicht.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-civil