Übungsaufgaben für die Prüfung FE Civil: Lernpaket

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

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1Formeln und Methoden

Auflagerkräfte am Balken

Gleichgewicht
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Gleichstreckenlast
Resultierende w·L in der Mitte der Last
Moment
M = F·d

Methode

  1. Zeichne ein Freikörperbild und ersetze jedes Lager durch seine Lagerreaktionen.
  2. Ersetze jede verteilte Last durch eine Einzelkraft in ihrem Schwerpunkt.
  3. Bilde die Momente um ein Lager, um die Reaktion am anderen zu bestimmen.
  4. Bestimme mit ΣFy = 0 die verbleibende Reaktion und kontrolliere mit einer zweiten Momentengleichung.

Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Knotenpunktverfahren
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
Schnittverfahren
ΣM = 0 about a cut point
Stabkraft
positiv = Zug, negativ = Druck

Methode

  1. Bestimme die Lagerreaktionen für das ganze Fachwerk.
  2. Knotenpunktverfahren: Beginne an einem Knoten mit höchstens zwei unbekannten Stabkräften und verwende ΣFx = 0 und ΣFy = 0.
  3. Ritterschnittverfahren: Schneide durch den gesuchten Stab und bilde die Momente um den Punkt, in dem sich die anderen unbekannten Stäbe schneiden.
  4. Nimm Zug an; ein negatives Ergebnis bedeutet Druck.

Querkraft und Biegemoment

Querkraft und Moment
V = ΣF auf einer Seite, M = ΣF·d auf einer Seite
Biegespannung
σ = M·y/I
Rechteck
I = bh³/12
Widerstandsmoment
W = I/ymax
Einfeldträger, Gleichstreckenlast
Mmax = wL²/8

Methode

  1. Bestimme die Lagerreaktionen aus dem Gleichgewicht des ganzen Balkens.
  2. Schneide den Balken an der gesuchten Stelle und behalte eine Seite.
  3. Querkraft: Summe der vertikalen Kräfte auf dieser Seite. Biegemoment: Summe ihrer Momente um die Schnittstelle.
  4. Für das maximale Moment suchst du die Stelle, an der die Querkraft null ist.

Durchbiegung

Einzellast in Feldmitte
δ = PL³/(48EI)
Gleichstreckenlast, Einfeldträger
δ = 5wL⁴/(384EI)
Kragarm, Endlast
δ = PL³/(3EI)
Kragarm, Gleichstreckenlast
δ = wL⁴/(8EI)
Überlagerungssatz
δ = δ1 + δ2

Knicken von Stützen

Eulersche Knicklast
Pcr = π²EI/(KL)²
Knicklängenbeiwert
K = 1 gelenkig–gelenkig, 0,5 eingespannt–eingespannt, 0,7 eingespannt–gelenkig, 2 eingespannt–frei
Kritische Spannung
σcr = Pcr/A
Schlankheit
λ = KL/r, r = √(I/A)

Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Schwerpunkt
ȳ = ΣAiyi/ΣAi
Rechteck
I = bh³/12
Satz von Steiner
I = Ic + A·d²
Zusammengesetzter Querschnitt
I = Σ(Ic,i + Aidi²)

Effektive Spannung im Boden

Totale Spannung
σ = Σγi·hi
Porenwasserdruck
u = γw·(z − zw)
Effektive Spannung
σ′ = σ − u
Wasser
γw = 9,81 kN/m³

Konsolidationssetzung

Normal konsolidiert
S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0)
Endspannung
σ′f = σ′0 + Δσ (at mid-depth of the layer)
Überkonsolidiert, σ′f ≤ σ′p
S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0)
Überkonsolidiert, σ′f > σ′p
S = H/(1 + e0)·[Cr·log₁₀(σ′p/σ′0) + Cc·log₁₀(σ′f/σ′p)]
Überkonsolidierungsgrad
OCR = σ′p/σ′0
Konsolidierungszeit
t = Tv·Hdr²/cv
Dränweg
Hdr = H/2 (zweiseitige Entwässerung), H (einseitige Entwässerung)
Zeitfaktoren
U 50% → 0,197, 60% → 0,287, 70% → 0,403, 80% → 0,567, 90% → 0,848

Hydrostatische Kraft

Druck in der Tiefe
p = ρgh
Kraft auf eine senkrechte Wand
F = ρg·hc·A
Druckmittelpunkt
yp = yc + Ic/(ycA)
Rechteck
Ic = bH³/12

Rohrreibung und Verlusthöhe

Reynolds-Zahl
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Strömungsform
laminar unter Re ≈ 2000, turbulent über Re ≈ 4000
Mittlere Geschwindigkeit
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Örtliche Verluste
hm = ΣK·V²/(2g)
Typische K-Werte
Einlauf 0,5, Auslauf 1,0, 90°-Krümmer ≈ 0,3
Druckverlust
Δp = ρ·g·hf
Zwei offene Behälter
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Freier Auslauf
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Gerinneströmung (Manning)

Manning-Gleichung
V = (1/n)·R2/3·S1/2
Volumenstrom
Q = A·V
Hydraulischer Radius
R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
Rechteck
A = b·y, P = b + 2y
Trapez (Böschungsneigung z:1)
A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
Kreisrohr, voll oder halb gefüllt
R = D/4
Erforderliches Gefälle
S = (n·Q/(A·R2/3))²

Pumpen und Pumpenleistung

Hydraulische Leistung
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Wellenleistung
Pshaft = Ph/ηpump
Elektrische Leistung
Pel = Pshaft/ηmotor
Förderhöhe
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Anlagenverluste
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Zeitwert des Geldes

Endwert
FV = PV·(1 + i)n
Barwert
PV = FV/(1 + i)n
Mehrere Perioden pro Jahr
i = r/m, N = m·n
Rente, Barwert
PV = PMT·[1 − (1 + i)−n]/i
Rente, Endwert
FV = PMT·[(1 + i)n − 1]/i

Methode

  1. Zeichne einen Zeitstrahl mit jeder Zahlung und ihrem Zeitpunkt.
  2. Passe den Zinssatz an die Periode an: ein Monatszins für monatliche Zahlungen.
  3. Verwende FV = PV·(1 + i)ⁿ für Einzelbeträge und die Rentenformeln für gleich hohe Zahlungen.
  4. Prüfe Vorzeichen und Größenordnung des Ergebnisses.

Kapitalwert & interner Zinsfuß

Kapitalwert
NPV = −C0 + Σ CFt/(1 + r)t
Gleiche Zahlungen
NPV = −C0 + CF·[1 − (1 + r)−n]/r
Interner Zinsfuß
das r, bei dem NPV = 0
Entscheidung
annehmen, wenn NPV > 0 (oder IRR > geforderte Rendite)

Methode

  1. Liste alle Zahlungen mit ihrem Jahr auf; die Investition in Jahr 0 ist negativ.
  2. Zinse jede Zahlung ab: CFt/(1 + r)t.
  3. Addiere sie zum Kapitalwert (NPV). Positiv bedeutet, dass das Projekt mehr als r erwirtschaftet.
  4. Für den internen Zinsfuß (IRR) suchst du durch Probieren oder Interpolation den Zinssatz, bei dem der Kapitalwert null ist.

Normalverteilung

z-Wert
z = (x − μ)/σ
Unterhalb von x
P(X < x) = Φ(z)
Oberhalb von x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
Dazwischen
Φ(z2) − Φ(z1)
Perzentil
x = μ + z·σ

Methode

  1. Rechne den Wert in einen z-Wert um: z = (x − μ)/σ.
  2. Lies Φ(z) ab, die Fläche links von z.
  3. Für die Fläche rechts verwende 1 − Φ(z); für ein Intervall subtrahiere die beiden linken Flächen.
  4. Für ein Perzentil rechnest du rückwärts: Bestimme z zur Fläche, dann x = μ + z·σ.

2Übungsaufgaben

1.Auflagerkräfte am BalkenMittel
P1​ = 30 kNP2​ = 25 kNABRA​ = ?RB​1 m4 m5 m

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

L = 10 mP1 = 30 kN bei 1 mP2 = 25 kN bei 5 m
RA = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 12 kN/mP = 50 kNABRA​ = ?RB​6 m2 m1 m1 m

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

L = 10 mP = 50 kN bei 6 mw = 12 kN/m von 8 bis 9 m
RA = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABCDEFGH40 kN10 kN10 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: 40 kN ↓C: 10 kN ↓D: 10 kN ↓F: 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
ABCDEFGH30 kN30 kN25 kN30 kN4 × 3 m3 m

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

B: 30 kN ↓D: 30 kN ↓F: 25 kN ↓F: 30 kN →
  1. 1Stab AB
  2. 2Stab BC
  3. 3Stab CD
  4. 4Stab DE
  5. 5Stab FG
  6. 6Stab GH
  7. 7Stab AF
  8. 8Stab HE
  9. 9Stab BF
  10. 10Stab CG
  11. 11Stab DH
  12. 12Stab FC
  13. 13Stab HC
5.Querkraft und BiegemomentMittel
M0​ = 40 kN·mAB7 m3 m

Der Einfeldträger trägt bei x = 7 m von A ein Moment M0 = 40 kN·m im Uhrzeigersinn und sonst keine Last. Bestimme das Biegemoment Mx unmittelbar rechts vom eingeprägten Moment. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.

L = 10 mM0 = 40 kN·m im Uhrzeigersinn, bei 7 m
Mx = kN·m
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
w = 3 kN/mABC5 m1 m

Der Balken liegt in A auf einem Festlager und in B auf einem Loslager und kragt über B um 1 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 = 6 mw = 3 kN/m von 0 bis 6 mAuflager bei x = 0 und x = 5 m
Mmax = kN·m
7.DurchbiegungMittel
P = 28 kNABδ1,5 m0,5 m

Ein Kragarm der Länge L ist in A eingespannt und trägt eine Einzellast P im Abstand a = 1,5 m von A. Bestimme die Durchbiegung δP unter der Last.

P = 28 kNa = 1,5 mL = 2 mE = 200 GPa (Stahl)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
8.DurchbiegungSchwer
w = 6 kN/mδL = 5 m

Ein Einfeldträger trägt eine Gleichstreckenlast w. Seine Durchbiegung darf Spannweite/360 nicht überschreiten. Bestimme das kleinste Flächenträgheitsmoment Ireq, das diese Grenze einhält.

w = 6 kN/mL = 5 mE = 70 GPa (Aluminium)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von StützenMittel
PL = 1 md = 40 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)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
P = 55 kNL = 5 md = ?Querschnitt

Eine runde Vollstütze der Länge L aus Aluminium ist unten eingespannt und oben frei. Sie muss 55 kN mit einer Sicherheit von 2 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.

P = 55 kNn = 2L = 5 mE = 70 GPa (Aluminium)
d = mm
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
200 mm150 mm97,5 mmØ50xIx​ = ?

Eine Platte von 200 mm × 150 mm hat ein kreisförmiges Loch mit dem Durchmesser 50 mm auf ihrer vertikalen Mittellinie, dessen Mittelpunkt 97,5 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.

b = 200 mmh = 150 mmd = 50 mmLochmittelpunkt: y = 97,5 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
3001512012xM = 10 kN·mMaße in mm

Der T-Querschnitt wird als Balken mit dem Flansch oben verwendet und trägt ein positives Biegemoment von 10 kN·m. Bestimme die Biegespannung σunten an der Unterkante.

bf = 300 mmtf = 15 mmtw = 12 mmhw = 120 mmM = 10 kN·m
σunten = MPa
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 15 kN/m³γsat​ = 20,5 kN/m³14 mGrundwasserspiegelXz = 8 m

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

z = 8 mzw = 3 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 15 kN/m³Sand: γsat = 20,5 kN/m³
σ′ = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 15 kN/m³γsat​ = 19 kN/m³5 mTonγsat​ = 17,5 kN/m³5 mGrundwasserspiegelXz = 7,5 m

Bestimme für das gezeigte Bodenprofil den Porenwasserdruck u im Punkt X.

z = 7,5 mzw = 2 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 15 kN/m³Sand: γsat = 19 kN/m³Ton: γsat = 17,5 kN/m³
u = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 45 kPaSandTonCc​ = 0,4, Cr​ = 0,06e0​ = 0,75σ′0​ = 85 kPaσ′p​ = 205 kPa2 mGrundwasserspiegel

Eine 2 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,4, Cr = 0,06 und e₀ = 0,75. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 85 kPa und die Vorbelastungsspannung 205 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 45 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 2 mCc = 0,4Cr = 0,06e0 = 0,75σ′0 = 85 kPaσ′p = 205 kPaΔσ = 45 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 8 m8 mSandGrundwasserspiegel

In einem Ödometerversuch im Labor erreicht eine 25 mm dicke Tonprobe, die oben und unten entwässert, in 5 min 50 % Konsolidation. Im Feld bildet derselbe Ton eine 8 m dicke Schicht. Sie liegt zwischen zwei Sandschichten, das Wasser kann also oben und unten austreten. Wie viele Tage t braucht die Schicht im Feld, um 50 % Konsolidation zu erreichen?

hlab = 25 mmtlab = 5 minH = 8 mFeld: zweiseitige Entwässerung
t = Tage
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 2,5 mH = 2,5 m

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 3 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Wasser, seine Oberkante liegt 2,5 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.

d = 2,5 mH = 2,5 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
18.Hydrostatische KraftSchwer
Schützd = 2 mH = 1,5 m

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 2 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Glycerin, seine Oberkante liegt 2 m unter der Oberfläche. Bestimme die Tiefe ycp des Druckmittelpunkts unter der Oberfläche.

d = 2 mH = 1,5 mb = 2 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 1,6 m/sD = 50 mmL = 50 mf = 0,022

Wasser fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 1,6 m/s durch ein 50 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 50 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,022 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

V = 1,6 m/sL = 50 mD = 50 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 2Δz = ?L = 100 m, D = 150 mm, f = 0,023× Krümmer (K = 0,3)

Zwei offene Behälter sind durch ein 100 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 150 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,02 verbunden. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 3 Krümmer (je K = 0,3), ein Ventil (K = 2) und der Auslauf in den unteren Behälter (K = 1,0). Verwende g = 9,81 m/s². Welcher Wasserspiegelunterschied Δz zwischen den Behältern ergibt einen Durchfluss von 20 L/s?

Q = 20 L/sL = 100 mD = 150 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
b = 2,5 my = 0,8 m1 : 1n = 0,012, S = 0,004

Ein Trapezgerinne (glatter Beton) hat eine Sohlbreite von 2,5 m und eine Böschungsneigung von 1:1 (horizontal:vertikal). Wasser fließt gleichförmig 0,8 m tief. Manning n = 0,012, und das Sohlgefälle ist S = 0,004. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

b = 2,5 my = 0,8 mz = 1n = 0,012S = 0,004
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
b = 3 my = 1,9 m1 : 1n = 0,022, Q = 25 m³/s

Ein Trapezgerinne (sauberes Erdreich) mit einer Sohlbreite von 3 m und einer Böschungsneigung von 1:1 (horizontal:vertikal) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 1,9 m 25 m³/s abführen. Manning n = 0,022. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).

Q = 25 m³/sb = 3 my = 1,9 mz = 1n = 0,022
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 40 L/sH = 74 m

Eine Pumpe fördert 40 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 74 m. Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 65 %, und der antreibende Elektromotor hat einen Wirkungsgrad von 95 %. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die elektrische Leistung Pel, die der Motor aufnimmt, in kW.

Q = 40 L/sH = 74 mηpump = 65%ηmotor = 95%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
350 kPa (Überdruck)PQ = 60 L/sΔz = 6 mL = 600 m, D = 200 mm, f = 0,02, ΣK = 6

Eine Pumpe fördert 60 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 600 m lang, hat einen Innendurchmesser von 200 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,02; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 6 (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.

Q = 60 L/sΔz = 6 mL = 600 mD = 200 mmf = 0,02ΣK = 6ptank = 350 kPa
H = m
25.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre012€5 000FV = ?

Du legst €5 000 zu 5 % pro Jahr bei stetiger Verzinsung an. Bestimme den Wert FV nach 2 Jahren.

PV = €5 000r = 5%t = 2
FV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…96€300€300€300FV = ?

Du sparst 8 Jahre lang am Ende jedes Monats €300. Das Konto bringt 3 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Wie viel hast du am Ende gespart? Bestimme FV.

A = €3003% / 12N = 96
FV = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre01234−75 00034 00026 00024 00021 000

Eine Investition von €75 000 bringt am Ende der Jahre 1 bis 4 diese Zahlungen: €34 000, €26 000, €24 000, €21 000. Die Kapitalkosten betragen 9 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

r = 9%CF0 = −75 000CF1 = 34 000CF2 = 26 000CF3 = 24 000CF4 = 21 000
NPV = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123−25 00017 0009 50013 000

Ein Projekt kostet €25 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 €17 000, €9 500, €13 000. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.

CF0 = −25 000CF1 = 17 000CF2 = 9 500CF3 = 13 000
IRR = %
29.NormalverteilungMittel
438550P = ?

Die Lebensdauern von Batterien sind normalverteilt mit dem Mittelwert 500 h und der Standardabweichung 40 h. Welcher Anteil liegt zwischen 438 und 550 h? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 500σ = 40x1 = 438x2 = 550
P =
30.NormalverteilungSchwer
μ = 500x = ?75%

Die Lebensdauern von Batterien sind normalverteilt mit dem Mittelwert 500 h und der Standardabweichung 40 h. Bestimme den Wert x, unter dem 75 % von ihnen liegen (das 75. Perzentil).

μ = 500σ = 40P = 75%
x = h

3Lösungen

1.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 39,5 kN

Statisches Gleichgewicht: Für einen ruhenden Körper gilt ΣFx = 0, ΣFy = 0 und ΣM = 0 um jeden Punkt. Bildet man die Momente um ein Auflager, fällt dessen Auflagerkraft aus der Gleichung heraus.

P1​ = 30 kNP2​ = 25 kNABRA​RB​1 m4 m5 m

Freikörperbild

Ersetze die Lager durch Auflagerkräfte. Ein Loslager gibt eine vertikale Kraft; bei nur vertikalen Lasten gibt auch das Festlager nur eine vertikale Kraft.

Gleichgewicht

Momente um A, gegen den Uhrzeigersinn positiv. Dann das Kräftegleichgewicht in vertikaler Richtung.

ΣMA = 0: RB·10 = 30·1 + 25·5
RB = 155/10 = 15,5 kN
ΣFy = 0: RA = 55 − 15,5 = 39,5 kN

Antwort

RA = 39,5 kN
2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 21,8 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 = 12 kN/mP = 50 kNABRA​RB​6 m2 m1 m1 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 = 12·1 = 12 kN, angreifend bei x̄ = 8,5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 50·6 + 12·1·8,5
RB = 402/10 = 40,2 kN
ΣFy = 0: RA = 62 − 40,2 = 21,8 kN

Antwort

RA = 21,8 kN
3.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: Stab CG

Nullstäbe: An einem Knoten müssen sich die Kräfte in jeder Richtung ausgleichen. Hat ein Knoten keine Last und kein Auflager und liegen zwei seiner drei Stäbe in einer Linie, dann betrifft das Gleichgewicht quer zu dieser Linie nur den dritten Stab, seine Kraft ist also null. Treffen sich an einem unbelasteten Knoten nur zwei Stäbe, die nicht in einer Linie liegen, sind beide null.

Knoten G

FG und GH 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: 36,56 kN (T), BC: 36,56 kN (T), CD: 19,69 kN (T), DE: 19,69 kN (T), FG: 31,88 kN (C), GH: 31,88 kN (C), AF: 60,94 kN (C), HE: 32,81 kN (C), BF: 40 kN (T), CG: 0, DH: 10 kN (T), FC: 7,813 kN (C), HC: 20,31 kN (T)

Antwort

Nullstab: CG
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 G

FG und GH 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: 71,25 kN (T), BC: 71,25 kN (T), CD: 43,75 kN (T), DE: 43,75 kN (T), FG: 57,5 kN (C), GH: 57,5 kN (C), AF: 58,34 kN (C), HE: 61,87 kN (C), BF: 30 kN (T), CG: 0, DH: 30 kN (T), FC: 19,45 kN (C), HC: 19,45 kN (T)

Antwort

Nullstab: CG
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mx = 12 kN·m

Schnittverfahren: Schneide den Balken dort, wo du die Schnittgrößen brauchst, und behalte eine Seite. Die Querkraft V hält den vertikalen Kräften dieser Seite das Gleichgewicht, das Biegemoment M ihren Momenten um den Schnitt. Ein eingeprägtes Moment lässt die Momentenlinie um die Größe dieses Moments springen.

Auflagerkräfte

Momente um A, gegen den Uhrzeigersinn positiv: RB·L − M0 = 0. Vertikales Gleichgewicht: RA + RB = 0.

RB = M0/L = 40/10 = 4 kN (nach oben)
RA = −RB = −4 kN (nach unten)

Schnitt unmittelbar rechts vom eingeprägten Moment

Der linke Teil enthält jetzt RA und das eingeprägte Moment.

Mx = RA·a + M0 = −4·7 + 40 = 12 kN·m

Antwort

Mx = 12 kN·m
6.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mmax = 8,64 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 = 3·6 = 18 kN, angreifend bei x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·5 = 3·6·3
RB = 54/5 = 10,8 kN
ΣFy = 0: RA = 18 − 10,8 = 7,2 kN

Querkraftnullstelle

RA − w·x0 = 0 → x0 = 7,2/3 = 2,4 m

Maximales positives Moment

Mmax = RA·x0 − w·x0²/2 = RA²/(2w) = 7,2²/(2·3) = 8,64 kN·m

Antwort

Mmax = 8,64 kN·m
7.Durchbiegung

Antwort: δP = 6,848 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 = 28000 N, a = 1500 mm, L = 2000 mm
EI = 4,6 × 10¹² N·mm²

Durchbiegung unter der Last

δP = Pa³/(3EI) = 28000·1500³/(3·4,6 × 10¹²) = 6,848 mm

Antwort

δP = 6,848 mm
8.Durchbiegung

Antwort: Ireq = 50,22 × 10⁶ mm⁴

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).

Grenzwert der Durchbiegung

δallow = L/360 = 5000/360 = 13,89 mm

Erforderliches Flächenträgheitsmoment

I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·6·5000⁴/(384·70000·13,89) = 5,022 × 10⁷ mm⁴
Ireq = 50,22 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ireq = 50,22 × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 62,01 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 runder Querschnitt hat um jede Achse dasselbe I.

I = πd⁴/64 = π·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Knicklänge

KL = 2·1000 = 2000 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/2000² = 62013 N = 62,01 kN

Antwort

Pcr = 62,01 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: d = 134,2 mm

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

Erforderliche kritische Last

Pcr = n·P = 2·55000 = 110000 N
KL = 2·5000 = 10000 mm

Nach dem Durchmesser auflösen

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·110000·10000²/(π³·70000))^(1/4) = 134,2 mm

Antwort

d = 134,2 mm

Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 298,1, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.

11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 54,88 × 10⁶ mm⁴

Querschnitte mit Löchern: Behandle ein Loch als negative Fläche. Der Flächenschwerpunkt ist ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), mit A₁, y₁ für die volle Platte und A₂, y₂ für das Loch. Verwende für das Flächenträgheitsmoment um die Schwerachse für jeden Teil den Satz von Steiner und subtrahiere das Loch: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), wobei d der Abstand vom eigenen Schwerpunkt jedes Teils zur Achse durch ȳ ist. Ein Rechteck hat Ic = bh³/12 und ein Kreis Ic = πd⁴/64.

Schwerpunkt

ȳ = (30000·75 − 1963·97,5)/(30000 − 1963) = 73,42 mm

Volle Platte um ȳ

200·150³/12 + 30000·1,576² = 56,32 × 10⁶ mm⁴

Loch um ȳ

π·50⁴/64 + 1963·24,08² = 1,445 × 10⁶ mm⁴

Subtrahieren

Ix = 54,88 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 54,88 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: σunten = 163,8 MPa

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 = 300·15 = 4500 mm², yf = 120 + 15/2 = 127,5 mm
Steg: Aw = 12·120 = 1440 mm², yw = 120/2 = 60 mm

Schwerpunkt

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (4500·127,5 + 1440·60)/5940 = 111,1 mm

Satz von Steiner

Flansch: 300·15³/12 + 4500·(127,5 − 111,1)² = 1,289 × 10⁶ mm⁴
Steg: 12·120³/12 + 1440·(60 − 111,1)² = 5,493 × 10⁶ mm⁴
Ix = 1,289 × 10⁶ + 5,493 × 10⁶ = 6,783 × 10⁶ mm⁴

Biegespannung

Die Unterkante liegt ȳ von der Achse entfernt.

y = 111,1 mm
σ = M·y/I = 1 × 10⁷·111,1/6,783 × 10⁶ = 163,8 MPa

Antwort

σunten = 163,8 MPa
13.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ′ = 98,45 kPa

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

Totale Spannung

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

σ = γd·zw + γsat·(z − zw) = 15·3 + 20,5·5 = 147,5 kPa

Porenwasserdruck

Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.

u = γw·(z − zw) = 9,81·5 = 49,05 kPa

Effektive Spannung

σ′ = σ − u = 147,5 − 49,05 = 98,45 kPa

Antwort

σ′ = 98,45 kPa
14.Effektive Spannung im Boden

Antwort: u = 53,96 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) = 9,81·5,5 = 53,96 kPa

Antwort

u = 53,96 kPa
15.Konsolidationssetzung

Antwort: S = 12,65 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 = 85 + 45 = 130 kPa ≤ 205 kPa

Setzung

Der Ton bleibt auf seiner Wiederbelastungslinie.

S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,06·2/(1 + 0,75)·log₁₀(130/85) = 12,65 mm

Antwort

S = 12,65 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 355,6 Tage

Primärkonsolidation einer Tonschicht der Dicke H, mit der effektiven Spannung in der Schichtmitte: σ′f = σ′0 + Δσ. Normal konsolidierter Ton: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Überkonsolidierter Ton wird bis zur Vorbelastungsspannung σ′p entlang Cr wiederbelastet und folgt erst darüber Cc. Zeit: t = Tv·Hdr²/cv, wobei der Dränweg Hdr gleich H/2 ist, wenn das Wasser oben und unten austreten kann, und gleich H, wenn nur eine Seite entwässert.

Dränwege

Hdr,lab = 25/2 = 12,5 mm = 0,0125 m
Hdr,field = 8/2 = 4 m

Die Zeit umrechnen

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

tfield = 5·(4/0,0125)² = 512000 min
tfield = 512000/1440 = 355,6 Tage

Antwort

t = 355,6 Tage
17.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 275,9 kN

Hydrostatische Kraft auf eine ebene Fläche: F = ρ·g·yc·A. Sie greift im Druckmittelpunkt an, ycp = yc + Ic/(ycA), der immer unterhalb des Schwerpunkts liegt.

Schwerpunkttiefe und Fläche

yc = d + H/2 = 2,5 + 2,5/2 = 3,75 m
A = H·b = 2,5·3 = 7,5 m²
Schützd = 2,5 mH = 2,5 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3,75·7,5 = 275,9 kN

Antwort

F = 275,9 kN
18.Hydrostatische Kraft

Antwort: ycp = 2,818 m

Hydrostatische Kraft auf eine ebene Fläche: F = ρ·g·yc·A. Sie greift im Druckmittelpunkt an, ycp = yc + Ic/(ycA), der immer unterhalb des Schwerpunkts liegt.

Schwerpunkttiefe und Fläche

yc = d + H/2 = 2 + 1,5/2 = 2,75 m
A = H·b = 1,5·2 = 3 m²
Schützd = 2 mH = 1,5 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·2,75·3 = 102 kN

Druckmittelpunkt

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

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

Antwort

ycp = 2,818 m
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 2,871 m

Rohrströmung: Die Reynolds-Zahl Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ unterscheidet laminare Strömung (Re unter etwa 2000) von turbulenter Strömung (über etwa 4000). Reibung entlang eines Rohrs kostet die Verlusthöhe nach Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Formstücke, Armaturen, Einlauf und Auslauf erzeugen zusätzlich örtliche Verluste hm = ΣK·V²/(2g). Zwischen zwei offenen Wasserspiegeln liefert die Energiegleichung Δz = hf + hm, einschließlich des Auslaufverlusts K = 1.

Geschwindigkeitshöhe

V²/(2g) = 1,6²/(2·9,81) = 0,1305 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(50/0,05)·1,6²/(2·9,81) = 2,871 m

Antwort

hf = 2,871 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Δz = 1,158 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 = 0,02/0,01767 = 1,132 m/s
V²/(2g) = 0,06529 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,02·100/0,15 = 13,33
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 + 1,0 = 4,4

Gesamte Verlusthöhe

hf = 13,33·0,06529 = 0,8705 m
hm = 4,4·0,06529 = 0,2873 m
Δz = hf + hm = 1,158 m

Antwort

Δz = 1,158 m
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 9,389 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 + 1·0,8)·0,8 = 2,64 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 2,5 + 2·0,8·√(1 + 1²) = 4,763 m
R = A/P = 0,5543 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,012)·0,55432/3·0,0041/2 = 3,556 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 2,64·3,556 = 9,389 m³/s

Antwort

Q = 9,389 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,00303 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 = (3 + 1·1,9)·1,9 = 9,31 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 3 + 2·1,9·√(1 + 1²) = 8,374 m
R = A/P = 1,112 m

Manning nach S auflösen

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,022·25/(9,31·1,073) = 0,05505
S = 0,05505² = 0,00303

Antwort

S = 0,00303

Das ist ein Gefälle von 3,03 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pel = 47,02 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 = 1000·9,81·0,04·74 = 29,04 kW

Wellenleistung

Pshaft = 29,04/0,65 = 44,67 kW

Elektrische Leistung

Pel = 44,67/0,95 = 47,02 kW

Antwort

Pel = 47,02 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: H = 53,95 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 = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (60 + 6)·0,1859 = 12,27 m

Druckhöhe

p/(ρ·g) = 350000/(1000·9,81) = 35,68 m

Förderhöhe

Beide Wasserspiegel sind praktisch in Ruhe, daher gibt es keinen Geschwindigkeitsterm.

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 6 + 35,68 + 12,27 = 53,95 m

Antwort

H = 53,95 m
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 5526 €

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.

Exponent

r·t = 0,05·2 = 0,1
e0,1 = 1,105

Endwert

FV = 5 000·1,105 = €5 525,85

Antwort

FV = €5 525,85
26.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 32504 €

Zeitwert des Geldes: Geld heute ist mehr wert als derselbe Betrag später, weil es Zinsen bringen kann. Bei einem Zinssatz i pro Periode wächst ein Betrag auf FV = PV·(1 + i)n. Eine Reihe gleicher Zahlungen (eine Annuität) wird bewertet, indem man alle Zahlungen aufsummiert; daraus ergeben sich die Rentenformeln.

Monatszins und Anzahl der Einzahlungen

i = 0,03/12 = 0,0025
N = 12·8 = 96

Endwert der Einzahlungen

FV = A·((1 + i)N − 1)/i = 300·(1,271 − 1)/0,0025 = €32 504,22

Antwort

FV = €32 504,22

Du hast selbst €28 800 eingezahlt; der Rest sind Zinsen.

27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = 11486 €

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 = −75 000
CF1/(1 + 0,09)1 = 34 000/1,09 = 31 192,66
CF2/(1 + 0,09)2 = 26 000/1,188 = 21 883,68
CF3/(1 + 0,09)3 = 24 000/1,295 = 18 532,40
CF4/(1 + 0,09)4 = 21 000/1,412 = 14 876,93

Addieren

NPV = €11 485,67

Antwort

NPV = €11 485,67

Der Kapitalwert ist positiv, das Projekt verdient also mehr als die geforderte Rendite.

28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 28,83 %

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(25%) = 1 336,00
NPV(30%) = −384,62

Eingrenzen

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

IRR ≈ 25 + 5·1 336,00/(1 336,00 − (−384,62)) = 28,88%
exakt: NPV(28,83%) = 0 → IRR = 28,83%

Antwort

IRR = 28,83%
29.Normalverteilung

Antwort: P = 0,8338

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 = (550 − 500)/40 = 1,25

Fläche dazwischen

P = Φ(1,25) − Φ(−1,55) = 0,8944 − 0,06057 = 0,8338

Antwort

P = 0,8338
30.Normalverteilung

Antwort: x = 527 h

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) = 0,75 → z = 0,6745

Zurück zu x

x = 500 + 0,6745·40 = 526,98 h

Antwort

x = 526,98 h

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