Übungsaufgaben für die Prüfung FE Civil: Lernpaket

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

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1Formeln und Methoden

Auflagerkräfte am Balken

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

Methode

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

Fachwerk: Knotenpunktverfahren

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

Methode

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

Querkraft und Biegemoment

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

Methode

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

Durchbiegung

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

Knicken von Stützen

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

Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

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

Effektive Spannung im Boden

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

Konsolidationssetzung

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

Hydrostatische Kraft

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

Rohrreibung und Verlusthöhe

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

Gerinneströmung (Manning)

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

Pumpen und Pumpenleistung

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

Zeitwert des Geldes

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

Methode

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

Kapitalwert & interner Zinsfuß

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

Methode

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

Normalverteilung

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

Methode

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

2Übungsaufgaben

1.Auflagerkräfte am BalkenMittel
P1​ = 35 kNP2​ = 70 kNABCRB​ = ?1,5 m2 m1,5 m

Der Balken hat in A ein Festlager und in B, 3,5 m von A entfernt, ein Loslager und kragt über B bis zum freien Ende C aus. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RB, nach oben positiv.

AB = 3,5 mAC = 5 mP1 = 35 kN bei 1,5 mP2 = 70 kN bei 5 m
RB = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 4 kN/mP = 45 kNABCRB​ = ?1 m3 m2 m

Der Balken hat in A ein Festlager und in B, 4 m von A entfernt, ein Loslager und kragt über B bis zum freien Ende C aus. Er trägt eine Einzellast P im Abstand 1 m von A und eine Gleichstreckenlast w von 4 m bis zum freien Ende bei 6 m. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RB, nach oben positiv.

AB = 4 mAC = 6 mP = 45 kN bei 1 mw = 4 kN/m von 4 bis 6 m
RB = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABBCACACB15 kN8 m1 m4 m

Bestimme mit dem Knotenpunktverfahren die Kraft FBC im Stab BC. Gib Zug positiv und Druck negativ an.

Spannweite = 8 mHöhe = 4 mB liegt 1 m von A entferntvertikale Last = 15 kN
FBC = kN
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
ABCDEFGH30 kN35 kN25 kN4 × 4 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 ↓F: 35 kN →G: 25 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
8 kN/m60 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.

60 kN @ 2 m8 kN/m, 0–4 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)
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
w = 16 kN/mAB5 m5 m

Der Einfeldträger trägt auf einem Teil seiner Spannweite eine Gleichstreckenlast. Bestimme den Abstand x0 von A bis zu dem Schnitt, in dem das Biegemoment am größten ist.

L = 10 mw = 16 kN/m von 5 bis 10 m
x0 = m
7.DurchbiegungMittel
P = 15 kNABδ2 m2 m

Ein Kragarm der Länge L ist in A eingespannt und trägt eine Einzellast P im Abstand a = 2 m von A. Bestimme die Durchbiegung δB am freien Ende B.

P = 15 kNa = 2 mL = 4 mE = 11 GPa (Holz)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δB = mm
8.DurchbiegungSchwer
w = 10 kN/mδL = 4 m

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

w = 10 kN/mL = 4 mE = 70 GPa (Aluminium)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von StützenMittel
PL = 4 m20 × 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 = 4 mE = 200 GPa (Stahl)b × h = 20 × 100 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
P = 15 kNL = 3 md = ?Querschnitt

Eine runde Vollstütze der Länge L aus Aluminium ist unten eingespannt und oben gelenkig gelagert. Sie muss 15 kN mit einer Sicherheit von 2,5 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.

P = 15 kNn = 2,5L = 3 mE = 70 GPa (Aluminium)
d = mm
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
260170t = 20ȳ = ?Maße in mm

Ein U-Profil liegt mit der offenen Seite nach oben: eine Bodenplatte von 260 mm Breite mit zwei senkrechten Schenkeln, insgesamt 170 mm hoch. Boden und Schenkel sind alle 20 mm dick. Bestimme die Höhe ȳ des Schwerpunkts über der Unterkante.

b = 260 mmh = 170 mmt = 20 mm
ȳ = mm
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
2802028010xnegatives MMaße in mm

Ein Gusseisenträger hat den dargestellten T-Querschnitt mit dem Flansch oben. Die zulässigen Spannungen betragen 50 MPa auf Zug und 90 MPa auf Druck. Bestimme das größte negative Biegemoment Mallow, das der Träger aufnehmen kann (gib seinen Betrag an).

bf = 280 mmtf = 20 mmtw = 10 mmhw = 280 mmσt,allow = 50 MPaσc,allow = 90 MPa
Mallow = kN·m
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 15 kN/m³γsat​ = 20 kN/m³12 mGrundwasserspiegelXz = 10 m

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

z = 10 mzw = 2 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 15 kN/m³Sand: γsat = 20 kN/m³
σ = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 15,5 kN/m³γsat​ = 19,5 kN/m³5 mTonγsat​ = 17,5 kN/m³4 mGrundwasserspiegelXz = 7 m

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

z = 7 mzw = 3 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 15,5 kN/m³Sand: γsat = 19,5 kN/m³Ton: γsat = 17,5 kN/m³
σ = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 120 kPaSandTonCc​ = 0,4, Cr​ = 0,04e0​ = 0,65σ′0​ = 45 kPaOCR = 1,58 mGrundwasserspiegel

Eine 8 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,4, Cr = 0,04 und e₀ = 0,65. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 45 kPa und der Überkonsolidierungsgrad OCR = 1,5. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 120 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 8 mCc = 0,4Cr = 0,04e0 = 0,65σ′0 = 45 kPaOCR = 1,5Δσ = 120 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 7,5 m7,5 mundurchlässiger FelsGrundwasserspiegel

In einem Ödometerversuch im Labor erreicht eine 19 mm dicke Tonprobe, die oben und unten entwässert, in 6 min 50 % Konsolidation. Im Feld bildet derselbe Ton eine 7,5 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 = 19 mmtlab = 6 minH = 7,5 mFeld: einseitige Entwässerung
t = Tage
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 2 mH = 1,5 m

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1,5 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Wasser, seine Oberkante liegt 2 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.

d = 2 mH = 1,5 mb = 1,5 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
18.Hydrostatische KraftSchwer
Schützd = 0,5 mH = 2 m

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 3 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Meerwasser, seine Oberkante liegt 0,5 m unter der Oberfläche. Bestimme die Tiefe ycp des Druckmittelpunkts unter der Oberfläche.

d = 0,5 mH = 2 mb = 3 mρ = 1025 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 1,9 m/sD = 75 mmL = 300 mf = 0,03

Wasser (ρ = 1000 kg/m³) fließt mit 1,9 m/s durch ein waagerechtes, 300 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 75 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,03 und g = 9,81 m/s². Bestimme den Druckverlust Δp über das Rohr in kPa.

V = 1,9 m/sL = 300 mD = 75 mmf = 0,03ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 2Δz = ?L = 150 m, D = 100 mm, f = 0,024× Krümmer (K = 0,3)

Zwei offene Behälter sind durch ein 150 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 100 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,02 verbunden. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 4 Krümmer (je K = 0,3), ein Ventil (K = 2) und der Auslauf in den unteren Behälter (K = 1,0). Verwende g = 9,81 m/s². Welcher Wasserspiegelunterschied Δz zwischen den Behältern ergibt einen Durchfluss von 25 L/s?

Q = 25 L/sL = 150 mD = 100 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
b = 4,5 my = 1,4 m3 : 1n = 0,022, S = 0,003

Ein Trapezgerinne (sauberes Erdreich) hat eine Sohlbreite von 4,5 m und eine Böschungsneigung von 3:1 (horizontal:vertikal). Wasser fließt gleichförmig 1,4 m tief. Manning n = 0,022, und das Sohlgefälle ist S = 0,003. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

b = 4,5 my = 1,4 mz = 3n = 0,022S = 0,003
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
b = 1 my = 2 mn = 0,012, Q = 6,4 m³/s

Ein 1 m breites Rechteckgerinne (glatter Beton) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 2 m 6,4 m³/s abführen. Manning n = 0,012. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).

Q = 6,4 m³/sb = 1 my = 2 mn = 0,012
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 10 L/sH = 20 m

In einem Versuch fördert eine Pumpe 10 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 20 m, während ihre Welle 2,5 kW aufnimmt. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Pumpenwirkungsgrad η in Prozent.

Q = 10 L/sH = 20 mPshaft = 2,5 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 20 L/sΔz = 17 mL = 200 m, D = 100 mm, f = 0,015, ΣK = 8

Eine Pumpe fördert 20 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 17 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 200 m lang, hat einen Innendurchmesser von 100 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. Bestimme die Förderhöhe H, die die Pumpe aufbringen muss.

Q = 20 L/sΔz = 17 mL = 200 mD = 100 mmf = 0,015ΣK = 8
H = m
25.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre012€3 000FV = ?

Du legst €3 000 zu einem Nominalzins von 6 % pro Jahr mit monatlicher Verzinsung an. Bestimme den Wert FV der Anlage nach 2 Jahren.

PV = €3 0006% / 12n = 2
FV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Jahre0123…28€6 000€6 000€6 000FV = ?

Du zahlst 28 Jahre lang am Anfang jedes Jahres €6 000 ein, die erste Einzahlung heute. Das Konto bringt 6 % pro Jahr. Wie viel ist am Ende von Jahr 28 auf dem Konto? Bestimme FV.

A = €6 000i = 6%n = 28
FV = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre0123−30 00015 0009 0006 000

Eine Investition von €30 000 bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 diese Zahlungen: €15 000, €9 000, €6 000. Die Kapitalkosten betragen 8 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

r = 8%CF0 = −30 000CF1 = 15 000CF2 = 9 000CF3 = 6 000
NPV = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123…10−150 00013 500+3%+3%+3%r = 8%, NPV = ?

Ein Projekt kostet heute €150 000. Seine Zahlung beträgt €13 500 am Ende von Jahr 1 und wächst um 3 % pro Jahr bis zur letzten Zahlung am Ende von Jahr 10. Die Kapitalkosten betragen 8 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

C0 = €150 000CF1 = €13 500g = 3%n = 10r = 8%
NPV = €
29.NormalverteilungMittel
510 kg524,7 kgT = X₁ + … + X₆?

Gegeben sind Passagiere mit Gepäck; ihre Massen sind unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 85 kg und der Standardabweichung 12 kg. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass die Gesamtmasse von 6 davon unter 524,7 kg liegt. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μ = 85 kgσ = 12 kgn = 6< 524.7 kg
P =
30.NormalverteilungSchwer
0,05 mm0D − d?

Bohrungsdurchmesser D sind normalverteilt mit dem Mittelwert 25,05 mm und der Standardabweichung 0,02 mm. Wellendurchmesser d sind unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 25 mm und der Standardabweichung 0,02 mm. Eine zufällig gewählte Welle passt, wenn D − d > 0 ist. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass sie passt. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

Bohrung: μ = 25,05 mm, σ = 0,02 mmWelle: μ = 25 mm, σ = 0,02 mm
P =

3Lösungen

1.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RB = 115 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·3,5 = 35·1,5 + 70·5
RB = 402,5/3,5 = 115 kN

Vertikales Gleichgewicht

RA = 35 + 70 − 115 = −10 kN

Antwort

RB = 115 kN

RA ist negativ: Das Festlager in A muss den Balken nach unten halten.

2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RB = 21,25 kN

Statisches Gleichgewicht: Für einen ruhenden Körper gilt ΣFx = 0, ΣFy = 0 und ΣM = 0 um jeden Punkt. Ersetze jede Streckenlast durch ihre Resultierende (ihre Fläche), die im Schwerpunkt der Lastfigur angreift, und bilde die Momente um ein Auflager, damit dessen Auflagerkraft aus der Gleichung herausfällt.

Resultierende der Streckenlast

W = 4·2 = 8 kN, x̄ = (4 + 6)/2 = 5 m

Gleichgewicht

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

ΣMA = 0: RB·4 = 45·1 + 8·5
RB = 85/4 = 21,25 kN
RA = 53 − 21,25 = 31,75 kN

Antwort

RB = 21,25 kN
3.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: FBC = −3,779 kN

Knotenpunktverfahren: Jeder Knoten eines Fachwerks ist im Gleichgewicht, also gilt an jedem Knoten ΣFx = 0 und ΣFy = 0. Beginne an einem Knoten mit höchstens zwei unbekannten Stabkräften. Ein negatives Ergebnis bedeutet, dass der Stab auf Druck beansprucht ist.

ABBCACACB15 kNAy​Cy​

Auflagerkräfte

Gleichgewicht des ganzen Fachwerks. Momente um A, gegen den Uhrzeigersinn positiv.

ΣMA = 0: Cy·8 = 15·1 → Cy = 1,875 kN
ΣFy = 0: Ay = 15 − 1,875 = 13,13 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 = 4/8,062 = 0,4961, cos γ = 7/8,062 = 0,8682
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −1,875/0,4961 = −3,779 kN

Antwort

FBC = −3,779 kN (Druck)
4.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: 72,92 kN (T), BC: 72,92 kN (T), CD: 35,42 kN (T), DE: 35,42 kN (T), FG: 70,83 kN (C), GH: 70,83 kN (C), AF: 47,4 kN (C), HE: 44,27 kN (C), BF: 30 kN (T), CG: 25 kN (C), DH: 0, FC: 2,604 kN (C), HC: 44,27 kN (T)

Antwort

Nullstab: DH
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: C (x = 2 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 = 61,33 kN, R2 = 30,67 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 = 57,33, MC = 106,7 kN·m, MD = 88, ME = 61,33, MF = 30,67, MG = 0

Antwort

Markierung C: MC = 106,7 kN·m
6.Querkraft und Biegemoment

Antwort: x0 = 6,25 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 = 16·5 = 80 kN, angreifend bei x̄ = 7,5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 16·5·7,5
RB = 600/10 = 60 kN
ΣFy = 0: RA = 80 − 60 = 20 kN

Querkraftnullstelle

Die Querkraft beginnt bei RA, bleibt über unbelastete Abschnitte konstant und fällt innerhalb der Last mit der Steigung w.

RA − w·(x0 − 5) = 0
x0 = 5 + 20/16 = 6,25 m

Antwort

x0 = 6,25 m
7.Durchbiegung

Antwort: δB = 75,76 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 = 15000 N, a = 2000 mm, L = 4000 mm
EI = 1,32 × 10¹² N·mm²

Durchbiegung am freien Ende

Durchbiegung an der Last plus Neigung an der Last mal Restlänge.

δP = Pa³/(3EI) = 30,3 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0,02273 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 75,76 mm

Antwort

δB = 75,76 mm
8.Durchbiegung

Antwort: Ireq = 42,86 × 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 = 4000/360 = 11,11 mm

Erforderliches Flächenträgheitsmoment

I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·10·4000⁴/(384·70000·11,11) = 4,286 × 10⁷ mm⁴
Ireq = 42,86 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ireq = 42,86 × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 2,056 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 = 100·20³/12 = 66667 mm⁴

Knicklänge

KL = 2·4000 = 8000 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·66667/8000² = 2056 N = 2,056 kN

Antwort

Pcr = 2,056 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: d = 46,99 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 = 2,5·15000 = 37500 N
KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Nach dem Durchmesser auflösen

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·37500·2100²/(π³·70000))^(1/4) = 46,99 mm

Antwort

d = 46,99 mm

Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 178,8, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.

11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: ȳ = 55,54 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 Rechtecke aufteilen

Nimm den Boden über die ganze Breite und die beiden Schenkel darüber (Höhe h − t), damit nichts doppelt gezählt wird.

Grundlage: A1 = 260·20 = 5200 mm², y1 = 10 mm
zwei Schenkel: A2 = 2·20·150 = 6000 mm², y2 = 20 + 150/2 = 95 mm

Schwerpunkt

ȳ = (5200·10 + 6000·95)/11200 = 55,54 mm

Antwort

ȳ = 55,54 mm
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Mallow = 22,68 kN·m

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.

Schwerpunkt

ȳ = (5600·290 + 2800·140)/8400 = 240 mm
Oberkante: c = 300 − 240 = 60 mm

Flächenträgheitsmoment

I = 280·20³/12 + 5600·50² + 10·280³/12 + 2800·100² = 6,048 × 10⁷ mm⁴

Von jedem Rand zugelassenes Moment

Negatives Moment: oben Zug, unten Druck.

Oberkante: M = 50·6,048 × 10⁷/60 = 50,4 kN·m
Unterkante: M = 90·6,048 × 10⁷/240 = 22,68 kN·m

Maßgebender Wert

Mallow = min = 22,68 kN·m (Unterkante)

Antwort

Mallow = 22,68 kN·m
13.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ = 190 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) = 15·2 + 20·8 = 190 kPa

Antwort

σ = 190 kPa
14.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ = 120,5 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·3 + γsat,sand·2 + γsat,clay·2
σ = 15,5·3 + 19,5·2 + 17,5·2 = 120,5 kPa

Antwort

σ = 120,5 kPa
15.Konsolidationssetzung

Antwort: S = 787 mm

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

Vorbelastungsspannung

σ′p = OCR·σ′0 = 1,5·45 = 67,5 kPa

Mit der Vorbelastungsspannung vergleichen

σ′f = 45 + 120 = 165 kPa > 67,5 kPa

Setzung

Wiederbelastung bis σ′p, Erstbelastung darüber.

S = 0,04·8/(1 + 0,65)·log₁₀(67,5/45) + 0,4·8/(1 + 0,65)·log₁₀(165/67,5)
S = 34,15 + 752,8 = 787 mm

Antwort

S = 787 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 2597 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 = 7,5 m

Die Zeit umrechnen

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

tfield = 6·(7,5/0,0095)² = 3,74 × 10⁶ min
tfield = 3,74 × 10⁶/1440 = 2597 Tage

Antwort

t = 2597 Tage
17.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 60,7 kN

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

Schwerpunkttiefe und Fläche

yc = d + H/2 = 2 + 1,5/2 = 2,75 m
A = H·b = 1,5·1,5 = 2,25 m²
Schützd = 2 mH = 1,5 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,75·2,25 = 60,7 kN

Antwort

F = 60,7 kN
18.Hydrostatische Kraft

Antwort: ycp = 1,722 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 = 0,5 + 2/2 = 1,5 m
A = H·b = 2·3 = 6 m²
Schützd = 0,5 mH = 2 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·1,5·6 = 90,5 kN

Druckmittelpunkt

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

Ic = b·H³/12 = 3·2³/12 = 2 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 1,5 + 2/(1,5·6) = 1,722 m

Antwort

ycp = 1,722 m
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Δp = 216,6 kPa

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.

Verlusthöhe

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(300/0,075)·1,9²/(2·9,81) = 22,08 m

Druckverlust

Das Rohr ist waagerecht und die Geschwindigkeit ändert sich nicht, daher reduziert sich die Energiegleichung auf Δp = ρ·g·hf.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·22,08 = 216600 Pa = 216,6 kPa

Antwort

Δp = 216,6 kPa
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Δz = 17,92 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 = 0,025/0,007854 = 3,183 m/s
V²/(2g) = 0,5164 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,02·150/0,1 = 30
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 + 1,0 = 4,7

Gesamte Verlusthöhe

hf = 30·0,5164 = 15,49 m
hm = 4,7·0,5164 = 2,427 m
Δz = hf + hm = 17,92 m

Antwort

Δz = 17,92 m
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 28,52 m³/s

Manning-Gleichung (SI): Für gleichförmige Strömung in einem offenen Gerinne gilt V = (1/n)·R2/3·S1/2 und Q = A·V, mit dem Rauheitsbeiwert n, dem Sohlgefälle S (m/m) und dem hydraulischen Radius R = A/P: Fließquerschnitt geteilt durch benetzten Umfang. In P zählt nur der Rand, der mit dem Wasser in Berührung ist, nicht der Wasserspiegel. Rechteck: A = b·y, P = b + 2y. Trapez mit Böschungsneigung z:1 (horizontal:vertikal): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Ein voll oder halb gefülltes Kreisrohr hat R = D/4.

Geometrie

A = (b + z·y)·y = (4,5 + 3·1,4)·1,4 = 12,18 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 4,5 + 2·1,4·√(1 + 3²) = 13,35 m
R = A/P = 0,9121 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,022)·0,91212/3·0,0031/2 = 2,341 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 12,18·2,341 = 28,52 m³/s

Antwort

Q = 28,52 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,005003 m/m

Manning-Gleichung (SI): Für gleichförmige Strömung in einem offenen Gerinne gilt V = (1/n)·R2/3·S1/2 und Q = A·V, mit dem Rauheitsbeiwert n, dem Sohlgefälle S (m/m) und dem hydraulischen Radius R = A/P: Fließquerschnitt geteilt durch benetzten Umfang. In P zählt nur der Rand, der mit dem Wasser in Berührung ist, nicht der Wasserspiegel. Rechteck: A = b·y, P = b + 2y. Trapez mit Böschungsneigung z:1 (horizontal:vertikal): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Ein voll oder halb gefülltes Kreisrohr hat R = D/4.

Geometrie

A = b·y = 1·2 = 2 m²
P = b + 2y = 1 + 2·2 = 5 m
R = A/P = 0,4 m

Manning nach S auflösen

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,012·6,4/(2·0,5429) = 0,07073
S = 0,07073² = 0,005003

Antwort

S = 0,005003

Das ist ein Gefälle von 5,003 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: η = 78,48 %

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 = 1000·9,81·0,01·20 = 1,962 kW

Wirkungsgrad

η = Ph/Pshaft = 1,962/2,5 = 78,48%

Antwort

η = 78,48%
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: H = 29,56 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 = 0,02/0,007854 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (30 + 8)·0,3305 = 12,56 m

Förderhöhe

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

H = Δz + hL = 17 + 12,56 = 29,56 m

Antwort

H = 29,56 m
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 3381 €

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 = r/m = 0,06/12 = 0,005
N = m·n = 12·2 = 24

Endwert

FV = 3 000·(1 + 0,005)24 = 3 000·1,127 = €3 381,48

Antwort

FV = €3 381,48
26.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 435839 €

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.

Endwertfaktor der nachschüssigen Rente

((1 + 0,06)28 − 1)/0,06 = 68,53

Vorschüssige Rente

Jede Einzahlung ist ein Jahr länger angelegt.

FV = 6 000·68,53·1,06 = €435 838,79

Antwort

FV = €435 838,79
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = −3632 €

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 = −30 000
CF1/(1 + 0,08)1 = 15 000/1,08 = 13 888,89
CF2/(1 + 0,08)2 = 9 000/1,166 = 7 716,05
CF3/(1 + 0,08)3 = 6 000/1,26 = 4 762,99

Addieren

NPV = €−3 632,07

Antwort

NPV = €−3 632,07

Der Kapitalwert ist negativ, das Projekt verdient also weniger als die geforderte Rendite.

28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = −48073 €

Kapitalwert: Zinse jeden Zahlungsstrom mit der geforderten Rendite r auf heute ab und addiere alle: NPV = Σ CFₜ/(1 + r)ᵗ. Ein Projekt mit NPV > 0 verdient mehr als r und schafft Wert. Der interne Zinsfuß (IRR) ist der Zinssatz, bei dem NPV = 0 ist.

Barwert der wachsenden Rente

((1,03)/(1,08))10 = 0,6225
PV = 13 500/(0,08 − 0,03)·(1 − 0,6225) = 101 926,80

NPV

NPV = 101 926,80 − 150 000 = −€48 073,20

Antwort

NPV = −€48 073,20

Der Kapitalwert ist negativ, das Projekt verdient also weniger als die geforderte Rendite.

29.Normalverteilung

Antwort: P = 0,6915

Summen und Differenzen normalverteilter Variablen: Sind X und Y unabhängig und normalverteilt, sind auch X + Y und X − Y normalverteilt. Die Mittelwerte werden addiert oder subtrahiert: E(X ± Y) = μX ± μY. Die Varianzen addieren sich immer, auch bei einer Differenz: Var(X ± Y) = σX² + σY², also σ = √(σX² + σY²). Standardabweichungen werden nie direkt addiert. Die Summe von n unabhängigen Objekten mit derselben Verteilung hat den Mittelwert n·μ und die Standardabweichung σ·√n. Standardisiere dann wie gewohnt: z = (x − Mittelwert)/σ und lies Φ(z) ab.

Verteilung der Summe

μT = 510 kg, σT = 12·√6 = 29,39 kg

Standardisieren

z = (524,7 − 510)/29,39 = 0,5

Wahrscheinlichkeit

P = Φ(0,5) = 0,6915

Antwort

P = 0,6915
30.Normalverteilung

Antwort: P = 0,9616

Summen und Differenzen normalverteilter Variablen: Sind X und Y unabhängig und normalverteilt, sind auch X + Y und X − Y normalverteilt. Die Mittelwerte werden addiert oder subtrahiert: E(X ± Y) = μX ± μY. Die Varianzen addieren sich immer, auch bei einer Differenz: Var(X ± Y) = σX² + σY², also σ = √(σX² + σY²). Standardabweichungen werden nie direkt addiert. Die Summe von n unabhängigen Objekten mit derselben Verteilung hat den Mittelwert n·μ und die Standardabweichung σ·√n. Standardisiere dann wie gewohnt: z = (x − Mittelwert)/σ und lies Φ(z) ab.

Verteilung der Differenz

μ = 25,05 − 25 = 0,05 mm, σ = 0,02828 mm

Standardisieren

z = (0 − 0,05)/0,02828 = −1,77

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(−1,77) = 0,9616

Antwort

P = 0,9616

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.

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