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
w = 8 kN/mP = 70 kNABMA​ = ?4 m3 m1 m

Der Kragträger ist in A an der Wand eingespannt. Er trägt eine Gleichstreckenlast w von der Wand bis 4 m und eine Einzellast P im Abstand 7 m von der Wand. Bestimme den Betrag des Einspannmoments MA an der Wand.

L = 8 mP = 70 kN bei 7 mw = 8 kN/m von 0 bis 4 m
MA = kN·m
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 3 kN/mP = 60 kNABRA​ = ?RB​3 m2 m

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

L = 5 mP = 60 kN bei 3 mw = 3 kN/m von 0 bis 5 m
RA = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABCDEFGH40 kN30 kN10 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: 40 kN ↓F: 30 kN ↓G: 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
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
ABCDEFGH10 kN30 kN20 kN4 × 4 m4 m

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

D: 10 kN ↓H: 30 kN ↓H: 20 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
w = 5 kN/mABSchnitt3,5 m2,5 m

Bestimme das Biegemoment Mx im Schnitt x = 3,5 m vom Auflager A. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.

L = 6 mw = 5 kN/m von 0 bis 6 mx = 3,5 m
Mx = kN·m
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
w = 12 kN/mP = 60 kNABSchnitt2,5 m1 m1,5 m

Bestimme das Biegemoment Mx im Schnitt x = 2,5 m vom Auflager A. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.

L = 5 mP = 60 kN bei 3,5 mw = 12 kN/m von 0 bis 5 mx = 2,5 m
Mx = kN·m
7.DurchbiegungMittel
P = 9 kNABδ1,5 m1 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 = 9 kNa = 1,5 mL = 2,5 mE = 11 GPa (Holz)I = 57 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
8.DurchbiegungSchwer
w = 6 kN/mP = 21 kNδL = 6 m

Ein Einfeldträger trägt eine Gleichstreckenlast w und eine Einzellast P in Feldmitte. Bestimme mit Superposition die Durchbiegung δmax in Feldmitte.

P = 21 kNw = 6 kN/mL = 6 mE = 200 GPa (Stahl)I = 84 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Knicken von StützenMittel
PL = 2,5 m30 × 50 mmQuerschnitt

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

L = 2,5 mE = 70 GPa (Aluminium)b × h = 30 × 50 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
P = 25 kNL = 1 md = ?Querschnitt

Eine runde Vollstütze der Länge L aus Stahl ist an beiden Enden eingespannt. Sie muss 25 kN mit einer Sicherheit von 2,5 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.

P = 25 kNn = 2,5L = 1 mE = 200 GPa (Stahl)
d = mm
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
100 mm150 mm90 mmØ50xIx​ = ?

Eine Platte von 100 mm × 150 mm hat ein kreisförmiges Loch mit dem Durchmesser 50 mm auf ihrer vertikalen Mittellinie, dessen Mittelpunkt 90 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.

b = 100 mmh = 150 mmd = 50 mmLochmittelpunkt: y = 90 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
160230181601210xMaße in mm

Ein geschweißter I-Querschnitt hat einen Obergurt 160 × 18 mm, einen Steg mit 160 mm Höhe und 10 mm Dicke sowie einen Untergurt 230 × 12 mm (Breite × Dicke). Bestimme sein Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse x durch seinen Schwerpunkt.

Obergurt: 160 × 18 mmSteg: 10 × 160 mmUntergurt: 230 × 12 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 16,5 kN/m³γsat​ = 20,5 kN/m³7 mGrundwasserspiegelXz = 5 m

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

z = 5 mzw = 3 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 16,5 kN/m³Sand: γsat = 20,5 kN/m³
σ′ = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 16 kN/m³γsat​ = 19,5 kN/m³6 mTonγsat​ = 18,5 kN/m³7 mGrundwasserspiegelXz = 9,5 m

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

z = 9,5 mzw = 3 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 16 kN/m³Sand: γsat = 19,5 kN/m³Ton: γsat = 18,5 kN/m³
σ = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 40 kPaSandTonCc​ = 0,25, Cr​ = 0,05e0​ = 0,6σ′0​ = 55 kPaσ′p​ = 145 kPa4 mGrundwasserspiegel

Eine 4 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,25, Cr = 0,05 und e₀ = 0,6. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 55 kPa und die Vorbelastungsspannung 145 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 40 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 4 mCc = 0,25Cr = 0,05e0 = 0,6σ′0 = 55 kPaσ′p = 145 kPaΔσ = 40 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 2 m2 mSandGrundwasserspiegel

In einem Ödometerversuch im Labor erreicht eine 25 mm dicke Tonprobe, die oben und unten entwässert, in 4 min 50 % Konsolidation. Im Feld bildet derselbe Ton eine 2 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 = 4 minH = 2 mFeld: zweiseitige Entwässerung
t = Tage
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 1,5 mH = 3 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 = 3 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
18.Hydrostatische KraftSchwer
Schützd = 1,5 mH = 1 m

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1,5 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 = 1,5 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
Q = 30 L/sD = 150 mmL = 1000 mf = 0,015

Wasser fließt mit 30 L/s durch ein 1000 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 150 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

Q = 30 L/sL = 1000 mD = 150 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 5Δz = ?L = 100 m, D = 250 mm, f = 0,023× 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 = 0,02 verbunden. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 3 Krümmer (je K = 0,3), ein Ventil (K = 5) 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 75 L/s?

Q = 75 L/sL = 100 mD = 250 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Δz = m
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
b = 1 my = 1,6 m1,5 : 1n = 0,012, S = 0,003

Ein Trapezgerinne (glatter Beton) hat eine Sohlbreite von 1 m und eine Böschungsneigung von 1,5:1 (horizontal:vertikal). Wasser fließt gleichförmig 1,6 m tief. Manning n = 0,012, und das Sohlgefälle ist S = 0,003. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

b = 1 my = 1,6 mz = 1,5n = 0,012S = 0,003
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
b = 4 my = 1,7 m2 : 1n = 0,025, Q = 17 m³/s

Ein Trapezgerinne (Kies) mit einer Sohlbreite von 4 m und einer Böschungsneigung von 2:1 (horizontal:vertikal) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 1,7 m 17 m³/s abführen. Manning n = 0,025. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).

Q = 17 m³/sb = 4 my = 1,7 mz = 2n = 0,025
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 20 L/sH = 60 m

In einem Versuch fördert eine Pumpe 20 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 60 m, während ihre Welle 15,1 kW aufnimmt. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Pumpenwirkungsgrad η in Prozent.

Q = 20 L/sH = 60 mPshaft = 15,1 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
250 kPa (Überdruck)PQ = 30 L/sΔz = 5 mL = 400 m, D = 150 mm, f = 0,025, ΣK = 6

Eine Pumpe fördert 30 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 5 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 400 m lang, hat einen Innendurchmesser von 150 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,025; 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 250 kPa. Bestimme die Förderhöhe H, die die Pumpe aufbringen muss.

Q = 30 L/sΔz = 5 mL = 400 mD = 150 mmf = 0,025ΣK = 6ptank = 250 kPa
H = m
25.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre0123456€1 000FV = ?

Du legst €1 000 zu einem Nominalzins von 3,6 % pro Jahr mit vierteljährlicher Verzinsung an. Bestimme den Wert FV der Anlage nach 6 Jahren.

PV = €1 0003,6% / 4n = 6
FV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…72€8 000A?AAA

Ein Darlehen von €8 000 wird über 6 Jahre in gleichen Monatsraten zurückgezahlt. Der Zinssatz beträgt 4,8 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Bestimme die Monatsrate A.

P = €8 0004,8% / 12N = 72
A = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre01234−20 0005 0004 0007 0005 000

Eine Investition von €20 000 bringt am Ende der Jahre 1 bis 4 diese Zahlungen: €5 000, €4 000, €7 000, €5 000. Die Kapitalkosten betragen 6 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

r = 6%CF0 = −20 000CF1 = 5 000CF2 = 4 000CF3 = 7 000CF4 = 5 000
NPV = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123456−100 00015 000+4%+4%+4%+4%+4%r = 10%, NPV = ?

Ein Projekt kostet heute €100 000. Seine Zahlung beträgt €15 000 am Ende von Jahr 1 und wächst um 4 % pro Jahr bis zur letzten Zahlung am Ende von Jahr 6. Die Kapitalkosten betragen 10 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

C0 = €100 000CF1 = €15 000g = 4%n = 6r = 10%
NPV = €
29.NormalverteilungMittel
60 kg59,1 kgT = X₁ + … + X₅?

Gegeben sind Kartons; ihre Massen sind unabhängig und normalverteilt mit dem Mittelwert 12 kg und der Standardabweichung 0,8 kg. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass die Gesamtmasse von 5 davon 59,1 kg übersteigt. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μ = 12 kgσ = 0,8 kgn = 5> 59,1 kg
P =
30.NormalverteilungSchwer
4 s0X − Y?

Die Rundenzeit X von Läufer A und die Rundenzeit Y von Läufer B sind unabhängig und normalverteilt: X hat den Mittelwert 52 s und die Standardabweichung 4 s, Y hat den Mittelwert 48 s und die Standardabweichung 3 s. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass X größer als Y ist. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μX = 52 s, σX = 4 sμY = 48 s, σY = 3 s
P =

3Lösungen

1.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: MA = 554 kN·m

Gleichgewicht am Kragarm: Eine Einspannung kann nach oben drücken und auch eine Drehung verhindern, sie liefert also eine vertikale Auflagerkraft RA und ein Einspannmoment MA. ΣFy = 0 liefert RA, und die Momente um die Wand liefern MA = Σ(Last × Abstand von der Wand). Eine Streckenlast wirkt als ihre Resultierende im Schwerpunkt der Lastfigur.

Resultierende der Streckenlast

W = 8·4 = 32 kN, x̄ = 2 m

Moment um die Wand

MA = P·a + W·x̄ = 70·7 + 32·2 = 554 kN·m

Antwort

MA = 554 kN·m
2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 31,5 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.

w = 3 kN/mP = 60 kNABRA​RB​3 m2 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 = 3·5 = 15 kN, angreifend bei x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 60·3 + 3·5·2,5
RB = 217,5/5 = 43,5 kN
ΣFy = 0: RA = 75 − 43,5 = 31,5 kN

Antwort

RA = 31,5 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 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: 57,5 kN (T), BC: 45 kN (T), CD: 45 kN (T), DE: 22,5 kN (T), FG: 57,5 kN (C), GH: 22,5 kN (C), AF: 81,32 kN (C), HE: 31,82 kN (C), BF: 27,5 kN (T), CG: 0, DH: 22,5 kN (T), BG: 17,68 kN (T), DG: 31,82 kN (C)

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 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: 5 kN (C), BC: 10 kN (T), CD: 10 kN (T), DE: 25 kN (T), FG: 15 kN (C), GH: 45 kN (C), AF: 21,21 kN (C), HE: 35,36 kN (C), BF: 15 kN (T), CG: 0, DH: 5 kN (C), BG: 21,21 kN (C), DG: 21,21 kN (T)

Antwort

Nullstab: CG
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mx = 21,88 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.

Auflagerkräfte

Gleichgewicht des ganzen Balkens.

Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 5·6 = 30 kN, angreifend bei x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 5·6·3
RB = 90/6 = 15 kN
ΣFy = 0: RA = 30 − 15 = 15 kN
w = 5 kN/mABRA​ = 15RB​ = 15Schnitt3,5 m2,5 m

Schnitt bei x = 3,5 m, linken Teil behalten

Nur Kräfte links vom Schnitt erscheinen. Ein Abschnitt der Streckenlast wirkt als eine Kraft in der Mitte dieses Abschnitts.

M = RA·x − (jede Last links vom Schnitt × ihr Abstand zum Schnitt)
Mx = 15·3,5 − 5·3,5·1,75 = 21,88 kN·m

Antwort

Mx = 21,88 kN·m
6.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mx = 82,5 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.

Auflagerkräfte

Gleichgewicht des ganzen Balkens.

Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 12·5 = 60 kN, angreifend bei x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 60·3,5 + 12·5·2,5
RB = 360/5 = 72 kN
ΣFy = 0: RA = 120 − 72 = 48 kN
w = 12 kN/mP = 60 kNABRA​ = 48RB​ = 72Schnitt2,5 m1 m1,5 m

Schnitt bei x = 2,5 m, linken Teil behalten

Nur Kräfte links vom Schnitt erscheinen. Ein Abschnitt der Streckenlast wirkt als eine Kraft in der Mitte dieses Abschnitts.

M = RA·x − (jede Last links vom Schnitt × ihr Abstand zum Schnitt)
Mx = 48·2,5 − 12·2,5·1,25 = 82,5 kN·m

Antwort

Mx = 82,5 kN·m
7.Durchbiegung

Antwort: δP = 16,15 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 = 9000 N, a = 1500 mm, L = 2500 mm
EI = 6,27 × 10¹¹ N·mm²

Durchbiegung unter der Last

δP = Pa³/(3EI) = 9000·1500³/(3·6,27 × 10¹¹) = 16,15 mm

Antwort

δP = 16,15 mm
8.Durchbiegung

Antwort: δmax = 11,65 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 = 21000 N, w = 6 N/mm, L = 6000 mm, EI = 1,68 × 10¹³ N·mm²

Jede Last für sich

δP = PL³/(48EI) = 21000·6000³/(48·1,68 × 10¹³) = 5,625 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·6·6000⁴/(384·1,68 × 10¹³) = 6,027 mm

Addieren

δmax = 5,625 + 6,027 = 11,65 mm

Antwort

δmax = 11,65 mm
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 3,109 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 = 50·30³/12 = 112500 mm⁴

Knicklänge

KL = 2·2500 = 5000 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·112500/5000² = 3109 N = 3,109 kN

Antwort

Pcr = 3,109 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: d = 20,04 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 = 2,5·25000 = 62500 N
KL = 0,5·1000 = 500 mm

Nach dem Durchmesser auflösen

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·62500·500²/(π³·200000))^(1/4) = 20,04 mm

Antwort

d = 20,04 mm

Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 99,8, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.

11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 27,31 × 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 = (15000·75 − 1963·90)/(15000 − 1963) = 72,74 mm

Volle Platte um ȳ

100·150³/12 + 15000·2,259² = 28,2 × 10⁶ mm⁴

Loch um ȳ

π·50⁴/64 + 1963·17,26² = 0,8917 × 10⁶ mm⁴

Subtrahieren

Ix = 27,31 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 27,31 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 46,7 × 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 = 2880 mm², y = 181 mm
Steg: A = 1600 mm², y = 92 mm
Untergurt: A = 2760 mm², y = 6 mm

Schwerpunkt

ȳ = (2880·181 + 1600·92 + 2760·6)/7240 = 94,62 mm

Satz von Steiner

Obergurt: 160·18³/12 + 2880·86,38² = 2,157 × 10⁷ mm⁴
Steg: 10·160³/12 + 1600·2,619² = 3,424 × 10⁶ mm⁴
Untergurt: 230·12³/12 + 2760·88,62² = 2,171 × 10⁷ mm⁴
Ix = 2,157 × 10⁷ + 3,424 × 10⁶ + 2,171 × 10⁷
Ix = 4,67 × 10⁷ mm⁴ = 46,7 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 46,7 × 10⁶ mm⁴
13.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ′ = 70,88 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) = 16,5·3 + 20,5·2 = 90,5 kPa

Porenwasserdruck

Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.

u = γw·(z − zw) = 9,81·2 = 19,62 kPa

Effektive Spannung

σ′ = σ − u = 90,5 − 19,62 = 70,88 kPa

Antwort

σ′ = 70,88 kPa
14.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ = 171,3 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·3 + γsat,clay·3,5
σ = 16·3 + 19,5·3 + 18,5·3,5 = 171,3 kPa

Antwort

σ = 171,3 kPa
15.Konsolidationssetzung

Antwort: S = 29,67 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 = 55 + 40 = 95 kPa ≤ 145 kPa

Setzung

Der Ton bleibt auf seiner Wiederbelastungslinie.

S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,05·4/(1 + 0,6)·log₁₀(95/55) = 29,67 mm

Antwort

S = 29,67 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 17,78 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 = 2/2 = 1 m

Die Zeit umrechnen

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

tfield = 4·(1/0,0125)² = 25600 min
tfield = 25600/1440 = 17,78 Tage

Antwort

t = 17,78 Tage
17.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 88,29 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 + 3/2 = 3 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
Schützd = 1,5 mH = 3 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3·3 = 88,29 kN

Antwort

F = 88,29 kN
18.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 29,43 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 = 1·1,5 = 1,5 m²
Schützd = 1,5 mH = 1 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2·1,5 = 29,43 kN

Antwort

F = 29,43 kN
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 14,69 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) = 0,015·(1000/0,15)·1,698²/(2·9,81) = 14,69 m

Antwort

hf = 14,69 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Δz = 1,832 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 = 0,075/0,04909 = 1,528 m/s
V²/(2g) = 0,119 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,02·100/0,25 = 8
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 5 + 1,0 = 7,4

Gesamte Verlusthöhe

hf = 8·0,119 = 0,9519 m
hm = 7,4·0,119 = 0,8805 m
Δz = hf + hm = 1,832 m

Antwort

Δz = 1,832 m
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 21,46 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 = (1 + 1,5·1,6)·1,6 = 5,44 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 1 + 2·1,6·√(1 + 1,5²) = 6,769 m
R = A/P = 0,8037 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,012)·0,80372/3·0,0031/2 = 3,945 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 5,44·3,945 = 21,46 m³/s

Antwort

Q = 21,46 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,001025 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 = (4 + 2·1,7)·1,7 = 12,58 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 4 + 2·1,7·√(1 + 2²) = 11,6 m
R = A/P = 1,084 m

Manning nach S auflösen

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,025·17/(12,58·1,055) = 0,03201
S = 0,03201² = 0,001025

Antwort

S = 0,001025

Das ist ein Gefälle von 1,025 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: η = 77,96 %

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 = 1000·9,81·0,02·60 = 11,77 kW

Wirkungsgrad

η = Ph/Pshaft = 11,77/15,1 = 77,96%

Antwort

η = 77,96%
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: H = 41,16 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 = 0,03/0,01767 = 1,698 m/s
V²/(2g) = 0,1469 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (66,67 + 6)·0,1469 = 10,67 m

Druckhöhe

p/(ρ·g) = 250000/(1000·9,81) = 25,48 m

Förderhöhe

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

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 5 + 25,48 + 10,67 = 41,16 m

Antwort

H = 41,16 m
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 1240 €

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 = 0,036000000000000004/4 = 0,009
N = m·n = 4·6 = 24

Endwert

FV = 1 000·(1 + 0,009)24 = 1 000·1,24 = €1 239,90

Antwort

FV = €1 239,90
26.Zeitwert des Geldes

Antwort: A = 128,1 €

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 = 0,048/12 = 0,004
N = 12·6 = 72

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 = 0,7502
A = 8 000·0,004/(1 − 0,7502) = €128,10

Antwort

A = €128,10
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = −1885 €

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 = −20 000
CF1/(1 + 0,06)1 = 5 000/1,06 = 4 716,98
CF2/(1 + 0,06)2 = 4 000/1,124 = 3 559,99
CF3/(1 + 0,06)3 = 7 000/1,191 = 5 877,33
CF4/(1 + 0,06)4 = 5 000/1,262 = 3 960,47

Addieren

NPV = €−1 885,23

Antwort

NPV = €−1 885,23

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

28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = −28560 €

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

Barwert der wachsenden Rente

((1,04)/(1,1))6 = 0,7142
PV = 15 000/(0,1 − 0,04)·(1 − 0,7142) = 71 440,10

NPV

NPV = 71 440,10 − 100 000 = −€28 559,90

Antwort

NPV = −€28 559,90

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 = 60 kg, σT = 0,8·√5 = 1,789 kg

Standardisieren

z = (59,1 − 60)/1,789 = −0,5

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(−0,5) = 0,6915

Antwort

P = 0,6915
30.Normalverteilung

Antwort: P = 0,7881

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 = 52 − 48 = 4 s, σ = 5 s

Standardisieren

z = (0 − 4)/5 = −0,8

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(−0,8) = 0,7881

Antwort

P = 0,7881

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