Übungsaufgaben für die Prüfung FE Civil: Lernpaket

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

Neue AufgabenZurück zum Kurs

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

1Formeln und Methoden

Auflagerkräfte am Balken

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

Methode

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

Fachwerk: Knotenpunktverfahren

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

Methode

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

Querkraft und Biegemoment

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

Methode

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

Durchbiegung

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

Knicken von Stützen

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

Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

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

Effektive Spannung im Boden

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

Konsolidationssetzung

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

Hydrostatische Kraft

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

Rohrreibung und Verlusthöhe

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

Gerinneströmung (Manning)

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

Pumpen und Pumpenleistung

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

Zeitwert des Geldes

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

Methode

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

Kapitalwert & interner Zinsfuß

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

Methode

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

Normalverteilung

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

Methode

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

2Übungsaufgaben

1.Auflagerkräfte am BalkenMittel
w0​ = 12 kN/mP = 60 kNABRB​ = ?0,5 m4,5 m

Der Einfeldträger (Festlager in A, Loslager in B) trägt eine linear veränderliche Last, die von 12 kN/m in A auf null in B abfällt. Außerdem greift eine Einzellast P im Abstand 0,5 m von A an. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RB.

L = 5 mw0 = 12 kN/mP = 60 kN bei 0,5 m
RB = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
P = 50 kN, 40°Q = 55 kNABRA​ = ?1 m4 m1 m

Der Einfeldträger hat in A ein Festlager und in B ein Loslager. Eine Last P greift 1 m von A entfernt an, unter 40° zur Horizontalen geneigt, und eine vertikale Last Q greift 5 m von A entfernt an. Bestimme den Betrag der gesamten Auflagerkraft RA im Festlager A.

L = 6 mP = 50 kN bei 1 m, θ = 40°Q = 55 kN bei 5 m
RA = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABCDEFGH20 kN30 kN15 kN15 kN30 kN4 × 4 m3 m

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

C: 20 kN ↓D: 30 kN ↓F: 15 kN ↓G: 15 kN ↓H: 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
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
ABBCACACB35 kN10 kN8 m3 m2 m

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

Spannweite = 8 mHöhe = 2 mB liegt 3 m von A entferntvertikale Last = 35 kNhorizontale Last = 10 kN ←
FAC = kN
5.Querkraft und BiegemomentMittel
12 kN/m60 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 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 @ 6 m12 kN/m, 0–8 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
w = 3 kN/mP = 40 kNABSchnitt5,5 m0,5 m4 m

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

L = 10 mP = 40 kN bei 6 mw = 3 kN/m von 0 bis 10 mx = 5,5 m
Mx = kN·m
7.DurchbiegungMittel
P = 4 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 δB am freien Ende B.

P = 4 kNa = 1,5 mL = 2 mE = 200 GPa (Stahl)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δB = mm
8.DurchbiegungSchwer
w = 3 kN/mABδ5 m

Ein Holzbalken als Einfeldträger mit Rechteckquerschnitt, 125 mm breit, trägt über die ganze Spannweite eine Gleichstreckenlast w. Seine Durchbiegung in Feldmitte darf Spannweite/360 nicht überschreiten. Bestimme die kleinste Querschnittshöhe hreq.

w = 3 kN/mL = 5 mE = 11 GPa (Holz)b = 125 mm
hreq = mm
9.Knicken von StützenMittel
PL = 2,5 m50 × 60 mmQuerschnitt

Eine Stütze der Länge L aus Aluminium ist an beiden Enden gelenkig gelagert. Bestimme mit der Euler-Formel ihre kritische Knicklast Pcr.

L = 2,5 mE = 70 GPa (Aluminium)b × h = 50 × 60 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
P = 140 kNL = 6 md = ?Querschnitt

Eine runde Vollstütze der Länge L aus Aluminium ist unten eingespannt und oben gelenkig gelagert. Sie muss 140 kN mit einer Sicherheit von 2,5 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.

P = 140 kNn = 2,5L = 6 mE = 70 GPa (Aluminium)
d = mm
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
1201028020xMaße in mm

Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix des T-Querschnitts um die waagerechte Achse x durch seinen Schwerpunkt.

bf = 120 mmtf = 10 mmtw = 20 mmhw = 280 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
190220121601410xMaße in mm

Ein geschweißter I-Querschnitt hat einen Obergurt 190 × 12 mm, einen Steg mit 160 mm Höhe und 10 mm Dicke sowie einen Untergurt 220 × 14 mm (Breite × Dicke). Bestimme sein Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse x durch seinen Schwerpunkt.

Obergurt: 190 × 12 mmSteg: 10 × 160 mmUntergurt: 220 × 14 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 17 kN/m³γsat​ = 18,5 kN/m³13 mGrundwasserspiegelXz = 7 m

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

z = 7 mzw = 4 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 17 kN/m³Sand: γsat = 18,5 kN/m³
u = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 17 kN/m³γsat​ = 19 kN/m³6 mTonγsat​ = 18,5 kN/m³4 mGrundwasserspiegelXz = 8 m

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

z = 8 mzw = 1 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 17 kN/m³Sand: γsat = 19 kN/m³Ton: γsat = 18,5 kN/m³
σ = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 20 kPaSandTonCc​ = 0,45, Cr​ = 0,04e0​ = 1,1σ′0​ = 65 kPaσ′p​ = 115 kPa7 mGrundwasserspiegel

Eine 7 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,45, Cr = 0,04 und e₀ = 1,1. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 65 kPa und die Vorbelastungsspannung 115 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 20 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 7 mCc = 0,45Cr = 0,04e0 = 1,1σ′0 = 65 kPaσ′p = 115 kPaΔσ = 20 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 4 mcv​ = 5 m²/Jahr4 mundurchlässiger FelsGrundwasserspiegel

Eine 4 m dicke Tonschicht hat einen Konsolidationsbeiwert cv = 5 m²/Jahr. Sie liegt auf undurchlässigem Fels, mit Sand darüber, das Wasser kann also nur oben austreten. Für 50 % mittlere Konsolidation ist der Zeitfaktor Tv = 0,197. Wie viele Jahre t braucht die Schicht, um 50 % Konsolidation zu erreichen?

H = 4 mcv = 5 m²/JahrU = 50%Tv = 0,197einseitige Entwässerung
t = Jahre
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 2 mH = 1 m

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

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 3 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Glycerin, seine Oberkante liegt 0,5 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.

d = 0,5 mH = 2,5 mb = 3 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
Q = 3 L/sD = 50 mmL = 500 mf = 0,03

Wasser fließt mit 3 L/s durch ein 500 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 50 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,03 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

Q = 3 L/sL = 500 mD = 50 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 10freier AuslaufH = ?L = 300 m, D = 250 mm, f = 0,0183× Krümmer (K = 0,3)

Ein 300 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 250 mm (Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018) führt von einem offenen Behälter weg und tritt als freier Strahl ins Freie aus. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 3 Krümmer (je K = 0,3) und ein Ventil (K = 10). Verwende g = 9,81 m/s². Wie hoch H muss der Wasserspiegel im Behälter über dem Rohrauslauf liegen, damit der Durchfluss 60 L/s beträgt?

Q = 60 L/sL = 300 mD = 250 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 10
H = m
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
b = 4 my = 1,4 m1,5 : 1n = 0,012, S = 0,0005

Ein Trapezgerinne (glatter Beton) hat eine Sohlbreite von 4 m und eine Böschungsneigung von 1,5:1 (horizontal:vertikal). Wasser fließt gleichförmig 1,4 m tief. Manning n = 0,012, und das Sohlgefälle ist S = 0,0005. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

b = 4 my = 1,4 mz = 1,5n = 0,012S = 0,0005
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
b = 6 my = 1,5 m3 : 1n = 0,03, Q = 12 m³/s

Ein Trapezgerinne (Erdreich mit Grasbewuchs) mit einer Sohlbreite von 6 m und einer Böschungsneigung von 3:1 (horizontal:vertikal) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 1,5 m 12 m³/s abführen. Manning n = 0,03. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).

Q = 12 m³/sb = 6 my = 1,5 mz = 3n = 0,03
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 40 L/sH = 40 m

Eine Pumpe fördert 40 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 40 m. Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 70 %, und der antreibende Elektromotor hat einen Wirkungsgrad von 94 %. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die elektrische Leistung Pel, die der Motor aufnimmt, in kW.

Q = 40 L/sH = 40 mηpump = 70%ηmotor = 94%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
300 kPa (Überdruck)PQ = 120 L/sΔz = 12 mL = 150 m, D = 250 mm, f = 0,018, ΣK = 8

Eine Pumpe fördert 120 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 12 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 150 m lang, hat einen Innendurchmesser von 250 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 8 (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 300 kPa. Bestimme die Förderhöhe H, die die Pumpe aufbringen muss.

Q = 120 L/sΔz = 12 mL = 150 mD = 250 mmf = 0,018ΣK = 8ptank = 300 kPa
H = m
25.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre0123…9PV = ?€20 000+2,5%+2,5%…r = 5,5%

Eine Immobilie soll im nächsten Jahr eine Nettomiete von €20 000 erzielen. Die Miete soll für immer um 2,5 % pro Jahr wachsen. Die geforderte Rendite beträgt 5,5 % pro Jahr. Bestimme den heutigen Wert PV der Immobilie.

C1 = €20 000g = 2,5%r = 5,5%
PV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…60€20 000A?AAA

Ein Darlehen von €20 000 wird über 5 Jahre in gleichen Monatsraten zurückgezahlt. Der Zinssatz beträgt 4,2 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Bestimme die Monatsrate A.

P = €20 0004,2% / 12N = 60
A = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre012345−20 0006 5006 5006 5006 5006 500

Ein Projekt kostet heute €20 000 und bringt 5 Jahre lang am Ende jedes Jahres €6 500. Die Kapitalkosten betragen 8 %. Nimm an, dass die Zahlungen gleichmäßig über jedes Jahr eingehen. Bestimme die dynamische Amortisationsdauer DPB in Jahren.

r = 8%CF0 = −20 000CF1 = 6 500CF2 = 6 500CF3 = 6 500CF4 = 6 500CF5 = 6 500
DPB = Jahre
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
r (%)NPVABr* = ?0

Projekt A kostet €30 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 jeweils €17 500, €12 000, €5 000. Projekt B kostet €40 000 und bringt €10 000, €16 500, €20 500. Bestimme den Schnittpunktzins (Fisher-Zins) r*, bei dem beide Projekte denselben Kapitalwert haben, in Prozent.

A: −30 000, 17 500, 12 000, 5 000B: −40 000, 10 000, 16 500, 20 500
r* = %
29.NormalverteilungMittel
482560P = ?

Die Lebensdauern von Batterien sind normalverteilt mit dem Mittelwert 500 h und der Standardabweichung 40 h. Welcher Anteil liegt zwischen 482 und 560 h? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 500σ = 40x1 = 482x2 = 560
P =
30.NormalverteilungSchwer
380420460500540580620hoben 30%

Die Lebensdauern von Batterien sind normalverteilt mit dem Mittelwert 500 h und der Standardabweichung 40 h. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten oberen 30 % rechts davon liegen. Bestimme die Grenze x.

μ = 500 hσ = 40 h30%
x = h

3Lösungen

1.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RB = 16 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 Dreieckslast

W = ½·12·5 = 30 kN
x̄ = L/3 = 1,667 m

Gleichgewicht

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

ΣMA = 0: RB·5 = 30·1,667 + 60·0,5
RB = 16 kN
RA = 90 − 16 = 74 kN

Antwort

RB = 16 kN
2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 52,53 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.

Komponenten von P

Pv = 50·sin 40° = 32,14 kN
Ph = 50·cos 40° = 38,3 kN

Auflagerkräfte

ΣMA = 0: RB·6 = 32,14·1 + 55·5 → RB = 51,19 kN
Ay = 32,14 + 55 − 51,19 = 35,95 kN
Ax = Ph = 38,3 kN

Resultierende in A

RA = √(38,3² + 35,95²) = 52,53 kN

Antwort

RA = 52,53 kN
3.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: Stab BF

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

Knoten B

AB und BC liegen auf einer Geraden, und der Knoten trägt keine Last. Das Kräftegleichgewicht quer zu dieser Linie lässt nur BF übrig.

ΣF⊥ = 0 → FBF = 0

Mit dem Knotenpunktverfahren prüfen

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

AB: 58,33 kN (T), BC: 58,33 kN (T), CD: 88,33 kN (T), DE: 88,33 kN (T), FG: 96,67 kN (C), GH: 96,67 kN (C), AF: 72,92 kN (C), HE: 110,4 kN (C), BF: 0, CG: 15 kN (C), DH: 30 kN (T), FC: 47,92 kN (T), HC: 10,42 kN (T)

Antwort

Nullstab: BF
4.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: FAC = 26,56 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.

ABBCACACB35 kN10 kNAy​Cy​Ax​

Auflagerkräfte

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 35·3 − 10·2 → Cy = 10,63 kN
ΣFy = 0: Ay = 35 − 10,63 = 24,38 kN
ΣFx = 0: Ax = 10 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 = 2/5,385 = 0,3714, cos γ = 5/5,385 = 0,9285
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −10,63/0,3714 = −28,61 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−28,61)·0,9285 = 26,56 kN

Antwort

FAC = 26,56 kN (Zug)
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: D (x = 6 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 = 94 kN, R2 = 62 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 = 164, MC = 280, MD = 348 kN·m, ME = 248, MF = 124, MG = 0

Antwort

Markierung D: MD = 348 kN·m
6.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mx = 125,1 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 = 3·10 = 30 kN, angreifend bei x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 40·6 + 3·10·5
RB = 390/10 = 39 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 39 = 31 kN
w = 3 kN/mP = 40 kNABRA​ = 31RB​ = 39Schnitt5,5 m0,5 m4 m

Schnitt bei x = 5,5 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 = 31·5,5 − 3·5,5·2,75 = 125,1 kN·m

Antwort

Mx = 125,1 kN·m
7.Durchbiegung

Antwort: δB = 1,467 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 = 4000 N, a = 1500 mm, L = 2000 mm
EI = 4,6 × 10¹² N·mm²

Durchbiegung am freien Ende

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

δP = Pa³/(3EI) = 0,9783 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0,0009783 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 1,467 mm

Antwort

δB = 1,467 mm
8.Durchbiegung

Antwort: hreq = 248,5 mm

Durchbiegung von Balken: Durchbiegungen erhält man durch zweimaliges Integrieren der Krümmung M/(EI). Standardfälle sind tabelliert, zum Beispiel PL³/(3EI) für einen Kragarm mit Endlast und 5wL⁴/(384EI) für einen Einfeldträger unter voller Gleichstreckenlast. Durchbiegungen aus verschiedenen Lasten addieren sich (Superposition).

Konsistente Einheiten

Rechne in N und mm: P in N, w in N/mm (kN/m = N/mm), L in mm, E in N/mm² (GPa × 1000), I in mm⁴.

w = 3 N/mm, L = 5000 mm, E = 11000 N/mm²

Grenzwert der Durchbiegung

δallow = L/360 = 5000/360 = 13,89 mm

Erforderliches Flächenträgheitsmoment

Ireq = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·3·5000⁴/(384·11000·13,89) = 1,598 × 10⁸ mm⁴

Erforderliche Höhe

bh³/12 = Ireq → h = (12·1,598 × 10⁸/125)1/3 = 248,5 mm

Antwort

hreq = 248,5 mm

In der Praxis wählt man die nächste Standardhöhe über diesem Wert.

9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 69,09 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 = 60·50³/12 = 625000 mm⁴

Knicklänge

KL = 1·2500 = 2500 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·625000/2500² = 69087 N = 69,09 kN

Antwort

Pcr = 69,09 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: d = 116,2 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 = 2,5·140000 = 350000 N
KL = 0,7·6000 = 4200 mm

Nach dem Durchmesser auflösen

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·350000·4200²/(π³·70000))^(1/4) = 116,2 mm

Antwort

d = 116,2 mm

Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 144,6, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.

11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 57,37 × 10⁶ mm⁴

Zusammengesetzte Flächen: Teile den Querschnitt in Rechtecke. Der Schwerpunkt ist der flächengewichtete Mittelwert ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Das Flächenträgheitsmoment um die Schwerachse addiert für jeden Teil sein eigenes bh³/12 und seinen Steiner-Anteil A·d², wobei d der Abstand vom Teilschwerpunkt zum Gesamtschwerpunkt ist. Die Biegespannung ist σ = M·y/I.

In zwei Rechtecke teilen

Miss jedes y von der Unterkante aus.

Flansch: Af = 120·10 = 1200 mm², yf = 280 + 10/2 = 285 mm
Steg: Aw = 20·280 = 5600 mm², yw = 280/2 = 140 mm

Schwerpunkt

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (1200·285 + 5600·140)/6800 = 165,6 mm

Satz von Steiner

Flansch: 120·10³/12 + 1200·(285 − 165,6)² = 1,712 × 10⁷ mm⁴
Steg: 20·280³/12 + 5600·(140 − 165,6)² = 4,025 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,712 × 10⁷ + 4,025 × 10⁷ = 5,737 × 10⁷ mm⁴ = 57,37 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 57,37 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 42,92 × 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 = 2280 mm², y = 180 mm
Steg: A = 1600 mm², y = 94 mm
Untergurt: A = 3080 mm², y = 7 mm

Schwerpunkt

ȳ = (2280·180 + 1600·94 + 3080·7)/6960 = 83,67 mm

Satz von Steiner

Obergurt: 190·12³/12 + 2280·96,33² = 2,118 × 10⁷ mm⁴
Steg: 10·160³/12 + 1600·10,33² = 3,584 × 10⁶ mm⁴
Untergurt: 220·14³/12 + 3080·76,67² = 1,816 × 10⁷ mm⁴
Ix = 2,118 × 10⁷ + 3,584 × 10⁶ + 1,816 × 10⁷
Ix = 4,292 × 10⁷ mm⁴ = 42,92 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 42,92 × 10⁶ mm⁴
13.Effektive Spannung im Boden

Antwort: u = 29,43 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) = 9,81·3 = 29,43 kPa

Antwort

u = 29,43 kPa
14.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ = 149 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·1 + γsat,sand·5 + γsat,clay·2
σ = 17·1 + 19·5 + 18,5·2 = 149 kPa

Antwort

σ = 149 kPa
15.Konsolidationssetzung

Antwort: S = 15,53 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 = 65 + 20 = 85 kPa ≤ 115 kPa

Setzung

Der Ton bleibt auf seiner Wiederbelastungslinie.

S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,04·7/(1 + 1,1)·log₁₀(85/65) = 15,53 mm

Antwort

S = 15,53 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 0,6304 Jahre

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.

Dränweg

Hdr = H = 4 m

Zeit

t = Tv·Hdr²/cv = 0,197·4²/5 = 0,6304 Jahre

Antwort

t = 0,6304 Jahre
17.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 24,52 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 + 1/2 = 2,5 m
A = H·b = 1·1 = 1 m²
Schützd = 2 mH = 1 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,5·1 = 24,52 kN

Antwort

F = 24,52 kN
18.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 162,2 kN

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

Schwerpunkttiefe und Fläche

yc = d + H/2 = 0,5 + 2,5/2 = 1,75 m
A = H·b = 2,5·3 = 7,5 m²
Schützd = 0,5 mH = 2,5 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·1,75·7,5 = 162,2 kN

Antwort

F = 162,2 kN
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 35,69 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·0,05²/4 = 0,001963 m²
V = Q/A = 0,003/0,001963 = 1,528 m/s

Geschwindigkeitshöhe

V²/(2g) = 1,528²/(2·9,81) = 0,119 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(500/0,05)·1,528²/(2·9,81) = 35,69 m

Antwort

hf = 35,69 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: H = 2,589 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 = 0,06/0,04909 = 1,222 m/s
V²/(2g) = 0,07615 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,018·300/0,25 = 21,6
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 = 11,4

Energiegleichung

Der austretende Strahl hat noch seine Geschwindigkeitshöhe; sie ist kein Verlust, muss aber aufgebracht werden.

H = (1 + 21,6 + 11,4)·0,07615 = 2,589 m

Antwort

H = 2,589 m
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 15,31 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 + 1,5·1,4)·1,4 = 8,54 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 4 + 2·1,4·√(1 + 1,5²) = 9,048 m
R = A/P = 0,9439 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,012)·0,94392/3·0,00051/2 = 1,793 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 8,54·1,793 = 15,31 m³/s

Antwort

Q = 15,31 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,0005108 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 = (6 + 3·1,5)·1,5 = 15,75 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 6 + 2·1,5·√(1 + 3²) = 15,49 m
R = A/P = 1,017 m

Manning nach S auflösen

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,03·12/(15,75·1,011) = 0,0226
S = 0,0226² = 0,0005108

Antwort

S = 0,0005108

Das ist ein Gefälle von 0,5108 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pel = 23,85 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 = 1000·9,81·0,04·40 = 15,7 kW

Wellenleistung

Pshaft = 15,7/0,7 = 22,42 kW

Elektrische Leistung

Pel = 22,42/0,94 = 23,85 kW

Antwort

Pel = 23,85 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: H = 48,31 m

Pumpenleistung: Die an das Wasser abgegebene Leistung ist die hydraulische Leistung Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Die Welle muss mehr liefern, weil in der Pumpe Verluste entstehen: Pshaft = Ph/ηpump, und der Motor nimmt Pel = Pshaft/ηmotor auf. Die Förderhöhe H ergibt sich aus der Energiegleichung: geodätische Höhe + Druckhöhe + alle Reibungs- und örtlichen Verluste.

Geschwindigkeit

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

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (10,8 + 8)·0,3046 = 5,726 m

Druckhöhe

p/(ρ·g) = 300000/(1000·9,81) = 30,58 m

Förderhöhe

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

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 12 + 30,58 + 5,726 = 48,31 m

Antwort

H = 48,31 m
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: PV = 666667 €

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.

Wachsende ewige Rente

PV = C1/(r − g) = 20 000/(0,055 − 0,025) = 20 000/0,03 = €666 666,67

Antwort

PV = €666 666,67
26.Zeitwert des Geldes

Antwort: A = 370,1 €

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 = 0,042/12 = 0,0035
N = 12·5 = 60

Rate

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

(1 + i)−N = 0,8109
A = 20 000·0,0035/(1 − 0,8109) = €370,14

Antwort

A = €370,14
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: DPB = 3,68 Jahre

Amortisationsdauer: die Zeit, bis die kumulierten Zahlungsüberschüsse die Anfangsinvestition zurückgezahlt haben. Man nimmt an, dass das Geld gleichmäßig über jedes Jahr eingeht, der letzte Teil ist also ein Bruchteil eines Jahres. Die statische Amortisationsdauer vernachlässigt den Zeitwert des Geldes; die dynamische Amortisationsdauer verwendet stattdessen die abgezinsten Zahlungen.

Abgezinste und kumulierte Zahlungen

Jahr 1: 6 500/1,08 = 6 018,52 → Σ = 6 018,52
Jahr 2: 6 500/1,166 = 5 572,70 → Σ = 11 591,22
Jahr 3: 6 500/1,26 = 5 159,91 → Σ = 16 751,13
Jahr 4: 6 500/1,36 = 4 777,69 → Σ = 21 528,82

Bruchteil des letzten Jahres

DPB = 3 + 3 248,87/4 777,69 = 3,68

Antwort

DPB = 3,68 Jahre

Die dynamische Amortisationsdauer ist immer länger als die statische (3,077 Jahre).

28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: r* = 5,851 %

Schnittpunktzins (Fisher-Zins): der Kalkulationszins, bei dem zwei Projekte denselben Kapitalwert haben. Er ist der interne Zinsfuß der Differenz ihrer Zahlungen (B − A). Darunter hat das Projekt mit den späteren, größeren Zahlungen den höheren Kapitalwert; darüber gewinnt das andere.

Differenz der Zahlungen

ΔCF0 = −40 000 − (−30 000) = −10 000
ΔCF1 = 10 000 − 17 500 = −7 500
ΔCF2 = 16 500 − 12 000 = 4 500
ΔCF3 = 20 500 − 5 000 = 15 500

Interner Zinsfuß der Differenz

NPVΔ(5%) = 328,26
NPVΔ(6%) = −56,39
r* = 5,851%

Antwort

r* = 5,851%

Probe: Bei 5,851% betragen beide Kapitalwerte €1 458,61.

29.Normalverteilung

Antwort: P = 0,6068

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 = (482 − 500)/40 = −0,45
z₂ = (560 − 500)/40 = 1,5

Fläche dazwischen

P = Φ(1,5) − Φ(−0,45) = 0,9332 − 0,3264 = 0,6068

Antwort

P = 0,6068
30.Normalverteilung

Antwort: x = 521 h

Von einer Fläche zurück zu z: Φ(z) ist die Fläche links von z. Für eine linke Randfläche A suche in der Tabelle z mit Φ(z) = A. Eine rechte Randfläche A bedeutet Φ(z) = 1 − A. Eine zentrale Fläche A zwischen −z und z lässt (1 − A)/2 auf jedem Rand übrig, also Φ(z) = (1 + A)/2. Für einen Wert x verwende x = μ + zσ.

Fläche links

Φ(z) = 0,7

z aus der Tabelle

z ≈ 0,52

Zurück zu den ursprünglichen Einheiten

x = 500 + 0,52·40 = 521 h

Antwort

x = 521 h

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

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