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​ = 60 kNP2​ = 25 kNABRA​ = ?RB​2 m2,5 m1,5 m

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

L = 6 mP1 = 60 kN bei 2 mP2 = 25 kN bei 4,5 m
RA = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w0​ = 12 kN/mP = 50 kNABMA​ = ?6 m4 m

Der Kragträger ist in A an der Wand eingespannt. Er trägt eine linear veränderliche Last, die an der Wand null ist und bis zum freien Ende B auf 12 kN/m ansteigt, sowie eine Einzellast P im Abstand 6 m von der Wand. Bestimme den Betrag des Einspannmoments MA an der Wand.

L = 10 mw0 = 12 kN/mP = 50 kN bei 6 m
MA = kN·m
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABCDEFGH10 kN35 kN35 kN4 × 4 m4 m

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

C: 10 kN ↓D: 35 kN ↓G: 35 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
ABCDEFGH25 kN35 kN35 kN20 kN4 × 3 m4 m

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

D: 25 kN ↓F: 35 kN ↓H: 35 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 = 10 kN/mABSchnitt2,5 m7,5 m

Bestimme die Querkraft Vx 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 = 10 mw = 10 kN/m von 0 bis 10 mx = 2,5 m
Vx = kN
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
w = 2 kN/mP = 45 kNABSchnitt8 m2 m

Bestimme das Biegemoment Mx im Schnitt x = 8 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 = 45 kN bei 8 mw = 2 kN/m von 0 bis 10 mx = 8 m
Mx = kN·m
7.DurchbiegungMittel
w = 15 kN/mδL = 2 m

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

w = 15 kN/mL = 2 mE = 200 GPa (Stahl)I = 12 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.DurchbiegungSchwer
w = 2 kN/mABδ4 m

Ein Holzbalken als Einfeldträger mit Rechteckquerschnitt, 125 mm breit, trägt über die ganze Spannweite eine Gleichstreckenlast w. Seine Durchbiegung in Feldmitte darf Spannweite/250 nicht überschreiten. Bestimme die kleinste Querschnittshöhe hreq.

w = 2 kN/mL = 4 mE = 11 GPa (Holz)b = 125 mm
hreq = mm
9.Knicken von StützenMittel
PL = 5 m20 × 80 mmQuerschnitt

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

L = 5 mE = 70 GPa (Aluminium)b × h = 20 × 80 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
P = 55 kNL = 3 md = ?Querschnitt

Eine runde Vollstütze der Länge L aus Aluminium ist unten eingespannt und oben gelenkig gelagert. Sie muss 55 kN mit einer Sicherheit von 3 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.

P = 55 kNn = 3L = 3 mE = 70 GPa (Aluminium)
d = mm
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
100 mm240 mm96 mmØ60xIx​ = ?

Eine Platte von 100 mm × 240 mm hat ein kreisförmiges Loch mit dem Durchmesser 60 mm auf ihrer vertikalen Mittellinie, dessen Mittelpunkt 96 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.

b = 100 mmh = 240 mmd = 60 mmLochmittelpunkt: y = 96 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
1802526010xM = 5 kN·mMaße in mm

Der T-Querschnitt wird als Balken mit dem Flansch oben verwendet und trägt ein positives Biegemoment von 5 kN·m. Bestimme die Biegespannung σunten an der Unterkante.

bf = 180 mmtf = 25 mmtw = 10 mmhw = 260 mmM = 5 kN·m
σunten = MPa
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 17 kN/m³γsat​ = 19,5 kN/m³11 mGrundwasserspiegelXz = 4 m

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

z = 4 mzw = 2 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 17 kN/m³Sand: γsat = 19,5 kN/m³
u = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 17 kN/m³γsat​ = 18,5 kN/m³4 mTonγsat​ = 19 kN/m³7 mGrundwasserspiegelXz = 7,5 m

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

z = 7,5 mzw = 3 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 17 kN/m³Sand: γsat = 18,5 kN/m³Ton: γsat = 19 kN/m³
σ′ = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 90 kPaSandTonCc​ = 0,25, Cr​ = 0,06e0​ = 0,95σ′0​ = 75 kPaσ′p​ = 115 kPa7 mGrundwasserspiegel

Eine 7 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,25, Cr = 0,06 und e₀ = 0,95. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 75 kPa und die Vorbelastungsspannung 115 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 90 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 7 mCc = 0,25Cr = 0,06e0 = 0,95σ′0 = 75 kPaσ′p = 115 kPaΔσ = 90 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 3 mcv​ = 5 m²/Jahr3 mSandGrundwasserspiegel

Eine 3 m dicke Tonschicht hat einen Konsolidationsbeiwert cv = 5 m²/Jahr. Sie liegt zwischen zwei Sandschichten, das Wasser kann also oben und unten austreten. Für 60 % mittlere Konsolidation ist der Zeitfaktor Tv = 0,287. Wie viele Jahre t braucht die Schicht, um 60 % Konsolidation zu erreichen?

H = 3 mcv = 5 m²/JahrU = 60%Tv = 0,287zweiseitige Entwässerung
t = Jahre
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 3 mH = 2 m

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1,5 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Wasser, seine Oberkante liegt 3 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.

d = 3 mH = 2 mb = 1,5 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
18.Hydrostatische KraftSchwer
Schützd = 0,5 mH = 1 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 Tiefe ycp des Druckmittelpunkts unter der Oberfläche.

d = 0,5 mH = 1 mb = 3 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 1,5 m/sD = 300 mmL = 150 mf = 0,025

Wasser fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 1,5 m/s durch ein 150 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,025 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

V = 1,5 m/sL = 150 mD = 300 mmf = 0,025g = 9,81 m/s²
hf = m
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 10freier AuslaufH = ?L = 100 m, D = 200 mm, f = 0,0154× Krümmer (K = 0,3)

Ein 100 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 200 mm (Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015) führt von einem offenen Behälter weg und tritt als freier Strahl ins Freie aus. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 4 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 75 L/s beträgt?

Q = 75 L/sL = 100 mD = 200 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10
H = m
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
b = 4 my = 1,5 mn = 0,03, S = 0,0005

Ein Rechteckgerinne (Erdreich mit Grasbewuchs) ist 4 m breit. Wasser fließt gleichförmig 1,5 m tief. Manning n = 0,03, und das Sohlgefälle ist S = 0,0005. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

b = 4 my = 1,5 mn = 0,03S = 0,0005
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
b = 1 my = 2,5 mn = 0,022, Q = 3,5 m³/s

Ein 1 m breites Rechteckgerinne (sauberes Erdreich) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 2,5 m 3,5 m³/s abführen. Manning n = 0,022. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).

Q = 3,5 m³/sb = 1 my = 2,5 mn = 0,022
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 150 L/sH = 58 m

Eine Pumpe fördert 150 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 58 m. Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 70 %, und der antreibende Elektromotor hat einen Wirkungsgrad von 88 %. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die elektrische Leistung Pel, die der Motor aufnimmt, in kW.

Q = 150 L/sH = 58 mηpump = 70%ηmotor = 88%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 75 L/sΔz = 15 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,015, ΣK = 8

Eine Pumpe fördert 75 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 15 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 200 m lang, hat einen Innendurchmesser von 200 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. Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 65 %. Bestimme die Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 75 L/sΔz = 15 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 8η = 65%
Pshaft = kW
25.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre0123…9PV = ?€1 000€1 000€1 000€1 000

Eine Rente zahlt am Ende jedes Jahres €1 000, 9 Jahre lang. Der Zinssatz beträgt 3 % pro Jahr. Bestimme den Barwert PV der Rente.

A = €1 000i = 3%n = 9
PV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Jahre01234567€1 000€1 000€1 000FV = ?

Du zahlst 7 Jahre lang am Anfang jedes Jahres €1 000 ein, die erste Einzahlung heute. Das Konto bringt 5 % pro Jahr. Wie viel ist am Ende von Jahr 7 auf dem Konto? Bestimme FV.

A = €1 000i = 5%n = 7
FV = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre01234−20 0007 0005 00010 0004 000

Eine Investition von €20 000 bringt am Ende der Jahre 1 bis 4 diese Zahlungen: €7 000, €5 000, €10 000, €4 000. Die Kapitalkosten betragen 7,000000000000001 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

r = 7,000000000000001%CF0 = −20 000CF1 = 7 000CF2 = 5 000CF3 = 10 000CF4 = 4 000
NPV = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123−25 00016 50012 50014 000

Ein Projekt kostet €25 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 €16 500, €12 500, €14 000. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.

CF0 = −25 000CF1 = 16 500CF2 = 12 500CF3 = 14 000
IRR = %
29.NormalverteilungMittel
85,75112,75P = ?

Die IQ-Werte sind normalverteilt mit dem Mittelwert 100 Punkte und der Standardabweichung 15 Punkte. Welcher Anteil liegt zwischen 85,75 und 112,75 Punkte? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 100σ = 15x1 = 85,75x2 = 112,75
P =
30.NormalverteilungSchwer
μ = 178x = ?20%

Die Körpergrößen erwachsener Männer sind normalverteilt mit dem Mittelwert 178 cm und der Standardabweichung 7 cm. Bestimme den Wert x, unter dem 20 % von ihnen liegen (das 20. Perzentil).

μ = 178σ = 7P = 20%
x = cm

3Lösungen

1.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 46,25 kN

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

P1​ = 60 kNP2​ = 25 kNABRA​RB​2 m2,5 m1,5 m

Freikörperbild

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

Gleichgewicht

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

ΣMA = 0: RB·6 = 60·2 + 25·4,5
RB = 232,5/6 = 38,75 kN
ΣFy = 0: RA = 85 − 38,75 = 46,25 kN

Antwort

RA = 46,25 kN
2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: MA = 700 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 Dreieckslast

W = ½·12·10 = 60 kN
x̄ = 2L/3 = 6,667 m

Moment um die Wand

MA = W·x̄ + P·a = 60·6,667 + 50·6 = 700 kN·m

Antwort

MA = 700 kN·m
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: 31,25 kN (T), BC: 31,25 kN (T), CD: 48,75 kN (T), DE: 48,75 kN (T), FG: 62,5 kN (C), GH: 62,5 kN (C), AF: 44,19 kN (C), HE: 68,94 kN (C), BF: 0, CG: 35 kN (C), DH: 35 kN (T), FC: 44,19 kN (T), HC: 19,45 kN (T)

Antwort

Nullstab: BF
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: 15,94 kN (T), BC: 25,62 kN (T), CD: 25,62 kN (T), DE: 35,31 kN (T), FG: 35,94 kN (C), GH: 55,31 kN (C), AF: 59,9 kN (C), HE: 58,85 kN (C), BF: 12,92 kN (T), CG: 0, DH: 12,08 kN (T), BG: 16,15 kN (C), DG: 16,15 kN (T)

Antwort

Nullstab: CG
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Vx = 25 kN

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 = 10·10 = 100 kN, angreifend bei x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 10·10·5
RB = 500/10 = 50 kN
ΣFy = 0: RA = 100 − 50 = 50 kN
w = 10 kN/mABRA​ = 50RB​ = 50Schnitt2,5 m7,5 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.

V = RA − (alle Lasten nach unten links vom Schnitt)
Vx = 50 − 10·2,5 = 25 kN

Antwort

Vx = 25 kN
6.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mx = 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 = 2·10 = 20 kN, angreifend bei x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 45·8 + 2·10·5
RB = 460/10 = 46 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 46 = 19 kN
w = 2 kN/mP = 45 kNABRA​ = 19RB​ = 46Schnitt8 m2 m

Schnitt bei x = 8 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 = 19·8 − 2·8·4 = 88 kN·m

Antwort

Mx = 88 kN·m
7.Durchbiegung

Antwort: δmax = 1,302 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 = 15 N/mm, L = 2000 mm
EI = 2,4 × 10¹² N·mm²

Durchbiegung

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·15·2000⁴/(384·2,4 × 10¹²) = 1,302 mm

Antwort

δmax = 1,302 mm
8.Durchbiegung

Antwort: hreq = 153,8 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 = 2 N/mm, L = 4000 mm, E = 11000 N/mm²

Grenzwert der Durchbiegung

δallow = L/250 = 4000/250 = 16 mm

Erforderliches Flächenträgheitsmoment

Ireq = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·2·4000⁴/(384·11000·16) = 3,788 × 10⁷ mm⁴

Erforderliche Höhe

bh³/12 = Ireq → h = (12·3,788 × 10⁷/125)1/3 = 153,8 mm

Antwort

hreq = 153,8 mm

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

9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 3,008 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 = 80·20³/12 = 53333 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·53333/3500² = 3008 N = 3,008 kN

Antwort

Pcr = 3,008 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: d = 68,06 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 = 3·55000 = 165000 N
KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Nach dem Durchmesser auflösen

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·165000·2100²/(π³·70000))^(1/4) = 68,06 mm

Antwort

d = 68,06 mm

Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 123,4, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.

11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 112,7 × 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 = (24000·120 − 2827·96)/(24000 − 2827) = 123,2 mm

Volle Platte um ȳ

100·240³/12 + 24000·−3,205² = 115,4 × 10⁶ mm⁴

Loch um ȳ

π·60⁴/64 + 2827·−27,21² = 2,729 × 10⁶ mm⁴

Subtrahieren

Ix = 112,7 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 112,7 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: σunten = 22,79 MPa

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

In zwei Rechtecke teilen

Miss jedes y von der Unterkante aus.

Flansch: Af = 180·25 = 4500 mm², yf = 260 + 25/2 = 272,5 mm
Steg: Aw = 10·260 = 2600 mm², yw = 260/2 = 130 mm

Schwerpunkt

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (4500·272,5 + 2600·130)/7100 = 220,3 mm

Satz von Steiner

Flansch: 180·25³/12 + 4500·(272,5 − 220,3)² = 1,249 × 10⁷ mm⁴
Steg: 10·260³/12 + 2600·(130 − 220,3)² = 3,586 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,249 × 10⁷ + 3,586 × 10⁷ = 4,834 × 10⁷ mm⁴

Biegespannung

Die Unterkante liegt ȳ von der Achse entfernt.

y = 220,3 mm
σ = M·y/I = 5 × 10⁶·220,3/4,834 × 10⁷ = 22,79 MPa

Antwort

σunten = 22,79 MPa
13.Effektive Spannung im Boden

Antwort: u = 19,62 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) = 9,81·2 = 19,62 kPa

Antwort

u = 19,62 kPa
14.Effektive Spannung im Boden

Antwort: σ′ = 91,85 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·1 + γsat,clay·3,5
σ = 17·3 + 18,5·1 + 19·3,5 = 136 kPa

Porenwasserdruck

Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.

u = γw·(z − zw) = 9,81·4,5 = 44,15 kPa

Effektive Spannung

σ′ = σ − u = 136 − 44,15 = 91,85 kPa

Antwort

σ′ = 91,85 kPa
15.Konsolidationssetzung

Antwort: S = 180,7 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 = 75 + 90 = 165 kPa > 115 kPa

Setzung

Wiederbelastung bis σ′p, Erstbelastung darüber.

S = 0,06·7/(1 + 0,95)·log₁₀(115/75) + 0,25·7/(1 + 0,95)·log₁₀(165/115)
S = 39,98 + 140,7 = 180,7 mm

Antwort

S = 180,7 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 0,1292 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/2 = 3/2 = 1,5 m

Zeit

t = Tv·Hdr²/cv = 0,287·1,5²/5 = 0,1292 Jahre

Antwort

t = 0,1292 Jahre
17.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 117,7 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 = 3 + 2/2 = 4 m
A = H·b = 2·1,5 = 3 m²
Schützd = 3 mH = 2 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4·3 = 117,7 kN

Antwort

F = 117,7 kN
18.Hydrostatische Kraft

Antwort: ycp = 1,083 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 + 1/2 = 1 m
A = H·b = 1·3 = 3 m²
Schützd = 0,5 mH = 1 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·1·3 = 37,08 kN

Druckmittelpunkt

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

Ic = b·H³/12 = 3·1³/12 = 0,25 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 1 + 0,25/(1·3) = 1,083 m

Antwort

ycp = 1,083 m
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 1,433 m

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

Geschwindigkeitshöhe

V²/(2g) = 1,5²/(2·9,81) = 0,1147 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(150/0,3)·1,5²/(2·9,81) = 1,433 m

Antwort

hf = 1,433 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: H = 5,868 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 = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,015·100/0,2 = 7,5
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 = 11,7

Energiegleichung

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

H = (1 + 7,5 + 11,7)·0,2905 = 5,868 m

Antwort

H = 5,868 m
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 4,035 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·y = 4·1,5 = 6 m²
P = b + 2y = 4 + 2·1,5 = 7 m
R = A/P = 0,8571 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,03)·0,85712/3·0,00051/2 = 0,6726 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 6·0,6726 = 4,035 m³/s

Antwort

Q = 4,035 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,003048 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 = 1·2,5 = 2,5 m²
P = b + 2y = 1 + 2·2,5 = 6 m
R = A/P = 0,4167 m

Manning nach S auflösen

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,022·3,5/(2,5·0,5579) = 0,05521
S = 0,05521² = 0,003048

Antwort

S = 0,003048

Das ist ein Gefälle von 3,048 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pel = 138,6 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 = 1000·9,81·0,15·58 = 85,35 kW

Wellenleistung

Pshaft = 85,35/0,7 = 121,9 kW

Elektrische Leistung

Pel = 121,9/0,88 = 138,6 kW

Antwort

Pel = 138,6 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 24,54 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.

Geschwindigkeit

V = Q/A = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (15 + 8)·0,2905 = 6,681 m

Förderhöhe

H = Δz + hL = 15 + 6,681 = 21,68 m

Wellenleistung

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,075·21,68/0,65 = 24,54 kW

Antwort

Pshaft = 24,54 kW
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: PV = 7786 €

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.

Rentenbarwertfaktor

(1 − (1 + i)−n)/i = (1 − 0,7664)/0,03 = 7,786

Barwert

PV = 1 000·7,786 = €7 786,11

Antwort

PV = €7 786,11
26.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 8549 €

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 + 0,05)7 − 1)/0,05 = 8,142

Vorschüssige Rente

Jede Einzahlung ist ein Jahr länger angelegt.

FV = 1 000·8,142·1,05 = €8 549,11

Antwort

FV = €8 549,11
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = 2124 €

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 + 0,07)1 = 7 000/1,07 = 6 542,06
CF2/(1 + 0,07)2 = 5 000/1,145 = 4 367,19
CF3/(1 + 0,07)3 = 10 000/1,225 = 8 162,98
CF4/(1 + 0,07)4 = 4 000/1,311 = 3 051,58

Addieren

NPV = €2 123,81

Antwort

NPV = €2 123,81

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

28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: IRR = 34,29 %

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

Den IRR eingrenzen

Der Kapitalwert sinkt mit steigendem Zins, also liegt der IRR zwischen einem Zinssatz mit positivem und einem mit negativem Kapitalwert.

NPV(30%) = 1 461,08
NPV(35%) = −228,88

Eingrenzen

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

IRR ≈ 30 + 5·1 461,08/(1 461,08 − (−228,88)) = 34,32%
exakt: NPV(34,29%) = 0 → IRR = 34,29%

Antwort

IRR = 34,29%
29.Normalverteilung

Antwort: P = 0,6313

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 = (85,75 − 100)/15 = −0,95
z₂ = (112,75 − 100)/15 = 0,85

Fläche dazwischen

P = Φ(0,85) − Φ(−0,95) = 0,8023 − 0,1711 = 0,6313

Antwort

P = 0,6313
30.Normalverteilung

Antwort: x = 172,1 cm

Normalverteilung: Rechne einen Wert x in einen z-Wert um, z = (x − μ)/σ; er gibt an, wie viele Standardabweichungen x vom Mittelwert entfernt liegt. Eine z-Tabelle (oder Φ(z)) liefert die Fläche links von z, also P(X < x). Die Fläche rechts ist 1 − Φ(z), und die Fläche zwischen zwei Werten ist die Differenz ihrer beiden Flächen.

z für das Perzentil

Φ(z) = 0,2 → z = −0,8416

Zurück zu x

x = 178 + −0,8416·7 = 172,11 cm

Antwort

x = 172,11 cm

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