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
Zeichne einen Zeitstrahl mit jeder Zahlung und ihrem Zeitpunkt.
Passe den Zinssatz an die Periode an: ein Monatszins für monatliche Zahlungen.
Verwende FV = PV·(1 + i)ⁿ für Einzelbeträge und die Rentenformeln für gleich hohe Zahlungen.
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
Liste alle Zahlungen mit ihrem Jahr auf; die Investition in Jahr 0 ist negativ.
Zinse jede Zahlung ab: CFt/(1 + r)t.
Addiere sie zum Kapitalwert (NPV). Positiv bedeutet, dass das Projekt mehr als r erwirtschaftet.
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
Rechne den Wert in einen z-Wert um: z = (x − μ)/σ.
Lies Φ(z) ab, die Fläche links von z.
Für die Fläche rechts verwende 1 − Φ(z); für ein Intervall subtrahiere die beiden linken Flächen.
Für ein Perzentil rechnest du rückwärts: Bestimme z zur Fläche, dann x = μ + z·σ.
2Übungsaufgaben
1.Auflagerkräfte am BalkenMittel
Der Balken hat in A ein Festlager und in B, 2,5 m von A entfernt, ein Loslager und kragt über B bis zum freien Ende C aus. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RA, nach oben positiv.
AB = 2,5 mAC = 4 mP1 = 30 kN bei 1 mP2 = 15 kN bei 4 m
RA = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
Der Kragträger ist in A an der Wand eingespannt. Er trägt eine linear veränderliche Last, die an der Wand 15 kN/m beträgt und bis zum freien Ende B auf null abfällt, sowie eine Einzellast P im Abstand 8 m von der Wand. Bestimme den Betrag des Einspannmoments MA an der Wand.
L = 8 mw0 = 15 kN/mP = 30 kN bei 8 m
MA = kN·m
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
Bestimme mit dem Knotenpunktverfahren die Kraft FAC im Stab AC. Gib Zug positiv und Druck negativ an.
Spannweite = 8 mHöhe = 3 mB liegt 7 m von A entferntvertikale Last = 50 kN
FAC = kN
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
Genau ein Stab dieses Fachwerks trägt unter diesen Lasten keine Kraft. Welcher ist der Nullstab? Klicke ihn im Diagramm an.
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 @ 4 m10 kN/m, 0–6 m
1A (x = 0 m)
2B (x = 1 m)
3C (x = 2 m)
4D (x = 3 m)
5E (x = 4 m)
6F (x = 5 m)
7G (x = 6 m)
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
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.
25 kN @ 0 m35 kN @ 12 m10 kN/m, 2–10 m
1A (x = 0 m)
2B (x = 2 m)
3C (x = 4 m)
4D (x = 6 m)
5E (x = 8 m)
6F (x = 10 m)
7G (x = 12 m)
7.DurchbiegungMittel
Ein Einfeldträger trägt eine Einzellast P im Abstand a = 4,5 m vom Auflager A. Bestimme die Durchbiegung δP unter der Last.
P = 30 kNa = 4,5 mL = 8 mE = 200 GPa (Stahl)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
8.DurchbiegungSchwer
Ein Einfeldträger trägt eine Gleichstreckenlast w. Seine Durchbiegung darf Spannweite/360 nicht überschreiten. Bestimme das kleinste Flächenträgheitsmoment Ireq, das diese Grenze einhält.
w = 8 kN/mL = 5 mE = 200 GPa (Stahl)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von StützenMittel
Eine Stütze der Länge L aus Stahl ist unten eingespannt und oben gelenkig gelagert. Bestimme mit der Euler-Formel ihre kritische Knicklast Pcr.
L = 5 mE = 200 GPa (Stahl)b × h = 30 × 80 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
Eine Stütze der Länge L aus Stahl ist unten eingespannt und oben frei. Bestimme ihre Schlankheit und die kritische Knickspannung σcr nach Euler.
L = 3 mE = 200 GPa (Stahl)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
Ein U-Profil liegt mit der offenen Seite nach oben: eine Bodenplatte von 140 mm Breite mit zwei senkrechten Schenkeln, insgesamt 100 mm hoch. Boden und Schenkel sind alle 16 mm dick. Bestimme sein Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse x durch seinen Schwerpunkt.
b = 140 mmh = 100 mmt = 16 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
Ein geschweißter I-Querschnitt hat einen Obergurt 120 × 24 mm, einen Steg mit 240 mm Höhe und 10 mm Dicke sowie einen Untergurt 300 × 22 mm (Breite × Dicke). Bestimme sein Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse x durch seinen Schwerpunkt.
Eine 7,5 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,35, Cr = 0,05 und e₀ = 0,75. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 90 kPa und der Überkonsolidierungsgrad OCR = 3. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 150 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.
Eine 7,5 m dicke Tonschicht hat einen Konsolidationsbeiwert cv = 2 m²/Jahr. Sie liegt zwischen zwei Sandschichten, das Wasser kann also oben und unten austreten. Für 80 % mittlere Konsolidation ist der Zeitfaktor Tv = 0,567. Wie viele Jahre t braucht die Schicht, um 80 % Konsolidation zu erreichen?
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.
Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1,5 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Glycerin, seine Oberkante liegt 1,5 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.
Wasser fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 0,8 m/s durch ein 1000 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 75 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,03 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.
Zwei offene Behälter sind durch ein 200 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,02 verbunden. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 2 Krümmer (je K = 0,3), ein Ventil (K = 10) 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?
Ein Rechteckgerinne (rauer Beton) ist 4 m breit. Wasser fließt gleichförmig 1 m tief. Manning n = 0,014, und das Sohlgefälle ist S = 0,004. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.
b = 4 my = 1 mn = 0,014S = 0,004
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
Ein Trapezgerinne (Erdreich mit Grasbewuchs) mit einer Sohlbreite von 4 m und einer Böschungsneigung von 1:1 (horizontal:vertikal) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 2,3 m 38 m³/s abführen. Manning n = 0,03. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).
Q = 38 m³/sb = 4 my = 2,3 mz = 1n = 0,03
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
In einem Versuch fördert eine Pumpe 10 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 16 m, während ihre Welle 2,2 kW aufnimmt. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Pumpenwirkungsgrad η in Prozent.
Q = 10 L/sH = 16 mPshaft = 2,2 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
Eine Pumpe fördert 60 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 18 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 100 m lang, hat einen Innendurchmesser von 200 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,022; 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.
Du legst €10 000 zu 7 % pro Jahr bei stetiger Verzinsung an. Bestimme den Wert FV nach 19 Jahren.
PV = €10 000r = 7%t = 19
FV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Ein Darlehen von €20 000 wird über 6 Jahre mit gleichen Monatsraten bei 3 % pro Jahr und monatlicher Verzinsung getilgt. Wie viel Zinsen I werden über die gesamte Laufzeit gezahlt?
P = €20 0003% / 12N = 72
I = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Ein Projekt kostet heute €200 000. Es erwirtschaftet am Ende des ersten Jahres €14 000, danach wächst der Zahlungsüberschuss für immer um 2 % pro Jahr. Die Kapitalkosten betragen 8 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.
C0 = €200 000CF1 = €14 000g = 2%r = 8%
NPV = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Ein Projekt kostet €10 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 2 €5 500, €6 500. Bestimme seinen internen Zinsfuß IRR in Prozent.
CF0 = −10 000CF1 = 5 500CF2 = 6 500
IRR = %
29.NormalverteilungMittel
Die Prüfungsergebnisse sind normalverteilt mit dem Mittelwert 65 Punkte und der Standardabweichung 10 Punkte. Welcher Anteil liegt zwischen 53,5 und 75 Punkte? Gib P als Dezimalzahl an.
μ = 65σ = 10x1 = 53,5x2 = 75
P =
30.NormalverteilungSchwer
Die Gewichte von Beuteln sind normalverteilt mit dem Mittelwert 250 g und der Standardabweichung 5 g. Bestimme den Wert x, unter dem 20 % von ihnen liegen (das 20. Perzentil).
μ = 250σ = 5P = 20%
x = g
3Lösungen
1.Auflagerkräfte am Balken
Antwort: RA = 9 kN
Statisches Gleichgewicht: Für einen ruhenden Körper gilt ΣFx = 0, ΣFy = 0 und ΣM = 0 um jeden Punkt. Ersetze jede Streckenlast durch ihre Resultierende (ihre Fläche), die im Schwerpunkt der Lastfigur angreift, und bilde die Momente um ein Auflager, damit dessen Auflagerkraft aus der Gleichung herausfällt.
Momente um A
Gegen den Uhrzeigersinn positiv.
ΣMA = 0: RB·2,5 = 30·1 + 15·4
RB = 90/2,5 = 36 kN
Vertikales Gleichgewicht
RA = 30 + 15 − 36 = 9 kN
Antwort
RA = 9 kN
2.Auflagerkräfte am Balken
Antwort: MA = 400 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 = ½·15·8 = 60 kN
x̄ = L/3 = 2,667 m
Moment um die Wand
MA = W·x̄ + P·a = 60·2,667 + 30·8 = 400 kN·m
Antwort
MA = 400 kN·m
3.Fachwerk: Knotenpunktverfahren
Antwort: FAC = 14,58 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.
Auflagerkräfte
Gleichgewicht des ganzen Fachwerks. Momente um A, gegen den Uhrzeigersinn positiv.
ΣMA = 0: Cy·8 = 50·7 → Cy = 43,75 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 43,75 = 6,25 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 = 3/3,162 = 0,9487, cos γ = 1/3,162 = 0,3162
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).
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 = 50 kN, R2 = 70 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 = 45, MC = 80, MD = 105, ME = 120 kN·m, MF = 65, MG = 0
Antwort
Markierung E: ME = 120 kN·m
6.Querkraft und Biegemoment
Antwort: F (x = 10 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 = 62,5 kN, R2 = 77,5 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 = −50, MC = 5, MD = 20, ME = −5, MF = −70 kN·m, MG = 0
Antwort
Markierung F: MF = −70 kN·m
7.Durchbiegung
Antwort: δP = 12,92 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 = 30000 N, a = 4500 mm, b = 3500 mm, L = 8000 mm
EI = 2,4 × 10¹³ N·mm²
Durchbiegung unter der Last
δP = Pa²b²/(3EIL) = 30000·4500²·3500²/(3·2,4 × 10¹³·8000) = 12,92 mm
Antwort
δP = 12,92 mm
8.Durchbiegung
Antwort: Ireq = 23,44 × 10⁶ mm⁴
Durchbiegung von Balken: Durchbiegungen erhält man durch zweimaliges Integrieren der Krümmung M/(EI). Standardfälle sind tabelliert, zum Beispiel PL³/(3EI) für einen Kragarm mit Endlast und 5wL⁴/(384EI) für einen Einfeldträger unter voller Gleichstreckenlast. Durchbiegungen aus verschiedenen Lasten addieren sich (Superposition).
Grenzwert der Durchbiegung
δallow = L/360 = 5000/360 = 13,89 mm
Erforderliches Flächenträgheitsmoment
I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·8·5000⁴/(384·200000·13,89) = 2,344 × 10⁷ mm⁴
Ireq = 23,44 × 10⁶ mm⁴
Antwort
Ireq = 23,44 × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von Stützen
Antwort: Pcr = 29 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.
Knicken nach Euler: Eine schlanke Stütze wird bei Pcr = π²EI/(KL)² instabil, wobei KL die Knicklänge ist: K = 1 für gelenkig–gelenkig, 2 für eingespannt–frei, 0,7 für eingespannt–gelenkig und 0,5 für eingespannt–eingespannt. Sie knickt um die Achse mit dem kleinsten I aus. Die Formel gilt für schlanke Stützen, deren kritische Spannung unter der Streckgrenze bleibt.
Kleinstes Flächenträgheitsmoment
Ein runder Querschnitt hat um jede Achse dasselbe I.
I = πd⁴/64 = π·30⁴/64 = 39761 mm⁴
Trägheitsradius und Schlankheit
A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 2·3000 = 6000 mm
KL/r = 6000/7,5 = 800
Kritische Spannung
σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/800² = 3,084 MPa
Antwort
σcr = 3,084 MPa
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment
Antwort: Ix = 4,683 × 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 Rechtecke aufteilen
Nimm den Boden über die ganze Breite und die beiden Schenkel darüber (Höhe h − t), damit nichts doppelt gezählt wird.
Grundlage: A1 = 140·16 = 2240 mm², y1 = 8 mm
zwei Schenkel: A2 = 2·16·84 = 2688 mm², y2 = 16 + 84/2 = 58 mm
Zusammengesetzte Flächen: Teile den Querschnitt in Rechtecke. Der Schwerpunkt ist der flächengewichtete Mittelwert ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Das Flächenträgheitsmoment um die Schwerachse addiert für jeden Teil sein eigenes bh³/12 und seinen Steiner-Anteil A·d², wobei d der Abstand vom Teilschwerpunkt zum Gesamtschwerpunkt ist. Die Biegespannung ist σ = M·y/I.
In drei Rechtecke aufteilen
Miss jedes y von der Unterkante aus.
Obergurt: A = 2880 mm², y = 274 mm
Steg: A = 2400 mm², y = 142 mm
Untergurt: A = 6600 mm², y = 11 mm
Schwerpunkt
ȳ = (2880·274 + 2400·142 + 6600·11)/11880 = 101,2 mm
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.
Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.
u = γw·(z − zw) = 9,81·3 = 29,43 kPa
Effektive Spannung
σ′ = σ − u = 127,5 − 29,43 = 98,07 kPa
Antwort
σ′ = 98,07 kPa
14.Effektive Spannung im Boden
Antwort: u = 39,24 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) = 9,81·4 = 39,24 kPa
Antwort
u = 39,24 kPa
15.Konsolidationssetzung
Antwort: S = 91,28 mm
Primärkonsolidation einer Tonschicht der Dicke H, mit der effektiven Spannung in der Schichtmitte: σ′f = σ′0 + Δσ. Normal konsolidierter Ton: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Überkonsolidierter Ton wird bis zur Vorbelastungsspannung σ′p entlang Cr wiederbelastet und folgt erst darüber Cc. Zeit: t = Tv·Hdr²/cv, wobei der Dränweg Hdr gleich H/2 ist, wenn das Wasser oben und unten austreten kann, und gleich H, wenn nur eine Seite entwässert.
Vorbelastungsspannung
σ′p = OCR·σ′0 = 3·90 = 270 kPa
Mit der Vorbelastungsspannung vergleichen
σ′f = 90 + 150 = 240 kPa ≤ 270 kPa
Setzung
Der Ton bleibt auf seiner Wiederbelastungslinie.
S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,05·7,5/(1 + 0,75)·log₁₀(240/90) = 91,28 mm
Antwort
S = 91,28 mm
16.Konsolidationssetzung
Antwort: t = 3,987 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 = 7,5/2 = 3,75 m
Zeit
t = Tv·Hdr²/cv = 0,567·3,75²/2 = 3,987 Jahre
Antwort
t = 3,987 Jahre
17.Hydrostatische Kraft
Antwort: F = 198,7 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 + 3/2 = 4,5 m
A = H·b = 3·1,5 = 4,5 m²
Resultierende Kraft
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4,5·4,5 = 198,7 kN
Antwort
F = 198,7 kN
18.Hydrostatische Kraft
Antwort: F = 166,9 kN
Hydrostatische Kraft auf eine ebene Fläche: F = ρ·g·yc·A. Sie greift im Druckmittelpunkt an, ycp = yc + Ic/(ycA), der immer unterhalb des Schwerpunkts liegt.
Schwerpunkttiefe und Fläche
yc = d + H/2 = 1,5 + 3/2 = 3 m
A = H·b = 3·1,5 = 4,5 m²
Resultierende Kraft
F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·3·4,5 = 166,9 kN
Antwort
F = 166,9 kN
19.Rohrreibung und Verlusthöhe
Antwort: hf = 13,05 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) = 0,8²/(2·9,81) = 0,03262 m
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(1000/0,075)·0,8²/(2·9,81) = 13,05 m
Antwort
hf = 13,05 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe
Antwort: Δz = 1,459 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 = 0,075/0,07069 = 1,061 m/s
V²/(2g) = 0,05738 m
Verlustbeiwerte
f·L/D = 0,02·200/0,3 = 13,33
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 + 1,0 = 12,1
Gesamte Verlusthöhe
hf = 13,33·0,05738 = 0,7651 m
hm = 12,1·0,05738 = 0,6943 m
Δz = hf + hm = 1,459 m
Antwort
Δz = 1,459 m
21.Gerinneströmung (Manning)
Antwort: Q = 13,79 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 = 4 m²
P = b + 2y = 4 + 2·1 = 6 m
R = A/P = 0,6667 m
Geschwindigkeit
V = (1/0,014)·0,66672/3·0,0041/2 = 3,448 m/s
Volumenstrom
Q = A·V = 4·3,448 = 13,79 m³/s
Antwort
Q = 13,79 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)
Antwort: S = 0,004031 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 + 1·2,3)·2,3 = 14,49 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 4 + 2·2,3·√(1 + 1²) = 10,51 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.
Hydraulische Leistung
Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,01·16 = 1,57 kW
Wirkungsgrad
η = Ph/Pshaft = 1,57/2,2 = 71,35%
Antwort
η = 71,35%
24.Pumpen und Pumpenleistung
Antwort: H = 52,11 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.
Beide Wasserspiegel sind praktisch in Ruhe, daher gibt es keinen Geschwindigkeitsterm.
H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 18 + 30,58 + 3,532 = 52,11 m
Antwort
H = 52,11 m
25.Zeitwert des Geldes
Antwort: FV = 37810 €
Zeitwert des Geldes: Geld heute ist mehr wert als derselbe Betrag später, weil es Zinsen bringen kann. Bei einem Zinssatz i pro Periode wächst ein Betrag auf FV = PV·(1 + i)n. Eine Reihe gleicher Zahlungen (eine Annuität) wird bewertet, indem man alle Zahlungen aufsummiert; daraus ergeben sich die Rentenformeln.
Exponent
r·t = 0,07·19 = 1,33
e1,33 = 3,781
Endwert
FV = 10 000·3,781 = €37 810,43
Antwort
FV = €37 810,43
26.Zeitwert des Geldes
Antwort: I = 1879 €
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.
Monatliche Rate
i = 0,0025, N = 72
A = 20 000·0,0025/(1 − (1 + 0,0025)−72) = €303,87
Gesamtzinsen
I = N·A − P = 72·303,9 − 20 000 = €1 878,89
Antwort
I = €1 878,89
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß
Antwort: NPV = 33333 €
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.
Wert der Zahlungen
PV = 14 000/(0,08 − 0,02) = 233 333,33
NPV
NPV = 233 333,33 − 200 000 = €33 333,33
Antwort
NPV = €33 333,33
Der Kapitalwert ist positiv, das Projekt verdient also mehr als die geforderte Rendite.
28.Kapitalwert & interner Zinsfuß
Antwort: IRR = 12,68 %
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(10%) = 371,90
NPV(15%) = −302,46
Eingrenzen
Lineare Interpolation liefert eine erste Schätzung; Wiederholen (oder die IRR-Funktion eines Rechners) liefert den genauen Zinssatz.
IRR ≈ 10 + 5·371,90/(371,90 − (−302,46)) = 12,76%
exakt: NPV(12,68%) = 0 → IRR = 12,68%
Antwort
IRR = 12,68%
29.Normalverteilung
Antwort: P = 0,7163
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 = (53,5 − 65)/10 = −1,15
z₂ = (75 − 65)/10 = 1
Fläche dazwischen
P = Φ(1) − Φ(−1,15) = 0,8413 − 0,1251 = 0,7163
Antwort
P = 0,7163
30.Normalverteilung
Antwort: x = 245,8 g
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 = 250 + −0,8416·5 = 245,79 g
Antwort
x = 245,79 g
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