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 Einfeldträger hat in A ein Festlager und in B ein Loslager. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RA.
L = 5 mP1 = 10 kN bei 3 mP2 = 40 kN bei 4 m
RA = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
Der Einfeldträger hat in A ein Festlager und in B ein Loslager. Bestimme die vertikale Auflagerkraft RA.
L = 8 mP = 45 kN bei 7 mw = 5 kN/m von 3 bis 7 m
RA = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
Bestimme mit dem Knotenpunktverfahren die Kraft FAC im Stab AC. Gib Zug positiv und Druck negativ an.
Spannweite = 8 mHöhe = 2 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.
B: 20 kN ↓D: 30 kN ↓G: 30 kN ↓H: 10 kN ←
1Stab AB
2Stab BC
3Stab CD
4Stab DE
5Stab FG
6Stab GH
7Stab AF
8Stab HE
9Stab BF
10Stab CG
11Stab DH
12Stab BG
13Stab DG
5.Querkraft und BiegemomentMittel
Der Einfeldträger trägt zwei Einzellasten. Bestimme das maximale Biegemoment Mmax im Balken.
L = 6 mP1 = 60 kN bei 3,5 mP2 = 30 kN bei 4 m
Mmax = kN·m
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
Der Balken liegt in A auf einem Festlager und in B auf einem Loslager und kragt über B um 2,5 m bis zum freien Ende C aus. Über die ganze Länge A–C wirkt eine Gleichstreckenlast w. Bestimme den Abstand xc von A bis zum Momentennullpunkt zwischen den Auflagern (wo das Biegemoment das Vorzeichen wechselt).
L = 7,5 mw = 12 kN/m von 0 bis 7,5 mAuflager bei x = 0 und x = 5 m
xc = m
7.DurchbiegungMittel
Ein Einfeldträger trägt über die ganze Spannweite eine Gleichstreckenlast w. Bestimme die maximale Durchbiegung δmax in Feldmitte.
w = 4 kN/mL = 2,5 mE = 11 GPa (Holz)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.DurchbiegungSchwer
Ein Einfeldträger trägt eine Gleichstreckenlast w und eine Einzellast P in Feldmitte. Bestimme mit Superposition die Durchbiegung δmax in Feldmitte.
P = 5 kNw = 12 kN/mL = 3 mE = 200 GPa (Stahl)I = 12 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Knicken von StützenMittel
Eine Stütze der Länge L aus Aluminium ist an beiden Enden eingespannt. Bestimme mit der Euler-Formel ihre kritische Knicklast Pcr.
L = 3 mE = 70 GPa (Aluminium)b × h = 20 × 60 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
Eine runde Vollstütze der Länge L aus Aluminium ist an beiden Enden gelenkig gelagert. Sie muss 50 kN mit einer Sicherheit von 3 gegen Knicken tragen. Bestimme den kleinsten Durchmesser d.
P = 50 kNn = 3L = 6 mE = 70 GPa (Aluminium)
d = mm
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix des T-Querschnitts um die waagerechte Achse x durch seinen Schwerpunkt.
bf = 100 mmtf = 25 mmtw = 14 mmhw = 260 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
Eine Platte von 150 mm × 150 mm hat einen rechteckigen Ausschnitt von 30 mm Breite und 30 mm Höhe, der auf der vertikalen Mittellinie sitzt und dessen Mittelpunkt 45 mm über der Unterseite liegt. Bestimme das Flächenträgheitsmoment Ix um die horizontale Achse durch den Flächenschwerpunkt.
b = 150 mmh = 150 mmAusschnitt: 30 × 30 mmLochmittelpunkt: y = 45 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Bestimme für das gezeigte Bodenprofil die totale vertikale Spannung σ im Punkt X.
Eine 5 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,5, Cr = 0,06 und e₀ = 1,15. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 45 kPa und der Überkonsolidierungsgrad OCR = 2. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 120 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.
In einem Ödometerversuch im Labor erreicht eine 20 mm dicke Tonprobe, die oben und unten entwässert, in 5 min 50 % Konsolidation. Im Feld bildet derselbe Ton eine 2,5 m dicke Schicht. Sie liegt auf undurchlässigem Fels, mit Sand darüber, das Wasser kann also nur oben austreten. Wie viele Tage t braucht die Schicht im Feld, um 50 % Konsolidation zu erreichen?
Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 1 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 3 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Glycerin, seine Oberkante liegt 2,5 m unter der Oberfläche. Bestimme die Tiefe ycp des Druckmittelpunkts unter der Oberfläche.
Wasser fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 1,5 m/s durch ein 800 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.
Zwei offene Behälter sind durch ein 200 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 200 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,025 verbunden. Der Wasserspiegel des oberen Behälters liegt 14 m über dem des unteren. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 2 Krümmer (je K = 0,3), ein Ventil (K = 5) und der Auslauf in den unteren Behälter (K = 1,0). Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Durchfluss Q in L/s.
Ein Regenwasserkanal aus Beton mit einem Innendurchmesser von 450 mm läuft gerade voll (als Freispiegelleitung, nicht unter Druck). Manning n = 0,013, und das Gefälle ist S = 0,001. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.
D = 450 mmn = 0,013S = 0,001
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
Ein Trapezgerinne (Mauerwerk) mit einer Sohlbreite von 2 m und einer Böschungsneigung von 1,5:1 (horizontal:vertikal) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 2,1 m 35 m³/s abführen. Manning n = 0,015. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).
Q = 35 m³/sb = 2 my = 2,1 mz = 1,5n = 0,015
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
Eine Pumpe mit einem Wirkungsgrad von 70 % fördert 60 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 54 m. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die benötigte Wellenleistung Pshaft in kW.
Q = 60 L/sH = 54 mη = 70%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
Eine Pumpe fördert 80 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 23 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 500 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 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 €12 000 zu einem Nominalzins von 3 % pro Jahr mit monatlicher Verzinsung an. Bestimme den Wert FV der Anlage nach 4 Jahren.
PV = €12 0003% / 12n = 4
FV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Du leihst dir €25 000 zu 4,8 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung und zahlst am Ende jedes Monats €475 zurück. Wie viele Monate dauert es, bis das Darlehen getilgt ist (die letzte Rate darf kleiner sein)? Gib die Anzahl der Raten N an.
P = €25 000A = €4754,8% / 12
N = Raten
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Eine Maschine kostet heute €100 000. Sie erwirtschaftet 6 Jahre lang am Ende jedes Jahres €22 500 und kann danach für €20 000 verkauft werden. Die Kapitalkosten betragen 6 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.
C0 = €100 000CF = €22 500S = €20 000n = 6r = 6%
NPV = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Eine Investition von €80 000 bringt 4 Jahre lang am Ende jedes Jahres €23 000. Bestimme ihren internen Zinsfuß IRR in Prozent.
C0 = €80 000CF = €23 000n = 4
IRR = %
29.NormalverteilungMittel
Die Lieferzeiten sind normalverteilt mit dem Mittelwert 32 min und der Standardabweichung 6 min. Welcher Anteil liegt zwischen 27,2 und 44,3 min? Gib P als Dezimalzahl an.
μ = 32σ = 6x1 = 27,2x2 = 44,3
P =
30.NormalverteilungSchwer
Die Lebensdauern von Batterien sind normalverteilt mit dem Mittelwert 500 h und der Standardabweichung 40 h. Bestimme den Wert x, unter dem 10 % von ihnen liegen (das 10. Perzentil).
μ = 500σ = 40P = 10%
x = h
3Lösungen
1.Auflagerkräfte am Balken
Antwort: RA = 12 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.
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·5 = 10·3 + 40·4
RB = 190/5 = 38 kN
ΣFy = 0: RA = 50 − 38 = 12 kN
Antwort
RA = 12 kN
2.Auflagerkräfte am Balken
Antwort: RA = 13,13 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.
Freikörperbild
Ersetze die Lager durch Auflagerkräfte. Ein Loslager gibt eine vertikale Kraft; bei nur vertikalen Lasten gibt auch das Festlager nur eine vertikale Kraft.
Gleichgewicht
Momente um A, gegen den Uhrzeigersinn positiv. Dann das Kräftegleichgewicht in vertikaler Richtung.
Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 5·4 = 20 kN, angreifend bei x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·8 = 45·7 + 5·4·5
RB = 415/8 = 51,88 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 51,88 = 13,13 kN
Antwort
RA = 13,13 kN
3.Fachwerk: Knotenpunktverfahren
Antwort: FAC = 21,88 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 = 2/2,236 = 0,8944, cos γ = 1/2,236 = 0,4472
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).
Schnittverfahren: Schneide den Balken dort, wo du die Schnittgrößen brauchst, und behalte eine Seite. Die Querkraft V hält den vertikalen Kräften dieser Seite das Gleichgewicht, das Biegemoment M ihren Momenten um den Schnitt. Maximales Moment: Wegen dM/dx = V hat das Biegemoment sein Maximum dort, wo die Querkraft durch null geht, entweder an einer Einzellast oder innerhalb einer Streckenlast.
Auflagerkräfte
Gleichgewicht des ganzen Balkens.
ΣMA = 0: RB·6 = 60·3,5 + 30·4
RB = 330/6 = 55 kN
ΣFy = 0: RA = 90 − 55 = 35 kN
Moment unter jeder Last
Behalte jeweils den Teil links von der Last.
unter P1: M = RA·3,5 = 35·3,5 = 122,5 kN·m
unter P2: M = RB·2 = 55·2 = 110 kN·m
Größter Wert
Mmax = 122,5 kN·m (unter P1)
Antwort
Mmax = 122,5 kN·m
6.Querkraft und Biegemoment
Antwort: xc = 3,75 m
Schnittverfahren: Schneide den Balken dort, wo du die Schnittgrößen brauchst, und behalte eine Seite. Die Querkraft V hält den vertikalen Kräften dieser Seite das Gleichgewicht, das Biegemoment M ihren Momenten um den Schnitt. Maximales Moment: Wegen dM/dx = V hat das Biegemoment sein Maximum dort, wo die Querkraft durch null geht, entweder an einer Einzellast oder innerhalb einer Streckenlast.
Auflagerkräfte
Gleichgewicht am ganzen Balken, einschließlich der Last auf dem Kragarm.
Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 12·7,5 = 90 kN, angreifend bei x̄ = 3,75 m
ΣMA = 0: RB·5 = 12·7,5·3,75
RB = 337,5/5 = 67,5 kN
ΣFy = 0: RA = 90 − 67,5 = 22,5 kN
Momentennullpunkt
Zwischen den Auflagern gilt M(x) = RA·x − w·x²/2. Abgesehen von x = 0 ist es null bei x = 2RA/w.
RA·xc − w·xc²/2 = 0
xc = 2·22,5/12 = 3,75 m
Antwort
xc = 3,75 m
7.Durchbiegung
Antwort: δmax = 8,042 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 = 4 N/mm, L = 2500 mm
EI = 2,53 × 10¹¹ N·mm²
Durchbiegung
δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·4·2500⁴/(384·2,53 × 10¹¹) = 8,042 mm
Antwort
δmax = 8,042 mm
8.Durchbiegung
Antwort: δmax = 6,445 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 = 5000 N, w = 12 N/mm, L = 3000 mm, EI = 2,4 × 10¹² N·mm²
Jede Last für sich
δP = PL³/(48EI) = 5000·3000³/(48·2,4 × 10¹²) = 1,172 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·12·3000⁴/(384·2,4 × 10¹²) = 5,273 mm
Addieren
δmax = 1,172 + 5,273 = 6,445 mm
Antwort
δmax = 6,445 mm
9.Knicken von Stützen
Antwort: Pcr = 12,28 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.
Erforderliche kritische Last
Pcr = n·P = 3·50000 = 150000 N
KL = 1·6000 = 6000 mm
Nach dem Durchmesser auflösen
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·150000·6000²/(π³·70000))^(1/4) = 112,3 mm
Antwort
d = 112,3 mm
Kontrolle: Die Schlankheit KL/r beträgt 213,7, die Stütze ist also schlank, und Euler gilt.
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment
Antwort: Ix = 50,73 × 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 = 100·25 = 2500 mm², yf = 260 + 25/2 = 272,5 mm
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 = (22500·75 − 900·45)/(22500 − 900) = 76,25 mm
Volle Platte um ȳ
150·150³/12 + 22500·−1,25² = 42,22 × 10⁶ mm⁴
Loch um ȳ
30·30³/12 + 900·−31,25² = 0,9464 × 10⁶ mm⁴
Subtrahieren
Ix = 41,28 × 10⁶ mm⁴
Antwort
Ix = 41,28 × 10⁶ mm⁴
13.Effektive Spannung im Boden
Antwort: σ = 71,5 kPa
Effektive Spannung (Terzaghi): Das Korngerüst trägt σ′ = σ − u. Die totale Spannung σ ist das Gewicht von allem über dem Punkt, Σγ·h, mit der Trockenwichte oberhalb des Grundwasserspiegels und der gesättigten Wichte darunter. Unterhalb des Grundwasserspiegels ist der Porenwasserdruck hydrostatisch: u = γw·(Tiefe unter dem Grundwasserspiegel).
Totale Spannung
Addiere das Gewicht jeder Bodenschicht über X. Oberhalb des Grundwasserspiegels die Trockenwichte, darunter die gesättigte Wichte.
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) = 9,81·6 = 58,86 kPa
Antwort
u = 58,86 kPa
15.Konsolidationssetzung
Antwort: S = 348,1 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 = 2·45 = 90 kPa
Mit der Vorbelastungsspannung vergleichen
σ′f = 45 + 120 = 165 kPa > 90 kPa
Setzung
Wiederbelastung bis σ′p, Erstbelastung darüber.
S = 0,06·5/(1 + 1,15)·log₁₀(90/45) + 0,5·5/(1 + 1,15)·log₁₀(165/90)
S = 42 + 306,1 = 348,1 mm
Antwort
S = 348,1 mm
16.Konsolidationssetzung
Antwort: t = 217 Tage
Primärkonsolidation einer Tonschicht der Dicke H, mit der effektiven Spannung in der Schichtmitte: σ′f = σ′0 + Δσ. Normal konsolidierter Ton: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Überkonsolidierter Ton wird bis zur Vorbelastungsspannung σ′p entlang Cr wiederbelastet und folgt erst darüber Cc. Zeit: t = Tv·Hdr²/cv, wobei der Dränweg Hdr gleich H/2 ist, wenn das Wasser oben und unten austreten kann, und gleich H, wenn nur eine Seite entwässert.
Dränwege
Hdr,lab = 20/2 = 10 mm = 0,01 m
Hdr,field = 2,5 m
Die Zeit umrechnen
t = Tv·Hdr²/cv mit demselben T_v und cv im Labor und im Feld.
tfield = 5·(2,5/0,01)² = 312500 min
tfield = 312500/1440 = 217 Tage
Antwort
t = 217 Tage
17.Hydrostatische Kraft
Antwort: F = 55,18 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 + 1,5/2 = 3,75 m
A = H·b = 1,5·1 = 1,5 m²
Resultierende Kraft
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3,75·1,5 = 55,18 kN
Antwort
F = 55,18 kN
18.Hydrostatische Kraft
Antwort: ycp = 4,188 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 = 2,5 + 3/2 = 4 m
A = H·b = 3·3 = 9 m²
Resultierende Kraft
F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·4·9 = 445 kN
Druckmittelpunkt
Der Druck nimmt mit der Tiefe zu, daher greift die Resultierende unterhalb des Schwerpunkts an.
Ic = b·H³/12 = 3·3³/12 = 6,75 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 4 + 6,75/(4·9) = 4,188 m
Antwort
ycp = 4,188 m
19.Rohrreibung und Verlusthöhe
Antwort: hf = 55,05 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) = 1,5²/(2·9,81) = 0,1147 m
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(800/0,05)·1,5²/(2·9,81) = 55,05 m
Antwort
hf = 55,05 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe
Antwort: Q = 91,9 L/s
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.
Verlustbeiwerte
f·L/D = 0,025·200/0,2 = 25
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 + 1,0 = 7,1
Energiegleichung
Beide Wasserspiegel sind offen zur Atmosphäre und praktisch in Ruhe, daher geht das gesamte Δz in der Rohrleitung verloren.
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 = 0,159 m², R = D/4 = 0,1125 m
Geschwindigkeit
V = (1/0,013)·0,11252/3·0,0011/2 = 0,5669 m/s
Volumenstrom
Q = A·V = 0,159·0,5669 = 0,09016 m³/s
Antwort
Q = 0,09016 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)
Antwort: S = 0,002002 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 = (2 + 1,5·2,1)·2,1 = 10,82 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 2 + 2·2,1·√(1 + 1,5²) = 9,572 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 = 1000·9,81·0,06·54 = 31,78 kW
Wellenleistung
Pshaft = Ph/η = 31,78/0,7 = 45,41 kW
Antwort
Pshaft = 45,41 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung
Antwort: H = 68,62 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 = 23 + 30,58 + 15,04 = 68,62 m
Antwort
H = 68,62 m
25.Zeitwert des Geldes
Antwort: FV = 13528 €
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.
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.
Die Rentenformel umstellen
i = 0,004
(1 + i)−N = 1 − 25 000·0,004/475 = 0,7895
Mit Logarithmen lösen
N = −ln(0,7895)/ln(1,004) = 59,22
Auf ganze Raten aufrunden
59 volle Raten lassen eine kleine Restschuld, die die letzte, kleinere Rate tilgt.
N = 60
Antwort
N = 60 Raten
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß
Antwort: NPV = 24739 €
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.
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.
Erforderlicher Rentenbarwertfaktor
(1 − (1 + i)−4)/i = 80 000/23 000 = 3,478
Nach dem Zinssatz auflösen
Der Rentenbarwertfaktor sinkt, wenn der Zinssatz steigt; schließe den Zinssatz ein und grenze ihn ein.
i = 5%: 3,546
i = 6%: 3,465
IRR = 5,835%
Antwort
IRR = 5,835%
29.Normalverteilung
Antwort: P = 0,768
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 = (27,2 − 32)/6 = −0,8
z₂ = (44,3 − 32)/6 = 2,05
Fläche dazwischen
P = Φ(2,05) − Φ(−0,8) = 0,9798 − 0,2119 = 0,768
Antwort
P = 0,768
30.Normalverteilung
Antwort: x = 448,7 h
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) = 0,1 → z = −1,282
Zurück zu x
x = 500 + −1,282·40 = 448,74 h
Antwort
x = 448,74 h
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