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​ = 30 kNP2​ = 40 kNABRA​ = ?RB​2 m0,5 m2,5 m

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

L = 5 mP1 = 30 kN bei 2 mP2 = 40 kN bei 2,5 m
RA = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
w = 6 kN/mP = 30 kNABRA​ = ?RB​4 m4 m2 m

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

L = 10 mP = 30 kN bei 4 mw = 6 kN/m von 8 bis 10 m
RA = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABBCACACB10 kN4 m3 m2 m

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

Spannweite = 4 mHöhe = 2 mB liegt 3 m von A entferntvertikale Last = 10 kN
FBC = kN
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
ABBCACACB35 kN20 kN6 m4 m3 m

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

Spannweite = 6 mHöhe = 3 mB liegt 4 m von A entferntvertikale Last = 35 kNhorizontale Last = 20 kN →
FBC = kN
5.Querkraft und BiegemomentMittel
w = 2 kN/mABSchnitt9,5 m0,5 m

Bestimme die Querkraft Vx im Schnitt x = 9,5 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 = 2 kN/m von 0 bis 10 mx = 9,5 m
Vx = kN
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
w = 8 kN/mAB2 m3 m1 m

Der Einfeldträger trägt auf einem Teil seiner Spannweite eine Gleichstreckenlast. Bestimme den Abstand x0 von A bis zu dem Schnitt, in dem das Biegemoment am größten ist.

L = 6 mw = 8 kN/m von 2 bis 5 m
x0 = m
7.DurchbiegungMittel
w = 10 kN/mABθ6 m

Ein Einfeldträger trägt über die ganze Spannweite eine Gleichstreckenlast w. Bestimme die Neigung θA des Balkens am Auflager A im Bogenmaß.

w = 10 kN/mL = 6 mE = 200 GPa (Stahl)I = 160 × 10⁶ mm⁴
θA = rad
8.DurchbiegungSchwer
w = 10 kN/mδL = 3 m

Ein Einfeldträger trägt eine Gleichstreckenlast w. Seine Durchbiegung darf Spannweite/360 nicht überschreiten. Bestimme das kleinste Flächenträgheitsmoment Ireq, das diese Grenze einhält.

w = 10 kN/mL = 3 mE = 200 GPa (Stahl)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von StützenMittel
PL = 4 m40 × 50 mmQuerschnitt

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

L = 4 mE = 200 GPa (Stahl)b × h = 40 × 50 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 2,5 md = 50 mmQuerschnitt

Eine Stütze der Länge L aus Stahl ist an beiden Enden gelenkig gelagert. Bestimme ihre Schlankheit und die kritische Knickspannung σcr nach Euler.

L = 2,5 mE = 200 GPa (Stahl)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
1201514020xMaße in mm

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

bf = 120 mmtf = 15 mmtw = 20 mmhw = 140 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
1602526012xM = 40 kN·mMaße in mm

Der T-Querschnitt wird als Balken mit dem Flansch oben verwendet und trägt ein positives Biegemoment von 40 kN·m. Bestimme den Betrag der Biegespannung σoben an der Oberkante.

bf = 160 mmtf = 25 mmtw = 12 mmhw = 260 mmM = 40 kN·m
σoben = MPa
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 17 kN/m³γsat​ = 19 kN/m³12 mGrundwasserspiegelXz = 11 m

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

z = 11 mzw = 4 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 17 kN/m³Sand: γsat = 19 kN/m³
u = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 16 kN/m³γsat​ = 18,5 kN/m³3 mTonγsat​ = 19 kN/m³4 mGrundwasserspiegelXz = 5 m

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

z = 5 mzw = 2 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 16 kN/m³Sand: γsat = 18,5 kN/m³Ton: γsat = 19 kN/m³
u = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 140 kPaSandTonCc​ = 0,25, Cr​ = 0,03e0​ = 0,6σ′0​ = 75 kPaσ′p​ = 145 kPa5 mGrundwasserspiegel

Eine 5 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,25, Cr = 0,03 und e₀ = 0,6. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 75 kPa und die Vorbelastungsspannung 145 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 140 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 5 mCc = 0,25Cr = 0,03e0 = 0,6σ′0 = 75 kPaσ′p = 145 kPaΔσ = 140 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 6,5 m6,5 mSandGrundwasserspiegel

In einem Ödometerversuch im Labor erreicht eine 19 mm dicke Tonprobe, die oben und unten entwässert, in 12 min 50 % Konsolidation. Im Feld bildet derselbe Ton eine 6,5 m dicke Schicht. Sie liegt zwischen zwei Sandschichten, das Wasser kann also oben und unten austreten. Wie viele Tage t braucht die Schicht im Feld, um 50 % Konsolidation zu erreichen?

hlab = 19 mmtlab = 12 minH = 6,5 mFeld: zweiseitige Entwässerung
t = Tage
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 4 mH = 3 m

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 3 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Wasser, seine Oberkante liegt 4 m unter der Oberfläche. Bestimme die resultierende hydrostatische Kraft F auf das Schütz.

d = 4 mH = 3 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
18.Hydrostatische KraftSchwer
Schützd = 2,5 mH = 1,5 m

Ein senkrechtes, rechteckiges Schütz von 2 m Breite sitzt in der Wand eines Behälters mit Öl, seine Oberkante liegt 2,5 m unter der Oberfläche. Bestimme die Tiefe ycp des Druckmittelpunkts unter der Oberfläche.

d = 2,5 mH = 1,5 mb = 2 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
Q = 80 L/sD = 300 mmL = 200 mf = 0,02

Wasser fließt mit 80 L/s durch ein 200 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,02 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

Q = 80 L/sL = 200 mD = 300 mmf = 0,02g = 9,81 m/s²
hf = m
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 2Δz = ?L = 150 m, D = 200 mm, f = 0,024× Krümmer (K = 0,3)

Zwei offene Behälter sind durch ein 150 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 200 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,02 verbunden. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 4 Krümmer (je K = 0,3), ein Ventil (K = 2) und der Auslauf in den unteren Behälter (K = 1,0). Verwende g = 9,81 m/s². Welcher Wasserspiegelunterschied Δz zwischen den Behältern ergibt einen Durchfluss von 75 L/s?

Q = 75 L/sL = 150 mD = 200 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
b = 3,5 my = 1,2 m1,5 : 1n = 0,03, S = 0,005

Ein Trapezgerinne (Erdreich mit Grasbewuchs) hat eine Sohlbreite von 3,5 m und eine Böschungsneigung von 1,5:1 (horizontal:vertikal). Wasser fließt gleichförmig 1,2 m tief. Manning n = 0,03, und das Sohlgefälle ist S = 0,005. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

b = 3,5 my = 1,2 mz = 1,5n = 0,03S = 0,005
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
b = 5 my = 2,1 m1,5 : 1n = 0,03, Q = 44 m³/s

Ein Trapezgerinne (Erdreich mit Grasbewuchs) mit einer Sohlbreite von 5 m und einer Böschungsneigung von 1,5:1 (horizontal:vertikal) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 2,1 m 44 m³/s abführen. Manning n = 0,03. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).

Q = 44 m³/sb = 5 my = 2,1 mz = 1,5n = 0,03
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 40 L/sH = 64 m

Eine Pumpe mit einem Wirkungsgrad von 80 % fördert 40 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 64 m. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die benötigte Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 40 L/sH = 64 mη = 80%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
400 kPa (Überdruck)PQ = 120 L/sΔz = 5 mL = 600 m, D = 250 mm, f = 0,018, ΣK = 6

Eine Pumpe fördert 120 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 5 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 600 m lang, hat einen Innendurchmesser von 250 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 6 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Der obere Tank ist geschlossen, und die Luft über dem Wasser steht unter einem Überdruck von 400 kPa. Bestimme die Förderhöhe H, die die Pumpe aufbringen muss.

Q = 120 L/sΔz = 5 mL = 600 mD = 250 mmf = 0,018ΣK = 6ptank = 400 kPa
H = m
25.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre0123…19€20 000FV = ?

Du legst €20 000 zu 4 % pro Jahr bei stetiger Verzinsung an. Bestimme den Wert FV nach 19 Jahren.

PV = €20 000r = 4%t = 19
FV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…252€300€300€300FV = ?

Du sparst 21 Jahre lang am Ende jedes Monats €300. Das Konto bringt 4,2 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Wie viel hast du am Ende gespart? Bestimme FV.

A = €3004,2% / 12N = 252
FV = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre0123…9€30 000€1 000€1 000€1 000€1 000r = 12%, EAC = ?

Eine Maschine kostet heute €30 000, hält 9 Jahre und verursacht €1 000 Betriebskosten pro Jahr (am Ende jedes Jahres gezahlt). Die Kapitalkosten betragen 12 %. Bestimme ihre äquivalenten jährlichen Kosten EAC.

C0 = €30 000M = €1 000n = 9r = 12%
EAC = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre0123−25 00014 50015 0008 500

Ein Projekt kostet €25 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 jeweils €14 500, €15 000, €8 500. Die Zahlungen können zu den Kapitalkosten von 6 % wieder angelegt werden. Bestimme den modifizierten internen Zinsfuß MIRR in Prozent.

r = 6%CF0 = −25 000CF1 = 14 500CF2 = 15 000CF3 = 8 500
MIRR = %
29.NormalverteilungMittel
70,75127,75P = ?

Die IQ-Werte sind normalverteilt mit dem Mittelwert 100 Punkte und der Standardabweichung 15 Punkte. Welcher Anteil liegt zwischen 70,75 und 127,75 Punkte? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 100σ = 15x1 = 70,75x2 = 127,75
P =
30.NormalverteilungSchwer
μ = 250x = ?10%

Die Gewichte von Beuteln sind normalverteilt mit dem Mittelwert 250 g und der Standardabweichung 5 g. Bestimme den Wert x, unter dem 10 % von ihnen liegen (das 10. Perzentil).

μ = 250σ = 5P = 10%
x = g

3Lösungen

1.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 38 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​ = 30 kNP2​ = 40 kNABRA​RB​2 m0,5 m2,5 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·5 = 30·2 + 40·2,5
RB = 160/5 = 32 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 32 = 38 kN

Antwort

RA = 38 kN
2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 19,2 kN

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

w = 6 kN/mP = 30 kNABRA​RB​4 m4 m2 m

Freikörperbild

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

Gleichgewicht

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

Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 6·2 = 12 kN, angreifend bei x̄ = 9 m
ΣMA = 0: RB·10 = 30·4 + 6·2·9
RB = 228/10 = 22,8 kN
ΣFy = 0: RA = 42 − 22,8 = 19,2 kN

Antwort

RA = 19,2 kN
3.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: FBC = −8,385 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.

ABBCACACB10 kNAy​Cy​

Auflagerkräfte

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

ΣMA = 0: Cy·4 = 10·3 → Cy = 7,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 10 − 7,5 = 2,5 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
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −7,5/0,8944 = −8,385 kN

Antwort

FBC = −8,385 kN (Druck)
4.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: FBC = −40,06 kN

Knotenpunktverfahren: Jeder Knoten eines Fachwerks ist im Gleichgewicht, also gilt an jedem Knoten ΣFx = 0 und ΣFy = 0. Beginne an einem Knoten mit höchstens zwei unbekannten Stabkräften. Ein negatives Ergebnis bedeutet, dass der Stab auf Druck beansprucht ist.

ABBCACACB35 kN20 kNAy​Cy​Ax​

Auflagerkräfte

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

ΣMA = 0: Cy·6 = 35·4 + 20·3 → Cy = 33,33 kN
ΣFy = 0: Ay = 35 − 33,33 = 1,667 kN
ΣFx = 0: Ax = −20 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 = 3/3,606 = 0,8321, cos γ = 2/3,606 = 0,5547
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −33,33/0,8321 = −40,06 kN

Antwort

FBC = −40,06 kN (Druck)
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Vx = −9 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 = 2·10 = 20 kN, angreifend bei x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 2·10·5
RB = 100/10 = 10 kN
ΣFy = 0: RA = 20 − 10 = 10 kN
w = 2 kN/mABRA​ = 10RB​ = 10Schnitt9,5 m0,5 m

Schnitt bei x = 9,5 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 = 10 − 2·9,5 = −9 kN

Antwort

Vx = −9 kN
6.Querkraft und Biegemoment

Antwort: x0 = 3,25 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 des ganzen Balkens.

Resultierende der Streckenlast: W = w·ℓ = 8·3 = 24 kN, angreifend bei x̄ = 3,5 m
ΣMA = 0: RB·6 = 8·3·3,5
RB = 84/6 = 14 kN
ΣFy = 0: RA = 24 − 14 = 10 kN

Querkraftnullstelle

Die Querkraft beginnt bei RA, bleibt über unbelastete Abschnitte konstant und fällt innerhalb der Last mit der Steigung w.

RA − w·(x0 − 2) = 0
x0 = 2 + 10/8 = 3,25 m

Antwort

x0 = 3,25 m
7.Durchbiegung

Antwort: θA = 0,002812 rad

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). Die Neigung θ = dv/dx ist das erste Integral von M/(EI); in konsistenten Einheiten ergibt sie sich im Bogenmaß.

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 = 10 N/mm, L = 6000 mm
EI = 3,2 × 10¹³ N·mm²

Endneigung

θA = wL³/(24EI) = 10·6000³/(24·3,2 × 10¹³) = 0,002812 rad

Antwort

θA = 0,002812 rad

Das sind 0,1611°.

8.Durchbiegung

Antwort: Ireq = 6,328 × 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 = 3000/360 = 8,333 mm

Erforderliches Flächenträgheitsmoment

I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·10·3000⁴/(384·200000·8,333) = 6,328 × 10⁶ mm⁴
Ireq = 6,328 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ireq = 6,328 × 10⁶ mm⁴
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 8,225 kN

Knicken nach Euler: Eine schlanke Stütze wird bei Pcr = π²EI/(KL)² instabil, wobei KL die Knicklänge ist: K = 1 für gelenkig–gelenkig, 2 für eingespannt–frei, 0,7 für eingespannt–gelenkig und 0,5 für eingespannt–eingespannt. Sie knickt um die Achse mit dem kleinsten I aus. Die Formel gilt für schlanke Stützen, deren kritische Spannung unter der Streckgrenze bleibt.

Kleinstes Flächenträgheitsmoment

Ein Rechteck knickt um seine schwache Achse, mit der kleineren Abmessung hoch drei.

Imin = h·b³/12 = 50·40³/12 = 266667 mm⁴

Knicklänge

KL = 2·4000 = 8000 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·266667/8000² = 8225 N = 8,225 kN

Antwort

Pcr = 8,225 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 49,35 MPa

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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Trägheitsradius und Schlankheit

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 1·2500 = 2500 mm
KL/r = 2500/12,5 = 200

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/200² = 49,35 MPa

Antwort

σcr = 49,35 MPa
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 11,19 × 10⁶ mm⁴

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

In zwei Rechtecke teilen

Miss jedes y von der Unterkante aus.

Flansch: Af = 120·15 = 1800 mm², yf = 140 + 15/2 = 147,5 mm
Steg: Aw = 20·140 = 2800 mm², yw = 140/2 = 70 mm

Schwerpunkt

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (1800·147,5 + 2800·70)/4600 = 100,3 mm

Satz von Steiner

Flansch: 120·15³/12 + 1800·(147,5 − 100,3)² = 4,039 × 10⁶ mm⁴
Steg: 20·140³/12 + 2800·(70 − 100,3)² = 7,148 × 10⁶ mm⁴
Ix = 4,039 × 10⁶ + 7,148 × 10⁶ = 1,119 × 10⁷ mm⁴ = 11,19 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 11,19 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: σoben = 56,16 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 = 160·25 = 4000 mm², yf = 260 + 25/2 = 272,5 mm
Steg: Aw = 12·260 = 3120 mm², yw = 260/2 = 130 mm

Schwerpunkt

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (4000·272,5 + 3120·130)/7120 = 210,1 mm

Satz von Steiner

Flansch: 160·25³/12 + 4000·(272,5 − 210,1)² = 1,581 × 10⁷ mm⁴
Steg: 12·260³/12 + 3120·(130 − 210,1)² = 3,757 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,581 × 10⁷ + 3,757 × 10⁷ = 5,338 × 10⁷ mm⁴

Biegespannung

Die Oberkante liegt h − ȳ von der Achse entfernt.

y = 285 − 210,1 = 74,94 mm
σ = M·y/I = 4 × 10⁷·74,94/5,338 × 10⁷ = 56,16 MPa

Antwort

σoben = 56,16 MPa
13.Effektive Spannung im Boden

Antwort: u = 68,67 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) = 9,81·7 = 68,67 kPa

Antwort

u = 68,67 kPa
14.Effektive Spannung im Boden

Antwort: u = 29,43 kPa

Effektive Spannung (Terzaghi): Das Korngerüst trägt σ′ = σ − u. Die totale Spannung σ ist das Gewicht von allem über dem Punkt, Σγ·h, mit der Trockenwichte oberhalb des Grundwasserspiegels und der gesättigten Wichte darunter. Unterhalb des Grundwasserspiegels ist der Porenwasserdruck hydrostatisch: u = γw·(Tiefe unter dem Grundwasserspiegel).

Porenwasserdruck

Der Wasserdruck wächst mit der Tiefe unter dem Grundwasserspiegel.

u = γw·(z − zw) = 9,81·3 = 29,43 kPa

Antwort

u = 29,43 kPa
15.Konsolidationssetzung

Antwort: S = 160,5 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 + 140 = 215 kPa > 145 kPa

Setzung

Wiederbelastung bis σ′p, Erstbelastung darüber.

S = 0,03·5/(1 + 0,6)·log₁₀(145/75) + 0,25·5/(1 + 0,6)·log₁₀(215/145)
S = 26,84 + 133,6 = 160,5 mm

Antwort

S = 160,5 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 975,3 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 = 19/2 = 9,5 mm = 0,0095 m
Hdr,field = 6,5/2 = 3,25 m

Die Zeit umrechnen

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

tfield = 12·(3,25/0,0095)² = 1,404 × 10⁶ min
tfield = 1,404 × 10⁶/1440 = 975,3 Tage

Antwort

t = 975,3 Tage
17.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 485,6 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 = 4 + 3/2 = 5,5 m
A = H·b = 3·3 = 9 m²
Schützd = 4 mH = 3 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·5,5·9 = 485,6 kN

Antwort

F = 485,6 kN
18.Hydrostatische Kraft

Antwort: ycp = 3,308 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 + 1,5/2 = 3,25 m
A = H·b = 1,5·2 = 3 m²
Schützd = 2,5 mH = 1,5 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·3,25·3 = 84,17 kN

Druckmittelpunkt

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

Ic = b·H³/12 = 2·1,5³/12 = 0,5625 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 3,25 + 0,5625/(3,25·3) = 3,308 m

Antwort

ycp = 3,308 m
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 0,8705 m

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

Mittlere Geschwindigkeit

A = π·0,3²/4 = 0,07069 m²
V = Q/A = 0,08/0,07069 = 1,132 m/s

Geschwindigkeitshöhe

V²/(2g) = 1,132²/(2·9,81) = 0,06529 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(200/0,3)·1,132²/(2·9,81) = 0,8705 m

Antwort

hf = 0,8705 m
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Δz = 5,723 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 = 0,02·150/0,2 = 15
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 + 1,0 = 4,7

Gesamte Verlusthöhe

hf = 15·0,2905 = 4,357 m
hm = 4,7·0,2905 = 1,365 m
Δz = hf + hm = 5,723 m

Antwort

Δz = 5,723 m
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 13,05 m³/s

Manning-Gleichung (SI): Für gleichförmige Strömung in einem offenen Gerinne gilt V = (1/n)·R2/3·S1/2 und Q = A·V, mit dem Rauheitsbeiwert n, dem Sohlgefälle S (m/m) und dem hydraulischen Radius R = A/P: Fließquerschnitt geteilt durch benetzten Umfang. In P zählt nur der Rand, der mit dem Wasser in Berührung ist, nicht der Wasserspiegel. Rechteck: A = b·y, P = b + 2y. Trapez mit Böschungsneigung z:1 (horizontal:vertikal): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Ein voll oder halb gefülltes Kreisrohr hat R = D/4.

Geometrie

A = (b + z·y)·y = (3,5 + 1,5·1,2)·1,2 = 6,36 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 3,5 + 2·1,2·√(1 + 1,5²) = 7,827 m
R = A/P = 0,8126 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,03)·0,81262/3·0,0051/2 = 2,053 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 6,36·2,053 = 13,05 m³/s

Antwort

Q = 13,05 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,003942 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 = (5 + 1,5·2,1)·2,1 = 17,12 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 5 + 2·2,1·√(1 + 1,5²) = 12,57 m
R = A/P = 1,361 m

Manning nach S auflösen

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,03·44/(17,12·1,228) = 0,06279
S = 0,06279² = 0,003942

Antwort

S = 0,003942

Das ist ein Gefälle von 3,942 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 31,39 kW

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

Hydraulische Leistung

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,04·64 = 25,11 kW

Wellenleistung

Pshaft = Ph/η = 25,11/0,8 = 31,39 kW

Antwort

Pshaft = 31,39 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: H = 60,76 m

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

Geschwindigkeit

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

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (43,2 + 6)·0,3046 = 14,99 m

Druckhöhe

p/(ρ·g) = 400000/(1000·9,81) = 40,77 m

Förderhöhe

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

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 5 + 40,77 + 14,99 = 60,76 m

Antwort

H = 60,76 m
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 42766 €

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 = 0,04·19 = 0,76
e0,76 = 2,138

Endwert

FV = 20 000·2,138 = €42 765,52

Antwort

FV = €42 765,52
26.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 121029 €

Zeitwert des Geldes: Geld heute ist mehr wert als derselbe Betrag später, weil es Zinsen bringen kann. Bei einem Zinssatz i pro Periode wächst ein Betrag auf FV = PV·(1 + i)n. Eine Reihe gleicher Zahlungen (eine Annuität) wird bewertet, indem man alle Zahlungen aufsummiert; daraus ergeben sich die Rentenformeln.

Monatszins und Anzahl der Einzahlungen

i = 0,042/12 = 0,0035
N = 12·21 = 252

Endwert der Einzahlungen

FV = A·((1 + i)N − 1)/i = 300·(2,412 − 1)/0,0035 = €121 029,36

Antwort

FV = €121 029,36

Du hast selbst €75 600 eingezahlt; der Rest sind Zinsen.

27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: EAC = 6630 €

Äquivalente jährliche Kosten: Verteile den Barwert aller Kosten als gleichen jährlichen Betrag (eine Rente) über die Lebensdauer: EAC = PV·r/(1 − (1 + r)⁻ⁿ). So lassen sich Maschinen mit unterschiedlicher Lebensdauer vergleichen.

Rentenbarwertfaktor

(1 − 1,12−9)/0,12 = 5,328

Annualisierter Kaufpreis

30 000/5,328 = 5 630,37

EAC

EAC = 5 630,37 + 1 000 = €6 630,37

Antwort

EAC = €6 630,37
28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: MIRR = 17,63 %

Modifizierter interner Zinsfuß: Zinse jede Einzahlung mit dem Wiederanlagezins (meist den Kapitalkosten) bis zum Projektende auf, um den Endwert TV zu erhalten. Der MIRR ist der Zinssatz, der die Anfangsinvestition in TV überführt: MIRR = (TV/C₀)^(1/n) − 1.

Endwert der Einzahlungen

14 500·1,062 = 16 292,20
15 000·1,061 = 15 900,00
8 500·1,060 = 8 500,00
TV = 40 692,20

MIRR

MIRR = (40 692,20/25 000)1/3 − 1 = 17,63%

Antwort

MIRR = 17,63%
29.Normalverteilung

Antwort: P = 0,9423

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 = (70,75 − 100)/15 = −1,95
z₂ = (127,75 − 100)/15 = 1,85

Fläche dazwischen

P = Φ(1,85) − Φ(−1,95) = 0,9678 − 0,02559 = 0,9423

Antwort

P = 0,9423
30.Normalverteilung

Antwort: x = 243,6 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) = 0,1 → z = −1,282

Zurück zu x

x = 250 + −1,282·5 = 243,59 g

Antwort

x = 243,59 g

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

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