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​ = 10 kNP2​ = 55 kNABRA​ = ?RB​3 m1 m4 m

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

L = 8 mP1 = 10 kN bei 3 mP2 = 55 kN bei 4 m
RA = kN
2.Auflagerkräfte am BalkenSchwer
P = 50 kN, 45°Q = 25 kNABRA​ = ?1 m3 m4 m

Der Einfeldträger hat in A ein Festlager und in B ein Loslager. Eine Last P greift 4 m von A entfernt an, unter 45° zur Horizontalen geneigt, und eine vertikale Last Q greift 1 m von A entfernt an. Bestimme den Betrag der gesamten Auflagerkraft RA im Festlager A.

L = 8 mP = 50 kN bei 4 m, θ = 45°Q = 25 kN bei 1 m
RA = kN
3.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenMittel
ABCDEFGH30 kN25 kN4 × 4 m3 m

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

B: 30 kN ↓H: 25 kN ↓
  1. 1Stab AB
  2. 2Stab BC
  3. 3Stab CD
  4. 4Stab DE
  5. 5Stab FG
  6. 6Stab GH
  7. 7Stab AF
  8. 8Stab HE
  9. 9Stab BF
  10. 10Stab CG
  11. 11Stab DH
  12. 12Stab BG
  13. 13Stab DG
4.Fachwerk: KnotenpunktverfahrenSchwer
ABCDEFGH10 kN4 × 4 m3 m

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

F: 10 kN →
  1. 1Stab AB
  2. 2Stab BC
  3. 3Stab CD
  4. 4Stab DE
  5. 5Stab FG
  6. 6Stab GH
  7. 7Stab AF
  8. 8Stab HE
  9. 9Stab BF
  10. 10Stab CG
  11. 11Stab DH
  12. 12Stab BG
  13. 13Stab DG
5.Querkraft und BiegemomentMittel
w = 2 kN/mABSchnitt1 m3 m

Bestimme die Querkraft Vx im Schnitt x = 1 m vom Auflager A. Ein Moment, das den Balken nach unten durchbiegt, ist positiv, ebenso eine Querkraft nach oben am linken Schnittufer.

L = 4 mw = 2 kN/m von 0 bis 4 mx = 1 m
Vx = kN
6.Querkraft und BiegemomentSchwer
w = 10 kN/mABC8 m1 m

Der Balken liegt in A auf einem Festlager und in B auf einem Loslager und kragt über B um 1 m bis zum freien Ende C aus. Über die ganze Länge A–C wirkt eine Gleichstreckenlast w. Bestimme das maximale positive Biegemoment Mmax zwischen den Auflagern.

L = 9 mw = 10 kN/m von 0 bis 9 mAuflager bei x = 0 und x = 8 m
Mmax = kN·m
7.DurchbiegungMittel
w = 5 kN/mδL = 2,5 m

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

w = 5 kN/mL = 2,5 mE = 11 GPa (Holz)I = 160 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.DurchbiegungSchwer
w = 8 kN/mAB3 m

Ein einseitig eingespannter Träger ist in A eingespannt und in B gelenkig gestützt. Er trägt über seine ganze Länge eine Gleichstreckenlast w. EI ist konstant. Bestimme die Auflagerkraft RB an der Stütze.

L = 3 mw = 8 kN/m
RB = kN
9.Knicken von StützenMittel
PL = 2,5 m20 × 60 mmQuerschnitt

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

L = 2,5 mE = 70 GPa (Aluminium)b × h = 20 × 60 mm
Pcr = kN
10.Knicken von StützenSchwer
PL = 6 md = 50 mmQuerschnitt

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

L = 6 mE = 70 GPa (Aluminium)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentMittel
1601022016xMaße in mm

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

bf = 160 mmtf = 10 mmtw = 16 mmhw = 220 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und FlächenträgheitsmomentSchwer
240252608xM = 20 kN·mMaße in mm

Der T-Querschnitt wird als Balken mit dem Flansch oben verwendet und trägt ein positives Biegemoment von 20 kN·m. Bestimme die Biegespannung σunten an der Unterkante.

bf = 240 mmtf = 25 mmtw = 8 mmhw = 260 mmM = 20 kN·m
σunten = MPa
13.Effektive Spannung im BodenMittel
Sandγd​ = 16,5 kN/m³γsat​ = 18,5 kN/m³9 mGrundwasserspiegelXz = 8 m

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

z = 8 mzw = 1 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 16,5 kN/m³Sand: γsat = 18,5 kN/m³
u = kPa
14.Effektive Spannung im BodenSchwer
Sandγd​ = 17 kN/m³γsat​ = 19 kN/m³4 mTonγsat​ = 17 kN/m³7 mGrundwasserspiegelXz = 7,5 m

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

z = 7,5 mzw = 1 mγw = 9,81 kN/m³Sand: γd = 17 kN/m³Sand: γsat = 19 kN/m³Ton: γsat = 17 kN/m³
σ = kPa
15.KonsolidationssetzungMittel
Δσ = 110 kPaSandTonCc​ = 0,45, Cr​ = 0,06e0​ = 0,95σ′0​ = 90 kPaσ′p​ = 160 kPa3 mGrundwasserspiegel

Eine 3 m dicke, überkonsolidierte Tonschicht hat Cc = 0,45, Cr = 0,06 und e₀ = 0,95. In ihrer Mitte beträgt die effektive Vertikalspannung 90 kPa und die Vorbelastungsspannung 160 kPa. Ein neues Gebäude erhöht die Vertikalspannung in der Schichtmitte um 110 kPa. Bestimme die Primärkonsolidationssetzung S in mm.

H = 3 mCc = 0,45Cr = 0,06e0 = 0,95σ′0 = 90 kPaσ′p = 160 kPaΔσ = 110 kPa
S = mm
16.KonsolidationssetzungSchwer
SandTonH = 7,5 m7,5 mSandGrundwasserspiegel

In einem Ödometerversuch im Labor erreicht eine 20 mm dicke Tonprobe, die oben und unten entwässert, in 6 min 50 % Konsolidation. Im Feld bildet derselbe Ton eine 7,5 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 = 20 mmtlab = 6 minH = 7,5 mFeld: zweiseitige Entwässerung
t = Tage
17.Hydrostatische KraftMittel
Schützd = 4 mH = 1,5 m

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

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

d = 1 mH = 2 mb = 1 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
19.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 1,6 m/sD = 250 mmL = 800 mf = 0,03

Wasser (ρ = 1000 kg/m³) fließt mit 1,6 m/s durch ein waagerechtes, 800 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 250 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,03 und g = 9,81 m/s². Bestimme den Druckverlust Δp über das Rohr in kPa.

V = 1,6 m/sL = 800 mD = 250 mmf = 0,03ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
20.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 5freier AuslaufH = ?L = 200 m, D = 300 mm, f = 0,0183× Krümmer (K = 0,3)

Ein 200 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm (Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018) führt von einem offenen Behälter weg und tritt als freier Strahl ins Freie aus. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 3 Krümmer (je K = 0,3) und ein Ventil (K = 5). Verwende g = 9,81 m/s². Wie hoch H muss der Wasserspiegel im Behälter über dem Rohrauslauf liegen, damit der Durchfluss 200 L/s beträgt?

Q = 200 L/sL = 200 mD = 300 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 5
H = m
21.Gerinneströmung (Manning)Mittel
D = 450 mmn = 0,013, S = 0,002

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 = 0,002. Bestimme den Durchfluss Q in m³/s.

D = 450 mmn = 0,013S = 0,002
Q = m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)Schwer
b = 4,5 my = 0,8 m1,5 : 1n = 0,025, Q = 3 m³/s

Ein Trapezgerinne (Kies) mit einer Sohlbreite von 4,5 m und einer Böschungsneigung von 1,5:1 (horizontal:vertikal) soll bei gleichförmiger Strömung mit einer Tiefe von 0,8 m 3 m³/s abführen. Manning n = 0,025. Bestimme das erforderliche Sohlgefälle S (in m/m).

Q = 3 m³/sb = 4,5 my = 0,8 mz = 1,5n = 0,025
S = m/m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 25 L/sH = 78 m

Eine Pumpe fördert 25 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 78 m. Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 80 %, und der antreibende Elektromotor hat einen Wirkungsgrad von 90 %. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die elektrische Leistung Pel, die der Motor aufnimmt, in kW.

Q = 25 L/sH = 78 mηpump = 80%ηmotor = 90%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 120 L/sΔz = 11 mL = 300 m, D = 250 mm, f = 0,015, ΣK = 3

Eine Pumpe fördert 120 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 11 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 300 m lang, hat einen Innendurchmesser von 250 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 3 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die Förderhöhe H, die die Pumpe aufbringen muss.

Q = 120 L/sΔz = 11 mL = 300 mD = 250 mmf = 0,015ΣK = 3
H = m
25.Zeitwert des GeldesMittel
Jahre0123456€10 000FV = ?

Du legst €10 000 zu 2 % pro Jahr bei stetiger Verzinsung an. Bestimme den Wert FV nach 6 Jahren.

PV = €10 000r = 2%t = 6
FV = €
26.Zeitwert des GeldesSchwer
Monate0123…60€20 000A?AAA

Ein Darlehen von €20 000 wird über 5 Jahre in gleichen Monatsraten zurückgezahlt. Der Zinssatz beträgt 3 % pro Jahr bei monatlicher Verzinsung. Bestimme die Monatsrate A.

P = €20 0003% / 12N = 60
A = €
27.Kapitalwert & interner ZinsfußMittel
Jahre0123−75 00034 00028 00025 000

Eine Investition von €75 000 bringt am Ende der Jahre 1 bis 3 diese Zahlungen: €34 000, €28 000, €25 000. Die Kapitalkosten betragen 7,000000000000001 %. Bestimme den Kapitalwert NPV.

r = 7,000000000000001%CF0 = −75 000CF1 = 34 000CF2 = 28 000CF3 = 25 000
NPV = €
28.Kapitalwert & interner ZinsfußSchwer
Jahre01234−25 00014 00012 50012 00014 000

Ein Projekt kostet €25 000 und bringt am Ende der Jahre 1 bis 4 jeweils €14 000, €12 500, €12 000, €14 000. Die Zahlungen können zu den Kapitalkosten von 10 % wieder angelegt werden. Bestimme den modifizierten internen Zinsfuß MIRR in Prozent.

r = 10%CF0 = −25 000CF1 = 14 000CF2 = 12 500CF3 = 12 000CF4 = 14 000
MIRR = %
29.NormalverteilungMittel
245,25255P = ?

Die Gewichte von Beuteln sind normalverteilt mit dem Mittelwert 250 g und der Standardabweichung 5 g. Welcher Anteil liegt zwischen 245,25 und 255 g? Gib P als Dezimalzahl an.

μ = 250σ = 5x1 = 245,25x2 = 255
P =
30.NormalverteilungSchwer
235240245250255260265gunten 10%

Die Gewichte von Beuteln sind normalverteilt mit dem Mittelwert 250 g und der Standardabweichung 5 g. Ziehe die Grenze so, dass die schattierten unteren 10 % links davon liegen. Bestimme die Grenze x.

μ = 250 gσ = 5 g10%
x = g

3Lösungen

1.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 33,75 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​ = 10 kNP2​ = 55 kNABRA​RB​3 m1 m4 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·8 = 10·3 + 55·4
RB = 250/8 = 31,25 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 31,25 = 33,75 kN

Antwort

RA = 33,75 kN
2.Auflagerkräfte am Balken

Antwort: RA = 53,05 kN

Statisches Gleichgewicht: Für einen ruhenden Körper gilt ΣFx = 0, ΣFy = 0 und ΣM = 0 um jeden Punkt. Ersetze jede Streckenlast durch ihre Resultierende (ihre Fläche), die im Schwerpunkt der Lastfigur angreift, und bilde die Momente um ein Auflager, damit dessen Auflagerkraft aus der Gleichung herausfällt.

Komponenten von P

Pv = 50·sin 45° = 35,36 kN
Ph = 50·cos 45° = 35,36 kN

Auflagerkräfte

ΣMA = 0: RB·8 = 35,36·4 + 25·1 → RB = 20,8 kN
Ay = 35,36 + 25 − 20,8 = 39,55 kN
Ax = Ph = 35,36 kN

Resultierende in A

RA = √(35,36² + 39,55²) = 53,05 kN

Antwort

RA = 53,05 kN
3.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: Stab CG

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

Knoten C

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

ΣF⊥ = 0 → FCG = 0

Mit dem Knotenpunktverfahren prüfen

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

AB: 38,33 kN (T), BC: 36,67 kN (T), CD: 36,67 kN (T), DE: 35 kN (T), FG: 38,33 kN (C), GH: 35 kN (C), AF: 47,92 kN (C), HE: 43,75 kN (C), BF: 28,75 kN (T), CG: 0, DH: 1,25 kN (T), BG: 2,083 kN (T), DG: 2,083 kN (C)

Antwort

Nullstab: CG
4.Fachwerk: Knotenpunktverfahren

Antwort: Stab CG

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

Knoten C

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

ΣF⊥ = 0 → FCG = 0

Mit dem Knotenpunktverfahren prüfen

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

AB: 7,5 kN (T), BC: 5 kN (T), CD: 5 kN (T), DE: 2,5 kN (T), FG: 7,5 kN (C), GH: 2,5 kN (C), AF: 3,125 kN (T), HE: 3,125 kN (C), BF: 1,875 kN (C), CG: 0, DH: 1,875 kN (T), BG: 3,125 kN (T), DG: 3,125 kN (C)

Antwort

Nullstab: CG
5.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Vx = 2 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 = 2·4 = 8 kN, angreifend bei x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 2·4·2
RB = 16/4 = 4 kN
ΣFy = 0: RA = 8 − 4 = 4 kN
w = 2 kN/mABRA​ = 4RB​ = 4Schnitt1 m3 m

Schnitt bei x = 1 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 = 4 − 2·1 = 2 kN

Antwort

Vx = 2 kN
6.Querkraft und Biegemoment

Antwort: Mmax = 77,52 kN·m

Schnittverfahren: Schneide den Balken dort, wo du die Schnittgrößen brauchst, und behalte eine Seite. Die Querkraft V hält den vertikalen Kräften dieser Seite das Gleichgewicht, das Biegemoment M ihren Momenten um den Schnitt. 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 = 10·9 = 90 kN, angreifend bei x̄ = 4,5 m
ΣMA = 0: RB·8 = 10·9·4,5
RB = 405/8 = 50,63 kN
ΣFy = 0: RA = 90 − 50,63 = 39,38 kN

Querkraftnullstelle

RA − w·x0 = 0 → x0 = 39,38/10 = 3,938 m

Maximales positives Moment

Mmax = RA·x0 − w·x0²/2 = RA²/(2w) = 39,38²/(2·10) = 77,52 kN·m

Antwort

Mmax = 77,52 kN·m
7.Durchbiegung

Antwort: δmax = 1,445 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.

w = 5 N/mm, L = 2500 mm
EI = 1,76 × 10¹² N·mm²

Durchbiegung

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·5·2500⁴/(384·1,76 × 10¹²) = 1,445 mm

Antwort

δmax = 1,445 mm
8.Durchbiegung

Antwort: RB = 9 kN

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). Bei einem statisch unbestimmten Balken entfernt man ein überzähliges Lager und fordert dort die Durchbiegung null (Verträglichkeit).

Stütze entfernen

Ohne die Stütze ist der Balken ein Kragarm. Sein freies Ende würde sich unter der Last durchbiegen.

δload = wL⁴/(8EI)

Verträglichkeit an der Stütze

Die Stützkraft RB allein hebt das freie Ende um RBL³/(3EI) an. Die Stütze hält B bei null Durchbiegung, also müssen sich beide aufheben. EI kürzt sich heraus.

RB·L³/(3EI) = wL⁴/(8EI) → RB = 3wL/8 = 3·8·3/8 = 9 kN

Antwort

RB = 9 kN
9.Knicken von Stützen

Antwort: Pcr = 9,024 kN

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

Kleinstes Flächenträgheitsmoment

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

Imin = h·b³/12 = 60·20³/12 = 40000 mm⁴

Knicklänge

KL = 0,7·2500 = 1750 mm

Kritische Last

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·40000/1750² = 9024 N = 9,024 kN

Antwort

Pcr = 9,024 kN
10.Knicken von Stützen

Antwort: σcr = 2,999 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 = 1·6000 = 6000 mm
KL/r = 6000/12,5 = 480

Kritische Spannung

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/480² = 2,999 MPa

Antwort

σcr = 2,999 MPa
11.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: Ix = 28,76 × 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 = 160·10 = 1600 mm², yf = 220 + 10/2 = 225 mm
Steg: Aw = 16·220 = 3520 mm², yw = 220/2 = 110 mm

Schwerpunkt

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (1600·225 + 3520·110)/5120 = 145,9 mm

Satz von Steiner

Flansch: 160·10³/12 + 1600·(225 − 145,9)² = 1,001 × 10⁷ mm⁴
Steg: 16·220³/12 + 3520·(110 − 145,9)² = 1,874 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,001 × 10⁷ + 1,874 × 10⁷ = 2,876 × 10⁷ mm⁴ = 28,76 × 10⁶ mm⁴

Antwort

Ix = 28,76 × 10⁶ mm⁴
12.Schwerpunkt und Flächenträgheitsmoment

Antwort: σunten = 108,7 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 = 240·25 = 6000 mm², yf = 260 + 25/2 = 272,5 mm
Steg: Aw = 8·260 = 2080 mm², yw = 260/2 = 130 mm

Schwerpunkt

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (6000·272,5 + 2080·130)/8080 = 235,8 mm

Satz von Steiner

Flansch: 240·25³/12 + 6000·(272,5 − 235,8)² = 8,386 × 10⁶ mm⁴
Steg: 8·260³/12 + 2080·(130 − 235,8)² = 3,501 × 10⁷ mm⁴
Ix = 8,386 × 10⁶ + 3,501 × 10⁷ = 4,339 × 10⁷ mm⁴

Biegespannung

Die Unterkante liegt ȳ von der Achse entfernt.

y = 235,8 mm
σ = M·y/I = 2 × 10⁷·235,8/4,339 × 10⁷ = 108,7 MPa

Antwort

σunten = 108,7 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: σ = 133,5 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.

σ = γd·1 + γsat,sand·3 + γsat,clay·3,5
σ = 17·1 + 19·3 + 17·3,5 = 133,5 kPa

Antwort

σ = 133,5 kPa
15.Konsolidationssetzung

Antwort: S = 90,16 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 = 90 + 110 = 200 kPa > 160 kPa

Setzung

Wiederbelastung bis σ′p, Erstbelastung darüber.

S = 0,06·3/(1 + 0,95)·log₁₀(160/90) + 0,45·3/(1 + 0,95)·log₁₀(200/160)
S = 23,07 + 67,09 = 90,16 mm

Antwort

S = 90,16 mm
16.Konsolidationssetzung

Antwort: t = 585,9 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 = 7,5/2 = 3,75 m

Die Zeit umrechnen

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

tfield = 6·(3,75/0,01)² = 843750 min
tfield = 843750/1440 = 585,9 Tage

Antwort

t = 585,9 Tage
17.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 104,8 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 + 1,5/2 = 4,75 m
A = H·b = 1,5·1,5 = 2,25 m²
Schützd = 4 mH = 1,5 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4,75·2,25 = 104,8 kN

Antwort

F = 104,8 kN
18.Hydrostatische Kraft

Antwort: F = 34,53 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 + 2/2 = 2 m
A = H·b = 2·1 = 2 m²
Schützd = 1 mH = 2 mF

Resultierende Kraft

F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·2·2 = 34,53 kN

Antwort

F = 34,53 kN
19.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Δp = 122,9 kPa

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.

Verlusthöhe

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(800/0,25)·1,6²/(2·9,81) = 12,53 m

Druckverlust

Das Rohr ist waagerecht und die Geschwindigkeit ändert sich nicht, daher reduziert sich die Energiegleichung auf Δp = ρ·g·hf.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·12,53 = 122880 Pa = 122,9 kPa

Antwort

Δp = 122,9 kPa
20.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: H = 7,916 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 = 0,2/0,07069 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,018·200/0,3 = 12
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 5 = 6,4

Energiegleichung

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

H = (1 + 12 + 6,4)·0,408 = 7,916 m

Antwort

H = 7,916 m
21.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: Q = 0,1275 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 = 0,159 m², R = D/4 = 0,1125 m

Geschwindigkeit

V = (1/0,013)·0,11252/3·0,0021/2 = 0,8017 m/s

Volumenstrom

Q = A·V = 0,159·0,8017 = 0,1275 m³/s

Antwort

Q = 0,1275 m³/s
22.Gerinneströmung (Manning)

Antwort: S = 0,0005144 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 = (4,5 + 1,5·0,8)·0,8 = 4,56 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 4,5 + 2·0,8·√(1 + 1,5²) = 7,384 m
R = A/P = 0,6175 m

Manning nach S auflösen

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,025·3/(4,56·0,7252) = 0,02268
S = 0,02268² = 0,0005144

Antwort

S = 0,0005144

Das ist ein Gefälle von 0,5144 m pro Kilometer.

23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pel = 26,57 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 = 1000·9,81·0,025·78 = 19,13 kW

Wellenleistung

Pshaft = 19,13/0,8 = 23,91 kW

Elektrische Leistung

Pel = 23,91/0,9 = 26,57 kW

Antwort

Pel = 26,57 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: H = 17,4 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) = (18 + 3)·0,3046 = 6,397 m

Förderhöhe

Beide Wasserspiegel sind offen und praktisch in Ruhe, daher entfallen Druck- und Geschwindigkeitsterme.

H = Δz + hL = 11 + 6,397 = 17,4 m

Antwort

H = 17,4 m
25.Zeitwert des Geldes

Antwort: FV = 11275 €

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 = 0,02·6 = 0,12
e0,12 = 1,127

Endwert

FV = 10 000·1,127 = €11 274,97

Antwort

FV = €11 274,97
26.Zeitwert des Geldes

Antwort: A = 359,4 €

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

Monatszins und Anzahl der Raten

i = 0,03/12 = 0,0025
N = 12·5 = 60

Rate

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

(1 + i)−N = 0,8609
A = 20 000·0,0025/(1 − 0,8609) = €359,37

Antwort

A = €359,37
27.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: NPV = 1639 €

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

Barwert jeder Zahlung

CF0 = −75 000
CF1/(1 + 0,07)1 = 34 000/1,07 = 31 775,70
CF2/(1 + 0,07)2 = 28 000/1,145 = 24 456,28
CF3/(1 + 0,07)3 = 25 000/1,225 = 20 407,45

Addieren

NPV = €1 639,43

Antwort

NPV = €1 639,43

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

28.Kapitalwert & interner Zinsfuß

Antwort: MIRR = 24,96 %

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

14 000·1,13 = 18 634,00
12 500·1,12 = 15 125,00
12 000·1,11 = 13 200,00
14 000·1,10 = 14 000,00
TV = 60 959,00

MIRR

MIRR = (60 959,00/25 000)1/4 − 1 = 24,96%

Antwort

MIRR = 24,96%
29.Normalverteilung

Antwort: P = 0,6703

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 = (245,25 − 250)/5 = −0,95
z₂ = (255 − 250)/5 = 1

Fläche dazwischen

P = Φ(1) − Φ(−0,95) = 0,8413 − 0,1711 = 0,6703

Antwort

P = 0,6703
30.Normalverteilung

Antwort: x = 243,6 g

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

Fläche links

Φ(z) = 0,1

z aus der Tabelle

z ≈ −1,28

Zurück zu den ursprünglichen Einheiten

x = 250 − 1,28·5 = 243,6 g

Antwort

x = 243,6 g

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