اذكر كل التدفقات النقدية مع سنواتها؛ الاستثمار في السنة 0 سالب.
اخصم كل تدفق نقدي: CFt/(1 + r)t.
اجمعها لتحصل على NPV. القيمة الموجبة تعني أن المشروع يحقّق أكثر من r.
لإيجاد IRR، أوجد المعدل الذي يجعل NPV صفرًا بالتجربة أو بالاستيفاء.
التوزيع الطبيعي
الدرجة المعيارية z
z = (x − μ)/σ
أقل من x
P(X < x) = Φ(z)
أكبر من x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
بين قيمتين
Φ(z2) − Φ(z1)
المئين
x = μ + z·σ
الطريقة
حوّل القيمة إلى درجة معيارية: z = (x − μ)/σ.
ابحث عن Φ(z)، وهي المساحة على يسار z.
للمساحة على اليمين استخدم 1 − Φ(z)؛ ولفترة اطرح المساحتين اليساريتين.
للمئين اعمل بشكل عكسي: أوجد z للمساحة، ثم x = μ + z·σ.
2مسائل تدريبية
1.ردود أفعال ركائز الكمراتمتوسطة
للكمرة مسمار في A وبكرة في B على بعد 3,5 m من A، وتبرز بعد B حتى الطرف الحر C. أوجد ردّ الفعل الرأسي RB، معتبرًا الاتجاه إلى الأعلى موجبًا.
AB = 3,5 mAC = 5 mP1 = 30 kN عند 2,5 mP2 = 65 kN عند 5 m
RB = kN
2.ردود أفعال ركائز الكمراتصعبة
للكمرة البسيطة الارتكاز مسمار في A وبكرة في B. أوجد ردّ فعل الركيزة الرأسي RB.
L = 5 mP = 50 kN عند 2,5 mw = 8 kN/m من 1 إلى 5 m
RB = kN
3.الجملون: طريقة العقدمتوسطة
استخدم طريقة العقد لإيجاد القوة FBC في العضو BC. اجعل الشدّ موجبًا والضغط سالبًا.
البحر = 8 mالارتفاع = 3 mتبعد B مسافة 1 m عن Aالحمل الرأسي = 30 kN
FBC = kN
4.الجملون: طريقة العقدصعبة
استخدم طريقة العقد لإيجاد القوة FBC في العضو BC. اجعل الشدّ موجبًا والضغط سالبًا.
البحر = 4 mالارتفاع = 3 mتبعد B مسافة 3 m عن Aالحمل الرأسي = 35 kNالحمل الأفقي = 15 kN →
FBC = kN
5.قوة القص وعزم الانحناءمتوسطة
ترتكز الكمرة على مسمار في A وبكرة في B، وتبرز بعد B مسافة 1,5 m حتى الطرف الحر C. تحمل حملًا مركّزًا P1 بين الركيزتين وحملًا مركّزًا P2 عند C. أوجد عزم الانحناء Mx تحت الحمل P1. اعتبر العزوم التي تشدّ الألياف السفلية (التقعّر) موجبة، وقوة القص إلى الأعلى على الوجه الأيسر موجبة.
L = 7,5 mP1 = 75 kN عند 4 mP2 = 75 kN عند 7,5 mركيزتان عند x = 0 و x = 6 m
Mx = kN·m
6.قوة القص وعزم الانحناءصعبة
أوجد عزم الانحناء Mx عند المقطع x = 0,5 m من الركيزة A. اعتبر العزوم التي تشدّ الألياف السفلية موجبة، وقوة القص إلى الأعلى على الوجه الأيسر موجبة.
L = 5 mP = 30 kN عند 1 mw = 8 kN/m من 0 إلى 5 mx = 0,5 m
Mx = kN·m
7.ترخيم الكمرةمتوسطة
كابولي طوله L مثبَّت عند A ويحمل حملًا مركّزًا P على بعد a = 1,5 m من A. أوجد الترخيم δB عند الطرف الحر B.
P = 18 kNa = 1,5 mL = 4 mE = 200 GPa (الفولاذ)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δB = mm
8.ترخيم الكمرةصعبة
كمرة بسيطة الارتكاز تحمل حملًا موزّعًا بانتظام w. لا يجوز أن يتجاوز ترخيمها البحر/360. أوجد أصغر عزم قصور ذاتي Ireq يحقّق هذا الحد.
w = 4 kN/mL = 2,5 mE = 70 GPa (الألومنيوم)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.انبعاج الأعمدةمتوسطة
عمود طوله L من الفولاذ مثبَّت عند القاعدة ومفصلي عند القمة. باستخدام صيغة أويلر أوجد حمل الانبعاج الحرج Pcr.
L = 6 mE = 200 GPa (الفولاذ)b × h = 20 × 50 mm
Pcr = kN
10.انبعاج الأعمدةصعبة
عمود دائري مصمت طوله L من الفولاذ مثبَّت الطرفين. يجب أن يحمل 120 kN بمعامل أمان 2,5 ضد الانبعاج. أوجد أصغر قطر d.
P = 120 kNn = 2,5L = 3 mE = 200 GPa (الفولاذ)
d = mm
11.المركز وعزم القصور الذاتيمتوسطة
لوح أبعاده 150 mm × 300 mm فيه ثقب دائري قطره 40 mm على خطه الرأسي المنصِّف، ومركزه على ارتفاع 210 mm فوق القاع. أوجد عزم القصور الذاتي للمساحة Ix حول المحور الأفقي المار بالمركز الهندسي.
b = 150 mmh = 300 mmd = 40 mmمركز الثقب: y = 210 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.المركز وعزم القصور الذاتيصعبة
لوح أبعاده 120 mm × 150 mm فيه فتحة مستطيلة عرضها 30 mm وارتفاعها 40 mm، متمركزة على الخط الرأسي المنصِّف ومركزها على ارتفاع 60 mm فوق القاع. أوجد عزم القصور الذاتي للمساحة Ix حول المحور الأفقي المار بالمركز الهندسي.
b = 120 mmh = 150 mmالفتحة: 30 × 40 mmمركز الثقب: y = 60 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
13.الإجهاد الفعّال في التربةمتوسطة
لمقطع التربة الموضّح، أوجد الإجهاد الرأسي الفعّال σ′ عند النقطة X.
طبقة طين مفرطة التصلّب سُمكها 2 m لها Cc = 0,25، و Cr = 0,02 و e₀ = 0,65. في منتصف عمقها يكون الإجهاد الرأسي الفعّال 50 kPa وضغط التصلّب المسبق 150 kPa. يضيف مبنى جديد 240 kPa من الإجهاد الرأسي في منتصف العمق. أوجد هبوط التصلّب الابتدائي S بالـ mm.
طبقة طين سُمكها 2 m معامل تصلّبها cv = 1 m²/year. تقع على صخر غير منفذ وفوقها رمل، لذا يُصرَّف الماء من الأعلى فقط. لتصلّب متوسط بنسبة 90% يكون معامل الزمن Tv = 0,848. كم سنة t تستغرق الطبقة لتبلغ تصلّبًا بنسبة 90%؟
يجري ماء بمعدل 5 L/s في أنبوب طوله 500 m وقطره الداخلي 50 mm. استخدم معامل احتكاك دارسي f = 0,015 و g = 9,81 m/s². أوجد فاقد السمت بالاحتكاك hf.
Q = 5 L/sL = 500 mD = 50 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
20.احتكاك الأنابيب وفاقد السمتصعبة
خزانان مفتوحان يصل بينهما أنبوب طوله 100 m وقطره الداخلي 100 mm ومعامل احتكاك دارسي f = 0,025. الفواقد الثانوية هي: مدخل حاد الحافة (K = 0,5)، و 3 أكواع (K = 0,3 لكل منها)، وصمام (K = 5) والمخرج إلى الخزان السفلي (K = 1,0). استخدم g = 9,81 m/s². ما فرق منسوب الماء Δz بين الخزانين الذي يعطي معدل تدفق 12 L/s؟
قناة شبه منحرفة تربة نظيفة عرض قاعها 4 m وميولها الجانبية 2:1 (أفقي:رأسي). يجري الماء جريانًا منتظمًا بعمق 2,1 m. معامل مانينغ n = 0,022 وميل القاع S = 0,0008. أوجد معدل التدفق Q بالـ m³/s.
b = 4 my = 2,1 mz = 2n = 0,022S = 0,0008
Q = m³/s
22.الجريان في القنوات المفتوحة (مانينغ)صعبة
قناة مستطيلة خرسانة مشطّبة عرضها 1,5 m يجب أن تنقل 0,63 m³/s بجريان منتظم عند عمق 0,5 m. معامل مانينغ n = 0,012. أوجد ميل القاع المطلوب S (بالـ m/m).
Q = 0,63 m³/sb = 1,5 my = 0,5 mn = 0,012
S = m/m
23.المضخات وقدرة المضخاتمتوسطة
مضخة كفاءتها 82% تدفع 80 L/s من الماء (ρ = 1000 kg/m³) ضد سمت 40 m. استخدم g = 9,81 m/s². أوجد قدرة العمود Pshaft اللازمة، بالـ kW.
Q = 80 L/sH = 40 mη = 82%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.المضخات وقدرة المضخاتصعبة
مضخة تنقل 30 L/s من الماء (ρ = 1000 kg/m³) من خزان سفلي مفتوح إلى خزان علوي سطح مائه أعلى بـ 12 m. طول الأنبوب 300 m وقطره الداخلي 150 mm ومعامل احتكاك دارسي f = 0,018؛ ومجموع معاملات الفواقد الثانوية ΣK = 8 (بما فيها المدخل والمخرج). استخدم g = 9,81 m/s². أوجد السمت H الذي يجب أن تضيفه المضخة.
تحتاج إلى €50 000 بعد 4 سنوات. يدفع حساب 3% سنويًا، تُركَّب الفائدة شهريًا. كم يجب أن تودع اليوم؟ أوجد القيمة الحالية PV.
FV = €50 0003% / 12n = 4
PV = €
26.القيمة الزمنية للنقودصعبة
تدّخر €200 في نهاية كل شهر لمدة 20 سنوات. يدفع الحساب 4,2% سنويًا تُركَّب شهريًا. كم ستدّخر في النهاية؟ أوجد FV.
A = €2004,2% / 12N = 240
FV = €
27.NPV و IRRمتوسطة
تبلغ تكلفة آلة €30 000 اليوم. تولّد €8 000 في نهاية كل سنة لمدة 5 سنوات ويمكن بيعها بعدها بـ €3 000. تكلفة رأس المال 10%. أوجد صافي القيمة الحالية NPV.
C0 = €30 000CF = €8 000S = €3 000n = 5r = 10%
NPV = €
28.NPV و IRRصعبة
تبلغ تكلفة مشروع €10 000 ويعود بـ €3 500, €7 500, €5 000 في نهاية السنوات من 1 إلى 3. أوجد معدل العائد الداخلي IRR بالنسبة المئوية.
CF0 = −10 000CF1 = 3 500CF2 = 7 500CF3 = 5 000
IRR = %
29.التوزيع الطبيعيمتوسطة
اسحب z بحيث تكون المساحة المظللة بين −z وz تحت المنحنى الطبيعي القياسي مساوية 0,7620. أوجد z بمنزلتين عشريتين.
A = 0,7620
z =
30.التوزيع الطبيعيصعبة
أقطار الثقوب D طبيعية بمتوسط 25,05 mm وانحراف معياري 0,02 mm. وأقطار الأعمدة d مستقلة وطبيعية بمتوسط 25 mm وانحراف معياري 0,02 mm. يناسب العمود المختار عشوائيًا حين D − d > 0. أوجد الاحتمال P بأن يناسب. قرّب z إلى منزلتين عشريتين.
الثقب: μ = 25,05 mm, σ = 0,02 mmالعمود: μ = 25 mm, σ = 0,02 mm
P =
3المحاليل
1.ردود أفعال ركائز الكمرات
الإجابة: RB = 114,3 kN
الاتزان الاستاتيكي: الجسم الساكن يحقّق ΣFx = 0 و ΣFy = 0 و ΣM = 0 حول أي نقطة. استبدل كل حمل موزّع بمحصّلته (مساحته) المؤثّرة في مركز مخطط الحمل، وخذ العزوم حول ركيزة لحذف ردّ فعلها من المعادلة.
العزوم حول A
عكس عقارب الساعة موجب.
ΣMA = 0: RB·3,5 = 30·2,5 + 65·5
RB = 400/3,5 = 114,3 kN
الاتزان الرأسي
RA = 30 + 65 − 114,3 = −19,29 kN
الإجابة
RB = 114,3 kN
RA سالب: على المسمار عند A أن يمسك الكمرة إلى الأسفل.
2.ردود أفعال ركائز الكمرات
الإجابة: RB = 44,2 kN
الاتزان الاستاتيكي: الجسم الساكن يحقّق ΣFx = 0 و ΣFy = 0 و ΣM = 0 حول أي نقطة. أخذ العزوم حول ركيزة يحذف ردّ فعلها من المعادلة.
مخطط الجسم الحر
استبدل الركائز بقوى ردّ الفعل. البكرة تعطي ردّ فعل رأسيًا واحدًا؛ ومع الأحمال الرأسية فقط يعطي المسمار أيضًا ردّ فعل رأسيًا واحدًا.
الاتزان
العزوم حول A، موجبة عكس عقارب الساعة. ثم اتزان القوى الرأسية.
محصّلة الحمل الموزّع: W = w·ℓ = 8·4 = 32 kN، تؤثّر عند x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·5 = 50·2,5 + 8·4·3
RB = 221/5 = 44,2 kN
ΣFy = 0: RA = 82 − 44,2 = 37,8 kN
الإجابة
RB = 44,2 kN
3.الجملون: طريقة العقد
الإجابة: FBC = −9,52 kN
طريقة العقد: كل عقدة في الجملون في حالة اتزان، لذا ΣFx = 0 و ΣFy = 0 عند كل عقدة. ابدأ بعقدة فيها قوتان مجهولتان على الأكثر. النتيجة السالبة تعني أن العضو في حالة ضغط.
ردود أفعال الركائز
اتزان الجملون كله. العزوم حول A، موجبة عكس عقارب الساعة.
ΣMA = 0: Cy·8 = 30·1 → Cy = 3,75 kN
ΣFy = 0: Ay = 30 − 3,75 = 26,25 kN
العقدة C
البكرة تعطي ردّ فعل رأسيًا فقط، لذا في العقدة C قوتان مجهولتان فقط. افترض أن كليهما في حالة شدّ.
sin γ = 3/7,616 = 0,3939, cos γ = 7/7,616 = 0,9191
طريقة العقد: كل عقدة في الجملون في حالة اتزان، لذا ΣFx = 0 و ΣFy = 0 عند كل عقدة. ابدأ بعقدة فيها قوتان مجهولتان على الأكثر. النتيجة السالبة تعني أن العضو في حالة ضغط.
ردود أفعال الركائز
اتزان الجملون كله. العزوم حول A، موجبة عكس عقارب الساعة.
ΣMA = 0: Cy·4 = 35·3 + 15·3 → Cy = 37,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 35 − 37,5 = −2,5 kN
ΣFx = 0: Ax = −15 kN
العقدة C
البكرة تعطي ردّ فعل رأسيًا فقط، لذا في العقدة C قوتان مجهولتان فقط. افترض أن كليهما في حالة شدّ.
sin γ = 3/3,162 = 0,9487, cos γ = 1/3,162 = 0,3162
طريقة المقاطع: اقطع الكمرة حيث تريد القوى الداخلية واحتفظ بجانب واحد. توازن قوة القص V القوى الرأسية على ذلك الجانب، ويوازن عزم الانحناء M عزومها حول المقطع.
ردود أفعال الركائز
اتزان الكمرة كلها. حمل الجزء البارز يؤثّر أيضًا بعزم حول A.
ΣMA = 0: RB·6 = 75·4 + 75·7,5
RB = 862,5/6 = 143,8 kN
ΣFy = 0: RA = 150 − 143,8 = 6,25 kN
اقطع تحت P1 واحتفظ بالجزء الأيسر
Mx = RA·4 = 6,25·4 = 25 kN·m
الإجابة
Mx = 25 kN·m
6.قوة القص وعزم الانحناء
الإجابة: Mx = 21 kN·m
طريقة المقاطع: اقطع الكمرة حيث تريد القوى الداخلية واحتفظ بجانب واحد. توازن قوة القص V القوى الرأسية على ذلك الجانب، ويوازن عزم الانحناء M عزومها حول المقطع.
ردود أفعال الركائز
اتزان الكمرة كلها.
محصّلة الحمل الموزّع: W = w·ℓ = 8·5 = 40 kN، تؤثّر عند x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 30·1 + 8·5·2,5
RB = 130/5 = 26 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 26 = 44 kN
اقطع عند x = 0,5 m واحتفظ بالجزء الأيسر
تظهر فقط القوى الواقعة يسار المقطع. جزء الحمل الموزّع يعمل كقوة واحدة في منتصف ذلك الجزء.
M = RA·x − (كل حمل على يسار المقطع × بعده عن المقطع)
Mx = 44·0,5 − 8·0,5·0,25 = 21 kN·m
الإجابة
Mx = 21 kN·m
7.ترخيم الكمرة
الإجابة: δB = 2,953 mm
ترخيم الكمرات: يُحسب الترخيم بتكامل الانحناء M/(EI) مرتين. الحالات القياسية مجدولة، مثل PL³/(3EI) لكابولي بحمل طرفي و 5wL⁴/(384EI) لكمرة بسيطة الارتكاز تحت حمل منتظم كامل. تُجمع ترخيمات الأحمال المنفصلة (التراكب).
وحدات متّسقة
اعمل بالـ N و mm: P بالـ N، w بالـ N/mm (kN/m = N/mm)، L بالـ mm، E بالـ N/mm² (GPa × 1000)، I بالـ mm⁴.
P = 18000 N, a = 1500 mm, L = 4000 mm
EI = 2,4 × 10¹³ N·mm²
الترخيم عند الطرف الحر
الترخيم عند الحمل زائد الميل عند الحمل مضروبًا في الطول المتبقي.
δP = Pa³/(3EI) = 0,8438 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0,0008437 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 2,953 mm
الإجابة
δB = 2,953 mm
8.ترخيم الكمرة
الإجابة: Ireq = 4,185 × 10⁶ mm⁴
ترخيم الكمرات: يُحسب الترخيم بتكامل الانحناء M/(EI) مرتين. الحالات القياسية مجدولة، مثل PL³/(3EI) لكابولي بحمل طرفي و 5wL⁴/(384EI) لكمرة بسيطة الارتكاز تحت حمل منتظم كامل. تُجمع ترخيمات الأحمال المنفصلة (التراكب).
حدّ الترخيم
δallow = L/360 = 2500/360 = 6,944 mm
عزم القصور الذاتي المطلوب
I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·4·2500⁴/(384·70000·6,944) = 4,185 × 10⁶ mm⁴
Ireq = 4,185 × 10⁶ mm⁴
الإجابة
Ireq = 4,185 × 10⁶ mm⁴
9.انبعاج الأعمدة
الإجابة: Pcr = 3,73 kN
انبعاج أويلر: يصبح العمود النحيف غير مستقر عند Pcr = π²EI/(KL)²، حيث KL الطول الفعّال: K = 1 لمفصلي–مفصلي، و 2 لمثبَّت–حرّ، و 0,7 لمثبَّت–مفصلي، و 0,5 لمثبَّت–مثبَّت. ينبعج حول المحور ذي أصغر I. تصحّ الصيغة للأعمدة النحيفة التي يبقى إجهادها الحرج دون إجهاد الخضوع.
أصغر عزم قصور ذاتي
ينبعج المستطيل حول محوره الضعيف، باستخدام مكعّب البُعد الأصغر.
انبعاج أويلر: يصبح العمود النحيف غير مستقر عند Pcr = π²EI/(KL)²، حيث KL الطول الفعّال: K = 1 لمفصلي–مفصلي، و 2 لمثبَّت–حرّ، و 0,7 لمثبَّت–مفصلي، و 0,5 لمثبَّت–مثبَّت. ينبعج حول المحور ذي أصغر I. تصحّ الصيغة للأعمدة النحيفة التي يبقى إجهادها الحرج دون إجهاد الخضوع.
الحمل الحرج المطلوب
Pcr = n·P = 2,5·120000 = 300000 N
KL = 0,5·3000 = 1500 mm
حلّ لإيجاد القطر
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·300000·1500²/(π³·200000))^(1/4) = 51,37 mm
المقاطع ذات الثقوب: عامل الثقب على أنه مساحة سالبة. المركز الهندسي هو ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂)، حيث A₁ وy₁ للوح الكامل وA₂ وy₂ للثقب. ولعزم القصور الذاتي للمساحة حول المحور المار بالمركز الهندسي، استخدم نظرية المحاور المتوازية لكل جزء واطرح الثقب: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²)، حيث d هي المسافة من المركز الهندسي لكل جزء إلى المحور المار بـ ȳ. للمستطيل Ic = bh³/12 وللدائرة Ic = πd⁴/64.
المركز
ȳ = (45000·150 − 1257·210)/(45000 − 1257) = 148,3 mm
اللوح الكامل حول ȳ
150·300³/12 + 45000·1,724² = 337,6 × 10⁶ mm⁴
الثقب حول ȳ
π·40⁴/64 + 1257·61,72² = 4,913 × 10⁶ mm⁴
اطرح
Ix = 332,7 × 10⁶ mm⁴
الإجابة
Ix = 332,7 × 10⁶ mm⁴
12.المركز وعزم القصور الذاتي
الإجابة: Ix = 33,3 × 10⁶ mm⁴
المقاطع ذات الثقوب: عامل الثقب على أنه مساحة سالبة. المركز الهندسي هو ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂)، حيث A₁ وy₁ للوح الكامل وA₂ وy₂ للثقب. ولعزم القصور الذاتي للمساحة حول المحور المار بالمركز الهندسي، استخدم نظرية المحاور المتوازية لكل جزء واطرح الثقب: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²)، حيث d هي المسافة من المركز الهندسي لكل جزء إلى المحور المار بـ ȳ. للمستطيل Ic = bh³/12 وللدائرة Ic = πd⁴/64.
المركز
ȳ = (18000·75 − 1200·60)/(18000 − 1200) = 76,07 mm
اللوح الكامل حول ȳ
120·150³/12 + 18000·−1,071² = 33,77 × 10⁶ mm⁴
الثقب حول ȳ
30·40³/12 + 1200·−16,07² = 0,4699 × 10⁶ mm⁴
اطرح
Ix = 33,3 × 10⁶ mm⁴
الإجابة
Ix = 33,3 × 10⁶ mm⁴
13.الإجهاد الفعّال في التربة
الإجابة: σ′ = 64,57 kPa
الإجهاد الفعّال (ترزاغي): يحمل هيكل التربة σ′ = σ − u. الإجهاد الكلي σ هو وزن كل ما فوق النقطة، Σγ·h، باستخدام الوزن الحجمي الجاف فوق منسوب المياه والمشبع أسفله. أسفل منسوب المياه يكون ضغط الماء المسامي هيدروستاتيكيًا: u = γw·(العمق أسفل منسوب المياه).
الإجهاد الكلي
اجمع وزن كل طبقة تربة فوق X. فوق منسوب المياه استخدم الوزن الحجمي الجاف، وأسفله المشبع.
σ = γd·zw + γsat·(z − zw) = 17·2 + 20·3 = 94 kPa
ضغط الماء المسامي
يزداد ضغط الماء مع العمق أسفل منسوب المياه.
u = γw·(z − zw) = 9,81·3 = 29,43 kPa
الإجهاد الفعّال
σ′ = σ − u = 94 − 29,43 = 64,57 kPa
الإجابة
σ′ = 64,57 kPa
14.الإجهاد الفعّال في التربة
الإجابة: σ′ = 80,14 kPa
الإجهاد الفعّال (ترزاغي): يحمل هيكل التربة σ′ = σ − u. الإجهاد الكلي σ هو وزن كل ما فوق النقطة، Σγ·h، باستخدام الوزن الحجمي الجاف فوق منسوب المياه والمشبع أسفله. أسفل منسوب المياه يكون ضغط الماء المسامي هيدروستاتيكيًا: u = γw·(العمق أسفل منسوب المياه).
الإجهاد الكلي
اجمع وزن كل طبقة تربة فوق X. فوق منسوب المياه استخدم الوزن الحجمي الجاف، وأسفله المشبع.
σ = γd·2 + γsat,sand·2 + γsat,clay·4
σ = 16·2 + 19,5·2 + 17·4 = 139 kPa
ضغط الماء المسامي
يزداد ضغط الماء مع العمق أسفل منسوب المياه.
u = γw·(z − zw) = 9,81·6 = 58,86 kPa
الإجهاد الفعّال
σ′ = σ − u = 139 − 58,86 = 80,14 kPa
الإجابة
σ′ = 80,14 kPa
15.هبوط التصلّب
الإجابة: S = 98,33 mm
التصلّب الابتدائي لطبقة طين سُمكها H، باستخدام الإجهاد الفعّال في منتصف الطبقة: σ′f = σ′0 + Δσ. الطين المتصلّب طبيعيًا: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). الطين مفرط التصلّب يُعاد ضغطه على امتداد Cr حتى ضغط التصلّب المسبق σ′p ولا يتبع Cc إلا بعده. الزمن: t = Tv·Hdr²/cv، حيث مسار التصريف Hdr يساوي H/2 عندما يستطيع الماء الخروج من الأعلى والأسفل، و H عندما يصرّف جانب واحد فقط.
قارن بضغط التصلّب المسبق
σ′f = 50 + 240 = 290 kPa > 150 kPa
الهبوط
إعادة الضغط حتى σ′p، ثم الانضغاط البكر بعده.
S = 0,02·2/(1 + 0,65)·log₁₀(150/50) + 0,25·2/(1 + 0,65)·log₁₀(290/150)
S = 11,57 + 86,76 = 98,33 mm
الإجابة
S = 98,33 mm
16.هبوط التصلّب
الإجابة: t = 3,392 سنوات
التصلّب الابتدائي لطبقة طين سُمكها H، باستخدام الإجهاد الفعّال في منتصف الطبقة: σ′f = σ′0 + Δσ. الطين المتصلّب طبيعيًا: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). الطين مفرط التصلّب يُعاد ضغطه على امتداد Cr حتى ضغط التصلّب المسبق σ′p ولا يتبع Cc إلا بعده. الزمن: t = Tv·Hdr²/cv، حيث مسار التصريف Hdr يساوي H/2 عندما يستطيع الماء الخروج من الأعلى والأسفل، و H عندما يصرّف جانب واحد فقط.
مسار التصريف
Hdr = H = 2 m
الزمن
t = Tv·Hdr²/cv = 0,848·2²/1 = 3,392 سنوات
الإجابة
t = 3,392 سنوات
17.القوة الهيدروستاتيكية
الإجابة: F = 132,4 kN
القوة الهيدروستاتيكية على سطح مستوٍ: F = ρ·g·yc·A. وتؤثّر عند مركز الضغط، ycp = yc + Ic/(ycA)، الذي يقع دائمًا أسفل المركز.
عمق المركز والمساحة
yc = d + H/2 = 4 + 1/2 = 4,5 m
A = H·b = 1·3 = 3 m²
القوة المحصّلة
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4,5·3 = 132,4 kN
الإجابة
F = 132,4 kN
18.القوة الهيدروستاتيكية
الإجابة: ycp = 4,373 m
القوة الهيدروستاتيكية على سطح مستوٍ: F = ρ·g·yc·A. وتؤثّر عند مركز الضغط، ycp = yc + Ic/(ycA)، الذي يقع دائمًا أسفل المركز.
عمق المركز والمساحة
yc = d + H/2 = 3 + 2,5/2 = 4,25 m
A = H·b = 2,5·1,5 = 3,75 m²
القوة المحصّلة
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4,25·3,75 = 156,3 kN
مركز الضغط
يزداد الضغط مع العمق، لذا تؤثّر المحصّلة أسفل المركز.
الجريان في الأنابيب: يميّز عدد رينولدز Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ الجريان الصفائحي (Re أقل من نحو 2000) من الجريان المضطرب (فوق نحو 4000). يكلّف الاحتكاك على طول الأنبوب فاقد سمت دارسي–فايسباخ hf = f·(L/D)·V²/(2g). وتضيف الوصلات والصمامات والمدخل والمخرج فواقد ثانوية hm = ΣK·V²/(2g). بين سطحي خزانين مفتوحين تعطي معادلة الطاقة Δz = hf + hm، مع احتساب فاقد المخرج K = 1.
السرعة المتوسطة
A = π·0,05²/4 = 0,001963 m²
V = Q/A = 0,005/0,001963 = 2,546 m/s
سمت السرعة
V²/(2g) = 2,546²/(2·9,81) = 0,3305 m
دارسي–فايسباخ
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(500/0,05)·2,546²/(2·9,81) = 49,58 m
الإجابة
hf = 49,58 m
20.احتكاك الأنابيب وفاقد السمت
الإجابة: Δz = 3,855 m
الجريان في الأنابيب: يميّز عدد رينولدز Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ الجريان الصفائحي (Re أقل من نحو 2000) من الجريان المضطرب (فوق نحو 4000). يكلّف الاحتكاك على طول الأنبوب فاقد سمت دارسي–فايسباخ hf = f·(L/D)·V²/(2g). وتضيف الوصلات والصمامات والمدخل والمخرج فواقد ثانوية hm = ΣK·V²/(2g). بين سطحي خزانين مفتوحين تعطي معادلة الطاقة Δz = hf + hm، مع احتساب فاقد المخرج K = 1.
السرعة المتجهة
V = Q/A = 0,012/0,007854 = 1,528 m/s
V²/(2g) = 0,119 m
معاملات الفاقد
f·L/D = 0,025·100/0,1 = 25
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 5 + 1,0 = 7,4
فاقد السمت الكلي
hf = 25·0,119 = 2,975 m
hm = 7,4·0,119 = 0,8805 m
Δz = hf + hm = 3,855 m
الإجابة
Δz = 3,855 m
21.الجريان في القنوات المفتوحة (مانينغ)
الإجابة: Q = 26,18 m³/s
معادلة مانينغ (SI): للجريان المنتظم في قناة مفتوحة V = (1/n)·R2/3·S1/2 و Q = A·V، حيث n معامل الخشونة، و S ميل القاع (m/m)، و R = A/P نصف القطر الهيدروليكي: مساحة الجريان مقسومة على المحيط المبلَّل. لا يُحسب في P إلا الحدّ الملامس للماء، لا السطح الحر. المستطيل: A = b·y، P = b + 2y. شبه المنحرف بميول جانبية z:1 (أفقي:رأسي): A = (b + z·y)·y، P = b + 2y·√(1 + z²). الأنبوب الدائري الممتلئ أو نصف الممتلئ له R = D/4.
الهندسة
A = (b + z·y)·y = (4 + 2·2,1)·2,1 = 17,22 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 4 + 2·2,1·√(1 + 2²) = 13,39 m
R = A/P = 1,286 m
السرعة المتجهة
V = (1/0,022)·1,2862/3·0,00081/2 = 1,52 m/s
معدّل التدفّق
Q = A·V = 17,22·1,52 = 26,18 m³/s
الإجابة
Q = 26,18 m³/s
22.الجريان في القنوات المفتوحة (مانينغ)
الإجابة: S = 0,0005059 m/m
معادلة مانينغ (SI): للجريان المنتظم في قناة مفتوحة V = (1/n)·R2/3·S1/2 و Q = A·V، حيث n معامل الخشونة، و S ميل القاع (m/m)، و R = A/P نصف القطر الهيدروليكي: مساحة الجريان مقسومة على المحيط المبلَّل. لا يُحسب في P إلا الحدّ الملامس للماء، لا السطح الحر. المستطيل: A = b·y، P = b + 2y. شبه المنحرف بميول جانبية z:1 (أفقي:رأسي): A = (b + z·y)·y، P = b + 2y·√(1 + z²). الأنبوب الدائري الممتلئ أو نصف الممتلئ له R = D/4.
قدرة المضخة: القدرة المعطاة للماء هي القدرة الهيدروليكية Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. يجب أن يقدّم العمود أكثر من ذلك لأن المضخة تفقد جزءًا: Pshaft = Ph/ηpump، ويسحب المحرّك Pel = Pshaft/ηmotor. يُستنتج سمت المضخة H من معادلة الطاقة: الرفع الاستاتيكي + سمت الضغط + كل فواقد الاحتكاك والفواقد الثانوية.
القدرة الهيدروليكية
Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,08·40 = 31,39 kW
قدرة العمود
Pshaft = Ph/η = 31,39/0,82 = 38,28 kW
الإجابة
Pshaft = 38,28 kW
24.المضخات وقدرة المضخات
الإجابة: H = 18,46 m
قدرة المضخة: القدرة المعطاة للماء هي القدرة الهيدروليكية Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. يجب أن يقدّم العمود أكثر من ذلك لأن المضخة تفقد جزءًا: Pshaft = Ph/ηpump، ويسحب المحرّك Pel = Pshaft/ηmotor. يُستنتج سمت المضخة H من معادلة الطاقة: الرفع الاستاتيكي + سمت الضغط + كل فواقد الاحتكاك والفواقد الثانوية.
السطحان مفتوحان وساكنان عمليًا، لذا تسقط حدود الضغط والسرعة.
H = Δz + hL = 12 + 6,463 = 18,46 m
الإجابة
H = 18,46 m
25.القيمة الزمنية للنقود
الإجابة: PV = 44353 €
القيمة الزمنية للنقود: المال اليوم أثمن من المبلغ نفسه لاحقًا، لأنه يستطيع أن يكسب فائدة. بمعدل فائدة i لكل فترة، ينمو المبلغ وفق FV = PV·(1 + i)n. تُقيَّم سلسلة الدفعات المتساوية (الدفعات السنوية) بجمع كل دفعة، ومن هنا تأتي صيغ الدفعات.
المعدل وعدد الفترات
i = 0,03/12 = 0,0025
N = 12·4 = 48
القيمة الحالية
PV = FV/(1 + i)N = 50 000/1,127 = €44 352,66
الإجابة
PV = €44 352,66
26.القيمة الزمنية للنقود
الإجابة: FV = 75027 €
القيمة الزمنية للنقود: المال اليوم أثمن من المبلغ نفسه لاحقًا، لأنه يستطيع أن يكسب فائدة. بمعدل فائدة i لكل فترة، ينمو المبلغ وفق FV = PV·(1 + i)n. تُقيَّم سلسلة الدفعات المتساوية (الدفعات السنوية) بجمع كل دفعة، ومن هنا تأتي صيغ الدفعات.
صافي القيمة الحالية: اخصم كل تدفق نقدي إلى اليوم بمعدل العائد المطلوب r، ثم اجمعها: NPV = Σ CFₜ/(1 + r)ᵗ. المشروع الذي NPV > 0 يكسب أكثر من r ويضيف قيمة. معدل العائد الداخلي (IRR) هو المعدل الذي يجعل NPV = 0.
القيمة الحالية للتدفقات النقدية السنوية
8 000·3,791 = 30 326,29
القيمة الحالية لقيمة الخردة
3 000/1,611 = 1 862,76
NPV
NPV = −30 000 + 30 326,29 + 1 862,76 = €2 189,06
الإجابة
NPV = €2 189,06
28.NPV و IRR
الإجابة: IRR = 26,01 %
صافي القيمة الحالية: اخصم كل تدفق نقدي إلى اليوم بمعدل العائد المطلوب r، ثم اجمعها: NPV = Σ CFₜ/(1 + r)ᵗ. المشروع الذي NPV > 0 يكسب أكثر من r ويضيف قيمة. معدل العائد الداخلي (IRR) هو المعدل الذي يجعل NPV = 0.
احصر IRR بين قيمتين
تنخفض NPV كلما ارتفع المعدل، لذا يقع IRR بين معدل يعطي NPV موجبة ومعدل يعطي NPV سالبة.
NPV(25%) = 160,00
NPV(30%) = −593,99
ضيّق النطاق
يعطي الاستكمال الخطي تقديرًا أوليًا؛ وتكراره (أو دالة IRR في الآلة الحاسبة) يعطي المعدل الدقيق.
IRR ≈ 25 + 5·160,00/(160,00 − (−593,99)) = 26,06%
بالضبط: NPV(26,01%) = 0 → IRR = 26,01%
الإجابة
IRR = 26,01%
29.التوزيع الطبيعي
الإجابة: z = 1,18
من مساحة إلى z: Φ(z) هي المساحة على يسار z. لمساحة ذيل أيسر A، أوجد z التي تحقق Φ(z) = A في الجدول. ومساحة ذيل أيمن A تعني Φ(z) = 1 − A. ومساحة مركزية A بين −z وz تترك (1 − A)/2 في كل ذيل، إذن Φ(z) = (1 + A)/2. ولقيمة x استخدم x = μ + zσ.
المساحة على يسار z
Φ(z) = (1 + 0,7620)/2 = 0,8810
اقرأ جدول z بالعكس
ابحث عن 0,8810 داخل الجدول واقرأ z.
z = 1,18
الإجابة
z = 1,18
30.التوزيع الطبيعي
الإجابة: P = 0,9616
مجاميع المتغيرات الطبيعية وفروقها: إذا كان X وY مستقلين وطبيعيين فإن X + Y وX − Y طبيعيان أيضًا. تُجمع المتوسطات أو تُطرح: E(X ± Y) = μX ± μY. أما التباينات فدائمًا تُجمع، حتى في الفرق: Var(X ± Y) = σX² + σY²، إذن σ = √(σX² + σY²). ولا تُجمع الانحرافات المعيارية مباشرةً أبدًا. مجموع n عنصرًا مستقلًا لها التوزيع نفسه متوسطه n·μ وانحرافه المعياري σ·√n. ثم عيّر كالمعتاد: z = (x − المتوسط)/σ واقرأ Φ(z).
توزيع الفرق
μ = 25,05 − 25 = 0,05 mm, σ = 0,02828 mm
حوّل إلى الصيغة المعيارية
z = (0 − 0,05)/0,02828 = −1,77
الاحتمال
P = 1 − Φ(−1,77) = 0,9616
الإجابة
P = 0,9616
هذه مادة تدريب مستقلة. ExamProblems غير تابع للجهة التي تنظّم هذا الامتحان ولا معتمد منها، ويُستخدم اسم الامتحان لوصف المحتوى فقط. يُجري اختبار FE exam جهةُ NCEES، وهي غير تابعة لـ ExamProblems ولا تؤيده.