التدريب لاختبار FE للهندسة المدنية: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و30 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدة العودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

ردود أفعال ركائز الكمرات

الاتزان: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
حمل منتظم: المحصّلة w·L في منتصف الحمل
العزم: M = F·d

الطريقة

ارسم مخطط الجسم الحر واستبدل كل ركيزة بردود أفعالها.
استبدل كل حمل موزّع بقوة واحدة عند مركزه.
خذ العزوم حول ركيزة واحدة لإيجاد ردّ الفعل عند الأخرى.
استخدم ΣF_y = 0 لإيجاد ردّ الفعل المتبقي، وتحقّق بمعادلة عزوم ثانية.

الجملون: طريقة العقد

طريقة العقد: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 at each joint
طريقة المقاطع: ΣM = 0 about a cut point
قوة العضو: موجب = شدّ، سالب = ضغط

الطريقة

أوجد ردود أفعال الركائز للجملون كله.
طريقة العقد: ابدأ بعقدة فيها قوتا عضوين مجهولتان على الأكثر واستخدم ΣF_x = 0 و ΣF_y = 0.
طريقة المقاطع: اقطع عبر العضو المطلوب وخذ العزوم حول نقطة تلتقي فيها الأعضاء المجهولة الأخرى.
افترض الشدّ؛ الإجابة السالبة تعني الضغط.

قوة القص وعزم الانحناء

القص والعزم: V = ΣF على جانب واحد، M = ΣF·d على جانب واحد
إجهاد الانحناء: σ = M·y/I
مستطيل: I = bh³/12
معامل المقطع: W = I/y_max
بسيطة الارتكاز، حمل منتظم: M_max = wL²/8

الطريقة

أوجد ردود أفعال الركائز من اتزان الكمرة كلها.
اقطع الكمرة عند المقطع المطلوب واحتفظ بجانب واحد.
قوة القص: مجموع القوى الرأسية على ذلك الجانب. عزم الانحناء: مجموع عزومها حول المقطع.
لإيجاد أقصى عزم، أوجد الموضع الذي تنعدم فيه قوة القص.

ترخيم الكمرة

حمل مركّز في منتصف البحر: δ = PL³/(48EI)
حمل منتظم، كمرة بسيطة الارتكاز: δ = 5wL⁴/(384EI)
كابولي، حمل طرفي: δ = PL³/(3EI)
كابولي، حمل منتظم: δ = wL⁴/(8EI)
التراكب: δ = δ₁ + δ₂

انبعاج الأعمدة

حمل أويلر: P_cr = π²EI/(KL)²
معامل الطول الفعّال: K = 1 مفصلي–مفصلي، 0,5 مثبَّت–مثبَّت، 0,7 مثبَّت–مفصلي، 2 مثبَّت–حرّ
الإجهاد الحرج: σ_cr = P_cr/A
النحافة: λ = KL/r, r = √(I/A)

المركز وعزم القصور الذاتي

المركز: ȳ = ΣA_iy_i/ΣA_i
مستطيل: I = bh³/12
نظرية المحور الموازي: I = I_c + A·d²
مقطع مركّب: I = Σ(I_c,i + A_id_i²)

الإجهاد الفعّال في التربة

الإجهاد الكلي: σ = Σγ_i·h_i
ضغط الماء المسامي: u = γ_w·(z − z_w)
الإجهاد الفعّال: σ′ = σ − u
الماء: γ_w = 9,81 kN/m³

هبوط التصلّب

متصلّبة طبيعيًا: S = C_c·H/(1 + e₀)·log₁₀(σ′_f/σ′₀)
الإجهاد النهائي: σ′_f = σ′₀ + Δσ (at mid-depth of the layer)
مفرطة التصلّب، σ′_f ≤ σ′_p: S = C_r·H/(1 + e₀)·log₁₀(σ′_f/σ′₀)
مفرطة التصلّب، σ′_f > σ′_p: S = H/(1 + e₀)·[C_r·log₁₀(σ′_p/σ′₀) + C_c·log₁₀(σ′_f/σ′_p)]
نسبة فرط التصلّب: OCR = σ′_p/σ′₀
زمن التصلّب: t = T_v·H_dr²/c_v
مسار التصريف: H_dr = H/2 (تصريف مزدوج)، H (تصريف أحادي)
معاملات الزمن: U 50% → 0,197, 60% → 0,287, 70% → 0,403, 80% → 0,567, 90% → 0,848

القوة الهيدروستاتيكية

الضغط عند عمق: p = ρgh
القوة على جدار رأسي: F = ρg·h_c·A
مركز الضغط: y_p = y_c + I_c/(y_cA)
مستطيل: I_c = bH³/12

احتكاك الأنابيب وفاقد السمت

عدد رينولدز: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
نظام الجريان: صفائحي تحت Re ≈ 2000، مضطرب فوق Re ≈ 4000
السرعة المتوسطة: V = Q/A, A = π·D²/4
دارسي–فايسباخ: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
الفواقد الثانوية: h_m = ΣK·V²/(2g)
قيم K النموذجية: المدخل 0,5، المخرج 1,0، كوع 90° ≈ 0,3
هبوط الضغط: Δp = ρ·g·h_f
خزانان مفتوحان: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
مخرج حر: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

الجريان في القنوات المفتوحة (مانينغ)

معادلة مانينغ: V = (1/n)·R^2/3·S^1/2
معدّل التدفّق: Q = A·V
نصف القطر الهيدروليكي: R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
مستطيل: A = b·y, P = b + 2y
شبه منحرف (ميل الجانب z:1): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
أنبوب دائري، ممتلئ أو نصف ممتلئ: R = D/4
الميل المطلوب: S = (n·Q/(A·R^2/3))²

المضخات وقدرة المضخات

القدرة الهيدروليكية: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
قدرة العمود: P_shaft = P_h/η_pump
القدرة الكهربائية: P_el = P_shaft/η_motor
سمت المضخة: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
فواقد المنظومة: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

القيمة الزمنية للنقود

القيمة المستقبلية: FV = PV·(1 + i)ⁿ
القيمة الحالية: PV = FV/(1 + i)ⁿ
عدة فترات في السنة: i = r/m, N = m·n
الدفعات، القيمة الحالية: PV = PMT·[1 − (1 + i)⁻ⁿ]/i
الدفعات، القيمة المستقبلية: FV = PMT·[(1 + i)ⁿ − 1]/i

الطريقة

ارسم خطًا زمنيًا يضمّ كل تدفق نقدي وتوقيته.
طابق المعدل مع الفترة: معدل شهري للدفعات الشهرية.
استخدم FV = PV·(1 + i)ⁿ للمبالغ المفردة وصيغ الدفعات المتساوية (الأقساط) للدفعات المتساوية.
تحقّق من إشارة الإجابة ومن رتبة مقدارها.

NPV و IRR

صافي القيمة الحالية: NPV = −C₀ + Σ CF_t/(1 + r)^t
تدفقات نقدية متساوية: NPV = −C₀ + CF·[1 − (1 + r)⁻ⁿ]/r
معدل العائد الداخلي: قيمة r التي يكون عندها NPV = 0
القرار: اقبل عندما NPV > 0 (أو IRR > العائد المطلوب)

الطريقة

اذكر كل التدفقات النقدية مع سنواتها؛ الاستثمار في السنة 0 سالب.
اخصم كل تدفق نقدي: CF_t/(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

الكمرة البسيطة الارتكاز (مسمار في A، بكرة في B) تحمل حملًا متغيّرًا خطيًا يرتفع من الصفر عند A إلى 6 kN/m عند B. أوجد ردّ فعل الركيزة الرأسي R_B.

L = 5 mw₀ = 6 kN/m

R_B = kN

2.ردود أفعال ركائز الكمراتصعبة

كمرة مركّبة مثبَّتة في الجدار عند A، لها مفصل داخلي عند C (على بعد 3 m من A) وترتكز على بكرة عند D (على بعد 8 m من A). تحمل حملًا مركّزًا P على بعد 7 m من A, حملًا موزّعًا بانتظام w على الجزء CD كله. أوجد مقدار عزم ردّ الفعل M_A عند الجدار.

AC = 3 mAD = 8 mP = 25 kN عند 7 mw = 5 kN/m من 3 إلى 8 m

M_A = kN·m

3.الجملون: طريقة العقدمتوسطة

استخدم طريقة العقد لإيجاد القوة F_AC في العضو AC. اجعل الشدّ موجبًا والضغط سالبًا.

البحر = 4 mالارتفاع = 2 mتبعد B مسافة 1 m عن Aالحمل الرأسي = 30 kN

F_AC = kN

4.الجملون: طريقة العقدصعبة

استخدم طريقة العقد لإيجاد القوة F_AC في العضو AC. اجعل الشدّ موجبًا والضغط سالبًا.

البحر = 6 mالارتفاع = 3 mتبعد B مسافة 5 m عن Aالحمل الرأسي = 40 kNالحمل الأفقي = 25 kN ←

F_AC = kN

5.قوة القص وعزم الانحناءمتوسطة

الكمرة البسيطة الارتكاز تحمل حملين مركّزين. أوجد أقصى عزم انحناء M_max في الكمرة.

L = 5 mP₁ = 30 kN عند 1,5 mP₂ = 20 kN عند 2,5 m

M_max = kN·m

6.قوة القص وعزم الانحناءصعبة

الكمرة البسيطة الارتكاز تحمل حملًا موزّعًا بانتظام على جزء من بحرها. أوجد المسافة x₀ من A إلى المقطع الذي يكون عنده عزم الانحناء أكبر ما يمكن.

L = 4 mw = 12 kN/m من 1 إلى 4 m

x₀ = m

7.ترخيم الكمرةمتوسطة

كمرة بسيطة الارتكاز تحمل حملًا مركّزًا P على بعد a = 2,5 m من الركيزة A. أوجد الترخيم δ_P تحت الحمل.

P = 2 kNa = 2,5 mL = 4 mE = 11 GPa (خشب إنشائي)I = 36 × 10⁶ mm⁴

δ_P = mm

8.ترخيم الكمرةصعبة

كابولي مسنود مثبَّت عند A ومرتكز ارتكازًا بسيطًا (مسنود) عند B. يحمل حملًا مركّزًا P عند منتصف البحر. EI ثابت. أوجد مقدار عزم الانحناء M_A عند الطرف المثبَّت.

L = 8 mP = 35 kN عند 4 m

M_A = kN·m

9.انبعاج الأعمدةمتوسطة

عمود طوله L من الفولاذ مثبَّت الطرفين. باستخدام صيغة أويلر أوجد حمل الانبعاج الحرج P_cr.

L = 2,5 mE = 200 GPa (الفولاذ)b × h = 30 × 50 mm

P_cr = kN

10.انبعاج الأعمدةصعبة

عمود دائري مصمت طوله L من الفولاذ مثبَّت الطرفين. يجب أن يحمل 30 kN بمعامل أمان 2,5 ضد الانبعاج. أوجد أصغر قطر d.

P = 30 kNn = 2,5L = 6 mE = 200 GPa (الفولاذ)

d = mm

11.المركز وعزم القصور الذاتيمتوسطة

أوجد عزم القصور الذاتي I_x لمقطع T حول المحور الأفقي x المارّ بمركزه.

b_f = 120 mmt_f = 25 mmt_w = 18 mmh_w = 100 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

12.المركز وعزم القصور الذاتيصعبة

يُستخدم مقطع T ككمرة والشفة في الأعلى، ويحمل عزم انحناء موجبًا مقداره 10 kN·m. أوجد مقدار إجهاد الانحناء σ_الأعلى عند الحافة العلوية.

b_f = 260 mmt_f = 20 mmt_w = 8 mmh_w = 180 mmM = 10 kN·m

σ_الأعلى = MPa

13.الإجهاد الفعّال في التربةمتوسطة

لمقطع التربة الموضّح، أوجد ضغط الماء المسامي u عند النقطة X.

z = 10 mz_w = 2 mγ_w = 9,81 kN/m³رمل: γ_d = 15,5 kN/m³رمل: γ_sat = 18,5 kN/m³

u = kPa

14.الإجهاد الفعّال في التربةصعبة

لمقطع التربة الموضّح، أوجد الإجهاد الرأسي الفعّال σ′ عند النقطة X.

z = 7 mz_w = 3 mγ_w = 9,81 kN/m³رمل: γ_d = 17 kN/m³رمل: γ_sat = 19,5 kN/m³طين: γ_sat = 17,5 kN/m³

σ′ = kPa

15.هبوط التصلّبمتوسطة

طبقة طين مفرطة التصلّب سُمكها 4,5 m لها C_c = 0,3، و C_r = 0,03 و e₀ = 1,2. في منتصف عمقها يكون الإجهاد الرأسي الفعّال 60 kPa ونسبة فرط التصلّب OCR = 2. يضيف مبنى جديد 60 kPa من الإجهاد الرأسي في منتصف العمق. أوجد هبوط التصلّب الابتدائي S بالـ mm.

H = 4,5 mC_c = 0,3C_r = 0,03e₀ = 1,2σ′₀ = 60 kPaOCR = 2Δσ = 60 kPa

S = mm

16.هبوط التصلّبصعبة

في اختبار أوديمتر مخبري، تبلغ عيّنة طين سُمكها 25 mm، مصرَّفة من الأعلى والأسفل، تصلّبًا بنسبة 50% في 12 min. في الموقع يشكّل الطين نفسه طبقة سُمكها 8 m. تقع بين طبقتي رمل، لذا يُصرَّف الماء من الأعلى والأسفل. كم يومًا t تستغرق الطبقة في الموقع لتبلغ تصلّبًا بنسبة 50%؟

h_lab = 25 mmt_lab = 12 minH = 8 mالموقع: تصريف مزدوج

t = أيام

17.القوة الهيدروستاتيكيةمتوسطة

بوابة مستطيلة رأسية عرضها 3 m في جدار خزان يحتوي ماء، وحافتها العليا على عمق 2,5 m تحت السطح. أوجد القوة الهيدروستاتيكية المحصّلة F على البوابة.

d = 2,5 mH = 1 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²

F = kN

18.القوة الهيدروستاتيكيةصعبة

بوابة مستطيلة رأسية عرضها 1,5 m في جدار خزان يحتوي زيت، وحافتها العليا على عمق 2 m تحت السطح. أوجد القوة الهيدروستاتيكية المحصّلة F على البوابة.

d = 2 mH = 3 mb = 1,5 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²

F = kN

19.احتكاك الأنابيب وفاقد السمتمتوسطة

يجري ماء بسرعة متوسطة 2,9 m/s في أنبوب طوله 200 m وقطره الداخلي 200 mm. استخدم معامل احتكاك دارسي f = 0,03 و g = 9,81 m/s². أوجد فاقد السمت بالاحتكاك h_f.

V = 2,9 m/sL = 200 mD = 200 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²

h_f = m

20.احتكاك الأنابيب وفاقد السمتصعبة

خزانان مفتوحان يصل بينهما أنبوب طوله 500 m وقطره الداخلي 300 mm ومعامل احتكاك دارسي f = 0,015. سطح الماء في الخزان العلوي أعلى بـ 39 m من سطح الخزان السفلي. الفواقد الثانوية هي: مدخل حاد الحافة (K = 0,5)، و 3 أكواع (K = 0,3 لكل منها)، وصمام (K = 10) والمخرج إلى الخزان السفلي (K = 1,0). استخدم g = 9,81 m/s². أوجد معدل التدفق Q بالـ L/s.

Δz = 39 mL = 500 mD = 300 mmf = 0,015K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×3)K_valve = 10K_exit = 1,0

Q = L/s

21.الجريان في القنوات المفتوحة (مانينغ)متوسطة

قناة شبه منحرفة خرسانة مشطّبة عرض قاعها 1 m وميولها الجانبية 1:1 (أفقي:رأسي). يجري الماء جريانًا منتظمًا بعمق 2,1 m. معامل مانينغ n = 0,012 وميل القاع S = 0,003. أوجد معدل التدفق Q بالـ m³/s.

b = 1 my = 2,1 mz = 1n = 0,012S = 0,003

Q = m³/s

22.الجريان في القنوات المفتوحة (مانينغ)صعبة

قناة شبه منحرفة حصى عرض قاعها 2 m وميولها الجانبية 3:1 (أفقي:رأسي) يجب أن تنقل 22 m³/s بجريان منتظم عند عمق 1,6 m. معامل مانينغ n = 0,025. أوجد ميل القاع المطلوب S (بالـ m/m).

Q = 22 m³/sb = 2 my = 1,6 mz = 3n = 0,025

S = m/m

23.المضخات وقدرة المضخاتمتوسطة

مضخة كفاءتها 75% تدفع 15 L/s من الماء (ρ = 1000 kg/m³) ضد سمت 42 m. استخدم g = 9,81 m/s². أوجد قدرة العمود P_shaft اللازمة، بالـ kW.

Q = 15 L/sH = 42 mη = 75%g = 9,81 m/s²

P_shaft = kW

24.المضخات وقدرة المضخاتصعبة

مضخة تنقل 20 L/s من الماء (ρ = 1000 kg/m³) من خزان سفلي مفتوح إلى خزان علوي سطح مائه أعلى بـ 16 m. طول الأنبوب 100 m وقطره الداخلي 100 mm ومعامل احتكاك دارسي f = 0,015؛ ومجموع معاملات الفواقد الثانوية ΣK = 6 (بما فيها المدخل والمخرج). استخدم g = 9,81 m/s². كفاءة المضخة 72%. أوجد قدرة العمود P_shaft بالـ kW.

Q = 20 L/sΔz = 16 mL = 100 mD = 100 mmf = 0,015ΣK = 6η = 72%

P_shaft = kW

25.القيمة الزمنية للنقودمتوسطة

تستثمر €8 000 بمعدل اسمي 6% سنويًا، تُركَّب الفائدة ربع سنوي. أوجد قيمة FV الاستثمار بعد 6 سنوات.

PV = €8 0006% / 4n = 6

FV = €

26.القيمة الزمنية للنقودصعبة

تريد €50 000 بعد 18 سنوات. تدّخر المبلغ نفسه في نهاية كل شهر في حساب يدفع 7,2% سنويًا، تُركَّب شهريًا. أوجد الإيداع الشهري A.

FV = €50 0007,2% / 12N = 216

A = €

27.NPV و IRRمتوسطة

تبلغ تكلفة آلة €20 000 اليوم، وتعمل 5 سنوات وتكلّف €1 000 سنويًا للتشغيل (تُدفع في نهاية كل سنة). تكلفة رأس المال 8%. أوجد تكلفتها السنوية المكافئة EAC.

C₀ = €20 000M = €1 000n = 5r = 8%

EAC = €

28.NPV و IRRصعبة

استثمار قدره €80 000 يعود بـ €14 500 في نهاية كل سنة لمدة 10 سنوات. أوجد معدّل العائد الداخلي IRR بالنسبة المئوية.

C₀ = €80 000CF = €14 500n = 10

IRR = %

29.التوزيع الطبيعيمتوسطة

درجات معدل الذكاء (IQ) موزعة توزيعًا طبيعيًا بمتوسط 100 درجة وانحراف معياري 15 درجة. ما النسبة التي تقع بين 96,25 و 103,75 درجة؟ أعطِ P كعدد عشري.

μ = 100σ = 15x₁ = 96,25x₂ = 103,75

P =

30.التوزيع الطبيعيصعبة

أزمنة التوصيل موزعة توزيعًا طبيعيًا بمتوسط 32 min وانحراف معياري 6 min. أوجد القيمة x التي يقع تحتها 95% منها (المئين 95).

μ = 32σ = 6P = 95%

x = min

3المحاليل

1.ردود أفعال ركائز الكمرات

الإجابة: R_B = 10 kN

محصّلة الحمل المثلثي

W = ½·6·5 = 15 kN

x̄ = 2L/3 = 3,333 m

الاتزان

العزوم حول A، موجبة عكس عقارب الساعة. ثم اتزان القوى الرأسية.

ΣM_A = 0: R_B·5 = 15·3,333

R_B = 10 kN

R_A = 15 − 10 = 5 kN

الإجابة

R_B = 10 kN

2.ردود أفعال ركائز الكمرات

الإجابة: M_A = 52,5 kN·m

الاتزان الاستاتيكي: الجسم الساكن يحقّق ΣF_x = 0 و ΣF_y = 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. المفصل الداخلي لا يستطيع نقل عزم انحناء، وهذا يعطي معادلة إضافية: عزم القوى على أيٍّ من الجانبين حول المفصل يساوي صفرًا.

الجزء CD

المفصل ليس له عزم، لذا يجب أن تتوازن العزوم حول C على CD وحده.

W = 5·5 = 25 kN عند 2,5 m من C

ΣM_C = 0: R_D·5 = 25·4 + 25·2,5

R_D = 32,5 kN

V_C = 50 − 32,5 = 17,5 kN

الجزء AC

قوة المفصل V_C تؤثّر إلى الأسفل على AC (مساوية ومعاكسة لتأثيرها على CD).

R_A = 17,5 = 17,5 kN

M_A = 17,5·3 = 52,5 kN·m

الإجابة

M_A = 52,5 kN·m

3.الجملون: طريقة العقد

الإجابة: F_AC = 11,25 kN

طريقة العقد: كل عقدة في الجملون في حالة اتزان، لذا ΣF_x = 0 و ΣF_y = 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.

ΣM_A = 0: C_y·4 = 30·1 → C_y = 7,5 kN

ΣF_y = 0: A_y = 30 − 7,5 = 22,5 kN

العقدة C

البكرة تعطي ردّ فعل رأسيًا فقط، لذا في العقدة C قوتان مجهولتان فقط. افترض أن كليهما في حالة شدّ.

sin γ = 2/3,606 = 0,5547, cos γ = 3/3,606 = 0,8321

ΣF_y = 0: C_y + F_BC·sin γ = 0 → F_BC = −7,5/0,5547 = −13,52 kN

ΣF_x = 0: −F_AC − F_BC·cos γ = 0 → F_AC = −(−13,52)·0,8321 = 11,25 kN

الإجابة

F_AC = 11,25 kN (شدّ)

4.الجملون: طريقة العقد

الإجابة: F_AC = 6,944 kN

ردود أفعال الركائز

اتزان الجملون كله. العزوم حول A، موجبة عكس عقارب الساعة.

ΣM_A = 0: C_y·6 = 40·5 − 25·3 → C_y = 20,83 kN

ΣF_y = 0: A_y = 40 − 20,83 = 19,17 kN

ΣF_x = 0: A_x = 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 = 3/3,162 = 0,9487, cos γ = 1/3,162 = 0,3162

ΣF_y = 0: C_y + F_BC·sin γ = 0 → F_BC = −20,83/0,9487 = −21,96 kN

ΣF_x = 0: −F_AC − F_BC·cos γ = 0 → F_AC = −(−21,96)·0,3162 = 6,944 kN

الإجابة

F_AC = 6,944 kN (شدّ)

5.قوة القص وعزم الانحناء

الإجابة: M_max = 47,5 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. أقصى عزم: بما أن dM/dx = V، يبلغ عزم الانحناء ذروته حيث تمرّ قوة القص بالصفر، إمّا عند حمل مركّز أو داخل حمل موزّع.

ردود أفعال الركائز

اتزان الكمرة كلها.

ΣM_A = 0: R_B·5 = 30·1,5 + 20·2,5

R_B = 95/5 = 19 kN

ΣF_y = 0: R_A = 50 − 19 = 31 kN

العزم تحت كل حمل

احتفظ بالجزء الواقع يسار كل حمل.

تحت P₁: M = R_A·1,5 = 31·1,5 = 46,5 kN·m

تحت P₂: M = R_B·2,5 = 19·2,5 = 47,5 kN·m

أكبر قيمة

M_max = 47,5 kN·m (تحت P₂)

الإجابة

M_max = 47,5 kN·m

6.قوة القص وعزم الانحناء

الإجابة: x₀ = 2,125 m

ردود أفعال الركائز

اتزان الكمرة كلها.

محصّلة الحمل الموزّع: W = w·ℓ = 12·3 = 36 kN، تؤثّر عند x̄ = 2,5 m

ΣM_A = 0: R_B·4 = 12·3·2,5

R_B = 90/4 = 22,5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 36 − 22,5 = 13,5 kN

انعدام القص

تبدأ قوة القص عند R_A، وتبقى ثابتة على أي جزء غير محمَّل، وتتناقص بميل w داخل الحمل.

R_A − w·(x₀ − 1) = 0

x₀ = 1 + 13,5/12 = 2,125 m

الإجابة

x₀ = 2,125 m

7.ترخيم الكمرة

الإجابة: δ_P = 5,919 mm

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 = 2000 N, a = 2500 mm, b = 1500 mm, L = 4000 mm

EI = 3,96 × 10¹¹ N·mm²

الترخيم تحت الحمل

δ_P = Pa²b²/(3EIL) = 2000·2500²·1500²/(3·3,96 × 10¹¹·4000) = 5,919 mm

الإجابة

δ_P = 5,919 mm

8.ترخيم الكمرة

الإجابة: M_A = 52,5 kN·m

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). في الكمرة غير المحدّدة استاتيكيًا، أزل ركيزة زائدة واشترط أن يكون الترخيم هناك صفرًا (التوافق).

أزل الركيزة الساندة

بدون الركيزة الساندة تكون الكمرة كابوليًا. وكان طرفها الحر سيترخّم تحت الحمل.

δ_load = P(L/2)²(3L − L/2)/(6EI) = 5PL³/(48EI)

التوافق عند الركيزة الساندة

قوة الركيزة الساندة R_B وحدها ترفع الطرف الحر بمقدار R_BL³/(3EI). الركيزة الساندة تُبقي ترخيم B صفرًا، لذا يجب أن يلغي أحدهما الآخر. ويُختصر EI.

R_B·L³/(3EI) = 5PL³/(48EI) → R_B = 5P/16 = 5·35/16 = 10,94 kN

العزم عند الطرف المثبَّت

عزوم الأحمال وقوة الركيزة الساندة حول A.

M_A = P·L/2 − R_B·L = 140 − 87,5 = 52,5 kN·m

الإجابة

M_A = 52,5 kN·m

9.انبعاج الأعمدة

الإجابة: P_cr = 142,1 kN

انبعاج أويلر: يصبح العمود النحيف غير مستقر عند P_cr = 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.

I_min = h·b³/12 = 50·30³/12 = 112500 mm⁴

الطول الفعّال

KL = 0,5·2500 = 1250 mm

الحمل الحرج

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·112500/1250² = 142122 N = 142,1 kN

الإجابة

P_cr = 142,1 kN

10.انبعاج الأعمدة

الإجابة: d = 51,37 mm

الحمل الحرج المطلوب

P_cr = n·P = 2,5·30000 = 75000 N

KL = 0,5·6000 = 3000 mm

حلّ لإيجاد القطر

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·75000·3000²/(π³·200000))^(1/4) = 51,37 mm

الإجابة

d = 51,37 mm

تحقّق: النحافة KL/r تساوي 233,6، لذا العمود نحيف وتنطبق صيغة أويلر.

11.المركز وعزم القصور الذاتي

الإجابة: I_x = 6,051 × 10⁶ mm⁴

المساحات المركّبة: قسّم المقطع إلى مستطيلات. المركز هو المتوسط الموزون بالمساحة ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. عزم القصور الذاتي حول المحور المركزي يجمع bh³/12 لكل جزء وحدّ المحور الموازي A·d²، حيث d بعد مركز الجزء عن المركز الكلي. إجهاد الانحناء σ = M·y/I.

قسّم إلى مستطيلين

قِس كل y من الحافة السفلية.

الشفة: A_f = 120·25 = 3000 mm², y_f = 100 + 25/2 = 112,5 mm

الجذع: A_w = 18·100 = 1800 mm², y_w = 100/2 = 50 mm

المركز

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (3000·112,5 + 1800·50)/4800 = 89,06 mm

نظرية المحور الموازي

الشفة: 120·25³/12 + 3000·(112,5 − 89,06)² = 1,804 × 10⁶ mm⁴

الجذع: 18·100³/12 + 1800·(50 − 89,06)² = 4,247 × 10⁶ mm⁴

I_x = 1,804 × 10⁶ + 4,247 × 10⁶ = 6,051 × 10⁶ mm⁴ = 6,051 × 10⁶ mm⁴

الإجابة

I_x = 6,051 × 10⁶ mm⁴

12.المركز وعزم القصور الذاتي

الإجابة: σ_الأعلى = 20,66 MPa

قسّم إلى مستطيلين

قِس كل y من الحافة السفلية.

الشفة: A_f = 260·20 = 5200 mm², y_f = 180 + 20/2 = 190 mm

الجذع: A_w = 8·180 = 1440 mm², y_w = 180/2 = 90 mm

المركز

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (5200·190 + 1440·90)/6640 = 168,3 mm

نظرية المحور الموازي

الشفة: 260·20³/12 + 5200·(190 − 168,3)² = 2,619 × 10⁶ mm⁴

الجذع: 8·180³/12 + 1440·(90 − 168,3)² = 1,272 × 10⁷ mm⁴

I_x = 2,619 × 10⁶ + 1,272 × 10⁷ = 1,534 × 10⁷ mm⁴

إجهاد الانحناء

تبعد الحافة العلوية h − ȳ عن المحور.

y = 200 − 168,3 = 31,69 mm

σ = M·y/I = 1 × 10⁷·31,69/1,534 × 10⁷ = 20,66 MPa

الإجابة

σ_الأعلى = 20,66 MPa

13.الإجهاد الفعّال في التربة

الإجابة: u = 78,48 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 = γ_w·(العمق أسفل منسوب المياه).

ضغط الماء المسامي

يزداد ضغط الماء مع العمق أسفل منسوب المياه.

u = γ_w·(z − z_w) = 9,81·8 = 78,48 kPa

الإجابة

u = 78,48 kPa

14.الإجهاد الفعّال في التربة

الإجابة: σ′ = 83,76 kPa

الإجهاد الكلي

اجمع وزن كل طبقة تربة فوق X. فوق منسوب المياه استخدم الوزن الحجمي الجاف، وأسفله المشبع.

σ = γ_d·3 + γ_sat,sand·1 + γ_sat,clay·3

σ = 17·3 + 19,5·1 + 17,5·3 = 123 kPa

ضغط الماء المسامي

يزداد ضغط الماء مع العمق أسفل منسوب المياه.

u = γ_w·(z − z_w) = 9,81·4 = 39,24 kPa

الإجهاد الفعّال

σ′ = σ − u = 123 − 39,24 = 83,76 kPa

الإجابة

σ′ = 83,76 kPa

15.هبوط التصلّب

الإجابة: S = 18,47 mm

التصلّب الابتدائي لطبقة طين سُمكها H، باستخدام الإجهاد الفعّال في منتصف الطبقة: σ′_f = σ′₀ + Δσ. الطين المتصلّب طبيعيًا: S = C_c·H/(1 + e₀)·log₁₀(σ′_f/σ′₀). الطين مفرط التصلّب يُعاد ضغطه على امتداد C_r حتى ضغط التصلّب المسبق σ′_p ولا يتبع C_c إلا بعده. الزمن: t = T_v·H_dr²/c_v، حيث مسار التصريف H_dr يساوي H/2 عندما يستطيع الماء الخروج من الأعلى والأسفل، و H عندما يصرّف جانب واحد فقط.

ضغط التصلّب المسبق

σ′_p = OCR·σ′₀ = 2·60 = 120 kPa

قارن بضغط التصلّب المسبق

σ′_f = 60 + 60 = 120 kPa ≤ 120 kPa

الهبوط

يبقى الطين على خط إعادة الضغط.

S = C_r·H/(1 + e₀)·log₁₀(σ′_f/σ′₀) = 0,03·4,5/(1 + 1,2)·log₁₀(120/60) = 18,47 mm

الإجابة

S = 18,47 mm

16.هبوط التصلّب

الإجابة: t = 853,3 أيام

مسارات التصريف

H_dr,lab = 25/2 = 12,5 mm = 0,0125 m

H_dr,field = 8/2 = 4 m

حوّل الزمن بالتناسب

t = T_v·H_dr²/c_v مع T_v و c_v نفسيهما في المختبر والموقع.

t_field = 12·(4/0,0125)² = 1,229 × 10⁶ min

t_field = 1,229 × 10⁶/1440 = 853,3 أيام

الإجابة

t = 853,3 أيام

17.القوة الهيدروستاتيكية

الإجابة: F = 88,29 kN

القوة الهيدروستاتيكية على سطح مستوٍ: F = ρ·g·y_c·A. وتؤثّر عند مركز الضغط، y_cp = y_c + I_c/(y_cA)، الذي يقع دائمًا أسفل المركز.

عمق المركز والمساحة

y_c = d + H/2 = 2,5 + 1/2 = 3 m

A = H·b = 1·3 = 3 m²

القوة المحصّلة

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9,81·3·3 = 88,29 kN

الإجابة

F = 88,29 kN

18.القوة الهيدروستاتيكية

الإجابة: F = 136 kN

عمق المركز والمساحة

y_c = d + H/2 = 2 + 3/2 = 3,5 m

A = H·b = 3·1,5 = 4,5 m²

القوة المحصّلة

F = ρ·g·y_c·A = 880·9,81·3,5·4,5 = 136 kN

الإجابة

F = 136 kN

19.احتكاك الأنابيب وفاقد السمت

الإجابة: h_f = 12,86 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 h_f = f·(L/D)·V²/(2g). وتضيف الوصلات والصمامات والمدخل والمخرج فواقد ثانوية h_m = ΣK·V²/(2g). بين سطحي خزانين مفتوحين تعطي معادلة الطاقة Δz = h_f + h_m، مع احتساب فاقد المخرج K = 1.

سمت السرعة

V²/(2g) = 2,9²/(2·9,81) = 0,4286 m

دارسي–فايسباخ

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(200/0,2)·2,9²/(2·9,81) = 12,86 m

الإجابة

h_f = 12,86 m

20.احتكاك الأنابيب وفاقد السمت

الإجابة: Q = 319,7 L/s

معاملات الفاقد

f·L/D = 0,015·500/0,3 = 25

ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 + 1,0 = 12,4

معادلة الطاقة

السطحان مفتوحان للهواء وساكنان عمليًا، لذا تُفقد Δz كلها في الأنبوب.

39 = (25 + 12,4)·V²/(2·9,81)

V = √(2·9,81·39/37,4) = 4,523 m/s

معدّل التدفّق

Q = V·π·D²/4 = 4,523·0,07069 = 0,3197 m³/s = 319,7 L/s

الإجابة

Q = 319,7 L/s

21.الجريان في القنوات المفتوحة (مانينغ)

الإجابة: Q = 28,47 m³/s

معادلة مانينغ (SI): للجريان المنتظم في قناة مفتوحة V = (1/n)·R^2/3·S^1/2 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 = (1 + 1·2,1)·2,1 = 6,51 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 1 + 2·2,1·√(1 + 1²) = 6,94 m

R = A/P = 0,9381 m

السرعة المتجهة

V = (1/0,012)·0,9381^2/3·0,003^1/2 = 4,374 m/s

معدّل التدفّق

Q = A·V = 6,51·4,374 = 28,47 m³/s

الإجابة

Q = 28,47 m³/s

22.الجريان في القنوات المفتوحة (مانينغ)

الإجابة: S = 0,002951 m/m

الهندسة

A = (b + z·y)·y = (2 + 3·1,6)·1,6 = 10,88 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 2 + 2·1,6·√(1 + 3²) = 12,12 m

R = A/P = 0,8977 m

حلّ معادلة مانينغ لإيجاد S

S^1/2 = n·Q/(A·R^2/3) = 0,025·22/(10,88·0,9306) = 0,05432

S = 0,05432² = 0,002951

الإجابة

S = 0,002951

هذا انخفاض قدره 2,951 m لكل كيلومتر.

23.المضخات وقدرة المضخات

الإجابة: P_shaft = 8,24 kW

قدرة المضخة: القدرة المعطاة للماء هي القدرة الهيدروليكية P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp. يجب أن يقدّم العمود أكثر من ذلك لأن المضخة تفقد جزءًا: P_shaft = P_h/η_pump، ويسحب المحرّك P_el = P_shaft/η_motor. يُستنتج سمت المضخة H من معادلة الطاقة: الرفع الاستاتيكي + سمت الضغط + كل فواقد الاحتكاك والفواقد الثانوية.

القدرة الهيدروليكية

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,015·42 = 6,18 kW

قدرة العمود

P_shaft = P_h/η = 6,18/0,75 = 8,24 kW

الإجابة

P_shaft = 8,24 kW

24.المضخات وقدرة المضخات

الإجابة: P_shaft = 6,251 kW

السرعة المتجهة

V = Q/A = 0,02/0,007854 = 2,546 m/s

V²/(2g) = 0,3305 m

فواقد السمت

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (15 + 6)·0,3305 = 6,941 m

سمت المضخة

H = Δz + h_L = 16 + 6,941 = 22,94 m

قدرة العمود

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,02·22,94/0,72 = 6,251 kW

الإجابة

P_shaft = 6,251 kW

25.القيمة الزمنية للنقود

الإجابة: FV = 11436 €

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 = r/m = 0,06/4 = 0,015

N = m·n = 4·6 = 24

القيمة المستقبلية

FV = 8 000·(1 + 0,015)²⁴ = 8 000·1,43 = €11 436,02

الإجابة

FV = €11 436,02

26.القيمة الزمنية للنقود

الإجابة: A = 113,6 €

المعدل الشهري وعدد الإيداعات

i = 0,07200000000000001/12 = 0,006

N = 12·18 = 216

الإيداع

A = FV·i/((1 + i)^N − 1) = 50 000·0,006/(3,641 − 1) = €113,61

الإجابة

A = €113,61

27.NPV و IRR

الإجابة: EAC = 6009 €

التكلفة السنوية المكافئة: وزّع القيمة الحالية لكل التكاليف على العمر كمبلغ سنوي متساوٍ (سلسلة دفعات): EAC = PV·r/(1 − (1 + r)⁻ⁿ). وهي تتيح مقارنة آلات بأعمار مختلفة.

معامل سلسلة الدفعات

(1 − 1,08⁻⁵)/0,08 = 3,993

سعر الشراء المحوَّل إلى قيمة سنوية

20 000/3,993 = 5 009,13

EAC

EAC = 5 009,13 + 1 000 = €6 009,13

الإجابة

EAC = €6 009,13

28.NPV و IRR

الإجابة: IRR = 12,59 %

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.

معامل سلسلة الدفعات المطلوب

(1 − (1 + i)⁻¹⁰)/i = 80 000/14 500 = 5,517

حلّ لإيجاد المعدّل

ينخفض معامل سلسلة الدفعات مع ارتفاع المعدّل؛ احصر المعدّل بين قيمتين وضيّق المجال.

i = 12%: 5,65

i = 13%: 5,426

IRR = 12,59%

الإجابة

IRR = 12,59%

29.التوزيع الطبيعي

الإجابة: P = 0,1974

التوزيع الطبيعي: حوّل القيمة x إلى درجة معيارية z = (x − μ)/σ، وهي تعدّ الانحرافات المعيارية عن المتوسط. يعطي جدول z (أو Φ(z)) المساحة على يسار z، وهي P(X < x). المساحة على اليمين هي 1 − Φ(z)، والمساحة بين قيمتين هي الفرق بين مساحتيهما.

الدرجات المعيارية

z₁ = (96,25 − 100)/15 = −0,25

z₂ = (103,75 − 100)/15 = 0,25

المساحة بين القيمتين

P = Φ(0,25) − Φ(−0,25) = 0,5987 − 0,4013 = 0,1974

الإجابة

P = 0,1974

30.التوزيع الطبيعي

الإجابة: x = 41,87 min

قيمة z للمئين

Φ(z) = 0,95 → z = 1,645

العودة إلى x

x = 32 + 1,645·6 = 41,87 min

الإجابة

x = 41,87 min

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.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-civil