laminar di bawah Re ≈ 2000, turbulen di atas Re ≈ 4000
Kecepatan rata-rata
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Kerugian minor
hm = ΣK·V²/(2g)
Nilai K tipikal
masuk 0,5, keluar 1,0, belokan 90° ≈ 0,3
Penurunan tekanan
Δp = ρ·g·hf
Dua reservoir terbuka
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Keluaran bebas
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Aliran saluran terbuka (Manning)
Persamaan Manning
V = (1/n)·R2/3·S1/2
Debit
Q = A·V
Jari-jari hidrolik
R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
Persegi panjang
A = b·y, P = b + 2y
Trapesium (kemiringan sisi z:1)
A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
Pipa bulat, penuh atau setengah penuh
R = D/4
Kemiringan yang diperlukan
S = (n·Q/(A·R2/3))²
Pompa & daya pompa
Daya hidrolik
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Daya poros
Pshaft = Ph/ηpump
Daya listrik
Pel = Pshaft/ηmotor
Head pompa
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Kerugian sistem
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Nilai waktu uang
Nilai masa depan
FV = PV·(1 + i)n
Nilai sekarang
PV = FV/(1 + i)n
Beberapa periode per tahun
i = r/m, N = m·n
Anuitas, nilai sekarang
PV = PMT·[1 − (1 + i)−n]/i
Anuitas, nilai masa depan
FV = PMT·[(1 + i)n − 1]/i
Metode
Gambar garis waktu dengan setiap arus kas dan waktunya.
Sesuaikan suku bunga dengan periodenya: suku bunga bulanan untuk pembayaran bulanan.
Gunakan FV = PV·(1 + i)ⁿ untuk jumlah tunggal dan rumus anuitas untuk pembayaran yang sama besar.
Periksa tanda dan orde besaran jawabannya.
NPV & IRR
Nilai sekarang bersih
NPV = −C0 + Σ CFt/(1 + r)t
Arus kas yang sama
NPV = −C0 + CF·[1 − (1 + r)−n]/r
Tingkat pengembalian internal
nilai r saat NPV = 0
Keputusan
terima jika NPV > 0 (atau IRR > tingkat pengembalian yang disyaratkan)
Metode
Daftarkan semua arus kas beserta tahunnya; investasi pada tahun 0 bernilai negatif.
Diskontokan setiap arus kas: CFt/(1 + r)t.
Jumlahkan semuanya untuk mendapatkan NPV. Positif berarti proyek menghasilkan lebih dari r.
Untuk IRR, cari suku bunga yang membuat NPV nol dengan coba-coba atau interpolasi.
Distribusi normal
Skor z
z = (x − μ)/σ
Di bawah x
P(X < x) = Φ(z)
Di atas x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
Di antara
Φ(z2) − Φ(z1)
Persentil
x = μ + z·σ
Metode
Ubah nilainya menjadi skor z: z = (x − μ)/σ.
Cari Φ(z), luas di sebelah kiri z.
Untuk luas di sebelah kanan gunakan 1 − Φ(z); untuk suatu selang kurangkan kedua luas kiri.
Untuk persentil, kerjakan mundur: cari z untuk luasnya, lalu x = μ + z·σ.
2Soal latihan
1.Reaksi tumpuan balokSedang
Balok sederhana memiliki tumpuan sendi di A dan rol di B. Balok menahan beban terpusat P pada 7 m dari A dan kopel berlawanan arah jarum jam M pada 5 m dari A. Cari reaksi vertikal RB, dengan arah ke atas positif.
L = 8 mP = 50 kN di 7 mM = 10 kN·m (berlawanan arah jarum jam) di 5 m
RB = kN
2.Reaksi tumpuan balokSulit
Balok sederhana memiliki tumpuan sendi di A dan rol di B. Cari reaksi tumpuan vertikal RB.
L = 10 mP = 60 kN di 2 mw = 6 kN/m dari 6 sampai 7 m
RB = kN
3.Rangka batang: metode titik buhulSedang
Gunakan metode titik buhul untuk mencari gaya FAC pada batang AC. Nyatakan tarik positif dan tekan negatif.
bentang = 5 mtinggi = 4 mB berjarak 3 m dari Abeban vertikal = 50 kN
FAC = kN
4.Rangka batang: metode titik buhulSulit
Tepat satu elemen rangka batang ini tidak membawa gaya pada beban-beban ini. Elemen mana yang merupakan elemen gaya-nol? Klik pada diagram.
Balok sederhana menahan dua beban terpusat. Cari momen lentur maksimum Mmax pada balok.
L = 10 mP1 = 55 kN di 3 mP2 = 40 kN di 7 m
Mmax = kN·m
6.Gaya geser & momen lenturSulit
Balok sederhana menahan beban merata w di seluruh bentang dan beban terpusat P. Cari momen lentur maksimum Mmax pada balok.
L = 6 mP = 30 kN di 2 mw = 10 kN/m dari 0 sampai 6 m
Mmax = kN·m
7.Lendutan balokSedang
Kantilever menahan beban merata w di sepanjang batang. Cari lendutan δ di ujung bebas.
w = 2 kN/mL = 5 mE = 70 GPa (aluminium)I = 160 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.Lendutan balokSulit
Balok sederhana menahan beban merata w. Lendutannya tidak boleh melebihi bentang/360. Cari momen inersia terkecil Ireq yang memenuhi batas ini.
w = 6 kN/mL = 6 mE = 200 GPa (baja)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Tekuk kolomSedang
Kolom sepanjang L dari baja dengan tumpuan jepit di bawah dan bebas di atas. Dengan rumus Euler, cari beban tekuk kritisnya Pcr.
L = 4 mE = 200 GPa (baja)b × h = 30 × 50 mm
Pcr = kN
10.Tekuk kolomSulit
Kolom sepanjang L dari aluminium dengan tumpuan jepit di kedua ujung. Cari kelangsingannya dan tegangan tekuk kritis σcr dari rumus Euler.
L = 3 mE = 70 GPa (aluminium)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Titik berat & momen inersiaSedang
Sebuah pelat 100 mm × 150 mm memiliki lubang lingkaran berdiameter 40 mm pada garis tengah vertikalnya, dengan pusat 45 mm di atas dasar. Cari momen inersia luas Ix terhadap sumbu horizontal melalui titik berat.
b = 100 mmh = 150 mmd = 40 mmpusat lubang: y = 45 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Titik berat & momen inersiaSulit
Sebuah pelat 100 mm × 150 mm memiliki potongan persegi panjang selebar 40 mm dan setinggi 50 mm, di tengah garis tengah vertikal dengan pusat 90 mm di atas dasar. Cari momen inersia luas Ix terhadap sumbu horizontal melalui titik berat.
b = 100 mmh = 150 mmpotongan: 40 × 50 mmpusat lubang: y = 90 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
13.Tegangan efektif tanahSedang
Untuk profil tanah yang ditunjukkan, cari tegangan efektif vertikal σ′ di titik X.
Lapisan lempung terkonsolidasi berlebih setebal 7,5 m memiliki Cc = 0,25, Cr = 0,04, dan e₀ = 1. Di tengah kedalamannya tegangan vertikal efektifnya 110 kPa dan tekanan prakonsolidasinya 170 kPa. Sebuah bangunan baru menambah tegangan vertikal 30 kPa di tengah kedalaman. Cari penurunan konsolidasi primer S dalam mm.
Dalam uji oedometer di laboratorium, benda uji lempung setebal 25 mm, berdrainase di atas dan di bawah, mencapai konsolidasi 50% dalam 4 menit. Di lapangan, lempung yang sama membentuk lapisan setebal 3 m. Lapisan berada di atas batuan kedap air, dengan pasir di atasnya, sehingga air hanya terdrainase keluar di atas. Berapa hari t yang diperlukan lapisan di lapangan untuk mencapai konsolidasi 50%?
Pintu air persegi panjang vertikal selebar 1,5 m berada di dinding tangki berisi air, dengan tepi atasnya 0,5 m di bawah permukaan. Cari gaya hidrostatis resultan F pada pintu air.
Pintu air persegi panjang vertikal selebar 1,5 m berada di dinding tangki berisi gliserin, dengan tepi atasnya 2 m di bawah permukaan. Cari kedalaman ycp pusat tekanan di bawah permukaan.
Air mengalir dengan kecepatan rata-rata 2,5 m/s melalui pipa sepanjang 100 m dengan diameter dalam 200 mm. Gunakan faktor gesekan Darcy f = 0,022 dan g = 9,81 m/s². Cari kehilangan head akibat gesekan hf.
Dua reservoir terbuka dihubungkan oleh pipa sepanjang 200 m dengan diameter dalam 100 mm dan faktor gesekan Darcy f = 0,015. Permukaan air reservoir atas berada 34 m di atas permukaan reservoir bawah. Kerugian minornya adalah lubang masuk bersudut tajam (K = 0,5), 3 belokan (masing-masing K = 0,3), sebuah katup (K = 5), dan lubang keluar ke reservoir bawah (K = 1,0). Gunakan g = 9,81 m/s². Cari debit Q dalam L/s.
Sebuah saluran drainase beton dengan diameter dalam 750 mm mengalir setengah penuh. n Manning = 0,013 dan kemiringannya S = 0,0008. Cari debit Q dalam m³/s.
D = 750 mmn = 0,013S = 0,0008
Q = m³/s
22.Aliran saluran terbuka (Manning)Sulit
Sebuah saluran trapesium beton kasar dengan lebar dasar 6 m dan kemiringan sisi 1,5:1 (horizontal:vertikal) harus mengalirkan 52 m³/s dalam aliran seragam pada kedalaman 1,7 m. n Manning = 0,014. Cari kemiringan dasar yang diperlukan S (dalam m/m).
Q = 52 m³/sb = 6 my = 1,7 mz = 1,5n = 0,014
S = m/m
23.Pompa & daya pompaSedang
Dalam sebuah pengujian, pompa mengalirkan 150 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan head 18 m sementara porosnya menyerap 37,8 kW. Gunakan g = 9,81 m/s². Cari efisiensi pompa η dalam persen.
Q = 150 L/sH = 18 mPshaft = 37,8 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompa & daya pompaSulit
Sebuah pompa memindahkan 10 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari reservoir bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 6 m lebih tinggi. Pipa sepanjang 100 m dengan diameter dalam 100 mm dan faktor gesekan Darcy f = 0,02; koefisien kerugian minornya berjumlah ΣK = 6 (termasuk lubang masuk dan keluar). Gunakan g = 9,81 m/s². Cari head H yang harus ditambahkan pompa.
Anda butuh €25 000 dalam 9 tahun. Sebuah rekening memberi 6% per tahun, dimajemukkan bulanan. Berapa yang harus Anda setor hari ini? Tentukan nilai sekarang PV.
FV = €25 0006% / 12n = 9
PV = €
26.Nilai waktu uangSulit
Anda ingin memiliki €100 000 dalam 9 tahun. Anda menabung jumlah yang sama di akhir setiap bulan di rekening yang memberi bunga 2,4% per tahun, dimajemukkan bulanan. Tentukan setoran bulanan A.
FV = €100 0002,4% / 12N = 108
A = €
27.NPV & IRRSedang
Investasi sebesar €60 000 memberikan arus kas berikut di akhir tahun 1 sampai 3: €25 000, €29 000, €17 000. Biaya modal 12%. Tentukan nilai sekarang bersih NPV.
Sebuah proyek berbiaya €50 000 dan menghasilkan €20 000, €32 000, €19 000 di akhir tahun 1 sampai 3. Tentukan tingkat pengembalian internalnya IRR dalam persen.
CF0 = −50 000CF1 = 20 000CF2 = 32 000CF3 = 19 000
IRR = %
29.Distribusi normalSedang
Data skor IQ berdistribusi normal dengan rata-rata 100 poin dan simpangan baku 15 poin. Berapa proporsi yang berada di antara 82,75 dan 112,75 poin? Nyatakan P dalam bentuk desimal.
μ = 100σ = 15x1 = 82,75x2 = 112,75
P =
30.Distribusi normalSulit
Diameter lubang D normal dengan rata-rata 25,02 mm dan simpangan baku 0,01 mm. Diameter poros d saling bebas dan normal dengan rata-rata 25 mm dan simpangan baku 0,02 mm. Sebuah poros yang dipilih acak pas bila D − d > 0. Cari peluang P bahwa poros itu pas. Bulatkan z ke dua desimal.
lubang: μ = 25,02 mm, σ = 0,01 mmporos: μ = 25 mm, σ = 0,02 mm
P =
3Larutan
1.Reaksi tumpuan balok
Jawaban: RB = 42,5 kN
Kesetimbangan statis: benda yang diam memenuhi ΣFx = 0, ΣFy = 0, dan ΣM = 0 terhadap titik mana pun. Ganti setiap beban merata dengan resultannya (luasnya) yang bekerja di titik berat diagram beban, dan ambil momen terhadap satu tumpuan untuk menghilangkan reaksi tumpuan itu dari persamaan.
Momen terhadap A
Berlawanan arah jarum jam positif.
ΣMA = 0: RB·8 − 50·7 + 10 = 0
RB = 340/8 = 42,5 kN
Kesetimbangan vertikal
RA = 50 − 42,5 = 7,5 kN
Jawaban
RB = 42,5 kN
Reaksi negatif bekerja ke bawah.
2.Reaksi tumpuan balok
Jawaban: RB = 15,9 kN
Kesetimbangan statis: benda diam memenuhi ΣFx = 0, ΣFy = 0, dan ΣM = 0 terhadap titik mana pun. Mengambil momen terhadap satu tumpuan menghilangkan reaksi tumpuan itu dari persamaan.
Diagram benda bebas
Ganti tumpuan dengan gaya reaksi. Rol memberi satu reaksi vertikal; dengan beban vertikal saja, sendi juga memberi satu reaksi vertikal.
Kesetimbangan
Momen terhadap A, positif berlawanan arah jarum jam. Lalu kesetimbangan gaya vertikal.
Resultan beban merata: W = w·ℓ = 6·1 = 6 kN, bekerja di x̄ = 6,5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 60·2 + 6·1·6,5
RB = 159/10 = 15,9 kN
ΣFy = 0: RA = 66 − 15,9 = 50,1 kN
Jawaban
RB = 15,9 kN
3.Rangka batang: metode titik buhul
Jawaban: FAC = 15 kN
Metode titik buhul: setiap titik buhul rangka berada dalam kesetimbangan, jadi ΣFx = 0 dan ΣFy = 0 di setiap titik buhul. Mulai dari titik buhul dengan paling banyak dua gaya batang tak diketahui. Hasil negatif berarti batang mengalami tekan.
Reaksi tumpuan
Kesetimbangan seluruh rangka. Momen terhadap A, positif berlawanan arah jarum jam.
ΣMA = 0: Cy·5 = 50·3 → Cy = 30 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 30 = 20 kN
Titik buhul C
Rol hanya memberi reaksi vertikal, jadi titik buhul C hanya punya dua gaya batang tak diketahui. Anggap keduanya tarik.
sin γ = 4/4,472 = 0,8944, cos γ = 2/4,472 = 0,4472
Elemen gaya-nol: pada simpul, gaya-gaya harus seimbang ke segala arah. Jika simpul tidak memiliki beban dan tumpuan, dan dua dari tiga elemennya segaris, maka keseimbangan melintang garis itu hanya melibatkan elemen ketiga, sehingga gayanya nol. Jika hanya dua elemen bertemu di simpul tak berbeban dan keduanya tidak segaris, keduanya nol.
Simpul C
BC dan CD terletak pada satu garis lurus dan simpul tidak membawa beban. Menyeimbangkan gaya melintang garis itu hanya menyisakan CG.
ΣF⊥ = 0 → FCG = 0
Periksa dengan metode simpul
Menyelesaikan semua simpul memberikan gaya elemen berikut (T = tarik, C = tekan).
Metode potongan: potong balok di tempat gaya dalam yang ingin dicari dan ambil satu sisi. Gaya geser V mengimbangi gaya vertikal di sisi itu, dan momen lentur M mengimbangi momennya terhadap potongan. Momen maksimum: karena dM/dx = V, momen lentur mencapai puncaknya di tempat gaya geser melewati nol, baik di beban terpusat maupun di dalam beban merata.
Reaksi tumpuan
Kesetimbangan seluruh balok.
ΣMA = 0: RB·10 = 55·3 + 40·7
RB = 445/10 = 44,5 kN
ΣFy = 0: RA = 95 − 44,5 = 50,5 kN
Momen di bawah tiap beban
Ambil bagian di kiri tiap beban.
di bawah P1: M = RA·3 = 50,5·3 = 151,5 kN·m
di bawah P2: M = RB·3 = 44,5·3 = 133,5 kN·m
Nilai terbesar
Mmax = 151,5 kN·m (di bawah P1)
Jawaban
Mmax = 151,5 kN·m
6.Gaya geser & momen lentur
Jawaban: Mmax = 80 kN·m
Metode potongan: potong balok di tempat gaya dalam yang ingin dicari dan ambil satu sisi. Gaya geser V mengimbangi gaya vertikal di sisi itu, dan momen lentur M mengimbangi momennya terhadap potongan. Momen maksimum: karena dM/dx = V, momen lentur mencapai puncaknya di tempat gaya geser melewati nol, baik di beban terpusat maupun di dalam beban merata.
Reaksi tumpuan
Kesetimbangan seluruh balok.
Resultan beban merata: W = w·ℓ = 10·6 = 60 kN, bekerja di x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 30·2 + 10·6·3
RB = 240/6 = 40 kN
ΣFy = 0: RA = 90 − 40 = 50 kN
Di mana V = 0?
V(2⁻) = RA − w·2 = 30 kN
V(2⁺) = 30 − 30 = 0 kN
Gaya geser berganti tanda di titik beban, jadi maksimum berada di bawah beban.
Momen maksimum
Mmax = RA·2 − w·2²/2 = 50·2 − 10·2²/2 = 80 kN·m
Jawaban
Mmax = 80 kN·m
Terjadi di x = 2 m dari A.
7.Lendutan balok
Jawaban: δ = 13,95 mm
Lendutan balok: lendutan diperoleh dengan mengintegrasikan kelengkungan M/(EI) dua kali. Kasus standar tersedia dalam tabel, misalnya PL³/(3EI) untuk kantilever dengan beban ujung dan 5wL⁴/(384EI) untuk balok sederhana dengan beban merata penuh. Lendutan akibat beban terpisah dijumlahkan (superposisi).
Satuan konsisten
Hitung dalam N dan mm: P dalam N, w dalam N/mm (kN/m = N/mm), L dalam mm, E dalam N/mm² (GPa × 1000), I dalam mm⁴.
w = 2 N/mm, L = 5000 mm
EI = 1,12 × 10¹³ N·mm²
Lendutan
δ = wL⁴/(8EI) = 2·5000⁴/(8·1,12 × 10¹³) = 13,95 mm
Jawaban
δ = 13,95 mm
8.Lendutan balok
Jawaban: Ireq = 30,38 × 10⁶ mm⁴
Lendutan balok: lendutan diperoleh dengan mengintegrasikan kelengkungan M/(EI) dua kali. Kasus standar tersedia dalam tabel, misalnya PL³/(3EI) untuk kantilever dengan beban ujung dan 5wL⁴/(384EI) untuk balok sederhana dengan beban merata penuh. Lendutan akibat beban terpisah dijumlahkan (superposisi).
Batas lendutan
δallow = L/360 = 6000/360 = 16,67 mm
Momen inersia yang diperlukan
I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·6·6000⁴/(384·200000·16,67) = 3,038 × 10⁷ mm⁴
Ireq = 30,38 × 10⁶ mm⁴
Jawaban
Ireq = 30,38 × 10⁶ mm⁴
9.Tekuk kolom
Jawaban: Pcr = 3,47 kN
Tekuk Euler: kolom langsing menjadi tidak stabil pada Pcr = π²EI/(KL)², dengan KL panjang efektif: K = 1 untuk sendi–sendi, 2 untuk jepit–bebas, 0,7 untuk jepit–sendi, dan 0,5 untuk jepit–jepit. Kolom menekuk terhadap sumbu dengan I terkecil. Rumus berlaku untuk kolom langsing yang tegangan kritisnya tetap di bawah tegangan leleh.
Momen inersia terkecil
Persegi panjang menekuk terhadap sumbu lemahnya, dengan dimensi terkecil dipangkatkan tiga.
Tekuk Euler: kolom langsing menjadi tidak stabil pada Pcr = π²EI/(KL)², dengan KL panjang efektif: K = 1 untuk sendi–sendi, 2 untuk jepit–bebas, 0,7 untuk jepit–sendi, dan 0,5 untuk jepit–jepit. Kolom menekuk terhadap sumbu dengan I terkecil. Rumus berlaku untuk kolom langsing yang tegangan kritisnya tetap di bawah tegangan leleh.
Momen inersia terkecil
Penampang bulat memiliki I yang sama terhadap setiap sumbu.
I = πd⁴/64 = π·40⁴/64 = 125664 mm⁴
Jari-jari girasi dan kelangsingan
A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 0,5·3000 = 1500 mm
KL/r = 1500/10 = 150
Tegangan kritis
σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/150² = 30,71 MPa
Jawaban
σcr = 30,71 MPa
11.Titik berat & momen inersia
Jawaban: Ix = 26,76 × 10⁶ mm⁴
Penampang berlubang: perlakukan lubang sebagai luas negatif. Titik berat adalah ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), dengan A₁, y₁ untuk pelat penuh dan A₂, y₂ untuk lubang. Untuk momen inersia luas terhadap sumbu titik berat, gunakan teorema sumbu sejajar untuk setiap bagian lalu kurangkan lubangnya: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), dengan d jarak dari titik berat masing-masing bagian ke sumbu yang melalui ȳ. Persegi panjang memiliki Ic = bh³/12 dan lingkaran Ic = πd⁴/64.
Titik berat
ȳ = (15000·75 − 1257·45)/(15000 − 1257) = 77,74 mm
Pelat penuh terhadap ȳ
100·150³/12 + 15000·−2,743² = 28,24 × 10⁶ mm⁴
Lubang terhadap ȳ
π·40⁴/64 + 1257·−32,74² = 1,473 × 10⁶ mm⁴
Kurangkan
Ix = 26,76 × 10⁶ mm⁴
Jawaban
Ix = 26,76 × 10⁶ mm⁴
12.Titik berat & momen inersia
Jawaban: Ix = 27,19 × 10⁶ mm⁴
Penampang berlubang: perlakukan lubang sebagai luas negatif. Titik berat adalah ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), dengan A₁, y₁ untuk pelat penuh dan A₂, y₂ untuk lubang. Untuk momen inersia luas terhadap sumbu titik berat, gunakan teorema sumbu sejajar untuk setiap bagian lalu kurangkan lubangnya: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), dengan d jarak dari titik berat masing-masing bagian ke sumbu yang melalui ȳ. Persegi panjang memiliki Ic = bh³/12 dan lingkaran Ic = πd⁴/64.
Titik berat
ȳ = (15000·75 − 2000·90)/(15000 − 2000) = 72,69 mm
Pelat penuh terhadap ȳ
100·150³/12 + 15000·2,308² = 28,2 × 10⁶ mm⁴
Lubang terhadap ȳ
40·50³/12 + 2000·17,31² = 1,016 × 10⁶ mm⁴
Kurangkan
Ix = 27,19 × 10⁶ mm⁴
Jawaban
Ix = 27,19 × 10⁶ mm⁴
13.Tegangan efektif tanah
Jawaban: σ′ = 85,38 kPa
Tegangan efektif (Terzaghi): butiran tanah menahan σ′ = σ − u. Tegangan total σ adalah berat semua yang ada di atas titik, Σγ·h, memakai berat isi kering di atas muka air tanah dan berat isi jenuh di bawahnya. Di bawah muka air tanah tekanan air pori bersifat hidrostatis: u = γw·(kedalaman di bawah muka air tanah).
Tegangan total
Jumlahkan berat setiap lapisan tanah di atas X. Di atas muka air tanah gunakan berat isi kering, di bawahnya berat isi jenuh.
Tekanan air bertambah dengan kedalaman di bawah muka air tanah.
u = γw·(z − zw) = 9,81·2 = 19,62 kPa
Tegangan efektif
σ′ = σ − u = 105 − 19,62 = 85,38 kPa
Jawaban
σ′ = 85,38 kPa
14.Tegangan efektif tanah
Jawaban: σ′ = 91,23 kPa
Tegangan efektif (Terzaghi): butiran tanah menahan σ′ = σ − u. Tegangan total σ adalah berat semua yang ada di atas titik, Σγ·h, memakai berat isi kering di atas muka air tanah dan berat isi jenuh di bawahnya. Di bawah muka air tanah tekanan air pori bersifat hidrostatis: u = γw·(kedalaman di bawah muka air tanah).
Tegangan total
Jumlahkan berat setiap lapisan tanah di atas X. Di atas muka air tanah gunakan berat isi kering, di bawahnya berat isi jenuh.
σ = γd·2 + γsat,sand·4 + γsat,clay·2,5
σ = 15·2 + 20·4 + 18·2,5 = 155 kPa
Tekanan air pori
Tekanan air bertambah dengan kedalaman di bawah muka air tanah.
u = γw·(z − zw) = 9,81·6,5 = 63,77 kPa
Tegangan efektif
σ′ = σ − u = 155 − 63,77 = 91,23 kPa
Jawaban
σ′ = 91,23 kPa
15.Penurunan konsolidasi
Jawaban: S = 15,71 mm
Konsolidasi primer lapisan lempung setebal H, dengan tegangan efektif di tengah lapisan: σ′f = σ′0 + Δσ. Lempung terkonsolidasi normal: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Lempung terkonsolidasi berlebih mengalami rekompresi sepanjang Cr sampai tekanan prakonsolidasi σ′p dan baru mengikuti Cc setelah melewatinya. Waktu: t = Tv·Hdr²/cv, dengan lintasan drainase Hdr sebesar H/2 bila air dapat keluar di atas dan di bawah, dan H bila hanya satu sisi yang berdrainase.
Bandingkan dengan tekanan prakonsolidasi
σ′f = 110 + 30 = 140 kPa ≤ 170 kPa
Penurunan
Lempung tetap berada pada garis rekompresinya.
S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,04·7,5/(1 + 1)·log₁₀(140/110) = 15,71 mm
Jawaban
S = 15,71 mm
16.Penurunan konsolidasi
Jawaban: t = 160 hari
Konsolidasi primer lapisan lempung setebal H, dengan tegangan efektif di tengah lapisan: σ′f = σ′0 + Δσ. Lempung terkonsolidasi normal: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Lempung terkonsolidasi berlebih mengalami rekompresi sepanjang Cr sampai tekanan prakonsolidasi σ′p dan baru mengikuti Cc setelah melewatinya. Waktu: t = Tv·Hdr²/cv, dengan lintasan drainase Hdr sebesar H/2 bila air dapat keluar di atas dan di bawah, dan H bila hanya satu sisi yang berdrainase.
Lintasan drainase
Hdr,lab = 25/2 = 12,5 mm = 0,0125 m
Hdr,field = 3 m
Skalakan waktunya
t = Tv·Hdr²/cv dengan T_v dan cv yang sama di laboratorium dan di lapangan.
tfield = 4·(3/0,0125)² = 230400 min
tfield = 230400/1440 = 160 hari
Jawaban
t = 160 hari
17.Gaya hidrostatis
Jawaban: F = 64,38 kN
Gaya hidrostatis pada permukaan datar: F = ρ·g·yc·A. Gaya bekerja di pusat tekanan, ycp = yc + Ic/(ycA), yang selalu berada di bawah titik berat.
Kedalaman titik berat dan luas
yc = d + H/2 = 0,5 + 2,5/2 = 1,75 m
A = H·b = 2,5·1,5 = 3,75 m²
Gaya resultan
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·1,75·3,75 = 64,38 kN
Jawaban
F = 64,38 kN
18.Gaya hidrostatis
Jawaban: ycp = 3,111 m
Gaya hidrostatis pada permukaan datar: F = ρ·g·yc·A. Gaya bekerja di pusat tekanan, ycp = yc + Ic/(ycA), yang selalu berada di bawah titik berat.
Kedalaman titik berat dan luas
yc = d + H/2 = 2 + 2/2 = 3 m
A = H·b = 2·1,5 = 3 m²
Gaya resultan
F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·3·3 = 111,2 kN
Pusat tekanan
Tekanan bertambah dengan kedalaman, jadi resultan bekerja di bawah titik berat.
Ic = b·H³/12 = 1,5·2³/12 = 1 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 3 + 1/(3·3) = 3,111 m
Jawaban
ycp = 3,111 m
19.Gesekan pipa & kehilangan head
Jawaban: hf = 3,504 m
Aliran pipa: bilangan Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ membedakan aliran laminar (Re di bawah sekitar 2000) dari aliran turbulen (di atas sekitar 4000). Gesekan sepanjang pipa menyebabkan kehilangan head Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Sambungan, katup, lubang masuk, dan lubang keluar menambah kerugian minor hm = ΣK·V²/(2g). Di antara dua permukaan reservoir terbuka, persamaan energi memberikan Δz = hf + hm, termasuk kerugian keluar K = 1.
Head kecepatan
V²/(2g) = 2,5²/(2·9,81) = 0,3186 m
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(100/0,2)·2,5²/(2·9,81) = 3,504 m
Jawaban
hf = 3,504 m
20.Gesekan pipa & kehilangan head
Jawaban: Q = 33,17 L/s
Aliran pipa: bilangan Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ membedakan aliran laminar (Re di bawah sekitar 2000) dari aliran turbulen (di atas sekitar 4000). Gesekan sepanjang pipa menyebabkan kehilangan head Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Sambungan, katup, lubang masuk, dan lubang keluar menambah kerugian minor hm = ΣK·V²/(2g). Di antara dua permukaan reservoir terbuka, persamaan energi memberikan Δz = hf + hm, termasuk kerugian keluar K = 1.
Koefisien kerugian
f·L/D = 0,015·200/0,1 = 30
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 5 + 1,0 = 7,4
Persamaan energi
Kedua permukaan terbuka ke udara dan praktis diam, sehingga seluruh Δz hilang di dalam pipa.
Persamaan Manning (SI): untuk aliran seragam di saluran terbuka V = (1/n)·R2/3·S1/2 dan Q = A·V, dengan n koefisien kekasaran, S kemiringan dasar (m/m), dan R = A/P jari-jari hidrolik: luas aliran dibagi keliling basah. Hanya batas yang bersentuhan dengan air yang dihitung dalam P, bukan permukaan bebas. Persegi panjang: A = b·y, P = b + 2y. Trapesium dengan kemiringan sisi z:1 (horizontal:vertikal): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Pipa bulat yang mengalir penuh atau setengah penuh memiliki R = D/4.
Geometri
A = 0,2209 m², R = D/4 = 0,1875 m
Kecepatan
V = (1/0,013)·0,18752/3·0,00081/2 = 0,7127 m/s
Debit
Q = A·V = 0,2209·0,7127 = 0,1574 m³/s
Jawaban
Q = 0,1574 m³/s
22.Aliran saluran terbuka (Manning)
Jawaban: S = 0,001971 m/m
Persamaan Manning (SI): untuk aliran seragam di saluran terbuka V = (1/n)·R2/3·S1/2 dan Q = A·V, dengan n koefisien kekasaran, S kemiringan dasar (m/m), dan R = A/P jari-jari hidrolik: luas aliran dibagi keliling basah. Hanya batas yang bersentuhan dengan air yang dihitung dalam P, bukan permukaan bebas. Persegi panjang: A = b·y, P = b + 2y. Trapesium dengan kemiringan sisi z:1 (horizontal:vertikal): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Pipa bulat yang mengalir penuh atau setengah penuh memiliki R = D/4.
Geometri
A = (b + z·y)·y = (6 + 1,5·1,7)·1,7 = 14,54 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 6 + 2·1,7·√(1 + 1,5²) = 12,13 m
Daya pompa: daya yang diberikan kepada air adalah daya hidrolik Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Poros harus menyalurkan lebih banyak karena pompa mengalami rugi: Pshaft = Ph/ηpump, dan motor menarik Pel = Pshaft/ηmotor. Head pompa H diperoleh dari persamaan energi: tinggi angkat statis + head tekanan + semua kerugian gesekan dan minor.
Daya hidrolik
Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,15·18 = 26,49 kW
Efisiensi
η = Ph/Pshaft = 26,49/37,8 = 70,07%
Jawaban
η = 70,07%
24.Pompa & daya pompa
Jawaban: H = 8,148 m
Daya pompa: daya yang diberikan kepada air adalah daya hidrolik Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Poros harus menyalurkan lebih banyak karena pompa mengalami rugi: Pshaft = Ph/ηpump, dan motor menarik Pel = Pshaft/ηmotor. Head pompa H diperoleh dari persamaan energi: tinggi angkat statis + head tekanan + semua kerugian gesekan dan minor.
Kedua permukaan terbuka dan praktis diam, sehingga suku tekanan dan kecepatan hilang.
H = Δz + hL = 6 + 2,148 = 8,148 m
Jawaban
H = 8,148 m
25.Nilai waktu uang
Jawaban: PV = 14588 €
Nilai waktu uang: uang hari ini lebih berharga daripada jumlah yang sama nanti, karena dapat menghasilkan bunga. Dengan suku bunga i per periode, jumlah uang tumbuh menjadi FV = PV·(1 + i)n. Rangkaian pembayaran yang sama (anuitas) dinilai dengan menjumlahkan setiap pembayaran, sehingga diperoleh rumus anuitas.
Suku bunga dan jumlah periode
i = 0,06/12 = 0,005
N = 12·9 = 108
Nilai sekarang
PV = FV/(1 + i)N = 25 000/1,714 = €14 588,32
Jawaban
PV = €14 588,32
26.Nilai waktu uang
Jawaban: A = 830,4 €
Nilai waktu uang: uang hari ini lebih berharga daripada jumlah yang sama nanti, karena dapat menghasilkan bunga. Dengan suku bunga i per periode, jumlah uang tumbuh menjadi FV = PV·(1 + i)n. Rangkaian pembayaran yang sama (anuitas) dinilai dengan menjumlahkan setiap pembayaran, sehingga diperoleh rumus anuitas.
Nilai sekarang bersih: diskontokan setiap arus kas ke hari ini dengan tingkat pengembalian yang disyaratkan r, lalu jumlahkan: NPV = Σ CFₜ/(1 + r)ᵗ. Proyek dengan NPV > 0 menghasilkan lebih dari r dan menambah nilai. Tingkat pengembalian internal (IRR) adalah tingkat yang membuat NPV = 0.
Nilai sekarang setiap arus kas
CF0 = −60 000
CF1/(1 + 0,12)1 = 25 000/1,12 = 22 321,43
CF2/(1 + 0,12)2 = 29 000/1,254 = 23 118,62
CF3/(1 + 0,12)3 = 17 000/1,405 = 12 100,26
Jumlahkan
NPV = €−2 459,68
Jawaban
NPV = €−2 459,68
NPV negatif, jadi proyek menghasilkan kurang dari pengembalian yang disyaratkan.
28.NPV & IRR
Jawaban: IRR = 19,85 %
Nilai sekarang bersih: diskontokan setiap arus kas ke hari ini dengan tingkat pengembalian yang disyaratkan r, lalu jumlahkan: NPV = Σ CFₜ/(1 + r)ᵗ. Proyek dengan NPV > 0 menghasilkan lebih dari r dan menambah nilai. Tingkat pengembalian internal (IRR) adalah tingkat yang membuat NPV = 0.
Apit IRR dari dua sisi
NPV turun saat tingkat naik, jadi IRR terletak di antara tingkat dengan NPV positif dan tingkat dengan NPV negatif.
NPV(15%) = 4 080,71
NPV(20%) = −115,74
Persempit
Interpolasi linear memberi perkiraan awal; mengulanginya (atau fungsi IRR kalkulator) memberi tingkat yang tepat.
Distribusi normal: ubah nilai x menjadi skor z, z = (x − μ)/σ, yang menghitung berapa simpangan baku dari rata-rata. Tabel z (atau Φ(z)) memberikan luas di sebelah kiri z, yaitu P(X < x). Luas di sebelah kanan adalah 1 − Φ(z), dan luas di antara dua nilai adalah selisih kedua luasnya.
Skor z
z₁ = (82,75 − 100)/15 = −1,15
z₂ = (112,75 − 100)/15 = 0,85
Luas di antara
P = Φ(0,85) − Φ(−1,15) = 0,8023 − 0,1251 = 0,6773
Jawaban
P = 0,6773
30.Distribusi normal
Jawaban: P = 0,8133
Jumlah dan selisih variabel normal: jika X dan Y saling bebas dan normal, maka X + Y dan X − Y juga normal. Rata-rata dijumlahkan atau dikurangkan: E(X ± Y) = μX ± μY. Variansi selalu dijumlahkan, juga untuk selisih: Var(X ± Y) = σX² + σY², sehingga σ = √(σX² + σY²). Simpangan baku tidak pernah dijumlahkan secara langsung. Total n butir yang saling bebas dan berdistribusi sama memiliki rata-rata n·μ dan simpangan baku σ·√n. Lalu standarkan seperti biasa: z = (x − rata-rata)/σ dan baca Φ(z).
Distribusi selisih
μ = 25,02 − 25 = 0,02 mm, σ = 0,02236 mm
Standarkan
z = (0 − 0,02)/0,02236 = −0,89
Peluang
P = 1 − Φ(−0,89) = 0,8133
Jawaban
P = 0,8133
Ini adalah materi latihan independen. ExamProblems tidak berafiliasi dengan atau didukung oleh organisasi penyelenggara ujian ini, dan nama ujian hanya digunakan untuk menggambarkan isinya. FE exam diselenggarakan oleh NCEES, yang tidak berafiliasi dengan ExamProblems dan tidak mendukungnya.