laminair onder Re ≈ 2000, turbulent boven Re ≈ 4000
Gemiddelde snelheid
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Plaatselijke verliezen
hm = ΣK·V²/(2g)
Gangbare K-waarden
intrede 0,5, uittrede 1,0, bocht van 90° ≈ 0,3
Drukval
Δp = ρ·g·hf
Twee open reservoirs
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Vrije uitstroming
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Stroming in open waterlopen (Manning)
Formule van Manning
V = (1/n)·R2/3·S1/2
Debiet
Q = A·V
Hydraulische straal
R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
Rechthoek
A = b·y, P = b + 2y
Trapezium (taludhelling z:1)
A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
Ronde buis, vol of half vol
R = D/4
Benodigd verhang
S = (n·Q/(A·R2/3))²
Pompen en pompvermogen
Hydraulisch vermogen
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Asvermogen
Pshaft = Ph/ηpump
Elektrisch vermogen
Pel = Pshaft/ηmotor
Opvoerhoogte van de pomp
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Systeemverliezen
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Tijdswaarde van geld
Eindwaarde
FV = PV·(1 + i)n
Contante waarde
PV = FV/(1 + i)n
Meerdere perioden per jaar
i = r/m, N = m·n
Annuïteit, contante waarde
PV = PMT·[1 − (1 + i)−n]/i
Annuïteit, eindwaarde
FV = PMT·[(1 + i)n − 1]/i
Methode
Teken een tijdlijn met elke kasstroom en het moment waarop die valt.
Laat de rente aansluiten bij de periode: een maandrente voor maandelijkse betalingen.
Gebruik FV = PV·(1 + i)ⁿ voor losse bedragen en de annuïteitenformules voor gelijke betalingen.
Controleer het teken en de orde van grootte van het antwoord.
NCW & IRR
Netto contante waarde
NPV = −C0 + Σ CFt/(1 + r)t
Gelijke kasstromen
NPV = −C0 + CF·[1 − (1 + r)−n]/r
Interne rentevoet
de r waarbij NPV = 0
Beslissing
accepteren als NPV > 0 (of IRR > vereist rendement)
Methode
Zet alle kasstromen met hun jaar op een rij; de investering in jaar 0 is negatief.
Disconteer elke kasstroom: CFt/(1 + r)t.
Tel ze op om de NCW te krijgen. Positief betekent dat het project meer oplevert dan r.
Zoek voor de IRR de rente waarbij de NCW nul wordt, door proberen of interpoleren.
Normale verdeling
z-score
z = (x − μ)/σ
Onder x
P(X < x) = Φ(z)
Boven x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
Tussen
Φ(z2) − Φ(z1)
Percentiel
x = μ + z·σ
Methode
Reken de waarde om naar een z-score: z = (x − μ)/σ.
Zoek Φ(z) op, het oppervlak links van z.
Gebruik voor het oppervlak rechts 1 − Φ(z); trek voor een interval de twee linkeroppervlakken van elkaar af.
Werk voor een percentiel terug: zoek z bij het oppervlak, dan x = μ + z·σ.
2Oefenopgaven
1.Oplegreacties van balkenGemiddeld
De vrij opgelegde balk (scharnier in A, rol in B) draagt een lineair verlopende belasting die afloopt van 15 kN/m in A tot nul in B. Vind de verticale oplegreactie RA.
L = 6 mw0 = 15 kN/m
RA = kN
2.Oplegreacties van balkenMoeilijk
Een samengestelde balk is in A in de muur ingeklemd, heeft een inwendig scharnier in C (3,5 m van A) en rust op een rol in D (6 m van A). Hij draagt een puntlast P op 4 m van A en een puntlast Q op 1,5 m van A. Vind de reactie RD bij de rol.
AC = 3,5 mAD = 6 mP = 65 kN op 4 mQ = 50 kN op 1,5 m
RD = kN
3.Vakwerk: knopenmethodeGemiddeld
Gebruik de knopenmethode om de kracht FAC in staaf AC te vinden. Geef trek als positief en druk als negatief.
overspanning = 6 mhoogte = 2 mB ligt 2 m van Averticale belasting = 45 kN
FAC = kN
4.Vakwerk: knopenmethodeMoeilijk
Gebruik de knopenmethode om de kracht FAB in staaf AB te vinden. Geef trek als positief en druk als negatief.
overspanning = 8 mhoogte = 2 mB ligt 6 m van Averticale belasting = 30 kNhorizontale belasting = 20 kN ←
FAB = kN
5.Dwarskracht en buigend momentGemiddeld
Vind het buigend moment Mx in de doorsnede x = 4 m vanaf oplegging A. Neem doorbuigende (sagging) momenten positief en een opwaartse dwarskracht op het linkervlak positief.
L = 5 mw = 3 kN/m van 0 tot 5 mx = 4 m
Mx = kN·m
6.Dwarskracht en buigend momentMoeilijk
Vind het buigend moment Mx in de doorsnede x = 2 m vanaf oplegging A. Neem doorbuigende (sagging) momenten positief en een opwaartse dwarskracht op het linkervlak positief.
L = 5 mP = 45 kN op 2 mw = 10 kN/m van 0 tot 5 mx = 2 m
Mx = kN·m
7.Doorbuiging van de balkGemiddeld
Een uitkragende ligger met lengte L is ingeklemd in A en draagt een puntlast P op een afstand a = 2 m vanaf A. Vind de doorbuiging δB aan het vrije uiteinde B.
P = 15 kNa = 2 mL = 2,5 mE = 200 GPa (staal)I = 160 × 10⁶ mm⁴
δB = mm
8.Doorbuiging van de balkMoeilijk
Een ingeklemde ligger is ingeklemd in A en vrij opgelegd (gesteund) in B. Hij draagt een puntlast P in het midden. EI is constant. Vind de grootte van het buigend moment MA bij de inklemming.
L = 5 mP = 20 kN op 2,5 m
MA = kN·m
9.Knik van kolommenGemiddeld
Een kolom met lengte L van aluminium is onderaan ingeklemd en bovenaan vrij. Vind met de formule van Euler de kritieke knikbelasting Pcr.
L = 2,5 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 25 × 60 mm
Pcr = kN
10.Knik van kolommenMoeilijk
Een massieve ronde kolom met lengte L van staal is onderaan ingeklemd en bovenaan vrij. Hij moet 140 kN dragen met een veiligheidsfactor van 2 tegen knik. Vind de kleinste diameter d.
P = 140 kNn = 2L = 1,5 mE = 200 GPa (staal)
d = mm
11.Zwaartepunt en traagheidsmomentGemiddeld
Een U-profiel ligt met de open kant naar boven: een bodemplaat van 240 mm breed met twee opstaande benen, 170 mm hoog in totaal. Bodem en benen zijn allemaal 16 mm dik. Vind de hoogte ȳ van het zwaartepunt boven de onderrand.
b = 240 mmh = 170 mmt = 16 mm
ȳ = mm
12.Zwaartepunt en traagheidsmomentMoeilijk
Een plaat van 150 mm × 300 mm heeft een rechthoekige uitsparing van 50 mm breed en 30 mm hoog, gecentreerd op de verticale hartlijn met zijn middelpunt 90 mm boven de onderkant. Bepaal het kwadratisch oppervlaktemoment Ix om de horizontale as door het zwaartepunt.
b = 150 mmh = 300 mmuitsparing: 50 × 30 mmmiddelpunt van het gat: y = 90 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
13.Effectieve spanning in grondGemiddeld
Vind voor het getoonde grondprofiel de totale verticale spanning σ in punt X.
Een overgeconsolideerde kleilaag van 4,5 m dik heeft Cc = 0,4, Cr = 0,06 en e₀ = 0,7. Halverwege de laag is de effectieve verticale spanning 75 kPa en de overconsolidatiegraad is OCR = 2. Een nieuw gebouw voegt halverwege de laag 140 kPa verticale spanning toe. Vind de primaire consolidatiezetting S in mm.
Een kleilaag van 9,5 m dik heeft een consolidatiecoëfficiënt cv = 4 m²/jaar. Ze ligt tussen twee zandlagen, dus water draineert aan de boven- en onderkant weg. Voor 60% gemiddelde consolidatie is de tijdfactor Tv = 0,287. Hoeveel jaar t heeft de laag nodig om 60% consolidatie te bereiken?
Een verticale rechthoekige schuif van 3 m breed zit in de wand van een tank met water, met de bovenrand 1 m onder het oppervlak. Vind de resulterende hydrostatische kracht F op de schuif.
Een verticale rechthoekige schuif van 2 m breed zit in de wand van een tank met glycerine, met de bovenrand 1 m onder het oppervlak. Vind de diepte ycp van het drukpunt onder het oppervlak.
Water stroomt met een gemiddelde snelheid van 2,2 m/s door een leiding van 100 m lang met een binnendiameter van 100 mm. Gebruik de Darcy-wrijvingsfactor f = 0,015 en g = 9,81 m/s². Vind het wrijvingsverlies hf.
Een leiding van 100 m lang met een binnendiameter van 200 mm (Darcy-wrijvingsfactor f = 0,018) loopt vanuit een open reservoir en stroomt als vrije straal uit in de lucht. De plaatselijke verliezen zijn een scherpe intrede (K = 0,5), 4 bochten (K = 0,3 per stuk) en een afsluiter (K = 10). Gebruik g = 9,81 m/s². Hoe hoog H moet het reservoiroppervlak boven de uitstroomopening liggen voor een debiet van 50 L/s?
Een trapeziumvormig kanaal van metselwerk heeft een bodembreedte van 5,5 m en taluds van 2:1 (horizontaal:verticaal). Water stroomt eenparig 1,7 m diep. Manning-n = 0,015 en het bodemverhang is S = 0,001. Vind het debiet Q in m³/s.
b = 5,5 my = 1,7 mz = 2n = 0,015S = 0,001
Q = m³/s
22.Stroming in open waterlopen (Manning)Moeilijk
Een rechthoekig kanaal van grond met grasbekleding, 4 m breed, moet 7,2 m³/s afvoeren bij eenparige stroming met een diepte van 2,3 m. Manning-n = 0,03. Vind het benodigde bodemverhang S (in m/m).
Q = 7,2 m³/sb = 4 my = 2,3 mn = 0,03
S = m/m
23.Pompen en pompvermogenGemiddeld
Bij een test levert een pomp 100 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) tegen een opvoerhoogte van 32 m, terwijl de as 43,6 kW opneemt. Gebruik g = 9,81 m/s². Vind het pomprendement η in procent.
Q = 100 L/sH = 32 mPshaft = 43,6 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompen en pompvermogenMoeilijk
Een pomp verplaatst 80 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) van een open lager reservoir naar een hoger gelegen tank waarvan het wateroppervlak 22 m hoger ligt. De leiding is 150 m lang met een binnendiameter van 200 mm en een Darcy-wrijvingsfactor f = 0,015; de coëfficiënten voor plaatselijke verliezen tellen op tot ΣK = 5 (intrede en uittrede inbegrepen). Gebruik g = 9,81 m/s². Vind de opvoerhoogte H die de pomp moet toevoegen.
Een vastgoedobject levert volgend jaar naar verwachting €2 000 netto huur op. De huur groeit naar verwachting voor altijd met 3 % per jaar. Het vereiste rendement is 8 % per jaar. Bereken de waarde PV van het object vandaag.
C1 = €2 000g = 3%r = 8%
PV = €
26.Tijdswaarde van geldMoeilijk
Een lening van €200 000 wordt in 20 jaar afgelost met gelijke maandbedragen tegen 3,6 % per jaar, maandelijks samengesteld. Hoeveel rente I wordt er in totaal over de looptijd van de lening betaald?
P = €200 0003,6% / 12N = 240
I = €
27.NCW & IRRGemiddeld
Een project kost vandaag €30 000 en levert 4 jaar lang aan het eind van elk jaar €10 500 op. De vermogenskosten zijn 5 %. Neem aan dat de kasstromen gelijkmatig over elk jaar binnenkomen. Bereken de verdisconteerde terugverdientijd DPB in jaren.
Een project kost €25 000 en levert aan het eind van jaar 1 tot en met 3 €9 000, €18 000, €16 500 op. Bereken de interne rentabiliteit IRR in procenten.
CF0 = −25 000CF1 = 9 000CF2 = 18 000CF3 = 16 500
IRR = %
29.Normale verdelingGemiddeld
X is normaal verdeeld met gemiddelde 120 mm en standaardafwijking 0,3 mm; Y is onafhankelijk en normaal verdeeld met gemiddelde 80 mm en standaardafwijking 0,4 mm. Bepaal de kans P dat X + Y groter is dan 201 mm. Rond z af op twee decimalen.
μX = 120, σX = 0,3μY = 80, σY = 0,4X + Y > 201 mm
P =
30.Normale verdelingMoeilijk
De lengtes X van mannen en Y van vrouwen in een groep zijn onafhankelijk en normaal verdeeld: X heeft gemiddelde 180 cm en standaardafwijking 10 cm, Y heeft gemiddelde 170 cm en standaardafwijking 12 cm. Bepaal de kans P dat X groter is dan Y. Rond z af op twee decimalen.
μX = 180 cm, σX = 10 cmμY = 170 cm, σY = 12 cm
P =
3Oplossingen
1.Oplegreacties van balken
Antwoord: RA = 30 kN
Statisch evenwicht: een lichaam in rust heeft ΣFx = 0, ΣFy = 0 en ΣM = 0 om elk punt. Vervang elke verdeelde belasting door haar resultante (de oppervlakte) die aangrijpt in het zwaartepunt van het belastingsdiagram, en neem momenten om een oplegging om de reactie van die oplegging uit de vergelijking te halen.
Resultante van de driehoeksbelasting
W = ½·15·6 = 45 kN
x̄ = L/3 = 2 m
Evenwicht
Momenten om A, tegen de klok in positief. Daarna het verticale krachtenevenwicht.
ΣMA = 0: RB·6 = 45·2
RB = 15 kN
RA = 45 − 15 = 30 kN
Antwoord
RA = 30 kN
2.Oplegreacties van balken
Antwoord: RD = 13 kN
Statisch evenwicht: een lichaam in rust heeft ΣFx = 0, ΣFy = 0 en ΣM = 0 om elk punt. Vervang elke verdeelde belasting door haar resultante (de oppervlakte) die aangrijpt in het zwaartepunt van het belastingsdiagram, en neem momenten om een oplegging om de reactie van die oplegging uit de vergelijking te halen. Een inwendig scharnier kan geen buigend moment dragen, wat één extra vergelijking geeft: het moment om het scharnier van de krachten aan één kant is nul.
Deel CD
Het scharnier heeft geen moment, dus de momenten om C op alleen CD moeten in evenwicht zijn.
ΣMC = 0: RD·2,5 = 65·0,5
RD = 13 kN
VC = 65 − 13 = 52 kN
Antwoord
RD = 13 kN
3.Vakwerk: knopenmethode
Antwoord: FAC = 30 kN
Knopenmethode: elke knoop van een vakwerk is in evenwicht, dus ΣFx = 0 en ΣFy = 0 in elke knoop. Begin bij een knoop met hoogstens twee onbekende staafkrachten. Een negatief resultaat betekent dat de staaf op druk staat.
Oplegreacties
Evenwicht van het hele vakwerk. Momenten om A, tegen de klok in positief.
ΣMA = 0: Cy·6 = 45·2 → Cy = 15 kN
ΣFy = 0: Ay = 45 − 15 = 30 kN
Knoop C
De rol geeft alleen een verticale reactie, dus knoop C heeft maar twee onbekende staafkrachten. Neem aan dat beide op trek staan.
sin γ = 2/4,472 = 0,4472, cos γ = 4/4,472 = 0,8944
Knopenmethode: elke knoop van een vakwerk is in evenwicht, dus ΣFx = 0 en ΣFy = 0 in elke knoop. Begin bij een knoop met hoogstens twee onbekende staafkrachten. Een negatief resultaat betekent dat de staaf op druk staat.
Oplegreacties
Evenwicht van het hele vakwerk. Momenten om A, tegen de klok in positief.
ΣMA = 0: Cy·8 = 30·6 − 20·2 → Cy = 17,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 30 − 17,5 = 12,5 kN
ΣFx = 0: Ax = 20 kN
Knoop A
Neem aan dat elke staaf op trek staat (trekt van de knoop af). Alleen AB heeft een verticale component in A.
sin α = 2/6,325 = 0,3162
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −12,5/0,3162 = −39,53 kN
Antwoord
FAB = −39,53 kN (druk)
5.Dwarskracht en buigend moment
Antwoord: Mx = 6 kN·m
Snedemethode: snijd de balk door waar je de inwendige krachten wilt weten en houd één kant over. De dwarskracht V houdt de verticale krachten op die kant in evenwicht, en het buigend moment M hun momenten om de snede.
Oplegreacties
Evenwicht van de hele balk.
Resultante van de verdeelde belasting: W = w·ℓ = 3·5 = 15 kN, aangrijpend op x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 3·5·2,5
RB = 37,5/5 = 7,5 kN
ΣFy = 0: RA = 15 − 7,5 = 7,5 kN
Snijd bij x = 4 m en houd het linkerdeel over
Alleen krachten links van de snede tellen mee. Een stuk verdeelde belasting werkt als één kracht in het midden van dat stuk.
M = RA·x − (elke belasting links van de snede × de afstand tot de snede)
Mx = 7,5·4 − 3·4·2 = 6 kN·m
Antwoord
Mx = 6 kN·m
6.Dwarskracht en buigend moment
Antwoord: Mx = 84 kN·m
Snedemethode: snijd de balk door waar je de inwendige krachten wilt weten en houd één kant over. De dwarskracht V houdt de verticale krachten op die kant in evenwicht, en het buigend moment M hun momenten om de snede.
Oplegreacties
Evenwicht van de hele balk.
Resultante van de verdeelde belasting: W = w·ℓ = 10·5 = 50 kN, aangrijpend op x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 45·2 + 10·5·2,5
RB = 215/5 = 43 kN
ΣFy = 0: RA = 95 − 43 = 52 kN
Snijd bij x = 2 m en houd het linkerdeel over
Alleen krachten links van de snede tellen mee. Een stuk verdeelde belasting werkt als één kracht in het midden van dat stuk.
M = RA·x − (elke belasting links van de snede × de afstand tot de snede)
Mx = 52·2 − 10·2·1 = 84 kN·m
Antwoord
Mx = 84 kN·m
7.Doorbuiging van de balk
Antwoord: δB = 1,719 mm
Doorbuiging van balken: doorbuigingen volgen uit het twee keer integreren van de kromming M/(EI). Standaardgevallen staan in tabellen, bijvoorbeeld PL³/(3EI) voor een uitkragende ligger met een eindlast en 5wL⁴/(384EI) voor een vrij opgelegde balk onder een volledige gelijkmatige belasting. Doorbuigingen door afzonderlijke belastingen tellen op (superpositie).
Consistente eenheden
Werk in N en mm: P in N, w in N/mm (kN/m = N/mm), L in mm, E in N/mm² (GPa × 1000), I in mm⁴.
P = 15000 N, a = 2000 mm, L = 2500 mm
EI = 3,2 × 10¹³ N·mm²
Doorbuiging aan het vrije uiteinde
Doorbuiging bij de last plus de hoekverdraaiing bij de last maal de resterende lengte.
δP = Pa³/(3EI) = 1,25 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0,0009375 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 1,719 mm
Antwoord
δB = 1,719 mm
8.Doorbuiging van de balk
Antwoord: MA = 18,75 kN·m
Doorbuiging van balken: doorbuigingen volgen uit het twee keer integreren van de kromming M/(EI). Standaardgevallen staan in tabellen, bijvoorbeeld PL³/(3EI) voor een uitkragende ligger met een eindlast en 5wL⁴/(384EI) voor een vrij opgelegde balk onder een volledige gelijkmatige belasting. Doorbuigingen door afzonderlijke belastingen tellen op (superpositie). Haal bij een statisch onbepaalde balk een overtollige oplegging weg en eis dat de doorbuiging daar nul is (vormveranderingsvoorwaarde).
Haal de steunoplegging weg
Zonder de steunoplegging is de balk een uitkragende ligger. Het vrije uiteinde zou onder de belasting doorbuigen.
δload = P(L/2)²(3L − L/2)/(6EI) = 5PL³/(48EI)
Vormveranderingsvoorwaarde bij de steunoplegging
De steunkracht RB alleen tilt het vrije uiteinde op met RBL³/(3EI). De steunoplegging houdt B op nul doorbuiging, dus de twee moeten elkaar opheffen. EI valt weg.
Momenten om A van de belastingen en de steunkracht.
MA = P·L/2 − RB·L = 50 − 31,25 = 18,75 kN·m
Antwoord
MA = 18,75 kN·m
9.Knik van kolommen
Antwoord: Pcr = 2,159 kN
Knik volgens Euler: een slanke kolom wordt instabiel bij Pcr = π²EI/(KL)², waarbij KL de kniklengte is: K = 1 voor scharnier–scharnier, 2 voor ingeklemd–vrij, 0,7 voor ingeklemd–scharnier en 0,5 voor ingeklemd–ingeklemd. De kolom knikt om de as met de kleinste I. De formule geldt voor slanke kolommen, waarvan de kritieke spanning onder de vloeigrens blijft.
Kleinste traagheidsmoment
Een rechthoek knikt om zijn zwakke as, met de kleinste afmeting tot de derde macht.
Knik volgens Euler: een slanke kolom wordt instabiel bij Pcr = π²EI/(KL)², waarbij KL de kniklengte is: K = 1 voor scharnier–scharnier, 2 voor ingeklemd–vrij, 0,7 voor ingeklemd–scharnier en 0,5 voor ingeklemd–ingeklemd. De kolom knikt om de as met de kleinste I. De formule geldt voor slanke kolommen, waarvan de kritieke spanning onder de vloeigrens blijft.
Benodigde kritieke belasting
Pcr = n·P = 2·140000 = 280000 N
KL = 2·1500 = 3000 mm
Los op naar de diameter
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·280000·3000²/(π³·200000))^(1/4) = 71,41 mm
Antwoord
d = 71,41 mm
Controle: de slankheid KL/r is 168, dus de kolom is slank en Euler geldt.
11.Zwaartepunt en traagheidsmoment
Antwoord: ȳ = 55,77 mm
Samengestelde doorsneden: verdeel de doorsnede in rechthoeken. Het zwaartepunt is het oppervlaktegewogen gemiddelde ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Het traagheidsmoment om de zwaartepuntsas telt voor elk deel de eigen bh³/12 en de Steinerterm A·d² op, waarbij d de afstand is van het zwaartepunt van het deel tot het totale zwaartepunt. De buigspanning is σ = M·y/I.
Verdeel in rechthoeken
Neem de bodem over de volle breedte en de twee benen daarboven (hoogte h − t), zodat niets dubbel geteld wordt.
basis: A1 = 240·16 = 3840 mm², y1 = 8 mm
twee benen: A2 = 2·16·154 = 4928 mm², y2 = 16 + 154/2 = 93 mm
Zwaartepunt
ȳ = (3840·8 + 4928·93)/8768 = 55,77 mm
Antwoord
ȳ = 55,77 mm
12.Zwaartepunt en traagheidsmoment
Antwoord: Ix = 331,8 × 10⁶ mm⁴
Doorsneden met gaten: behandel een gat als een negatief oppervlak. Het zwaartepunt is ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), met A₁, y₁ voor de volle plaat en A₂, y₂ voor het gat. Gebruik voor het kwadratisch oppervlaktemoment om de zwaartelijn de stelling van Steiner voor elk deel en trek het gat af: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), waarbij d de afstand is van het eigen zwaartepunt van elk deel tot de as door ȳ. Een rechthoek heeft Ic = bh³/12 en een cirkel Ic = πd⁴/64.
Zwaartepunt
ȳ = (45000·150 − 1500·90)/(45000 − 1500) = 152,1 mm
Volle plaat om ȳ
150·300³/12 + 45000·−2,069² = 337,7 × 10⁶ mm⁴
Gat om ȳ
50·30³/12 + 1500·−62,07² = 5,891 × 10⁶ mm⁴
Trek af
Ix = 331,8 × 10⁶ mm⁴
Antwoord
Ix = 331,8 × 10⁶ mm⁴
13.Effectieve spanning in grond
Antwoord: σ = 155 kPa
Effectieve spanning (Terzaghi): het korrelskelet draagt σ′ = σ − u. De totale spanning σ is het gewicht van alles boven het punt, Σγ·h, met het droge volumegewicht boven de grondwaterstand en het verzadigde eronder. Onder de grondwaterstand is de waterspanning hydrostatisch: u = γw·(diepte onder de grondwaterstand).
Totale spanning
Tel het gewicht op van elke grondlaag boven X. Boven de grondwaterstand gebruik je het droge volumegewicht, eronder het verzadigde.
σ = γd·zw + γsat·(z − zw) = 15·4 + 19·5 = 155 kPa
Antwoord
σ = 155 kPa
14.Effectieve spanning in grond
Antwoord: σ′ = 116 kPa
Effectieve spanning (Terzaghi): het korrelskelet draagt σ′ = σ − u. De totale spanning σ is het gewicht van alles boven het punt, Σγ·h, met het droge volumegewicht boven de grondwaterstand en het verzadigde eronder. Onder de grondwaterstand is de waterspanning hydrostatisch: u = γw·(diepte onder de grondwaterstand).
Totale spanning
Tel het gewicht op van elke grondlaag boven X. Boven de grondwaterstand gebruik je het droge volumegewicht, eronder het verzadigde.
σ = γd·4 + γsat,sand·2 + γsat,clay·3,5
σ = 16,5·4 + 20,5·2 + 18·3,5 = 170 kPa
Waterspanning
De waterdruk neemt toe met de diepte onder de grondwaterstand.
u = γw·(z − zw) = 9,81·5,5 = 53,96 kPa
Effectieve spanning
σ′ = σ − u = 170 − 53,96 = 116 kPa
Antwoord
σ′ = 116 kPa
15.Consolidatiezetting
Antwoord: S = 213,4 mm
Primaire consolidatie van een kleilaag met dikte H, met de effectieve spanning in het midden van de laag: σ′f = σ′0 + Δσ. Normaal geconsolideerde klei: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Overgeconsolideerde klei wordt langs Cr opnieuw samengedrukt tot de voorbelastingsspanning σ′p en volgt pas daarboven Cc. Tijd: t = Tv·Hdr²/cv, waarbij de drainageweg Hdr gelijk is aan H/2 als water boven en onder kan wegstromen, en aan H als maar één kant draineert.
Voorbelastingsspanning
σ′p = OCR·σ′0 = 2·75 = 150 kPa
Vergelijk met de voorbelastingsspanning
σ′f = 75 + 140 = 215 kPa > 150 kPa
Zetting
Herbelasting tot σ′p, maagdelijke samendrukking daarboven.
S = 0,06·4,5/(1 + 0,7)·log₁₀(150/75) + 0,4·4,5/(1 + 0,7)·log₁₀(215/150)
S = 47,81 + 165,5 = 213,4 mm
Antwoord
S = 213,4 mm
16.Consolidatiezetting
Antwoord: t = 1,619 jaar
Primaire consolidatie van een kleilaag met dikte H, met de effectieve spanning in het midden van de laag: σ′f = σ′0 + Δσ. Normaal geconsolideerde klei: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Overgeconsolideerde klei wordt langs Cr opnieuw samengedrukt tot de voorbelastingsspanning σ′p en volgt pas daarboven Cc. Tijd: t = Tv·Hdr²/cv, waarbij de drainageweg Hdr gelijk is aan H/2 als water boven en onder kan wegstromen, en aan H als maar één kant draineert.
Drainageweg
Hdr = H/2 = 9,5/2 = 4,75 m
Tijd
t = Tv·Hdr²/cv = 0,287·4,75²/4 = 1,619 jaar
Antwoord
t = 1,619 jaar
17.Hydrostatische kracht
Antwoord: F = 165,5 kN
Hydrostatische kracht op een vlak oppervlak: F = ρ·g·yc·A. De kracht grijpt aan in het drukpunt, ycp = yc + Ic/(ycA), dat altijd onder het zwaartepunt ligt.
Diepte van het zwaartepunt en oppervlakte
yc = d + H/2 = 1 + 2,5/2 = 2,25 m
A = H·b = 2,5·3 = 7,5 m²
Resulterende kracht
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,25·7,5 = 165,5 kN
Antwoord
F = 165,5 kN
18.Hydrostatische kracht
Antwoord: ycp = 2,481 m
Hydrostatische kracht op een vlak oppervlak: F = ρ·g·yc·A. De kracht grijpt aan in het drukpunt, ycp = yc + Ic/(ycA), dat altijd onder het zwaartepunt ligt.
Diepte van het zwaartepunt en oppervlakte
yc = d + H/2 = 1 + 2,5/2 = 2,25 m
A = H·b = 2,5·2 = 5 m²
Resulterende kracht
F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·2,25·5 = 139,1 kN
Drukpunt
De druk neemt toe met de diepte, dus de resultante grijpt aan onder het zwaartepunt.
Leidingstroming: het getal van Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ onderscheidt laminaire stroming (Re onder ongeveer 2000) van turbulente stroming (boven ongeveer 4000). Wrijving langs een leiding kost het drukhoogteverlies volgens Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Hulpstukken, afsluiters, de intrede en de uittrede geven plaatselijke verliezen hm = ΣK·V²/(2g). Tussen twee open reservoiroppervlakken geeft de energievergelijking Δz = hf + hm, inclusief het uittredeverlies K = 1.
Snelheidshoogte
V²/(2g) = 2,2²/(2·9,81) = 0,2467 m
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(100/0,1)·2,2²/(2·9,81) = 3,7 m
Antwoord
hf = 3,7 m
20.Leidingwrijving en drukhoogteverlies
Antwoord: H = 2,802 m
Leidingstroming: het getal van Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ onderscheidt laminaire stroming (Re onder ongeveer 2000) van turbulente stroming (boven ongeveer 4000). Wrijving langs een leiding kost het drukhoogteverlies volgens Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Hulpstukken, afsluiters, de intrede en de uittrede geven plaatselijke verliezen hm = ΣK·V²/(2g). Tussen twee open reservoiroppervlakken geeft de energievergelijking Δz = hf + hm, inclusief het uittredeverlies K = 1.
Snelheid
V = Q/A = 0,05/0,03142 = 1,592 m/s
V²/(2g) = 0,1291 m
Verliescoëfficiënten
f·L/D = 0,018·100/0,2 = 9
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 = 11,7
Energievergelijking
De uitstromende straal heeft nog zijn snelheidshoogte; dat is geen verlies, maar die moet wel geleverd worden.
H = (1 + 9 + 11,7)·0,1291 = 2,802 m
Antwoord
H = 2,802 m
21.Stroming in open waterlopen (Manning)
Antwoord: Q = 35,11 m³/s
Formule van Manning (SI): voor eenparige stroming in een open waterloop geldt V = (1/n)·R2/3·S1/2 en Q = A·V, met n de ruwheidscoëfficiënt, S het bodemverhang (m/m) en R = A/P de hydraulische straal: doorstroomoppervlak gedeeld door natte omtrek. Alleen de wand die contact maakt met het water telt mee in P, niet het vrije oppervlak. Rechthoek: A = b·y, P = b + 2y. Trapezium met taluds z:1 (horizontaal:verticaal): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Een ronde buis die vol of half vol stroomt heeft R = D/4.
Geometrie
A = (b + z·y)·y = (5,5 + 2·1,7)·1,7 = 15,13 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 5,5 + 2·1,7·√(1 + 2²) = 13,1 m
R = A/P = 1,155 m
Snelheid
V = (1/0,015)·1,1552/3·0,0011/2 = 2,32 m/s
Debiet
Q = A·V = 15,13·2,32 = 35,11 m³/s
Antwoord
Q = 35,11 m³/s
22.Stroming in open waterlopen (Manning)
Antwoord: S = 0,0005038 m/m
Formule van Manning (SI): voor eenparige stroming in een open waterloop geldt V = (1/n)·R2/3·S1/2 en Q = A·V, met n de ruwheidscoëfficiënt, S het bodemverhang (m/m) en R = A/P de hydraulische straal: doorstroomoppervlak gedeeld door natte omtrek. Alleen de wand die contact maakt met het water telt mee in P, niet het vrije oppervlak. Rechthoek: A = b·y, P = b + 2y. Trapezium met taluds z:1 (horizontaal:verticaal): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Een ronde buis die vol of half vol stroomt heeft R = D/4.
Pompvermogen: het vermogen dat aan het water wordt gegeven is het hydraulisch vermogen Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. De as moet meer leveren omdat de pomp verliezen heeft: Pshaft = Ph/ηpump, en de motor neemt Pel = Pshaft/ηmotor op. De opvoerhoogte H volgt uit de energievergelijking: statische opvoerhoogte + drukhoogte + alle wrijvings- en plaatselijke verliezen.
Hydraulisch vermogen
Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,1·32 = 31,39 kW
Rendement
η = Ph/Pshaft = 31,39/43,6 = 72%
Antwoord
η = 72%
24.Pompen en pompvermogen
Antwoord: H = 27,37 m
Pompvermogen: het vermogen dat aan het water wordt gegeven is het hydraulisch vermogen Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. De as moet meer leveren omdat de pomp verliezen heeft: Pshaft = Ph/ηpump, en de motor neemt Pel = Pshaft/ηmotor op. De opvoerhoogte H volgt uit de energievergelijking: statische opvoerhoogte + drukhoogte + alle wrijvings- en plaatselijke verliezen.
Beide oppervlakken zijn open en praktisch in rust, dus de druk- en snelheidstermen vallen weg.
H = Δz + hL = 22 + 5,371 = 27,37 m
Antwoord
H = 27,37 m
25.Tijdswaarde van geld
Antwoord: PV = 40000 €
Tijdswaarde van geld: geld vandaag is meer waard dan hetzelfde bedrag later, omdat het rente kan opbrengen. Bij een rente i per periode groeit een bedrag tot FV = PV·(1 + i)n. Een reeks gelijke betalingen (een annuïteit) waardeer je door alle betalingen op te tellen; daaruit volgen de annuïteitenformules.
Tijdswaarde van geld: geld vandaag is meer waard dan hetzelfde bedrag later, omdat het rente kan opbrengen. Bij een rente i per periode groeit een bedrag tot FV = PV·(1 + i)n. Een reeks gelijke betalingen (een annuïteit) waardeer je door alle betalingen op te tellen; daaruit volgen de annuïteitenformules.
Terugverdientijd: de tijd tot de cumulatieve kasstromen de initiële investering hebben terugbetaald. Aangenomen wordt dat het geld gelijkmatig over elk jaar binnenkomt, dus het laatste deel is een fractie van een jaar. De eenvoudige terugverdientijd negeert de tijdswaarde van geld; de verdisconteerde terugverdientijd gebruikt in plaats daarvan de contant gemaakte kasstromen.
Contant gemaakte en cumulatieve kasstromen
jaar 1: 10 500/1,05 = 10 000,00 → Σ = 10 000,00
jaar 2: 10 500/1,103 = 9 523,81 → Σ = 19 523,81
jaar 3: 10 500/1,158 = 9 070,29 → Σ = 28 594,10
jaar 4: 10 500/1,216 = 8 638,38 → Σ = 37 232,48
Fractie van het laatste jaar
DPB = 3 + 1 405,90/8 638,38 = 3,163
Antwoord
DPB = 3,163 jaar
De verdisconteerde terugverdientijd is altijd langer dan de eenvoudige terugverdientijd (2,857 jaar).
28.NCW & IRR
Antwoord: IRR = 30,22 %
Netto contante waarde: zet elke kasstroom met het vereiste rendement r terug naar vandaag en tel ze op: NPV = Σ CFₜ/(1 + r)ᵗ. Een project met NPV > 0 verdient meer dan r en voegt waarde toe. De interne rentabiliteit (IRR) is de rente waarbij NPV = 0.
De IRR insluiten
De NCW daalt als de rente stijgt, dus de IRR ligt tussen een rente met positieve en een met negatieve NCW.
NPV(30%) = 84,21
NPV(35%) = −1 750,50
Verfijnen
Lineair interpoleren geeft een eerste schatting; dat herhalen (of de IRR-functie van een rekenmachine) geeft de exacte rente.
IRR ≈ 30 + 5·84,21/(84,21 − (−1 750,50)) = 30,23%
exact: NPV(30,22%) = 0 → IRR = 30,22%
Antwoord
IRR = 30,22%
29.Normale verdeling
Antwoord: P = 0,02275
Sommen en verschillen van normale variabelen: als X en Y onafhankelijk en normaal verdeeld zijn, zijn X + Y en X − Y ook normaal verdeeld. Gemiddelden tellen op of worden afgetrokken: E(X ± Y) = μX ± μY. Varianties tellen altijd op, ook bij een verschil: Var(X ± Y) = σX² + σY², dus σ = √(σX² + σY²). Standaardafwijkingen tellen nooit rechtstreeks op. Het totaal van n onafhankelijke items met dezelfde verdeling heeft gemiddelde n·μ en standaardafwijking σ·√n. Standaardiseer daarna zoals gewoonlijk: z = (x − gemiddelde)/σ en lees Φ(z) af.
Verdeling van de som
μ = 200 mm, σ = √(0,3² + 0,4²) = 0,5 mm
Standaardiseren
z = (201 − 200)/0,5 = 2
Rechterstaart
P = 1 − Φ(2) = 1 − 0,9772 = 0,02275
Antwoord
P = 0,02275
30.Normale verdeling
Antwoord: P = 0,7389
Sommen en verschillen van normale variabelen: als X en Y onafhankelijk en normaal verdeeld zijn, zijn X + Y en X − Y ook normaal verdeeld. Gemiddelden tellen op of worden afgetrokken: E(X ± Y) = μX ± μY. Varianties tellen altijd op, ook bij een verschil: Var(X ± Y) = σX² + σY², dus σ = √(σX² + σY²). Standaardafwijkingen tellen nooit rechtstreeks op. Het totaal van n onafhankelijke items met dezelfde verdeling heeft gemiddelde n·μ en standaardafwijking σ·√n. Standaardiseer daarna zoals gewoonlijk: z = (x − gemiddelde)/σ en lees Φ(z) af.
Verdeling van het verschil
μ = 180 − 170 = 10 cm, σ = 15,62 cm
Standaardiseren
z = (0 − 10)/15,62 = −0,64
Kansrekening
P = 1 − Φ(−0,64) = 0,7389
Antwoord
P = 0,7389
Dit is onafhankelijk oefenmateriaal. ExamProblems is niet verbonden aan of goedgekeurd door de organisatie die dit examen afneemt, en de naam van het examen wordt alleen gebruikt om de inhoud te beschrijven. Het FE exam wordt afgenomen door NCEES, dat niet verbonden is aan ExamProblems en het niet onderschrijft.