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 heeft een scharnier in A en een rol in B. Vind de verticale oplegreactie RB.
L = 5 mP1 = 50 kN op 1 mP2 = 10 kN op 3 m
RB = kN
2.Oplegreacties van balkenMoeilijk
De vrij opgelegde balk heeft een scharnier in A en een rol in B. Vind de verticale oplegreactie RB.
L = 8 mP = 50 kN op 1 mw = 10 kN/m van 4 tot 7 m
RB = kN
3.Vakwerk: knopenmethodeGemiddeld
Precies één staaf van dit vakwerk draagt onder deze belastingen geen kracht. Welke is de nulstaaf? Klik erop in het diagram.
B: 40 kN ↓D: 30 kN ↓F: 15 kN ↓H: 35 kN ↓
1staaf AB
2staaf BC
3staaf CD
4staaf DE
5staaf FG
6staaf GH
7staaf AF
8staaf HE
9staaf BF
10staaf CG
11staaf DH
12staaf BG
13staaf DG
4.Vakwerk: knopenmethodeMoeilijk
Precies één staaf van dit vakwerk draagt onder deze belastingen geen kracht. Welke is de nulstaaf? Klik erop in het diagram.
F: 25 kN ↓G: 25 kN ↓H: 10 kN ↓H: 40 kN ←
1staaf AB
2staaf BC
3staaf CD
4staaf DE
5staaf FG
6staaf GH
7staaf AF
8staaf HE
9staaf BF
10staaf CG
11staaf DH
12staaf BG
13staaf DG
5.Dwarskracht en buigend momentGemiddeld
De uitkragende ligger is ingeklemd in A. Hij draagt een gelijkmatig verdeelde belasting w over de hele lengte en een puntlast P op 2 m vanaf A. Vind het buigend moment Mx in de doorsnede x = 0,5 m vanaf de inklemming A. Neem doorbuigende (sagging) momenten positief en een opwaartse dwarskracht op het linkervlak positief.
L = 3 mP = 75 kN op 2 mw = 8 kN/m van 0 tot 3 mx = 0,5 m
Mx = kN·m
6.Dwarskracht en buigend momentMoeilijk
De markeringen A tot en met G verdelen de balk in zes gelijke delen. Bij welke markering is het buigend moment het grootst in absolute waarde, positief of negatief? Klik erop in het diagram.
40 kN @ 0 m30 kN @ 12 m25 kN @ 6 m
1A (x = 0 m)
2B (x = 2 m)
3C (x = 4 m)
4D (x = 6 m)
5E (x = 8 m)
6F (x = 10 m)
7G (x = 12 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 = 3 kNa = 2 mL = 6 mE = 70 GPa (aluminium)I = 8,5 × 10⁶ mm⁴
δB = mm
8.Doorbuiging van de balkMoeilijk
Een vrij opgelegde houten balk met rechthoekige doorsnede, 150 mm breed, draagt een gelijkmatig verdeelde belasting w over de hele overspanning. De doorbuiging in het midden mag niet groter zijn dan overspanning/250. Vind de kleinste hoogte hreq van de doorsnede.
w = 2,5 kN/mL = 4,5 mE = 11 GPa (constructiehout)b = 150 mm
hreq = mm
9.Knik van kolommenGemiddeld
Een kolom met lengte L van aluminium is aan beide uiteinden ingeklemd. Vind met de formule van Euler de kritieke knikbelasting Pcr.
L = 3 mE = 70 GPa (aluminium)d = 25 mm
Pcr = kN
10.Knik van kolommenMoeilijk
Een massieve ronde kolom met lengte L van staal is aan beide uiteinden ingeklemd. Hij moet 40 kN dragen met een veiligheidsfactor van 2,5 tegen knik. Vind de kleinste diameter d.
P = 40 kNn = 2,5L = 4 mE = 200 GPa (staal)
d = mm
11.Zwaartepunt en traagheidsmomentGemiddeld
Een plaat van 120 mm × 240 mm heeft een rond gat met een diameter van 50 mm op de verticale hartlijn, met zijn middelpunt 96 mm boven de onderkant. Bepaal het kwadratisch oppervlaktemoment Ix om de horizontale as door het zwaartepunt.
b = 120 mmh = 240 mmd = 50 mmmiddelpunt van het gat: y = 96 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Zwaartepunt en traagheidsmomentMoeilijk
Het T-profiel wordt gebruikt als balk met de flens boven en draagt een doorbuigend (sagging) moment van 10 kN·m. Vind de buigspanning σonder aan de onderrand.
Een overgeconsolideerde kleilaag van 5 m dik heeft Cc = 0,2, Cr = 0,06 en e₀ = 1,1. Halverwege de laag is de effectieve verticale spanning 115 kPa en de overconsolidatiegraad is OCR = 2. Een nieuw gebouw voegt halverwege de laag 110 kPa verticale spanning toe. Vind de primaire consolidatiezetting S in mm.
Een kleilaag van 8 m dik heeft een consolidatiecoëfficiënt cv = 0,8 m²/jaar. Ze ligt op ondoorlatend gesteente, met zand erboven, dus water draineert alleen aan de bovenkant weg. Voor 50% gemiddelde consolidatie is de tijdfactor Tv = 0,197. Hoeveel jaar t heeft de laag nodig om 50% consolidatie te bereiken?
Een verticale rechthoekige schuif van 3 m breed zit in de wand van een tank met water, met de bovenrand 2,5 m onder het oppervlak. Vind de resulterende hydrostatische kracht F op de schuif.
Een verticale rechthoekige schuif van 3 m breed zit in de wand van een tank met water, met de bovenrand 3 m onder het oppervlak. Vind de resulterende hydrostatische kracht F op de schuif.
Water stroomt met 50 L/s door een leiding van 1000 m lang met een binnendiameter van 200 mm. Gebruik de Darcy-wrijvingsfactor f = 0,02 en g = 9,81 m/s². Vind het wrijvingsverlies hf.
Twee open reservoirs zijn verbonden door een leiding van 100 m lang met een binnendiameter van 300 mm en een Darcy-wrijvingsfactor f = 0,015. Het wateroppervlak van het bovenste reservoir ligt 10 m boven dat van het onderste. De plaatselijke verliezen zijn een scherpe intrede (K = 0,5), 2 bochten (K = 0,3 per stuk), een afsluiter (K = 0,2) en de uittrede in het lagere reservoir (K = 1,0). Gebruik g = 9,81 m/s². Vind het debiet Q in L/s.
Een rechthoekig kanaal van onafgewerkt beton is 1 m breed. Water stroomt eenparig 0,6 m diep. Manning-n = 0,014 en het bodemverhang is S = 0,005. Vind het debiet Q in m³/s.
b = 1 my = 0,6 mn = 0,014S = 0,005
Q = m³/s
22.Stroming in open waterlopen (Manning)Moeilijk
Een trapeziumvormig kanaal van afgewerkt beton met een bodembreedte van 2,5 m en taluds van 3:1 (horizontaal:verticaal) moet 18 m³/s afvoeren bij eenparige stroming met een diepte van 1,1 m. Manning-n = 0,012. Vind het benodigde bodemverhang S (in m/m).
Q = 18 m³/sb = 2,5 my = 1,1 mz = 3n = 0,012
S = m/m
23.Pompen en pompvermogenGemiddeld
Een pomp levert 60 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) tegen een opvoerhoogte van 24 m. Het pomprendement is 82% en de elektromotor die de pomp aandrijft heeft een rendement van 95%. Gebruik g = 9,81 m/s². Vind het elektrisch vermogen Pel dat de motor opneemt, in kW.
Een pomp verplaatst 75 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) van een open lager reservoir naar een hoger gelegen tank waarvan het wateroppervlak 15 m hoger ligt. De leiding is 300 m lang met een binnendiameter van 200 mm en een Darcy-wrijvingsfactor f = 0,018; de coëfficiënten voor plaatselijke verliezen tellen op tot ΣK = 8 (intrede en uittrede inbegrepen). Gebruik g = 9,81 m/s². De bovenste tank is gesloten en de lucht boven het water staat op een overdruk van 200 kPa. Vind de opvoerhoogte H die de pomp moet toevoegen.
Je belegt €3 000 tegen een nominale rente van 2 % per jaar, maandelijks samengesteld. Bereken de waarde FV van de belegging na 4 jaar.
PV = €3 0002% / 12n = 4
FV = €
26.Tijdswaarde van geldMoeilijk
Je wilt over 6 jaar €25 000 hebben. Je spaart aan het eind van elke maand hetzelfde bedrag op een rekening die 4,8 % per jaar geeft, maandelijks samengesteld. Bereken de maandelijkse inleg A.
FV = €25 0004,8% / 12N = 72
A = €
27.NCW & IRRGemiddeld
Een investering van €60 000 levert aan het eind van jaar 1 tot en met 3 deze kasstromen op: €15 000, €16 000, €13 000. De vermogenskosten zijn 7,000000000000001 %. Bereken de netto contante waarde NPV.
Een project kost €25 000 en levert aan het eind van jaar 1 tot en met 3 €16 500, €9 500, €16 500 op. Bereken de interne rentabiliteit IRR in procenten.
CF0 = −25 000CF1 = 16 500CF2 = 9 500CF3 = 16 500
IRR = %
29.Normale verdelingGemiddeld
De massa's van bouten zijn onafhankelijk en normaal verdeeld met gemiddelde 40 g en standaardafwijking 1,2 g. Bepaal de kans P dat de totale massa van 6 ervan kleiner is dan 245,9 g. Rond z af op twee decimalen.
μ = 40 gσ = 1,2 gn = 6< 245.9 g
P =
30.Normale verdelingMoeilijk
Gatdiameters D zijn normaal verdeeld met gemiddelde 25,02 mm en standaardafwijking 0,015 mm. Asdiameters d zijn onafhankelijk en normaal verdeeld met gemiddelde 25 mm en standaardafwijking 0,02 mm. Een willekeurig gekozen as past als D − d > 0. Bepaal de kans P dat hij past. Rond z af op twee decimalen.
gat: μ = 25,02 mm, σ = 0,015 mmas: μ = 25 mm, σ = 0,02 mm
P =
3Oplossingen
1.Oplegreacties van balken
Antwoord: RB = 16 kN
Statisch evenwicht: een lichaam in rust heeft ΣFx = 0, ΣFy = 0 en ΣM = 0 om elk punt. Momenten nemen om één oplegging haalt de reactie van die oplegging uit de vergelijking.
Vrijlichaamsschema
Vervang de opleggingen door reactiekrachten. Een rol geeft één verticale reactie; met alleen verticale belastingen geeft het scharnier ook één verticale reactie.
Evenwicht
Momenten om A, tegen de klok in positief. Daarna het verticale krachtenevenwicht.
ΣMA = 0: RB·5 = 50·1 + 10·3
RB = 80/5 = 16 kN
ΣFy = 0: RA = 60 − 16 = 44 kN
Antwoord
RB = 16 kN
2.Oplegreacties van balken
Antwoord: RB = 26,88 kN
Statisch evenwicht: een lichaam in rust heeft ΣFx = 0, ΣFy = 0 en ΣM = 0 om elk punt. Momenten nemen om één oplegging haalt de reactie van die oplegging uit de vergelijking.
Vrijlichaamsschema
Vervang de opleggingen door reactiekrachten. Een rol geeft één verticale reactie; met alleen verticale belastingen geeft het scharnier ook één verticale reactie.
Evenwicht
Momenten om A, tegen de klok in positief. Daarna het verticale krachtenevenwicht.
Resultante van de verdeelde belasting: W = w·ℓ = 10·3 = 30 kN, aangrijpend op x̄ = 5,5 m
ΣMA = 0: RB·8 = 50·1 + 10·3·5,5
RB = 215/8 = 26,88 kN
ΣFy = 0: RA = 80 − 26,88 = 53,13 kN
Antwoord
RB = 26,88 kN
3.Vakwerk: knopenmethode
Antwoord: staaf CG
Nulstaven: in een knooppunt moeten de krachten in elke richting in evenwicht zijn. Als een knooppunt geen belasting en geen oplegging heeft, en twee van zijn drie staven op één lijn liggen, dan betrekt het evenwicht dwars op die lijn alleen de derde staaf, dus haar kracht is nul. Als er maar twee staven samenkomen in een onbelast knooppunt en ze niet op één lijn liggen, zijn beide nul.
Knooppunt C
BC en CD liggen op één rechte lijn en het knooppunt draagt geen belasting. Het krachtenevenwicht dwars op die lijn laat alleen CG over.
ΣF⊥ = 0 → FCG = 0
Controleer met de knooppuntenmethode
Het oplossen van alle knooppunten geeft deze staafkrachten (T = trek, C = druk).
Nulstaven: in een knooppunt moeten de krachten in elke richting in evenwicht zijn. Als een knooppunt geen belasting en geen oplegging heeft, en twee van zijn drie staven op één lijn liggen, dan betrekt het evenwicht dwars op die lijn alleen de derde staaf, dus haar kracht is nul. Als er maar twee staven samenkomen in een onbelast knooppunt en ze niet op één lijn liggen, zijn beide nul.
Knooppunt C
BC en CD liggen op één rechte lijn en het knooppunt draagt geen belasting. Het krachtenevenwicht dwars op die lijn laat alleen CG over.
ΣF⊥ = 0 → FCG = 0
Controleer met de knooppuntenmethode
Het oplossen van alle knooppunten geeft deze staafkrachten (T = trek, C = druk).
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.
Houd het deel met het vrije uiteinde over
P: −75·1,5 = −112,5 kN·m
w: −8·2,5²/2 = −25 kN·m
Mx = −112,5 − 25 = −137,5 kN·m
Antwoord
Mx = −137,5 kN·m
Negatief betekent opbuigend (hogging): trek aan de bovenzijde.
6.Dwarskracht en buigend moment
Antwoord: E (x = 8 m)
Grootste buigend moment: M verandert van helling overal waar de dwarskracht verandert, dus de pieken liggen waar de dwarskracht door nul gaat: onder een puntlast, binnen een verdeelde last, of boven een oplegging van een uitkragende balk. Bij een ingeklemde oplegging van een console is het moment het grootst bij de wand. Vergelijk de grootte van M op die plaatsen, positief (doorbuigend) of negatief (opbuigend).
Oplegreacties
Neem momenten om één oplegging en gebruik dan het verticale krachtenevenwicht.
R1 = 41,67 kN, R2 = 53,33 kN
Buigend moment bij elke markering
Tel de momenten van alle krachten aan één kant van de snede op. Een doorbuigend moment is positief, een opbuigend moment negatief.
MA = 0, MB = −80, MC = −76,67, MD = −73,33, ME = −120 kN·m, MF = −60, MG = 0
Antwoord
Markering E: ME = −120 kN·m
7.Doorbuiging van de balk
Antwoord: δB = 53,78 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 = 3000 N, a = 2000 mm, L = 6000 mm
EI = 5,95 × 10¹¹ N·mm²
Doorbuiging aan het vrije uiteinde
Doorbuiging bij de last plus de hoekverdraaiing bij de last maal de resterende lengte.
δP = Pa³/(3EI) = 13,45 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0,01008 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 53,78 mm
Antwoord
δB = 53,78 mm
8.Doorbuiging van de balk
Antwoord: hreq = 175,4 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.
bh³/12 = Ireq → h = (12·6,742 × 10⁷/150)1/3 = 175,4 mm
Antwoord
hreq = 175,4 mm
Kies in de praktijk de eerstvolgende standaardhoogte boven deze waarde.
9.Knik van kolommen
Antwoord: Pcr = 5,888 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.
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 = 2,5·40000 = 100000 N
KL = 0,5·4000 = 2000 mm
Los op naar de diameter
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·100000·2000²/(π³·200000))^(1/4) = 45,08 mm
Antwoord
d = 45,08 mm
Controle: de slankheid KL/r is 177,5, dus de kolom is slank en Euler geldt.
11.Zwaartepunt en traagheidsmoment
Antwoord: Ix = 136,7 × 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 = (28800·120 − 1963·96)/(28800 − 1963) = 121,8 mm
Volle plaat om ȳ
120·240³/12 + 28800·−1,756² = 138,3 × 10⁶ mm⁴
Gat om ȳ
π·50⁴/64 + 1963·−25,76² = 1,609 × 10⁶ mm⁴
Trek af
Ix = 136,7 × 10⁶ mm⁴
Antwoord
Ix = 136,7 × 10⁶ mm⁴
12.Zwaartepunt en traagheidsmoment
Antwoord: σonder = 75,94 MPa
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 twee rechthoeken
Meet elke y vanaf de onderrand.
flens: Af = 240·10 = 2400 mm², yf = 160 + 10/2 = 165 mm
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.
De waterdruk neemt toe met de diepte onder de grondwaterstand.
u = γw·(z − zw) = 9,81·10 = 98,1 kPa
Effectieve spanning
σ′ = σ − u = 238 − 98,1 = 139,9 kPa
Antwoord
σ′ = 139,9 kPa
14.Effectieve spanning in grond
Antwoord: u = 63,77 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).
Waterspanning
De waterdruk neemt toe met de diepte onder de grondwaterstand.
u = γw·(z − zw) = 9,81·6,5 = 63,77 kPa
Antwoord
u = 63,77 kPa
15.Consolidatiezetting
Antwoord: S = 41,64 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 = 2·115 = 230 kPa
Vergelijk met de voorbelastingsspanning
σ′f = 115 + 110 = 225 kPa ≤ 230 kPa
Zetting
De klei blijft op haar herbelastingslijn.
S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,06·5/(1 + 1,1)·log₁₀(225/115) = 41,64 mm
Antwoord
S = 41,64 mm
16.Consolidatiezetting
Antwoord: t = 15,76 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 = 8 m
Tijd
t = Tv·Hdr²/cv = 0,197·8²/0,8 = 15,76 jaar
Antwoord
t = 15,76 jaar
17.Hydrostatische kracht
Antwoord: F = 353,2 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 = 2,5 + 3/2 = 4 m
A = H·b = 3·3 = 9 m²
Resulterende kracht
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4·9 = 353,2 kN
Antwoord
F = 353,2 kN
18.Hydrostatische kracht
Antwoord: F = 312,7 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 = 3 + 2,5/2 = 4,25 m
A = H·b = 2,5·3 = 7,5 m²
Resulterende kracht
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4,25·7,5 = 312,7 kN
Antwoord
F = 312,7 kN
19.Leidingwrijving en drukhoogteverlies
Antwoord: hf = 12,91 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.
Gemiddelde snelheid
A = π·0,2²/4 = 0,03142 m²
V = Q/A = 0,05/0,03142 = 1,592 m/s
Snelheidshoogte
V²/(2g) = 1,592²/(2·9,81) = 0,1291 m
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(1000/0,2)·1,592²/(2·9,81) = 12,91 m
Antwoord
hf = 12,91 m
20.Leidingwrijving en drukhoogteverlies
Antwoord: Q = 366,5 L/s
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.
Verliescoëfficiënten
f·L/D = 0,015·100/0,3 = 5
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,3
Energievergelijking
Beide oppervlakken staan open naar de lucht en zijn praktisch in rust, dus heel Δz gaat verloren in de leiding.
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·y = 1·0,6 = 0,6 m²
P = b + 2y = 1 + 2·0,6 = 2,2 m
R = A/P = 0,2727 m
Snelheid
V = (1/0,014)·0,27272/3·0,0051/2 = 2,124 m/s
Debiet
Q = A·V = 0,6·2,124 = 1,274 m³/s
Antwoord
Q = 1,274 m³/s
22.Stroming in open waterlopen (Manning)
Antwoord: S = 0,001937 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.
Geometrie
A = (b + z·y)·y = (2,5 + 3·1,1)·1,1 = 6,38 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 2,5 + 2·1,1·√(1 + 3²) = 9,457 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.
Hydraulisch vermogen
Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,06·24 = 14,13 kW
Asvermogen
Pshaft = 14,13/0,82 = 17,23 kW
Elektrisch vermogen
Pel = 17,23/0,95 = 18,13 kW
Antwoord
Pel = 18,13 kW
24.Pompen en pompvermogen
Antwoord: H = 45,55 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 praktisch in rust, dus er is geen term voor de snelheidshoogte.
H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 15 + 20,39 + 10,17 = 45,55 m
Antwoord
H = 45,55 m
25.Tijdswaarde van geld
Antwoord: FV = 3250 €
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.
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.
Contante waarde van elke kasstroom
CF0 = −60 000
CF1/(1 + 0,07)1 = 15 000/1,07 = 14 018,69
CF2/(1 + 0,07)2 = 16 000/1,145 = 13 975,02
CF3/(1 + 0,07)3 = 13 000/1,225 = 10 611,87
Optellen
NPV = €−21 394,42
Antwoord
NPV = €−21 394,42
De NCW is negatief, dus het project verdient minder dan het vereiste rendement.
28.NCW & IRR
Antwoord: IRR = 32,37 %
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%) = 823,85
NPV(35%) = −858,86
Verfijnen
Lineair interpoleren geeft een eerste schatting; dat herhalen (of de IRR-functie van een rekenmachine) geeft de exacte rente.
IRR ≈ 30 + 5·823,85/(823,85 − (−858,86)) = 32,45%
exact: NPV(32,37%) = 0 → IRR = 32,37%
Antwoord
IRR = 32,37%
29.Normale verdeling
Antwoord: P = 0,9778
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 totaal
μT = 240 g, σT = 1,2·√6 = 2,939 g
Standaardiseren
z = (245,9 − 240)/2,939 = 2,01
Kansrekening
P = Φ(2,01) = 0,9778
Antwoord
P = 0,9778
30.Normale verdeling
Antwoord: P = 0,7881
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 = 25,02 − 25 = 0,02 mm, σ = 0,025 mm
Standaardiseren
z = (0 − 0,02)/0,025 = −0,8
Kansrekening
P = 1 − Φ(−0,8) = 0,7881
Antwoord
P = 0,7881
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.