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. Op 2 m van A werkt ook een puntlast P. Vind de verticale oplegreactie RB.
L = 6 mw0 = 15 kN/mP = 80 kN op 2 m
RB = kN
2.Oplegreacties van balkenMoeilijk
Een samengestelde balk is in A in de muur ingeklemd, heeft een inwendig scharnier in C (4 m van A) en rust op een rol in D (10 m van A). Hij draagt een puntlast P op 7 m van A. Vind de grootte van het inklemmingsmoment MA bij de muur.
AC = 4 mAD = 10 mP = 65 kN op 7 m
MA = kN·m
3.Vakwerk: knopenmethodeGemiddeld
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 = 55 kN
FAB = kN
4.Vakwerk: knopenmethodeMoeilijk
Gebruik de knopenmethode om de kracht FAC in staaf AC te vinden. Geef trek als positief en druk als negatief.
overspanning = 5 mhoogte = 3 mB ligt 4 m van Averticale belasting = 60 kNhorizontale belasting = 25 kN ←
FAC = kN
5.Dwarskracht en buigend momentGemiddeld
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.
10 kN @ 1 m55 kN @ 5 m
1A (x = 0 m)
2B (x = 1 m)
3C (x = 2 m)
4D (x = 3 m)
5E (x = 4 m)
6F (x = 5 m)
7G (x = 6 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.
10 kN @ 0 m50 kN @ 12 m50 kN @ 4 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 draagt een gelijkmatig verdeelde belasting w over de hele lengte en een puntlast P aan het vrije uiteinde. Vind met superpositie de doorbuiging δ aan het vrije uiteinde.
P = 6 kNw = 4 kN/mL = 3 mE = 70 GPa (aluminium)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.Doorbuiging van de balkMoeilijk
Een vrij opgelegde balk draagt een puntlast P op b = 1,5 m vanaf oplegging B. Vind de maximale doorbuiging δmax van de balk.
P = 24 kNb = 1,5 mL = 5 mE = 200 GPa (staal)I = 57 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Knik van kolommenGemiddeld
Een kolom met lengte L van aluminium is aan beide uiteinden scharnierend. Vind met de formule van Euler de kritieke knikbelasting Pcr.
L = 2,5 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 30 × 100 mm
Pcr = kN
10.Knik van kolommenMoeilijk
Een massieve ronde kolom met lengte L van staal is onderaan ingeklemd en bovenaan vrij. Hij moet 50 kN dragen met een veiligheidsfactor van 2,5 tegen knik. Vind de kleinste diameter d.
P = 50 kNn = 2,5L = 5 mE = 200 GPa (staal)
d = mm
11.Zwaartepunt en traagheidsmomentGemiddeld
Een symmetrisch I-profiel heeft flenzen van 140 mm breed en 14 mm dik, een totale hoogte van 420 mm en een lijf van 14 mm dik. Vind het elastische weerstandsmoment Sx voor buiging om de horizontale zwaartepuntsas x.
B = 140 mmH = 420 mmtf = 14 mmtw = 14 mm
Sx = × 10³ mm³
12.Zwaartepunt en traagheidsmomentMoeilijk
Een plaat van 100 mm × 200 mm heeft een rechthoekige uitsparing van 40 mm breed en 40 mm hoog, gecentreerd op de verticale hartlijn met zijn middelpunt 120 mm boven de onderkant. Bepaal het kwadratisch oppervlaktemoment Ix om de horizontale as door het zwaartepunt.
b = 100 mmh = 200 mmuitsparing: 40 × 40 mmmiddelpunt van het gat: y = 120 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
13.Effectieve spanning in grondGemiddeld
Vind voor het getoonde grondprofiel de verticale effectieve spanning σ′ in punt X.
Een overgeconsolideerde kleilaag van 6,5 m dik heeft Cc = 0,4, Cr = 0,06 en e₀ = 1. Halverwege de laag is de effectieve verticale spanning 50 kPa en de voorbelastingsspanning is 110 kPa. Een nieuw gebouw voegt halverwege de laag 40 kPa verticale spanning toe. Vind de primaire consolidatiezetting S in mm.
Een kleilaag van 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 80% gemiddelde consolidatie is de tijdfactor Tv = 0,567. Hoeveel jaar t heeft de laag nodig om 80% consolidatie te bereiken?
Een verticale rechthoekige schuif van 3 m breed zit in de wand van een tank met water, met de bovenrand 4 m onder het oppervlak. Vind de resulterende hydrostatische kracht F op de schuif.
Een verticale rechthoekige schuif van 1 m breed zit in de wand van een tank met zeewater, met de bovenrand 0,5 m onder het oppervlak. Vind de resulterende hydrostatische kracht F op de schuif.
Water (ρ = 1000 kg/m³) stroomt met 1,2 m/s door een horizontale leiding van 300 m lang met een binnendiameter van 100 mm. Gebruik de Darcy-wrijvingsfactor f = 0,018 en g = 9,81 m/s². Vind de drukval Δp over de leiding in kPa.
Twee open reservoirs zijn verbonden door een leiding van 150 m lang met een binnendiameter van 200 mm en een Darcy-wrijvingsfactor f = 0,015. De plaatselijke verliezen zijn een scherpe intrede (K = 0,5), 3 bochten (K = 0,3 per stuk), een afsluiter (K = 5) en de uittrede in het lagere reservoir (K = 1,0). Gebruik g = 9,81 m/s². Welk niveauverschil Δz tussen de reservoirs geeft een debiet van 75 L/s?
Een trapeziumvormig kanaal van grind heeft een bodembreedte van 3 m en taluds van 1:1 (horizontaal:verticaal). Water stroomt eenparig 0,6 m diep. Manning-n = 0,025 en het bodemverhang is S = 0,001. Vind het debiet Q in m³/s.
b = 3 my = 0,6 mz = 1n = 0,025S = 0,001
Q = m³/s
22.Stroming in open waterlopen (Manning)Moeilijk
Een rechthoekig kanaal van metselwerk, 2,5 m breed, moet 9,1 m³/s afvoeren bij eenparige stroming met een diepte van 1,1 m. Manning-n = 0,015. Vind het benodigde bodemverhang S (in m/m).
Q = 9,1 m³/sb = 2,5 my = 1,1 mn = 0,015
S = m/m
23.Pompen en pompvermogenGemiddeld
Bij een test levert een pomp 10 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) tegen een opvoerhoogte van 66 m, terwijl de as 9,2 kW opneemt. Gebruik g = 9,81 m/s². Vind het pomprendement η in procent.
Q = 10 L/sH = 66 mPshaft = 9,2 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 5 m hoger ligt. De leiding is 150 m lang met een binnendiameter van 200 mm en een Darcy-wrijvingsfactor f = 0,025; de coëfficiënten voor plaatselijke verliezen tellen op tot ΣK = 6 (intrede en uittrede inbegrepen). Gebruik g = 9,81 m/s². Het pomprendement is 85%. Vind het asvermogen Pshaft in kW.
Een creditcard rekent een nominale rente van 15 % per jaar, dagelijks samengesteld. Bereken de effectieve jaarrente EAR in procent.
r = 15%m = 365
EAR = %
26.Tijdswaarde van geldMoeilijk
Je leent €20 000 tegen 4,2 % per jaar, maandelijks samengesteld, en betaalt aan het eind van elke maand €325 terug. Hoeveel maanden duurt het tot de lening is afgelost (de laatste betaling mag kleiner zijn)? Geef het aantal betalingen N.
P = €20 000A = €3254,2% / 12
N = betalingen
27.NCW & IRRGemiddeld
Een project kost vandaag €20 000 en levert aan het eind van jaar 1 tot en met 6 €9 000, €7 000, €7 500, €8 000, €7 000, €8 500 op. De vermogenskosten zijn 6 %. Neem aan dat de kasstromen gelijkmatig over elk jaar binnenkomen. Bereken de verdisconteerde terugverdientijd DPB in jaren.
Een project kost €50 000 en levert aan het eind van jaar 1 tot en met 2 €37 500, €25 500 op. Bereken de interne rentabiliteit IRR in procenten.
CF0 = −50 000CF1 = 37 500CF2 = 25 500
IRR = %
29.Normale verdelingGemiddeld
De massa's van dozen zijn onafhankelijk en normaal verdeeld met gemiddelde 12 kg en standaardafwijking 0,8 kg. Bepaal de kans P dat de totale massa van 16 ervan groter is dan 190,4 kg. Rond z af op twee decimalen.
μ = 12 kgσ = 0,8 kgn = 16> 190,4 kg
P =
30.Normale verdelingMoeilijk
Gatdiameters D zijn normaal verdeeld met gemiddelde 25,05 mm en standaardafwijking 0,01 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 = 25,05 mm, σ = 0,01 mmas: μ = 25 mm, σ = 0,02 mm
P =
3Oplossingen
1.Oplegreacties van balken
Antwoord: RB = 41,67 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 + 80·2
RB = 41,67 kN
RA = 125 − 41,67 = 83,33 kN
Antwoord
RB = 41,67 kN
2.Oplegreacties van balken
Antwoord: MA = 130 kN·m
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·6 = 65·3
RD = 32,5 kN
VC = 65 − 32,5 = 32,5 kN
Deel AC
De scharnierkracht VC werkt omlaag op AC (even groot en tegengesteld aan haar werking op CD).
RA = 32,5 = 32,5 kN
MA = 32,5·4 = 130 kN·m
Antwoord
MA = 130 kN·m
3.Vakwerk: knopenmethode
Antwoord: FAB = −43,48 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·8 = 55·6 → Cy = 41,25 kN
ΣFy = 0: Ay = 55 − 41,25 = 13,75 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 = −13,75/0,3162 = −43,48 kN
Antwoord
FAB = −43,48 kN (druk)
4.Vakwerk: knopenmethode
Antwoord: FAC = 11 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·5 = 60·4 − 25·3 → Cy = 33 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 33 = 27 kN
ΣFx = 0: Ax = 25 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 = 3/3,162 = 0,9487, cos γ = 1/3,162 = 0,3162
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 = 17,5 kN, R2 = 47,5 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 = 17,5, MC = 25, MD = 32,5, ME = 40, MF = 47,5 kN·m, MG = 0
Antwoord
Markering F: MF = 47,5 kN·m
6.Dwarskracht en buigend moment
Antwoord: F (x = 10 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 = 37,5 kN, R2 = 72,5 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 = −20, MC = 35, MD = −10, ME = −55, MF = −100 kN·m, MG = 0
Antwoord
Markering F: MF = −100 kN·m
7.Doorbuiging van de balk
Antwoord: δ = 11,25 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 = 6000 N, w = 4 N/mm, L = 3000 mm
EI = 8,4 × 10¹² N·mm²
Elke belasting afzonderlijk
δP = PL³/(3EI) = 6000·3000³/(3·8,4 × 10¹²) = 6,429 mm
δw = wL⁴/(8EI) = 4·3000⁴/(8·8,4 × 10¹²) = 4,821 mm
Tel ze op
δ = 6,429 + 4,821 = 11,25 mm
Antwoord
δ = 11,25 mm
8.Doorbuiging van de balk
Antwoord: δmax = 4,396 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 = 24000 N, b = 1500 mm, L = 5000 mm
EI = 1,14 × 10¹³ N·mm²
Plaats van het maximum
De hoekverdraaiing in het langere deel gelijk aan nul stellen geeft de plaats.
x = √((L² − b²)/3) = √((5000² − 1500²)/3) = 2754 mm
Maximale doorbuiging
δmax = Pb(L² − b²)3/2/(9√3·EIL) = 4,396 mm
Antwoord
δmax = 4,396 mm
9.Knik van kolommen
Antwoord: Pcr = 24,87 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 = 2,5·50000 = 125000 N
KL = 2·5000 = 10000 mm
Los op naar de diameter
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·125000·10000²/(π³·200000))^(1/4) = 106,6 mm
Antwoord
d = 106,6 mm
Controle: de slankheid KL/r is 375,3, dus de kolom is slank en Euler geldt.
11.Zwaartepunt en traagheidsmoment
Antwoord: Sx = 1104 × 10³ mm³
Traagheidsmoment: voor een rechthoek is I = bh³/12 om de eigen zwaartepuntsas en bh³/3 om de basis (stelling van Steiner I = Ic + A·d²). Een gat verwerk je door de I ervan af te trekken, zolang beide delen dezelfde as hebben. Het elastische weerstandsmoment is S = I/c, waarbij c de afstand tot de uiterste vezel is.
Buitenrechthoek min de twee uitsparingen aan de zijkanten
Beide uitsparingen samen zijn (B − tw) breed en hw = H − 2tf hoog, en hebben de as x gemeen.
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 = (20000·100 − 1600·120)/(20000 − 1600) = 98,26 mm
Volle plaat om ȳ
100·200³/12 + 20000·1,739² = 66,73 × 10⁶ mm⁴
Gat om ȳ
40·40³/12 + 1600·21,74² = 0,9695 × 10⁶ mm⁴
Trek af
Ix = 65,76 × 10⁶ mm⁴
Antwoord
Ix = 65,76 × 10⁶ mm⁴
13.Effectieve spanning in grond
Antwoord: σ′ = 90,26 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.
De waterdruk neemt toe met de diepte onder de grondwaterstand.
u = γw·(z − zw) = 9,81·4 = 39,24 kPa
Effectieve spanning
σ′ = σ − u = 129,5 − 39,24 = 90,26 kPa
Antwoord
σ′ = 90,26 kPa
14.Effectieve spanning in grond
Antwoord: σ′ = 56,95 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·1 + γsat,sand·2 + γsat,clay·3
σ = 17·1 + 19·2 + 17·3 = 106 kPa
Waterspanning
De waterdruk neemt toe met de diepte onder de grondwaterstand.
u = γw·(z − zw) = 9,81·5 = 49,05 kPa
Effectieve spanning
σ′ = σ − u = 106 − 49,05 = 56,95 kPa
Antwoord
σ′ = 56,95 kPa
15.Consolidatiezetting
Antwoord: S = 49,78 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.
Vergelijk met de voorbelastingsspanning
σ′f = 50 + 40 = 90 kPa ≤ 110 kPa
Zetting
De klei blijft op haar herbelastingslijn.
S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,06·6,5/(1 + 1)·log₁₀(90/50) = 49,78 mm
Antwoord
S = 49,78 mm
16.Consolidatiezetting
Antwoord: t = 0,8859 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 = 5/2 = 2,5 m
Tijd
t = Tv·Hdr²/cv = 0,567·2,5²/4 = 0,8859 jaar
Antwoord
t = 0,8859 jaar
17.Hydrostatische kracht
Antwoord: F = 209,7 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 = 4 + 1,5/2 = 4,75 m
A = H·b = 1,5·3 = 4,5 m²
Resulterende kracht
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4,75·4,5 = 209,7 kN
Antwoord
F = 209,7 kN
18.Hydrostatische kracht
Antwoord: F = 60,33 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 = 0,5 + 3/2 = 2 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
Resulterende kracht
F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·2·3 = 60,33 kN
Antwoord
F = 60,33 kN
19.Leidingwrijving en drukhoogteverlies
Antwoord: Δp = 38,88 kPa
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.
Drukhoogteverlies
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(300/0,1)·1,2²/(2·9,81) = 3,963 m
Drukval
De leiding is horizontaal en de snelheid verandert niet, dus de energievergelijking wordt Δp = ρ·g·hf.
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 = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m
Verliescoëfficiënten
f·L/D = 0,015·150/0,2 = 11,25
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 5 + 1,0 = 7,4
Totaal drukhoogteverlies
hf = 11,25·0,2905 = 3,268 m
hm = 7,4·0,2905 = 2,15 m
Δz = hf + hm = 5,418 m
Antwoord
Δz = 5,418 m
21.Stroming in open waterlopen (Manning)
Antwoord: Q = 1,628 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 = (3 + 1·0,6)·0,6 = 2,16 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 3 + 2·0,6·√(1 + 1²) = 4,697 m
R = A/P = 0,4599 m
Snelheid
V = (1/0,025)·0,45992/3·0,0011/2 = 0,7536 m/s
Debiet
Q = A·V = 2,16·0,7536 = 1,628 m³/s
Antwoord
Q = 1,628 m³/s
22.Stroming in open waterlopen (Manning)
Antwoord: S = 0,005034 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 = 1000·9,81·0,01·66 = 6,475 kW
Rendement
η = Ph/Pshaft = 6,475/9,2 = 70,38%
Antwoord
η = 70,38%
24.Pompen en pompvermogen
Antwoord: Pshaft = 12,17 kW
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.
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.
Rente per periode
r/m = 0,15/365 = 0,000411
Samenstellen over één jaar
EAR = (1 + 0,000411)365 − 1 = 1,162 − 1 = 16,18%
Antwoord
EAR = 16,18%
De effectieve jaarrente ligt altijd boven de nominale rente als de rente vaker dan één keer per jaar wordt bijgeschreven.
26.Tijdswaarde van geld
Antwoord: N = 70 betalingen
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.
Herschrijf de annuïteitenformule
i = 0,0035
(1 + i)−N = 1 − 20 000·0,0035/325 = 0,7846
Los op met logaritmen
N = −ln(0,7846)/ln(1,004) = 69,42
Rond naar boven af op hele betalingen
69 volledige betalingen laten een klein saldo over, dat de laatste, kleinere betaling aflost.
N = 70
Antwoord
N = 70 betalingen
27.NCW & IRR
Antwoord: DPB = 2,838 jaar
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: 9 000/1,06 = 8 490,57 → Σ = 8 490,57
jaar 2: 7 000/1,124 = 6 229,98 → Σ = 14 720,54
jaar 3: 7 500/1,191 = 6 297,14 → Σ = 21 017,69
Fractie van het laatste jaar
DPB = 2 + 5 279,46/6 297,14 = 2,838
Antwoord
DPB = 2,838 jaar
De verdisconteerde terugverdientijd is altijd langer dan de eenvoudige terugverdientijd (2,533 jaar).
28.NCW & IRR
Antwoord: IRR = 18,16 %
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(15%) = 1 890,36
NPV(20%) = −1 041,67
Verfijnen
Lineair interpoleren geeft een eerste schatting; dat herhalen (of de IRR-functie van een rekenmachine) geeft de exacte rente.
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 = 192 kg, σT = 0,8·√16 = 3,2 kg
Standaardiseren
z = (190,4 − 192)/3,2 = −0,5
Kansrekening
P = 1 − Φ(−0,5) = 0,6915
Antwoord
P = 0,6915
30.Normale verdeling
Antwoord: P = 0,9875
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.