laminarny poniżej Re ≈ 2000, turbulentny powyżej Re ≈ 4000
Prędkość średnia
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Straty miejscowe
hm = ΣK·V²/(2g)
Typowe wartości K
wlot 0,5, wylot 1,0, kolano 90° ≈ 0,3
Spadek ciśnienia
Δp = ρ·g·hf
Dwa otwarte zbiorniki
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Swobodny wypływ
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Przepływ w kanałach otwartych (Manning)
Wzór Manninga
V = (1/n)·R2/3·S1/2
Natężenie przepływu
Q = A·V
Promień hydrauliczny
R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
Prostokąt
A = b·y, P = b + 2y
Trapez (nachylenie skarp z:1)
A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
Rura kołowa, pełna lub w połowie wypełniona
R = D/4
Wymagany spadek
S = (n·Q/(A·R2/3))²
Pompy i moc pomp
Moc hydrauliczna
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Moc na wale
Pshaft = Ph/ηpump
Moc elektryczna
Pel = Pshaft/ηmotor
Wysokość podnoszenia pompy
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Straty w instalacji
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Wartość pieniądza w czasie
Wartość przyszła
FV = PV·(1 + i)n
Wartość bieżąca
PV = FV/(1 + i)n
Kilka okresów w roku
i = r/m, N = m·n
Renta, wartość bieżąca
PV = PMT·[1 − (1 + i)−n]/i
Renta, wartość przyszła
FV = PMT·[(1 + i)n − 1]/i
Metoda
Narysuj oś czasu z każdym przepływem pieniężnym i jego terminem.
Dopasuj stopę do okresu: miesięczna stopa dla miesięcznych płatności.
Użyj FV = PV·(1 + i)ⁿ dla pojedynczych kwot i wzorów na rentę dla równych płatności.
Sprawdź znak i rząd wielkości odpowiedzi.
NPV i IRR
Wartość bieżąca netto
NPV = −C0 + Σ CFt/(1 + r)t
Równe przepływy pieniężne
NPV = −C0 + CF·[1 − (1 + r)−n]/r
Wewnętrzna stopa zwrotu
r, przy którym NPV = 0
Decyzja
przyjmij, gdy NPV > 0 (lub IRR > wymagana stopa zwrotu)
Metoda
Wypisz wszystkie przepływy pieniężne z ich rokiem; inwestycja w roku 0 jest ujemna.
Zdyskontuj każdy przepływ: CFt/(1 + r)t.
Zsumuj je, aby otrzymać NPV. Wartość dodatnia oznacza, że projekt zarabia więcej niż r.
Dla IRR znajdź stopę, przy której NPV jest równe zeru, metodą prób lub interpolacji.
Rozkład normalny
Wynik z
z = (x − μ)/σ
Poniżej x
P(X < x) = Φ(z)
Powyżej x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
Pomiędzy
Φ(z2) − Φ(z1)
Percentyl
x = μ + z·σ
Metoda
Zamień wartość na wynik standaryzowany: z = (x − μ)/σ.
Odczytaj Φ(z), pole na lewo od z.
Dla pola na prawo użyj 1 − Φ(z); dla przedziału odejmij dwa pola lewostronne.
Dla percentyla licz wstecz: wyznacz z dla pola, a potem x = μ + z·σ.
2Zadania do ćwiczenia
1.Reakcje podpór belekŚredni
Belka swobodnie podparta ma podporę przegubową nieprzesuwną w A i przesuwną w B. Wyznacz pionową reakcję podpory RB.
L = 8 mP1 = 20 kN w 5 mP2 = 35 kN w 7 m
RB = kN
2.Reakcje podpór belekTrudny
Belka swobodnie podparta ma podporę przegubową nieprzesuwną w A i przesuwną w B. Wyznacz pionową reakcję podpory RB.
L = 6 mP = 15 kN w 4 mw = 3 kN/m od 2 do 4 m
RB = kN
3.Kratownica: równoważenie węzłówŚredni
Użyj metody równoważenia węzłów, aby wyznaczyć siłę FAB w pręcie AB. Rozciąganie podaj jako dodatnie, a ściskanie jako ujemne.
rozpiętość = 8 mwysokość = 4 mB jest 2 m od Aobciążenie pionowe = 15 kN
FAB = kN
4.Kratownica: równoważenie węzłówTrudny
Dokładnie jeden pręt tej kratownicy nie przenosi siły przy tych obciążeniach. Który to pręt zerowy? Kliknij go na rysunku.
B: 35 kN ↓D: 30 kN ↓F: 25 kN →G: 40 kN ↓
1pręt AB
2pręt BC
3pręt CD
4pręt DE
5pręt FG
6pręt GH
7pręt AF
8pręt HE
9pręt BF
10pręt CG
11pręt DH
12pręt BG
13pręt DG
5.Siła tnąca i moment zginającyŚredni
Belka swobodnie podparta przenosi dwie siły skupione. Wyznacz maksymalny moment zginający Mmax w belce.
L = 10 mP1 = 20 kN w 2 mP2 = 25 kN w 4 m
Mmax = kN·m
6.Siła tnąca i moment zginającyTrudny
Belka opiera się na podporze nieprzesuwnej w A i przesuwnej w B i wystaje poza B o 1,5 m aż do swobodnego końca C. Na całej długości A–C działa obciążenie równomiernie rozłożone w. Wyznacz odległość xc od A do miejsca zerowego momentu między podporami (w którym moment zginający zmienia znak).
L = 7,5 mw = 4 kN/m od 0 do 7,5 mpodpory w x = 0 i x = 6 m
xc = m
7.Ugięcie belkiŚredni
Belka swobodnie podparta przenosi obciążenie równomiernie rozłożone w na całej rozpiętości. Wyznacz maksymalne ugięcie δmax w środku rozpiętości.
w = 4 kN/mL = 8 mE = 200 GPa (stal)I = 57 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.Ugięcie belkiTrudny
Belka swobodnie podparta przenosi siłę skupioną P w odległości b = 1 m od podpory B. Wyznacz maksymalne ugięcie δmax belki.
P = 17 kNb = 1 mL = 5 mE = 11 GPa (drewno konstrukcyjne)I = 84 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
Słup o długości L z materiału (aluminium) jest przegubowo podparty na obu końcach. Korzystając ze wzoru Eulera, wyznacz jego siłę krytyczną Pcr.
L = 1,5 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 25 × 50 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
Słup o długości L z materiału (stal) jest utwierdzony na obu końcach. Wyznacz jego smukłość i naprężenie krytyczne σcr ze wzoru Eulera.
L = 5 mE = 200 GPa (stal)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Środek ciężkości i moment bezwładnościŚredni
Płyta 150 mm × 240 mm ma okrągły otwór o średnicy 30 mm na pionowej osi symetrii, ze środkiem 156 mm nad dolną krawędzią. Wyznacz moment bezwładności przekroju Ix względem osi poziomej przechodzącej przez środek ciężkości.
b = 150 mmh = 240 mmd = 30 mmśrodek otworu: y = 156 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładnościTrudny
Przekrój teowy pracuje jako belka z półką u góry i przenosi dodatni moment zginający 25 kN·m. Wyznacz naprężenie od zginania σdół na dolnej krawędzi.
Warstwa gliny prekonsolidowanej o miąższości 3,5 m ma Cc = 0,45, Cr = 0,05 i e₀ = 1,2. W połowie jej głębokości efektywne naprężenie pionowe wynosi 65 kPa i naprężenie prekonsolidacji wynosi 125 kPa. Nowy budynek zwiększa naprężenie pionowe w połowie głębokości o 15 kPa. Wyznacz osiadanie konsolidacyjne pierwotne S w mm.
Warstwa gliny o miąższości 5 m ma współczynnik konsolidacji cv = 4 m²/rok. Leży na nieprzepuszczalnej skale, a nad nią jest piasek, więc woda odpływa tylko górą. Dla średniego stopnia konsolidacji 50% czynnik czasu wynosi Tv = 0,197. Po ilu latach t warstwa osiągnie 50% konsolidacji?
Pionowa prostokątna zasuwa o szerokości 1 m znajduje się w ścianie zbiornika z cieczą (woda), z górną krawędzią 2 m pod powierzchnią. Wyznacz wypadkową siłę parcia hydrostatycznego F na zasuwę.
d = 2 mH = 1 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
18.Parcie hydrostatyczneTrudny
Pionowa prostokątna zasuwa o szerokości 1,5 m znajduje się w ścianie zbiornika z cieczą (olej), z górną krawędzią 4 m pod powierzchnią. Wyznacz wypadkową siłę parcia hydrostatycznego F na zasuwę.
d = 4 mH = 3 mb = 1,5 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
19.Tarcie w rurach i straty wysokościŚredni
Woda (ρ = 1000 kg/m³) płynie z prędkością 2,4 m/s przez poziomą rurę o długości 400 m i średnicy wewnętrznej 250 mm. Przyjmij współczynnik tarcia Darcy’ego f = 0,022 i g = 9,81 m/s². Wyznacz spadek ciśnienia Δp na rurze w kPa.
Rura o długości 300 m i średnicy wewnętrznej 300 mm (współczynnik tarcia Darcy’ego f = 0,025) wychodzi z otwartego zbiornika i wypływa swobodnym strumieniem do atmosfery. Straty miejscowe to: wlot o ostrej krawędzi (K = 0,5), kolana w liczbie 4 (K = 0,3 każde) i zawór (K = 2). Przyjmij g = 9,81 m/s². O ile H zwierciadło wody w zbiorniku musi leżeć wyżej niż wylot rury, aby natężenie przepływu wynosiło 100 L/s?
Betonowy kanał deszczowy o średnicy wewnętrznej 900 mm jest wypełniony do połowy. Współczynnik Manninga n = 0,013, a spadek S = 0,001. Wyznacz natężenie przepływu Q w m³/s.
D = 900 mmn = 0,013S = 0,001
Q = m³/s
22.Przepływ w kanałach otwartych (Manning)Trudny
Betonowy kanał ściekowy o średnicy wewnętrznej 375 mm (współczynnik Manninga n = 0,013) musi przy całkowitym wypełnieniu osiągnąć prędkość samooczyszczania 1 m/s. Wyznacz minimalny spadek S (w m/m).
D = 375 mmn = 0,013V = 1 m/s
S = m/m
23.Pompy i moc pompŚredni
Podczas próby pompa tłoczy 80 L/s wody (ρ = 1000 kg/m³) przy wysokości podnoszenia 14 m, a jej wał pobiera 15,7 kW. Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz sprawność pompy η w procentach.
Q = 80 L/sH = 14 mPshaft = 15,7 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompy i moc pompTrudny
Pompa przetłacza 50 L/s wody (ρ = 1000 kg/m³) z otwartego dolnego zbiornika do górnego zbiornika, którego zwierciadło wody leży 28 m wyżej. Rura ma długość 600 m, średnicę wewnętrzną 150 mm i współczynnik tarcia Darcy’ego f = 0,018; współczynniki strat miejscowych sumują się do ΣK = 8 (łącznie z wlotem i wylotem). Przyjmij g = 9,81 m/s². Górny zbiornik jest zamknięty, a powietrze nad wodą ma nadciśnienie 400 kPa. Wyznacz wysokość podnoszenia H, którą musi zapewnić pompa.
Renta wypłaca €1 500 na koniec każdego roku przez 17 lat. Stopa procentowa wynosi 7 % rocznie. Wyznacz wartość bieżącą PV renty.
A = €1 500i = 7%n = 17
PV = €
26.Wartość pieniądza w czasieTrudny
Na początku każdego roku przez 29 lat wpłacasz €6 000, pierwszą wpłatę dziś. Konto jest oprocentowane 7 % rocznie. Ile jest na koncie na koniec roku 29? Wyznacz FV.
A = €6 000i = 7%n = 29
FV = €
27.NPV i IRRŚredni
Inwestycja €75 000 daje na koniec lat od 1 do 3 takie przepływy: €34 000, €27 000, €37 000. Koszt kapitału wynosi 12 %. Wyznacz wartość bieżącą netto NPV.
Projekt kosztuje €10 000 i przynosi €5 500, €7 500 na koniec lat od 1 do 2. Wyznacz jego wewnętrzną stopę zwrotu IRR w procentach.
CF0 = −10 000CF1 = 5 500CF2 = 7 500
IRR = %
29.Rozkład normalnyŚredni
Rozkład wyników testu IQ jest normalny ze średnią 100 pkt i odchyleniem standardowym 15 pkt. Jaka część wartości leży między 76 a 130,75 pkt? Podaj P w postaci dziesiętnej.
μ = 100σ = 15x1 = 76x2 = 130,75
P =
30.Rozkład normalnyTrudny
Rozkład mas worków jest normalny ze średnią 250 g i odchyleniem standardowym 5 g. Przeciągnij wartość graniczną tak, aby zacieniowane górne 20% leżało na prawo od niej. Znajdź wartość graniczną x.
μ = 250 gσ = 5 g20%
x = g
3Roztwory
1.Reakcje podpór belek
Odpowiedź: RB = 43,13 kN
Równowaga statyczna: ciało w spoczynku ma ΣFx = 0, ΣFy = 0 i ΣM = 0 względem dowolnego punktu. Moment względem jednej podpory usuwa jej reakcję z równania.
Schemat sił
Zastąp podpory siłami reakcji. Podpora przesuwna daje jedną reakcję pionową; przy samych obciążeniach pionowych podpora nieprzesuwna też daje jedną reakcję pionową.
Równowaga
Momenty względem A, dodatnie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Potem równowaga sił pionowych.
ΣMA = 0: RB·8 = 20·5 + 35·7
RB = 345/8 = 43,13 kN
ΣFy = 0: RA = 55 − 43,13 = 11,88 kN
Odpowiedź
RB = 43,13 kN
2.Reakcje podpór belek
Odpowiedź: RB = 13 kN
Równowaga statyczna: ciało w spoczynku ma ΣFx = 0, ΣFy = 0 i ΣM = 0 względem dowolnego punktu. Moment względem jednej podpory usuwa jej reakcję z równania.
Schemat sił
Zastąp podpory siłami reakcji. Podpora przesuwna daje jedną reakcję pionową; przy samych obciążeniach pionowych podpora nieprzesuwna też daje jedną reakcję pionową.
Równowaga
Momenty względem A, dodatnie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Potem równowaga sił pionowych.
Wypadkowa obciążenia ciągłego: W = w·ℓ = 3·2 = 6 kN, przyłożona w x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 15·4 + 3·2·3
RB = 78/6 = 13 kN
ΣFy = 0: RA = 21 − 13 = 8 kN
Odpowiedź
RB = 13 kN
3.Kratownica: równoważenie węzłów
Odpowiedź: FAB = −12,58 kN
Metoda równoważenia węzłów: każdy węzeł kratownicy jest w równowadze, więc w każdym węźle ΣFx = 0 i ΣFy = 0. Zacznij od węzła z co najwyżej dwiema nieznanymi siłami. Wynik ujemny oznacza, że pręt jest ściskany.
Reakcje podpór
Równowaga całej kratownicy. Momenty względem A, dodatnie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
ΣMA = 0: Cy·8 = 15·2 → Cy = 3,75 kN
ΣFy = 0: Ay = 15 − 3,75 = 11,25 kN
Węzeł A
Załóż, że każdy pręt jest rozciągany (ciągnie od węzła). Tylko AB ma składową pionową w A.
sin α = 4/4,472 = 0,8944
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −11,25/0,8944 = −12,58 kN
Odpowiedź
FAB = −12,58 kN (ściskanie)
4.Kratownica: równoważenie węzłów
Odpowiedź: pręt CG
Pręty zerowe: w węźle siły muszą się równoważyć w każdym kierunku. Jeśli węzeł nie ma obciążenia ani podpory, a dwa z trzech jego prętów leżą na jednej prostej, to równowaga w kierunku prostopadłym do tej prostej dotyczy tylko trzeciego pręta, więc jego siła jest równa zeru. Jeśli w nieobciążonym węźle schodzą się tylko dwa pręty i nie leżą na jednej prostej, oba są zerowe.
Węzeł C
BC i CD leżą na jednej prostej, a węzeł nie jest obciążony. Równowaga sił w poprzek tej prostej dotyczy tylko CG.
ΣF⊥ = 0 → FCG = 0
Sprawdź metodą węzłów
Rozwiązanie wszystkich węzłów daje takie siły w prętach (T = rozciąganie, C = ściskanie).
Metoda przekrojów: przetnij belkę tam, gdzie chcesz znać siły wewnętrzne, i zostaw jedną stronę. Siła tnąca V równoważy siły pionowe po tej stronie, a moment zginający M ich momenty względem przekroju. Moment maksymalny: ponieważ dM/dx = V, moment zginający osiąga ekstremum tam, gdzie siła tnąca przechodzi przez zero, albo w miejscu siły skupionej, albo wewnątrz obciążenia ciągłego.
Reakcje podpór
Równowaga całej belki.
ΣMA = 0: RB·10 = 20·2 + 25·4
RB = 140/10 = 14 kN
ΣFy = 0: RA = 45 − 14 = 31 kN
Moment pod każdą siłą
Zostaw część na lewo od każdej siły.
pod P1: M = RA·2 = 31·2 = 62 kN·m
pod P2: M = RB·6 = 14·6 = 84 kN·m
Największa wartość
Mmax = 84 kN·m (pod P2)
Odpowiedź
Mmax = 84 kN·m
6.Siła tnąca i moment zginający
Odpowiedź: xc = 5,625 m
Metoda przekrojów: przetnij belkę tam, gdzie chcesz znać siły wewnętrzne, i zostaw jedną stronę. Siła tnąca V równoważy siły pionowe po tej stronie, a moment zginający M ich momenty względem przekroju. Moment maksymalny: ponieważ dM/dx = V, moment zginający osiąga ekstremum tam, gdzie siła tnąca przechodzi przez zero, albo w miejscu siły skupionej, albo wewnątrz obciążenia ciągłego.
Reakcje podpór
Równowaga całej belki, łącznie z obciążeniem na wsporniku.
Wypadkowa obciążenia ciągłego: W = w·ℓ = 4·7,5 = 30 kN, przyłożona w x̄ = 3,75 m
ΣMA = 0: RB·6 = 4·7,5·3,75
RB = 112,5/6 = 18,75 kN
ΣFy = 0: RA = 30 − 18,75 = 11,25 kN
Zerowy moment
Między podporami M(x) = RA·x − w·x²/2. Poza x = 0 jest równy zeru w x = 2RA/w.
RA·xc − w·xc²/2 = 0
xc = 2·11,25/4 = 5,625 m
Odpowiedź
xc = 5,625 m
7.Ugięcie belki
Odpowiedź: δmax = 18,71 mm
Ugięcie belek: ugięcia otrzymuje się, całkując dwukrotnie krzywiznę M/(EI). Typowe przypadki są stablicowane, na przykład PL³/(3EI) dla wspornika z siłą na końcu i 5wL⁴/(384EI) dla belki swobodnie podpartej z obciążeniem równomiernym na całej rozpiętości. Ugięcia od różnych obciążeń się sumują (superpozycja).
Spójne jednostki
Licz w N i mm: P w N, w w N/mm (kN/m = N/mm), L w mm, E w N/mm² (GPa × 1000), I w mm⁴.
w = 4 N/mm, L = 8000 mm
EI = 1,14 × 10¹³ N·mm²
Ugięcie
δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·4·8000⁴/(384·1,14 × 10¹³) = 18,71 mm
Odpowiedź
δmax = 18,71 mm
8.Ugięcie belki
Odpowiedź: δmax = 27,75 mm
Ugięcie belek: ugięcia otrzymuje się, całkując dwukrotnie krzywiznę M/(EI). Typowe przypadki są stablicowane, na przykład PL³/(3EI) dla wspornika z siłą na końcu i 5wL⁴/(384EI) dla belki swobodnie podpartej z obciążeniem równomiernym na całej rozpiętości. Ugięcia od różnych obciążeń się sumują (superpozycja).
Spójne jednostki
Licz w N i mm: P w N, w w N/mm (kN/m = N/mm), L w mm, E w N/mm² (GPa × 1000), I w mm⁴.
P = 17000 N, b = 1000 mm, L = 5000 mm
EI = 9,24 × 10¹¹ N·mm²
Położenie maksimum
Przyrównanie kąta obrotu na dłuższym odcinku do zera daje położenie.
x = √((L² − b²)/3) = √((5000² − 1000²)/3) = 2828 mm
Maksymalne ugięcie
δmax = Pb(L² − b²)3/2/(9√3·EIL) = 27,75 mm
Odpowiedź
δmax = 27,75 mm
9.Wyboczenie słupów
Odpowiedź: Pcr = 19,99 kN
Wyboczenie Eulera: smukły słup traci stateczność przy Pcr = π²EI/(KL)², gdzie KL to długość wyboczeniowa: K = 1 dla przegub–przegub, 2 dla utwierdzenie–wolny koniec, 0,7 dla utwierdzenie–przegub i 0,5 dla utwierdzenie–utwierdzenie. Wybocza się względem osi o najmniejszym I. Wzór dotyczy słupów smukłych, których naprężenie krytyczne jest mniejsze od granicy plastyczności.
Najmniejszy moment bezwładności
Prostokąt wybocza się względem słabszej osi, z mniejszym wymiarem do sześcianu.
Wyboczenie Eulera: smukły słup traci stateczność przy Pcr = π²EI/(KL)², gdzie KL to długość wyboczeniowa: K = 1 dla przegub–przegub, 2 dla utwierdzenie–wolny koniec, 0,7 dla utwierdzenie–przegub i 0,5 dla utwierdzenie–utwierdzenie. Wybocza się względem osi o najmniejszym I. Wzór dotyczy słupów smukłych, których naprężenie krytyczne jest mniejsze od granicy plastyczności.
Najmniejszy moment bezwładności
Przekrój kołowy ma to samo I względem każdej osi.
I = πd⁴/64 = π·60⁴/64 = 636173 mm⁴
Promień bezwładności i smukłość
A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 0,5·5000 = 2500 mm
KL/r = 2500/15 = 166,7
Naprężenie krytyczne
σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/166,7² = 71,06 MPa
Odpowiedź
σcr = 71,06 MPa
11.Środek ciężkości i moment bezwładności
Odpowiedź: Ix = 171,8 × 10⁶ mm⁴
Przekroje z otworami: traktuj otwór jako ujemne pole. Środek ciężkości to ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), gdzie A₁, y₁ dotyczą pełnej płyty, a A₂, y₂ otworu. Dla momentu bezwładności przekroju względem osi środkowej użyj twierdzenia Steinera dla każdej części i odejmij otwór: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), gdzie d to odległość środka ciężkości każdej części od osi przechodzącej przez ȳ. Prostokąt ma Ic = bh³/12, a koło Ic = πd⁴/64.
Środek ciężkości
ȳ = (36000·120 − 706,9·156)/(36000 − 706,9) = 119,3 mm
Pełna płyta względem ȳ
150·240³/12 + 36000·0,721² = 172,8 × 10⁶ mm⁴
Otwór względem ȳ
π·30⁴/64 + 706,9·36,72² = 0,9929 × 10⁶ mm⁴
Odejmij
Ix = 171,8 × 10⁶ mm⁴
Odpowiedź
Ix = 171,8 × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładności
Odpowiedź: σdół = 81,52 MPa
Przekroje złożone: podziel przekrój na prostokąty. Środek ciężkości to średnia ważona polami ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Moment bezwładności względem osi centralnej sumuje własne bh³/12 każdej części i człon Steinera A·d², gdzie d to odległość środka ciężkości części od środka ciężkości całości. Naprężenie od zginania to σ = M·y/I.
Podziel na dwa prostokąty
Mierz każde y od dolnej krawędzi.
półka: Af = 200·20 = 4000 mm², yf = 240 + 20/2 = 250 mm
środnik: Aw = 18·240 = 4320 mm², yw = 240/2 = 120 mm
Naprężenie efektywne (Terzaghi): szkielet gruntowy przenosi σ′ = σ − u. Naprężenie całkowite σ to ciężar wszystkiego nad punktem, Σγ·h, z ciężarem objętościowym suchym nad zwierciadłem wody i nasyconym poniżej. Poniżej zwierciadła ciśnienie wody w porach jest hydrostatyczne: u = γw·(głębokość poniżej zwierciadła).
Naprężenie całkowite
Dodaj ciężar każdej warstwy gruntu nad X. Nad zwierciadłem wody użyj ciężaru objętościowego suchego, poniżej nasyconego.
Naprężenie efektywne (Terzaghi): szkielet gruntowy przenosi σ′ = σ − u. Naprężenie całkowite σ to ciężar wszystkiego nad punktem, Σγ·h, z ciężarem objętościowym suchym nad zwierciadłem wody i nasyconym poniżej. Poniżej zwierciadła ciśnienie wody w porach jest hydrostatyczne: u = γw·(głębokość poniżej zwierciadła).
Naprężenie całkowite
Dodaj ciężar każdej warstwy gruntu nad X. Nad zwierciadłem wody użyj ciężaru objętościowego suchego, poniżej nasyconego.
σ = γd·2 + γsat,sand·1 + γsat,clay·2,5
σ = 16·2 + 19,5·1 + 18,5·2,5 = 97,75 kPa
Odpowiedź
σ = 97,75 kPa
15.Osiadanie konsolidacyjne
Odpowiedź: S = 7,173 mm
Konsolidacja pierwotna warstwy gliny o miąższości H, z naprężeniem efektywnym w środku warstwy: σ′f = σ′0 + Δσ. Glina normalnie skonsolidowana: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Glina prekonsolidowana ulega ponownemu ściśnięciu wzdłuż Cr aż do naprężenia prekonsolidacji σ′p, a dopiero powyżej niego podąża za Cc. Czas: t = Tv·Hdr²/cv, gdzie droga filtracji Hdr wynosi H/2, gdy woda może odpływać górą i dołem, oraz H, gdy drenaż jest tylko z jednej strony.
Porównaj z naprężeniem prekonsolidacji
σ′f = 65 + 15 = 80 kPa ≤ 125 kPa
Osiadanie
Glina pozostaje na linii ponownego ściskania.
S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,05·3,5/(1 + 1,2)·log₁₀(80/65) = 7,173 mm
Odpowiedź
S = 7,173 mm
16.Osiadanie konsolidacyjne
Odpowiedź: t = 1,231 lata
Konsolidacja pierwotna warstwy gliny o miąższości H, z naprężeniem efektywnym w środku warstwy: σ′f = σ′0 + Δσ. Glina normalnie skonsolidowana: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Glina prekonsolidowana ulega ponownemu ściśnięciu wzdłuż Cr aż do naprężenia prekonsolidacji σ′p, a dopiero powyżej niego podąża za Cc. Czas: t = Tv·Hdr²/cv, gdzie droga filtracji Hdr wynosi H/2, gdy woda może odpływać górą i dołem, oraz H, gdy drenaż jest tylko z jednej strony.
Droga filtracji
Hdr = H = 5 m
Czas
t = Tv·Hdr²/cv = 0,197·5²/4 = 1,231 lata
Odpowiedź
t = 1,231 lata
17.Parcie hydrostatyczne
Odpowiedź: F = 24,52 kN
Parcie hydrostatyczne na powierzchnię płaską: F = ρ·g·yc·A. Działa w środku parcia, ycp = yc + Ic/(ycA), który zawsze leży poniżej środka ciężkości.
Głębokość środka ciężkości i pole
yc = d + H/2 = 2 + 1/2 = 2,5 m
A = H·b = 1·1 = 1 m²
Siła wypadkowa
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,5·1 = 24,52 kN
Odpowiedź
F = 24,52 kN
18.Parcie hydrostatyczne
Odpowiedź: F = 213,7 kN
Parcie hydrostatyczne na powierzchnię płaską: F = ρ·g·yc·A. Działa w środku parcia, ycp = yc + Ic/(ycA), który zawsze leży poniżej środka ciężkości.
Głębokość środka ciężkości i pole
yc = d + H/2 = 4 + 3/2 = 5,5 m
A = H·b = 3·1,5 = 4,5 m²
Siła wypadkowa
F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·5,5·4,5 = 213,7 kN
Odpowiedź
F = 213,7 kN
19.Tarcie w rurach i straty wysokości
Odpowiedź: Δp = 101,4 kPa
Przepływ w rurach: liczba Reynoldsa Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ odróżnia przepływ laminarny (Re poniżej ok. 2000) od turbulentnego (powyżej ok. 4000). Tarcie wzdłuż rury powoduje stratę wysokości Darcy’ego–Weisbacha hf = f·(L/D)·V²/(2g). Kształtki, zawory, wlot i wylot dodają straty miejscowe hm = ΣK·V²/(2g). Między dwiema otwartymi powierzchniami zbiorników równanie energii daje Δz = hf + hm, z uwzględnioną stratą na wylocie K = 1.
Strata wysokości
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(400/0,25)·2,4²/(2·9,81) = 10,33 m
Spadek ciśnienia
Rura jest pozioma, a prędkość się nie zmienia, więc równanie energii upraszcza się do Δp = ρ·g·hf.
Przepływ w rurach: liczba Reynoldsa Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ odróżnia przepływ laminarny (Re poniżej ok. 2000) od turbulentnego (powyżej ok. 4000). Tarcie wzdłuż rury powoduje stratę wysokości Darcy’ego–Weisbacha hf = f·(L/D)·V²/(2g). Kształtki, zawory, wlot i wylot dodają straty miejscowe hm = ΣK·V²/(2g). Między dwiema otwartymi powierzchniami zbiorników równanie energii daje Δz = hf + hm, z uwzględnioną stratą na wylocie K = 1.
Prędkość
V = Q/A = 0,1/0,07069 = 1,415 m/s
V²/(2g) = 0,102 m
Współczynniki strat
f·L/D = 0,025·300/0,3 = 25
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 = 3,7
Równanie energii
Strumień na wylocie nadal niesie swoją wysokość prędkości; to nie strata, ale trzeba ją dostarczyć.
H = (1 + 25 + 3,7)·0,102 = 3,03 m
Odpowiedź
H = 3,03 m
21.Przepływ w kanałach otwartych (Manning)
Odpowiedź: Q = 0,2862 m³/s
Wzór Manninga (SI): dla przepływu jednostajnego w kanale otwartym V = (1/n)·R2/3·S1/2 i Q = A·V, gdzie n to współczynnik szorstkości, S to spadek dna (m/m), a R = A/P to promień hydrauliczny: pole przekroju przepływu podzielone przez obwód zwilżony. Do P wlicza się tylko brzeg stykający się z wodą, a nie swobodne zwierciadło. Prostokąt: A = b·y, P = b + 2y. Trapez o nachyleniu skarp z:1 (poziomo:pionowo): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Rura kołowa wypełniona całkowicie lub do połowy ma R = D/4.
Geometria
A = 0,3181 m², R = D/4 = 0,225 m
Prędkość
V = (1/0,013)·0,2252/3·0,0011/2 = 0,8999 m/s
Natężenie przepływu
Q = A·V = 0,3181·0,8999 = 0,2862 m³/s
Odpowiedź
Q = 0,2862 m³/s
22.Przepływ w kanałach otwartych (Manning)
Odpowiedź: S = 0,003968 m/m
Wzór Manninga (SI): dla przepływu jednostajnego w kanale otwartym V = (1/n)·R2/3·S1/2 i Q = A·V, gdzie n to współczynnik szorstkości, S to spadek dna (m/m), a R = A/P to promień hydrauliczny: pole przekroju przepływu podzielone przez obwód zwilżony. Do P wlicza się tylko brzeg stykający się z wodą, a nie swobodne zwierciadło. Prostokąt: A = b·y, P = b + 2y. Trapez o nachyleniu skarp z:1 (poziomo:pionowo): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Rura kołowa wypełniona całkowicie lub do połowy ma R = D/4.
Promień hydrauliczny
R = D/4 = 0,375/4 = 0,09375 m
Wyznacz S ze wzoru Manninga
S = (n·V/R2/3)² = (0,013·1/0,2064)² = 0,003968
Odpowiedź
S = 0,003968
To spadek o 3,968 m na kilometr.
23.Pompy i moc pomp
Odpowiedź: η = 69,98 %
Moc pompy: moc przekazana wodzie to moc hydrauliczna Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Wał musi dostarczyć więcej, bo pompa ma straty: Pshaft = Ph/ηpump, a silnik pobiera Pel = Pshaft/ηmotor. Wysokość podnoszenia pompy H wynika z równania energii: geometryczna wysokość podnoszenia + wysokość ciśnienia + wszystkie straty tarcia i miejscowe.
Moc hydrauliczna
Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,08·14 = 10,99 kW
Sprawność
η = Ph/Pshaft = 10,99/15,7 = 69,98%
Odpowiedź
η = 69,98%
24.Pompy i moc pomp
Odpowiedź: H = 101,4 m
Moc pompy: moc przekazana wodzie to moc hydrauliczna Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Wał musi dostarczyć więcej, bo pompa ma straty: Pshaft = Ph/ηpump, a silnik pobiera Pel = Pshaft/ηmotor. Wysokość podnoszenia pompy H wynika z równania energii: geometryczna wysokość podnoszenia + wysokość ciśnienia + wszystkie straty tarcia i miejscowe.
Oba zwierciadła są praktycznie w spoczynku, więc nie ma członu wysokości prędkości.
H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 28 + 40,77 + 32,64 = 101,4 m
Odpowiedź
H = 101,4 m
25.Wartość pieniądza w czasie
Odpowiedź: PV = 14645 €
Wartość pieniądza w czasie: pieniądz dziś jest wart więcej niż ta sama kwota później, bo może przynosić odsetki. Przy stopie i na okres kwota rośnie do FV = PV·(1 + i)n. Ciąg równych płatności (rentę) wycenia się, sumując wszystkie płatności, z czego wynikają wzory na rentę.
Współczynnik dyskontowy renty
(1 − (1 + i)−n)/i = (1 − 0,3166)/0,07 = 9,763
Wartość bieżąca
PV = 1 500·9,763 = €14 644,83
Odpowiedź
PV = €14 644,83
26.Wartość pieniądza w czasie
Odpowiedź: FV = 560765 €
Wartość pieniądza w czasie: pieniądz dziś jest wart więcej niż ta sama kwota później, bo może przynosić odsetki. Przy stopie i na okres kwota rośnie do FV = PV·(1 + i)n. Ciąg równych płatności (rentę) wycenia się, sumując wszystkie płatności, z czego wynikają wzory na rentę.
Współczynnik renty zwykłej
((1 + 0,07)29 − 1)/0,07 = 87,35
Renta płatna z góry
Każda wpłata jest inwestowana o rok dłużej.
FV = 6 000·87,35·1,07 = €560 764,72
Odpowiedź
FV = €560 764,72
27.NPV i IRR
Odpowiedź: NPV = 3217 €
Wartość bieżąca netto: zdyskontuj każdy przepływ do dziś wymaganą stopą zwrotu r i zsumuj: NPV = Σ CFₜ/(1 + r)ᵗ. Projekt z NPV > 0 zarabia więcej niż r i tworzy wartość. Wewnętrzna stopa zwrotu (IRR) to stopa, przy której NPV = 0.
Wartość bieżąca każdego przepływu
CF0 = −75 000
CF1/(1 + 0,12)1 = 34 000/1,12 = 30 357,14
CF2/(1 + 0,12)2 = 27 000/1,254 = 21 524,23
CF3/(1 + 0,12)3 = 37 000/1,405 = 26 335,87
Zsumuj
NPV = €3 217,25
Odpowiedź
NPV = €3 217,25
NPV jest dodatnia, więc projekt zarabia więcej niż wymagana stopa zwrotu.
28.NPV i IRR
Odpowiedź: IRR = 18,36 %
Wartość bieżąca netto: zdyskontuj każdy przepływ do dziś wymaganą stopą zwrotu r i zsumuj: NPV = Σ CFₜ/(1 + r)ᵗ. Projekt z NPV > 0 zarabia więcej niż r i tworzy wartość. Wewnętrzna stopa zwrotu (IRR) to stopa, przy której NPV = 0.
Ogranicz IRR z obu stron
NPV maleje, gdy stopa rośnie, więc IRR leży między stopą z dodatnią a stopą z ujemną NPV.
NPV(15%) = 453,69
NPV(20%) = −208,33
Zawężaj
Interpolacja liniowa daje pierwsze przybliżenie; powtarzanie jej (albo funkcja IRR kalkulatora) daje dokładną stopę.
IRR ≈ 15 + 5·453,69/(453,69 − (−208,33)) = 18,43%
dokładnie: NPV(18,36%) = 0 → IRR = 18,36%
Odpowiedź
IRR = 18,36%
29.Rozkład normalny
Odpowiedź: P = 0,925
Rozkład normalny: zamień wartość x na wynik z, z = (x − μ)/σ, który mówi, o ile odchyleń standardowych wartość leży od średniej. Tablica rozkładu normalnego (czyli Φ(z)) podaje pole na lewo od z, czyli P(X < x). Pole na prawo to 1 − Φ(z), a pole między dwiema wartościami to różnica ich dwóch pól.
Wyniki z
z₁ = (76 − 100)/15 = −1,6
z₂ = (130,75 − 100)/15 = 2,05
Pole pomiędzy
P = Φ(2,05) − Φ(−1,6) = 0,9798 − 0,0548 = 0,925
Odpowiedź
P = 0,925
30.Rozkład normalny
Odpowiedź: x = 254,2 g
Od pola z powrotem do z: Φ(z) to pole na lewo od z. Dla pola lewego ogona A znajdź w tablicy z, dla którego Φ(z) = A. Pole prawego ogona A oznacza Φ(z) = 1 − A. Pole środkowe A między −z a z zostawia (1 − A)/2 w każdym ogonie, więc Φ(z) = (1 + A)/2. Dla wartości x użyj x = μ + zσ.
Pole po lewej
Φ(z) = 0,8
z z tablicy
z ≈ 0,84
Z powrotem do pierwotnych jednostek
x = 250 + 0,84·5 = 254,2 g
Odpowiedź
x = 254,2 g
To niezależne materiały do ćwiczeń. ExamProblems nie jest powiązane z organizacją przeprowadzającą ten egzamin ani przez nią rekomendowane, a nazwa egzaminu służy wyłącznie do opisu treści. Egzamin FE exam prowadzi NCEES, organizacja niezwiązana z ExamProblems, która go nie popiera.