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 RA.
L = 4 mP1 = 60 kN w 2,5 mP2 = 25 kN w 3 m
RA = kN
2.Reakcje podpór belekTrudny
Belka swobodnie podparta ma podporę przegubową nieprzesuwną w A i przesuwną w B. Wyznacz pionową reakcję podpory RA.
L = 5 mP = 20 kN w 3,5 mw = 10 kN/m od 3 do 5 m
RA = kN
3.Kratownica: równoważenie węzłówŚredni
Użyj metody równoważenia węzłów, aby wyznaczyć siłę FBC w pręcie BC. Rozciąganie podaj jako dodatnie, a ściskanie jako ujemne.
rozpiętość = 8 mwysokość = 4 mB jest 7 m od Aobciążenie pionowe = 25 kN
FBC = kN
4.Kratownica: równoważenie węzłówTrudny
Użyj metody równoważenia węzłów, aby wyznaczyć siłę FAC w pręcie AC. Rozciąganie podaj jako dodatnie, a ściskanie jako ujemne.
rozpiętość = 4 mwysokość = 4 mB jest 3 m od Aobciążenie pionowe = 60 kNobciążenie poziome = 5 kN →
FAC = kN
5.Siła tnąca i moment zginającyŚredni
Wspornik jest utwierdzony w A. Przenosi obciążenie równomiernie rozłożone w na całej długości oraz siłę skupioną P w odległości 2 m od A. Wyznacz moment zginający MA w utwierdzeniu A. Przyjmij dodatnie momenty rozciągające dolne włókna i dodatnią siłę tnącą skierowaną w górę na lewej ściance.
L = 2 mP = 55 kN w 2 mw = 12 kN/m od 0 do 2 m
MA = kN·m
6.Siła tnąca i moment zginającyTrudny
Wyznacz moment zginający Mx w przekroju x = 7 m od podpory A. Przyjmij dodatnie momenty rozciągające dolne włókna i dodatnią siłę tnącą skierowaną w górę na lewej ściance.
L = 8 mP = 55 kN w 7 mw = 2 kN/m od 0 do 8 mx = 7 m
Mx = kN·m
7.Ugięcie belkiŚredni
Belka swobodnie podparta przenosi obciążenie równomiernie rozłożone w na całej rozpiętości. Wyznacz maksymalne ugięcie δmax w środku rozpiętości.
w = 8 kN/mL = 3 mE = 70 GPa (aluminium)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.Ugięcie belkiTrudny
Belka swobodnie podparta przenosi obciążenie równomiernie rozłożone w. Jej ugięcie nie może przekroczyć rozpiętość/360. Wyznacz najmniejszy moment bezwładności Ireq, który spełnia ten warunek.
w = 12 kN/mL = 5 mE = 200 GPa (stal)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Wyboczenie słupówŚredni
Słup o długości L z materiału (aluminium) jest utwierdzony u podstawy i przegubowo podparty u góry. Korzystając ze wzoru Eulera, wyznacz jego siłę krytyczną Pcr.
L = 6 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 25 × 80 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
Pełny słup okrągły o długości L z materiału (aluminium) jest utwierdzony u podstawy i wolny u góry. Ma przenieść 105 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 2,5 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.
P = 105 kNn = 2,5L = 6 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
11.Środek ciężkości i moment bezwładnościŚredni
Płyta 150 mm × 240 mm ma okrągły otwór o średnicy 50 mm na pionowej osi symetrii, ze środkiem 168 mm nad dolną krawędzią. Wyznacz moment bezwładności przekroju Ix względem osi poziomej przechodzącej przez środek ciężkości.
b = 150 mmh = 240 mmd = 50 mmśrodek otworu: y = 168 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładnościTrudny
Przekrój teowy pracuje jako belka z półką u góry i przenosi dodatni moment zginający 20 kN·m. Wyznacz naprężenie od zginania σdół na dolnej krawędzi.
Warstwa gliny prekonsolidowanej o miąższości 4 m ma Cc = 0,25, Cr = 0,02 i e₀ = 0,8. W połowie jej głębokości efektywne naprężenie pionowe wynosi 70 kPa i naprężenie prekonsolidacji wynosi 100 kPa. Nowy budynek zwiększa naprężenie pionowe w połowie głębokości o 80 kPa. Wyznacz osiadanie konsolidacyjne pierwotne S w mm.
Warstwa gliny o miąższości 4 m ma współczynnik konsolidacji cv = 3 m²/rok. Leży między dwiema warstwami piasku, więc woda odpływa górą i dołem. Dla średniego stopnia konsolidacji 80% czynnik czasu wynosi Tv = 0,567. Po ilu latach t warstwa osiągnie 80% konsolidacji?
Pionowa prostokątna zasuwa o szerokości 3 m znajduje się w ścianie zbiornika z cieczą (woda), z górną krawędzią 1 m pod powierzchnią. Wyznacz wypadkową siłę parcia hydrostatycznego F na zasuwę.
d = 1 mH = 3 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
18.Parcie hydrostatyczneTrudny
Pionowa prostokątna zasuwa o szerokości 2 m znajduje się w ścianie zbiornika z cieczą (woda morska), z górną krawędzią 1,5 m pod powierzchnią. Wyznacz wypadkową siłę parcia hydrostatycznego F na zasuwę.
Woda (ρ = 1000 kg/m³) płynie z prędkością 2,7 m/s przez poziomą rurę o długości 500 m i średnicy wewnętrznej 100 mm. Przyjmij współczynnik tarcia Darcy’ego f = 0,02 i g = 9,81 m/s². Wyznacz spadek ciśnienia Δp na rurze w kPa.
Rura o długości 200 m i średnicy wewnętrznej 300 mm (współczynnik tarcia Darcy’ego f = 0,022) wychodzi z otwartego zbiornika i wypływa swobodnym strumieniem do atmosfery. Straty miejscowe to: wlot o ostrej krawędzi (K = 0,5), kolana w liczbie 2 (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 75 L/s?
Trapezowy kanał (żwir) ma szerokość dna 2 m i nachylenie skarp 3:1 (poziomo:pionowo). Woda płynie ruchem jednostajnym na głębokości 1,3 m. Współczynnik Manninga n = 0,025, a spadek dna S = 0,003. Wyznacz natężenie przepływu Q w m³/s.
b = 2 my = 1,3 mz = 3n = 0,025S = 0,003
Q = m³/s
22.Przepływ w kanałach otwartych (Manning)Trudny
Trapezowy kanał (grunt porośnięty trawą) o szerokości dna 4 m i nachyleniu skarp 1,5:1 (poziomo:pionowo) ma przeprowadzić 19 m³/s w przepływie jednostajnym przy głębokości 1,4 m. Współczynnik Manninga n = 0,03. Wyznacz wymagany spadek dna S (w m/m).
Q = 19 m³/sb = 4 my = 1,4 mz = 1,5n = 0,03
S = m/m
23.Pompy i moc pompŚredni
Pompa tłoczy 30 L/s wody (ρ = 1000 kg/m³) przy wysokości podnoszenia 72 m. Sprawność pompy wynosi 75%, a napędzającego ją silnika elektrycznego 95%. Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz moc elektryczną Pel pobieraną przez silnik, w kW.
Pompa przetłacza 80 L/s wody (ρ = 1000 kg/m³) z otwartego dolnego zbiornika do górnego zbiornika, którego zwierciadło wody leży 18 m wyżej. Rura ma długość 150 m, średnicę wewnętrzną 250 mm i współczynnik tarcia Darcy’ego f = 0,02; współczynniki strat miejscowych sumują się do ΣK = 8 (łącznie z wlotem i wylotem). Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz wysokość podnoszenia H, którą musi zapewnić pompa.
Za 8 lat potrzebujesz €20 000. Konto daje 4 % rocznie z kapitalizacją kwartalną. Ile musisz wpłacić dziś? Wyznacz wartość bieżącą PV.
FV = €20 0004% / 4n = 8
PV = €
26.Wartość pieniądza w czasieTrudny
Kredyt hipoteczny €200 000 jest spłacany w równych ratach miesięcznych przez 20 lat przy 3,6 % rocznie z kapitalizacją miesięczną. Ile pozostaje do spłaty tuż po racie na koniec roku 12? Wyznacz saldo zadłużenia B.
P = €200 0003,6% / 12N = 240k = 144
B = €
27.NPV i IRRŚredni
Inwestycja €45 000 daje na koniec lat od 1 do 3 takie przepływy: €22 000, €19 000, €15 000. Koszt kapitału wynosi 12 %. Wyznacz wartość bieżącą netto NPV.
Projekt kosztuje €10 000 i przynosi €6 500, €6 000 na koniec lat od 1 do 2. Wyznacz jego wewnętrzną stopę zwrotu IRR w procentach.
CF0 = −10 000CF1 = 6 500CF2 = 6 000
IRR = %
29.Rozkład normalnyŚredni
Przeciągnij z tak, aby zacieniowane pole pod standardową krzywą normalną, na prawo od z, wynosiło 0,9418. Znajdź z z dokładnością do dwóch miejsc po przecinku.
A = 0,9418
z =
30.Rozkład normalnyTrudny
Średnice otworów D mają rozkład normalny ze średnią 25,03 mm i odchyleniem standardowym 0,02 mm. Średnice wałów d są niezależne i mają rozkład normalny ze średnią 25 mm i odchyleniem standardowym 0,02 mm. Losowo wybrany wał pasuje, gdy D − d > 0. Wyznacz prawdopodobieństwo P, że pasuje. Zaokrąglij z do dwóch miejsc po przecinku.
otwór: μ = 25,03 mm, σ = 0,02 mmwał: μ = 25 mm, σ = 0,02 mm
P =
3Roztwory
1.Reakcje podpór belek
Odpowiedź: RA = 28,75 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·4 = 60·2,5 + 25·3
RB = 225/4 = 56,25 kN
ΣFy = 0: RA = 85 − 56,25 = 28,75 kN
Odpowiedź
RA = 28,75 kN
2.Reakcje podpór belek
Odpowiedź: RA = 10 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 = 10·2 = 20 kN, przyłożona w x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·5 = 20·3,5 + 10·2·4
RB = 150/5 = 30 kN
ΣFy = 0: RA = 40 − 30 = 10 kN
Odpowiedź
RA = 10 kN
3.Kratownica: równoważenie węzłów
Odpowiedź: FBC = −22,55 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 = 25·7 → Cy = 21,88 kN
ΣFy = 0: Ay = 25 − 21,88 = 3,125 kN
Węzeł C
Podpora przesuwna daje tylko reakcję pionową, więc w węźle C są tylko dwie nieznane siły w prętach. Załóż, że oba pręty są rozciągane.
sin γ = 4/4,123 = 0,9701, cos γ = 1/4,123 = 0,2425
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·4 = 60·3 + 5·4 → Cy = 50 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 50 = 10 kN
ΣFx = 0: Ax = −5 kN
Węzeł C
Podpora przesuwna daje tylko reakcję pionową, więc w węźle C są tylko dwie nieznane siły w prętach. Załóż, że oba pręty są rozciągane.
sin γ = 4/4,123 = 0,9701, cos γ = 1/4,123 = 0,2425
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.
Zostaw część ze swobodnym końcem
P: −55·2 = −110 kN·m
w: −12·2²/2 = −24 kN·m
MA = −110 − 24 = −134 kN·m
Odpowiedź
MA = −134 kN·m
Wartość ujemna oznacza moment ujemny: rozciągane są górne włókna.
6.Siła tnąca i moment zginający
Odpowiedź: Mx = 55,13 kN·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.
Reakcje podpór
Równowaga całej belki.
Wypadkowa obciążenia ciągłego: W = w·ℓ = 2·8 = 16 kN, przyłożona w x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·8 = 55·7 + 2·8·4
RB = 449/8 = 56,13 kN
ΣFy = 0: RA = 71 − 56,13 = 14,88 kN
Przetnij w x = 7 m i zostaw lewą część
Uwzględniasz tylko siły na lewo od przekroju. Fragment obciążenia ciągłego działa jak jedna siła w środku tego fragmentu.
M = RA·x − (każde obciążenie na lewo od przekroju × jego odległość od przekroju)
Mx = 14,88·7 − 2·7·3,5 = 55,13 kN·m
Odpowiedź
Mx = 55,13 kN·m
7.Ugięcie belki
Odpowiedź: δmax = 5,241 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 = 8 N/mm, L = 3000 mm
EI = 1,61 × 10¹² N·mm²
Ugięcie
δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·8·3000⁴/(384·1,61 × 10¹²) = 5,241 mm
Odpowiedź
δmax = 5,241 mm
8.Ugięcie belki
Odpowiedź: Ireq = 35,16 × 10⁶ mm⁴
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).
Warunek ugięcia
δallow = L/360 = 5000/360 = 13,89 mm
Wymagany moment bezwładności
I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·12·5000⁴/(384·200000·13,89) = 3,516 × 10⁷ mm⁴
Ireq = 35,16 × 10⁶ mm⁴
Odpowiedź
Ireq = 35,16 × 10⁶ mm⁴
9.Wyboczenie słupów
Odpowiedź: Pcr = 4,08 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.
Wymagana siła krytyczna
Pcr = n·P = 2,5·105000 = 262500 N
KL = 2·6000 = 12000 mm
Wyznacz średnicę
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·262500·12000²/(π³·70000))^(1/4) = 182,7 mm
Odpowiedź
d = 182,7 mm
Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 262,7, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.
11.Środek ciężkości i moment bezwładności
Odpowiedź: Ix = 167,7 × 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 − 1963·168)/(36000 − 1963) = 117,2 mm
Pełna płyta względem ȳ
150·240³/12 + 36000·2,769² = 173,1 × 10⁶ mm⁴
Otwór względem ȳ
π·50⁴/64 + 1963·50,77² = 5,368 × 10⁶ mm⁴
Odejmij
Ix = 167,7 × 10⁶ mm⁴
Odpowiedź
Ix = 167,7 × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładności
Odpowiedź: σdół = 72,1 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 = 160·20 = 3200 mm², yf = 220 + 20/2 = 230 mm
środnik: Aw = 20·220 = 4400 mm², yw = 220/2 = 110 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.
Ciśnienie wody rośnie z głębokością poniżej zwierciadła.
u = γw·(z − zw) = 9,81·11 = 107,9 kPa
Naprężenie efektywne
σ′ = σ − u = 219,5 − 107,9 = 111,6 kPa
Odpowiedź
σ′ = 111,6 kPa
14.Naprężenie efektywne w gruncie
Odpowiedź: σ′ = 63,85 kPa
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·3,5
σ = 15·2 + 18,5·1 + 17·3,5 = 108 kPa
Ciśnienie wody w porach
Ciśnienie wody rośnie z głębokością poniżej zwierciadła.
u = γw·(z − zw) = 9,81·4,5 = 44,15 kPa
Naprężenie efektywne
σ′ = σ − u = 108 − 44,15 = 63,85 kPa
Odpowiedź
σ′ = 63,85 kPa
15.Osiadanie konsolidacyjne
Odpowiedź: S = 104,7 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 = 70 + 80 = 150 kPa > 100 kPa
Osiadanie
Ponowne ściskanie do σ′p, ściskanie pierwotne powyżej.
S = 0,02·4/(1 + 0,8)·log₁₀(100/70) + 0,25·4/(1 + 0,8)·log₁₀(150/100)
S = 6,885 + 97,83 = 104,7 mm
Odpowiedź
S = 104,7 mm
16.Osiadanie konsolidacyjne
Odpowiedź: t = 0,756 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/2 = 4/2 = 2 m
Czas
t = Tv·Hdr²/cv = 0,567·2²/3 = 0,756 lata
Odpowiedź
t = 0,756 lata
17.Parcie hydrostatyczne
Odpowiedź: F = 220,7 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 = 1 + 3/2 = 2,5 m
A = H·b = 3·3 = 9 m²
Siła wypadkowa
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,5·9 = 220,7 kN
Odpowiedź
F = 220,7 kN
18.Parcie hydrostatyczne
Odpowiedź: F = 40,22 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 = 1,5 + 1/2 = 2 m
A = H·b = 1·2 = 2 m²
Siła wypadkowa
F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·2·2 = 40,22 kN
Odpowiedź
F = 40,22 kN
19.Tarcie w rurach i straty wysokości
Odpowiedź: Δp = 364,5 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) = 0,02·(500/0,1)·2,7²/(2·9,81) = 37,16 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 = 0,075/0,07069 = 1,061 m/s
V²/(2g) = 0,05738 m
Współczynniki strat
f·L/D = 0,022·200/0,3 = 14,67
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 = 3,1
Równanie energii
Strumień na wylocie nadal niesie swoją wysokość prędkości; to nie strata, ale trzeba ją dostarczyć.
H = (1 + 14,67 + 3,1)·0,05738 = 1,077 m
Odpowiedź
H = 1,077 m
21.Przepływ w kanałach otwartych (Manning)
Odpowiedź: Q = 13,88 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 = (b + z·y)·y = (2 + 3·1,3)·1,3 = 7,67 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 2 + 2·1,3·√(1 + 3²) = 10,22 m
R = A/P = 0,7503 m
Prędkość
V = (1/0,025)·0,75032/3·0,0031/2 = 1,809 m/s
Natężenie przepływu
Q = A·V = 7,67·1,809 = 13,88 m³/s
Odpowiedź
Q = 13,88 m³/s
22.Przepływ w kanałach otwartych (Manning)
Odpowiedź: S = 0,004811 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.
Geometria
A = (b + z·y)·y = (4 + 1,5·1,4)·1,4 = 8,54 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 4 + 2·1,4·√(1 + 1,5²) = 9,048 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.
Moc hydrauliczna
Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,03·72 = 21,19 kW
Moc na wale
Pshaft = 21,19/0,75 = 28,25 kW
Moc elektryczna
Pel = 28,25/0,95 = 29,74 kW
Odpowiedź
Pel = 29,74 kW
24.Pompy i moc pomp
Odpowiedź: H = 20,71 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 otwarte i praktycznie w spoczynku, więc człony ciśnienia i prędkości znikają.
H = Δz + hL = 18 + 2,708 = 20,71 m
Odpowiedź
H = 20,71 m
25.Wartość pieniądza w czasie
Odpowiedź: PV = 14546 €
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.
Stopa i liczba okresów
i = 0,04/4 = 0,01
N = 4·8 = 32
Wartość bieżąca
PV = FV/(1 + i)N = 20 000/1,375 = €14 546,08
Odpowiedź
PV = €14 546,08
26.Wartość pieniądza w czasie
Odpowiedź: B = 97485 €
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.
To, co pozostaje do spłaty, musi zostać dokładnie spłacone pozostałymi ratami.
N − k = 240 − 144 = 96
B = 1170·(1 − (1 + 0,003)−96)/0,003 = €97 485,46
Odpowiedź
B = €97 485,46
27.NPV i IRR
Odpowiedź: NPV = 466,2 €
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 = −45 000
CF1/(1 + 0,12)1 = 22 000/1,12 = 19 642,86
CF2/(1 + 0,12)2 = 19 000/1,254 = 15 146,68
CF3/(1 + 0,12)3 = 15 000/1,405 = 10 676,70
Zsumuj
NPV = €466,24
Odpowiedź
NPV = €466,24
NPV jest dodatnia, więc projekt zarabia więcej niż wymagana stopa zwrotu.
28.NPV i IRR
Odpowiedź: IRR = 16,5 %
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%) = 189,04
NPV(20%) = −416,67
Zawężaj
Interpolacja liniowa daje pierwsze przybliżenie; powtarzanie jej (albo funkcja IRR kalkulatora) daje dokładną stopę.
IRR ≈ 15 + 5·189,04/(189,04 − (−416,67)) = 16,56%
dokładnie: NPV(16,5%) = 0 → IRR = 16,5%
Odpowiedź
IRR = 16,5%
29.Rozkład normalny
Odpowiedź: z = −1,57
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 na lewo od z
Φ(z) = 1 − 0,9418 = 0,0582
Czytaj tablicę z wstecz
Znajdź 0,0582 wewnątrz tablicy i odczytaj z.
z = −1,57
Odpowiedź
z = −1,57
30.Rozkład normalny
Odpowiedź: P = 0,8554
Sumy i różnice zmiennych normalnych: jeśli X i Y są niezależne i mają rozkład normalny, to X + Y i X − Y również mają rozkład normalny. Średnie dodają się lub odejmują: E(X ± Y) = μX ± μY. Wariancje zawsze się dodają, także dla różnicy: Var(X ± Y) = σX² + σY², więc σ = √(σX² + σY²). Odchylenia standardowe nigdy nie dodają się bezpośrednio. Suma n niezależnych elementów o tym samym rozkładzie ma średnią n·μ i odchylenie standardowe σ·√n. Potem standaryzuj jak zwykle: z = (x − średnia)/σ i odczytaj Φ(z).
Rozkład różnicy
μ = 25,03 − 25 = 0,03 mm, σ = 0,02828 mm
Standaryzuj
z = (0 − 0,03)/0,02828 = −1,06
Prawdopodobieństwo
P = 1 − Φ(−1,06) = 0,8554
Odpowiedź
P = 0,8554
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.