Przygotowanie do egzaminu FE Civil: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 30 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadaniaWróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Reakcje podpór belek

Równowaga
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Obciążenie równomierne
wypadkowa w·L w środku obciążenia
Moment
M = F·d

Metoda

  1. Narysuj schemat sił i zastąp każdą podporę jej reakcjami.
  2. Zastąp każde obciążenie ciągłe jedną siłą przyłożoną w jego środku ciężkości.
  3. Napisz równanie momentów względem jednej podpory, aby wyznaczyć reakcję w drugiej.
  4. Z ΣFy = 0 wyznacz pozostałą reakcję i sprawdź drugim równaniem momentów.

Kratownica: równoważenie węzłów

Metoda równoważenia węzłów
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
Metoda przekrojów
ΣM = 0 about a cut point
Siła w pręcie
dodatnia = rozciąganie, ujemna = ściskanie

Metoda

  1. Wyznacz reakcje podpór całej kratownicy.
  2. Metoda równoważenia węzłów: zacznij od węzła z co najwyżej dwiema nieznanymi siłami w prętach i użyj ΣFx = 0 oraz ΣFy = 0.
  3. Metoda Rittera (przekrojów): przetnij potrzebny pręt i napisz równanie momentów względem punktu, w którym przecinają się pozostałe nieznane pręty.
  4. Załóż rozciąganie; wynik ujemny oznacza ściskanie.

Siła tnąca i moment zginający

Siła tnąca i moment
V = ΣF po jednej stronie, M = ΣF·d po jednej stronie
Naprężenie od zginania
σ = M·y/I
Prostokąt
I = bh³/12
Wskaźnik wytrzymałości przekroju
W = I/ymax
Swobodnie podparta, obciążenie równomierne
Mmax = wL²/8

Metoda

  1. Wyznacz reakcje podpór z równowagi całej belki.
  2. Przetnij belkę w potrzebnym przekroju i zostaw jedną stronę.
  3. Siła tnąca: suma sił pionowych po tej stronie. Moment zginający: suma ich momentów względem przekroju.
  4. Aby znaleźć moment maksymalny, wyznacz miejsce, w którym siła tnąca jest równa zeru.

Ugięcie belki

Siła skupiona w środku rozpiętości
δ = PL³/(48EI)
Obciążenie równomierne, belka swobodnie podparta
δ = 5wL⁴/(384EI)
Wspornik, siła na końcu
δ = PL³/(3EI)
Wspornik, obciążenie równomierne
δ = wL⁴/(8EI)
Superpozycja
δ = δ1 + δ2

Wyboczenie słupów

Siła krytyczna Eulera
Pcr = π²EI/(KL)²
Współczynnik długości wyboczeniowej
K = 1 przegub–przegub, 0,5 utwierdzenie–utwierdzenie, 0,7 utwierdzenie–przegub, 2 utwierdzenie–wolny koniec
Naprężenie krytyczne
σcr = Pcr/A
Smukłość
λ = KL/r, r = √(I/A)

Środek ciężkości i moment bezwładności

Środek ciężkości
ȳ = ΣAiyi/ΣAi
Prostokąt
I = bh³/12
Twierdzenie Steinera
I = Ic + A·d²
Przekrój złożony
I = Σ(Ic,i + Aidi²)

Naprężenie efektywne w gruncie

Naprężenie całkowite
σ = Σγi·hi
Ciśnienie wody w porach
u = γw·(z − zw)
Naprężenie efektywne
σ′ = σ − u
Woda
γw = 9,81 kN/m³

Osiadanie konsolidacyjne

Normalnie skonsolidowany
S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0)
Naprężenie końcowe
σ′f = σ′0 + Δσ (at mid-depth of the layer)
Prekonsolidowany, σ′f ≤ σ′p
S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0)
Prekonsolidowany, σ′f > σ′p
S = H/(1 + e0)·[Cr·log₁₀(σ′p/σ′0) + Cc·log₁₀(σ′f/σ′p)]
Wskaźnik prekonsolidacji
OCR = σ′p/σ′0
Czas konsolidacji
t = Tv·Hdr²/cv
Droga filtracji
Hdr = H/2 (drenaż dwustronny), H (drenaż jednostronny)
Czynniki czasu
U 50% → 0,197, 60% → 0,287, 70% → 0,403, 80% → 0,567, 90% → 0,848

Parcie hydrostatyczne

Ciśnienie na głębokości
p = ρgh
Parcie na ścianę pionową
F = ρg·hc·A
Środek parcia
yp = yc + Ic/(ycA)
Prostokąt
Ic = bH³/12

Tarcie w rurach i straty wysokości

Liczba Reynoldsa
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Charakter przepływu
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

  1. Narysuj oś czasu z każdym przepływem pieniężnym i jego terminem.
  2. Dopasuj stopę do okresu: miesięczna stopa dla miesięcznych płatności.
  3. Użyj FV = PV·(1 + i)ⁿ dla pojedynczych kwot i wzorów na rentę dla równych płatności.
  4. 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

  1. Wypisz wszystkie przepływy pieniężne z ich rokiem; inwestycja w roku 0 jest ujemna.
  2. Zdyskontuj każdy przepływ: CFt/(1 + r)t.
  3. Zsumuj je, aby otrzymać NPV. Wartość dodatnia oznacza, że projekt zarabia więcej niż r.
  4. 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

  1. Zamień wartość na wynik standaryzowany: z = (x − μ)/σ.
  2. Odczytaj Φ(z), pole na lewo od z.
  3. Dla pola na prawo użyj 1 − Φ(z); dla przedziału odejmij dwa pola lewostronne.
  4. Dla percentyla licz wstecz: wyznacz z dla pola, a potem x = μ + z·σ.

2Zadania do ćwiczenia

1.Reakcje podpór belekŚredni
w = 3 kN/mP = 65 kNABRA​ = ?2,5 m3,5 m

Wspornik jest utwierdzony w ścianie w A. Przenosi obciążenie równomiernie rozłożone w na całej długości i siłę skupioną P w odległości 2,5 m od ściany. Wyznacz reakcję pionową RA w ścianie.

L = 6 mP = 65 kN w 2,5 mw = 3 kN/m od 0 do 6 m
RA = kN
2.Reakcje podpór belekTrudny
w = 2 kN/mP = 25 kNADCMA​ = ?6 m2 m2 m

Belka złożona jest utwierdzona w ścianie w A, ma przegub wewnętrzny w C (6 m od A) i opiera się na podporze przesuwnej w D (10 m od A). Przenosi siłę skupioną P w odległości 8 m od A, obciążenie równomiernie rozłożone w na całej części CD. Wyznacz wartość momentu utwierdzenia MA w ścianie.

AC = 6 mAD = 10 mP = 25 kN w 8 mw = 2 kN/m od 6 do 10 m
MA = kN·m
3.Kratownica: równoważenie węzłówŚredni
ABCDEFGH25 kN20 kN40 kN4 × 4 m4 m

Dokładnie jeden pręt tej kratownicy nie przenosi siły przy tych obciążeniach. Który to pręt zerowy? Kliknij go na rysunku.

B: 25 kN ↓F: 20 kN ↓G: 40 kN ↓
  1. 1pręt AB
  2. 2pręt BC
  3. 3pręt CD
  4. 4pręt DE
  5. 5pręt FG
  6. 6pręt GH
  7. 7pręt AF
  8. 8pręt HE
  9. 9pręt BF
  10. 10pręt CG
  11. 11pręt DH
  12. 12pręt FC
  13. 13pręt HC
4.Kratownica: równoważenie węzłówTrudny
ABCDEFGH20 kN35 kN25 kN20 kN4 × 4 m3 m

Dokładnie jeden pręt tej kratownicy nie przenosi siły przy tych obciążeniach. Który to pręt zerowy? Kliknij go na rysunku.

B: 20 kN ↓D: 35 kN ↓G: 25 kN ↓H: 20 kN ←
  1. 1pręt AB
  2. 2pręt BC
  3. 3pręt CD
  4. 4pręt DE
  5. 5pręt FG
  6. 6pręt GH
  7. 7pręt AF
  8. 8pręt HE
  9. 9pręt BF
  10. 10pręt CG
  11. 11pręt DH
  12. 12pręt BG
  13. 13pręt DG
5.Siła tnąca i moment zginającyŚredni
w = 10 kN/mABprzekrój2,5 m2,5 m

Wyznacz moment zginający Mx w przekroju x = 2,5 m od podpory A. Przyjmij dodatnie momenty rozciągające dolne włókna i dodatnią siłę tnącą skierowaną w górę na lewej ściance.

L = 5 mw = 10 kN/m od 0 do 5 mx = 2,5 m
Mx = kN·m
6.Siła tnąca i moment zginającyTrudny
4 kN/m35 kN45 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 m

Punkty od A do G dzielą belkę na sześć równych części. W którym punkcie moment zginający ma największą wartość bezwzględną, dodatni lub ujemny? Kliknij go na rysunku.

35 kN @ 12 m45 kN @ 6 m4 kN/m, 0–8 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
7.Ugięcie belkiŚredni
P = 13 kNABδ3 m2 m

Wspornik o długości L jest utwierdzony w A i przenosi siłę skupioną P w odległości a = 3 m od A. Wyznacz ugięcie δB swobodnego końca B.

P = 13 kNa = 3 mL = 5 mE = 70 GPa (aluminium)I = 57 × 10⁶ mm⁴
δB = mm
8.Ugięcie belkiTrudny
P = 55 kNAB3 m3 m

Belka jest utwierdzona w A i swobodnie podparta w B. Przenosi siłę skupioną P w środku rozpiętości. EI jest stałe. Wyznacz wartość momentu zginającego MA w utwierdzeniu.

L = 6 mP = 55 kN w 3 m
MA = kN·m
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 1,5 m20 × 100 mmprzekrój poprzeczny

Słup o długości L z materiału (stal) jest przegubowo podparty na obu końcach. Korzystając ze wzoru Eulera, wyznacz jego siłę krytyczną Pcr.

L = 1,5 mE = 200 GPa (stal)b × h = 20 × 100 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
P = 115 kNL = 2,5 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (stal) jest utwierdzony na obu końcach. Ma przenieść 115 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 2 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 115 kNn = 2L = 2,5 mE = 200 GPa (stal)
d = mm
11.Środek ciężkości i moment bezwładnościŚredni
2002018012xwymiary w mm

Wyznacz moment bezwładności Ix przekroju teowego względem poziomej osi x przechodzącej przez jego środek ciężkości.

bf = 200 mmtf = 20 mmtw = 12 mmhw = 180 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładnościTrudny
160152008xM = 40 kN·mwymiary w mm

Przekrój teowy pracuje jako belka z półką u góry i przenosi dodatni moment zginający 40 kN·m. Wyznacz wartość naprężenia od zginania σgóra na górnej krawędzi.

bf = 160 mmtf = 15 mmtw = 8 mmhw = 200 mmM = 40 kN·m
σgóra = MPa
13.Naprężenie efektywne w gruncieŚredni
piasekγd​ = 16 kN/m³γsat​ = 20,5 kN/m³14 mzwierciadło wody gruntowejXz = 7 m

Dla pokazanego profilu gruntu wyznacz ciśnienie wody w porach u w punkcie X.

z = 7 mzw = 2 mγw = 9,81 kN/m³piasek: γd = 16 kN/m³piasek: γsat = 20,5 kN/m³
u = kPa
14.Naprężenie efektywne w gruncieTrudny
piasekγd​ = 16 kN/m³γsat​ = 19,5 kN/m³3 mglinaγsat​ = 18 kN/m³8 mzwierciadło wody gruntowejXz = 7 m

Dla pokazanego profilu gruntu wyznacz pionowe naprężenie efektywne σ′ w punkcie X.

z = 7 mzw = 2 mγw = 9,81 kN/m³piasek: γd = 16 kN/m³piasek: γsat = 19,5 kN/m³glina: γsat = 18 kN/m³
σ′ = kPa
15.Osiadanie konsolidacyjneŚredni
Δσ = 55 kPapiasekglinaCc​ = 0,3, Cr​ = 0,03e0​ = 0,95σ′0​ = 105 kPaσ′p​ = 225 kPa3,5 mzwierciadło wody gruntowej

Warstwa gliny prekonsolidowanej o miąższości 3,5 m ma Cc = 0,3, Cr = 0,03 i e₀ = 0,95. W połowie jej głębokości efektywne naprężenie pionowe wynosi 105 kPa i naprężenie prekonsolidacji wynosi 225 kPa. Nowy budynek zwiększa naprężenie pionowe w połowie głębokości o 55 kPa. Wyznacz osiadanie konsolidacyjne pierwotne S w mm.

H = 3,5 mCc = 0,3Cr = 0,03e0 = 0,95σ′0 = 105 kPaσ′p = 225 kPaΔσ = 55 kPa
S = mm
16.Osiadanie konsolidacyjneTrudny
piasekglinaH = 10 mcv​ = 2,5 m²/rok10 mpiasekzwierciadło wody gruntowej

Warstwa gliny o miąższości 10 m ma współczynnik konsolidacji cv = 2,5 m²/rok. Leży między dwiema warstwami piasku, więc woda odpływa górą i dołem. Dla średniego stopnia konsolidacji 90% czynnik czasu wynosi Tv = 0,848. Po ilu latach t warstwa osiągnie 90% konsolidacji?

H = 10 mcv = 2,5 m²/rokU = 90%Tv = 0,848drenaż dwustronny
t = lata
17.Parcie hydrostatyczneŚredni
zasuwad = 1 mH = 2,5 m

Pionowa prostokątna zasuwa o szerokości 1 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 = 2,5 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
18.Parcie hydrostatyczneTrudny
zasuwad = 3 mH = 3 m

Pionowa prostokątna zasuwa o szerokości 2 m znajduje się w ścianie zbiornika z cieczą (woda morska), z górną krawędzią 3 m pod powierzchnią. Wyznacz głębokość ycp środka parcia pod powierzchnią.

d = 3 mH = 3 mb = 2 mρ = 1025 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
19.Tarcie w rurach i straty wysokościŚredni
Q = 25 L/sD = 250 mmL = 400 mf = 0,02

Woda płynie z natężeniem 25 L/s przez rurę o długości 400 m i średnicy wewnętrznej 250 mm. Przyjmij współczynnik tarcia Darcy’ego f = 0,02 i g = 9,81 m/s². Wyznacz stratę wysokości na tarcie hf.

Q = 25 L/sL = 400 mD = 250 mmf = 0,02g = 9,81 m/s²
hf = m
20.Tarcie w rurach i straty wysokościTrudny
K = 2Δz = 34 mL = 150 m, D = 100 mm, f = 0,0184× kolano (K = 0,3)

Dwa otwarte zbiorniki są połączone rurą o długości 150 m, średnicy wewnętrznej 100 mm i współczynniku tarcia Darcy’ego f = 0,018. Zwierciadło wody w górnym zbiorniku leży 34 m wyżej niż w dolnym. Straty miejscowe to: wlot o ostrej krawędzi (K = 0,5), kolana w liczbie 4 (K = 0,3 każde), zawór (K = 2) i wylot do dolnego zbiornika (K = 1,0). Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz natężenie przepływu Q w L/s.

Δz = 34 mL = 150 mD = 100 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
21.Przepływ w kanałach otwartych (Manning)Średni
b = 2 my = 2 mn = 0,012, S = 0,005

Prostokątny kanał (wygładzony beton) ma szerokość 2 m. Woda płynie ruchem jednostajnym na głębokości 2 m. Współczynnik Manninga n = 0,012, a spadek dna S = 0,005. Wyznacz natężenie przepływu Q w m³/s.

b = 2 my = 2 mn = 0,012S = 0,005
Q = m³/s
22.Przepływ w kanałach otwartych (Manning)Trudny
b = 4,5 my = 2,5 mn = 0,022, Q = 26 m³/s

Prostokątny kanał (czysty grunt) o szerokości 4,5 m ma przeprowadzić 26 m³/s w przepływie jednostajnym przy głębokości 2,5 m. Współczynnik Manninga n = 0,022. Wyznacz wymagany spadek dna S (w m/m).

Q = 26 m³/sb = 4,5 my = 2,5 mn = 0,022
S = m/m
23.Pompy i moc pompŚredni
PQ = 30 L/sH = 68 m

Pompa o sprawności 75% tłoczy 30 L/s wody (ρ = 1000 kg/m³) przy wysokości podnoszenia 68 m. Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz potrzebną moc na wale Pshaft, w kW.

Q = 30 L/sH = 68 mη = 75%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompy i moc pompTrudny
PQ = 120 L/sΔz = 14 mL = 400 m, D = 250 mm, f = 0,02, ΣK = 8

Pompa przetłacza 120 L/s wody (ρ = 1000 kg/m³) z otwartego dolnego zbiornika do górnego zbiornika, którego zwierciadło wody leży 14 m wyżej. Rura ma długość 400 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. Sprawność pompy wynosi 85%. Wyznacz moc na wale Pshaft w kW.

Q = 120 L/sΔz = 14 mL = 400 mD = 250 mmf = 0,02ΣK = 8η = 85%
Pshaft = kW
25.Wartość pieniądza w czasieŚredni
lata0123…10PV = ?€1 000€1 000€1 000€1 000

Renta wypłaca €1 000 na koniec każdego roku przez 10 lat. Stopa procentowa wynosi 6 % rocznie. Wyznacz wartość bieżącą PV renty.

A = €1 000i = 6%n = 10
PV = €
26.Wartość pieniądza w czasieTrudny
miesiące0123…300€250 000A?AAA

Kredyt €250 000 spłaca się równymi ratami miesięcznymi przez 25 lat. Oprocentowanie wynosi 7,2 % rocznie z miesięczną kapitalizacją. Wyznacz ratę miesięczną A.

P = €250 0007,2% / 12N = 300
A = €
27.NPV i IRRŚredni
lata0123…8€30 000€2 000€2 000€2 000€2 000r = 12%, EAC = ?

Maszyna kosztuje dziś €30 000, działa przez 8 lat, a jej eksploatacja kosztuje €2 000 rocznie (płatne na koniec każdego roku). Koszt kapitału wynosi 12 %. Wyznacz jej równoważny koszt roczny EAC.

C0 = €30 000M = €2 000n = 8r = 12%
EAC = €
28.NPV i IRRTrudny
r (%)NPVABr* = ?0

Projekt A kosztuje €30 000 i przynosi €17 000, €11 500, €6 500 na koniec lat od 1 do 3. Projekt B kosztuje €40 000 i przynosi €11 500, €15 500, €21 000. Wyznacz stopę graniczną r*, przy której oba projekty mają to samo NPV, w procentach.

A: −30 000, 17 000, 11 500, 6 500B: −40 000, 11 500, 15 500, 21 000
r* = %
29.Rozkład normalnyŚredni
400 g407,6 gT = X₁ + … + X₁₀?

Masy śrub są niezależne i mają rozkład normalny ze średnią 40 g i odchyleniem standardowym 1,2 g. Wyznacz prawdopodobieństwo P, że łączna masa 10 z nich będzie mniejsza niż 407,6 g. Zaokrąglij z do dwóch miejsc po przecinku.

μ = 40 gσ = 1,2 gn = 10< 407.6 g
P =
30.Rozkład normalnyTrudny
10 cm0X − Y?

Wzrost X mężczyzn i wzrost Y kobiet w grupie są niezależnymi zmiennymi o rozkładzie normalnym: X ma średnią 180 cm i odchylenie standardowe 10 cm, Y ma średnią 170 cm i odchylenie standardowe 12 cm. Wyznacz prawdopodobieństwo P, że X jest większe od Y. Zaokrąglij z do dwóch miejsc po przecinku.

μX = 180 cm, σX = 10 cmμY = 170 cm, σY = 12 cm
P =

3Roztwory

1.Reakcje podpór belek

Odpowiedź: RA = 83 kN

Równowaga wspornika: utwierdzenie może pchać w górę i również przeciwdziałać obrotowi, więc daje reakcję pionową RA i moment utwierdzenia MA. ΣFy = 0 daje RA, a momenty względem ściany dają MA = Σ(obciążenie × odległość od ściany). Obciążenie ciągłe działa jak jego wypadkowa w środku ciężkości wykresu obciążenia.

Wypadkowa obciążenia ciągłego

W = 3·6 = 18 kN, x̄ = 3 m

Równowaga sił pionowych

RA = P + W = 65 + 18 = 83 kN

Odpowiedź

RA = 83 kN
2.Reakcje podpór belek

Odpowiedź: MA = 99 kN·m

Równowaga statyczna: ciało w spoczynku spełnia ΣFx = 0, ΣFy = 0 i ΣM = 0 względem dowolnego punktu. Zastąp każde obciążenie ciągłe jego wypadkową (polem wykresu obciążenia) przyłożoną w środku ciężkości wykresu obciążenia i licz momenty względem podpory, aby usunąć z równania reakcję tej podpory. Przegub wewnętrzny nie może przenieść momentu zginającego, co daje jedno dodatkowe równanie: moment względem przegubu sił po jednej stronie jest równy zeru.

Część CD

W przegubie nie ma momentu, więc momenty względem C dla samej części CD muszą się równoważyć.

W = 2·4 = 8 kN w 2 m od C
ΣMC = 0: RD·4 = 25·2 + 8·2
RD = 16,5 kN
VC = 33 − 16,5 = 16,5 kN

Część AC

Siła w przegubie VC działa na AC w dół (równa co do wartości i przeciwnie skierowana do działania na CD).

RA = 16,5 = 16,5 kN
MA = 16,5·6 = 99 kN·m

Odpowiedź

MA = 99 kN·m
3.Kratownica: równoważenie węzłów

Odpowiedź: pręt DH

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 D

CD i DE leżą na jednej prostej, a węzeł nie jest obciążony. Równowaga sił w poprzek tej prostej dotyczy tylko DH.

ΣF⊥ = 0 → FDH = 0

Sprawdź metodą węzłów

Rozwiązanie wszystkich węzłów daje takie siły w prętach (T = rozciąganie, C = ściskanie).

AB: 53,75 kN (T), BC: 53,75 kN (T), CD: 31,25 kN (T), DE: 31,25 kN (T), FG: 62,5 kN (C), GH: 62,5 kN (C), AF: 76,01 kN (C), HE: 44,19 kN (C), BF: 25 kN (T), CG: 40 kN (C), DH: 0, FC: 12,37 kN (T), HC: 44,19 kN (T)

Odpowiedź

Pręt zerowy: DH
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).

AB: 33,33 kN (T), BC: 60 kN (T), CD: 60 kN (T), DE: 53,33 kN (T), FG: 53,33 kN (C), GH: 73,33 kN (C), AF: 66,67 kN (C), HE: 66,67 kN (C), BF: 40 kN (T), CG: 0, DH: 40 kN (T), BG: 33,33 kN (C), DG: 8,333 kN (C)

Odpowiedź

Pręt zerowy: CG
5.Siła tnąca i moment zginający

Odpowiedź: Mx = 31,25 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 = 10·5 = 50 kN, przyłożona w x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 10·5·2,5
RB = 125/5 = 25 kN
ΣFy = 0: RA = 50 − 25 = 25 kN
w = 10 kN/mABRA​ = 25RB​ = 25przekrój2,5 m2,5 m

Przetnij w x = 2,5 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 = 25·2,5 − 10·2,5·1,25 = 31,25 kN·m

Odpowiedź

Mx = 31,25 kN·m
6.Siła tnąca i moment zginający

Odpowiedź: E (x = 8 m)

Największy moment zginający: nachylenie wykresu M zmienia się tam, gdzie zmienia się siła tnąca, więc jego maksima leżą tam, gdzie siła tnąca przechodzi przez zero: pod siłą skupioną, wewnątrz obciążenia ciągłego albo nad podporą przy wsporniku. W utwierdzeniu belki wspornikowej moment jest największy przy ścianie. Porównaj wartości M w tych miejscach, zarówno dodatnie (zginanie „w dół”), jak i ujemne.

Reakcje podpór

Zapisz momenty względem jednej podpory, a potem użyj bilansu sił pionowych.

R1 = 9,75 kN, R2 = 102,3 kN

Moment zginający w każdym punkcie

Zsumuj momenty wszystkich sił po jednej stronie przekroju. Zginanie „w dół” jest dodatnie, „w górę” ujemne.

MA = 0, MB = 11,5, MC = 7, MD = −13,5, ME = −140 kN·m, MF = −70, MG = 0

Odpowiedź

Punkt E: ME = −140 kN·m
7.Ugięcie belki

Odpowiedź: δB = 58,65 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 = 13000 N, a = 3000 mm, L = 5000 mm
EI = 3,99 × 10¹² N·mm²

Ugięcie swobodnego końca

Ugięcie pod siłą plus kąt obrotu pod siłą razy pozostała długość.

δP = Pa³/(3EI) = 29,32 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0,01466 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 58,65 mm

Odpowiedź

δB = 58,65 mm
8.Ugięcie belki

Odpowiedź: MA = 61,88 kN·m

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). W belce statycznie niewyznaczalnej usuń podporę nadliczbową i zażądaj, aby ugięcie w tym miejscu było równe zeru (warunek zgodności).

Usuń podporę przesuwną

Bez podpory przesuwnej belka jest wspornikiem. Jej swobodny koniec ugiąłby się pod obciążeniem.

δload = P(L/2)²(3L − L/2)/(6EI) = 5PL³/(48EI)

Warunek zgodności przemieszczeń na podporze

Sama reakcja podpory RB podnosi swobodny koniec o RBL³/(3EI). Podpora utrzymuje B przy zerowym ugięciu, więc oba ugięcia muszą się znosić. EI się skraca.

RB·L³/(3EI) = 5PL³/(48EI) → RB = 5P/16 = 5·55/16 = 17,19 kN

Moment w utwierdzeniu

Momenty obciążeń i reakcji podpory względem A.

MA = P·L/2 − RB·L = 165 − 103,1 = 61,88 kN·m

Odpowiedź

MA = 61,88 kN·m
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 58,49 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.

Imin = h·b³/12 = 100·20³/12 = 66667 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 1·1500 = 1500 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·66667/1500² = 58487 N = 58,49 kN

Odpowiedź

Pcr = 58,49 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 43,88 mm

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 = 2·115000 = 230000 N
KL = 0,5·2500 = 1250 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·230000·1250²/(π³·200000))^(1/4) = 43,88 mm

Odpowiedź

d = 43,88 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 113,9, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

11.Środek ciężkości i moment bezwładności

Odpowiedź: Ix = 19,99 × 10⁶ mm⁴

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 = 180 + 20/2 = 190 mm
środnik: Aw = 12·180 = 2160 mm², yw = 180/2 = 90 mm

Środek ciężkości

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (4000·190 + 2160·90)/6160 = 154,9 mm

Twierdzenie Steinera

półka: 200·20³/12 + 4000·(190 − 154,9)² = 5,052 × 10⁶ mm⁴
środnik: 12·180³/12 + 2160·(90 − 154,9)² = 1,494 × 10⁷ mm⁴
Ix = 5,052 × 10⁶ + 1,494 × 10⁷ = 1,999 × 10⁷ mm⁴ = 19,99 × 10⁶ mm⁴

Odpowiedź

Ix = 19,99 × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładności

Odpowiedź: σgóra = 122,6 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 = 160·15 = 2400 mm², yf = 200 + 15/2 = 207,5 mm
środnik: Aw = 8·200 = 1600 mm², yw = 200/2 = 100 mm

Środek ciężkości

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (2400·207,5 + 1600·100)/4000 = 164,5 mm

Twierdzenie Steinera

półka: 160·15³/12 + 2400·(207,5 − 164,5)² = 4,483 × 10⁶ mm⁴
środnik: 8·200³/12 + 1600·(100 − 164,5)² = 1,199 × 10⁷ mm⁴
Ix = 4,483 × 10⁶ + 1,199 × 10⁷ = 1,647 × 10⁷ mm⁴

Naprężenie od zginania

Górna krawędź jest w odległości h − ȳ od osi.

y = 215 − 164,5 = 50,5 mm
σ = M·y/I = 4 × 10⁷·50,5/1,647 × 10⁷ = 122,6 MPa

Odpowiedź

σgóra = 122,6 MPa
13.Naprężenie efektywne w gruncie

Odpowiedź: u = 49,05 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).

Ciśnienie wody w porach

Ciśnienie wody rośnie z głębokością poniżej zwierciadła.

u = γw·(z − zw) = 9,81·5 = 49,05 kPa

Odpowiedź

u = 49,05 kPa
14.Naprężenie efektywne w gruncie

Odpowiedź: σ′ = 74,45 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·4
σ = 16·2 + 19,5·1 + 18·4 = 123,5 kPa

Ciśnienie wody w porach

Ciśnienie wody rośnie z głębokością poniżej zwierciadła.

u = γw·(z − zw) = 9,81·5 = 49,05 kPa

Naprężenie efektywne

σ′ = σ − u = 123,5 − 49,05 = 74,45 kPa

Odpowiedź

σ′ = 74,45 kPa
15.Osiadanie konsolidacyjne

Odpowiedź: S = 9,85 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 = 105 + 55 = 160 kPa ≤ 225 kPa

Osiadanie

Glina pozostaje na linii ponownego ściskania.

S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,03·3,5/(1 + 0,95)·log₁₀(160/105) = 9,85 mm

Odpowiedź

S = 9,85 mm
16.Osiadanie konsolidacyjne

Odpowiedź: t = 8,48 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 = 10/2 = 5 m

Czas

t = Tv·Hdr²/cv = 0,848·5²/2,5 = 8,48 lata

Odpowiedź

t = 8,48 lata
17.Parcie hydrostatyczne

Odpowiedź: F = 55,18 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 + 2,5/2 = 2,25 m
A = H·b = 2,5·1 = 2,5 m²
zasuwad = 1 mH = 2,5 mF

Siła wypadkowa

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,25·2,5 = 55,18 kN

Odpowiedź

F = 55,18 kN
18.Parcie hydrostatyczne

Odpowiedź: ycp = 4,667 m

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 = 3 + 3/2 = 4,5 m
A = H·b = 3·2 = 6 m²
zasuwad = 3 mH = 3 mF

Siła wypadkowa

F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·4,5·6 = 271,5 kN

Środek parcia

Ciśnienie rośnie z głębokością, więc wypadkowa działa poniżej środka ciężkości.

Ic = b·H³/12 = 2·3³/12 = 4,5 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 4,5 + 4,5/(4,5·6) = 4,667 m

Odpowiedź

ycp = 4,667 m
19.Tarcie w rurach i straty wysokości

Odpowiedź: hf = 0,423 m

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 średnia

A = π·0,25²/4 = 0,04909 m²
V = Q/A = 0,025/0,04909 = 0,5093 m/s

Wysokość prędkości

V²/(2g) = 0,5093²/(2·9,81) = 0,01322 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(400/0,25)·0,5093²/(2·9,81) = 0,423 m

Odpowiedź

hf = 0,423 m
20.Tarcie w rurach i straty wysokości

Odpowiedź: Q = 36,03 L/s

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.

Współczynniki strat

f·L/D = 0,018·150/0,1 = 27
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 + 1,0 = 4,7

Równanie energii

Obie powierzchnie są otwarte do atmosfery i praktycznie w spoczynku, więc całe Δz jest tracone w rurze.

34 = (27 + 4,7)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·34/31,7) = 4,587 m/s

Natężenie przepływu

Q = V·π·D²/4 = 4,587·0,007854 = 0,03603 m³/s = 36,03 L/s

Odpowiedź

Q = 36,03 L/s
21.Przepływ w kanałach otwartych (Manning)

Odpowiedź: Q = 17,99 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·y = 2·2 = 4 m²
P = b + 2y = 2 + 2·2 = 6 m
R = A/P = 0,6667 m

Prędkość

V = (1/0,012)·0,66672/3·0,0051/2 = 4,497 m/s

Natężenie przepływu

Q = A·V = 4·4,497 = 17,99 m³/s

Odpowiedź

Q = 17,99 m³/s
22.Przepływ w kanałach otwartych (Manning)

Odpowiedź: S = 0,002063 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·y = 4,5·2,5 = 11,25 m²
P = b + 2y = 4,5 + 2·2,5 = 9,5 m
R = A/P = 1,184 m

Wyznacz S ze wzoru Manninga

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,022·26/(11,25·1,119) = 0,04542
S = 0,04542² = 0,002063

Odpowiedź

S = 0,002063

To spadek o 2,063 m na kilometr.

23.Pompy i moc pomp

Odpowiedź: Pshaft = 26,68 kW

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 = 1000·9,81·0,03·68 = 20,01 kW

Moc na wale

Pshaft = Ph/η = 20,01/0,75 = 26,68 kW

Odpowiedź

Pshaft = 26,68 kW
24.Pompy i moc pomp

Odpowiedź: Pshaft = 36,26 kW

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.

Prędkość

V = Q/A = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s
V²/(2g) = 0,3046 m

Straty wysokości

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (32 + 8)·0,3046 = 12,18 m

Wysokość podnoszenia pompy

H = Δz + hL = 14 + 12,18 = 26,18 m

Moc na wale

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,12·26,18/0,85 = 36,26 kW

Odpowiedź

Pshaft = 36,26 kW
25.Wartość pieniądza w czasie

Odpowiedź: PV = 7360 €

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 − 0,5584)/0,06 = 7,36

Wartość bieżąca

PV = 1 000·7,36 = €7 360,09

Odpowiedź

PV = €7 360,09
26.Wartość pieniądza w czasie

Odpowiedź: A = 1799 €

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 miesięczna i liczba rat

i = 0,07200000000000001/12 = 0,006
N = 12·25 = 300

Rata

Wartość bieżąca N równych płatności A wynosi A·(1 − (1 + i)⁻ᴺ)/i. Przyrównaj ją do kredytu i wyznacz A.

(1 + i)−N = 0,1662
A = 250 000·0,006/(1 − 0,1662) = €1 798,97

Odpowiedź

A = €1 798,97
27.NPV i IRR

Odpowiedź: EAC = 8039 €

Równoważny koszt roczny: rozłóż wartość bieżącą wszystkich kosztów na okres użytkowania jako równą kwotę roczną (rentę): EAC = PV·r/(1 − (1 + r)⁻ⁿ). Pozwala to porównywać maszyny o różnych okresach użytkowania.

Współczynnik dyskontowy renty

(1 − 1,12−8)/0,12 = 4,968

Zannualizowana cena zakupu

30 000/4,968 = 6 039,09

EAC

EAC = 6 039,09 + 2 000 = €8 039,09

Odpowiedź

EAC = €8 039,09
28.NPV i IRR

Odpowiedź: r* = 7,55 %

Stopa graniczna (punkt Fishera): stopa dyskontowa, przy której dwa projekty mają to samo NPV. Jest to IRR różnicy ich przepływów (B − A). Poniżej niej wyższe NPV ma projekt z późniejszymi, większymi przepływami; powyżej wygrywa drugi.

Różnica przepływów

ΔCF0 = −40 000 − (−30 000) = −10 000
ΔCF1 = 11 500 − 17 000 = −5 500
ΔCF2 = 15 500 − 11 500 = 4 000
ΔCF3 = 21 000 − 6 500 = 14 500

IRR różnicy

NPVΔ(7%) = 189,89
NPVΔ(8%) = −152,67
r* = 7,55%

Odpowiedź

r* = 7,55%

Sprawdzenie: przy 7,55% oba NPV wynoszą €973,81.

29.Rozkład normalny

Odpowiedź: P = 0,9772

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 sumy całkowitej

μT = 400 g, σT = 1,2·√10 = 3,795 g

Standaryzuj

z = (407,6 − 400)/3,795 = 2

Prawdopodobieństwo

P = Φ(2) = 0,9772

Odpowiedź

P = 0,9772
30.Rozkład normalny

Odpowiedź: P = 0,7389

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 = 180 − 170 = 10 cm, σ = 15,62 cm

Standaryzuj

z = (0 − 10)/15,62 = −0,64

Prawdopodobieństwo

P = 1 − Φ(−0,64) = 0,7389

Odpowiedź

P = 0,7389

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.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-civil