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 ma podporę nieprzesuwną w A i przesuwną w B, w odległości 4 m od A, i wystaje poza B aż do swobodnego końca C. Wyznacz reakcję pionową RA, przyjmując zwrot w górę jako dodatni.
AB = 4 mAC = 6 mP1 = 65 kN w 2 mP2 = 40 kN w 6 m
RA = kN
2.Reakcje podpór belekTrudny
Belka swobodnie podparta ma podporę przegubową nieprzesuwną w A i przesuwną w B. Wyznacz pionową reakcję podpory RB.
L = 10 mP = 15 kN w 5 mw = 10 kN/m od 8 do 10 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 = 4 mwysokość = 4 mB jest 1 m od Aobciążenie pionowe = 25 kN
FAB = kN
4.Kratownica: równoważenie węzłówTrudny
Użyj metody równoważenia węzłów, aby wyznaczyć siłę FBC w pręcie BC. Rozciąganie podaj jako dodatnie, a ściskanie jako ujemne.
rozpiętość = 4 mwysokość = 3 mB jest 1 m od Aobciążenie pionowe = 10 kNobciążenie poziome = 5 kN ←
FBC = kN
5.Siła tnąca i moment zginającyŚredni
Wyznacz moment zginający Mx w przekroju x = 1 m od podpory A. Przyjmij dodatnie momenty rozciągające dolne włókna i dodatnią siłę tnącą skierowaną w górę na lewej ściance.
L = 6 mw = 3 kN/m od 0 do 6 mx = 1 m
Mx = kN·m
6.Siła tnąca i moment zginającyTrudny
Wyznacz moment zginający Mx w przekroju x = 4 m od podpory A. Przyjmij dodatnie momenty rozciągające dolne włókna i dodatnią siłę tnącą skierowaną w górę na lewej ściance.
L = 5 mP = 25 kN w 3,5 mw = 3 kN/m od 0 do 5 mx = 4 m
Mx = kN·m
7.Ugięcie belkiŚredni
Wspornik przenosi obciążenie równomiernie rozłożone w na całej długości i siłę skupioną P na swobodnym końcu. Korzystając z superpozycji, wyznacz ugięcie δ swobodnego końca.
P = 6 kNw = 10 kN/mL = 2 mE = 11 GPa (drewno konstrukcyjne)I = 160 × 10⁶ mm⁴
δ = 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 = 6 kN/mL = 6 mE = 70 GPa (aluminium)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Wyboczenie słupówŚredni
Słup o długości L z materiału (stal) jest utwierdzony u podstawy i przegubowo podparty u góry. Korzystając ze wzoru Eulera, wyznacz jego siłę krytyczną Pcr.
L = 1 mE = 200 GPa (stal)d = 20 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
Pełny słup okrągły o długości L z materiału (aluminium) jest przegubowo podparty na obu końcach. Ma przenieść 30 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 2 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.
P = 30 kNn = 2L = 1,5 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
11.Środek ciężkości i moment bezwładnościŚredni
Ceownik leży otwartą stroną do góry: płaskownik podstawy o szerokości 220 mm z dwoma pionowymi ramionami, o całkowitej wysokości 140 mm. Podstawa i ramiona mają grubość 10 mm. Wyznacz jego moment bezwładności Ix względem poziomej osi x przechodzącej przez środek ciężkości.
b = 220 mmh = 140 mmt = 10 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładnościTrudny
Płyta 100 mm × 150 mm ma prostokątne wycięcie o szerokości 40 mm i wysokości 20 mm, umieszczone na pionowej osi symetrii, ze środkiem 105 mm nad dolną krawędzią. Wyznacz moment bezwładności przekroju Ix względem osi poziomej przechodzącej przez środek ciężkości.
b = 100 mmh = 150 mmwycięcie: 40 × 20 mmśrodek otworu: y = 105 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
13.Naprężenie efektywne w gruncieŚredni
Dla pokazanego profilu gruntu wyznacz pionowe naprężenie efektywne σ′ w punkcie X.
Warstwa gliny prekonsolidowanej o miąższości 6 m ma Cc = 0,4, Cr = 0,05 i e₀ = 1,15. W połowie jej głębokości efektywne naprężenie pionowe wynosi 110 kPa i wskaźnik prekonsolidacji wynosi OCR = 1,5. Nowy budynek zwiększa naprężenie pionowe w połowie głębokości o 60 kPa. Wyznacz osiadanie konsolidacyjne pierwotne S w mm.
W laboratoryjnym badaniu edometrycznym próbka gliny o grubości 25 mm, drenowana górą i dołem, osiąga 50% konsolidacji po 10 min. W terenie ta sama glina tworzy warstwę o miąższości 9,5 m. Leży między dwiema warstwami piasku, więc woda odpływa górą i dołem. Po ilu dniach t warstwa w terenie osiągnie 50% konsolidacji?
Pionowa prostokątna zasuwa o szerokości 1,5 m znajduje się w ścianie zbiornika z cieczą (woda), z górną krawędzią 4 m pod powierzchnią. Wyznacz wypadkową siłę parcia hydrostatycznego F na zasuwę.
Pionowa prostokątna zasuwa o szerokości 1,5 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 2,5 m/s przez poziomą rurę o długości 150 m i średnicy wewnętrznej 50 mm. Przyjmij współczynnik tarcia Darcy’ego f = 0,015 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 = 0,02) 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 = 5). Przyjmij g = 9,81 m/s². O ile H zwierciadło wody w zbiorniku musi leżeć wyżej niż wylot rury, aby natężenie przepływu wynosiło 80 L/s?
Trapezowy kanał (niewygładzony beton) ma szerokość dna 2 m i nachylenie skarp 3:1 (poziomo:pionowo). Woda płynie ruchem jednostajnym na głębokości 1,2 m. Współczynnik Manninga n = 0,014, a spadek dna S = 0,002. Wyznacz natężenie przepływu Q w m³/s.
b = 2 my = 1,2 mz = 3n = 0,014S = 0,002
Q = m³/s
22.Przepływ w kanałach otwartych (Manning)Trudny
Prostokątny kanał (mur ceglany) o szerokości 2 m ma przeprowadzić 12 m³/s w przepływie jednostajnym przy głębokości 2,5 m. Współczynnik Manninga n = 0,015. Wyznacz wymagany spadek dna S (w m/m).
Q = 12 m³/sb = 2 my = 2,5 mn = 0,015
S = m/m
23.Pompy i moc pompŚredni
Podczas próby pompa tłoczy 40 L/s wody (ρ = 1000 kg/m³) przy wysokości podnoszenia 22 m, a jej wał pobiera 10,5 kW. Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz sprawność pompy η w procentach.
Q = 40 L/sH = 22 mPshaft = 10,5 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pompy i moc pompTrudny
Pompa przetłacza 60 L/s wody (ρ = 1000 kg/m³) z otwartego dolnego zbiornika do górnego zbiornika, którego zwierciadło wody leży 11 m wyżej. Rura ma długość 300 m, średnicę wewnętrzną 200 mm i współczynnik tarcia Darcy’ego f = 0,015; współczynniki strat miejscowych sumują się do ΣK = 5 (łącznie z wlotem i wylotem). Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz wysokość podnoszenia H, którą musi zapewnić pompa.
Za 9 lat potrzebujesz €15 000. Konto daje 4,8 % rocznie z kapitalizacją kwartalną. Ile musisz wpłacić dziś? Wyznacz wartość bieżącą PV.
FV = €15 0004,8% / 4n = 9
PV = €
26.Wartość pieniądza w czasieTrudny
Kredyt €150 000 spłaca się równymi ratami miesięcznymi przez 20 lat. Oprocentowanie wynosi 2,4 % rocznie z miesięczną kapitalizacją. Wyznacz ratę miesięczną A.
P = €150 0002,4% / 12N = 240
A = €
27.NPV i IRRŚredni
Projekt kosztuje dziś €500 000. Na koniec pierwszego roku przynosi €66 000, a potem przepływ rośnie o 1 % rocznie bez końca. Koszt kapitału wynosi 12 %. Wyznacz wartość bieżącą netto NPV.
C0 = €500 000CF1 = €66 000g = 1%r = 12%
NPV = €
28.NPV i IRRTrudny
Projekt kosztuje €10 000 i przynosi €5 000, €6 000 na koniec lat od 1 do 2. Wyznacz jego wewnętrzną stopę zwrotu IRR w procentach.
CF0 = −10 000CF1 = 5 000CF2 = 6 000
IRR = %
29.Rozkład normalnyŚredni
Masy śrub są niezależne i mają rozkład normalny ze średnią 40 g i odchyleniem standardowym 1,2 g. Wyznacz prawdopodobieństwo P, że łączna masa 12 z nich przekroczy 477,9 g. Zaokrąglij z do dwóch miejsc po przecinku.
μ = 40 gσ = 1,2 gn = 12> 477,9 g
P =
30.Rozkład normalnyTrudny
Rozkład wyników testu IQ jest normalny ze średnią 100 pkt i odchyleniem standardowym 15 pkt. Przeciągnij wartość graniczną tak, aby zacieniowane górne 70% leżało na prawo od niej. Znajdź wartość graniczną x.
μ = 100 pktσ = 15 pkt70%
x = pkt
3Roztwory
1.Reakcje podpór belek
Odpowiedź: RA = 12,5 kN
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.
Momenty względem A
Przeciwnie do ruchu wskazówek zegara dodatnio.
ΣMA = 0: RB·4 = 65·2 + 40·6
RB = 370/4 = 92,5 kN
Równowaga sił pionowych
RA = 65 + 40 − 92,5 = 12,5 kN
Odpowiedź
RA = 12,5 kN
2.Reakcje podpór belek
Odpowiedź: RB = 25,5 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 = 9 m
ΣMA = 0: RB·10 = 15·5 + 10·2·9
RB = 255/10 = 25,5 kN
ΣFy = 0: RA = 35 − 25,5 = 9,5 kN
Odpowiedź
RB = 25,5 kN
3.Kratownica: równoważenie węzłów
Odpowiedź: FAB = −19,33 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·4 = 25·1 → Cy = 6,25 kN
ΣFy = 0: Ay = 25 − 6,25 = 18,75 kN
Węzeł A
Załóż, że każdy pręt jest rozciągany (ciągnie od węzła). Tylko AB ma składową pionową w A.
sin α = 4/4,123 = 0,9701
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −18,75/0,9701 = −19,33 kN
Odpowiedź
FAB = −19,33 kN (ściskanie)
4.Kratownica: równoważenie węzłów
Odpowiedź: FBC = 1,768 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·4 = 10·1 − 5·3 → Cy = −1,25 kN
ΣFy = 0: Ay = 10 − −1,25 = 11,25 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 = 3/4,243 = 0,7071, cos γ = 3/4,243 = 0,7071
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 = 3·6 = 18 kN, przyłożona w x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 3·6·3
RB = 54/6 = 9 kN
ΣFy = 0: RA = 18 − 9 = 9 kN
Przetnij w x = 1 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 = 9·1 − 3·1·0,5 = 7,5 kN·m
Odpowiedź
Mx = 7,5 kN·m
6.Siła tnąca i moment zginający
Odpowiedź: Mx = 23,5 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 = 3·5 = 15 kN, przyłożona w x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 25·3,5 + 3·5·2,5
RB = 125/5 = 25 kN
ΣFy = 0: RA = 40 − 25 = 15 kN
Przetnij w x = 4 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 = 15·4 − 25·(4 − 3,5) − 3·4·2 = 23,5 kN·m
Odpowiedź
Mx = 23,5 kN·m
7.Ugięcie belki
Odpowiedź: δ = 20,45 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 = 6000 N, w = 10 N/mm, L = 2000 mm
EI = 1,76 × 10¹² N·mm²
Każde obciążenie osobno
δP = PL³/(3EI) = 6000·2000³/(3·1,76 × 10¹²) = 9,091 mm
δw = wL⁴/(8EI) = 10·2000⁴/(8·1,76 × 10¹²) = 11,36 mm
Dodaj
δ = 9,091 + 11,36 = 20,45 mm
Odpowiedź
δ = 20,45 mm
8.Ugięcie belki
Odpowiedź: Ireq = 86,79 × 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 = 6000/360 = 16,67 mm
Wymagany moment bezwładności
I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·6·6000⁴/(384·70000·16,67) = 8,679 × 10⁷ mm⁴
Ireq = 86,79 × 10⁶ mm⁴
Odpowiedź
Ireq = 86,79 × 10⁶ mm⁴
9.Wyboczenie słupów
Odpowiedź: Pcr = 31,64 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.
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 = 2·30000 = 60000 N
KL = 1·1500 = 1500 mm
Wyznacz średnicę
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·60000·1500²/(π³·70000))^(1/4) = 44,67 mm
Odpowiedź
d = 44,67 mm
Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 134,3, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.
11.Środek ciężkości i moment bezwładności
Odpowiedź: Ix = 9,519 × 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 prostokąty
Przyjmij podstawę na pełnej szerokości i dwa ramiona nad nią (wysokość h − t), aby nic nie liczyć dwa razy.
baza: A1 = 220·10 = 2200 mm², y1 = 5 mm
dwa ramiona: A2 = 2·10·130 = 2600 mm², y2 = 10 + 130/2 = 75 mm
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 = (15000·75 − 800·105)/(15000 − 800) = 73,31 mm
Pełna płyta względem ȳ
100·150³/12 + 15000·1,69² = 28,17 × 10⁶ mm⁴
Otwór względem ȳ
40·20³/12 + 800·31,69² = 0,8301 × 10⁶ mm⁴
Odejmij
Ix = 27,34 × 10⁶ mm⁴
Odpowiedź
Ix = 27,34 × 10⁶ mm⁴
13.Naprężenie efektywne w gruncie
Odpowiedź: σ′ = 73,76 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.
Ciśnienie wody rośnie z głębokością poniżej zwierciadła.
u = γw·(z − zw) = 9,81·4 = 39,24 kPa
Naprężenie efektywne
σ′ = σ − u = 113 − 39,24 = 73,76 kPa
Odpowiedź
σ′ = 73,76 kPa
14.Naprężenie efektywne w gruncie
Odpowiedź: σ = 158,5 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·1 + γsat,sand·5 + γsat,clay·2,5
σ = 16·1 + 20·5 + 17·2,5 = 158,5 kPa
Odpowiedź
σ = 158,5 kPa
15.Osiadanie konsolidacyjne
Odpowiedź: S = 39,04 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.
Naprężenie prekonsolidacji
σ′p = OCR·σ′0 = 1,5·110 = 165 kPa
Porównaj z naprężeniem prekonsolidacji
σ′f = 110 + 60 = 170 kPa > 165 kPa
Osiadanie
Ponowne ściskanie do σ′p, ściskanie pierwotne powyżej.
S = 0,05·6/(1 + 1,15)·log₁₀(165/110) + 0,4·6/(1 + 1,15)·log₁₀(170/165)
S = 24,57 + 14,47 = 39,04 mm
Odpowiedź
S = 39,04 mm
16.Osiadanie konsolidacyjne
Odpowiedź: t = 1003 dni
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.
Drogi filtracji
Hdr,lab = 25/2 = 12,5 mm = 0,0125 m
Hdr,field = 9,5/2 = 4,75 m
Przeskaluj czas
t = Tv·Hdr²/cv z tymi samymi T_v i cv w laboratorium i w terenie.
tfield = 10·(4,75/0,0125)² = 1,444 × 10⁶ min
tfield = 1,444 × 10⁶/1440 = 1003 dni
Odpowiedź
t = 1003 dni
17.Parcie hydrostatyczne
Odpowiedź: F = 66,22 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 = 4 + 1/2 = 4,5 m
A = H·b = 1·1,5 = 1,5 m²
Siła wypadkowa
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4,5·1,5 = 66,22 kN
Odpowiedź
F = 66,22 kN
18.Parcie hydrostatyczne
Odpowiedź: F = 50,9 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 + 1,5/2 = 2,25 m
A = H·b = 1,5·1,5 = 2,25 m²
Siła wypadkowa
F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·2,25·2,25 = 50,9 kN
Odpowiedź
F = 50,9 kN
19.Tarcie w rurach i straty wysokości
Odpowiedź: Δp = 140,6 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) = 0,015·(150/0,05)·2,5²/(2·9,81) = 14,33 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 = 0,08/0,07069 = 1,132 m/s
V²/(2g) = 0,06529 m
Współczynniki strat
f·L/D = 0,02·300/0,3 = 20
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 = 6,7
Równanie energii
Strumień na wylocie nadal niesie swoją wysokość prędkości; to nie strata, ale trzeba ją dostarczyć.
H = (1 + 20 + 6,7)·0,06529 = 1,808 m
Odpowiedź
H = 1,808 m
21.Przepływ w kanałach otwartych (Manning)
Odpowiedź: Q = 16,94 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 + 3·1,2)·1,2 = 6,72 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 2 + 2·1,2·√(1 + 3²) = 9,589 m
R = A/P = 0,7008 m
Prędkość
V = (1/0,014)·0,70082/3·0,0021/2 = 2,52 m/s
Natężenie przepływu
Q = A·V = 6,72·2,52 = 16,94 m³/s
Odpowiedź
Q = 16,94 m³/s
22.Przepływ w kanałach otwartych (Manning)
Odpowiedź: S = 0,00203 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.
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 = 1000·9,81·0,04·22 = 8,633 kW
Sprawność
η = Ph/Pshaft = 8,633/10,5 = 82,22%
Odpowiedź
η = 82,22%
24.Pompy i moc pomp
Odpowiedź: H = 16,11 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 = 11 + 5,113 = 16,11 m
Odpowiedź
H = 16,11 m
25.Wartość pieniądza w czasie
Odpowiedź: PV = 9763 €
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 = 0,048/4 = 0,012
N = 4·9 = 36
Wartość bieżąca
PV = FV/(1 + i)N = 15 000/1,536 = €9 763,21
Odpowiedź
PV = €9 763,21
26.Wartość pieniądza w czasie
Odpowiedź: A = 787,6 €
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 = 0,024/12 = 0,002
N = 12·20 = 240
Rata
Wartość bieżąca N równych płatności A wynosi A·(1 − (1 + i)⁻ᴺ)/i. Przyrównaj ją do kredytu i wyznacz A.
(1 + i)−N = 0,6191
A = 150 000·0,002/(1 − 0,6191) = €787,57
Odpowiedź
A = €787,57
27.NPV i IRR
Odpowiedź: NPV = 100000 €
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 przepływów
PV = 66 000/(0,12 − 0,01) = 600 000,00
NPV
NPV = 600 000,00 − 500 000 = €100 000,00
Odpowiedź
NPV = €100 000,00
NPV jest dodatnia, więc projekt zarabia więcej niż wymagana stopa zwrotu.
28.NPV i IRR
Odpowiedź: IRR = 6,394 %
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(5%) = 204,08
NPV(10%) = −495,87
Zawężaj
Interpolacja liniowa daje pierwsze przybliżenie; powtarzanie jej (albo funkcja IRR kalkulatora) daje dokładną stopę.
IRR ≈ 5 + 5·204,08/(204,08 − (−495,87)) = 6,458%
dokładnie: NPV(6,394%) = 0 → IRR = 6,394%
Odpowiedź
IRR = 6,394%
29.Rozkład normalny
Odpowiedź: P = 0,695
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 = 480 g, σT = 1,2·√12 = 4,157 g
Standaryzuj
z = (477,9 − 480)/4,157 = −0,51
Prawdopodobieństwo
P = 1 − Φ(−0,51) = 0,695
Odpowiedź
P = 0,695
30.Rozkład normalny
Odpowiedź: x = 92,2 pkt
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.