laminarny poniżej Re ≈ 2000, turbulentny powyżej Re ≈ 4000
Prędkość średnia
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Straty miejscowe
hm = ΣK·V²/(2g)
Typowe wartości K
wlot 0,5, wylot 1,0, kolano 90° ≈ 0,3
Spadek ciśnienia
Δp = ρ·g·hf
Dwa otwarte zbiorniki
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Swobodny wypływ
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Przepływ w kanałach otwartych (Manning)
Wzór Manninga
V = (1/n)·R2/3·S1/2
Natężenie przepływu
Q = A·V
Promień hydrauliczny
R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
Prostokąt
A = b·y, P = b + 2y
Trapez (nachylenie skarp z:1)
A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
Rura kołowa, pełna lub w połowie wypełniona
R = D/4
Wymagany spadek
S = (n·Q/(A·R2/3))²
Pompy i moc pomp
Moc hydrauliczna
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Moc na wale
Pshaft = Ph/ηpump
Moc elektryczna
Pel = Pshaft/ηmotor
Wysokość podnoszenia pompy
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Straty w instalacji
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Wartość pieniądza w czasie
Wartość przyszła
FV = PV·(1 + i)n
Wartość bieżąca
PV = FV/(1 + i)n
Kilka okresów w roku
i = r/m, N = m·n
Renta, wartość bieżąca
PV = PMT·[1 − (1 + i)−n]/i
Renta, wartość przyszła
FV = PMT·[(1 + i)n − 1]/i
Metoda
Narysuj oś czasu z każdym przepływem pieniężnym i jego terminem.
Dopasuj stopę do okresu: miesięczna stopa dla miesięcznych płatności.
Użyj FV = PV·(1 + i)ⁿ dla pojedynczych kwot i wzorów na rentę dla równych płatności.
Sprawdź znak i rząd wielkości odpowiedzi.
NPV i IRR
Wartość bieżąca netto
NPV = −C0 + Σ CFt/(1 + r)t
Równe przepływy pieniężne
NPV = −C0 + CF·[1 − (1 + r)−n]/r
Wewnętrzna stopa zwrotu
r, przy którym NPV = 0
Decyzja
przyjmij, gdy NPV > 0 (lub IRR > wymagana stopa zwrotu)
Metoda
Wypisz wszystkie przepływy pieniężne z ich rokiem; inwestycja w roku 0 jest ujemna.
Zdyskontuj każdy przepływ: CFt/(1 + r)t.
Zsumuj je, aby otrzymać NPV. Wartość dodatnia oznacza, że projekt zarabia więcej niż r.
Dla IRR znajdź stopę, przy której NPV jest równe zeru, metodą prób lub interpolacji.
Rozkład normalny
Wynik z
z = (x − μ)/σ
Poniżej x
P(X < x) = Φ(z)
Powyżej x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
Pomiędzy
Φ(z2) − Φ(z1)
Percentyl
x = μ + z·σ
Metoda
Zamień wartość na wynik standaryzowany: z = (x − μ)/σ.
Odczytaj Φ(z), pole na lewo od z.
Dla pola na prawo użyj 1 − Φ(z); dla przedziału odejmij dwa pola lewostronne.
Dla percentyla licz wstecz: wyznacz z dla pola, a potem x = μ + z·σ.
2Zadania do ćwiczenia
1.Reakcje podpór belekŚredni
Belka swobodnie podparta ma podporę przegubową nieprzesuwną w A i przesuwną w B. Wyznacz pionową reakcję podpory RB.
L = 6 mP1 = 60 kN w 3 mP2 = 15 kN w 3,5 m
RB = kN
2.Reakcje podpór belekTrudny
Belka ma podporę nieprzesuwną w A i przesuwną w B, w odległości 7 m od A, i wystaje poza B aż do swobodnego końca C. Przenosi siłę skupioną P w odległości 4 m od A oraz obciążenie równomiernie rozłożone w od 5 m do swobodnego końca w 10 m. Wyznacz reakcję pionową RB, przyjmując zwrot w górę jako dodatni.
AB = 7 mAC = 10 mP = 40 kN w 4 mw = 3 kN/m od 5 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 = 6 mwysokość = 3 mB jest 5 m od Aobciążenie pionowe = 40 kN
FAB = kN
4.Kratownica: równoważenie węzłówTrudny
Dokładnie jeden pręt tej kratownicy nie przenosi siły przy tych obciążeniach. Który to pręt zerowy? Kliknij go na rysunku.
B: 25 kN ↓C: 40 kN ↓G: 15 kN ↓H: 40 kN ←
1pręt AB
2pręt BC
3pręt CD
4pręt DE
5pręt FG
6pręt GH
7pręt AF
8pręt HE
9pręt BF
10pręt CG
11pręt DH
12pręt FC
13pręt HC
5.Siła tnąca i moment zginającyŚredni
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.
50 kN @ 6 m15 kN/m, 2–10 m
1A (x = 0 m)
2B (x = 2 m)
3C (x = 4 m)
4D (x = 6 m)
5E (x = 8 m)
6F (x = 10 m)
7G (x = 12 m)
6.Siła tnąca i moment zginającyTrudny
Belka swobodnie podparta przenosi obciążenie równomiernie rozłożone w na całej rozpiętości oraz siłę skupioną P. Wyznacz maksymalny moment zginający Mmax w belce.
L = 4 mP = 80 kN w 1 mw = 2 kN/m od 0 do 4 m
Mmax = kN·m
7.Ugięcie belkiŚredni
Wspornik przenosi obciążenie równomiernie rozłożone w na całej długości. Wyznacz ugięcie δ swobodnego końca.
w = 20 kN/mL = 2,5 mE = 11 GPa (drewno konstrukcyjne)I = 120 × 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 = 4 mE = 200 GPa (stal)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Wyboczenie słupówŚredni
Słup o długości L z materiału (aluminium) jest utwierdzony na obu końcach. Korzystając ze wzoru Eulera, wyznacz jego siłę krytyczną Pcr.
L = 2 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 30 × 100 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
Pełny słup okrągły o długości L z materiału (stal) jest przegubowo podparty na obu końcach. Ma przenieść 40 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 3 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.
P = 40 kNn = 3L = 4 mE = 200 GPa (stal)
d = mm
11.Środek ciężkości i moment bezwładnościŚredni
Płyta 150 mm × 200 mm ma okrągły otwór o średnicy 30 mm na pionowej osi symetrii, ze środkiem 70 mm nad dolną krawędzią. Wyznacz moment bezwładności przekroju Ix względem osi poziomej przechodzącej przez środek ciężkości.
b = 150 mmh = 200 mmd = 30 mmśrodek otworu: y = 70 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładnościTrudny
Symetryczny dwuteownik ma półki o szerokości 180 mm i grubości 12 mm, wysokość całkowitą 220 mm i środnik o grubości 14 mm. Przenosi moment zginający 30 kN·m względem osi x. Wyznacz wartość maksymalnego naprężenia od zginania σmax w przekroju.
Warstwa gliny prekonsolidowanej o miąższości 6 m ma Cc = 0,4, Cr = 0,05 i e₀ = 0,75. W połowie jej głębokości efektywne naprężenie pionowe wynosi 60 kPa i naprężenie prekonsolidacji wynosi 180 kPa. Nowy budynek zwiększa naprężenie pionowe w połowie głębokości o 100 kPa. Wyznacz osiadanie konsolidacyjne pierwotne S w mm.
Warstwa gliny o miąższości 5 m ma współczynnik konsolidacji cv = 3 m²/rok. Leży na nieprzepuszczalnej skale, a nad nią jest piasek, więc woda odpływa tylko górą. Dla średniego stopnia konsolidacji 70% czynnik czasu wynosi Tv = 0,403. Po ilu latach t warstwa osiągnie 70% konsolidacji?
Pionowa prostokątna zasuwa o szerokości 3 m znajduje się w ścianie zbiornika z cieczą (woda), z górną krawędzią 2,5 m pod powierzchnią. Wyznacz wypadkową siłę parcia hydrostatycznego F na zasuwę.
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.
Woda (ρ = 1000 kg/m³) płynie z prędkością 2,3 m/s przez poziomą rurę o długości 800 m i średnicy wewnętrznej 100 mm. Przyjmij współczynnik tarcia Darcy’ego f = 0,022 i g = 9,81 m/s². Wyznacz spadek ciśnienia Δp na rurze w kPa.
Rura o długości 100 m i średnicy wewnętrznej 250 mm (współczynnik tarcia Darcy’ego f = 0,015) 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 = 0,2). 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?
Betonowy kanał deszczowy o średnicy wewnętrznej 1200 mm jest wypełniony do połowy. Współczynnik Manninga n = 0,013, a spadek S = 0,0015. Wyznacz natężenie przepływu Q w m³/s.
D = 1200 mmn = 0,013S = 0,0015
Q = m³/s
22.Przepływ w kanałach otwartych (Manning)Trudny
Prostokątny kanał (mur ceglany) o szerokości 5 m ma przeprowadzić 27 m³/s w przepływie jednostajnym przy głębokości 1,4 m. Współczynnik Manninga n = 0,015. Wyznacz wymagany spadek dna S (w m/m).
Q = 27 m³/sb = 5 my = 1,4 mn = 0,015
S = m/m
23.Pompy i moc pompŚredni
Pompa tłoczy 10 L/s wody (ρ = 1000 kg/m³) przy wysokości podnoszenia 80 m. Sprawność pompy wynosi 65%, a napędzającego ją silnika elektrycznego 92%. 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 29 m wyżej. Rura ma długość 200 m, średnicę wewnętrzną 200 mm i współczynnik tarcia Darcy’ego f = 0,018; współczynniki strat miejscowych sumują się do ΣK = 8 (łącznie z wlotem i wylotem). Przyjmij g = 9,81 m/s². Górny zbiornik jest zamknięty, a powietrze nad wodą ma nadciśnienie 350 kPa. Wyznacz wysokość podnoszenia H, którą musi zapewnić pompa.
Inwestujesz €5 000 przy stopie 3 % rocznie z kapitalizacją ciągłą. Wyznacz wartość FV po 12 latach.
PV = €5 000r = 3%t = 12
FV = €
26.Wartość pieniądza w czasieTrudny
Kredyt €250 000 spłaca się równymi ratami miesięcznymi przez 25 lat. Oprocentowanie wynosi 6 % rocznie z miesięczną kapitalizacją. Wyznacz ratę miesięczną A.
P = €250 0006% / 12N = 300
A = €
27.NPV i IRRŚredni
Inwestycja €20 000 daje na koniec lat od 1 do 3 takie przepływy: €7 000, €9 000, €7 000. Koszt kapitału wynosi 6 %. Wyznacz wartość bieżącą netto NPV.
Inwestycja €20 000 przynosi €3 000 na koniec każdego roku przez 8 lat. Wyznacz jej wewnętrzną stopę zwrotu IRR w procentach.
C0 = €20 000CF = €3 000n = 8
IRR = %
29.Rozkład normalnyŚredni
Masy pasażerów z bagażem są niezależne i mają rozkład normalny ze średnią 85 kg i odchyleniem standardowym 12 kg. Wyznacz prawdopodobieństwo P, że łączna masa 16 z nich przekroczy 1288 kg. Zaokrąglij z do dwóch miejsc po przecinku.
μ = 85 kgσ = 12 kgn = 16> 1288 kg
P =
30.Rozkład normalnyTrudny
Rozkład wzrostu dorosłych mężczyzn jest normalny ze średnią 178 cm i odchyleniem standardowym 7 cm. Wyznacz wartość x, poniżej której leży 10% wszystkich wartości (10. percentyl).
μ = 178σ = 7P = 10%
x = cm
3Roztwory
1.Reakcje podpór belek
Odpowiedź: RB = 38,75 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·6 = 60·3 + 15·3,5
RB = 232,5/6 = 38,75 kN
ΣFy = 0: RA = 75 − 38,75 = 36,25 kN
Odpowiedź
RB = 38,75 kN
2.Reakcje podpór belek
Odpowiedź: RB = 38,93 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.
Wypadkowa obciążenia ciągłego
W = 3·5 = 15 kN, x̄ = (5 + 10)/2 = 7,5 m
Równowaga
Momenty względem A, dodatnie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Potem równowaga sił pionowych.
ΣMA = 0: RB·7 = 40·4 + 15·7,5
RB = 272,5/7 = 38,93 kN
RA = 55 − 38,93 = 16,07 kN
Odpowiedź
RB = 38,93 kN
3.Kratownica: równoważenie węzłów
Odpowiedź: FAB = −12,96 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·6 = 40·5 → Cy = 33,33 kN
ΣFy = 0: Ay = 40 − 33,33 = 6,667 kN
Węzeł A
Załóż, że każdy pręt jest rozciągany (ciągnie od węzła). Tylko AB ma składową pionową w A.
sin α = 3/5,831 = 0,5145
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −6,667/0,5145 = −12,96 kN
Odpowiedź
FAB = −12,96 kN (ściskanie)
4.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).
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 = 85 kN, R2 = 85 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 = 170, MC = 310, MD = 390 kN·m, ME = 310, MF = 170, MG = 0
Odpowiedź
Punkt D: MD = 390 kN·m
6.Siła tnąca i moment zginający
Odpowiedź: Mmax = 63 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. Moment maksymalny: ponieważ dM/dx = V, moment zginający osiąga ekstremum tam, gdzie siła tnąca przechodzi przez zero, albo w miejscu siły skupionej, albo wewnątrz obciążenia ciągłego.
Reakcje podpór
Równowaga całej belki.
Wypadkowa obciążenia ciągłego: W = w·ℓ = 2·4 = 8 kN, przyłożona w x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 80·1 + 2·4·2
RB = 96/4 = 24 kN
ΣFy = 0: RA = 88 − 24 = 64 kN
Gdzie V = 0?
V(1⁻) = RA − w·1 = 62 kN
V(1⁺) = 62 − 80 = −18 kN
Siła tnąca zmienia znak w obrębie obciążenia, więc maksimum leży pod obciążeniem.
Moment maksymalny
Mmax = RA·1 − w·1²/2 = 64·1 − 2·1²/2 = 63 kN·m
Odpowiedź
Mmax = 63 kN·m
Występuje w x = 1 m od A.
7.Ugięcie belki
Odpowiedź: δ = 73,98 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 = 20 N/mm, L = 2500 mm
EI = 1,32 × 10¹² N·mm²
Ugięcie
δ = wL⁴/(8EI) = 20·2500⁴/(8·1,32 × 10¹²) = 73,98 mm
Odpowiedź
δ = 73,98 mm
8.Ugięcie belki
Odpowiedź: Ireq = 9 × 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 = 4000/360 = 11,11 mm
Wymagany moment bezwładności
I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·6·4000⁴/(384·200000·11,11) = 9 × 10⁶ mm⁴
Ireq = 9 × 10⁶ mm⁴
Odpowiedź
Ireq = 9 × 10⁶ mm⁴
9.Wyboczenie słupów
Odpowiedź: Pcr = 155,4 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 = 3·40000 = 120000 N
KL = 1·4000 = 4000 mm
Wyznacz średnicę
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·120000·4000²/(π³·200000))^(1/4) = 66,72 mm
Odpowiedź
d = 66,72 mm
Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 239,8, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.
11.Środek ciężkości i moment bezwładności
Odpowiedź: Ix = 99,31 × 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 = (30000·100 − 706,9·70)/(30000 − 706,9) = 100,7 mm
Pełna płyta względem ȳ
150·200³/12 + 30000·−0,7239² = 100 × 10⁶ mm⁴
Otwór względem ȳ
π·30⁴/64 + 706,9·−30,72² = 0,707 × 10⁶ mm⁴
Odejmij
Ix = 99,31 × 10⁶ mm⁴
Odpowiedź
Ix = 99,31 × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładności
Odpowiedź: σmax = 59,39 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.
Prostokąt zewnętrzny minus dwa boczne wycięcia
Oba wycięcia razem mają szerokość (B − tw) i wysokość hw = H − 2tf oraz wspólną oś x.
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) = 9,81·3 = 29,43 kPa
Naprężenie efektywne
σ′ = σ − u = 91 − 29,43 = 61,57 kPa
Odpowiedź
σ′ = 61,57 kPa
14.Naprężenie efektywne w gruncie
Odpowiedź: σ′ = 103,4 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·4 + γsat,sand·2 + γsat,clay·2,5
σ = 16,5·4 + 19,5·2 + 17·2,5 = 147,5 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 = 147,5 − 44,15 = 103,4 kPa
Odpowiedź
σ′ = 103,4 kPa
15.Osiadanie konsolidacyjne
Odpowiedź: S = 73,02 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 = 60 + 100 = 160 kPa ≤ 180 kPa
Osiadanie
Glina pozostaje na linii ponownego ściskania.
S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,05·6/(1 + 0,75)·log₁₀(160/60) = 73,02 mm
Odpowiedź
S = 73,02 mm
16.Osiadanie konsolidacyjne
Odpowiedź: t = 3,358 lata
Konsolidacja pierwotna warstwy gliny o miąższości H, z naprężeniem efektywnym w środku warstwy: σ′f = σ′0 + Δσ. Glina normalnie skonsolidowana: S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Glina prekonsolidowana ulega ponownemu ściśnięciu wzdłuż Cr aż do naprężenia prekonsolidacji σ′p, a dopiero powyżej niego podąża za Cc. Czas: t = Tv·Hdr²/cv, gdzie droga filtracji Hdr wynosi H/2, gdy woda może odpływać górą i dołem, oraz H, gdy drenaż jest tylko z jednej strony.
Droga filtracji
Hdr = H = 5 m
Czas
t = Tv·Hdr²/cv = 0,403·5²/3 = 3,358 lata
Odpowiedź
t = 3,358 lata
17.Parcie hydrostatyczne
Odpowiedź: F = 88,29 kN
Parcie hydrostatyczne na powierzchnię płaską: F = ρ·g·yc·A. Działa w środku parcia, ycp = yc + Ic/(ycA), który zawsze leży poniżej środka ciężkości.
Głębokość środka ciężkości i pole
yc = d + H/2 = 2,5 + 1/2 = 3 m
A = H·b = 1·3 = 3 m²
Siła wypadkowa
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3·3 = 88,29 kN
Odpowiedź
F = 88,29 kN
18.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
Siła wypadkowa
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,25·2,5 = 55,18 kN
Odpowiedź
F = 55,18 kN
19.Tarcie w rurach i straty wysokości
Odpowiedź: Δp = 465,5 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) = 0,022·(800/0,1)·2,3²/(2·9,81) = 47,45 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 = 0,08/0,04909 = 1,63 m/s
V²/(2g) = 0,1354 m
Współczynniki strat
f·L/D = 0,015·100/0,25 = 6
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 0,2 = 1,9
Równanie energii
Strumień na wylocie nadal niesie swoją wysokość prędkości; to nie strata, ale trzeba ją dostarczyć.
H = (1 + 6 + 1,9)·0,1354 = 1,205 m
Odpowiedź
H = 1,205 m
21.Przepływ w kanałach otwartych (Manning)
Odpowiedź: Q = 0,755 m³/s
Wzór Manninga (SI): dla przepływu jednostajnego w kanale otwartym V = (1/n)·R2/3·S1/2 i Q = A·V, gdzie n to współczynnik szorstkości, S to spadek dna (m/m), a R = A/P to promień hydrauliczny: pole przekroju przepływu podzielone przez obwód zwilżony. Do P wlicza się tylko brzeg stykający się z wodą, a nie swobodne zwierciadło. Prostokąt: A = b·y, P = b + 2y. Trapez o nachyleniu skarp z:1 (poziomo:pionowo): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Rura kołowa wypełniona całkowicie lub do połowy ma R = D/4.
Geometria
A = 0,5655 m², R = D/4 = 0,3 m
Prędkość
V = (1/0,013)·0,32/3·0,00151/2 = 1,335 m/s
Natężenie przepływu
Q = A·V = 0,5655·1,335 = 0,755 m³/s
Odpowiedź
Q = 0,755 m³/s
22.Przepływ w kanałach otwartych (Manning)
Odpowiedź: S = 0,003867 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 = 1000·9,81·0,01·80 = 7,848 kW
Moc na wale
Pshaft = 7,848/0,65 = 12,07 kW
Moc elektryczna
Pel = 12,07/0,92 = 13,12 kW
Odpowiedź
Pel = 13,12 kW
24.Pompy i moc pomp
Odpowiedź: H = 73,27 m
Moc pompy: moc przekazana wodzie to moc hydrauliczna Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Wał musi dostarczyć więcej, bo pompa ma straty: Pshaft = Ph/ηpump, a silnik pobiera Pel = Pshaft/ηmotor. Wysokość podnoszenia pompy H wynika z równania energii: geometryczna wysokość podnoszenia + wysokość ciśnienia + wszystkie straty tarcia i miejscowe.
Oba zwierciadła są praktycznie w spoczynku, więc nie ma członu wysokości prędkości.
H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 29 + 35,68 + 8,593 = 73,27 m
Odpowiedź
H = 73,27 m
25.Wartość pieniądza w czasie
Odpowiedź: FV = 7167 €
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.
Wykładnik
r·t = 0,03·12 = 0,36
e0,36 = 1,433
Wartość przyszła
FV = 5 000·1,433 = €7 166,65
Odpowiedź
FV = €7 166,65
26.Wartość pieniądza w czasie
Odpowiedź: A = 1611 €
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 = 0,06/12 = 0,005
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 = 0,224
A = 250 000·0,005/(1 − 0,224) = €1 610,75
Odpowiedź
A = €1 610,75
27.NPV i IRR
Odpowiedź: NPV = 491,1 €
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 = −20 000
CF1/(1 + 0,06)1 = 7 000/1,06 = 6 603,77
CF2/(1 + 0,06)2 = 9 000/1,124 = 8 009,97
CF3/(1 + 0,06)3 = 7 000/1,191 = 5 877,33
Zsumuj
NPV = €491,08
Odpowiedź
NPV = €491,08
NPV jest dodatnia, więc projekt zarabia więcej niż wymagana stopa zwrotu.
28.NPV i IRR
Odpowiedź: IRR = 4,239 %
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.
Wymagany współczynnik renty
(1 − (1 + i)−8)/i = 20 000/3 000 = 6,667
Wyznacz stopę
Współczynnik renty maleje, gdy stopa rośnie; zawęź przedział, w którym leży stopa.
i = 4%: 6,733
i = 5%: 6,463
IRR = 4,239%
Odpowiedź
IRR = 4,239%
29.Rozkład normalny
Odpowiedź: P = 0,9332
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 = 1360 kg, σT = 12·√16 = 48 kg
Standaryzuj
z = (1288 − 1360)/48 = −1,5
Prawdopodobieństwo
P = 1 − Φ(−1,5) = 0,9332
Odpowiedź
P = 0,9332
30.Rozkład normalny
Odpowiedź: x = 169 cm
Rozkład normalny: zamień wartość x na wynik z, z = (x − μ)/σ, który mówi, o ile odchyleń standardowych wartość leży od średniej. Tablica rozkładu normalnego (czyli Φ(z)) podaje pole na lewo od z, czyli P(X < x). Pole na prawo to 1 − Φ(z), a pole między dwiema wartościami to różnica ich dwóch pól.
z dla percentyla
Φ(z) = 0,1 → z = −1,282
Powrót do x
x = 178 + −1,282·7 = 169,03 cm
Odpowiedź
x = 169,03 cm
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.