Luyện thi FE Xây dựng: gói ôn nước rút

Bảng công thức, các bước phương pháp chính cho từng chủ đề và 30 bài tập, kèm lời giải đầy đủ ở cuối.

Bài mới Quay lại môn học

Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.

1Công thức và phương pháp

Phản lực gối của dầm

Cân bằng: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
Tải phân bố đều: hợp lực w·L đặt tại giữa đoạn tải
Mômen: M = F·d

Phương pháp

Vẽ sơ đồ vật thể tự do và thay mỗi gối đỡ bằng các phản lực của nó.
Thay mọi tải phân bố bằng một lực duy nhất đặt tại trọng tâm của nó.
Lấy mômen quanh một gối để tìm phản lực ở gối kia.
Dùng ΣF_y = 0 để tìm phản lực còn lại, và kiểm tra bằng một phương trình mômen thứ hai.

Giàn: phương pháp tách nút

Phương pháp tách nút: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 at each joint
Phương pháp mặt cắt: ΣM = 0 about a cut point
Nội lực thanh: dương = kéo, âm = nén

Phương pháp

Tìm phản lực gối cho cả giàn.
Phương pháp tách nút: bắt đầu từ nút có tối đa hai nội lực thanh chưa biết và dùng ΣF_x = 0 và ΣF_y = 0.
Phương pháp mặt cắt: cắt qua thanh bạn cần và lấy mômen quanh điểm mà các thanh chưa biết khác gặp nhau.
Giả sử chịu kéo; đáp án âm nghĩa là chịu nén.

Lực cắt và mômen uốn

Lực cắt và mômen: V = ΣF ở một phía, M = ΣF·d ở một phía
Ứng suất uốn: σ = M·y/I
Hình chữ nhật: I = bh³/12
Mômen chống uốn của mặt cắt: W = I/y_max
Dầm đơn giản, tải phân bố đều: M_max = wL²/8

Phương pháp

Tìm phản lực gối từ cân bằng của cả dầm.
Cắt dầm tại mặt cắt bạn cần và giữ lại một phía.
Lực cắt: tổng các lực thẳng đứng ở phía đó. Mômen uốn: tổng mômen của chúng quanh mặt cắt.
Để tìm mômen lớn nhất, hãy tìm nơi lực cắt bằng không.

Độ võng của dầm

Tải tập trung ở giữa nhịp: δ = PL³/(48EI)
Tải phân bố đều, dầm đơn giản: δ = 5wL⁴/(384EI)
Công xôn, tải ở đầu: δ = PL³/(3EI)
Công xôn, tải phân bố đều: δ = wL⁴/(8EI)
Nguyên lý xếp chồng: δ = δ₁ + δ₂

Mất ổn định cột

Tải Euler: P_cr = π²EI/(KL)²
Hệ số chiều dài tính toán: K = 1 khớp–khớp, 0,5 ngàm–ngàm, 0,7 ngàm–khớp, 2 ngàm–tự do
Ứng suất tới hạn: σ_cr = P_cr/A
Độ mảnh: λ = KL/r, r = √(I/A)

Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt

Trọng tâm: ȳ = ΣA_iy_i/ΣA_i
Hình chữ nhật: I = bh³/12
Định lý trục song song: I = I_c + A·d²
Mặt cắt ghép: I = Σ(I_c,i + A_id_i²)

Ứng suất hữu hiệu trong đất

Ứng suất toàn phần: σ = Σγ_i·h_i
Áp suất nước lỗ rỗng: u = γ_w·(z − z_w)
Ứng suất hữu hiệu: σ′ = σ − u
Nước: γ_w = 9,81 kN/m³

Lún cố kết

Cố kết thông thường: S = C_c·H/(1 + e₀)·log₁₀(σ′_f/σ′₀)
Ứng suất cuối: σ′_f = σ′₀ + Δσ (at mid-depth of the layer)
Quá cố kết, σ′_f ≤ σ′_p: S = C_r·H/(1 + e₀)·log₁₀(σ′_f/σ′₀)
Quá cố kết, σ′_f > σ′_p: S = H/(1 + e₀)·[C_r·log₁₀(σ′_p/σ′₀) + C_c·log₁₀(σ′_f/σ′_p)]
Tỉ số quá cố kết: OCR = σ′_p/σ′₀
Thời gian cố kết: t = T_v·H_dr²/c_v
Đường thoát nước: H_dr = H/2 (thoát nước hai phía), H (thoát nước một phía)
Nhân tố thời gian: U 50% → 0,197, 60% → 0,287, 70% → 0,403, 80% → 0,567, 90% → 0,848

Lực thủy tĩnh

Áp suất tại độ sâu: p = ρgh
Lực lên tường thẳng đứng: F = ρg·h_c·A
Tâm áp lực: y_p = y_c + I_c/(y_cA)
Hình chữ nhật: I_c = bH³/12

Ma sát đường ống và tổn thất cột áp

Số Reynolds: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Chế độ chảy: chảy tầng dưới Re ≈ 2000, chảy rối trên Re ≈ 4000
Vận tốc trung bình: V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
Tổn thất cục bộ: h_m = ΣK·V²/(2g)
Giá trị K thường gặp: lối vào 0,5, lối ra 1,0, khúc cua 90° ≈ 0,3
Độ giảm áp suất: Δp = ρ·g·h_f
Hai bể chứa hở: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Cửa ra tự do: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Dòng chảy hở (Manning)

Phương trình Manning: V = (1/n)·R^2/3·S^1/2
Lưu lượng: Q = A·V
Bán kính thủy lực: R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
Hình chữ nhật: A = b·y, P = b + 2y
Hình thang (mái dốc z:1): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
Ống tròn, đầy hoặc đầy một nửa: R = D/4
Độ dốc yêu cầu: S = (n·Q/(A·R^2/3))²

Máy bơm và công suất bơm

Công suất thủy lực: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Công suất trên trục: P_shaft = P_h/η_pump
Công suất điện: P_el = P_shaft/η_motor
Cột áp của bơm: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
Tổn thất của hệ thống: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Giá trị thời gian của tiền

Giá trị tương lai: FV = PV·(1 + i)ⁿ
Giá trị hiện tại: PV = FV/(1 + i)ⁿ
Nhiều kỳ trong một năm: i = r/m, N = m·n
Niên kim, giá trị hiện tại: PV = PMT·[1 − (1 + i)⁻ⁿ]/i
Niên kim, giá trị tương lai: FV = PMT·[(1 + i)ⁿ − 1]/i

Phương pháp

Vẽ một dòng thời gian với mọi dòng tiền và thời điểm của chúng.
Khớp lãi suất với kỳ hạn: lãi suất tháng cho thanh toán hằng tháng.
Dùng FV = PV·(1 + i)ⁿ cho các khoản đơn lẻ và công thức niên kim cho các khoản thanh toán bằng nhau.
Kiểm tra dấu và bậc độ lớn của đáp án.

NPV và IRR

Giá trị hiện tại ròng: NPV = −C₀ + Σ CF_t/(1 + r)^t
Dòng tiền đều: NPV = −C₀ + CF·[1 − (1 + r)⁻ⁿ]/r
Tỷ suất hoàn vốn nội bộ: r tại đó NPV = 0
Quyết định: chấp nhận khi NPV > 0 (hoặc IRR > tỷ suất sinh lời yêu cầu)

Phương pháp

Liệt kê mọi dòng tiền với năm của chúng; khoản đầu tư ở năm 0 là âm.
Chiết khấu từng dòng tiền: CF_t/(1 + r)^t.
Cộng chúng lại để có NPV. Dương nghĩa là dự án sinh lời nhiều hơn r.
Với IRR, tìm tỷ suất làm NPV bằng không bằng thử sai hoặc nội suy.

Phân phối chuẩn

Điểm z: z = (x − μ)/σ
Dưới x: P(X < x) = Φ(z)
Trên x: P(X > x) = 1 − Φ(z)
Giữa: Φ(z₂) − Φ(z₁)
Phân vị: x = μ + z·σ

Phương pháp

Đổi giá trị sang điểm z: z = (x − μ)/σ.
Tra Φ(z), diện tích bên trái z.
Với diện tích bên phải dùng 1 − Φ(z); với một khoảng thì trừ hai diện tích bên trái.
Với phân vị, làm ngược lại: tìm z cho diện tích, rồi x = μ + z·σ.

2Bài tập

1.Phản lực gối của dầmTrung bình

Dầm đơn giản (gối cố định tại A, gối con lăn tại B) chịu tải thay đổi tuyến tính giảm từ 6 kN/m tại A xuống không tại B. Tìm phản lực thẳng đứng R_A tại gối.

L = 8 mw₀ = 6 kN/m

R_A = kN

2.Phản lực gối của dầmKhó

Dầm có gối cố định tại A và gối con lăn tại B, cách A 7 m, và đoạn công-xôn nhô ra khỏi B tới đầu tự do C. Dầm chịu một lực tập trung P tại vị trí cách A 2 m và tải phân bố đều w từ 6 m đến đầu tự do tại 10 m. Tìm phản lực thẳng đứng R_B, lấy chiều hướng lên là dương.

AB = 7 mAC = 10 mP = 35 kN tại 2 mw = 8 kN/m từ 6 đến 10 m

R_B = kN

3.Giàn: phương pháp tách nútTrung bình

Đúng một thanh của giàn này không mang lực dưới các tải này. Thanh nào là thanh không lực? Nhấp vào nó trong sơ đồ.

B: 20 kN ↓D: 20 kN ↓F: 35 kN ↓G: 15 kN ↓

1thanh AB
2thanh BC
3thanh CD
4thanh DE
5thanh FG
6thanh GH
7thanh AF
8thanh HE
9thanh BF
10thanh CG
11thanh DH
12thanh BG
13thanh DG

4.Giàn: phương pháp tách nútKhó

Dùng phương pháp tách nút để tìm lực F_AC trong thanh AC. Lấy kéo là dương và nén là âm.

nhịp = 6 mchiều cao = 4 mB cách A 4 mtải thẳng đứng = 50 kNtải ngang = 5 kN ←

F_AC = kN

5.Lực cắt và mômen uốnTrung bình

Các điểm đánh dấu từ A đến G chia dầm thành sáu phần bằng nhau. Tại điểm nào mômen uốn có độ lớn lớn nhất, dù võng hay vồng? Nhấp vào nó trong sơ đồ.

60 kN @ 4 m8 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.Lực cắt và mômen uốnKhó

55 kN @ 0 m15 kN @ 6 m35 kN @ 3 m

1A (x = 0 m)
2B (x = 1 m)
3C (x = 2 m)
4D (x = 3 m)
5E (x = 4 m)
6F (x = 5 m)
7G (x = 6 m)

7.Độ võng của dầmTrung bình

Một dầm đơn giản chịu tải phân bố đều w trên toàn bộ nhịp. Tìm góc xoay θ_A của dầm tại gối A, theo radian.

w = 5 kN/mL = 8 mE = 200 GPa (thép)I = 160 × 10⁶ mm⁴

θ_A = rad

8.Độ võng của dầmKhó

Một dầm gỗ đơn giản có tiết diện chữ nhật, rộng 75 mm, chịu tải phân bố đều w trên toàn bộ nhịp. Độ võng tại giữa nhịp không được vượt quá nhịp/250. Tìm chiều cao tiết diện nhỏ nhất h_req.

w = 4 kN/mL = 5 mE = 11 GPa (gỗ xẻ)b = 75 mm

h_req = mm

9.Mất ổn định cộtTrung bình

Một cột dài L làm bằng thép được ngàm ở chân và khớp ở đỉnh. Dùng công thức Euler, tìm tải trọng oằn tới hạn P_cr của nó.

L = 3 mE = 200 GPa (thép)b × h = 25 × 60 mm

P_cr = kN

10.Mất ổn định cộtKhó

Một cột tròn đặc dài L làm bằng nhôm được ngàm ở chân và tự do ở đỉnh. Nó phải chịu 15 kN với hệ số an toàn 2 chống oằn. Tìm đường kính nhỏ nhất d.

P = 15 kNn = 2L = 6 mE = 70 GPa (nhôm)

d = mm

11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtTrung bình

Một tấm 120 mm × 240 mm có một lỗ tròn đường kính 60 mm trên đường tâm thẳng đứng, tâm lỗ cách đáy 96 mm. Tìm mômen quán tính diện tích I_x quanh trục nằm ngang đi qua trọng tâm.

b = 120 mmh = 240 mmd = 60 mmtâm lỗ: y = 96 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtKhó

Mặt cắt chữ T được dùng làm dầm với cánh ở trên và chịu mômen uốn làm võng xuống 50 kN·m. Tìm ứng suất uốn σ_dưới ở mép dưới.

b_f = 140 mmt_f = 20 mmt_w = 18 mmh_w = 240 mmM = 50 kN·m

σ_dưới = MPa

13.Ứng suất hữu hiệu trong đấtTrung bình

Với mặt cắt đất như hình, tìm ứng suất toàn phần theo phương thẳng đứng σ tại điểm X.

z = 6 mz_w = 1 mγ_w = 9,81 kN/m³cát: γ_d = 16,5 kN/m³cát: γ_sat = 19,5 kN/m³

σ = kPa

14.Ứng suất hữu hiệu trong đấtKhó

Với mặt cắt đất như hình, tìm ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng σ′ tại điểm X.

z = 9,5 mz_w = 2 mγ_w = 9,81 kN/m³cát: γ_d = 16 kN/m³cát: γ_sat = 18,5 kN/m³sét: γ_sat = 17,5 kN/m³

σ′ = kPa

15.Lún cố kếtTrung bình

Một lớp sét quá cố kết dày 6,5 m có C_c = 0,45, C_r = 0,03 và e₀ = 0,85. Ở độ sâu giữa lớp, ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng là 80 kPa và tỉ số quá cố kết là OCR = 2,5. Một tòa nhà mới thêm 180 kPa ứng suất thẳng đứng ở độ sâu giữa lớp. Tìm độ lún cố kết sơ cấp S theo mm.

H = 6,5 mC_c = 0,45C_r = 0,03e₀ = 0,85σ′₀ = 80 kPaOCR = 2,5Δσ = 180 kPa

S = mm

16.Lún cố kếtKhó

Một lớp sét dày 6,5 m có hệ số cố kết c_v = 4 m²/năm. Nó nằm trên đá không thấm, có cát phía trên, nên nước chỉ thoát ra ở đỉnh. Với cố kết trung bình 60%, nhân tố thời gian là T_v = 0,287. Lớp đó mất bao nhiêu năm t để đạt 60% cố kết?

H = 6,5 mc_v = 4 m²/nămU = 60%T_v = 0,287thoát nước một phía

t = năm

17.Lực thủy tĩnhTrung bình

Một cửa van hình chữ nhật thẳng đứng rộng 2 m nằm trong thành bể chứa nước, với mép trên nằm dưới mặt thoáng 4 m. Tìm hợp lực thủy tĩnh F tác dụng lên cửa van.

d = 4 mH = 1,5 mb = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²

F = kN

18.Lực thủy tĩnhKhó

Một cửa van hình chữ nhật thẳng đứng rộng 1,5 m nằm trong thành bể chứa glycerin, với mép trên nằm dưới mặt thoáng 0,5 m. Tìm hợp lực thủy tĩnh F tác dụng lên cửa van.

d = 0,5 mH = 3 mb = 1,5 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²

F = kN

19.Ma sát đường ống và tổn thất cột ápTrung bình

Nước (ρ = 1000 kg/m³) chảy với 0,9 m/s qua một ống nằm ngang dài 150 m, đường kính trong 300 mm. Dùng hệ số ma sát Darcy f = 0,022 và g = 9,81 m/s². Tìm độ giảm áp suất Δp trên ống theo kPa.

V = 0,9 m/sL = 150 mD = 300 mmf = 0,022ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

20.Ma sát đường ống và tổn thất cột ápKhó

Hai bể chứa hở được nối bằng một ống dài 150 m, đường kính trong 200 mm và hệ số ma sát Darcy f = 0,025. Mặt nước của bể trên cao hơn bể dưới 17 m. Các tổn thất cục bộ là lối vào cạnh vuông (K = 0,5), 3 khúc cua (K = 0,3 mỗi khúc), một van (K = 5) và lối ra vào bể thấp hơn (K = 1,0). Dùng g = 9,81 m/s². Tìm lưu lượng Q theo L/s.

Δz = 17 mL = 150 mD = 200 mmf = 0,025K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×3)K_valve = 5K_exit = 1,0

Q = L/s

21.Dòng chảy hở (Manning)Trung bình

Một kênh bê tông được hoàn thiện hình chữ nhật rộng 1,5 m. Nước chảy đều sâu 1,9 m. Hệ số Manning n = 0,012 và độ dốc đáy là S = 0,005. Tìm lưu lượng Q theo m³/s.

b = 1,5 my = 1,9 mn = 0,012S = 0,005

Q = m³/s

22.Dòng chảy hở (Manning)Khó

Một cống bê tông có đường kính trong 600 mm (hệ số Manning n = 0,013) phải đạt vận tốc tự làm sạch 1 m/s khi chảy vừa đầy. Tìm độ dốc tối thiểu S (theo m/m).

D = 600 mmn = 0,013V = 1 m/s

S = m/m

23.Máy bơm và công suất bơmTrung bình

Một máy bơm cấp 100 L/s nước (ρ = 1000 kg/m³) ngược với cột áp 68 m. Hiệu suất bơm là 72% và động cơ điện dẫn động nó có hiệu suất 94%. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm công suất điện P_el mà động cơ tiêu thụ, theo kW.

Q = 100 L/sH = 68 mη_pump = 72%η_motor = 94%g = 9,81 m/s²

P_el = kW

24.Máy bơm và công suất bơmKhó

Một máy bơm chuyển 50 L/s nước (ρ = 1000 kg/m³) từ một bể hở phía dưới lên một bồn phía trên có mặt nước cao hơn 24 m. Ống dài 100 m, đường kính trong 150 mm và hệ số ma sát Darcy f = 0,025; các hệ số tổn thất cục bộ cộng lại là ΣK = 8 (đã gồm lối vào và lối ra). Dùng g = 9,81 m/s². Bồn phía trên đóng kín và không khí phía trên nước ở áp suất dư 250 kPa. Tìm cột áp H mà bơm phải bổ sung.

Q = 50 L/sΔz = 24 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,025ΣK = 8p_tank = 250 kPa

H = m

25.Giá trị thời gian của tiềnTrung bình

Bạn đầu tư €20 000 với lãi suất danh nghĩa 3,6% mỗi năm, ghép lãi hằng quý. Tìm giá trị FV của khoản đầu tư sau 5 năm.

PV = €20 0003,6% / 4n = 5

FV = €

26.Giá trị thời gian của tiềnKhó

Một khoản vay €20 000 được trả bằng các khoản thanh toán hằng tháng bằng nhau trong 4 năm với lãi suất 3% mỗi năm, ghép lãi hằng tháng. Tổng tiền lãi I phải trả trong suốt thời hạn khoản vay là bao nhiêu?

P = €20 0003% / 12N = 48

I = €

27.NPV và IRRTrung bình

Một khoản đầu tư €30 000 cho các dòng tiền sau vào cuối các năm 1 đến 3: €10 000, €14 000, €12 000. Chi phí vốn là 15%. Tìm giá trị hiện tại ròng NPV.

r = 15%CF₀ = −30 000CF₁ = 10 000CF₂ = 14 000CF₃ = 12 000

NPV = €

28.NPV và IRRKhó

Một dự án tốn €50 000 hôm nay. Dòng tiền của nó là €8 500 vào cuối năm thứ 1 và tăng 3% mỗi năm cho đến dòng tiền cuối cùng vào cuối năm 7. Chi phí vốn là 12%. Tìm giá trị hiện tại ròng NPV.

C₀ = €50 000CF₁ = €8 500g = 3%n = 7r = 12%

NPV = €

29.Phân phối chuẩnTrung bình

Khối lượng của hành khách có hành lý là độc lập và có phân bố chuẩn với trung bình 85 kg và độ lệch chuẩn 12 kg. Tìm xác suất P để tổng khối lượng của 4 trong số đó nhỏ hơn 316 kg. Làm tròn z đến hai chữ số thập phân.

μ = 85 kgσ = 12 kgn = 4< 316 kg

P =

30.Phân phối chuẩnKhó

Chiều cao X của nam giới và Y của nữ giới trong một nhóm là độc lập và có phân bố chuẩn: X có trung bình 180 cm và độ lệch chuẩn 10 cm, Y có trung bình 170 cm và độ lệch chuẩn 12 cm. Tìm xác suất P để X lớn hơn Y. Làm tròn z đến hai chữ số thập phân.

μ_X = 180 cm, σ_X = 10 cmμ_Y = 170 cm, σ_Y = 12 cm

P =

3Dung dịch

1.Phản lực gối của dầm

Đáp số: R_A = 16 kN

Cân bằng tĩnh: một vật ở trạng thái nghỉ có ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 và ΣM = 0 đối với mọi điểm. Thay mỗi tải phân bố bằng hợp lực của nó (diện tích) đặt tại trọng tâm của biểu đồ tải, và lấy mô-men đối với một gối để khử phản lực của gối đó khỏi phương trình.

Hợp lực của tải tam giác

W = ½·6·8 = 24 kN

x̄ = L/3 = 2,667 m

Cân bằng

Mômen quanh A, chiều ngược kim đồng hồ là dương. Sau đó cân bằng lực theo phương thẳng đứng.

ΣM_A = 0: R_B·8 = 24·2,667

R_B = 8 kN

R_A = 24 − 8 = 16 kN

Đáp số

R_A = 16 kN

2.Phản lực gối của dầm

Đáp số: R_B = 46,57 kN

Hợp lực của tải phân bố

W = 8·4 = 32 kN, x̄ = (6 + 10)/2 = 8 m

Cân bằng

Mômen quanh A, chiều ngược kim đồng hồ là dương. Sau đó cân bằng lực theo phương thẳng đứng.

ΣM_A = 0: R_B·7 = 35·2 + 32·8

R_B = 326/7 = 46,57 kN

R_A = 67 − 46,57 = 20,43 kN

Đáp số

R_B = 46,57 kN

3.Giàn: phương pháp tách nút

Đáp số: thanh CG

Thanh không lực: tại một nút, các lực phải cân bằng theo mọi phương. Nếu một nút không có tải và không có gối tựa, và hai trong ba thanh của nó thẳng hàng, thì cân bằng theo phương vuông góc với đường thẳng đó chỉ liên quan đến thanh thứ ba, nên lực của nó bằng không. Nếu chỉ có hai thanh gặp nhau tại một nút không chịu tải và chúng không thẳng hàng, cả hai đều bằng không.

Nút C

BC và CD nằm trên một đường thẳng và nút không chịu tải. Cân bằng lực theo phương vuông góc với đường thẳng đó chỉ còn lại CG.

ΣF⊥ = 0 → F_CG = 0

Kiểm tra bằng phương pháp tách nút

Giải tất cả các nút cho các lực thanh sau (T = kéo, C = nén).

AB: 40,31 kN (T), BC: 39,38 kN (T), CD: 39,38 kN (T), DE: 27,19 kN (T), FG: 40,31 kN (C), GH: 27,19 kN (C), AF: 67,19 kN (C), HE: 45,31 kN (C), BF: 18,75 kN (T), CG: 0, DH: 36,25 kN (T), BG: 1,562 kN (T), DG: 20,31 kN (C)

Đáp số

Thanh không lực: CG

4.Giàn: phương pháp tách nút

Đáp số: F_AC = 15 kN

Phương pháp tách nút: mọi chốt của giàn đều cân bằng, nên ΣF_x = 0 và ΣF_y = 0 tại mỗi nút. Bắt đầu từ nút có tối đa hai nội lực thanh chưa biết. Kết quả âm nghĩa là thanh chịu nén.

Phản lực gối

Cân bằng của cả giàn. Mômen quanh A, chiều ngược kim đồng hồ là dương.

ΣM_A = 0: C_y·6 = 50·4 − 5·4 → C_y = 30 kN

ΣF_y = 0: A_y = 50 − 30 = 20 kN

ΣF_x = 0: A_x = 5 kN

Nút C

Gối di động chỉ cho phản lực thẳng đứng, nên nút C chỉ có hai nội lực thanh chưa biết. Giả sử cả hai chịu kéo.

sin γ = 4/4,472 = 0,8944, cos γ = 2/4,472 = 0,4472

ΣF_y = 0: C_y + F_BC·sin γ = 0 → F_BC = −30/0,8944 = −33,54 kN

ΣF_x = 0: −F_AC − F_BC·cos γ = 0 → F_AC = −(−33,54)·0,4472 = 15 kN

Đáp số

F_AC = 15 kN (kéo)

5.Lực cắt và mômen uốn

Đáp số: C (x = 4 m)

Mômen uốn lớn nhất: M đổi độ dốc ở bất cứ chỗ nào lực cắt thay đổi, nên các đỉnh của nó nằm nơi lực cắt đi qua không: dưới một tải tập trung, bên trong một tải phân bố, hoặc trên một gối của phần công-xon. Tại ngàm của dầm công-xon, mômen lớn nhất ở chân tường. So sánh độ lớn của M tại những chỗ đó, dù là mômen làm võng hay làm vồng.

Phản lực gối

Lấy mômen quanh một gối tựa, rồi dùng cân bằng lực thẳng đứng.

R₁ = 72 kN, R₂ = 52 kN

Mômen uốn tại mỗi điểm đánh dấu

Cộng các mômen của mọi lực ở một phía của mặt cắt. Võng là dương, vồng là âm.

M_A = 0, M_B = 144, M_C = 272 kN·m, M_D = 248, M_E = 192, M_F = 104, M_G = 0

Đáp số

Điểm đánh dấu C: M_C = 272 kN·m

6.Lực cắt và mômen uốn

Đáp số: B (x = 1 m)

Phản lực gối

Lấy mômen quanh một gối tựa, rồi dùng cân bằng lực thẳng đứng.

R₁ = 75 kN, R₂ = 30 kN

Mômen uốn tại mỗi điểm đánh dấu

Cộng các mômen của mọi lực ở một phía của mặt cắt. Võng là dương, vồng là âm.

M_A = 0, M_B = −55 kN·m, M_C = −35, M_D = −15, M_E = −30, M_F = −15, M_G = 0

Đáp số

Điểm đánh dấu B: M_B = −55 kN·m

7.Độ võng của dầm

Đáp số: θ_A = 0,003333 rad

Độ võng của dầm: độ võng có được bằng cách tích phân độ cong M/(EI) hai lần. Các trường hợp tiêu chuẩn đã được lập bảng, ví dụ PL³/(3EI) cho dầm công xôn chịu tải ở đầu tự do và 5wL⁴/(384EI) cho dầm đơn giản chịu tải phân bố đều toàn nhịp. Độ võng do các tải riêng rẽ cộng lại (xếp chồng). Góc xoay θ = dv/dx là tích phân bậc một của M/(EI); với các đơn vị nhất quán, nó có đơn vị radian.

Đơn vị nhất quán

Làm việc theo N và mm: P theo N, w theo N/mm (kN/m = N/mm), L theo mm, E theo N/mm² (GPa × 1000), I theo mm⁴.

w = 5 N/mm, L = 8000 mm

EI = 3,2 × 10¹³ N·mm²

Góc xoay ở đầu

θ_A = wL³/(24EI) = 5·8000³/(24·3,2 × 10¹³) = 0,003333 rad

Đáp số

θ_A = 0,003333 rad

Đó là 0,191°.

8.Độ võng của dầm

Đáp số: h_req = 287,1 mm

Đơn vị nhất quán

Làm việc theo N và mm: P theo N, w theo N/mm (kN/m = N/mm), L theo mm, E theo N/mm² (GPa × 1000), I theo mm⁴.

w = 4 N/mm, L = 5000 mm, E = 11000 N/mm²

Giới hạn độ võng

δ_allow = L/250 = 5000/250 = 20 mm

Mômen quán tính mặt cắt yêu cầu

I_req = 5wL⁴/(384·E·δ_allow) = 5·4·5000⁴/(384·11000·20) = 1,48 × 10⁸ mm⁴

Chiều cao cần thiết

bh³/12 = I_req → h = (12·1,48 × 10⁸/75)^1/3 = 287,1 mm

Đáp số

h_req = 287,1 mm

Trong thực tế, hãy chọn chiều cao tiêu chuẩn kế tiếp lớn hơn giá trị này.

9.Mất ổn định cột

Đáp số: P_cr = 34,97 kN

Mất ổn định Euler: một cột mảnh mất ổn định tại P_cr = π²EI/(KL)², trong đó KL là chiều dài tính toán: K = 1 cho khớp–khớp, 2 cho ngàm–tự do, 0,7 cho ngàm–khớp và 0,5 cho ngàm–ngàm. Cột oằn quanh trục có I nhỏ nhất. Công thức đúng với cột mảnh, có ứng suất tới hạn thấp hơn ứng suất chảy.

Mômen quán tính nhỏ nhất của mặt cắt

Hình chữ nhật oằn quanh trục yếu, dùng kích thước nhỏ hơn lập phương.

I_min = h·b³/12 = 60·25³/12 = 78125 mm⁴

Chiều dài tính toán

KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Tải trọng tới hạn

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·78125/2100² = 34969 N = 34,97 kN

Đáp số

P_cr = 34,97 kN

10.Mất ổn định cột

Đáp số: d = 106,2 mm

Tải trọng tới hạn yêu cầu

P_cr = n·P = 2·15000 = 30000 N

KL = 2·6000 = 12000 mm

Giải tìm đường kính

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·30000·12000²/(π³·70000))^(1/4) = 106,2 mm

Đáp số

d = 106,2 mm

Kiểm tra: độ mảnh KL/r là 451,8, nên cột là mảnh và công thức Euler áp dụng được.

11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt

Đáp số: I_x = 135,8 × 10⁶ mm⁴

Tiết diện có lỗ: coi lỗ là một diện tích âm. Trọng tâm là ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), với A₁, y₁ cho tấm đầy đủ và A₂, y₂ cho lỗ. Với mômen quán tính diện tích quanh trục đi qua trọng tâm, dùng định lý trục song song cho từng phần rồi trừ lỗ: I = (I_c1 + A₁d₁²) − (I_c2 + A₂d₂²), trong đó d là khoảng cách từ trọng tâm riêng của mỗi phần đến trục đi qua ȳ. Hình chữ nhật có I_c = bh³/12 và hình tròn có I_c = πd⁴/64.

Trọng tâm

ȳ = (28800·120 − 2827·96)/(28800 − 2827) = 122,6 mm

Tấm đầy đủ quanh ȳ

120·240³/12 + 28800·−2,613² = 138,4 × 10⁶ mm⁴

Lỗ quanh ȳ

π·60⁴/64 + 2827·−26,61² = 2,639 × 10⁶ mm⁴

Trừ

I_x = 135,8 × 10⁶ mm⁴

Đáp số

I_x = 135,8 × 10⁶ mm⁴

12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt

Đáp số: σ_dưới = 172,7 MPa

Diện tích ghép: chia mặt cắt thành các hình chữ nhật. Trọng tâm là trung bình có trọng số theo diện tích ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Mômen quán tính của mặt cắt đối với trục đi qua trọng tâm bằng tổng bh³/12 của từng phần và số hạng trục song song A·d², trong đó d là khoảng cách từ trọng tâm của phần đó đến trọng tâm chung. Ứng suất uốn là σ = M·y/I.

Chia thành hai hình chữ nhật

Đo mọi y từ mép dưới.

cánh: A_f = 140·20 = 2800 mm², y_f = 240 + 20/2 = 250 mm

bụng: A_w = 18·240 = 4320 mm², y_w = 240/2 = 120 mm

Trọng tâm

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (2800·250 + 4320·120)/7120 = 171,1 mm

Định lý trục song song

cánh: 140·20³/12 + 2800·(250 − 171,1)² = 1,751 × 10⁷ mm⁴

bụng: 18·240³/12 + 4320·(120 − 171,1)² = 3,203 × 10⁷ mm⁴

I_x = 1,751 × 10⁷ + 3,203 × 10⁷ = 4,954 × 10⁷ mm⁴

Ứng suất uốn

Mép dưới cách trục ȳ.

y = 171,1 mm

σ = M·y/I = 5 × 10⁷·171,1/4,954 × 10⁷ = 172,7 MPa

Đáp số

σ_dưới = 172,7 MPa

13.Ứng suất hữu hiệu trong đất

Đáp số: σ = 114 kPa

Ứng suất hữu hiệu (Terzaghi): khung hạt đất chịu σ′ = σ − u. Ứng suất toàn phần σ là trọng lượng của mọi thứ phía trên điểm đó, Σγ·h, dùng trọng lượng riêng khô phía trên mực nước ngầm và trọng lượng riêng bão hòa phía dưới. Dưới mực nước ngầm, áp suất nước lỗ rỗng là thủy tĩnh: u = γ_w·(độ sâu dưới mực nước ngầm).

Ứng suất toàn phần

Cộng trọng lượng của từng lớp đất phía trên X. Phía trên mực nước ngầm dùng trọng lượng riêng khô, phía dưới dùng trọng lượng riêng bão hòa.

σ = γ_d·z_w + γ_sat·(z − z_w) = 16,5·1 + 19,5·5 = 114 kPa

Đáp số

σ = 114 kPa

14.Ứng suất hữu hiệu trong đất

Đáp số: σ′ = 93,67 kPa

Ứng suất toàn phần

Cộng trọng lượng của từng lớp đất phía trên X. Phía trên mực nước ngầm dùng trọng lượng riêng khô, phía dưới dùng trọng lượng riêng bão hòa.

σ = γ_d·2 + γ_sat,sand·4 + γ_sat,clay·3,5

σ = 16·2 + 18,5·4 + 17,5·3,5 = 167,3 kPa

Áp suất nước lỗ rỗng

Áp suất nước tăng theo độ sâu dưới mực nước ngầm.

u = γ_w·(z − z_w) = 9,81·7,5 = 73,58 kPa

Ứng suất hữu hiệu

σ′ = σ − u = 167,3 − 73,58 = 93,67 kPa

Đáp số

σ′ = 93,67 kPa

15.Lún cố kết

Đáp số: S = 222,1 mm

Cố kết sơ cấp của một lớp sét dày H, dùng ứng suất hữu hiệu ở giữa lớp: σ′_f = σ′₀ + Δσ. Sét cố kết thông thường: S = C_c·H/(1 + e₀)·log₁₀(σ′_f/σ′₀). Sét quá cố kết nén lại theo C_r đến áp lực tiền cố kết σ′_p và chỉ theo C_c sau đó. Thời gian: t = T_v·H_dr²/c_v, trong đó đường thoát nước H_dr là H/2 khi nước có thể thoát ở trên và dưới, và H khi chỉ một phía thoát nước.

Áp lực tiền cố kết

σ′_p = OCR·σ′₀ = 2,5·80 = 200 kPa

So sánh với áp lực tiền cố kết

σ′_f = 80 + 180 = 260 kPa > 200 kPa

Độ lún

Nén lại đến σ′_p, nén nguyên sinh sau đó.

S = 0,03·6,5/(1 + 0,85)·log₁₀(200/80) + 0,45·6,5/(1 + 0,85)·log₁₀(260/200)

S = 41,95 + 180,2 = 222,1 mm

Đáp số

S = 222,1 mm

16.Lún cố kết

Đáp số: t = 3,031 năm

Đường thoát nước

H_dr = H = 6,5 m

Thời gian

t = T_v·H_dr²/c_v = 0,287·6,5²/4 = 3,031 năm

Đáp số

t = 3,031 năm

17.Lực thủy tĩnh

Đáp số: F = 139,8 kN

Lực thủy tĩnh trên mặt phẳng: F = ρ·g·y_c·A. Lực tác dụng tại tâm áp lực, y_cp = y_c + I_c/(y_cA), luôn nằm dưới trọng tâm.

Độ sâu trọng tâm và diện tích

y_c = d + H/2 = 4 + 1,5/2 = 4,75 m

A = H·b = 1,5·2 = 3 m²

Hợp lực

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9,81·4,75·3 = 139,8 kN

Đáp số

F = 139,8 kN

18.Lực thủy tĩnh

Đáp số: F = 111,2 kN

Lực thủy tĩnh trên mặt phẳng: F = ρ·g·y_c·A. Lực tác dụng tại tâm áp lực, y_cp = y_c + I_c/(y_cA), luôn nằm dưới trọng tâm.

Độ sâu trọng tâm và diện tích

y_c = d + H/2 = 0,5 + 3/2 = 2 m

A = H·b = 3·1,5 = 4,5 m²

Hợp lực

F = ρ·g·y_c·A = 1260·9,81·2·4,5 = 111,2 kN

Đáp số

F = 111,2 kN

19.Ma sát đường ống và tổn thất cột áp

Đáp số: Δp = 4,455 kPa

Dòng chảy trong ống: số Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ phân biệt chảy tầng (Re dưới khoảng 2000) với chảy rối (trên khoảng 4000). Ma sát dọc ống gây tổn thất cột áp Darcy–Weisbach h_f = f·(L/D)·V²/(2g). Các phụ kiện, van, lối vào và lối ra gây thêm tổn thất cục bộ h_m = ΣK·V²/(2g). Giữa hai mặt thoáng của bể hở, phương trình năng lượng cho Δz = h_f + h_m, đã tính cả tổn thất lối ra K = 1.

Tổn thất cột áp

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(150/0,3)·0,9²/(2·9,81) = 0,4541 m

Độ giảm áp suất

Ống nằm ngang và vận tốc không đổi, nên phương trình năng lượng rút gọn thành Δp = ρ·g·h_f.

Δp = ρ·g·h_f = 1000·9,81·0,4541 = 4455 Pa = 4,455 kPa

Đáp số

Δp = 4,455 kPa

20.Ma sát đường ống và tổn thất cột áp

Đáp số: Q = 112,2 L/s

Các hệ số tổn thất

f·L/D = 0,025·150/0,2 = 18,75

ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 5 + 1,0 = 7,4

Phương trình năng lượng

Cả hai mặt nước đều thông với không khí và thực tế đứng yên, nên toàn bộ Δz bị mất trong ống.

17 = (18,75 + 7,4)·V²/(2·9,81)

V = √(2·9,81·17/26,15) = 3,571 m/s

Lưu lượng

Q = V·π·D²/4 = 3,571·0,03142 = 0,1122 m³/s = 112,2 L/s

Đáp số

Q = 112,2 L/s

21.Dòng chảy hở (Manning)

Đáp số: Q = 11,11 m³/s

Phương trình Manning (SI): với dòng chảy đều trong kênh hở V = (1/n)·R^2/3·S^1/2 và Q = A·V, với n là hệ số nhám, S là độ dốc đáy (m/m) và R = A/P là bán kính thủy lực: diện tích dòng chảy chia cho chu vi ướt. Chỉ phần biên tiếp xúc với nước được tính trong P, không tính mặt thoáng. Hình chữ nhật: A = b·y, P = b + 2y. Hình thang có mái dốc z:1 (ngang:đứng): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Ống tròn chảy đầy hoặc đầy một nửa có R = D/4.

Hình học

A = b·y = 1,5·1,9 = 2,85 m²

P = b + 2y = 1,5 + 2·1,9 = 5,3 m

R = A/P = 0,5377 m

Vận tốc

V = (1/0,012)·0,5377^2/3·0,005^1/2 = 3,897 m/s

Lưu lượng

Q = A·V = 2,85·3,897 = 11,11 m³/s

Đáp số

Q = 11,11 m³/s

22.Dòng chảy hở (Manning)

Đáp số: S = 0,00212 m/m

Bán kính thủy lực

R = D/4 = 0,6/4 = 0,15 m

Giải Manning tìm S

S = (n·V/R^2/3)² = (0,013·1/0,2823)² = 0,00212

Đáp số

S = 0,00212

Đó là độ hạ 2,12 m trên mỗi kilômét.

23.Máy bơm và công suất bơm

Đáp số: P_el = 98,56 kW

Công suất bơm: công suất truyền cho nước là công suất thủy lực P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Trục phải cung cấp nhiều hơn vì bơm có tổn hao: P_shaft = P_h/η_pump, và động cơ tiêu thụ P_el = P_shaft/η_motor. Cột áp bơm H suy ra từ phương trình năng lượng: chiều cao nâng tĩnh + cột áp áp suất + mọi tổn thất ma sát và cục bộ.

Công suất thủy lực

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,1·68 = 66,71 kW

Công suất trên trục

P_shaft = 66,71/0,72 = 92,65 kW

Công suất điện

P_el = 92,65/0,94 = 98,56 kW

Đáp số

P_el = 98,56 kW

24.Máy bơm và công suất bơm

Đáp số: H = 59,55 m

Vận tốc

V = Q/A = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s

V²/(2g) = 0,408 m

Các tổn thất cột áp

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (16,67 + 8)·0,408 = 10,06 m

Cột áp áp suất

p/(ρ·g) = 250000/(1000·9,81) = 25,48 m

Cột áp của bơm

Cả hai mặt nước thực tế đều đứng yên, nên không có số hạng cột áp vận tốc.

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 24 + 25,48 + 10,06 = 59,55 m

Đáp số

H = 59,55 m

25.Giá trị thời gian của tiền

Đáp số: FV = 23925 €

Giá trị thời gian của tiền: tiền hôm nay có giá trị hơn cùng số tiền đó ở tương lai, vì nó có thể sinh lãi. Với lãi suất i mỗi kỳ, một khoản tiền tăng theo FV = PV·(1 + i)ⁿ. Một chuỗi các khoản thanh toán bằng nhau (niên kim) được định giá bằng cách cộng từng khoản thanh toán, từ đó có các công thức niên kim.

Lãi suất và số kỳ

i = r/m = 0,036000000000000004/4 = 0,009

N = m·n = 4·5 = 20

Giá trị tương lai

FV = 20 000·(1 + 0,009)²⁰ = 20 000·1,196 = €23 925,08

Đáp số

FV = €23 925,08

26.Giá trị thời gian của tiền

Đáp số: I = 1249 €

Khoản thanh toán hằng tháng

i = 0,0025, N = 48

A = 20 000·0,0025/(1 − (1 + 0,0025)⁻⁴⁸) = €442,69

Tổng tiền lãi

I = N·A − P = 48·442,7 − 20 000 = €1 248,95

Đáp số

I = €1 248,95

27.NPV và IRR

Đáp số: NPV = −2828 €

Giá trị hiện tại ròng: chiết khấu mọi dòng tiền về hiện tại với tỷ suất sinh lời yêu cầu r, rồi cộng lại: NPV = Σ CFₜ/(1 + r)ᵗ. Dự án có NPV > 0 sinh lời nhiều hơn r và tạo thêm giá trị. Tỷ suất hoàn vốn nội bộ (IRR) là tỷ suất tại đó NPV = 0.

Giá trị hiện tại của từng dòng tiền

CF₀ = −30 000

CF₁/(1 + 0,15)¹ = 10 000/1,15 = 8 695,65

CF₂/(1 + 0,15)² = 14 000/1,322 = 10 586,01

CF₃/(1 + 0,15)³ = 12 000/1,521 = 7 890,19

Cộng lại

NPV = €−2 828,14

Đáp số

NPV = €−2 828,14

NPV âm, nên dự án sinh lời ít hơn mức yêu cầu.

28.NPV và IRR

Đáp số: NPV = −8098 €

Giá trị hiện tại của niên kim tăng trưởng

((1,03)/(1,12))⁷ = 0,5563

PV = 8 500/(0,12 − 0,03)·(1 − 0,5563) = 41 901,93

NPV

NPV = 41 901,93 − 50 000 = −€8 098,07

Đáp số

NPV = −€8 098,07

NPV âm, nên dự án sinh lời ít hơn mức yêu cầu.

29.Phân phối chuẩn

Đáp số: P = 0,1587

Tổng và hiệu của các biến chuẩn: nếu X và Y độc lập và có phân bố chuẩn thì X + Y và X − Y cũng có phân bố chuẩn. Các trung bình cộng hoặc trừ: E(X ± Y) = μ_X ± μ_Y. Các phương sai luôn cộng, kể cả với hiệu: Var(X ± Y) = σ_X² + σ_Y², nên σ = √(σ_X² + σ_Y²). Các độ lệch chuẩn không bao giờ cộng trực tiếp. Tổng của n phần tử độc lập có cùng phân bố có trung bình n·μ và độ lệch chuẩn σ·√n. Sau đó chuẩn hóa như thường lệ: z = (x − trung bình)/σ rồi tra Φ(z).

Phân bố của tổng

μ_T = 340 kg, σ_T = 12·√4 = 24 kg

Chuẩn hóa

z = (316 − 340)/24 = −1

Xác suất

P = Φ(−1) = 0,1587

Đáp số

P = 0,1587

30.Phân phối chuẩn

Đáp số: P = 0,7389

Phân bố của hiệu

μ = 180 − 170 = 10 cm, σ = 15,62 cm

Chuẩn hóa

z = (0 − 10)/15,62 = −0,64

Xác suất

P = 1 − Φ(−0,64) = 0,7389

Đáp số

P = 0,7389

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