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·R2/3))²
Máy bơm và công suất bơm
Công suất thủy lực
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Công suất trên trục
Pshaft = Ph/ηpump
Công suất điện
Pel = Pshaft/ηmotor
Cột áp của bơm
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Tổn thất của hệ thống
hL = (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 CFt/(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: CFt/(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 có gối cố định tại A và gối con lăn tại B. Nó chịu một lực tập trung P tại vị trí cách A 7 m và một ngẫu lực ngược chiều kim đồng hồ M tại vị trí cách A 6 m. Tìm phản lực thẳng đứng RB, lấy chiều hướng lên là dương.
L = 8 mP = 75 kN tại 7 mM = 25 kN·m (ngược chiều kim đồng hồ) tại 6 m
RB = kN
2.Phản lực gối của dầmKhó
Dầm đơn giản có gối cố định tại A và gối di động tại B. Tìm phản lực thẳng đứng RA.
L = 4 mP = 40 kN tại 1,5 mw = 12 kN/m từ 0 đến 4 m
RA = 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.
D: 30 kN ↓F: 30 kN ↓H: 20 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 FBC trong thanh BC. Lấy kéo là dương và nén là âm.
nhịp = 8 mchiều cao = 2 mB cách A 5 mtải thẳng đứng = 40 kNtải ngang = 15 kN ←
FBC = kN
5.Lực cắt và mômen uốnTrung bình
Dầm đặt trên gối cố định tại A và gối con lăn tại B, và đoạn công-xôn nhô ra khỏi B một đoạn 1 m tới đầu tự do C. Dầm chịu một lực tập trung P1 giữa hai gối và một lực tập trung P2 tại C. Tìm mô-men uốn Mx dưới tải P1. Dùng quy ước mô-men làm võng xuống là dương và lực cắt hướng lên trên mặt cắt bên trái là dương.
L = 6 mP1 = 70 kN tại 3 mP2 = 10 kN tại 6 mcác gối tại x = 0 và x = 5 m
Mx = kN·m
6.Lực cắt và mômen uốnKhó
Dầm đặt trên gối cố định tại A và gối con lăn tại B, và đoạn công-xôn nhô ra khỏi B một đoạn 2,5 m tới đầu tự do C. Tải phân bố đều w tác dụng trên toàn bộ chiều dài A–C. Tìm mô-men uốn võng xuống lớn nhất Mmax giữa hai gối.
L = 7,5 mw = 2 kN/m từ 0 đến 7,5 mcác gối tại x = 0 và x = 5 m
Mmax = kN·m
7.Độ võng của dầmTrung bình
Một dầm đơn giản chịu tải phân bố đều w trên toàn nhịp. Tìm độ võng lớn nhất δmax, tại giữa nhịp.
w = 2 kN/mL = 6 mE = 200 GPa (thép)I = 8,5 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.Độ võng của dầmKhó
Một dầm công-xôn có gối chống ngàm tại A và tựa đơn (chống) tại B. Dầm chịu một lực tập trung P tại giữa nhịp. EI không đổi. Tìm phản lực RB tại gối chống.
L = 6 mP = 30 kN tại 3 m
RB = kN
9.Mất ổn định cộtTrung bình
Một cột dài L làm bằng thép được ngàm cả hai đầu. Dùng công thức Euler, tìm tải trọng oằn tới hạn Pcr của nó.
L = 6 mE = 200 GPa (thép)b × h = 50 × 60 mm
Pcr = kN
10.Mất ổn định cộtKhó
Một cột tròn đặc dài L làm bằng thép được ngàm ở chân và khớp ở đỉnh. Nó phải chịu 90 kN với hệ số an toàn 2 chống oằn. Tìm đường kính nhỏ nhất d.
P = 90 kNn = 2L = 2 mE = 200 GPa (thép)
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 72 mm. Tìm mômen quán tính diện tích Ix quanh trục nằm ngang đi qua trọng tâm.
b = 120 mmh = 240 mmd = 60 mmtâm lỗ: y = 72 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtKhó
Một tiết diện chữ I đối xứng có các cánh rộng 220 mm và dày 18 mm, chiều cao tổng thể 380 mm và bụng dày 14 mm. Nó chịu mô-men uốn 120 kN·m quanh trục x. Tìm độ lớn của ứng suất uốn lớn nhất σmax trong tiết diện.
Một lớp sét quá cố kết dày 4,5 m có Cc = 0,3, Cr = 0,05 và e₀ = 0,95. Ở độ sâu giữa lớp, ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng là 120 kPa và áp lực tiền cố kết là 190 kPa. Một tòa nhà mới thêm 65 kPa ứng suất thẳng đứng ở độ sâu giữa lớp. Tìm độ lún cố kết sơ cấp S theo mm.
Trong thí nghiệm nén cố kết oedometer ở phòng thí nghiệm, một mẫu sét dày 25 mm, thoát nước ở đỉnh và đáy, đạt 50% cố kết sau 6 phút. Ngoài hiện trường, cùng loại sét đó tạo thành một lớp dày 3 m. Nó nằm trên đá không thấm, có cát phía trên, nên nước chỉ thoát ra ở đỉnh. Lớp ngoài hiện trường mất bao nhiêu ngày t để đạt 50% cố kết?
hlab = 25 mmtlab = 6 minH = 3 mhiện trường: thoát nước một phía
t = ngày
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 2 m. Tìm hợp lực thủy tĩnh F tác dụng lên cửa van.
d = 2 mH = 1 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 nước biển, với mép trên nằm dưới mặt thoáng 0,5 m. Tìm độ sâu ycp của tâm áp lực dưới mặt thoáng.
Nước (ρ = 1000 kg/m³) chảy với 1,5 m/s qua một ống nằm ngang dài 1000 m, đường kính trong 75 mm. Dùng hệ số ma sát Darcy f = 0,025 và g = 9,81 m/s². Tìm độ giảm áp suất Δp trên ống theo kPa.
Hai bể chứa hở được nối bằng một ống dài 400 m, đường kính trong 300 mm và hệ số ma sát Darcy f = 0,022. Mặt nước của bể trên cao hơn bể dưới 30 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.
Một kênh bê tông chưa hoàn thiện hình thang có chiều rộng đáy 3,5 m và mái dốc 2:1 (ngang:đứng). Nước chảy đều sâu 2 m. Hệ số Manning n = 0,014 và độ dốc đáy là S = 0,005. Tìm lưu lượng Q theo m³/s.
b = 3,5 my = 2 mz = 2n = 0,014S = 0,005
Q = m³/s
22.Dòng chảy hở (Manning)Khó
Một cống bê tông có đường kính trong 200 mm (hệ số Manning n = 0,013) phải đạt vận tốc tự làm sạch 1,2 m/s khi chảy vừa đầy. Tìm độ dốc tối thiểu S (theo m/m).
D = 200 mmn = 0,013V = 1,2 m/s
S = m/m
23.Máy bơm và công suất bơmTrung bình
Một máy bơm cấp 50 L/s nước (ρ = 1000 kg/m³) ngược với cột áp 54 m. Hiệu suất bơm là 82% và động cơ điện dẫn động nó có hiệu suất 92%. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm công suất điện Pel mà động cơ tiêu thụ, theo kW.
Một máy bơm chuyển 80 L/s nước (ρ = 1000 kg/m³) từ một bể hở phía dưới lên một bồn phía trên có mặt nước cao hơn 8 m. Ống dài 200 m, đường kính trong 250 mm và hệ số ma sát Darcy f = 0,025; các hệ số tổn thất cục bộ cộng lại là ΣK = 5 (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 150 kPa. Tìm cột áp H mà bơm phải bổ sung.
Một bất động sản dự kiến thu được tiền thuê ròng €8 000 vào năm tới. Tiền thuê dự kiến tăng 4% mỗi năm mãi mãi. Tỉ suất sinh lợi yêu cầu là 7% mỗi năm. Tìm giá trị PV của bất động sản hôm nay.
C1 = €8 000g = 4%r = 7%
PV = €
26.Giá trị thời gian của tiềnKhó
Một khoản vay thế chấp €300 000 được trả bằng các khoản thanh toán hằng tháng bằng nhau trong 20 năm với lãi suất 6% mỗi năm, ghép lãi hằng tháng. Ngay sau khoản thanh toán cuối năm 8 còn nợ bao nhiêu? Tìm số dư nợ B.
P = €300 0006% / 12N = 240k = 96
B = €
27.NPV và IRRTrung bình
Một chiếc máy tốn €40 000 hôm nay. Nó tạo ra €6 000 vào cuối mỗi năm trong 8 năm và sau đó có thể bán với giá €8 000. Chi phí vốn là 8%. Tìm giá trị hiện tại ròng NPV.
C0 = €40 000CF = €6 000S = €8 000n = 8r = 8%
NPV = €
28.NPV và IRRKhó
Một dự án tốn €150 000 hôm nay. Dòng tiền của nó là €16 500 vào cuối năm thứ 1 và tăng 4% mỗi năm cho đến dòng tiền cuối cùng vào cuối năm 9. Chi phí vốn là 12%. Tìm giá trị hiện tại ròng NPV.
C0 = €150 000CF1 = €16 500g = 4%n = 9r = 12%
NPV = €
29.Phân phối chuẩnTrung bình
X có phân bố chuẩn với trung bình 250 g và độ lệch chuẩn 4 g; Y độc lập và có phân bố chuẩn với trung bình 500 g và độ lệch chuẩn 9 g. Tìm xác suất P để X + Y lớn hơn 745,1 g. Làm tròn z đến hai chữ số thập phân.
μX = 250, σX = 4μY = 500, σY = 9X + Y > 745,1 g
P =
30.Phân phối chuẩnKhó
Đường kính lỗ D có phân bố chuẩn với trung bình 25,02 mm và độ lệch chuẩn 0,01 mm. Đường kính trục d độc lập và có phân bố chuẩn với trung bình 25 mm và độ lệch chuẩn 0,01 mm. Một trục chọn ngẫu nhiên lắp vừa khi D − d > 0. Tìm xác suất P để nó lắp vừa. Làm tròn z đến hai chữ số thập phân.
lỗ: μ = 25,02 mm, σ = 0,01 mmtrục: μ = 25 mm, σ = 0,01 mm
P =
3Dung dịch
1.Phản lực gối của dầm
Đáp số: RB = 62,5 kN
Cân bằng tĩnh: một vật ở trạng thái nghỉ có ΣFx = 0, ΣFy = 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.
Mômen quanh A
Ngược chiều kim đồng hồ là dương.
ΣMA = 0: RB·8 − 75·7 + 25 = 0
RB = 500/8 = 62,5 kN
Cân bằng theo phương thẳng đứng
RA = 75 − 62,5 = 12,5 kN
Đáp số
RB = 62,5 kN
Phản lực âm hướng xuống.
2.Phản lực gối của dầm
Đáp số: RA = 49 kN
Cân bằng tĩnh: một vật đứng yên có ΣFx = 0, ΣFy = 0 và ΣM = 0 quanh mọi điểm. Lấy mômen quanh một gối sẽ loại phản lực của gối đó khỏi phương trình.
Sơ đồ vật thể tự do
Thay các gối đỡ bằng phản lực. Gối di động cho một phản lực thẳng đứng; khi chỉ có tải thẳng đứng, gối cố định cũng cho một phản lực thẳng đứng.
Cân bằng
Mômen quanh A, chiều ngược kim đồng hồ là dương. Sau đó cân bằng lực theo phương thẳng đứng.
Hợp lực của tải phân bố đều: W = w·ℓ = 12·4 = 48 kN, đặt tại x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 40·1,5 + 12·4·2
RB = 156/4 = 39 kN
ΣFy = 0: RA = 88 − 39 = 49 kN
Đáp số
RA = 49 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 → FCG = 0
Kiểm tra bằng phương pháp tách nút
Giải tất cả các nút cho các lực thanh sau (T = kéo, C = nén).
Phương pháp tách nút: mọi chốt của giàn đều cân bằng, nên ΣFx = 0 và ΣFy = 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.
ΣMA = 0: Cy·8 = 40·5 − 15·2 → Cy = 21,25 kN
ΣFy = 0: Ay = 40 − 21,25 = 18,75 kN
ΣFx = 0: Ax = 15 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 = 2/3,606 = 0,5547, cos γ = 3/3,606 = 0,8321
Phương pháp mặt cắt: cắt dầm tại vị trí cần tìm nội lực và giữ lại một phía. Lực cắt V cân bằng với các lực thẳng đứng ở phía đó, và mômen uốn M cân bằng với mômen của chúng quanh mặt cắt.
Phản lực gối
Cân bằng của toàn bộ dầm. Tải ở đoạn công-xôn cũng gây mô-men đối với A.
ΣMA = 0: RB·5 = 70·3 + 10·6
RB = 270/5 = 54 kN
ΣFy = 0: RA = 80 − 54 = 26 kN
Cắt dưới P1 và giữ phần bên trái
Mx = RA·3 = 26·3 = 78 kN·m
Đáp số
Mx = 78 kN·m
6.Lực cắt và mômen uốn
Đáp số: Mmax = 3,516 kN·m
Phương pháp mặt cắt: cắt dầm tại vị trí cần tìm nội lực và giữ lại một phía. Lực cắt V cân bằng với các lực thẳng đứng ở phía đó, và mômen uốn M cân bằng với mômen của chúng quanh mặt cắt. Mô-men lớn nhất: vì dM/dx = V, mô-men uốn đạt cực trị tại nơi lực cắt đi qua không, hoặc tại một lực tập trung hoặc bên trong một tải phân bố.
Phản lực gối
Cân bằng của toàn bộ dầm, kể cả tải trên đoạn công-xôn.
Hợp lực của tải phân bố đều: W = w·ℓ = 2·7,5 = 15 kN, đặt tại x̄ = 3,75 m
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).
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 = 2 N/mm, L = 6000 mm
EI = 1,7 × 10¹² N·mm²
Độ võng
δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·2·6000⁴/(384·1,7 × 10¹²) = 19,85 mm
Đáp số
δmax = 19,85 mm
8.Độ võng của dầm
Đáp số: RB = 9,375 kN
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). Với dầm siêu tĩnh, hãy bỏ một liên kết thừa và đòi hỏi độ võng tại đó bằng không (điều kiện tương thích).
Bỏ gối chống đi
Khi không có gối chống, dầm là một dầm công-xôn. Đầu tự do của nó sẽ võng dưới tải.
δload = P(L/2)²(3L − L/2)/(6EI) = 5PL³/(48EI)
Điều kiện tương thích tại gối chống
Chỉ riêng lực chống RB nâng đầu tự do lên một đoạn RBL³/(3EI). Gối chống giữ B có độ võng bằng không, nên hai độ võng phải triệt tiêu nhau. EI được khử.
Mất ổn định Euler: một cột mảnh mất ổn định tại Pcr = 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.
Mất ổn định Euler: một cột mảnh mất ổn định tại Pcr = 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.
Tải trọng tới hạn yêu cầu
Pcr = n·P = 2·90000 = 180000 N
KL = 0,7·2000 = 1400 mm
Giải tìm đường kính
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·180000·1400²/(π³·200000))^(1/4) = 43,68 mm
Đáp số
d = 43,68 mm
Kiểm tra: độ mảnh KL/r là 128,2, nên cột là mảnh và công thức Euler áp dụng được.
11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt
Đáp số: Ix = 130,4 × 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 = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), trong đó d là khoảng cách từ trọng tâm riêng của mỗi phần đến trục đi qua ȳ. Hình chữ nhật có Ic = bh³/12 và hình tròn có Ic = πd⁴/64.
Trọng tâm
ȳ = (28800·120 − 2827·72)/(28800 − 2827) = 125,2 mm
Tấm đầy đủ quanh ȳ
120·240³/12 + 28800·−5,225² = 139 × 10⁶ mm⁴
Lỗ quanh ȳ
π·60⁴/64 + 2827·−53,23² = 8,646 × 10⁶ mm⁴
Trừ
Ix = 130,4 × 10⁶ mm⁴
Đáp số
Ix = 130,4 × 10⁶ mm⁴
12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt
Đáp số: σmax = 74,23 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.
Hình chữ nhật ngoài trừ hai phần khuyết hai bên
Hai phần khuyết cộng lại rộng (B − tw) và cao hw = H − 2tf, và có chung trục x.
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 = γw·(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.
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 = γw·(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 = γd·4 + γsat,sand·1 + γsat,clay·2
σ = 15,5·4 + 20·1 + 17·2 = 116 kPa
Áp suất nước lỗ rỗng
Áp suất nước tăng theo độ sâu dưới mực nước ngầm.
u = γw·(z − zw) = 9,81·3 = 29,43 kPa
Ứng suất hữu hiệu
σ′ = σ − u = 116 − 29,43 = 86,57 kPa
Đáp số
σ′ = 86,57 kPa
15.Lún cố kết
Đáp số: S = 21,69 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 = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Sét quá cố kết nén lại theo Cr đến áp lực tiền cố kết σ′p và chỉ theo Cc sau đó. Thời gian: t = Tv·Hdr²/cv, trong đó đường thoát nước Hdr là H/2 khi nước có thể thoát ở trên và dưới, và H khi chỉ một phía thoát nước.
So sánh với áp lực tiền cố kết
σ′f = 120 + 65 = 185 kPa ≤ 190 kPa
Độ lún
Sét vẫn nằm trên đường nén lại của nó.
S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0) = 0,05·4,5/(1 + 0,95)·log₁₀(185/120) = 21,69 mm
Đáp số
S = 21,69 mm
16.Lún cố kết
Đáp số: t = 240 ngày
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 = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Sét quá cố kết nén lại theo Cr đến áp lực tiền cố kết σ′p và chỉ theo Cc sau đó. Thời gian: t = Tv·Hdr²/cv, trong đó đường thoát nước Hdr là H/2 khi nước có thể thoát ở trên và dưới, và H khi chỉ một phía thoát nước.
Các đường thoát nước
Hdr,lab = 25/2 = 12,5 mm = 0,0125 m
Hdr,field = 3 m
Quy đổi thời gian
t = Tv·Hdr²/cv với cùng T_v và cv ở phòng thí nghiệm và hiện trường.
tfield = 6·(3/0,0125)² = 345600 min
tfield = 345600/1440 = 240 ngày
Đáp số
t = 240 ngày
17.Lực thủy tĩnh
Đáp số: F = 49,05 kN
Lực thủy tĩnh trên mặt phẳng: F = ρ·g·yc·A. Lực tác dụng tại tâm áp lực, ycp = yc + Ic/(ycA), luôn nằm dưới trọng tâm.
Độ sâu trọng tâm và diện tích
yc = d + H/2 = 2 + 1/2 = 2,5 m
A = H·b = 1·2 = 2 m²
Hợp lực
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,5·2 = 49,05 kN
Đáp số
F = 49,05 kN
18.Lực thủy tĩnh
Đáp số: ycp = 1,083 m
Lực thủy tĩnh trên mặt phẳng: F = ρ·g·yc·A. Lực tác dụng tại tâm áp lực, ycp = yc + Ic/(ycA), luôn nằm dưới trọng tâm.
Độ sâu trọng tâm và diện tích
yc = d + H/2 = 0,5 + 1/2 = 1 m
A = H·b = 1·1,5 = 1,5 m²
Hợp lực
F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·1·1,5 = 15,08 kN
Tâm áp lực
Áp suất tăng theo độ sâu, nên hợp lực tác dụng phía dưới trọng tâm.
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 hf = f·(L/D)·V²/(2g). Các phụ kiện, van, lối vào và lối ra gây thêm tổn thất cục bộ hm = ΣK·V²/(2g). Giữa hai mặt thoáng của bể hở, phương trình năng lượng cho Δz = hf + hm, đã tính cả tổn thất lối ra K = 1.
Tổn thất cột áp
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(1000/0,075)·1,5²/(2·9,81) = 38,23 m
Độ giảm áp suất
Ống nằm ngang và vận tốc không đổi, nên phương trình năng lượng rút gọn thành Δp = ρ·g·hf.
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 hf = f·(L/D)·V²/(2g). Các phụ kiện, van, lối vào và lối ra gây thêm tổn thất cục bộ hm = ΣK·V²/(2g). Giữa hai mặt thoáng của bể hở, phương trình năng lượng cho Δz = hf + hm, đã tính cả tổn thất lối ra K = 1.
Các hệ số tổn thất
f·L/D = 0,022·400/0,3 = 29,33
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.
Phương trình Manning (SI): với dòng chảy đều trong kênh hở V = (1/n)·R2/3·S1/2 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 + z·y)·y = (3,5 + 2·2)·2 = 15 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 3,5 + 2·2·√(1 + 2²) = 12,44 m
R = A/P = 1,205 m
Vận tốc
V = (1/0,014)·1,2052/3·0,0051/2 = 5,721 m/s
Lưu lượng
Q = A·V = 15·5,721 = 85,81 m³/s
Đáp số
Q = 85,81 m³/s
22.Dòng chảy hở (Manning)
Đáp số: S = 0,01321 m/m
Phương trình Manning (SI): với dòng chảy đều trong kênh hở V = (1/n)·R2/3·S1/2 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.
Bán kính thủy lực
R = D/4 = 0,2/4 = 0,05 m
Giải Manning tìm S
S = (n·V/R2/3)² = (0,013·1,2/0,1357)² = 0,01321
Đáp số
S = 0,01321
Đó là độ hạ 13,21 m trên mỗi kilômét.
23.Máy bơm và công suất bơm
Đáp số: Pel = 35,11 kW
Công suất bơm: công suất truyền cho nước là công suất thủy lực Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Trục phải cung cấp nhiều hơn vì bơm có tổn hao: Pshaft = Ph/ηpump, và động cơ tiêu thụ Pel = Pshaft/ηmotor. 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
Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,05·54 = 26,49 kW
Công suất trên trục
Pshaft = 26,49/0,82 = 32,3 kW
Công suất điện
Pel = 32,3/0,92 = 35,11 kW
Đáp số
Pel = 35,11 kW
24.Máy bơm và công suất bơm
Đáp số: H = 26,67 m
Công suất bơm: công suất truyền cho nước là công suất thủy lực Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Trục phải cung cấp nhiều hơn vì bơm có tổn hao: Pshaft = Ph/ηpump, và động cơ tiêu thụ Pel = Pshaft/ηmotor. 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.
Cả hai mặt nước thực tế đều đứng yên, nên không có số hạng cột áp vận tốc.
H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 8 + 15,29 + 3,384 = 26,67 m
Đáp số
H = 26,67 m
25.Giá trị thời gian của tiền
Đáp số: PV = 266667 €
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.
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.
Số còn nợ phải được trả hết đúng bằng các khoản thanh toán còn lại.
N − k = 240 − 96 = 144
B = 2149·(1 − (1 + 0,005)−144)/0,005 = €220 248,27
Đáp số
B = €220 248,27
27.NPV và IRR
Đáp số: NPV = −1198 €
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 các dòng tiền hằng năm
6 000·5,747 = 34 479,83
Giá trị hiện tại của giá trị thanh lý
8 000/1,851 = 4 322,15
NPV
NPV = −40 000 + 34 479,83 + 4 322,15 = −€1 198,02
Đáp số
NPV = −€1 198,02
28.NPV và IRR
Đáp số: NPV = −49610 €
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.
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) = μX ± μY. Các phương sai luôn cộng, kể cả với hiệu: Var(X ± Y) = σX² + σY², nên σ = √(σX² + σY²). 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 = 750 g, σ = √(4² + 9²) = 9,849 g
Chuẩn hóa
z = (745,1 − 750)/9,849 = −0,5
Đuôi trên
P = 1 − Φ(−0,5) = 1 − 0,3085 = 0,6915
Đáp số
P = 0,6915
30.Phân phối chuẩn
Đáp số: P = 0,9207
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) = μX ± μY. Các phương sai luôn cộng, kể cả với hiệu: Var(X ± Y) = σX² + σY², nên σ = √(σX² + σY²). 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 hiệu
μ = 25,02 − 25 = 0,02 mm, σ = 0,01414 mm
Chuẩn hóa
z = (0 − 0,02)/0,01414 = −1,41
Xác suất
P = 1 − Φ(−1,41) = 0,9207
Đáp số
P = 0,9207
Đây là tài liệu luyện tập độc lập. ExamProblems không liên kết với hay được xác nhận bởi tổ chức tổ chức kỳ thi này, và tên kỳ thi chỉ được dùng để mô tả nội dung. Kỳ thi FE exam do NCEES tổ chức; tổ chức này không liên kết với ExamProblems và không bảo trợ nó.