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 công-xôn được ngàm vào tường tại A. Nó chịu tải phân bố đều w trên toàn bộ chiều dài và một lực tập trung P tại vị trí cách tường 4 m. Tìm độ lớn của mô-men phản lực M_A tại tường.

L = 10 mP = 30 kN tại 4 mw = 10 kN/m từ 0 đến 10 m

M_A = kN·m

2.Phản lực gối của dầmKhó

Một dầm ghép được ngàm vào tường tại A, có một khớp bản lề bên trong tại C (cách A 3,5 m) và tựa trên một gối con lăn tại D (cách A 6 m). Dầm chịu một lực tập trung P tại vị trí cách A 4,5 m, một tải phân bố đều w trên toàn bộ đoạn CD. Tìm độ lớn của mô-men phản lực M_A tại tường.

AC = 3,5 mAD = 6 mP = 80 kN tại 4,5 mw = 2 kN/m từ 3,5 đến 6 m

M_A = kN·m

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.

C: 40 kN ↓D: 25 kN ↓G: 25 kN ↓H: 40 kN ↓

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

4.Giàn: phương pháp tách nútKhó

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

nhịp = 4 mchiều cao = 2 mB cách A 1 mtải thẳng đứng = 55 kNtải ngang = 5 kN ←

F_AB = kN

5.Lực cắt và mômen uốnTrung bình

Dầm đơn giản chịu một ngẫu lực cùng chiều kim đồng hồ M₀ = 60 kN·m tại x = 3 m tính từ A, và không có tải nào khác. Tìm mô-men uốn M_x ngay bên phải ngẫu lực. Dùng quy ước mô-men làm võng xuống là dương và lực cắt hướng lên trên mặt cắt bên trái là dương.

L = 6 mM₀ = 60 kN·m cùng chiều kim đồng hồ, tại 3 m

M_x = kN·m

6.Lực cắt và mômen uốnKhó

Tìm mômen uốn M_x tại mặt cắt x = 6 m tính từ gối A. Coi mômen làm dầm võng xuống là dương và lực cắt hướng lên trên mặt trái là dương.

L = 8 mP = 30 kN tại 6 mw = 3 kN/m từ 0 đến 8 mx = 6 m

M_x = 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 δ_max, tại giữa nhịp.

w = 20 kN/mL = 6 mE = 70 GPa (nhôm)I = 160 × 10⁶ mm⁴

δ_max = mm

8.Độ võng của dầmKhó

Một dầm đơn giản chịu tải phân bố đều w. Độ võng của nó không được vượt quá nhịp/360. Tìm mômen quán tính nhỏ nhất của mặt cắt I_req thỏa mãn giới hạn này.

w = 15 kN/mL = 4 mE = 11 GPa (gỗ xẻ)

I_req = × 10⁶ mm⁴

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 = 2 mE = 200 GPa (thép)d = 50 mm

P_cr = kN

10.Mất ổn định cộtKhó

Một cột dài L làm bằng nhôm được ngàm cả hai đầu. Tìm độ mảnh của nó và ứng suất oằn tới hạn σ_cr theo công thức Euler.

L = 6 mE = 70 GPa (nhôm)d = 80 mm

σ_cr = MPa

11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtTrung bình

Một tiết diện chữ I đối xứng có các cánh rộng 200 mm và dày 16 mm, chiều cao tổng thể 480 mm và bụng dày 6 mm. Tìm mô-men quán tính I_x của nó đối với trục nằm ngang x qua trọng tâm.

B = 200 mmH = 480 mmt_f = 16 mmt_w = 6 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtKhó

Một tiết diện chữ I đối xứng có các cánh rộng 130 mm và dày 16 mm, chiều cao tổng thể 260 mm và bụng dày 12 mm. Nó chịu mô-men uốn 40 kN·m quanh trục x. Tìm độ lớn của ứng suất uốn σ_j tại chỗ nối giữa bụng và cánh trên.

B = 130 mmH = 260 mmt_f = 16 mmt_w = 12 mmM = 40 kN·m

σ_j = MPa

13.Ứng suất hữu hiệu trong đấtTrung bình

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

z = 12 mz_w = 3 mγ_w = 9,81 kN/m³cát: γ_d = 17 kN/m³cát: γ_sat = 20,5 kN/m³

σ′ = kPa

14.Ứng suất hữu hiệu trong đấtKhó

Với mặt cắt đất như hình, tìm áp suất nước lỗ rỗng u tại điểm X.

z = 8 mz_w = 1 mγ_w = 9,81 kN/m³cát: γ_d = 16,5 kN/m³cát: γ_sat = 20,5 kN/m³sét: γ_sat = 18,5 kN/m³

u = kPa

15.Lún cố kếtTrung bình

Một lớp sét quá cố kết dày 2,5 m có C_c = 0,3, C_r = 0,04 và e₀ = 1,05. Ở độ sâu giữa lớp, ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng là 105 kPa và tỉ số quá cố kết là OCR = 1,5. Một tòa nhà mới thêm 160 kPa ứng suất thẳng đứng ở độ sâu giữa lớp. Tìm độ lún cố kết sơ cấp S theo mm.

H = 2,5 mC_c = 0,3C_r = 0,04e₀ = 1,05σ′₀ = 105 kPaOCR = 1,5Δσ = 160 kPa

S = mm

16.Lún cố kếtKhó

Một lớp sét dày 7 m có hệ số cố kết c_v = 5 m²/năm. Nó nằm giữa hai lớp cát, nên nước thoát ra ở đỉnh và đáy. Với cố kết trung bình 90%, nhân tố thời gian là T_v = 0,848. Lớp đó mất bao nhiêu năm t để đạt 90% cố kết?

H = 7 mc_v = 5 m²/nămU = 90%T_v = 0,848thoát nước hai phía

t = năm

17.Lực thủy tĩnhTrung bình

Một cửa van hình chữ nhật thẳng đứng rộng 1,5 m nằm trong thành bể chứa nước, với mép trên nằm dưới mặt thoáng 3 m. Tìm hợp lực thủy tĩnh F tác dụng lên cửa van.

d = 3 mH = 2,5 mb = 1,5 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²

F = kN

18.Lực thủy tĩnhKhó

Một cửa van hình chữ nhật thẳng đứng rộng 1 m nằm trong thành bể chứa glycerin, với mép trên nằm dưới mặt thoáng 3 m. Tìm độ sâu y_cp của tâm áp lực dưới mặt thoáng.

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

y_cp = m

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

Nước chảy với vận tốc trung bình 2,3 m/s qua một ống dài 100 m, đường kính trong 150 mm. Dùng hệ số ma sát Darcy f = 0,028 và g = 9,81 m/s². Tìm tổn thất cột áp do ma sát h_f.

V = 2,3 m/sL = 100 mD = 150 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²

h_f = m

20.Ma sát đường ống và tổn thất cột ápKhó

Hai bể chứa hở được nối bằng một ống dài 200 m, đường kính trong 250 mm và hệ số ma sát Darcy f = 0,02. Mặt nước của bể trên cao hơn bể dưới 27 m. Các tổn thất cục bộ là lối vào cạnh vuông (K = 0,5), 2 khúc cua (K = 0,3 mỗi khúc), một van (K = 2) và lối ra vào bể thấp hơn (K = 1,0). Dùng g = 9,81 m/s². Tìm lưu lượng Q theo L/s.

Δz = 27 mL = 200 mD = 250 mmf = 0,02K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×2)K_valve = 2K_exit = 1,0

Q = L/s

21.Dòng chảy hở (Manning)Trung bình

Một kênh sỏi hình thang có chiều rộng đáy 1,5 m và mái dốc 1:1 (ngang:đứng). Nước chảy đều sâu 0,5 m. Hệ số Manning n = 0,025 và độ dốc đáy là S = 0,005. Tìm lưu lượng Q theo m³/s.

b = 1,5 my = 0,5 mz = 1n = 0,025S = 0,005

Q = m³/s

22.Dòng chảy hở (Manning)Khó

Một kênh xây gạch hình thang có chiều rộng đáy 6 m và mái dốc 2:1 (ngang:đứng) phải tải 15 m³/s ở dòng chảy đều với độ sâu 0,7 m. Hệ số Manning n = 0,015. Tìm độ dốc đáy yêu cầu S (theo m/m).

Q = 15 m³/sb = 6 my = 0,7 mz = 2n = 0,015

S = m/m

23.Máy bơm và công suất bơmTrung bình

Một máy bơm có hiệu suất 72% cấp 50 L/s nước (ρ = 1000 kg/m³) ngược với cột áp 14 m. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm công suất trên trục P_shaft cần thiết, theo kW.

Q = 50 L/sH = 14 mη = 72%g = 9,81 m/s²

P_shaft = kW

24.Máy bơm và công suất bơmKhó

Một máy bơm chuyển 30 L/s nước (ρ = 1000 kg/m³) từ một bể hở phía dưới lên một bồn phía trên có mặt nước cao hơn 5 m. Ống dài 150 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 = 4 (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 400 kPa. Tìm cột áp H mà bơm phải bổ sung.

Q = 30 L/sΔz = 5 mL = 150 mD = 150 mmf = 0,025ΣK = 4p_tank = 400 kPa

H = m

25.Giá trị thời gian của tiềnTrung bình

Bạn cần €20 000 sau 4 năm. Một tài khoản trả lãi 2% mỗi năm, ghép lãi hằng tháng. Hôm nay bạn phải gửi bao nhiêu? Tìm giá trị hiện tại PV.

FV = €20 0002% / 12n = 4

PV = €

26.Giá trị thời gian của tiềnKhó

Bạn gửi €3 000 vào đầu mỗi năm trong 15 năm, khoản đầu tiên gửi hôm nay. Tài khoản trả lãi 4% mỗi năm. Cuối năm 15 trong tài khoản có bao nhiêu? Tìm FV.

A = €3 000i = 4%n = 15

FV = €

27.NPV và IRRTrung bình

Một chiếc máy tốn €30 000 hôm nay, dùng được 7 năm và tốn €2 000 mỗi năm để vận hành (trả vào cuối mỗi năm). Chi phí vốn là 5%. Tìm chi phí hàng năm tương đương EAC của nó.

C₀ = €30 000M = €2 000n = 7r = 5%

EAC = €

28.NPV và IRRKhó

Một dự án tốn €200 000 hôm nay. Dòng tiền của nó là €22 000 vào cuối năm thứ 1 và tăng 2% 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 = €200 000CF₁ = €22 000g = 2%n = 9r = 12%

NPV = €

29.Phân phối chuẩnTrung bình

Kéo z sao cho diện tích tô bóng giữa −z và z dưới đường cong chuẩn tắc bằng 0,3182. Tìm z với hai chữ số thập phân.

A = 0,3182

z =

30.Phân phối chuẩnKhó

chiều cao của nam giới trưởng thành có phân phối chuẩn với trung bình 178 cm và độ lệch chuẩn 7 cm. Tìm giá trị x mà 5% trong số chúng nằm dưới (phân vị thứ 5).

μ = 178σ = 7P = 5%

x = cm

3Dung dịch

1.Phản lực gối của dầm

Đáp số: M_A = 620 kN·m

Cân bằng của dầm công-xôn: một gối ngàm có thể đẩy lên và còn chống lại sự quay, nên nó cho một phản lực thẳng đứng R_A và một mô-men phản lực M_A. ΣF_y = 0 cho R_A, và mô-men đối với tường cho M_A = Σ(tải × khoảng cách đến tường). Tải phân bố tác dụng như hợp lực của nó tại trọng tâm của biểu đồ tải.

Hợp lực của tải phân bố

W = 10·10 = 100 kN, x̄ = 5 m

Mô-men đối với tường

M_A = P·a + W·x̄ = 30·4 + 100·5 = 620 kN·m

Đáp số

M_A = 620 kN·m

2.Phản lực gối của dầm

Đáp số: M_A = 176,8 kN·m

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. Một khớp bản lề bên trong không truyền được mô-men uốn, điều này cho thêm một phương trình: mô-men đối với khớp của các lực ở mỗi phía bằng không.

Phần CD

Khớp không có mô-men, nên mô-men đối với C chỉ trên CD phải cân bằng.

W = 2·2,5 = 5 kN tại 1,25 m từ C

ΣM_C = 0: R_D·2,5 = 80·1 + 5·1,25

R_D = 34,5 kN

V_C = 85 − 34,5 = 50,5 kN

Phần AC

Lực khớp V_C tác dụng hướng xuống lên AC (bằng và ngược chiều với tác dụng của nó lên CD).

R_A = 50,5 = 50,5 kN

M_A = 50,5·3,5 = 176,8 kN·m

Đáp số

M_A = 176,8 kN·m

3.Giàn: phương pháp tách nút

Đáp số: thanh BF

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 B

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

ΣF⊥ = 0 → F_BF = 0

Kiểm tra bằng phương pháp tách nút

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

AB: 48,75 kN (T), BC: 48,75 kN (T), CD: 81,25 kN (T), DE: 81,25 kN (T), FG: 97,5 kN (C), GH: 97,5 kN (C), AF: 68,94 kN (C), HE: 114,9 kN (C), BF: 0, CG: 25 kN (C), DH: 25 kN (T), FC: 68,94 kN (T), HC: 22,98 kN (T)

Đáp số

Thanh không lực: BF

4.Giàn: phương pháp tách nút

Đáp số: F_AB = −48,91 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·4 = 55·1 − 5·2 → C_y = 11,25 kN

ΣF_y = 0: A_y = 55 − 11,25 = 43,75 kN

ΣF_x = 0: A_x = 5 kN

Nút A

Giả sử mọi thanh đều chịu kéo (kéo ra khỏi nút). Chỉ có AB có thành phần thẳng đứng tại A.

sin α = 2/2,236 = 0,8944

ΣF_y = 0: A_y + F_AB·sin α = 0

F_AB = −43,75/0,8944 = −48,91 kN

Đáp số

F_AB = −48,91 kN (nén)

5.Lực cắt và mômen uốn

Đáp số: M_x = 30 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. Một ngẫu lực đặt vào làm biểu đồ mô-men uốn nhảy một đoạn bằng độ lớn của ngẫu lực.

Phản lực gối

Mô-men đối với A, chiều ngược chiều kim đồng hồ là dương: R_B·L − M₀ = 0. Cân bằng theo phương thẳng đứng: R_A + R_B = 0.

R_B = M₀/L = 60/6 = 10 kN (hướng lên)

R_A = −R_B = −10 kN (hướng xuống)

Cắt ngay bên phải ngẫu lực

Bây giờ phần bên trái chứa R_A và ngẫu lực.

M_x = R_A·a + M₀ = −10·3 + 60 = 30 kN·m

Đáp số

M_x = 30 kN·m

6.Lực cắt và mômen uốn

Đáp số: M_x = 63 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.

Phản lực gối

Cân bằng của cả dầm.

Hợp lực của tải phân bố đều: W = w·ℓ = 3·8 = 24 kN, đặt tại x̄ = 4 m

ΣM_A = 0: R_B·8 = 30·6 + 3·8·4

R_B = 276/8 = 34,5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 54 − 34,5 = 19,5 kN

Cắt tại x = 6 m và giữ phần bên trái

Chỉ các lực bên trái mặt cắt xuất hiện. Phần tải phân bố đều được thay bằng một lực đặt tại giữa phần đó.

M = R_A·x − (mỗi tải bên trái mặt cắt × cánh tay đòn đến mặt cắt)

M_x = 19,5·6 − 3·6·3 = 63 kN·m

Đáp số

M_x = 63 kN·m

7.Độ võng của dầm

Đáp số: δ_max = 30,13 mm

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 = 20 N/mm, L = 6000 mm

EI = 1,12 × 10¹³ N·mm²

Độ võng

δ_max = 5wL⁴/(384EI) = 5·20·6000⁴/(384·1,12 × 10¹³) = 30,13 mm

Đáp số

δ_max = 30,13 mm

8.Độ võng của dầm

Đáp số: I_req = 409,1 × 10⁶ mm⁴

Giới hạn độ võng

δ_allow = L/360 = 4000/360 = 11,11 mm

Mômen quán tính mặt cắt yêu cầu

I = 5wL⁴/(384·E·δ_allow) = 5·15·4000⁴/(384·11000·11,11) = 4,091 × 10⁸ mm⁴

I_req = 409,1 × 10⁶ mm⁴

Đáp số

I_req = 409,1 × 10⁶ mm⁴

9.Mất ổn định cột

Đáp số: P_cr = 309 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

Mặt cắt tròn có cùng I đối với mọi trục.

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Chiều dài tính toán

KL = 0,7·2000 = 1400 mm

Tải trọng tới hạn

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·306796/1400² = 308975 N = 309 kN

Đáp số

P_cr = 309 kN

10.Mất ổn định cột

Đáp số: σ_cr = 30,71 MPa

Mômen quán tính nhỏ nhất của mặt cắt

Mặt cắt tròn có cùng I đối với mọi trục.

I = πd⁴/64 = π·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Bán kính quán tính và độ mảnh

A = 5027 mm²

r = √(I/A) = √(2,011 × 10⁶/5027) = 20 mm

KL = 0,5·6000 = 3000 mm

KL/r = 3000/20 = 150

Ứng suất tới hạn

σ_cr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/150² = 30,71 MPa

Đáp số

σ_cr = 30,71 MPa

11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt

Đáp số: I_x = 389,6 × 10⁶ mm⁴

Mô-men quán tính của tiết diện: với hình chữ nhật đối với trục qua trọng tâm của nó I = bh³/12, và đối với trục đáy bh³/3 (định lý trục song song I = I_c + A·d²). Lỗ rỗng được xử lý bằng cách trừ đi I của nó, miễn là cả hai phần có chung một trục. Mô-đun chống uốn đàn hồi là S = I/c, với c là khoảng cách đến thớ ngoài cùng.

Hình chữ nhật ngoài trừ hai phần khuyết hai bên

Hai phần khuyết cộng lại rộng (B − t_w) và cao h_w = H − 2t_f, và có chung trục x.

h_w = 480 − 2·16 = 448 mm

I_x = (B·H³ − (B − t_w)·h_w³)/12 = (200·480³ − 194·448³)/12

I_x = 3,896 × 10⁸ mm⁴ = 389,6 × 10⁶ mm⁴

Đáp số

I_x = 389,6 × 10⁶ mm⁴

12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt

Đáp số: σ_j = 61,74 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 − t_w) và cao h_w = H − 2t_f, và có chung trục x.

h_w = 260 − 2·16 = 228 mm

I_x = (B·H³ − (B − t_w)·h_w³)/12 = (130·260³ − 118·228³)/12

I_x = 7,386 × 10⁷ mm⁴

Ứng suất uốn

y = 130 − 16 = 114 mm

σ = M·y/I = 4 × 10⁷·114/7,386 × 10⁷ = 61,74 MPa

Đáp số

σ_j = 61,74 MPa

13.Ứng suất hữu hiệu trong đất

Đáp số: σ′ = 147,2 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) = 17·3 + 20,5·9 = 235,5 kPa

Áp suất nước lỗ rỗng

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

u = γ_w·(z − z_w) = 9,81·9 = 88,29 kPa

Ứng suất hữu hiệu

σ′ = σ − u = 235,5 − 88,29 = 147,2 kPa

Đáp số

σ′ = 147,2 kPa

14.Ứng suất hữu hiệu trong đất

Đáp số: u = 68,67 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 = 68,67 kPa

Đáp số

u = 68,67 kPa

15.Lún cố kết

Đáp số: S = 91,26 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 = 1,5·105 = 157,5 kPa

So sánh với áp lực tiền cố kết

σ′_f = 105 + 160 = 265 kPa > 157,5 kPa

Độ lún

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

S = 0,04·2,5/(1 + 1,05)·log₁₀(157,5/105) + 0,3·2,5/(1 + 1,05)·log₁₀(265/157,5)

S = 8,59 + 82,67 = 91,26 mm

Đáp số

S = 91,26 mm

16.Lún cố kết

Đáp số: t = 2,078 năm

Đường thoát nước

H_dr = H/2 = 7/2 = 3,5 m

Thời gian

t = T_v·H_dr²/c_v = 0,848·3,5²/5 = 2,078 năm

Đáp số

t = 2,078 năm

17.Lực thủy tĩnh

Đáp số: F = 156,3 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 = 3 + 2,5/2 = 4,25 m

A = H·b = 2,5·1,5 = 3,75 m²

Hợp lực

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9,81·4,25·3,75 = 156,3 kN

Đáp số

F = 156,3 kN

18.Lực thủy tĩnh

Đáp số: y_cp = 3,8 m

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 = 3 + 1,5/2 = 3,75 m

A = H·b = 1,5·1 = 1,5 m²

Hợp lực

F = ρ·g·y_c·A = 1260·9,81·3,75·1,5 = 69,53 kN

Tâm áp lực

Áp suất tăng theo độ sâu, nên hợp lực tác dụng phía dưới trọng tâm.

I_c = b·H³/12 = 1·1,5³/12 = 0,2813 m⁴

y_cp = y_c + I_c/(y_c·A) = 3,75 + 0,2813/(3,75·1,5) = 3,8 m

Đáp số

y_cp = 3,8 m

19.Ma sát đường ống và tổn thất cột áp

Đáp số: h_f = 5,033 m

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.

Cột áp vận tốc

V²/(2g) = 2,3²/(2·9,81) = 0,2696 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(100/0,15)·2,3²/(2·9,81) = 5,033 m

Đáp số

h_f = 5,033 m

20.Ma sát đường ống và tổn thất cột áp

Đáp số: Q = 252 L/s

Các hệ số tổn thất

f·L/D = 0,02·200/0,25 = 16

ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

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.

27 = (16 + 4,1)·V²/(2·9,81)

V = √(2·9,81·27/20,1) = 5,134 m/s

Lưu lượng

Q = V·π·D²/4 = 5,134·0,04909 = 0,252 m³/s = 252 L/s

Đáp số

Q = 252 L/s

21.Dòng chảy hở (Manning)

Đáp số: Q = 1,386 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 + z·y)·y = (1,5 + 1·0,5)·0,5 = 1 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 1,5 + 2·0,5·√(1 + 1²) = 2,914 m

R = A/P = 0,3431 m

Vận tốc

V = (1/0,025)·0,3431^2/3·0,005^1/2 = 1,386 m/s

Lưu lượng

Q = A·V = 1·1,386 = 1,386 m³/s

Đáp số

Q = 1,386 m³/s

22.Dòng chảy hở (Manning)

Đáp số: S = 0,004017 m/m

Hình học

A = (b + z·y)·y = (6 + 2·0,7)·0,7 = 5,18 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 6 + 2·0,7·√(1 + 2²) = 9,13 m

R = A/P = 0,5673 m

Giải Manning tìm S

S^1/2 = n·Q/(A·R^2/3) = 0,015·15/(5,18·0,6853) = 0,06338

S = 0,06338² = 0,004017

Đáp số

S = 0,004017

Đó là độ hạ 4,017 m trên mỗi kilômét.

23.Máy bơm và công suất bơm

Đáp số: P_shaft = 9,537 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 = 1000·9,81·0,05·14 = 6,867 kW

Công suất trên trục

P_shaft = P_h/η = 6,867/0,72 = 9,537 kW

Đáp số

P_shaft = 9,537 kW

24.Máy bơm và công suất bơm

Đáp số: H = 50,03 m

Vận tốc

V = Q/A = 0,03/0,01767 = 1,698 m/s

V²/(2g) = 0,1469 m

Các tổn thất cột áp

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (25 + 4)·0,1469 = 4,26 m

Cột áp áp suất

p/(ρ·g) = 400000/(1000·9,81) = 40,77 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 = 5 + 40,77 + 4,26 = 50,03 m

Đáp số

H = 50,03 m

25.Giá trị thời gian của tiền

Đáp số: PV = 18464 €

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 = 0,02/12 = 0,001667

N = 12·4 = 48

Giá trị hiện tại

PV = FV/(1 + i)^N = 20 000/1,083 = €18 463,56

Đáp số

PV = €18 463,56

26.Giá trị thời gian của tiền

Đáp số: FV = 62474 €

Hệ số niên kim thông thường

((1 + 0,04)¹⁵ − 1)/0,04 = 20,02

Niên kim đầu kỳ

Mỗi khoản tiền gửi được đầu tư thêm một năm.

FV = 3 000·20,02·1,04 = €62 473,59

Đáp số

FV = €62 473,59

27.NPV và IRR

Đáp số: EAC = 7185 €

Chi phí hàng năm tương đương: trải giá trị hiện tại của mọi chi phí trên tuổi thọ thành một khoản đều hằng năm (một niên kim): EAC = PV·r/(1 − (1 + r)⁻ⁿ). Nó cho phép bạn so sánh các máy có tuổi thọ khác nhau.

Hệ số niên kim

(1 − 1,05⁻⁷)/0,05 = 5,786

Giá mua quy đổi theo năm

30 000/5,786 = 5 184,59

EAC

EAC = 5 184,59 + 2 000 = €7 184,59

Đáp số

EAC = €7 184,59

28.NPV và IRR

Đáp số: NPV = −74812 €

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 niên kim tăng trưởng

((1,02)/(1,12))⁹ = 0,431

PV = 22 000/(0,12 − 0,02)·(1 − 0,431) = 125 188,28

NPV

NPV = 125 188,28 − 200 000 = −€74 811,72

Đáp số

NPV = −€74 811,72

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

29.Phân phối chuẩn

Đáp số: z = 0,41

Từ diện tích trở lại z: Φ(z) là diện tích bên trái z. Với diện tích đuôi trái A, tìm z sao cho Φ(z) = A trong bảng. Diện tích đuôi phải A nghĩa là Φ(z) = 1 − A. Diện tích ở giữa A nằm giữa −z và z để lại (1 − A)/2 ở mỗi đuôi, nên Φ(z) = (1 + A)/2. Với một giá trị x, dùng x = μ + zσ.

Diện tích bên trái z

Φ(z) = (1 + 0,3182)/2 = 0,6591

Đọc bảng z theo chiều ngược lại

Tìm 0,6591 bên trong bảng và đọc ra z.

z = 0,41

Đáp số

z = 0,41

30.Phân phối chuẩn

Đáp số: x = 166,5 cm

Phân phối chuẩn: đổi một giá trị x sang điểm z, z = (x − μ)/σ, đếm số độ lệch chuẩn tính từ giá trị trung bình. Bảng z (hay Φ(z)) cho diện tích bên trái z, tức là P(X < x). Diện tích bên phải là 1 − Φ(z), và diện tích giữa hai giá trị là hiệu của hai diện tích đó.

z của phân vị

Φ(z) = 0,05 → z = −1,645

Quay lại x

x = 178 + −1,645·7 = 166,49 cm

Đáp số

x = 166,49 cm

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.

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