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 di động tại B. Tìm phản lực thẳng đứng RA.
L = 6 mP1 = 10 kN tại 4 mP2 = 35 kN tại 4,5 m
RA = kN
2.Phản lực gối của dầmKhó
Dầm công-xôn được ngàm vào tường tại A. Nó chịu tải thay đổi tuyến tính bằng không tại tường và tăng đến 4 kN/m tại đầu tự do B, cùng một lực tập trung P tại vị trí cách tường 4,5 m. Tìm độ lớn của mô-men phản lực MA tại tường.
L = 5 mw0 = 4 kN/mP = 70 kN tại 4,5 m
MA = 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.
D: 30 kN ↓F: 20 kN ↓G: 10 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 FAC trong thanh AC. Lấy kéo là dương và nén là âm.
nhịp = 4 mchiều cao = 4 mB cách A 1 mtải thẳng đứng = 25 kNtải ngang = 25 kN →
FAC = 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.
30 kN @ 10 m45 kN @ 6 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
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.
40 kN @ 0 m55 kN @ 6 m6 kN/m, 1–4 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 θA của dầm tại gối A, theo radian.
w = 12 kN/mL = 3 mE = 70 GPa (nhôm)I = 36 × 10⁶ mm⁴
θA = rad
8.Độ võng của dầmKhó
Một dầm công-xôn có gối chống ngàm tại A và tựa đơn (chống) tại B. Dầm chịu tải phân bố đều w trên toàn bộ chiều dài. EI không đổi. Tìm phản lực RB tại gối chống.
L = 6 mw = 5 kN/m
RB = kN
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 Pcr của nó.
L = 3 mE = 200 GPa (thép)b × h = 50 × 60 mm
Pcr = kN
10.Mất ổn định cộtKhó
Một cột dài L làm bằng thép được hai đầu khớp. Tìm độ mảnh của nó và ứng suất oằn tới hạn σcr theo công thức Euler.
L = 1 mE = 200 GPa (thép)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtTrung bình
Tìm mômen quán tính Ix của mặt cắt chữ T đối với trục ngang x đi qua trọng tâm.
bf = 280 mmtf = 30 mmtw = 8 mmhw = 220 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtKhó
Một tấm 200 mm × 300 mm có một lỗ khoét hình chữ nhật rộng 40 mm và cao 30 mm, đặt giữa đường tâm thẳng đứng với tâm cách đáy 105 mm. Tìm mômen quán tính diện tích Ix quanh trục nằm ngang đi qua trọng tâm.
b = 200 mmh = 300 mmlỗ khoét: 40 × 30 mmtâm lỗ: y = 105 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
13.Ứng suất hữu hiệu trong đấtTrung bình
Với mặt cắt đất như hình, tìm áp suất nước lỗ rỗng u tại điểm X.
Một lớp sét quá cố kết dày 8 m có Cc = 0,35, Cr = 0,05 và e₀ = 0,65. Ở độ sâu giữa lớp, ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng là 50 kPa và áp lực tiền cố kết là 110 kPa. Một tòa nhà mới thêm 70 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 8 phút. Ngoài hiện trường, cùng loại sét đó tạo thành một lớp dày 2 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 = 8 minH = 2 mhiện trường: thoát nước một phía
t = ngày
17.Lực thủy tĩnhTrung bình
Một cửa van hình chữ nhật thẳng đứng rộng 3 m nằm trong thành bể chứa nước, với mép trên nằm dưới mặt thoáng 0,5 m. Tìm hợp lực thủy tĩnh F tác dụng lên cửa van.
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 4 m. Tìm hợp lực thủy tĩnh F tác dụng lên cửa van.
Nước chảy với 40 L/s qua một ống dài 100 m, đường kính trong 200 mm. Dùng hệ số ma sát Darcy f = 0,022 và g = 9,81 m/s². Tìm tổn thất cột áp do ma sát hf.
Hai bể chứa hở được nối bằng một ống dài 150 m, đường kính trong 200 mm và hệ số ma sát Darcy f = 0,015. Mặt nước của bể trên cao hơn bể dưới 33 m. Các tổn thất cục bộ là lối vào cạnh vuông (K = 0,5), 4 khúc cua (K = 0,3 mỗi khúc), một van (K = 10) 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 chữ nhật rộng 2 m. Nước chảy đều sâu 1,8 m. Hệ số Manning n = 0,014 và độ dốc đáy là S = 0,004. Tìm lưu lượng Q theo m³/s.
b = 2 my = 1,8 mn = 0,014S = 0,004
Q = m³/s
22.Dòng chảy hở (Manning)Khó
Một kênh đất có phủ cỏ hình thang có chiều rộng đáy 5 m và mái dốc 1,5:1 (ngang:đứng) phải tải 1,5 m³/s ở dòng chảy đều với độ sâu 0,5 m. Hệ số Manning n = 0,03. Tìm độ dốc đáy yêu cầu S (theo m/m).
Q = 1,5 m³/sb = 5 my = 0,5 mz = 1,5n = 0,03
S = m/m
23.Máy bơm và công suất bơmTrung bình
Một máy bơm có hiệu suất 85% cấp 15 L/s nước (ρ = 1000 kg/m³) ngược với cột áp 38 m. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm công suất trên trục Pshaft cần thiết, theo kW.
Q = 15 L/sH = 38 mη = 85%g = 9,81 m/s²
Pshaft = 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 11 m. Ống dài 500 m, đường kính trong 150 mm và hệ số ma sát Darcy f = 0,022; 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 200 kPa. Tìm cột áp H mà bơm phải bổ sung.
Một dự án tốn €50 000 hôm nay. Dòng tiền của nó là €14 000 vào cuối năm thứ 1 và tăng 2% mỗi năm cho đến dòng tiền cuối cùng vào cuối năm 4. Chi phí vốn là 12%. Tìm giá trị hiện tại ròng NPV.
C0 = €50 000CF1 = €14 000g = 2%n = 4r = 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 0,3255. Tìm z với hai chữ số thập phân.
A = 0,3255
z =
30.Phân phối chuẩnKhó
điểm IQ tuân theo phân phối chuẩn với giá trị trung bình 100 điểm và độ lệch chuẩn 15 điểm. Kéo ngưỡng sao cho 70% thấp nhất được tô bóng nằm bên trái nó. Tìm ngưỡng x.
μ = 100 điểmσ = 15 điểm70%
x = điểm
3Dung dịch
1.Phản lực gối của dầm
Đáp số: RA = 12,08 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.
ΣMA = 0: RB·6 = 10·4 + 35·4,5
RB = 197,5/6 = 32,92 kN
ΣFy = 0: RA = 45 − 32,92 = 12,08 kN
Đáp số
RA = 12,08 kN
2.Phản lực gối của dầm
Đáp số: MA = 348,3 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 RA và một mô-men phản lực MA. ΣFy = 0 cho RA, và mô-men đối với tường cho MA = 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 tam giác
W = ½·4·5 = 10 kN
x̄ = 2L/3 = 3,333 m
Mô-men đối với tường
MA = W·x̄ + P·a = 10·3,333 + 70·4,5 = 348,3 kN·m
Đáp số
MA = 348,3 kN·m
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·4 = 25·1 + 25·4 → Cy = 31,25 kN
ΣFy = 0: Ay = 25 − 31,25 = −6,25 kN
ΣFx = 0: Ax = −25 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.
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 = 27,5 kN, R2 = 47,5 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.
MA = 0, MB = 55, MC = 110, MD = 165 kN·m, ME = 130, MF = 95, MG = 0
Đáp số
Điểm đánh dấu D: MD = 165 kN·m
6.Lực cắt và mômen uốn
Đáp số: E (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 = 25,67 kN, R2 = 87,33 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.
MA = 0, MB = −40, MC = −57,33, MD = −80,67, ME = −110 kN·m, MF = −55, MG = 0
Đáp số
Điểm đánh dấu E: ME = −110 kN·m
7.Độ võng của dầm
Đáp số: θA = 0,005357 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 = 12 N/mm, L = 3000 mm
EI = 2,52 × 10¹² N·mm²
Góc xoay ở đầu
θA = wL³/(24EI) = 12·3000³/(24·2,52 × 10¹²) = 0,005357 rad
Đáp số
θA = 0,005357 rad
Đó là 0,3069°.
8.Độ võng của dầm
Đáp số: RB = 11,25 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 = wL⁴/(8EI)
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.
Mômen quán tính nhỏ nhất của mặt cắt
Mặt cắt tròn có cùng I đối với mọi trục.
I = πd⁴/64 = π·40⁴/64 = 125664 mm⁴
Bán kính quán tính và độ mảnh
A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 1·1000 = 1000 mm
KL/r = 1000/10 = 100
Ứng suất tới hạn
σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/100² = 197,4 MPa
Đáp số
σcr = 197,4 MPa
11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt
Đáp số: Ix = 30,46 × 10⁶ mm⁴
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: Af = 280·30 = 8400 mm², yf = 220 + 30/2 = 235 mm
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 = (60000·150 − 1200·105)/(60000 − 1200) = 150,9 mm
Tấm đầy đủ quanh ȳ
200·300³/12 + 60000·−0,9184² = 450,1 × 10⁶ mm⁴
Lỗ quanh ȳ
40·30³/12 + 1200·−45,92² = 2,62 × 10⁶ mm⁴
Trừ
Ix = 447,4 × 10⁶ mm⁴
Đáp số
Ix = 447,4 × 10⁶ mm⁴
13.Ứng suất hữu hiệu trong đất
Đáp số: u = 88,29 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 = γw·(độ sâu dưới mực nước ngầm).
Áp suất nước lỗ rỗng
Áp suất nước tăng theo độ sâu dưới mực nước ngầm.
u = γw·(z − zw) = 9,81·9 = 88,29 kPa
Đáp số
u = 88,29 kPa
14.Ứng suất hữu hiệu trong đất
Đáp số: u = 68,67 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 = γw·(độ sâu dưới mực nước ngầm).
Áp suất nước lỗ rỗng
Áp suất nước tăng theo độ sâu dưới mực nước ngầm.
u = γw·(z − zw) = 9,81·7 = 68,67 kPa
Đáp số
u = 68,67 kPa
15.Lún cố kết
Đáp số: S = 147,1 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 = 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 = 50 + 70 = 120 kPa > 110 kPa
Độ lún
Nén lại đến σ′p, nén nguyên sinh sau đó.
S = 0,05·8/(1 + 0,65)·log₁₀(110/50) + 0,35·8/(1 + 0,65)·log₁₀(120/110)
S = 83,01 + 64,13 = 147,1 mm
Đáp số
S = 147,1 mm
16.Lún cố kết
Đáp số: t = 142,2 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 = 2 m
Quy đổi thời gian
t = Tv·Hdr²/cv với cùng T_v và cv ở phòng thí nghiệm và hiện trường.
tfield = 8·(2/0,0125)² = 204800 min
tfield = 204800/1440 = 142,2 ngày
Đáp số
t = 142,2 ngày
17.Lực thủy tĩnh
Đáp số: F = 29,43 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 = 0,5 + 1/2 = 1 m
A = H·b = 1·3 = 3 m²
Hợp lực
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·1·3 = 29,43 kN
Đáp số
F = 29,43 kN
18.Lực thủy tĩnh
Đáp số: F = 185,4 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 = 4 + 2/2 = 5 m
A = H·b = 2·1,5 = 3 m²
Hợp lực
F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·5·3 = 185,4 kN
Đáp số
F = 185,4 kN
19.Ma sát đường ống và tổn thất cột áp
Đáp số: hf = 0,9089 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 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.
Vận tốc trung bình
A = π·0,2²/4 = 0,03142 m²
V = Q/A = 0,04/0,03142 = 1,273 m/s
Cột áp vận tốc
V²/(2g) = 1,273²/(2·9,81) = 0,08263 m
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(100/0,2)·1,273²/(2·9,81) = 0,9089 m
Đáp số
hf = 0,9089 m
20.Ma sát đường ống và tổn thất cột áp
Đáp số: Q = 163,3 L/s
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 = 0,015·150/0,2 = 11,25
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7
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·y = 2·1,8 = 3,6 m²
P = b + 2y = 2 + 2·1,8 = 5,6 m
R = A/P = 0,6429 m
Vận tốc
V = (1/0,014)·0,64292/3·0,0041/2 = 3,365 m/s
Lưu lượng
Q = A·V = 3,6·3,365 = 12,11 m³/s
Đáp số
Q = 12,11 m³/s
22.Dòng chảy hở (Manning)
Đáp số: S = 0,0007725 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.
Hình học
A = (b + z·y)·y = (5 + 1,5·0,5)·0,5 = 2,875 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 5 + 2·0,5·√(1 + 1,5²) = 6,803 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.
Công suất thủy lực
Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,015·38 = 5,592 kW
Công suất trên trục
Pshaft = Ph/η = 5,592/0,85 = 6,578 kW
Đáp số
Pshaft = 6,578 kW
24.Máy bơm và công suất bơm
Đáp số: H = 43,33 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 = 11 + 20,39 + 11,95 = 43,33 m
Đáp số
H = 43,33 m
25.Giá trị thời gian của tiền
Đáp số: EAR = 23,21 %
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 mỗi kỳ
r/m = 0,22/2 = 0,11
Ghép lãi trong một năm
EAR = (1 + 0,11)2 − 1 = 1,232 − 1 = 23,21%
Đáp số
EAR = 23,21%
EAR luôn cao hơn lãi suất danh nghĩa khi lãi được ghép nhiều hơn một lần mỗi năm.
26.Giá trị thời gian của tiền
Đáp số: FV = 128223 €
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 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 = 8 000/1,15 = 6 956,52
CF2/(1 + 0,15)2 = 7 000/1,322 = 5 293,01
CF3/(1 + 0,15)3 = 9 000/1,521 = 5 917,65
Cộng lại
NPV = €−11 832,83
Đáp số
NPV = €−11 832,83
NPV âm, nên dự án sinh lời ít hơn mức yêu cầu.
28.NPV và IRR
Đáp số: NPV = −6307 €
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.
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 + 0,3255)/2 = 0,6628
Đọc bảng z theo chiều ngược lại
Tìm 0,6628 bên trong bảng và đọc ra z.
z = 0,42
Đáp số
z = 0,42
30.Phân phối chuẩn
Đáp số: x = 107,8 điểm
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.