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 RB.
L = 5 mP1 = 15 kN tại 1 mP2 = 50 kN tại 3 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 = 6 mP = 55 kN tại 4,5 mw = 2 kN/m từ 2 đến 3 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.
B: 15 kN ↓G: 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 FC
13thanh HC
4.Giàn: phương pháp tách nútKhó
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.
F: 30 kN ↓F: 15 kN →G: 30 kN ↓H: 30 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
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 2 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 = 10 mP1 = 55 kN tại 2 mP2 = 25 kN tại 10 mcác gối tại x = 0 và x = 8 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 1 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 mw = 12 kN/m từ 0 đến 7 mcác gối tại x = 0 và x = 6 m
Mmax = kN·m
7.Độ võng của dầmTrung bình
Một dầm công-xôn chịu tải phân bố đều w trên toàn bộ chiều dài và một lực tập trung P tại đầu tự do. Dùng nguyên lý chồng chất, tìm độ võng δ tại đầu tự do.
P = 21 kNw = 2 kN/mL = 1,5 mE = 200 GPa (thép)I = 12 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.Độ võng của dầmKhó
Một dầm đơn giản chịu tải phân bố đều w và một tải tập trung P ở giữa nhịp. Dùng nguyên lý xếp chồng, tìm độ võng giữa nhịp δmax.
P = 12 kNw = 15 kN/mL = 2 mE = 200 GPa (thép)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Mất ổn định cộtTrung bình
Một cột dài L làm bằng nhôm được ngàm ở chân và khớp ở đỉnh. Dùng công thức Euler, tìm tải trọng oằn tới hạn Pcr của nó.
L = 4 mE = 70 GPa (nhôm)d = 80 mm
Pcr = kN
10.Mất ổn định cộtKhó
Một cột dài L làm bằng thép được ngàm ở chân và tự do ở đỉnh. Tìm độ mảnh của nó và ứng suất oằn tới hạn σcr theo công thức Euler.
L = 2 mE = 200 GPa (thép)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtTrung bình
Một ống tròn có đường kính ngoài D = 240 mm và đường kính trong d = 228 mm. Tìm bán kính quán tính r của nó đối với trục nằm ngang qua trọng tâm.
D = 240 mmd = 228 mm
r = mm
12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtKhó
Một dầm gang có tiết diện chữ T như hình, cánh nằm phía trên. Ứng suất cho phép là 50 MPa khi kéo và 90 MPa khi nén. Tìm mô-men uốn võng xuống lớn nhất Mallow mà dầm có thể chịu.
Một lớp sét quá cố kết dày 3 m có Cc = 0,4, Cr = 0,02 và e₀ = 0,95. Ở độ sâu giữa lớp, ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng là 115 kPa và tỉ số quá cố kết là OCR = 1,5. Một tòa nhà mới thêm 140 kPa ứng suất thẳng đứng ở độ sâu giữa lớp. Tìm độ lún cố kết sơ cấp S theo mm.
Một lớp sét dày 8,5 m có hệ số cố kết cv = 5 m²/năm. Nó nằm trên đá không thấm, có cát phía trên, nên nước chỉ thoát ra ở đỉnh. Với cố kết trung bình 70%, nhân tố thời gian là Tv = 0,403. Lớp đó mất bao nhiêu năm t để đạt 70% cố kết?
H = 8,5 mcv = 5 m²/nămU = 70%Tv = 0,403thoát nước một phía
t = năm
17.Lực thủy tĩnhTrung bình
Một cửa van hình chữ nhật thẳng đứng rộng 1 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 = 3 mb = 1 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 dầu, với mép trên nằm dưới mặt thoáng 1,5 m. Tìm hợp lực thủy tĩnh F tác dụng lên cửa van.
d = 1,5 mH = 1 mb = 1 mρ = 880 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 2 m/s qua một ống nằm ngang dài 150 m, đường kính trong 250 mm. Dùng hệ số ma sát Darcy f = 0,015 và g = 9,81 m/s². Tìm độ giảm áp suất Δp trên ống theo kPa.
Một ống dài 100 m, đường kính trong 200 mm (hệ số ma sát Darcy f = 0,015) chạy từ một bể hở và xả thành tia tự do vào không khí. Các tổn thất cục bộ là lối vào cạnh vuông (K = 0,5), 4 khúc cua (K = 0,3 mỗi khúc) và một van (K = 0,2). Dùng g = 9,81 m/s². Mặt bể phải cao hơn cửa ra của ống bao nhiêu H để có lưu lượng 80 L/s?
Một cống thoát nước mưa bằng bê tông có đường kính trong 1200 mm chảy đầy một nửa. Hệ số Manning n = 0,013 và độ dốc là S = 0,005. Tìm lưu lượng Q theo m³/s.
D = 1200 mmn = 0,013S = 0,005
Q = m³/s
22.Dòng chảy hở (Manning)Khó
Một kênh xây gạch hình chữ nhật rộng 5 m phải tải 23 m³/s ở dòng chảy đều với độ sâu 1,6 m. Hệ số Manning n = 0,015. Tìm độ dốc đáy yêu cầu S (theo m/m).
Q = 23 m³/sb = 5 my = 1,6 mn = 0,015
S = m/m
23.Máy bơm và công suất bơmTrung bình
Trong một thử nghiệm, một máy bơm cấp 10 L/s nước (ρ = 1000 kg/m³) ngược với cột áp 78 m trong khi trục của nó nhận 9,6 kW. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm hiệu suất bơm η theo phần trăm.
Q = 10 L/sH = 78 mPshaft = 9,6 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Máy bơm và công suất bơmKhó
Một máy bơm chuyển 20 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 150 m, đường kính trong 100 mm và hệ số ma sát Darcy f = 0,022; các hệ số tổn thất cục bộ cộng lại là ΣK = 6 (đã gồm lối vào và lối ra). Dùng g = 9,81 m/s². Hiệu suất bơm là 82%. Tìm công suất trên trục Pshaft theo kW.
Một bất động sản dự kiến thu được tiền thuê ròng €20 000 vào năm tới. Tiền thuê dự kiến tăng 4% mỗi năm mãi mãi. Tỉ suất sinh lợi yêu cầu là 6% mỗi năm. Tìm giá trị PV của bất động sản hôm nay.
C1 = €20 000g = 4%r = 6%
PV = €
26.Giá trị thời gian của tiềnKhó
Một khoản vay €15 000 được trả bằng các khoản thanh toán hằng tháng bằng nhau trong 4 năm với lãi suất 7,2% mỗi năm, ghép lãi hằng tháng. Tổng tiền lãi I phải trả trong suốt thời hạn khoản vay là bao nhiêu?
P = €15 0007,2% / 12N = 48
I = €
27.NPV và IRRTrung bình
Một khoản đầu tư €45 000 cho các dòng tiền sau vào cuối các năm 1 đến 4: €15 000, €17 000, €20 000, €14 000. Chi phí vốn là 12%. Tìm giá trị hiện tại ròng NPV.
Dự án A tốn €30 000 và mang về €17 000, €12 000, €7 000 vào cuối các năm từ 1 đến 3. Dự án B tốn €40 000 và mang về €10 500, €16 000, €20 500. Tìm tỉ suất giao nhau r* mà tại đó hai dự án có cùng NPV, theo phần trăm.
Kéo z sao cho diện tích tô bóng giữa −z và z dưới đường cong chuẩn tắc bằng 0,4971. Tìm z với hai chữ số thập phân.
A = 0,4971
z =
30.Phân phối chuẩnKhó
khối lượng các túi tuân theo phân phối chuẩn với giá trị trung bình 250 g và độ lệch chuẩn 5 g. Kéo ngưỡng sao cho 5% cao nhất được tô bóng nằm bên phải nó. Tìm ngưỡng x.
μ = 250 gσ = 5 g5%
x = g
3Dung dịch
1.Phản lực gối của dầm
Đáp số: RB = 33 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·5 = 15·1 + 50·3
RB = 165/5 = 33 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 33 = 32 kN
Đáp số
RB = 33 kN
2.Phản lực gối của dầm
Đáp số: RA = 14,92 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 = 2·1 = 2 kN, đặt tại x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·6 = 55·4,5 + 2·1·2,5
RB = 252,5/6 = 42,08 kN
ΣFy = 0: RA = 57 − 42,08 = 14,92 kN
Đáp số
RA = 14,92 kN
3.Giàn: phương pháp tách nút
Đáp số: thanh DH
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 D
CD và DE nằm trên một đường thẳng và nút không chịu tải. Cân bằng lực theo phương vuông góc với đường thẳng đó chỉ còn lại DH.
ΣF⊥ = 0 → FDH = 0
Kiểm tra bằng phương pháp tách nút
Giải tất cả các nút cho các lực thanh sau (T = kéo, C = nén).
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 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·8 = 55·2 + 25·10
RB = 360/8 = 45 kN
ΣFy = 0: RA = 80 − 45 = 35 kN
Cắt dưới P1 và giữ phần bên trái
Mx = RA·2 = 35·2 = 70 kN·m
Đáp số
Mx = 70 kN·m
6.Lực cắt và mômen uốn
Đáp số: Mmax = 51,04 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 = 12·7 = 84 kN, đặt tại x̄ = 3,5 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.
P = 21000 N, w = 2 N/mm, L = 1500 mm
EI = 2,4 × 10¹² N·mm²
Từng tải riêng rẽ
δP = PL³/(3EI) = 21000·1500³/(3·2,4 × 10¹²) = 9,844 mm
δw = wL⁴/(8EI) = 2·1500⁴/(8·2,4 × 10¹²) = 0,5273 mm
Cộng lại
δ = 9,844 + 0,5273 = 10,37 mm
Đáp số
δ = 10,37 mm
8.Độ võng của dầm
Đáp số: δmax = 1,114 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.
P = 12000 N, w = 15 N/mm, L = 2000 mm, EI = 4,6 × 10¹² N·mm²
Từng tải riêng rẽ
δP = PL³/(48EI) = 12000·2000³/(48·4,6 × 10¹²) = 0,4348 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·15·2000⁴/(384·4,6 × 10¹²) = 0,6793 mm
Cộng lại
δmax = 0,4348 + 0,6793 = 1,114 mm
Đáp số
δmax = 1,114 mm
9.Mất ổn định cột
Đáp số: Pcr = 177,2 kN
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.
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·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 = 2·2000 = 4000 mm
KL/r = 4000/20 = 200
Ứng suất tới hạn
σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/200² = 49,35 MPa
Đáp số
σcr = 49,35 MPa
11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt
Đáp số: r = 82,76 mm
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 = Ic + 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. Bán kính quán tính r = √(I/A) là khoảng cách mà tại đó toàn bộ diện tích cho cùng giá trị I; nó được dùng trong bài toán mất ổn định của cột.
Diện tích thực và mô-men quán tính
A = π(D² − d²)/4 = 4411 mm²
I = π(D⁴ − d⁴)/64 = 3,021 × 10⁷ mm⁴
Bán kính quán tính
r = √(I/A) = √(3,021 × 10⁷/4411) = 82,76 mm
Đáp số
r = 82,76 mm
12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt
Đáp số: Mallow = 11,6 kN·m
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.
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·zw + γsat·(z − zw) = 17·2 + 19·9 = 205 kPa
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
Ứng suất hữu hiệu
σ′ = σ − u = 205 − 88,29 = 116,7 kPa
Đáp số
σ′ = 116,7 kPa
14.Ứng suất hữu hiệu trong đất
Đáp số: σ′ = 90,52 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).
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·1 + γsat,sand·4 + γsat,clay·4
σ = 17·1 + 19·4 + 19·4 = 169 kPa
Áp suất nước lỗ rỗng
Áp suất nước tăng theo độ sâu dưới mực nước ngầm.
u = γw·(z − zw) = 9,81·8 = 78,48 kPa
Ứng suất hữu hiệu
σ′ = σ − u = 169 − 78,48 = 90,52 kPa
Đáp số
σ′ = 90,52 kPa
15.Lún cố kết
Đáp số: S = 109,9 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.
Áp lực tiền cố kết
σ′p = OCR·σ′0 = 1,5·115 = 172,5 kPa
So sánh với áp lực tiền cố kết
σ′f = 115 + 140 = 255 kPa > 172,5 kPa
Độ lún
Nén lại đến σ′p, nén nguyên sinh sau đó.
S = 0,02·3/(1 + 0,95)·log₁₀(172,5/115) + 0,4·3/(1 + 0,95)·log₁₀(255/172,5)
S = 5,418 + 104,5 = 109,9 mm
Đáp số
S = 109,9 mm
16.Lún cố kết
Đáp số: t = 5,823 năm
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.
Đường thoát nước
Hdr = H = 8,5 m
Thời gian
t = Tv·Hdr²/cv = 0,403·8,5²/5 = 5,823 năm
Đáp số
t = 5,823 năm
17.Lực thủy tĩnh
Đáp số: F = 103 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 + 3/2 = 3,5 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
Hợp lực
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·3,5·3 = 103 kN
Đáp số
F = 103 kN
18.Lực thủy tĩnh
Đáp số: F = 17,27 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 = 1,5 + 1/2 = 2 m
A = H·b = 1·1 = 1 m²
Hợp lực
F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·2·1 = 17,27 kN
Đáp số
F = 17,27 kN
19.Ma sát đường ống và tổn thất cột áp
Đáp số: Δp = 18 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 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) = 0,015·(150/0,25)·2²/(2·9,81) = 1,835 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.
Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·1,835 = 18000 Pa = 18 kPa
Đáp số
Δp = 18 kPa
20.Ma sát đường ống và tổn thất cột áp
Đáp số: H = 3,437 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
V = Q/A = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m
Các hệ số tổn thất
f·L/D = 0,015·100/0,2 = 7,5
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 0,2 = 1,9
Phương trình năng lượng
Tia ra vẫn mang cột áp vận tốc của nó; đó không phải là tổn thất nhưng phải được cung cấp.
H = (1 + 7,5 + 1,9)·0,3305 = 3,437 m
Đáp số
H = 3,437 m
21.Dòng chảy hở (Manning)
Đáp số: Q = 1,378 m³/s
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 = 0,5655 m², R = D/4 = 0,3 m
Vận tốc
V = (1/0,013)·0,32/3·0,0051/2 = 2,438 m/s
Lưu lượng
Q = A·V = 0,5655·2,438 = 1,378 m³/s
Đáp số
Q = 1,378 m³/s
22.Dòng chảy hở (Manning)
Đáp số: S = 0,001922 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.
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 = 1000·9,81·0,01·78 = 7,652 kW
Hiệu suất
η = Ph/Pshaft = 7,652/9,6 = 79,71%
Đáp số
η = 79,71%
24.Máy bơm và công suất bơm
Đáp số: Pshaft = 8,827 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.
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.
Khoản thanh toán hằng tháng
i = 0,006, N = 48
A = 15 000·0,006/(1 − (1 + 0,006)−48) = €360,59
Tổng tiền lãi
I = N·A − P = 48·360,6 − 15 000 = €2 308,18
Đáp số
I = €2 308,18
27.NPV và IRR
Đáp số: NPV = 5078 €
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 = −45 000
CF1/(1 + 0,12)1 = 15 000/1,12 = 13 392,86
CF2/(1 + 0,12)2 = 17 000/1,254 = 13 552,30
CF3/(1 + 0,12)3 = 20 000/1,405 = 14 235,60
CF4/(1 + 0,12)4 = 14 000/1,574 = 8 897,25
Cộng lại
NPV = €5 078,01
Đáp số
NPV = €5 078,01
NPV dương, nên dự án sinh lời nhiều hơn mức yêu cầu.
28.NPV và IRR
Đáp số: r* = 2,505 %
Tỉ suất giao nhau: tỉ suất chiết khấu mà tại đó hai dự án có cùng NPV. Nó là IRR của hiệu các dòng tiền của chúng (B − A). Dưới mức này, dự án có dòng tiền lớn hơn đến muộn hơn có NPV cao hơn; trên mức này, dự án kia thắng.
Hiệu các dòng tiền
ΔCF0 = −40 000 − (−30 000) = −10 000
ΔCF1 = 10 500 − 17 000 = −6 500
ΔCF2 = 16 000 − 12 000 = 4 000
ΔCF3 = 20 500 − 7 000 = 13 500
IRR của hiệu
NPVΔ(2%) = 193,48
NPVΔ(3%) = −185,88
r* = 2,505%
Đáp số
r* = 2,505%
Kiểm tra: tại 2,505% cả hai NPV đều là €4 504,48.
29.Phân phối chuẩn
Đáp số: z = 0,67
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 + 0,4971)/2 = 0,7486
Đọc bảng z theo chiều ngược lại
Tìm 0,7486 bên trong bảng và đọc ra z.
z = 0,67
Đáp số
z = 0,67
30.Phân phối chuẩn
Đáp số: x = 258,2 g
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
Φ(z) = 0,95
z từ bảng
z ≈ 1,64
Trở lại đơn vị ban đầu
x = 250 + 1,64·5 = 258,2 g
Đáp số
x = 258,2 g
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.