Luyện thi FE Xây dựng: gói ôn nước rút

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

Bài mới Quay lại môn học

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

1Công thức và phương pháp

Phản lực gối của dầm

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

Phương pháp

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

Giàn: phương pháp tách nút

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

Phương pháp

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

Lực cắt và mômen uốn

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

Phương pháp

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

Độ võng của dầm

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

Mất ổn định cột

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

Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt

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

Ứng suất hữu hiệu trong đất

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

Lún cố kết

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

Lực thủy tĩnh

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

Ma sát đường ống và tổn thất cột áp

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

Dòng chảy hở (Manning)

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

Máy bơm và công suất bơm

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

Giá trị thời gian của tiền

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

Phương pháp

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

NPV và IRR

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

Phương pháp

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

Phân phối chuẩn

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

Phương pháp

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

2Bài tập

1.Phản lực gối của dầmTrung bình

Dầm đơn giản (gối cố định tại A, gối con lăn tại B) chịu tải thay đổi tuyến tính giảm từ 4 kN/m tại A xuống không tại B. Tìm phản lực thẳng đứng R_A tại gối.

L = 8 mw₀ = 4 kN/m

R_A = 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 R_B.

L = 8 mP = 25 kN tại 6 mw = 12 kN/m từ 1 đến 6 m

R_B = kN

3.Giàn: phương pháp tách nútTrung bình

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

C: 40 kN ↓D: 20 kN ↓G: 35 kN ↓H: 25 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.

B: 35 kN ↓C: 10 kN ↓D: 30 kN ↓F: 15 kN →H: 10 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

5.Lực cắt và mômen uốnTrung bình

Tìm mômen uốn M_x tại mặt cắt x = 0,5 m tính từ gối A. Coi mômen làm dầm võng xuống là dương và lực cắt hướng lên trên mặt trái là dương.

L = 4 mw = 12 kN/m từ 0 đến 4 mx = 0,5 m

M_x = kN·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.

25 kN @ 0 m30 kN @ 12 m30 kN @ 4 m5 kN/m, 2–10 m

1A (x = 0 m)
2B (x = 2 m)
3C (x = 4 m)
4D (x = 6 m)
5E (x = 8 m)
6F (x = 10 m)
7G (x = 12 m)

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 = 13 kNw = 6 kN/mL = 1,5 mE = 70 GPa (nhôm)I = 57 × 10⁶ mm⁴

δ = mm

8.Độ võng của dầmKhó

Một dầm đơn giản chịu lực tập trung P tại vị trí cách gối B một đoạn b = 1 m. Tìm độ võng lớn nhất δ_max của dầm.

P = 9 kNb = 1 mL = 8 mE = 70 GPa (nhôm)I = 120 × 10⁶ mm⁴

δ_max = mm

9.Mất ổn định cộtTrung bình

Một cột dài L làm bằng nhôm được ngàm cả hai đầu. Dùng công thức Euler, tìm tải trọng oằn tới hạn P_cr của nó.

L = 5 mE = 70 GPa (nhôm)b × h = 25 × 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 = 4 mE = 70 GPa (nhôm)d = 80 mm

σ_cr = MPa

11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtTrung bình

Một tiết diện chữ U đặt với mặt hở hướng lên: một bản đáy rộng 160 mm với hai cánh đứng, tổng chiều cao 70 mm. Đáy và các cánh đều dày 8 mm. Tìm mô-men quán tính I_x của nó đối với trục nằm ngang x qua trọng tâm.

b = 160 mmh = 70 mmt = 8 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 120 mm và dày 14 mm, chiều cao tổng thể 340 mm và bụng dày 14 mm. Nó chịu mô-men uốn 20 kN·m quanh trục x. Tìm độ lớn của ứng suất uốn σ_j tại chỗ nối giữa bụng và cánh trên.

B = 120 mmH = 340 mmt_f = 14 mmt_w = 14 mmM = 20 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 = 4 mz_w = 3 mγ_w = 9,81 kN/m³cát: γ_d = 16,5 kN/m³cát: γ_sat = 20 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 = 15 kN/m³cát: γ_sat = 19 kN/m³sét: γ_sat = 19 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 = 0,06 và e₀ = 1,1. Ở độ sâu giữa lớp, ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng là 120 kPa và tỉ số quá cố kết là OCR = 3. Một tòa nhà mới thêm 150 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 = 0,06e₀ = 1,1σ′₀ = 120 kPaOCR = 3Δσ = 150 kPa

S = mm

16.Lún cố kếtKhó

Một lớp sét dày 3 m có hệ số cố kết c_v = 3 m²/năm. Nó nằm trên đá không thấm, có cát phía trên, nên nước chỉ thoát ra ở đỉnh. 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 = 3 mc_v = 3 m²/nămU = 90%T_v = 0,848thoát nước một phía

t = năm

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 2 m. Tìm hợp lực thủy tĩnh F tác dụng lên cửa van.

d = 2 mH = 1 mb = 3 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 3 m. Tìm hợp lực thủy tĩnh F tác dụng lên cửa van.

d = 3 mH = 2 mb = 1,5 mρ = 1025 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 1,5 m/s qua một ống nằm ngang dài 800 m, đường kính trong 100 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.

V = 1,5 m/sL = 800 mD = 100 mmf = 0,025ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

20.Ma sát đường ống và tổn thất cột ápKhó

Một ống dài 200 m, đường kính trong 200 mm (hệ số ma sát Darcy f = 0,022) 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), 2 khúc cua (K = 0,3 mỗi khúc) và một van (K = 5). 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?

Q = 80 L/sL = 200 mD = 200 mmf = 0,022K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×2)K_valve = 5

H = m

21.Dòng chảy hở (Manning)Trung bình

Một kênh đất có phủ cỏ hình thang có chiều rộng đáy 1 m và mái dốc 1,5:1 (ngang:đứng). Nước chảy đều sâu 2 m. Hệ số Manning n = 0,03 và độ dốc đáy là S = 0,002. Tìm lưu lượng Q theo m³/s.

b = 1 my = 2 mz = 1,5n = 0,03S = 0,002

Q = m³/s

22.Dòng chảy hở (Manning)Khó

Một kênh bê tông chưa hoàn thiện hình thang có chiều rộng đáy 4,5 m và mái dốc 1,5:1 (ngang:đứng) phải tải 35 m³/s ở dòng chảy đều với độ sâu 1,4 m. Hệ số Manning n = 0,014. Tìm độ dốc đáy yêu cầu S (theo m/m).

Q = 35 m³/sb = 4,5 my = 1,4 mz = 1,5n = 0,014

S = m/m

23.Máy bơm và công suất bơmTrung bình

Trong một thử nghiệm, một máy bơm cấp 50 L/s nước (ρ = 1000 kg/m³) ngược với cột áp 38 m trong khi trục của nó nhận 25,9 kW. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm hiệu suất bơm η theo phần trăm.

Q = 50 L/sH = 38 mP_shaft = 25,9 kWg = 9,81 m/s²

η = %

24.Máy bơm và công suất bơmKhó

Một máy bơm chuyển 120 L/s nước (ρ = 1000 kg/m³) từ một bể hở phía dưới lên một bồn phía trên có mặt nước cao hơn 28 m. Ống dài 400 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 = 8 (đã gồm lối vào và lối ra). Dùng g = 9,81 m/s². Hiệu suất bơm là 75%. Tìm công suất trên trục P_shaft theo kW.

Q = 120 L/sΔz = 28 mL = 400 mD = 250 mmf = 0,025ΣK = 8η = 75%

P_shaft = kW

25.Giá trị thời gian của tiềnTrung bình

Một bất động sản dự kiến thu được tiền thuê ròng €2 000 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 = €2 000g = 4%r = 6%

PV = €

26.Giá trị thời gian của tiềnKhó

Bạn vay €5 000 với lãi suất 3% mỗi năm, ghép lãi hằng tháng, và trả €100 vào cuối mỗi tháng. Cần bao nhiêu tháng để trả hết khoản vay (khoản thanh toán cuối có thể nhỏ hơn)? Cho số lần thanh toán N.

P = €5 000A = €1003% / 12

N = lần thanh toán

27.NPV và IRRTrung bình

Một dự án tốn €20 000 hôm nay và mang về €5 500 vào cuối mỗi năm trong 5 năm. Chi phí vốn là 10%. Giả sử các dòng tiền đến đều đặn trong mỗi năm. Tìm thời gian hoàn vốn có chiết khấu DPB theo năm.

r = 10%CF₀ = −20 000CF₁ = 5 500CF₂ = 5 500CF₃ = 5 500CF₄ = 5 500CF₅ = 5 500

DPB = năm

28.NPV và IRRKhó

Một dự án tốn €40 000 và mang lại €22 000, €17 000, €23 500 vào cuối các năm 1 đến 3. Tìm tỷ suất hoàn vốn nội bộ IRR theo phần trăm.

CF₀ = −40 000CF₁ = 22 000CF₂ = 17 000CF₃ = 23 500

IRR = %

29.Phân phối chuẩnTrung bình

điểm thi có phân phối chuẩn với trung bình 65 điểm và độ lệch chuẩn 10 điểm. Tỉ lệ nào nằm giữa 65,5 và 75 điểm? Cho P dưới dạng số thập phân.

μ = 65σ = 10x₁ = 65,5x₂ = 75

P =

30.Phân phối chuẩnKhó

tuổi thọ pin tuân theo phân phối chuẩn với giá trị trung bình 500 h và độ lệch chuẩn 40 h. Kéo ngưỡng sao cho 60% thấp nhất được tô bóng nằm bên trái nó. Tìm ngưỡng x.

μ = 500 hσ = 40 h60%

x = h

3Dung dịch

1.Phản lực gối của dầm

Đáp số: R_A = 10,67 kN

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

Hợp lực của tải tam giác

W = ½·4·8 = 16 kN

x̄ = L/3 = 2,667 m

Cân bằng

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

ΣM_A = 0: R_B·8 = 16·2,667

R_B = 5,333 kN

R_A = 16 − 5,333 = 10,67 kN

Đáp số

R_A = 10,67 kN

2.Phản lực gối của dầm

Đáp số: R_B = 45 kN

Cân bằng tĩnh: một vật đứng yên có ΣF_x = 0, ΣF_y = 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 = 12·5 = 60 kN, đặt tại x̄ = 3,5 m

ΣM_A = 0: R_B·8 = 25·6 + 12·5·3,5

R_B = 360/8 = 45 kN

ΣF_y = 0: R_A = 85 − 45 = 40 kN

Đáp số

R_B = 45 kN

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: 71,25 kN (T), DE: 71,25 kN (T), FG: 97,5 kN (C), GH: 97,5 kN (C), AF: 68,94 kN (C), HE: 100,8 kN (C), BF: 0, CG: 35 kN (C), DH: 20 kN (T), FC: 68,94 kN (T), HC: 37,12 kN (T)

Đáp số

Thanh không lực: BF

4.Giàn: phương pháp tách nút

Đáp số: thanh CG

Nút G

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

ΣF⊥ = 0 → F_CG = 0

Kiểm tra bằng phương pháp tách nút

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

AB: 66,25 kN (T), BC: 66,25 kN (T), CD: 62,08 kN (T), DE: 62,08 kN (T), FG: 70,83 kN (C), GH: 70,83 kN (C), AF: 64,06 kN (C), HE: 77,6 kN (C), BF: 35 kN (T), CG: 0, DH: 30 kN (T), FC: 5,729 kN (T), HC: 10,94 kN (T)

Đáp số

Thanh không lực: CG

5.Lực cắt và mômen uốn

Đáp số: M_x = 10,5 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 = 12·4 = 48 kN, đặt tại x̄ = 2 m

ΣM_A = 0: R_B·4 = 12·4·2

R_B = 96/4 = 24 kN

ΣF_y = 0: R_A = 48 − 24 = 24 kN

Cắt tại x = 0,5 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 = 24·0,5 − 12·0,5·0,25 = 10,5 kN·m

Đáp số

M_x = 10,5 kN·m

6.Lực cắt và mômen uốn

Đáp số: F (x = 10 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 = 66,25 kN, R₂ = 58,75 kN

Mômen uốn tại mỗi điểm đánh dấu

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

M_A = 0, M_B = −50, M_C = 22,5, M_D = 15, M_E = −12,5, M_F = −60 kN·m, M_G = 0

Đáp số

Điểm đánh dấu F: M_F = −60 kN·m

7.Độ võng của dầm

Đáp số: δ = 4,617 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 = 13000 N, w = 6 N/mm, L = 1500 mm

EI = 3,99 × 10¹² N·mm²

Từng tải riêng rẽ

δ_P = PL³/(3EI) = 13000·1500³/(3·3,99 × 10¹²) = 3,665 mm

δ_w = wL⁴/(8EI) = 6·1500⁴/(8·3,99 × 10¹²) = 0,9516 mm

Cộng lại

δ = 3,665 + 0,9516 = 4,617 mm

Đáp số

δ = 4,617 mm

8.Độ võng của dầm

Đáp số: δ_max = 4,296 mm

Đơn vị nhất quán

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

P = 9000 N, b = 1000 mm, L = 8000 mm

EI = 8,4 × 10¹² N·mm²

Vị trí của giá trị lớn nhất

Cho góc xoay trong đoạn dài hơn bằng không sẽ cho vị trí này.

x = √((L² − b²)/3) = √((8000² − 1000²)/3) = 4583 mm

Độ võng lớn nhất

δ_max = Pb(L² − b²)^3/2/(9√3·EIL) = 4,296 mm

Đáp số

δ_max = 4,296 mm

9.Mất ổn định cột

Đáp số: P_cr = 7,197 kN

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

Mômen quán tính nhỏ nhất của mặt cắt

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

I_min = h·b³/12 = 50·25³/12 = 65104 mm⁴

Chiều dài tính toán

KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Tải trọng tới hạn

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·70000·65104/2500² = 7197 N = 7,197 kN

Đáp số

P_cr = 7,197 kN

10.Mất ổn định cột

Đáp số: σ_cr = 69,09 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 = 0,5·4000 = 2000 mm

KL/r = 2000/20 = 100

Ứng suất tới hạn

σ_cr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/100² = 69,09 MPa

Đáp số

σ_cr = 69,09 MPa

11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt

Đáp số: I_x = 1,009 × 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 các hình chữ nhật

Lấy đáy với toàn bộ chiều rộng và hai cánh phía trên nó (cao h − t), để không có phần nào bị tính hai lần.

nền: A₁ = 160·8 = 1280 mm², y₁ = 4 mm

hai cánh: A₂ = 2·8·62 = 992 mm², y₂ = 8 + 62/2 = 39 mm

Trọng tâm

ȳ = (1280·4 + 992·39)/2272 = 19,28 mm

Định lý trục song song

nền: 160·8³/12 + 1280·(4 − 19,28)² = 305745 mm⁴

hai cánh: 2·8·62³/12 + 992·(39 − 19,28)² = 703472 mm⁴

I_x = 305745 + 703472

I_x = 1,009 × 10⁶ mm⁴ = 1,009 × 10⁶ mm⁴

Đáp số

I_x = 1,009 × 10⁶ mm⁴

12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt

Đáp số: σ_j = 25,01 MPa

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 = 340 − 2·14 = 312 mm

I_x = (B·H³ − (B − t_w)·h_w³)/12 = (120·340³ − 106·312³)/12

I_x = 1,248 × 10⁸ mm⁴

Ứng suất uốn

y = 170 − 14 = 156 mm

σ = M·y/I = 2 × 10⁷·156/1,248 × 10⁸ = 25,01 MPa

Đáp số

σ_j = 25,01 MPa

13.Ứng suất hữu hiệu trong đất

Đáp số: σ′ = 59,69 kPa

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

Ứng suất toàn phần

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

σ = γ_d·z_w + γ_sat·(z − z_w) = 16,5·3 + 20·1 = 69,5 kPa

Áp suất nước lỗ rỗng

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

u = γ_w·(z − z_w) = 9,81·1 = 9,81 kPa

Ứng suất hữu hiệu

σ′ = σ − u = 69,5 − 9,81 = 59,69 kPa

Đáp số

σ′ = 59,69 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 = 25,16 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 = 3·120 = 360 kPa

So sánh với áp lực tiền cố kết

σ′_f = 120 + 150 = 270 kPa ≤ 360 kPa

Độ lún

Sét vẫn nằm trên đường nén lại của nó.

S = C_r·H/(1 + e₀)·log₁₀(σ′_f/σ′₀) = 0,06·2,5/(1 + 1,1)·log₁₀(270/120) = 25,16 mm

Đáp số

S = 25,16 mm

16.Lún cố kết

Đáp số: t = 2,544 năm

Đường thoát nước

H_dr = H = 3 m

Thời gian

t = T_v·H_dr²/c_v = 0,848·3²/3 = 2,544 năm

Đáp số

t = 2,544 năm

17.Lực thủy tĩnh

Đáp số: F = 73,58 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 = 2 + 1/2 = 2,5 m

A = H·b = 1·3 = 3 m²

Hợp lực

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9,81·2,5·3 = 73,58 kN

Đáp số

F = 73,58 kN

18.Lực thủy tĩnh

Đáp số: F = 120,7 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 + 2/2 = 4 m

A = H·b = 2·1,5 = 3 m²

Hợp lực

F = ρ·g·y_c·A = 1025·9,81·4·3 = 120,7 kN

Đáp số

F = 120,7 kN

19.Ma sát đường ống và tổn thất cột áp

Đáp số: Δp = 225 kPa

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

Tổn thất cột áp

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(800/0,1)·1,5²/(2·9,81) = 22,94 m

Độ giảm áp suất

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

Δp = ρ·g·h_f = 1000·9,81·22,94 = 225000 Pa = 225 kPa

Đáp số

Δp = 225 kPa

20.Ma sát đường ống và tổn thất cột áp

Đáp số: H = 9,618 m

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 = 0,022·200/0,2 = 22

ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 = 6,1

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 + 22 + 6,1)·0,3305 = 9,618 m

Đáp số

H = 9,618 m

21.Dòng chảy hở (Manning)

Đáp số: Q = 11,72 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 + 1,5·2)·2 = 8 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 1 + 2·2·√(1 + 1,5²) = 8,211 m

R = A/P = 0,9743 m

Vận tốc

V = (1/0,03)·0,9743^2/3·0,002^1/2 = 1,465 m/s

Lưu lượng

Q = A·V = 8·1,465 = 11,72 m³/s

Đáp số

Q = 11,72 m³/s

22.Dòng chảy hở (Manning)

Đáp số: S = 0,002938 m/m

Hình học

A = (b + z·y)·y = (4,5 + 1,5·1,4)·1,4 = 9,24 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 4,5 + 2·1,4·√(1 + 1,5²) = 9,548 m

R = A/P = 0,9678 m

Giải Manning tìm S

S^1/2 = n·Q/(A·R^2/3) = 0,014·35/(9,24·0,9784) = 0,0542

S = 0,0542² = 0,002938

Đáp số

S = 0,002938

Đó là độ hạ 2,938 m trên mỗi kilômét.

23.Máy bơm và công suất bơm

Đáp số: η = 71,97 %

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 = 1000·9,81·0,05·38 = 18,64 kW

Hiệu suất

η = P_h/P_shaft = 18,64/25,9 = 71,97%

Đáp số

η = 71,97%

24.Máy bơm và công suất bơm

Đáp số: P_shaft = 66,9 kW

Vận tốc

V = Q/A = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s

V²/(2g) = 0,3046 m

Các tổn thất cột áp

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (40 + 8)·0,3046 = 14,62 m

Cột áp của bơm

H = Δz + h_L = 28 + 14,62 = 42,62 m

Công suất trên trục

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,12·42,62/0,75 = 66,9 kW

Đáp số

P_shaft = 66,9 kW

25.Giá trị thời gian của tiền

Đáp số: PV = 100000 €

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.

Niên kim vĩnh cửu tăng trưởng

PV = C₁/(r − g) = 2 000/(0,06 − 0,04) = 2 000/0,02 = €100 000,00

Đáp số

PV = €100 000,00

26.Giá trị thời gian của tiền

Đáp số: N = 54 lần thanh toán

Biến đổi công thức niên kim

i = 0,0025

(1 + i)^−N = 1 − 5 000·0,0025/100 = 0,875

Giải bằng logarit

N = −ln(0,875)/ln(1,002) = 53,48

Làm tròn lên thành số lần thanh toán nguyên

53 khoản thanh toán đầy đủ còn để lại một khoản dư nhỏ, được xóa bằng khoản thanh toán cuối cùng nhỏ hơn.

N = 54

Đáp số

N = 54 lần thanh toán

27.NPV và IRR

Đáp số: DPB = 4,751 năm

Thời gian hoàn vốn: thời gian cho đến khi dòng tiền tích lũy hoàn trả khoản đầu tư ban đầu. Giả định tiền về đều trong mỗi năm, nên phần cuối là một phần của năm. Thời gian hoàn vốn đơn giản bỏ qua giá trị thời gian của tiền; thời gian hoàn vốn có chiết khấu dùng các dòng tiền đã chiết khấu.

Dòng tiền đã chiết khấu và tích lũy

năm 1: 5 500/1,1 = 5 000,00 → Σ = 5 000,00

năm 2: 5 500/1,21 = 4 545,45 → Σ = 9 545,45

năm 3: 5 500/1,331 = 4 132,23 → Σ = 13 677,69

năm 4: 5 500/1,464 = 3 756,57 → Σ = 17 434,26

năm 5: 5 500/1,611 = 3 415,07 → Σ = 20 849,33

Phần của năm cuối

DPB = 4 + 2 565,74/3 415,07 = 4,751

Đáp số

DPB = 4,751 năm

Thời gian hoàn vốn có chiết khấu luôn dài hơn thời gian hoàn vốn đơn giản (3,636 năm).

28.NPV và IRR

Đáp số: IRR = 25,86 %

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.

Kẹp IRR

NPV giảm khi tỷ suất tăng, nên IRR nằm giữa một tỷ suất cho NPV dương và một tỷ suất cho NPV âm.

NPV(25%) = 512,00

NPV(30%) = −2 321,35

Thu hẹp dần

Nội suy tuyến tính cho ước lượng đầu tiên; lặp lại nó (hoặc dùng hàm IRR của máy tính) cho tỷ suất chính xác.

IRR ≈ 25 + 5·512,00/(512,00 − (−2 321,35)) = 25,9%

chính xác: NPV(25,86%) = 0 → IRR = 25,86%

Đáp số

IRR = 25,86%

29.Phân phối chuẩn

Đáp số: P = 0,3214

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.

điểm z

z₁ = (65,5 − 65)/10 = 0,05

z₂ = (75 − 65)/10 = 1

Diện tích ở giữa

P = Φ(1) − Φ(0,05) = 0,8413 − 0,5199 = 0,3214

Đáp số

P = 0,3214

30.Phân phối chuẩn

Đáp số: x = 510 h

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) = 0,6

z từ bảng

z ≈ 0,25

Trở lại đơn vị ban đầu

x = 500 + 0,25·40 = 510 h

Đáp số

x = 510 h

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