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 5 m. Tìm phản lực thẳng đứng R_A tại tường.

L = 8 mP = 15 kN tại 5 mw = 2 kN/m từ 0 đến 8 m

R_A = kN

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 4 m) và tựa trên một gối con lăn tại D (cách A 8 m). Dầm chịu một lực tập trung P tại vị trí cách A 5 m và một lực tập trung Q tại vị trí cách A 1 m. Tìm phản lực R_D tại gối con lăn.

AC = 4 mAD = 8 mP = 25 kN tại 5 mQ = 35 kN tại 1 m

R_D = 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: 40 kN ↓F: 25 kN ↓G: 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

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

nhịp = 5 mchiều cao = 2 mB cách A 4 mtải thẳng đứng = 20 kNtải ngang = 25 kN →

F_AB = 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.

50 kN @ 4 m10 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

Tìm mômen uốn M_x tại mặt cắt x = 3,5 m tính từ gối A. Coi mômen làm dầm võng xuống là dương và lực cắt hướng lên trên mặt trái là dương.

L = 5 mP = 10 kN tại 2,5 mw = 5 kN/m từ 0 đến 5 mx = 3,5 m

M_x = kN·m

7.Độ võng của dầmTrung bình

Một dầm đơn giản chịu tải phân bố đều w trên toàn bộ nhịp. Tìm góc xoay θ_A của dầm tại gối A, theo radian.

w = 2 kN/mL = 8 mE = 70 GPa (nhôm)I = 120 × 10⁶ mm⁴

θ_A = rad

8.Độ võng của dầmKhó

Một dầm đơn giản chịu lực tập trung P tại vị trí cách gối B một đoạn b = 1,5 m. Tìm độ võng δ_mid tại giữa nhịp.

P = 24 kNb = 1,5 mL = 4 mE = 70 GPa (nhôm)I = 23 × 10⁶ mm⁴

δ_mid = mm

9.Mất ổn định cộtTrung bình

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

L = 1 mE = 70 GPa (nhôm)d = 20 mm

P_cr = kN

10.Mất ổn định cộtKhó

Một cột tròn đặc dài L làm bằng thép được hai đầu khớp. Nó phải chịu 125 kN với hệ số an toàn 3 chống oằn. Tìm đường kính nhỏ nhất d.

P = 125 kNn = 3L = 3 mE = 200 GPa (thép)

d = mm

11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtTrung bình

Tìm mômen quán tính I_x của mặt cắt chữ T đối với trục ngang x đi qua trọng tâm.

b_f = 260 mmt_f = 25 mmt_w = 10 mmh_w = 180 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtKhó

Một tấm 100 mm × 150 mm có một lỗ khoét hình chữ nhật rộng 60 mm và cao 40 mm, đặt giữa đường tâm thẳng đứng với tâm cách đáy 45 mm. Tìm mômen quán tính diện tích I_x quanh trục nằm ngang đi qua trọng tâm.

b = 100 mmh = 150 mmlỗ khoét: 60 × 40 mmtâm lỗ: y = 45 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

13.Ứng suất hữu hiệu trong đấtTrung bình

Với mặt cắt đất như hình, tìm ứng suất toàn phần theo phương thẳng đứng σ tại điểm X.

z = 5 mz_w = 4 mγ_w = 9,81 kN/m³cát: γ_d = 15 kN/m³cát: γ_sat = 20 kN/m³

σ = kPa

14.Ứng suất hữu hiệu trong đấtKhó

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

z = 5 mz_w = 2 mγ_w = 9,81 kN/m³cát: γ_d = 16 kN/m³cát: γ_sat = 18,5 kN/m³sét: γ_sat = 18,5 kN/m³

σ′ = kPa

15.Lún cố kếtTrung bình

Một lớp sét quá cố kết dày 2 m có C_c = 0,4, C_r = 0,04 và e₀ = 0,95. Ở độ sâu giữa lớp, ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng là 115 kPa và áp lực tiền cố kết là 175 kPa. Một tòa nhà mới thêm 50 kPa ứng suất thẳng đứng ở độ sâu giữa lớp. Tìm độ lún cố kết sơ cấp S theo mm.

H = 2 mC_c = 0,4C_r = 0,04e₀ = 0,95σ′₀ = 115 kPaσ′_p = 175 kPaΔσ = 50 kPa

S = mm

16.Lún cố kếtKhó

Trong thí nghiệm nén cố kết oedometer ở phòng thí nghiệm, một mẫu sét dày 19 mm, thoát nước ở đỉnh và đáy, đạt 50% cố kết sau 12 phút. Ngoài hiện trường, cùng loại sét đó tạo thành một lớp dày 9 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?

h_lab = 19 mmt_lab = 12 minH = 9 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 1,5 m. Tìm hợp lực thủy tĩnh F tác dụng lên cửa van.

d = 1,5 mH = 3 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 3 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 = 1,5 mb = 3 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²

F = kN

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

Nước chảy với 20 L/s qua một ống dài 50 m, đường kính trong 200 mm. Dùng hệ số ma sát Darcy f = 0,018 và g = 9,81 m/s². Tìm tổn thất cột áp do ma sát h_f.

Q = 20 L/sL = 50 mD = 200 mmf = 0,018g = 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 150 mm và hệ số ma sát Darcy f = 0,018. Các tổn thất cục bộ là lối vào cạnh vuông (K = 0,5), 4 khúc cua (K = 0,3 mỗi khúc), một van (K = 0,2) và lối ra vào bể thấp hơn (K = 1,0). Dùng g = 9,81 m/s². Chênh lệch mực nước Δz giữa các bể là bao nhiêu để có lưu lượng 60 L/s?

Q = 60 L/sL = 200 mD = 150 mmf = 0,018K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×4)K_valve = 0,2K_exit = 1,0

Δz = m

21.Dòng chảy hở (Manning)Trung bình

Một kênh bê tông chưa hoàn thiện hình thang có chiều rộng đáy 2 m và mái dốc 3:1 (ngang:đứng). Nước chảy đều sâu 2,4 m. Hệ số Manning n = 0,014 và độ dốc đáy là S = 0,0008. Tìm lưu lượng Q theo m³/s.

b = 2 my = 2,4 mz = 3n = 0,014S = 0,0008

Q = m³/s

22.Dòng chảy hở (Manning)Khó

Một cống bê tông có đường kính trong 450 mm (hệ số Manning n = 0,013) phải đạt vận tốc tự làm sạch 1,2 m/s khi chảy vừa đầy. Tìm độ dốc tối thiểu S (theo m/m).

D = 450 mmn = 0,013V = 1,2 m/s

S = m/m

23.Máy bơm và công suất bơmTrung bình

Một máy bơm có hiệu suất 60% cấp 150 L/s nước (ρ = 1000 kg/m³) ngược với cột áp 70 m. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm công suất trên trục P_shaft cần thiết, theo kW.

Q = 150 L/sH = 70 mη = 60%g = 9,81 m/s²

P_shaft = kW

24.Máy bơm và công suất bơmKhó

Một máy bơm chuyển 40 L/s nước (ρ = 1000 kg/m³) từ một bể hở phía dưới lên một bồn phía trên có mặt nước cao hơn 7 m. Ống dài 300 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 = 5 (đã gồm lối vào và lối ra). Dùng g = 9,81 m/s². Bồn phía trên đóng kín và không khí phía trên nước ở áp suất dư 100 kPa. Tìm cột áp H mà bơm phải bổ sung.

Q = 40 L/sΔz = 7 mL = 300 mD = 150 mmf = 0,025ΣK = 5p_tank = 100 kPa

H = m

25.Giá trị thời gian của tiềnTrung bình

Một thẻ tín dụng tính lãi suất danh nghĩa 21% mỗi năm, ghép lãi hằng ngày. Tìm lãi suất thực hằng năm EAR theo phần trăm.

r = 21%m = 365

EAR = %

26.Giá trị thời gian của tiềnKhó

Một khoản vay thế chấp €150 000 được trả bằng các khoản thanh toán hằng tháng bằng nhau trong 20 năm với lãi suất 4,2% mỗi năm, ghép lãi hằng tháng. Ngay sau khoản thanh toán cuối năm 6 còn nợ bao nhiêu? Tìm số dư nợ B.

P = €150 0004,2% / 12N = 240k = 72

B = €

27.NPV và IRRTrung bình

Một dự án tốn €20 000 hôm nay và mang về €7 000 vào cuối mỗi năm trong 6 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 = 7 000CF₂ = 7 000CF₃ = 7 000CF₄ = 7 000CF₅ = 7 000CF₆ = 7 000

DPB = năm

28.NPV và IRRKhó

Một dự án tốn €20 000 và mang về €9 500, €9 000, €7 500, €11 000 vào cuối các năm từ 1 đến 4. Các dòng tiền có thể được tái đầu tư với chi phí vốn 8%. Tìm tỉ suất hoàn vốn nội bộ điều chỉnh MIRR theo phần trăm.

r = 8%CF₀ = −20 000CF₁ = 9 500CF₂ = 9 000CF₃ = 7 500CF₄ = 11 000

MIRR = %

29.Phân phối chuẩnTrung bình

điểm IQ có phân phối chuẩn với trung bình 100 điểm và độ lệch chuẩn 15 điểm. Tỉ lệ nào nằm giữa 82 và 108,25 điểm? Cho P dưới dạng số thập phân.

μ = 100σ = 15x₁ = 82x₂ = 108,25

P =

30.Phân phối chuẩnKhó

Thời gian một vòng X của vận động viên A và Y của vận động viên B là độc lập và có phân bố chuẩn: X có trung bình 52 s và độ lệch chuẩn 4 s, Y có trung bình 48 s và độ lệch chuẩn 3 s. Tìm xác suất P để X lớn hơn Y. Làm tròn z đến hai chữ số thập phân.

μ_X = 52 s, σ_X = 4 sμ_Y = 48 s, σ_Y = 3 s

P =

3Dung dịch

1.Phản lực gối của dầm

Đáp số: R_A = 31 kN

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 = 2·8 = 16 kN, x̄ = 4 m

Cân bằng theo phương thẳng đứng

R_A = P + W = 15 + 16 = 31 kN

Đáp số

R_A = 31 kN

2.Phản lực gối của dầm

Đáp số: R_D = 6,25 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. 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.

ΣM_C = 0: R_D·4 = 25·1

R_D = 6,25 kN

V_C = 25 − 6,25 = 18,75 kN

Đáp số

R_D = 6,25 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 → F_DH = 0

Kiểm tra bằng phương pháp tách nút

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

AB: 81,67 kN (T), BC: 81,67 kN (T), CD: 38,33 kN (T), DE: 38,33 kN (T), FG: 76,67 kN (C), GH: 76,67 kN (C), AF: 102,1 kN (C), HE: 47,92 kN (C), BF: 40 kN (T), CG: 25 kN (C), DH: 0, FC: 6,25 kN (C), HC: 47,92 kN (T)

Đáp số

Thanh không lực: DH

4.Giàn: phương pháp tách nút

Đáp số: F_AB = 13,42 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·5 = 20·4 + 25·2 → C_y = 26 kN

ΣF_y = 0: A_y = 20 − 26 = −6 kN

ΣF_x = 0: A_x = −25 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 = 2/4,472 = 0,4472

ΣF_y = 0: A_y + F_AB·sin α = 0

F_AB = −−6/0,4472 = 13,42 kN

Đáp số

F_AB = 13,42 kN (kéo)

5.Lực cắt và mômen uốn

Đáp số: C (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 = 38,33 kN, R₂ = 21,67 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 = 76,67, M_C = 153,3 kN·m, M_D = 130, M_E = 86,67, M_F = 43,33, M_G = 0

Đáp số

Điểm đánh dấu C: M_C = 153,3 kN·m

6.Lực cắt và mômen uốn

Đáp số: M_x = 20,63 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 = 5·5 = 25 kN, đặt tại x̄ = 2,5 m

ΣM_A = 0: R_B·5 = 10·2,5 + 5·5·2,5

R_B = 87,5/5 = 17,5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 35 − 17,5 = 17,5 kN

Cắt tại x = 3,5 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 = 17,5·3,5 − 10·(3,5 − 2,5) − 5·3,5·1,75 = 20,63 kN·m

Đáp số

M_x = 20,63 kN·m

7.Độ võng của dầm

Đáp số: θ_A = 0,005079 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 = 2 N/mm, L = 8000 mm

EI = 8,4 × 10¹² N·mm²

Góc xoay ở đầu

θ_A = wL³/(24EI) = 2·8000³/(24·8,4 × 10¹²) = 0,005079 rad

Đáp số

θ_A = 0,005079 rad

Đó là 0,291°.

8.Độ võng của dầm

Đáp số: δ_mid = 18,17 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 = 24000 N, b = 1500 mm, L = 4000 mm

EI = 1,61 × 10¹² N·mm²

Độ võng tại giữa nhịp

δ_mid = Pb(3L² − 4b²)/(48EI) = 24000·1500·(3·4000² − 4·1500²)/(48·1,61 × 10¹²) = 18,17 mm

Đáp số

δ_mid = 18,17 mm

9.Mất ổn định cột

Đáp số: P_cr = 5,426 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·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Chiều dài tính toán

KL = 1·1000 = 1000 mm

Tải trọng tới hạn

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·70000·7854/1000² = 5426 N = 5,426 kN

Đáp số

P_cr = 5,426 kN

10.Mất ổn định cột

Đáp số: d = 76,82 mm

Tải trọng tới hạn yêu cầu

P_cr = n·P = 3·125000 = 375000 N

KL = 1·3000 = 3000 mm

Giải tìm đường kính

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·375000·3000²/(π³·200000))^(1/4) = 76,82 mm

Đáp số

d = 76,82 mm

Kiểm tra: độ mảnh KL/r là 156,2, nên cột là mảnh và công thức Euler áp dụng được.

11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt

Đáp số: I_x = 20,01 × 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: A_f = 260·25 = 6500 mm², y_f = 180 + 25/2 = 192,5 mm

bụng: A_w = 10·180 = 1800 mm², y_w = 180/2 = 90 mm

Trọng tâm

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (6500·192,5 + 1800·90)/8300 = 170,3 mm

Định lý trục song song

cánh: 260·25³/12 + 6500·(192,5 − 170,3)² = 3,55 × 10⁶ mm⁴

bụng: 10·180³/12 + 1800·(90 − 170,3)² = 1,646 × 10⁷ mm⁴

I_x = 3,55 × 10⁶ + 1,646 × 10⁷ = 2,001 × 10⁷ mm⁴ = 20,01 × 10⁶ mm⁴

Đáp số

I_x = 20,01 × 10⁶ mm⁴

12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt

Đáp số: I_x = 25,23 × 10⁶ mm⁴

Tiết diện có lỗ: coi lỗ là một diện tích âm. Trọng tâm là ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), với A₁, y₁ cho tấm đầy đủ và A₂, y₂ cho lỗ. Với mômen quán tính diện tích quanh trục đi qua trọng tâm, dùng định lý trục song song cho từng phần rồi trừ lỗ: I = (I_c1 + A₁d₁²) − (I_c2 + A₂d₂²), trong đó d là khoảng cách từ trọng tâm riêng của mỗi phần đến trục đi qua ȳ. Hình chữ nhật có I_c = bh³/12 và hình tròn có I_c = πd⁴/64.

Trọng tâm

ȳ = (15000·75 − 2400·45)/(15000 − 2400) = 80,71 mm

Tấm đầy đủ quanh ȳ

100·150³/12 + 15000·−5,714² = 28,61 × 10⁶ mm⁴

Lỗ quanh ȳ

60·40³/12 + 2400·−35,71² = 3,381 × 10⁶ mm⁴

Trừ

I_x = 25,23 × 10⁶ mm⁴

Đáp số

I_x = 25,23 × 10⁶ mm⁴

13.Ứng suất hữu hiệu trong đất

Đáp số: σ = 80 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) = 15·4 + 20·1 = 80 kPa

Đáp số

σ = 80 kPa

14.Ứng suất hữu hiệu trong đất

Đáp số: σ′ = 58,07 kPa

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·2 + γ_sat,sand·1 + γ_sat,clay·2

σ = 16·2 + 18,5·1 + 18,5·2 = 87,5 kPa

Áp suất nước lỗ rỗng

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

u = γ_w·(z − z_w) = 9,81·3 = 29,43 kPa

Ứng suất hữu hiệu

σ′ = σ − u = 87,5 − 29,43 = 58,07 kPa

Đáp số

σ′ = 58,07 kPa

15.Lún cố kết

Đáp số: S = 6,432 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.

So sánh với áp lực tiền cố kết

σ′_f = 115 + 50 = 165 kPa ≤ 175 kPa

Độ lún

Sét vẫn nằm trên đường nén lại của nó.

S = C_r·H/(1 + e₀)·log₁₀(σ′_f/σ′₀) = 0,04·2/(1 + 0,95)·log₁₀(165/115) = 6,432 mm

Đáp số

S = 6,432 mm

16.Lún cố kết

Đáp số: t = 7479 ngày

Các đường thoát nước

H_dr,lab = 19/2 = 9,5 mm = 0,0095 m

H_dr,field = 9 m

Quy đổi thời gian

t = T_v·H_dr²/c_v với cùng T_v và c_v ở phòng thí nghiệm và hiện trường.

t_field = 12·(9/0,0095)² = 1,077 × 10⁷ min

t_field = 1,077 × 10⁷/1440 = 7479 ngày

Đáp số

t = 7479 ngày

17.Lực thủy tĩnh

Đáp số: F = 264,9 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 = 1,5 + 3/2 = 3 m

A = H·b = 3·3 = 9 m²

Hợp lực

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9,81·3·9 = 264,9 kN

Đáp số

F = 264,9 kN

18.Lực thủy tĩnh

Đáp số: F = 87,41 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 = 1,5 + 1,5/2 = 2,25 m

A = H·b = 1,5·3 = 4,5 m²

Hợp lực

F = ρ·g·y_c·A = 880·9,81·2,25·4,5 = 87,41 kN

Đáp số

F = 87,41 kN

19.Ma sát đường ống và tổn thất cột áp

Đáp số: h_f = 0,09296 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.

Vận tốc trung bình

A = π·0,2²/4 = 0,03142 m²

V = Q/A = 0,02/0,03142 = 0,6366 m/s

Cột áp vận tốc

V²/(2g) = 0,6366²/(2·9,81) = 0,02066 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(50/0,2)·0,6366²/(2·9,81) = 0,09296 m

Đáp số

h_f = 0,09296 m

20.Ma sát đường ống và tổn thất cột áp

Đáp số: Δz = 15,81 m

Vận tốc

V = Q/A = 0,06/0,01767 = 3,395 m/s

V²/(2g) = 0,5876 m

Các hệ số tổn thất

f·L/D = 0,018·200/0,15 = 24

ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,9

Tổng tổn thất cột áp

h_f = 24·0,5876 = 14,1 m

h_m = 2,9·0,5876 = 1,704 m

Δz = h_f + h_m = 15,81 m

Đáp số

Δz = 15,81 m

21.Dòng chảy hở (Manning)

Đáp số: Q = 52,73 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 = (2 + 3·2,4)·2,4 = 22,08 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 2 + 2·2,4·√(1 + 3²) = 17,18 m

R = A/P = 1,285 m

Vận tốc

V = (1/0,014)·1,285^2/3·0,0008^1/2 = 2,388 m/s

Lưu lượng

Q = A·V = 22,08·2,388 = 52,73 m³/s

Đáp số

Q = 52,73 m³/s

22.Dòng chảy hở (Manning)

Đáp số: S = 0,004481 m/m

Bán kính thủy lực

R = D/4 = 0,45/4 = 0,1125 m

Giải Manning tìm S

S = (n·V/R^2/3)² = (0,013·1,2/0,233)² = 0,004481

Đáp số

S = 0,004481

Đó là độ hạ 4,481 m trên mỗi kilômét.

23.Máy bơm và công suất bơm

Đáp số: P_shaft = 171,7 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 = 1000·9,81·0,15·70 = 103 kW

Công suất trên trục

P_shaft = P_h/η = 103/0,6 = 171,7 kW

Đáp số

P_shaft = 171,7 kW

24.Máy bơm và công suất bơm

Đáp số: H = 31,56 m

Vận tốc

V = Q/A = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s

V²/(2g) = 0,2611 m

Các tổn thất cột áp

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (50 + 5)·0,2611 = 14,36 m

Cột áp áp suất

p/(ρ·g) = 100000/(1000·9,81) = 10,19 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 = 7 + 10,19 + 14,36 = 31,56 m

Đáp số

H = 31,56 m

25.Giá trị thời gian của tiền

Đáp số: EAR = 23,36 %

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 = 0,21/365 = 0,0005753

Ghép lãi trong một năm

EAR = (1 + 0,0005753)³⁶⁵ − 1 = 1,234 − 1 = 23,36%

Đáp số

EAR = 23,36%

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: B = 117323 €

Khoản thanh toán hằng tháng

i = 0,0035, N = 240

A = 150 000·0,0035/(1 − (1 + 0,0035)⁻²⁴⁰) = €924,86

Giá trị hiện tại của các khoản thanh toán còn lại

Số còn nợ phải được trả hết đúng bằng các khoản thanh toán còn lại.

N − k = 240 − 72 = 168

B = 924,9·(1 − (1 + 0,0035)⁻¹⁶⁸)/0,0035 = €117 322,61

Đáp số

B = €117 322,61

27.NPV và IRR

Đáp số: DPB = 3,542 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: 7 000/1,1 = 6 363,64 → Σ = 6 363,64

năm 2: 7 000/1,21 = 5 785,12 → Σ = 12 148,76

năm 3: 7 000/1,331 = 5 259,20 → Σ = 17 407,96

năm 4: 7 000/1,464 = 4 781,09 → Σ = 22 189,06

Phần của năm cuối

DPB = 3 + 2 592,04/4 781,09 = 3,542

Đáp số

DPB = 3,542 năm

Thời gian hoàn vốn có chiết khấu luôn dài hơn thời gian hoàn vốn đơn giản (2,857 năm).

28.NPV và IRR

Đáp số: MIRR = 20,07 %

IRR điều chỉnh: ghép lãi mọi dòng tiền vào đến cuối dự án theo lãi suất tái đầu tư (thường là chi phí vốn) để được giá trị cuối kỳ TV. MIRR là tỉ suất biến khoản đầu tư ban đầu thành TV: MIRR = (TV/C₀)^(1/n) − 1.

Giá trị cuối kỳ của các dòng tiền vào

9 500·1,08³ = 11 967,26

9 000·1,08² = 10 497,60

7 500·1,08¹ = 8 100,00

11 000·1,08⁰ = 11 000,00

TV = 41 564,86

MIRR

MIRR = (41 564,86/20 000)^1/4 − 1 = 20,07%

Đáp số

MIRR = 20,07%

29.Phân phối chuẩn

Đáp số: P = 0,5938

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 = (82 − 100)/15 = −1,2

z₂ = (108,25 − 100)/15 = 0,55

Diện tích ở giữa

P = Φ(0,55) − Φ(−1,2) = 0,7088 − 0,1151 = 0,5938

Đáp số

P = 0,5938

30.Phân phối chuẩn

Đáp số: P = 0,7881

Tổng và hiệu của các biến chuẩn: nếu X và Y độc lập và có phân bố chuẩn thì X + Y và X − Y cũng có phân bố chuẩn. Các trung bình cộng hoặc trừ: E(X ± Y) = μ_X ± μ_Y. Các phương sai luôn cộng, kể cả với hiệu: Var(X ± Y) = σ_X² + σ_Y², nên σ = √(σ_X² + σ_Y²). Các độ lệch chuẩn không bao giờ cộng trực tiếp. Tổng của n phần tử độc lập có cùng phân bố có trung bình n·μ và độ lệch chuẩn σ·√n. Sau đó chuẩn hóa như thường lệ: z = (x − trung bình)/σ rồi tra Φ(z).

Phân bố của hiệu

μ = 52 − 48 = 4 s, σ = 5 s

Chuẩn hóa

z = (0 − 4)/5 = −0,8

Xác suất

P = 1 − Φ(−0,8) = 0,7881

Đáp số

P = 0,7881

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