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 (gối cố định tại A, gối con lăn tại B) chịu tải thay đổi tuyến tính giảm từ 15 kN/m tại A xuống không tại B. Một lực tập trung P cũng tác dụng tại vị trí cách A 8 m. Tìm phản lực thẳng đứng RA tại gối.
L = 10 mw0 = 15 kN/mP = 40 kN tại 8 m
RA = 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 RB.
L = 4 mP = 35 kN tại 2,5 mw = 2 kN/m từ 2 đến 3 m
RB = 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 ↓D: 15 kN ↓F: 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
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 = 6 mchiều cao = 3 mB cách A 2 mtải thẳng đứng = 30 kNtải ngang = 10 kN →
FAC = kN
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 1 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 = 7 mP1 = 70 kN tại 1 mP2 = 75 kN tại 7 mcác gối tại x = 0 và x = 6 m
Mx = kN·m
6.Lực cắt và mômen uốnKhó
Tìm mômen uốn Mx tại mặt cắt x = 7 m tính từ gối A. Coi mômen làm dầm võng xuống là dương và lực cắt hướng lên trên mặt trái là dương.
L = 8 mP = 20 kN tại 7 mw = 2 kN/m từ 0 đến 8 mx = 7 m
Mx = kN·m
7.Độ võng của dầmTrung bình
Một dầm đơn giản chịu lực tập trung P tại vị trí cách gối A một đoạn a = 4,5 m. Tìm độ võng δP dưới tải.
P = 26 kNa = 4,5 mL = 6 mE = 200 GPa (thép)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
8.Độ võng của dầmKhó
Một dầm công-xôn có gối chống ngàm tại A và tựa đơn (chống) tại B. Dầm chịu một lực tập trung P tại giữa nhịp. EI không đổi. Tìm phản lực RB tại gối chống.
L = 8 mP = 70 kN tại 4 m
RB = kN
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 = 2 mE = 70 GPa (nhôm)b × h = 50 × 80 mm
Pcr = kN
10.Mất ổn định cộtKhó
Một cột dài L làm bằng thép được ngàm cả hai đầu. Tìm độ mảnh của nó và ứng suất oằn tới hạn σcr theo công thức Euler.
L = 5 mE = 200 GPa (thép)d = 25 mm
σcr = MPa
11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtTrung bình
Một tiết diện chữ I đối xứng có các cánh rộng 140 mm và dày 24 mm, chiều cao tổng thể 480 mm và bụng dày 10 mm. Tìm mô-đun chống uốn đàn hồi Sx của nó khi uốn quanh trục nằm ngang x qua trọng tâm.
B = 140 mmH = 480 mmtf = 24 mmtw = 10 mm
Sx = × 10³ mm³
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 120 MPa khi nén. Tìm mô-men uốn võng lên lớn nhất Mallow mà dầm có thể chịu (cho độ lớn của nó).
Một lớp sét quá cố kết dày 3 m có Cc = 0,35, Cr = 0,06 và e₀ = 1,05. Ở độ sâu giữa lớp, ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng là 70 kPa và áp lực tiền cố kết là 150 kPa. Một tòa nhà mới thêm 160 kPa ứng suất thẳng đứng ở độ sâu giữa lớp. Tìm độ lún cố kết sơ cấp S theo mm.
Một lớp sét dày 4 m có hệ số cố kết cv = 2 m²/năm. Nó nằm giữa hai lớp cát, nên nước thoát ra ở đỉnh và đáy. Với cố kết trung bình 50%, nhân tố thời gian là Tv = 0,197. Lớp đó mất bao nhiêu năm t để đạt 50% cố kết?
H = 4 mcv = 2 m²/nămU = 50%Tv = 0,197thoát nước hai phía
t = năm
17.Lực thủy tĩnhTrung bình
Một cửa van hình chữ nhật thẳng đứng rộng 2 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.
Một cửa van hình chữ nhật thẳng đứng rộng 3 m nằm trong thành bể chứa nước, với mép trên nằm dưới mặt thoáng 3 m. Tìm độ sâu ycp của tâm áp lực dưới mặt thoáng.
d = 3 mH = 3 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
19.Ma sát đường ống và tổn thất cột ápTrung bình
Nước (ρ = 1000 kg/m³) chảy với 1,4 m/s qua một ống nằm ngang dài 300 m, đường kính trong 200 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.
Hai bể chứa hở được nối bằng một ống dài 150 m, đường kính trong 250 mm và hệ số ma sát Darcy f = 0,025. Mặt nước của bể trên cao hơn bể dưới 24 m. Các tổn thất cục bộ là lối vào cạnh vuông (K = 0,5), 2 khúc cua (K = 0,3 mỗi khúc), một van (K = 5) 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 xây gạch hình thang có chiều rộng đáy 5 m và mái dốc 3:1 (ngang:đứng). Nước chảy đều sâu 1 m. Hệ số Manning n = 0,015 và độ dốc đáy là S = 0,001. Tìm lưu lượng Q theo m³/s.
b = 5 my = 1 mz = 3n = 0,015S = 0,001
Q = m³/s
22.Dòng chảy hở (Manning)Khó
Một kênh đất sạch hình thang có chiều rộng đáy 4 m và mái dốc 3:1 (ngang:đứng) phải tải 88 m³/s ở dòng chảy đều với độ sâu 2,3 m. Hệ số Manning n = 0,022. Tìm độ dốc đáy yêu cầu S (theo m/m).
Q = 88 m³/sb = 4 my = 2,3 mz = 3n = 0,022
S = m/m
23.Máy bơm và công suất bơmTrung bình
Một máy bơm cấp 25 L/s nước (ρ = 1000 kg/m³) ngược với cột áp 76 m. Hiệu suất bơm là 82% và động cơ điện dẫn động nó có hiệu suất 95%. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm công suất điện Pel mà động cơ tiêu thụ, theo kW.
Một máy bơm chuyển 100 L/s nước (ρ = 1000 kg/m³) từ một bể hở phía dưới lên một bồn phía trên có mặt nước cao hơn 13 m. Ống dài 600 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. Bồn phía trên đóng kín và không khí phía trên nước ở áp suất dư 400 kPa. Tìm cột áp H mà bơm phải bổ sung.
Bạn đầu tư €3 000 với lãi suất danh nghĩa 3% mỗi năm, ghép lãi hằng quý. Tìm giá trị FV của khoản đầu tư sau 10 năm.
PV = €3 0003% / 4n = 10
FV = €
26.Giá trị thời gian của tiềnKhó
Bạn tiết kiệm €250 vào cuối mỗi tháng trong 28 năm. Tài khoản trả lãi 3% mỗi năm, ghép lãi hằng tháng. Cuối cùng bạn tiết kiệm được bao nhiêu? Tìm FV.
A = €2503% / 12N = 336
FV = €
27.NPV và IRRTrung bình
Một dự án tốn €20 000 hôm nay và mang về €6 500 vào cuối mỗi năm trong 6 năm. Chi phí vốn là 6%. Giả sử các dòng tiền đến đều đặn trong mỗi năm. Tìm thời gian hoàn vốn có chiết khấu DPB theo năm.
Một dự án tốn €50 000 và mang về €22 500, €22 500, €16 500 vào cuối các năm từ 1 đến 3. Các dòng tiền có thể được tái đầu tư với chi phí vốn 6%. Tìm tỉ suất hoàn vốn nội bộ điều chỉnh MIRR theo phần trăm.
X có phân bố chuẩn với trung bình 120 mm và độ lệch chuẩn 0,3 mm; Y độc lập và có phân bố chuẩn với trung bình 80 mm và độ lệch chuẩn 0,4 mm. Tìm xác suất P để X + Y lớn hơn 199,5 mm. Làm tròn z đến hai chữ số thập phân.
μX = 120, σX = 0,3μY = 80, σY = 0,4X + Y > 199,5 mm
P =
30.Phân phối chuẩnKhó
chiều cao của nam giới trưởng thành tuân theo phân phối chuẩn với giá trị trung bình 178 cm và độ lệch chuẩn 7 cm. Kéo ngưỡng sao cho 30% cao nhất được tô bóng nằm bên phải nó. Tìm ngưỡng x.
μ = 178 cmσ = 7 cm30%
x = cm
3Dung dịch
1.Phản lực gối của dầm
Đáp số: RA = 58 kN
Cân bằng tĩnh: một vật ở trạng thái nghỉ có ΣFx = 0, ΣFy = 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 = ½·15·10 = 75 kN
x̄ = L/3 = 3,333 m
Cân bằng
Mômen quanh A, chiều ngược kim đồng hồ là dương. Sau đó cân bằng lực theo phương thẳng đứng.
ΣMA = 0: RB·10 = 75·3,333 + 40·8
RB = 57 kN
RA = 115 − 57 = 58 kN
Đáp số
RA = 58 kN
2.Phản lực gối của dầm
Đáp số: RB = 23,13 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·4 = 35·2,5 + 2·1·2,5
RB = 92,5/4 = 23,13 kN
ΣFy = 0: RA = 37 − 23,13 = 13,88 kN
Đáp số
RB = 23,13 kN
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 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 → 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·6 = 30·2 + 10·3 → Cy = 15 kN
ΣFy = 0: Ay = 30 − 15 = 15 kN
ΣFx = 0: Ax = −10 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.
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·6 = 70·1 + 75·7
RB = 595/6 = 99,17 kN
ΣFy = 0: RA = 145 − 99,17 = 45,83 kN
Cắt dưới P1 và giữ phần bên trái
Mx = RA·1 = 45,83·1 = 45,83 kN·m
Đáp số
Mx = 45,83 kN·m
6.Lực cắt và mômen uốn
Đáp số: Mx = 24,5 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 = 2·8 = 16 kN, đặt tại x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·8 = 20·7 + 2·8·4
RB = 204/8 = 25,5 kN
ΣFy = 0: RA = 36 − 25,5 = 10,5 kN
Cắt tại x = 7 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 = RA·x − (mỗi tải bên trái mặt cắt × cánh tay đòn đến mặt cắt)
Mx = 10,5·7 − 2·7·3,5 = 24,5 kN·m
Đáp số
Mx = 24,5 kN·m
7.Độ võng của dầm
Đáp số: δP = 2,742 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 = 26000 N, a = 4500 mm, b = 1500 mm, L = 6000 mm
EI = 2,4 × 10¹³ N·mm²
Độ võng dưới tải
δP = Pa²b²/(3EIL) = 26000·4500²·1500²/(3·2,4 × 10¹³·6000) = 2,742 mm
Đáp số
δP = 2,742 mm
8.Độ võng của dầm
Đáp số: RB = 21,88 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 = P(L/2)²(3L − L/2)/(6EI) = 5PL³/(48EI)
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·25⁴/64 = 19175 mm⁴
Bán kính quán tính và độ mảnh
A = 490,9 mm²
r = √(I/A) = √(19175/490,9) = 6,25 mm
KL = 0,5·5000 = 2500 mm
KL/r = 2500/6,25 = 400
Ứng suất tới hạn
σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/400² = 12,34 MPa
Đáp số
σcr = 12,34 MPa
11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt
Đáp số: Sx = 1737 × 10³ mm³
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.
Hình chữ nhật ngoài trừ hai phần khuyết hai bên
Hai phần khuyết cộng lại rộng (B − tw) và cao hw = H − 2tf, và có chung trục x.
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.
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·5 + γsat,sand·1 + γsat,clay·2,5
σ = 17·5 + 19·1 + 19·2,5 = 151,5 kPa
Đáp số
σ = 151,5 kPa
15.Lún cố kết
Đáp số: S = 124,1 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 = 70 + 160 = 230 kPa > 150 kPa
Độ lún
Nén lại đến σ′p, nén nguyên sinh sau đó.
S = 0,06·3/(1 + 1,05)·log₁₀(150/70) + 0,35·3/(1 + 1,05)·log₁₀(230/150)
S = 29,06 + 95,08 = 124,1 mm
Đáp số
S = 124,1 mm
16.Lún cố kết
Đáp số: t = 0,394 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/2 = 4/2 = 2 m
Thời gian
t = Tv·Hdr²/cv = 0,197·2²/2 = 0,394 năm
Đáp số
t = 0,394 năm
17.Lực thủy tĩnh
Đáp số: F = 80,93 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 + 1,5/2 = 2,75 m
A = H·b = 1,5·2 = 3 m²
Hợp lực
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,75·3 = 80,93 kN
Đáp số
F = 80,93 kN
18.Lực thủy tĩnh
Đáp số: ycp = 4,667 m
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 = 3 + 3/2 = 4,5 m
A = H·b = 3·3 = 9 m²
Hợp lực
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4,5·9 = 397,3 kN
Tâm áp lực
Áp suất tăng theo độ sâu, nên hợp lực tác dụng phía dưới trọng tâm.
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) = 0,025·(300/0,2)·1,4²/(2·9,81) = 3,746 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.
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 = 0,025·150/0,25 = 15
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 + 1,0 = 7,1
Phương trình năng lượng
Cả hai mặt nước đều thông với không khí và thực tế đứng yên, nên toàn bộ Δz bị mất trong ống.
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 + 3·1)·1 = 8 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 5 + 2·1·√(1 + 3²) = 11,32 m
R = A/P = 0,7064 m
Vận tốc
V = (1/0,015)·0,70642/3·0,0011/2 = 1,672 m/s
Lưu lượng
Q = A·V = 8·1,672 = 13,38 m³/s
Đáp số
Q = 13,38 m³/s
22.Dòng chảy hở (Manning)
Đáp số: S = 0,00399 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 = (4 + 3·2,3)·2,3 = 25,07 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 4 + 2·2,3·√(1 + 3²) = 18,55 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 = 1000·9,81·0,025·76 = 18,64 kW
Công suất trên trục
Pshaft = 18,64/0,82 = 22,73 kW
Công suất điện
Pel = 22,73/0,95 = 23,93 kW
Đáp số
Pel = 23,93 kW
24.Máy bơm và công suất bơm
Đáp số: H = 68,16 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 = 13 + 40,77 + 14,38 = 68,16 m
Đáp số
H = 68,16 m
25.Giá trị thời gian của tiền
Đáp số: FV = 4045 €
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.
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: 6 500/1,06 = 6 132,08 → Σ = 6 132,08
năm 2: 6 500/1,124 = 5 784,98 → Σ = 11 917,05
năm 3: 6 500/1,191 = 5 457,53 → Σ = 17 374,58
năm 4: 6 500/1,262 = 5 148,61 → Σ = 22 523,19
Phần của năm cuối
DPB = 3 + 2 625,42/5 148,61 = 3,51
Đáp số
DPB = 3,51 năm
Thời gian hoàn vốn có chiết khấu luôn dài hơn thời gian hoàn vốn đơn giản (3,077 năm).
28.NPV và IRR
Đáp số: MIRR = 9,491 %
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
22 500·1,062 = 25 281,00
22 500·1,061 = 23 850,00
16 500·1,060 = 16 500,00
TV = 65 631,00
MIRR
MIRR = (65 631,00/50 000)1/3 − 1 = 9,491%
Đáp số
MIRR = 9,491%
29.Phân phối chuẩn
Đáp số: P = 0,8413
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) = μX ± μY. Các phương sai luôn cộng, kể cả với hiệu: Var(X ± Y) = σX² + σY², nên σ = √(σX² + σY²). 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 tổng
μ = 200 mm, σ = √(0,3² + 0,4²) = 0,5 mm
Chuẩn hóa
z = (199,5 − 200)/0,5 = −1
Đuôi trên
P = 1 − Φ(−1) = 1 − 0,1587 = 0,8413
Đáp số
P = 0,8413
30.Phân phối chuẩn
Đáp số: x = 181,6 cm
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) = 0,7
z từ bảng
z ≈ 0,52
Trở lại đơn vị ban đầu
x = 178 + 0,52·7 = 181,6 cm
Đáp số
x = 181,6 cm
Đây là tài liệu luyện tập độc lập. ExamProblems không liên kết với hay được xác nhận bởi tổ chức tổ chức kỳ thi này, và tên kỳ thi chỉ được dùng để mô tả nội dung. Kỳ thi FE exam do NCEES tổ chức; tổ chức này không liên kết với ExamProblems và không bảo trợ nó.