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 từ tường đến 5 m và một lực tập trung P tại vị trí cách tường 3 m. Tìm phản lực thẳng đứng R_A tại tường.

L = 10 mP = 35 kN tại 3 mw = 2 kN/m từ 0 đến 5 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_A.

L = 8 mP = 15 kN tại 5 mw = 6 kN/m từ 5 đến 6 m

R_A = kN

3.Giàn: phương pháp tách nútTrung bình

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

nhịp = 5 mchiều cao = 3 mB cách A 2 mtải thẳng đứng = 20 kN

F_AC = kN

4.Giàn: phương pháp tách nútKhó

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

nhịp = 6 mchiều cao = 4 mB cách A 4 mtải thẳng đứng = 20 kNtải ngang = 25 kN →

F_BC = kN

5.Lực cắt và mômen uốnTrung bình

Dầm đơn giản chịu một ngẫu lực cùng chiều kim đồng hồ M₀ = 35 kN·m tại x = 2,5 m tính từ A, và không có tải nào khác. Tìm mô-men uốn M_x ngay bên phải ngẫu lực. Dùng quy ước mô-men làm võng xuống là dương và lực cắt hướng lên trên mặt cắt bên trái là dương.

L = 5 mM₀ = 35 kN·m cùng chiều kim đồng hồ, tại 2,5 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.

30 kN @ 0 m25 kN @ 12 m55 kN @ 6 m8 kN/m, 2–8 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 đơn giản chịu tải phân bố đều w trên toàn nhịp. Tìm độ võng lớn nhất δ_max, tại giữa nhịp.

w = 8 kN/mL = 4 mE = 200 GPa (thép)I = 8,5 × 10⁶ mm⁴

δ_max = 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 δ_max.

P = 22 kNw = 8 kN/mL = 2,5 mE = 70 GPa (nhôm)I = 8,5 × 10⁶ mm⁴

δ_max = mm

9.Mất ổn định cộtTrung bình

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

L = 3 mE = 200 GPa (thép)b × h = 20 × 50 mm

P_cr = kN

10.Mất ổn định cộtKhó

Một cột tròn đặc dài L làm bằng thép được ngàm cả hai đầu. Nó phải chịu 100 kN với hệ số an toàn 2 chống oằn. Tìm đường kính nhỏ nhất d.

P = 100 kNn = 2L = 3 mE = 200 GPa (thép)

d = mm

11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtTrung bình

Một tấm 100 mm × 300 mm có một lỗ tròn đường kính 40 mm trên đường tâm thẳng đứng, tâm lỗ cách đáy 195 mm. Tìm mômen quán tính diện tích I_x quanh trục nằm ngang đi qua trọng tâm.

b = 100 mmh = 300 mmd = 40 mmtâm lỗ: y = 195 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

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 30 MPa khi kéo và 150 MPa khi nén. Tìm mô-men uốn võng xuống lớn nhất M_allow mà dầm có thể chịu.

b_f = 180 mmt_f = 10 mmt_w = 8 mmh_w = 280 mmσ_t,allow = 30 MPaσ_c,allow = 150 MPa

M_allow = kN·m

13.Ứng suất hữu hiệu trong đấtTrung bình

Với mặt cắt đất như hình, tìm áp suất nước lỗ rỗng u tại điểm X.

z = 5 mz_w = 3 mγ_w = 9,81 kN/m³cát: γ_d = 16,5 kN/m³cát: γ_sat = 19,5 kN/m³

u = 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 = 9 mz_w = 5 mγ_w = 9,81 kN/m³cát: γ_d = 15,5 kN/m³cát: γ_sat = 19,5 kN/m³sét: γ_sat = 17,5 kN/m³

u = kPa

15.Lún cố kếtTrung bình

Một lớp sét quá cố kết dày 4 m có C_c = 0,2, C_r = 0,04 và e₀ = 0,9. Ở độ sâu giữa lớp, ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng là 95 kPa và tỉ số quá cố kết là OCR = 2,5. Một tòa nhà mới thêm 90 kPa ứng suất thẳng đứng ở độ sâu giữa lớp. Tìm độ lún cố kết sơ cấp S theo mm.

H = 4 mC_c = 0,2C_r = 0,04e₀ = 0,9σ′₀ = 95 kPaOCR = 2,5Δσ = 90 kPa

S = mm

16.Lún cố kếtKhó

Trong thí nghiệm nén cố kết oedometer ở phòng thí nghiệm, một mẫu sét dày 20 mm, thoát nước ở đỉnh và đáy, đạt 50% cố kết sau 10 phút. Ngoài hiện trường, cùng loại sét đó tạo thành một lớp dày 5,5 m. Nó nằm giữa hai lớp cát, nên nước thoát ra ở đỉnh và đáy. Lớp ngoài hiện trường mất bao nhiêu ngày t để đạt 50% cố kết?

h_lab = 20 mmt_lab = 10 minH = 5,5 mhiện trường: thoát nước hai phía

t = ngày

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

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

d = 1 mH = 2,5 mb = 1 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²

F = kN

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

Nước chảy với 10 L/s qua một ống dài 1000 m, đường kính trong 100 mm. Dùng hệ số ma sát Darcy f = 0,015 và g = 9,81 m/s². Tìm tổn thất cột áp do ma sát h_f.

Q = 10 L/sL = 1000 mD = 100 mmf = 0,015g = 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 300 m, đường kính trong 250 mm và hệ số ma sát Darcy f = 0,022. Các tổn thất cục bộ là lối vào cạnh vuông (K = 0,5), 4 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. Chênh lệch mực nước Δz giữa các bể là bao nhiêu để có lưu lượng 50 L/s?

Q = 50 L/sL = 300 mD = 250 mmf = 0,022K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×4)K_valve = 5K_exit = 1,0

Δz = m

21.Dòng chảy hở (Manning)Trung bình

Một kênh bê tông được hoàn thiện hình thang có chiều rộng đáy 5 m và mái dốc 3:1 (ngang:đứng). Nước chảy đều sâu 2,5 m. Hệ số Manning n = 0,012 và độ dốc đáy là S = 0,001. Tìm lưu lượng Q theo m³/s.

b = 5 my = 2,5 mz = 3n = 0,012S = 0,001

Q = m³/s

22.Dòng chảy hở (Manning)Khó

Một kênh đất có phủ cỏ hình thang có chiều rộng đáy 5,5 m và mái dốc 2:1 (ngang:đứng) phải tải 8,6 m³/s ở dòng chảy đều với độ sâu 1,4 m. Hệ số Manning n = 0,03. Tìm độ dốc đáy yêu cầu S (theo m/m).

Q = 8,6 m³/sb = 5,5 my = 1,4 mz = 2n = 0,03

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 30 m trong khi trục của nó nhận 18,9 kW. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm hiệu suất bơm η theo phần trăm.

Q = 50 L/sH = 30 mP_shaft = 18,9 kWg = 9,81 m/s²

η = %

24.Máy bơm và công suất bơmKhó

Một máy bơm chuyển 60 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 400 m, đường kính trong 200 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. Bồn phía trên đóng kín và không khí phía trên nước ở áp suất dư 350 kPa. Tìm cột áp H mà bơm phải bổ sung.

Q = 60 L/sΔz = 7 mL = 400 mD = 200 mmf = 0,022ΣK = 6p_tank = 350 kPa

H = m

25.Giá trị thời gian của tiềnTrung bình

Một bất động sản dự kiến thu được tiền thuê ròng €6 000 vào năm tới. Tiền thuê dự kiến tăng 3% mỗi năm mãi mãi. Tỉ suất sinh lợi yêu cầu là 9% mỗi năm. Tìm giá trị PV của bất động sản hôm nay.

C₁ = €6 000g = 3%r = 9%

PV = €

26.Giá trị thời gian của tiềnKhó

Một khoản vay €150 000 được trả bằng các khoản thanh toán hằng tháng bằng nhau trong 20 năm. Lãi suất là 3,6% mỗi năm, ghép lãi hằng tháng. Tìm khoản thanh toán hằng tháng A.

P = €150 0003,6% / 12N = 240

A = €

27.NPV và IRRTrung bình

Một chiếc máy tốn €60 000 hôm nay. Nó tạo ra €12 000 vào cuối mỗi năm trong 7 năm và sau đó có thể bán với giá €6 000. Chi phí vốn là 12%. Tìm giá trị hiện tại ròng NPV.

C₀ = €60 000CF = €12 000S = €6 000n = 7r = 12%

NPV = €

28.NPV và IRRKhó

Dự án A tốn €20 000 và mang về €11 500, €7 500, €4 500 vào cuối các năm từ 1 đến 3. Dự án B tốn €25 000 và mang về €6 500, €9 500, €13 500. Tìm tỉ suất giao nhau r* mà tại đó hai dự án có cùng NPV, theo phần trăm.

A: −20 000, 11 500, 7 500, 4 500B: −25 000, 6 500, 9 500, 13 500

r* = %

29.Phân phối chuẩnTrung bình

Kéo z sao cho diện tích tô bóng dưới đường cong chuẩn tắc, bên phải z, bằng 0,0465. Tìm z với hai chữ số thập phân.

A = 0,0465

z =

30.Phân phối chuẩnKhó

chiều cao của nam giới trưởng thành có phân phối chuẩn với trung bình 178 cm và độ lệch chuẩn 7 cm. Tìm giá trị x mà 10% trong số chúng nằm dưới (phân vị thứ 10).

μ = 178σ = 7P = 10%

x = cm

3Dung dịch

1.Phản lực gối của dầm

Đáp số: R_A = 45 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 = 2·5 = 10 kN, x̄ = 2,5 m

Cân bằng theo phương thẳng đứng

R_A = P + W = 35 + 10 = 45 kN

Đáp số

R_A = 45 kN

2.Phản lực gối của dầm

Đáp số: R_A = 7,5 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 = 6·1 = 6 kN, đặt tại x̄ = 5,5 m

ΣM_A = 0: R_B·8 = 15·5 + 6·1·5,5

R_B = 108/8 = 13,5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 21 − 13,5 = 7,5 kN

Đáp số

R_A = 7,5 kN

3.Giàn: phương pháp tách nút

Đáp số: F_AC = 8 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 = 20·2 → C_y = 8 kN

ΣF_y = 0: A_y = 20 − 8 = 12 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.

sin γ = 3/4,243 = 0,7071, cos γ = 3/4,243 = 0,7071

ΣF_y = 0: C_y + F_BC·sin γ = 0 → F_BC = −8/0,7071 = −11,31 kN

ΣF_x = 0: −F_AC − F_BC·cos γ = 0 → F_AC = −(−11,31)·0,7071 = 8 kN

Đáp số

F_AC = 8 kN (kéo)

4.Giàn: phương pháp tách nút

Đáp số: F_BC = −33,54 kN

Phản lực gối

Cân bằng của cả giàn. Mômen quanh A, chiều ngược kim đồng hồ là dương.

ΣM_A = 0: C_y·6 = 20·4 + 25·4 → C_y = 30 kN

ΣF_y = 0: A_y = 20 − 30 = −10 kN

ΣF_x = 0: A_x = −25 kN

Nút C

Gối di động chỉ cho phản lực thẳng đứng, nên nút C chỉ có hai nội lực thanh chưa biết. Giả sử cả hai chịu kéo.

sin γ = 4/4,472 = 0,8944, cos γ = 2/4,472 = 0,4472

ΣF_y = 0: C_y + F_BC·sin γ = 0 → F_BC = −30/0,8944 = −33,54 kN

Đáp số

F_BC = −33,54 kN (nén)

5.Lực cắt và mômen uốn

Đáp số: M_x = 17,5 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. Một ngẫu lực đặt vào làm biểu đồ mô-men uốn nhảy một đoạn bằng độ lớn của ngẫu lực.

Phản lực gối

Mô-men đối với A, chiều ngược chiều kim đồng hồ là dương: R_B·L − M₀ = 0. Cân bằng theo phương thẳng đứng: R_A + R_B = 0.

R_B = M₀/L = 35/5 = 7 kN (hướng lên)

R_A = −R_B = −7 kN (hướng xuống)

Cắt ngay bên phải ngẫu lực

Bây giờ phần bên trái chứa R_A và ngẫu lực.

M_x = R_A·a + M₀ = −7·2,5 + 35 = 17,5 kN·m

Đáp số

M_x = 17,5 kN·m

6.Lực cắt và mômen uốn

Đáp số: E (x = 8 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 = 65,67 kN, R₂ = 92,33 kN

Mômen uốn tại mỗi điểm đánh dấu

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

M_A = 0, M_B = −60, M_C = −4,667, M_D = 18,67, M_E = −100 kN·m, M_F = −50, M_G = 0

Đáp số

Điểm đánh dấu E: M_E = −100 kN·m

7.Độ võng của dầm

Đáp số: δ_max = 15,69 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.

w = 8 N/mm, L = 4000 mm

EI = 1,7 × 10¹² N·mm²

Độ võng

δ_max = 5wL⁴/(384EI) = 5·8·4000⁴/(384·1,7 × 10¹²) = 15,69 mm

Đáp số

δ_max = 15,69 mm

8.Độ võng của dầm

Đáp số: δ_max = 18,87 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 = 22000 N, w = 8 N/mm, L = 2500 mm, EI = 5,95 × 10¹¹ N·mm²

Từng tải riêng rẽ

δ_P = PL³/(48EI) = 22000·2500³/(48·5,95 × 10¹¹) = 12,04 mm

δ_w = 5wL⁴/(384EI) = 5·8·2500⁴/(384·5,95 × 10¹¹) = 6,839 mm

Cộng lại

δ_max = 12,04 + 6,839 = 18,87 mm

Đáp số

δ_max = 18,87 mm

9.Mất ổn định cột

Đáp số: P_cr = 7,311 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 = 50·20³/12 = 33333 mm⁴

Chiều dài tính toán

KL = 1·3000 = 3000 mm

Tải trọng tới hạn

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·33333/3000² = 7311 N = 7,311 kN

Đáp số

P_cr = 7,311 kN

10.Mất ổn định cột

Đáp số: d = 46,42 mm

Tải trọng tới hạn yêu cầu

P_cr = n·P = 2·100000 = 200000 N

KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Giải tìm đường kính

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·200000·1500²/(π³·200000))^(1/4) = 46,42 mm

Đáp số

d = 46,42 mm

Kiểm tra: độ mảnh KL/r là 129,2, nên cột là mảnh và công thức Euler áp dụng được.

11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt

Đáp số: I_x = 222,2 × 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 = (30000·150 − 1257·195)/(30000 − 1257) = 148 mm

Tấm đầy đủ quanh ȳ

100·300³/12 + 30000·1,967² = 225,1 × 10⁶ mm⁴

Lỗ quanh ȳ

π·40⁴/64 + 1257·46,97² = 2,898 × 10⁶ mm⁴

Trừ

I_x = 222,2 × 10⁶ mm⁴

Đáp số

I_x = 222,2 × 10⁶ mm⁴

12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt

Đáp số: M_allow = 5,225 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.

Trọng tâm

ȳ = (1800·285 + 2240·140)/4040 = 204,6 mm

cạnh trên: c = 290 − 204,6 = 85,4 mm

Mômen quán tính mặt cắt

I = 180·10³/12 + 1800·80,4² + 8·280³/12 + 2240·64,6² = 3,563 × 10⁷ mm⁴

Mô-men cho phép theo từng cạnh

Võng xuống: thớ trên chịu nén, thớ dưới chịu kéo.

cạnh trên: M = 150·3,563 × 10⁷/85,4 = 62,59 kN·m

cạnh dưới: M = 30·3,563 × 10⁷/204,6 = 5,225 kN·m

Giá trị quyết định

M_allow = min = 5,225 kN·m (cạnh dưới)

Đáp số

M_allow = 5,225 kN·m

13.Ứng suất hữu hiệu trong đất

Đáp số: u = 19,62 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).

Áp suất nước lỗ rỗng

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

u = γ_w·(z − z_w) = 9,81·2 = 19,62 kPa

Đáp số

u = 19,62 kPa

14.Ứng suất hữu hiệu trong đất

Đáp số: u = 39,24 kPa

Áp suất nước lỗ rỗng

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

u = γ_w·(z − z_w) = 9,81·4 = 39,24 kPa

Đáp số

u = 39,24 kPa

15.Lún cố kết

Đáp số: S = 24,37 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 = 2,5·95 = 237,5 kPa

So sánh với áp lực tiền cố kết

σ′_f = 95 + 90 = 185 kPa ≤ 237,5 kPa

Độ lún

Sét vẫn nằm trên đường nén lại của nó.

S = C_r·H/(1 + e₀)·log₁₀(σ′_f/σ′₀) = 0,04·4/(1 + 0,9)·log₁₀(185/95) = 24,37 mm

Đáp số

S = 24,37 mm

16.Lún cố kết

Đáp số: t = 525,2 ngày

Các đường thoát nước

H_dr,lab = 20/2 = 10 mm = 0,01 m

H_dr,field = 5,5/2 = 2,75 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 = 10·(2,75/0,01)² = 756250 min

t_field = 756250/1440 = 525,2 ngày

Đáp số

t = 525,2 ngày

17.Lực thủy tĩnh

Đáp số: F = 14,71 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 + 1/2 = 1,5 m

A = H·b = 1·1 = 1 m²

Hợp lực

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9,81·1,5·1 = 14,71 kN

Đáp số

F = 14,71 kN

18.Lực thủy tĩnh

Đáp số: F = 48,56 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 + 2,5/2 = 2,25 m

A = H·b = 2,5·1 = 2,5 m²

Hợp lực

F = ρ·g·y_c·A = 880·9,81·2,25·2,5 = 48,56 kN

Đáp số

F = 48,56 kN

19.Ma sát đường ống và tổn thất cột áp

Đáp số: h_f = 12,39 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·0,1²/4 = 0,007854 m²

V = Q/A = 0,01/0,007854 = 1,273 m/s

Cột áp vận tốc

V²/(2g) = 1,273²/(2·9,81) = 0,08263 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(1000/0,1)·1,273²/(2·9,81) = 12,39 m

Đáp số

h_f = 12,39 m

20.Ma sát đường ống và tổn thất cột áp

Đáp số: Δz = 1,803 m

Vận tốc

V = Q/A = 0,05/0,04909 = 1,019 m/s

V²/(2g) = 0,05288 m

Các hệ số tổn thất

f·L/D = 0,022·300/0,25 = 26,4

ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 + 1,0 = 7,7

Tổng tổn thất cột áp

h_f = 26,4·0,05288 = 1,396 m

h_m = 7,7·0,05288 = 0,4072 m

Δz = h_f + h_m = 1,803 m

Đáp số

Δz = 1,803 m

21.Dòng chảy hở (Manning)

Đáp số: Q = 108 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 = (5 + 3·2,5)·2,5 = 31,25 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 5 + 2·2,5·√(1 + 3²) = 20,81 m

R = A/P = 1,502 m

Vận tốc

V = (1/0,012)·1,502^2/3·0,001^1/2 = 3,456 m/s

Lưu lượng

Q = A·V = 31,25·3,456 = 108 m³/s

Đáp số

Q = 108 m³/s

22.Dòng chảy hở (Manning)

Đáp số: S = 0,000501 m/m

Hình học

A = (b + z·y)·y = (5,5 + 2·1,4)·1,4 = 11,62 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 5,5 + 2·1,4·√(1 + 2²) = 11,76 m

R = A/P = 0,988 m

Giải Manning tìm S

S^1/2 = n·Q/(A·R^2/3) = 0,03·8,6/(11,62·0,992) = 0,02238

S = 0,02238² = 0,000501

Đáp số

S = 0,000501

Đó là độ hạ 0,501 m trên mỗi kilômét.

23.Máy bơm và công suất bơm

Đáp số: η = 77,86 %

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 = 1000·9,81·0,05·30 = 14,71 kW

Hiệu suất

η = P_h/P_shaft = 14,71/18,9 = 77,86%

Đáp số

η = 77,86%

24.Máy bơm và công suất bơm

Đáp số: H = 51,97 m

Vận tốc

V = Q/A = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s

V²/(2g) = 0,1859 m

Các tổn thất cột áp

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (44 + 6)·0,1859 = 9,296 m

Cột áp áp suất

p/(ρ·g) = 350000/(1000·9,81) = 35,68 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 + 35,68 + 9,296 = 51,97 m

Đáp số

H = 51,97 m

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) = 6 000/(0,09 − 0,03) = 6 000/0,06 = €100 000,00

Đáp số

PV = €100 000,00

26.Giá trị thời gian của tiền

Đáp số: A = 877,7 €

Lãi suất tháng và số kỳ thanh toán

i = 0,036000000000000004/12 = 0,003

N = 12·20 = 240

Khoản thanh toán

Giá trị hiện tại của N khoản thanh toán bằng nhau A là A·(1 − (1 + i)⁻ᴺ)/i. Cho nó bằng khoản vay và giải tìm A.

(1 + i)^−N = 0,4873

A = 150 000·0,003/(1 − 0,4873) = €877,67

Đáp số

A = €877,67

27.NPV và IRR

Đáp số: NPV = −2521 €

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 các dòng tiền hằng năm

12 000·4,564 = 54 765,08

Giá trị hiện tại của giá trị thanh lý

6 000/2,211 = 2 714,10

NPV

NPV = −60 000 + 54 765,08 + 2 714,10 = −€2 520,83

Đáp số

NPV = −€2 520,83

28.NPV và IRR

Đáp số: r* = 4,193 %

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 = −25 000 − (−20 000) = −5 000

ΔCF₁ = 6 500 − 11 500 = −5 000

ΔCF₂ = 9 500 − 7 500 = 2 000

ΔCF₃ = 13 500 − 4 500 = 9 000

IRR của hiệu

NPV_Δ(4%) = 42,39

NPV_Δ(5%) = −173,31

r* = 4,193%

Đáp số

r* = 4,193%

Kiểm tra: tại 4,193% cả hai NPV đều là €1 923,90.

29.Phân phối chuẩn

Đáp số: z = 1,68

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 − 0,0465 = 0,9535

Đọc bảng z theo chiều ngược lại

Tìm 0,9535 bên trong bảng và đọc ra z.

z = 1,68

Đáp số

z = 1,68

30.Phân phối chuẩn

Đáp số: x = 169 cm

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.

z của phân vị

Φ(z) = 0,1 → z = −1,282

Quay lại x

x = 178 + −1,282·7 = 169,03 cm

Đáp số

x = 169,03 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.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-civil