FE Civil परीक्षा अभ्यास: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 30 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

संतुलन: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
एकसमान भार: परिणामी w·L भार के मध्य में
आघूर्ण: M = F·d

विधि

मुक्त-पिंड आरेख बनाएँ और हर आलंब को उसकी प्रतिक्रियाओं से बदलें।
हर वितरित भार को उसके केंद्रक पर एक अकेले बल से बदलें।
एक आलंब के परितः आघूर्ण लेकर दूसरे की प्रतिक्रिया ज्ञात करें।
शेष प्रतिक्रिया ज्ञात करने के लिए ΣF_y = 0 का उपयोग करें, और दूसरे आघूर्ण समीकरण से जाँचें।

ट्रस: जोड़ विधि

संधि विधि: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 at each joint
खंड विधि: ΣM = 0 about a cut point
अवयव बल: धनात्मक = तनाव, ऋणात्मक = संपीडन

विधि

पूरे ट्रस की आलंब प्रतिक्रियाएँ ज्ञात करें।
संधि विधि: ऐसी संधि से शुरू करें जिस पर अधिकतम दो अज्ञात सदस्य बल हों, और ΣF_x = 0 तथा ΣF_y = 0 का उपयोग करें।
खंड विधि: आवश्यक सदस्य से होकर काटें और उस बिंदु के परितः आघूर्ण लें जहाँ अन्य अज्ञात सदस्य मिलते हैं।
तनाव मानें; ऋणात्मक उत्तर का अर्थ है संपीडन।

अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

अपरूपण बल और आघूर्ण: V = एक ओर का ΣF, M = एक ओर का ΣF·d
बंकन प्रतिबल: σ = M·y/I
आयत: I = bh³/12
खंड मापांक: W = I/y_max
सरल आधारित, एकसमान भार: M_max = wL²/8

विधि

पूरे बीम के संतुलन से आलंब प्रतिक्रियाएँ ज्ञात करें।
बीम को आवश्यक खंड पर काटें और एक भाग रखें।
अपरूपण बल: उस भाग पर ऊर्ध्वाधर बलों का योग। बंकन आघूर्ण: कट के परितः उनके आघूर्णों का योग।
अधिकतम आघूर्ण के लिए वह स्थान ज्ञात करें जहाँ अपरूपण बल शून्य है।

बीम विक्षेप

मध्य-विस्तार पर बिंदु भार: δ = PL³/(48EI)
एकसमान भार, सरल आधारित: δ = 5wL⁴/(384EI)
कैंटिलीवर, सिरे पर भार: δ = PL³/(3EI)
कैंटिलीवर, एकसमान भार: δ = wL⁴/(8EI)
अध्यारोपण: δ = δ₁ + δ₂

स्तंभ बकलिंग

ऑयलर भार: P_cr = π²EI/(KL)²
प्रभावी लंबाई गुणांक: K = 1 पिन–पिन, 0.5 स्थिर–स्थिर, 0.7 स्थिर–पिन, 2 स्थिर–मुक्त
क्रांतिक प्रतिबल: σ_cr = P_cr/A
पतलापन अनुपात: λ = KL/r, r = √(I/A)

केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

केंद्रक: ȳ = ΣA_iy_i/ΣA_i
आयत: I = bh³/12
समांतर अक्ष प्रमेय: I = I_c + A·d²
संयुक्त खंड: I = Σ(I_c,i + A_id_i²)

मृदा में प्रभावी प्रतिबल

कुल प्रतिबल: σ = Σγ_i·h_i
छिद्र जल दाब: u = γ_w·(z − z_w)
प्रभावी प्रतिबल: σ′ = σ − u
पानी: γ_w = 9.81 kN/m³

समेकन निषदन

सामान्य रूप से समेकित: S = C_c·H/(1 + e₀)·log₁₀(σ′_f/σ′₀)
अंतिम प्रतिबल: σ′_f = σ′₀ + Δσ (at mid-depth of the layer)
अति-समेकित, σ′_f ≤ σ′_p: S = C_r·H/(1 + e₀)·log₁₀(σ′_f/σ′₀)
अति-समेकित, σ′_f > σ′_p: S = H/(1 + e₀)·[C_r·log₁₀(σ′_p/σ′₀) + C_c·log₁₀(σ′_f/σ′_p)]
अति-समेकन अनुपात: OCR = σ′_p/σ′₀
समेकन का समय: t = T_v·H_dr²/c_v
जलनिकास पथ: H_dr = H/2 (द्वि-जलनिकास), H (एकल जलनिकास)
समय गुणांक: U 50% → 0.197, 60% → 0.287, 70% → 0.403, 80% → 0.567, 90% → 0.848

द्रवस्थैतिक बल

गहराई पर दाब: p = ρgh
ऊर्ध्वाधर दीवार पर बल: F = ρg·h_c·A
दाब केंद्र: y_p = y_c + I_c/(y_cA)
आयत: I_c = bH³/12

पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

रेनॉल्ड्स संख्या: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
प्रवाह व्यवस्था: Re ≈ 2000 से नीचे स्तरीय, Re ≈ 4000 से ऊपर विक्षुब्ध
औसत वेग: V = Q/A, A = π·D²/4
डार्सी–वाइसबाख: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
लघु हानियाँ: h_m = ΣK·V²/(2g)
K के सामान्य मान: प्रवेश 0.5, निकास 1.0, 90° मोड़ ≈ 0.3
दाब पात: Δp = ρ·g·h_f
दो खुले जलाशय: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
मुक्त निकास: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

खुली वाहिका प्रवाह (मैनिंग)

मैनिंग समीकरण: V = (1/n)·R^2/3·S^1/2
प्रवाह दर: Q = A·V
द्रवीय त्रिज्या: R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
आयत: A = b·y, P = b + 2y
समलंब (पार्श्व ढाल z:1): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
वृत्ताकार पाइप, पूरा या आधा भरा: R = D/4
आवश्यक ढाल: S = (n·Q/(A·R^2/3))²

पंप और पंप शक्ति

द्रवीय शक्ति: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
शाफ़्ट शक्ति: P_shaft = P_h/η_pump
विद्युत शक्ति: P_el = P_shaft/η_motor
पंप शीर्ष: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
तंत्र हानियाँ: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

मुद्रा का समय मूल्य

भविष्य मूल्य: FV = PV·(1 + i)ⁿ
वर्तमान मूल्य: PV = FV/(1 + i)ⁿ
प्रति वर्ष कई अवधियाँ: i = r/m, N = m·n
वार्षिकी, वर्तमान मूल्य: PV = PMT·[1 − (1 + i)⁻ⁿ]/i
वार्षिकी, भविष्य मूल्य: FV = PMT·[(1 + i)ⁿ − 1]/i

विधि

हर नकदी प्रवाह और उसके समय के साथ एक समय-रेखा बनाएँ।
दर को अवधि से मिलाएँ: मासिक भुगतानों के लिए मासिक दर।
एकल राशियों के लिए FV = PV·(1 + i)ⁿ और समान भुगतानों के लिए वार्षिकी सूत्रों का उपयोग करें।
उत्तर का चिह्न और परिमाण की कोटि जाँचें।

NPV और IRR

शुद्ध वर्तमान मूल्य: NPV = −C₀ + Σ CF_t/(1 + r)^t
समान नकदी प्रवाह: NPV = −C₀ + CF·[1 − (1 + r)⁻ⁿ]/r
आंतरिक प्रतिफल दर: वह r जिस पर NPV = 0
निर्णय: NPV > 0 (या IRR > आवश्यक प्रतिफल) होने पर स्वीकार करें

विधि

सभी नकदी प्रवाहों को उनके वर्ष के साथ सूचीबद्ध करें; वर्ष 0 का निवेश ऋणात्मक है।
हर नकदी प्रवाह को बट्टाकृत करें: CF_t/(1 + r)^t।
NPV पाने के लिए उन्हें जोड़ें। धनात्मक का अर्थ है कि परियोजना r से अधिक कमाती है।
IRR के लिए वह दर ज्ञात करें जो NPV को शून्य बनाती है, प्रयास या अंतर्वेशन द्वारा।

प्रसामान्य बंटन

z-स्कोर: z = (x − μ)/σ
x से कम: P(X < x) = Φ(z)
x से अधिक: P(X > x) = 1 − Φ(z)
बीच में: Φ(z₂) − Φ(z₁)
शततमक: x = μ + z·σ

विधि

मान को z-स्कोर में बदलें: z = (x − μ)/σ।
Φ(z) देखें, जो z के बाईं ओर का क्षेत्रफल है।
दाईं ओर के क्षेत्रफल के लिए 1 − Φ(z) लें; किसी अंतराल के लिए दोनों बाएँ क्षेत्रफल घटाएँ।
शतमक के लिए उलटा चलें: क्षेत्रफल के लिए z ज्ञात करें, फिर x = μ + z·σ।

2अभ्यास प्रश्न

1.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँमध्यम

सरल आलंबित बीम में A पर पिन और B पर रोलर है। ऊर्ध्वाधर आलंब प्रतिक्रिया R_A ज्ञात कीजिए।

L = 6 mP₁ = 10 kN पर 3 mP₂ = 15 kN पर 3.5 m

R_A = kN

2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँकठिन

सरल आलंबित बीम में A पर पिन और B पर रोलर है। ऊर्ध्वाधर आलंब प्रतिक्रिया R_B ज्ञात कीजिए।

L = 8 mP = 55 kN पर 4 mw = 5 kN/m, 3 से 6 m तक

R_B = kN

3.ट्रस: जोड़ विधिमध्यम

इस ट्रस का ठीक एक सदस्य इन भारों के अंतर्गत कोई बल वहन नहीं करता। शून्य-बल सदस्य कौन-सा है? उसे आरेख में क्लिक करें।

C: 15 kN ↓D: 25 kN ↓G: 30 kN ↓H: 20 kN ↓

1सदस्य AB
2सदस्य BC
3सदस्य CD
4सदस्य DE
5सदस्य FG
6सदस्य GH
7सदस्य AF
8सदस्य HE
9सदस्य BF
10सदस्य CG
11सदस्य DH
12सदस्य FC
13सदस्य HC

4.ट्रस: जोड़ विधिकठिन

F: 10 kN →G: 10 kN ↓H: 40 kN ↓

1सदस्य AB
2सदस्य BC
3सदस्य CD
4सदस्य DE
5सदस्य FG
6सदस्य GH
7सदस्य AF
8सदस्य HE
9सदस्य BF
10सदस्य CG
11सदस्य DH
12सदस्य BG
13सदस्य DG

5.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम

आलंब A से x = 3 m पर खंड में अपरूपण बल V_x ज्ञात कीजिए। नीचे के रेशों को खींचने वाले आघूर्ण और बाएँ फलक पर ऊपर की ओर अपरूपण बल को धनात्मक लें।

L = 4 mw = 10 kN/m, 0 से 4 m तकx = 3 m

V_x = kN

6.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन

बीम A पर पिन और B पर रोलर पर टिका है और B से आगे 2 m मुक्त सिरे C तक ओवरहैंग करता है। पूरी लंबाई A–C पर समान वितरित भार w कार्य करता है। आलंबों के बीच A से प्रतिनमन बिंदु (जहाँ बंकन आघूर्ण का चिह्न बदलता है) तक की दूरी x_c ज्ञात कीजिए।

L = 7 mw = 2 kN/m, 0 से 7 m तकआलंब x = 0 और x = 5 m पर

x_c = m

7.बीम विक्षेपमध्यम

एक सरल आलंबित बीम अपने पूरे विस्तार पर समान वितरित भार w वहन करता है। मध्य विस्तार पर अधिकतम विक्षेप δ_max ज्ञात कीजिए।

w = 4 kN/mL = 1.5 mE = 11 GPa (इमारती लकड़ी)I = 12 × 10⁶ mm⁴

δ_max = mm

8.बीम विक्षेपकठिन

एक सरल आलंबित बीम समान वितरित भार w वहन करता है। उसका विक्षेप विस्तार/360 से अधिक नहीं हो सकता। यह सीमा पूरी करने वाला न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण I_req ज्ञात कीजिए।

w = 8 kN/mL = 5 mE = 11 GPa (इमारती लकड़ी)

I_req = × 10⁶ mm⁴

9.स्तंभ बकलिंगमध्यम

स्टील से बना L लंबाई का एक स्तंभ दोनों सिरों पर जड़ित है। ऑयलर सूत्र से उसका क्रांतिक बकलिंग भार P_cr ज्ञात कीजिए।

L = 6 mE = 200 GPa (स्टील)d = 50 mm

P_cr = kN

10.स्तंभ बकलिंगकठिन

स्टील से बना L लंबाई का एक ठोस गोल स्तंभ आधार पर जड़ित और शीर्ष पर मुक्त है। इसे बकलिंग के विरुद्ध 3 के सुरक्षा गुणक के साथ 100 kN वहन करना है। न्यूनतम व्यास d ज्ञात कीजिए।

P = 100 kNn = 3L = 4 mE = 200 GPa (स्टील)

d = mm

11.केंद्रक और जड़त्व आघूर्णमध्यम

150 mm × 300 mm की एक प्लेट में उसकी ऊर्ध्वाधर केंद्र रेखा पर व्यास 30 mm का वृत्ताकार छिद्र है, जिसका केंद्र नीचे से 195 mm ऊपर है। केंद्रक से गुज़रने वाले क्षैतिज अक्ष के परितः क्षेत्रफल का द्वितीय आघूर्ण I_x ज्ञात कीजिए।

b = 150 mmh = 300 mmd = 30 mmछिद्र का केंद्र: y = 195 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

12.केंद्रक और जड़त्व आघूर्णकठिन

100 mm × 240 mm की एक प्लेट में 30 mm चौड़ा और 40 mm ऊँचा आयताकार कटाव है, जो ऊर्ध्वाधर केंद्र रेखा पर केंद्रित है और जिसका केंद्र नीचे से 144 mm ऊपर है। केंद्रक से गुज़रने वाले क्षैतिज अक्ष के परितः क्षेत्रफल का द्वितीय आघूर्ण I_x ज्ञात कीजिए।

b = 100 mmh = 240 mmकटाव: 30 × 40 mmछिद्र का केंद्र: y = 144 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

13.मृदा में प्रभावी प्रतिबलमध्यम

दिखाई गई मृदा परिच्छेदिका के लिए बिंदु X पर ऊर्ध्वाधर प्रभावी प्रतिबल σ′ ज्ञात कीजिए।

z = 4 mz_w = 1 mγ_w = 9.81 kN/m³रेत: γ_d = 15.5 kN/m³रेत: γ_sat = 19.5 kN/m³

σ′ = kPa

14.मृदा में प्रभावी प्रतिबलकठिन

दिखाई गई मृदा परिच्छेदिका के लिए बिंदु X पर छिद्र जल दाब u ज्ञात कीजिए।

z = 8 mz_w = 5 mγ_w = 9.81 kN/m³रेत: γ_d = 15 kN/m³रेत: γ_sat = 19.5 kN/m³मिट्टी (क्ले): γ_sat = 18.5 kN/m³

u = kPa

15.समेकन निषदनमध्यम

2.5 m मोटी एक अति-समेकित मृत्तिका परत के लिए C_c = 0.35, C_r = 0.02 और e₀ = 0.6 है। इसकी मध्य-गहराई पर प्रभावी ऊर्ध्वाधर प्रतिबल 50 kPa है और पूर्व-समेकन दाब 80 kPa है। एक नई इमारत मध्य-गहराई पर 170 kPa ऊर्ध्वाधर प्रतिबल जोड़ती है। प्राथमिक समेकन निषदन S mm में ज्ञात कीजिए।

H = 2.5 mC_c = 0.35C_r = 0.02e₀ = 0.6σ′₀ = 50 kPaσ′_p = 80 kPaΔσ = 170 kPa

S = mm

16.समेकन निषदनकठिन

5.5 m मोटी एक मृत्तिका परत का समेकन गुणांक c_v = 2 m²/year है। यह दो रेत परतों के बीच है, इसलिए जल ऊपर और नीचे दोनों ओर निकलता है। 90% औसत समेकन के लिए समय गुणांक T_v = 0.848 है। परत को 90% समेकन तक पहुँचने में कितने वर्ष t लगते हैं?

H = 5.5 mc_v = 2 m²/वर्षU = 90%T_v = 0.848द्वि-जलनिकास

t = वर्ष

17.द्रवस्थैतिक बलमध्यम

3 m चौड़ा एक ऊर्ध्वाधर आयताकार फाटक पानी वाली टंकी की दीवार में है, उसका ऊपरी किनारा सतह से 2 m नीचे है। फाटक पर परिणामी द्रवस्थैतिक बल F ज्ञात कीजिए।

d = 2 mH = 1.5 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

F = kN

18.द्रवस्थैतिक बलकठिन

3 m चौड़ा एक ऊर्ध्वाधर आयताकार फाटक समुद्री जल वाली टंकी की दीवार में है, उसका ऊपरी किनारा सतह से 1.5 m नीचे है। फाटक पर परिणामी द्रवस्थैतिक बल F ज्ञात कीजिए।

d = 1.5 mH = 1 mb = 3 mρ = 1025 kg/m³g = 9.81 m/s²

F = kN

19.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिमध्यम

जल 200 mm आंतरिक व्यास वाले 500 m लंबे पाइप से 100 L/s पर बहता है। डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.018 और g = 9.81 m/s² लें। घर्षण शीर्ष हानि h_f ज्ञात कीजिए।

Q = 100 L/sL = 500 mD = 200 mmf = 0.018g = 9.81 m/s²

h_f = m

20.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिकठिन

300 mm आंतरिक व्यास (डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.018) वाला 300 m लंबा पाइप एक खुले जलाशय से निकलता है और वायु में मुक्त जेट के रूप में निकास करता है। लघु हानियाँ हैं: एक तीखे किनारे वाला प्रवेश (K = 0.5), 2 मोड़ (हर एक K = 0.3) और एक वाल्व (K = 5)। g = 9.81 m/s² लें। 75 L/s की प्रवाह दर के लिए जलाशय की सतह पाइप निकास से कितनी H ऊपर होनी चाहिए?

Q = 75 L/sL = 300 mD = 300 mmf = 0.018K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 5

H = m

21.खुली वाहिका प्रवाह (मैनिंग)मध्यम

750 mm आंतरिक व्यास वाला एक कंक्रीट वर्षा-जल सीवर ठीक पूरा भरा बहता है (खुली वाहिका के रूप में, दाब में नहीं)। मैनिंग n = 0.013 और ढाल S = 0.0008 है। प्रवाह दर Q m³/s में ज्ञात कीजिए।

D = 750 mmn = 0.013S = 0.0008

Q = m³/s

22.खुली वाहिका प्रवाह (मैनिंग)कठिन

1 m तल चौड़ाई और 1.5:1 (क्षैतिज:ऊर्ध्वाधर) पार्श्व ढाल वाली एक समलंबाकार परिष्कृत कंक्रीट वाहिका को 1.2 m गहराई पर एकसमान प्रवाह में 8 m³/s वहन करना है। मैनिंग n = 0.012। आवश्यक तल ढाल S (m/m में) ज्ञात कीजिए।

Q = 8 m³/sb = 1 my = 1.2 mz = 1.5n = 0.012

S = m/m

23.पंप और पंप शक्तिमध्यम

एक परीक्षण में पंप 18 m शीर्ष के विरुद्ध 30 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) देता है जबकि उसका शाफ़्ट 7.1 kW लेता है। g = 9.81 m/s² लें। पंप दक्षता η प्रतिशत में ज्ञात कीजिए।

Q = 30 L/sH = 18 mP_shaft = 7.1 kWg = 9.81 m/s²

η = %

24.पंप और पंप शक्तिकठिन

एक पंप 75 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) को एक खुले निचले जलाशय से एक ऊपरी टैंक तक ले जाता है, जिसकी जल सतह 33 m ऊँची है। पाइप 300 m लंबा है, उसका आंतरिक व्यास 200 mm और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.025 है; लघु-हानि गुणांकों का योग ΣK = 8 है (प्रवेश और निकास सहित)। g = 9.81 m/s² लें। पंप द्वारा जोड़ा जाने वाला शीर्ष H ज्ञात कीजिए।

Q = 75 L/sΔz = 33 mL = 300 mD = 200 mmf = 0.025ΣK = 8

H = m

25.मुद्रा का समय मूल्यमध्यम

एक क्रेडिट कार्ड 18% प्रति वर्ष की नाममात्र ब्याज दर लेता है, त्रैमासिक चक्रवृद्धि। प्रभावी वार्षिक दर EAR प्रतिशत में ज्ञात कीजिए।

r = 18%m = 4

EAR = %

26.मुद्रा का समय मूल्यकठिन

आप 7.2% प्रति वर्ष, मासिक चक्रवृद्धि पर €5 000 उधार लेते हैं, और हर महीने के अंत में €100 चुकाते हैं। ऋण चुकने तक कितने महीने लगते हैं (अंतिम किस्त छोटी हो सकती है)? किस्तों की संख्या N बताइए।

P = €5 000A = €1007.2% / 12

N = किस्तें

27.NPV और IRRमध्यम

€60 000 का निवेश वर्ष 1 से 3 के अंत में ये नकदी प्रवाह देता है: €23 000, €14 000, €21 000। पूँजी की लागत 9% है। शुद्ध वर्तमान मूल्य NPV ज्ञात करें।

r = 9%CF₀ = −60 000CF₁ = 23 000CF₂ = 14 000CF₃ = 21 000

NPV = €

28.NPV और IRRकठिन

€25 000 का एक निवेश 6 वर्षों तक हर वर्ष के अंत में €5 500 लौटाता है। इसकी आंतरिक प्रतिफल दर IRR प्रतिशत में ज्ञात कीजिए।

C₀ = €25 000CF = €5 500n = 6

IRR = %

29.प्रसामान्य बंटनमध्यम

वयस्क पुरुषों की ऊँचाई माध्य 178 cm और मानक विचलन 7 cm के साथ प्रसामान्य रूप से वितरित हैं। कितना अनुपात 164.35 और 188.5 cm के बीच है? P को दशमलव में दें।

μ = 178σ = 7x₁ = 164.35x₂ = 188.5

P =

30.प्रसामान्य बंटनकठिन

बैटरी जीवनकाल माध्य 500 h और मानक विचलन 40 h के साथ प्रसामान्य रूप से वितरित हैं। वह मान x ज्ञात कीजिए जिसके नीचे इनमें से 5% आते हैं (5वाँ शततमक)।

μ = 500σ = 40P = 5%

x = h

3विलयन

1.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: R_A = 11.25 kN

स्थैतिक संतुलन: स्थिर वस्तु के लिए किसी भी बिंदु के परितः ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 और ΣM = 0। एक आलंब के परितः आघूर्ण लेने से उस आलंब की प्रतिक्रिया समीकरण से हट जाती है।

मुक्त-पिंड आरेख

आलंबों को प्रतिक्रिया बलों से बदलें। रोलर एक ऊर्ध्वाधर प्रतिक्रिया देता है; केवल ऊर्ध्वाधर भारों के साथ पिन भी एक ऊर्ध्वाधर प्रतिक्रिया देता है।

संतुलन

A के परितः आघूर्ण, वामावर्त धनात्मक। फिर ऊर्ध्वाधर बल संतुलन।

ΣM_A = 0: R_B·6 = 10·3 + 15·3.5

R_B = 82.5/6 = 13.75 kN

ΣF_y = 0: R_A = 25 − 13.75 = 11.25 kN

उत्तर

R_A = 11.25 kN

2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: R_B = 35.94 kN

मुक्त-पिंड आरेख

संतुलन

A के परितः आघूर्ण, वामावर्त धनात्मक। फिर ऊर्ध्वाधर बल संतुलन।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 5·3 = 15 kN, x̄ = 4.5 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·8 = 55·4 + 5·3·4.5

R_B = 287.5/8 = 35.94 kN

ΣF_y = 0: R_A = 70 − 35.94 = 34.06 kN

उत्तर

R_B = 35.94 kN

3.ट्रस: जोड़ विधि

उत्तर: सदस्य BF

शून्य-बल सदस्य: किसी संधि पर बल हर दिशा में संतुलित होने चाहिए। यदि संधि पर कोई भार और आधार नहीं है, और उसके तीन सदस्यों में से दो एक सीध में हैं, तो उस रेखा के आर-पार का संतुलन केवल तीसरे सदस्य को शामिल करता है, इसलिए उसका बल शून्य है। यदि भाररहित संधि पर केवल दो सदस्य मिलते हैं और वे एक सीध में नहीं हैं, तो दोनों शून्य हैं।

संधि B

AB और BC एक सीधी रेखा में हैं और संधि पर कोई भार नहीं है। उस रेखा के आर-पार बलों को संतुलित करने पर केवल BF बचता है।

ΣF⊥ = 0 → F_BF = 0

संधि विधि से जाँचें

सभी संधियाँ हल करने पर ये सदस्य बल मिलते हैं (T = तनाव, C = संपीड़न)।

AB: 33.75 kN (T), BC: 33.75 kN (T), CD: 56.25 kN (T), DE: 56.25 kN (T), FG: 67.5 kN (C), GH: 67.5 kN (C), AF: 47.73 kN (C), HE: 79.55 kN (C), BF: 0, CG: 30 kN (C), DH: 25 kN (T), FC: 47.73 kN (T), HC: 15.91 kN (T)

उत्तर

शून्य-बल सदस्य: BF

4.ट्रस: जोड़ विधि

उत्तर: सदस्य CG

संधि C

BC और CD एक सीधी रेखा में हैं और संधि पर कोई भार नहीं है। उस रेखा के आर-पार बलों को संतुलित करने पर केवल CG बचता है।

ΣF⊥ = 0 → F_CG = 0

संधि विधि से जाँचें

सभी संधियाँ हल करने पर ये सदस्य बल मिलते हैं (T = तनाव, C = संपीड़न)।

AB: 18.75 kN (T), BC: 27.5 kN (T), CD: 27.5 kN (T), DE: 28.75 kN (T), FG: 18.75 kN (C), GH: 28.75 kN (C), AF: 14.58 kN (C), HE: 47.92 kN (C), BF: 11.67 kN (T), CG: 0, DH: 1.667 kN (C), BG: 14.58 kN (C), DG: 2.083 kN (T)

उत्तर

शून्य-बल सदस्य: CG

5.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: V_x = −10 kN

खंड विधि: जहाँ आंतरिक बल चाहिए वहाँ बीम काटें और एक भाग रखें। अपरूपण बल V उस भाग के ऊर्ध्वाधर बलों को संतुलित करता है, और बंकन आघूर्ण M कट के परितः उनके आघूर्णों को।

आलंब प्रतिक्रियाएँ

पूरे बीम का संतुलन।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 10·4 = 40 kN, x̄ = 2 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·4 = 10·4·2

R_B = 80/4 = 20 kN

ΣF_y = 0: R_A = 40 − 20 = 20 kN

x = 3 m पर काटें और बायाँ भाग रखें

केवल कट के बाईं ओर के बल आते हैं। वितरित भार का एक हिस्सा उस हिस्से के मध्य में एक बल की तरह कार्य करता है।

V = R_A − (कट के बाईं ओर सभी नीचे की ओर भार)

V_x = 20 − 10·3 = −10 kN

उत्तर

V_x = −10 kN

6.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: x_c = 4.2 m

खंड विधि: जहाँ आंतरिक बल चाहिए वहाँ बीम काटें और एक भाग रखें। अपरूपण बल V उस भाग के ऊर्ध्वाधर बलों को संतुलित करता है, और बंकन आघूर्ण M कट के परितः उनके आघूर्णों को। अधिकतम आघूर्ण: चूँकि dM/dx = V, बंकन आघूर्ण वहाँ शिखर पर होता है जहाँ अपरूपण बल शून्य से होकर गुज़रता है, या तो किसी बिंदु भार पर या किसी वितरित भार के भीतर।

आलंब प्रतिक्रियाएँ

ओवरहैंग पर भार सहित पूरे बीम का संतुलन।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 2·7 = 14 kN, x̄ = 3.5 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·5 = 2·7·3.5

R_B = 49/5 = 9.8 kN

ΣF_y = 0: R_A = 14 − 9.8 = 4.2 kN

शून्य आघूर्ण

आलंबों के बीच M(x) = R_A·x − w·x²/2। x = 0 के अलावा यह x = 2R_A/w पर शून्य है।

R_A·x_c − w·x_c²/2 = 0

x_c = 2·4.2/2 = 4.2 m

उत्तर

x_c = 4.2 m

7.बीम विक्षेप

उत्तर: δ_max = 1.998 mm

बीम विक्षेप: विक्षेप वक्रता M/(EI) को दो बार समाकलित करके मिलते हैं। मानक स्थितियाँ सारणीबद्ध हैं, जैसे सिरे पर भार वाले कैंटिलीवर के लिए PL³/(3EI) और पूरे विस्तार पर समान भार वाले सरल आलंबित बीम के लिए 5wL⁴/(384EI)। अलग-अलग भारों के विक्षेप जुड़ते हैं (अध्यारोपण)।

एकरूप इकाइयाँ

N और mm में काम करें: P N में, w N/mm में (kN/m = N/mm), L mm में, E N/mm² में (GPa × 1000), I mm⁴ में।

w = 4 N/mm, L = 1500 mm

EI = 1.32 × 10¹¹ N·mm²

विक्षेप

δ_max = 5wL⁴/(384EI) = 5·4·1500⁴/(384·1.32 × 10¹¹) = 1.998 mm

उत्तर

δ_max = 1.998 mm

8.बीम विक्षेप

उत्तर: I_req = 426.1 × 10⁶ mm⁴

विक्षेप सीमा

δ_allow = L/360 = 5000/360 = 13.89 mm

आवश्यक जड़त्व आघूर्ण

I = 5wL⁴/(384·E·δ_allow) = 5·8·5000⁴/(384·11000·13.89) = 4.261 × 10⁸ mm⁴

I_req = 426.1 × 10⁶ mm⁴

उत्तर

I_req = 426.1 × 10⁶ mm⁴

9.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: P_cr = 67.29 kN

ऑयलर बकलिंग: पतला स्तंभ P_cr = π²EI/(KL)² पर अस्थिर हो जाता है, जहाँ KL प्रभावी लंबाई है: पिन–पिन के लिए K = 1, जड़ित–मुक्त के लिए 2, जड़ित–पिन के लिए 0.7 और जड़ित–जड़ित के लिए 0.5। यह सबसे छोटे I वाली अक्ष के परितः मुड़ता है। सूत्र उन पतले स्तंभों के लिए मान्य है जिनका क्रांतिक प्रतिबल पराभव प्रतिबल से कम रहता है।

न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण

गोल खंड का I हर अक्ष के परितः समान होता है।

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 0.5·6000 = 3000 mm

क्रांतिक भार

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·306796/3000² = 67288 N = 67.29 kN

उत्तर

P_cr = 67.29 kN

10.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: d = 118.6 mm

आवश्यक क्रांतिक भार

P_cr = n·P = 3·100000 = 300000 N

KL = 2·4000 = 8000 mm

व्यास के लिए हल करें

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·300000·8000²/(π³·200000))^(1/4) = 118.6 mm

उत्तर

d = 118.6 mm

जाँच: तनुता KL/r = 269.7 है, इसलिए स्तंभ पतला है और ऑयलर लागू होता है।

11.केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

उत्तर: I_x = 336 × 10⁶ mm⁴

छिद्र वाले परिच्छेद: छिद्र को ऋणात्मक क्षेत्रफल मानें। केंद्रक ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂) है, जहाँ A₁, y₁ पूरी प्लेट के लिए और A₂, y₂ छिद्र के लिए हैं। केंद्रक अक्ष के परितः क्षेत्रफल के द्वितीय आघूर्ण के लिए हर भाग पर समांतर-अक्ष प्रमेय लगाएँ और छिद्र घटाएँ: I = (I_c1 + A₁d₁²) − (I_c2 + A₂d₂²), जहाँ d हर भाग के अपने केंद्रक से ȳ से गुज़रने वाले अक्ष तक की दूरी है। आयत के लिए I_c = bh³/12 और वृत्त के लिए I_c = πd⁴/64।

केंद्रक

ȳ = (45000·150 − 706.9·195)/(45000 − 706.9) = 149.3 mm

ȳ के परितः पूरी प्लेट

150·300³/12 + 45000·0.7181² = 337.5 × 10⁶ mm⁴

ȳ के परितः छिद्र

π·30⁴/64 + 706.9·45.72² = 1.517 × 10⁶ mm⁴

घटाइए

I_x = 336 × 10⁶ mm⁴

उत्तर

I_x = 336 × 10⁶ mm⁴

12.केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

उत्तर: I_x = 114.3 × 10⁶ mm⁴

केंद्रक

ȳ = (24000·120 − 1200·144)/(24000 − 1200) = 118.7 mm

ȳ के परितः पूरी प्लेट

100·240³/12 + 24000·1.263² = 115.2 × 10⁶ mm⁴

ȳ के परितः छिद्र

30·40³/12 + 1200·25.26² = 0.9259 × 10⁶ mm⁴

घटाइए

I_x = 114.3 × 10⁶ mm⁴

उत्तर

I_x = 114.3 × 10⁶ mm⁴

13.मृदा में प्रभावी प्रतिबल

उत्तर: σ′ = 44.57 kPa

प्रभावी प्रतिबल (टर्ज़ाघी): मृदा कंकाल σ′ = σ − u वहन करता है। कुल प्रतिबल σ बिंदु के ऊपर की हर चीज़ का भार है, Σγ·h, जल स्तर के ऊपर शुष्क और नीचे संतृप्त इकाई भार का उपयोग करते हुए। जल स्तर के नीचे छिद्र जल दाब द्रवस्थैतिक है: u = γ_w·(जल स्तर के नीचे गहराई)।

कुल प्रतिबल

X के ऊपर हर मृदा पट्टी का भार जोड़ें। जल स्तर के ऊपर शुष्क, नीचे संतृप्त इकाई भार का उपयोग करें।

σ = γ_d·z_w + γ_sat·(z − z_w) = 15.5·1 + 19.5·3 = 74 kPa

छिद्र जल दाब

जल दाब जल स्तर के नीचे गहराई के साथ बढ़ता है।

u = γ_w·(z − z_w) = 9.81·3 = 29.43 kPa

प्रभावी प्रतिबल

σ′ = σ − u = 74 − 29.43 = 44.57 kPa

उत्तर

σ′ = 44.57 kPa

14.मृदा में प्रभावी प्रतिबल

उत्तर: u = 29.43 kPa

छिद्र जल दाब

जल दाब जल स्तर के नीचे गहराई के साथ बढ़ता है।

u = γ_w·(z − z_w) = 9.81·3 = 29.43 kPa

उत्तर

u = 29.43 kPa

15.समेकन निषदन

उत्तर: S = 246.6 mm

H मोटाई वाली मृत्तिका परत का प्राथमिक समेकन, परत के मध्य पर प्रभावी प्रतिबल का उपयोग करके: σ′_f = σ′₀ + Δσ। सामान्य रूप से समेकित मृत्तिका: S = C_c·H/(1 + e₀)·log₁₀(σ′_f/σ′₀)। अति-समेकित मृत्तिका पूर्व-समेकन दाब σ′_p तक C_r के अनुदिश पुनःसंपीडित होती है और उसके आगे ही C_c का अनुसरण करती है। समय: t = T_v·H_dr²/c_v, जहाँ जलनिकास पथ H_dr, H/2 है जब जल ऊपर और नीचे दोनों ओर निकल सकता है, और H जब केवल एक ओर जलनिकास होता है।

पूर्व-समेकन दाब से तुलना करें

σ′_f = 50 + 170 = 220 kPa > 80 kPa

निषदन

σ′_p तक पुनःसंपीडन, उसके आगे मूल संपीडन।

S = 0.02·2.5/(1 + 0.6)·log₁₀(80/50) + 0.35·2.5/(1 + 0.6)·log₁₀(220/80)

S = 6.379 + 240.3 = 246.6 mm

उत्तर

S = 246.6 mm

16.समेकन निषदन

उत्तर: t = 3.206 वर्ष

जलनिकास पथ

H_dr = H/2 = 5.5/2 = 2.75 m

समय

t = T_v·H_dr²/c_v = 0.848·2.75²/2 = 3.206 वर्ष

उत्तर

t = 3.206 वर्ष

17.द्रवस्थैतिक बल

उत्तर: F = 121.4 kN

समतल सतह पर द्रवस्थैतिक बल: F = ρ·g·y_c·A। यह दाब केंद्र y_cp = y_c + I_c/(y_cA) पर कार्य करता है, जो हमेशा केंद्रक के नीचे होता है।

केंद्रक की गहराई और क्षेत्रफल

y_c = d + H/2 = 2 + 1.5/2 = 2.75 m

A = H·b = 1.5·3 = 4.5 m²

परिणामी बल

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·2.75·4.5 = 121.4 kN

उत्तर

F = 121.4 kN

18.द्रवस्थैतिक बल

उत्तर: F = 60.33 kN

केंद्रक की गहराई और क्षेत्रफल

y_c = d + H/2 = 1.5 + 1/2 = 2 m

A = H·b = 1·3 = 3 m²

परिणामी बल

F = ρ·g·y_c·A = 1025·9.81·2·3 = 60.33 kN

उत्तर

F = 60.33 kN

19.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: h_f = 23.24 m

पाइप प्रवाह: रेनॉल्ड्स संख्या Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ स्तरीय प्रवाह (Re लगभग 2000 से कम) को विक्षुब्ध प्रवाह (लगभग 4000 से अधिक) से अलग करती है। पाइप के अनुदिश घर्षण से डार्सी–वाइसबाख शीर्ष हानि h_f = f·(L/D)·V²/(2g) होती है। फ़िटिंग, वाल्व, प्रवेश और निकास लघु हानियाँ h_m = ΣK·V²/(2g) जोड़ते हैं। दो खुले जलाशय सतहों के बीच ऊर्जा समीकरण Δz = h_f + h_m देता है, जिसमें निकास हानि K = 1 शामिल है।

औसत वेग

A = π·0.2²/4 = 0.03142 m²

V = Q/A = 0.1/0.03142 = 3.183 m/s

वेग शीर्ष

V²/(2g) = 3.183²/(2·9.81) = 0.5164 m

डार्सी–वाइसबाख

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.018·(500/0.2)·3.183²/(2·9.81) = 23.24 m

उत्तर

h_f = 23.24 m

20.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: H = 1.44 m

वेग

V = Q/A = 0.075/0.07069 = 1.061 m/s

V²/(2g) = 0.05738 m

हानि गुणांक

f·L/D = 0.018·300/0.3 = 18

ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 5 = 6.1

ऊर्जा समीकरण

निकास जेट अभी भी अपना वेग शीर्ष वहन करता है; यह हानि नहीं है, पर इसे देना पड़ता है।

H = (1 + 18 + 6.1)·0.05738 = 1.44 m

उत्तर

H = 1.44 m

21.खुली वाहिका प्रवाह (मैनिंग)

उत्तर: Q = 0.3149 m³/s

मैनिंग समीकरण (SI): खुली वाहिका में एकसमान प्रवाह के लिए V = (1/n)·R^2/3·S^1/2 और Q = A·V, जहाँ n खुरदरापन गुणांक, S तल ढाल (m/m) और R = A/P द्रवीय त्रिज्या है: प्रवाह क्षेत्रफल बटा आर्द्र परिमाप। P में केवल जल के संपर्क वाली सीमा गिनी जाती है, मुक्त सतह नहीं। आयत: A = b·y, P = b + 2y। z:1 (क्षैतिज:ऊर्ध्वाधर) पार्श्व ढाल वाला समलंब: A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)। पूरे या आधे भरे बहते वृत्ताकार पाइप के लिए R = D/4।

ज्यामिति

A = 0.4418 m², R = D/4 = 0.1875 m

वेग

V = (1/0.013)·0.1875^2/3·0.0008^1/2 = 0.7127 m/s

प्रवाह दर

Q = A·V = 0.4418·0.7127 = 0.3149 m³/s

उत्तर

Q = 0.3149 m³/s

22.खुली वाहिका प्रवाह (मैनिंग)

उत्तर: S = 0.001509 m/m

ज्यामिति

A = (b + z·y)·y = (1 + 1.5·1.2)·1.2 = 3.36 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 1 + 2·1.2·√(1 + 1.5²) = 5.327 m

R = A/P = 0.6308 m

S के लिए मैनिंग हल करें

S^1/2 = n·Q/(A·R^2/3) = 0.012·8/(3.36·0.7355) = 0.03885

S = 0.03885² = 0.001509

उत्तर

S = 0.001509

यह प्रति किलोमीटर 1.509 m की गिरावट है।

23.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: η = 74.61 %

पंप शक्ति: जल को दी गई शक्ति द्रवीय शक्ति P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp है। शाफ़्ट को अधिक देना पड़ता है क्योंकि पंप में कुछ हानि होती है: P_shaft = P_h/η_pump, और मोटर P_el = P_shaft/η_motor लेती है। पंप शीर्ष H ऊर्जा समीकरण से मिलता है: स्थैतिक उठान + दाब शीर्ष + सभी घर्षण और लघु हानियाँ।

द्रवीय शक्ति

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.03·18 = 5.297 kW

दक्षता

η = P_h/P_shaft = 5.297/7.1 = 74.61%

उत्तर

η = 74.61%

24.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: H = 46.22 m

वेग

V = Q/A = 0.075/0.03142 = 2.387 m/s

V²/(2g) = 0.2905 m

शीर्ष हानियाँ

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (37.5 + 8)·0.2905 = 13.22 m

पंप शीर्ष

दोनों सतहें खुली और लगभग विराम में हैं, इसलिए दाब और वेग पद हट जाते हैं।

H = Δz + h_L = 33 + 13.22 = 46.22 m

उत्तर

H = 46.22 m

25.मुद्रा का समय मूल्य

उत्तर: EAR = 19.25 %

मुद्रा का समय मूल्य: आज का पैसा बाद की उसी राशि से अधिक मूल्यवान है, क्योंकि वह ब्याज कमा सकता है। प्रति अवधि ब्याज दर i पर राशि FV = PV·(1 + i)ⁿ के अनुसार बढ़ती है। समान भुगतानों की शृंखला (वार्षिकी) का मूल्य हर भुगतान जोड़कर निकाला जाता है, जिससे वार्षिकी सूत्र बनते हैं।

प्रति अवधि दर

r/m = 0.18/4 = 0.045

एक वर्ष में चक्रवृद्धि करें

EAR = (1 + 0.045)⁴ − 1 = 1.193 − 1 = 19.25%

उत्तर

EAR = 19.25%

जब ब्याज वर्ष में एक से अधिक बार चक्रवृद्धि होता है तो EAR हमेशा नाममात्र दर से अधिक होती है।

26.मुद्रा का समय मूल्य

उत्तर: N = 60 किस्तें

वार्षिकी सूत्र को पुनर्व्यवस्थित करें

i = 0.006

(1 + i)^−N = 1 − 5 000·0.006/100 = 0.7

लघुगणक से हल करें

N = −ln(0.7)/ln(1.006) = 59.62

पूरी किस्तों तक ऊपर पूर्णांकित करें

59 पूरी किस्तें थोड़ा शेष छोड़ती हैं, जिसे अंतिम, छोटी किस्त चुका देती है।

N = 60

उत्तर

N = 60 किस्तें

27.NPV और IRR

उत्तर: NPV = −10900 €

शुद्ध वर्तमान मूल्य: हर नकदी प्रवाह को आवश्यक प्रतिफल दर r से आज तक बट्टा करें, फिर जोड़ें: NPV = Σ CFₜ/(1 + r)ᵗ। NPV > 0 वाली परियोजना r से अधिक कमाती है और मूल्य जोड़ती है। आंतरिक प्रतिफल दर (IRR) वह दर है जिस पर NPV = 0।

हर नकदी प्रवाह का वर्तमान मूल्य

CF₀ = −60 000

CF₁/(1 + 0.09)¹ = 23 000/1.09 = 21 100.92

CF₂/(1 + 0.09)² = 14 000/1.188 = 11 783.52

CF₃/(1 + 0.09)³ = 21 000/1.295 = 16 215.85

जोड़ें

NPV = €−10 899.71

उत्तर

NPV = €−10 899.71

NPV ऋणात्मक है, इसलिए परियोजना आवश्यक प्रतिफल से कम कमाती है।

28.NPV और IRR

उत्तर: IRR = 8.559 %

आवश्यक वार्षिकी गुणक

(1 − (1 + i)⁻⁶)/i = 25 000/5 500 = 4.545

दर के लिए हल करें

दर बढ़ने पर वार्षिकी गुणक घटता है; दर को दो मानों के बीच घेरें और सीमा सँकरी करें।

i = 8%: 4.623

i = 9%: 4.486

IRR = 8.559%

उत्तर

IRR = 8.559%

29.प्रसामान्य बंटन

उत्तर: P = 0.9076

प्रसामान्य बंटन: मान x को z-स्कोर z = (x − μ)/σ में बदलें, जो माध्य से मानक विचलनों की संख्या गिनता है। z-तालिका (या Φ(z)) z के बाईं ओर का क्षेत्रफल देती है, जो P(X < x) है। दाईं ओर का क्षेत्रफल 1 − Φ(z) है, और दो मानों के बीच का क्षेत्रफल उनके दोनों क्षेत्रफलों का अंतर है।

z-स्कोर

z₁ = (164.35 − 178)/7 = −1.95

z₂ = (188.5 − 178)/7 = 1.5

बीच का क्षेत्रफल

P = Φ(1.5) − Φ(−1.95) = 0.9332 − 0.02559 = 0.9076

उत्तर

P = 0.9076

30.प्रसामान्य बंटन

उत्तर: x = 434.2 h

शततमक के लिए z

Φ(z) = 0.05 → z = −1.645

वापस x पर

x = 500 + −1.645·40 = 434.2 h

उत्तर

x = 434.2 h

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