पदार्थ सामर्थ्य: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 14 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

अक्षीय प्रतिबल और विकृति

अभिलंब प्रतिबल: σ = F/A
विकृति: ε = ΔL/L
हुक का नियम: σ = E·ε
दीर्घीकरण: ΔL = FL/(EA)
तापीय विकृति: ε_T = α·ΔT

शाफ़्ट का मरोड़

अपरूपण प्रतिबल: τ = T·r/J
ठोस शाफ़्ट: J = πd⁴/32
खोखला शाफ़्ट: J = π(D⁴ − d⁴)/32
मरोड़ कोण: φ = TL/(GJ)
शक्ति: P = T·ω = 2πnT/60

विधि

ध्रुवीय क्षेत्र आघूर्ण ज्ञात करें: ठोस शाफ़्ट के लिए J = πd⁴/32।
सतह पर अपरूपण प्रतिबल: τ = T·r/J, जहाँ r बाहरी त्रिज्या है।
ऐंठन कोण: रेडियन में φ = TL/(GJ)।
यदि शक्ति दी गई है, तो पहले P = T·ω, ω = 2πn/60 से बलाघूर्ण ज्ञात करें।

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।

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)

मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

केंद्र: C = (σ_x + σ_y)/2
त्रिज्या: R = √(((σ_x − σ_y)/2)² + τ_xy²)
मुख्य प्रतिबल: σ_1,2 = C ± R
मुख्य दिशा: tan 2θ_p = 2τ_xy/(σ_x − σ_y)
झुका हुआ तल: σ_θ = C + (σ_x − σ_y)/2·cos 2θ + τ_xy·sin 2θ

विधि

मोर वृत्त का केंद्र निकालें: C = (σx + σy)/2।
त्रिज्या निकालें: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)।
मुख्य प्रतिबल C ± R हैं और तल में सबसे बड़ा अपरूपण प्रतिबल R है।
वृत्त पर कोण अवयव पर कोणों के दोगुने होते हैं: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)।

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)

2अभ्यास प्रश्न

1.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम

एल्युमिनियम छड़ में अक्षीय विकृति ε माइक्रोस्ट्रेन (µε = 10⁻⁶) में ज्ञात कीजिए।

P = 80 kNd = 12 mmL = 1.5 mE = 70 GPa

ε = µε

2.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन

एक स्टील छड़ (व्यास 40 mm, E = 200 GPa, अनुमेय प्रतिबल 250 MPa) काँसा की बनी नलिका (बाहरी व्यास 120 mm, भीतरी व्यास 50 mm, E = 110 GPa, अनुमेय प्रतिबल 60 MPa) के भीतर है। दोनों को दृढ़ प्लेटों के बीच साथ-साथ संपीडित किया जाता है। सबसे बड़ा भार P_max ज्ञात कीजिए।

छड़: Ø40 mm, E = 200 GPa, σ_allow = 250 MPaनलिका: Ø120/Ø50 mm, E = 110 GPa, σ_allow = 60 MPa

P_max = kN

3.शाफ़्ट का मरोड़मध्यम

एल्युमिनियम का एक ठोस शाफ़्ट दीवार में जड़ित है और मुक्त सिरे पर बलाघूर्ण T से मरोड़ा जाता है। मुक्त सिरे का मरोड़ कोण φ डिग्री में ज्ञात कीजिए।

T = 200 N·md = 50 mmL = 2 mG = 26 GPa

φ = °

4.शाफ़्ट का मरोड़कठिन

एक खोखले शाफ़्ट को 1000 rpm पर 75 kW संचारित करना है। इसका भीतरी व्यास इसके बाहरी व्यास का 0.5 गुना होना है, और अपरूपण प्रतिबल 80 MPa से अधिक नहीं होना चाहिए। सबसे छोटा बाहरी व्यास d_o ज्ञात कीजिए।

P = 75 kWN = 1000 rpmd_i/d_o = 0.5τ_allow = 80 MPa

d_o = mm

5.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम

सरल आलंबित बीम A से x = 1.5 m पर दक्षिणावर्त बलयुग्म M₀ = 60 kN·m वहन करता है, और कोई अन्य भार नहीं। बलयुग्म के ठीक बाईं ओर बंकन आघूर्ण M_x ज्ञात कीजिए। सैगिंग आघूर्णों को और बाएँ फलक पर ऊपर की ओर अपरूपण को धनात्मक लें।

L = 6 mM₀ = 60 kN·m दक्षिणावर्त, स्थान 1.5 m

M_x = kN·m

6.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन

सरल आलंबित बीम अपने विस्तार के एक भाग पर समान वितरित भार वहन करता है। बीम में अधिकतम बंकन आघूर्ण M_max ज्ञात कीजिए।

L = 8 mw = 6 kN/m, 4 से 8 m तक

M_max = kN·m

7.केंद्रक और जड़त्व आघूर्णमध्यम

एक सममित I-खंड के फ़्लेंज 120 mm चौड़े और 18 mm मोटे हैं, कुल गहराई 280 mm है और वेब 6 mm मोटा है। क्षैतिज केंद्रकीय अक्ष x के परितः बंकन के लिए उसका प्रत्यास्थ खंड मापांक S_x ज्ञात कीजिए।

B = 120 mmH = 280 mmt_f = 18 mmt_w = 6 mm

S_x = × 10³ mm³

8.केंद्रक और जड़त्व आघूर्णकठिन

एक वेल्डित I-खंड का ऊपरी फ़्लेंज 110 × 16 mm, वेब 310 mm ऊँचा और 8 mm मोटा, और निचला फ़्लेंज 260 × 24 mm (चौड़ाई × मोटाई) है। उसके केंद्रक से होकर जाने वाली क्षैतिज अक्ष x के परितः उसका क्षेत्रफल का द्वितीय आघूर्ण I_x ज्ञात कीजिए।

ऊपरी फ़्लेंज: 110 × 16 mmवेब: 8 × 310 mmनिचला फ़्लेंज: 260 × 24 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = −10 MPa, σᵧ = −70 MPa और τₓᵧ = −10 MPa है (तनन धनात्मक)। तल में अधिकतम अपरूपण प्रतिबल τ_max ज्ञात कीजिए।

σ_x = −10 MPaσ_y = −70 MPaτ_xy = −10 MPa

τ_max = MPa

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = 160 MPa, σᵧ = −50 MPa और τₓᵧ = 60 MPa है (तनन धनात्मक)। उस तल पर अभिलंब प्रतिबल σ_θ ज्ञात कीजिए जिसका अभिलंब x-अक्ष से 20° वामावर्त घुमाया गया है।

σ_x = 160 MPaσ_y = −50 MPaτ_xy = 60 MPaθ = 20°

σ_θ = MPa

11.बीम विक्षेपमध्यम

लंबाई L का एक कैंटिलीवर A पर स्थिर है और A से a = 5 m की दूरी पर बिंदु भार P वहन करता है। भार के नीचे विक्षेप δ_P ज्ञात कीजिए।

P = 13 kNa = 5 mL = 6 mE = 200 GPa (स्टील)I = 57 × 10⁶ mm⁴

δ_P = mm

12.बीम विक्षेपकठिन

एक सरल आलंबित बीम समान वितरित भार w और मध्य विस्तार पर बिंदु भार P वहन करता है। अध्यारोपण से मध्य विक्षेप δ_max ज्ञात कीजिए।

P = 19 kNw = 6 kN/mL = 4 mE = 11 GPa (इमारती लकड़ी)I = 120 × 10⁶ mm⁴

δ_max = mm

13.स्तंभ बकलिंगमध्यम

एल्युमिनियम से बना L लंबाई का एक स्तंभ दोनों सिरों पर पिन किया हुआ है। ऑयलर सूत्र से उसका क्रांतिक बकलिंग भार P_cr ज्ञात कीजिए।

L = 1 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)b × h = 25 × 60 mm

P_cr = kN

14.स्तंभ बकलिंगकठिन

स्टील से बना L लंबाई का एक ठोस गोल स्तंभ आधार पर जड़ित और शीर्ष पर मुक्त है। इसे बकलिंग के विरुद्ध 2 के सुरक्षा गुणक के साथ 90 kN वहन करना है। न्यूनतम व्यास d ज्ञात कीजिए।

P = 90 kNn = 2L = 5 mE = 200 GPa (स्टील)

d = mm

3विलयन

1.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: ε = 10105 µε

हुक का नियम: प्रत्यास्थ सीमा में σ = E·ε। σ = P/A और ε = δ/L के साथ मिलाने पर δ = PL/(AE) मिलता है।

प्रतिबल

A = π·12²/4 = 113.1 mm²

σ = P/A = 80·1000/113.1 = 707.4 MPa

विकृति (हुक का नियम)

E for एल्युमिनियम = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 707.4/70000 = 0.01011 = 10105 µε

उत्तर

ε = 10105 µε

2.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: P_max = 697.9 kN

दो पदार्थ: श्रेणी में (एक के बाद एक) हर खंड समान बल वहन करता है और विस्तार जुड़ते हैं: δ = P·Σ L/(E·A)। समानांतर में (दृढ़ प्लेटों के बीच अगल-बगल) दोनों भाग समान मात्रा से छोटे होते हैं, इसलिए उनके विकृति समान हैं: अधिक कठोर भाग बड़ा हिस्सा लेता है, P_i = P·E_iA_i/ΣEA, और σ_i = E_i·ε। दो दृढ़ दीवारों के बीच जकड़ी छड़, जिसके जोड़ पर भार लगा है, स्थैतिक रूप से अनिर्धार्य है: दोनों खंड भार को अपनी कठोरता k = EA/L के अनुपात में बाँटते हैं।

क्षेत्रफल

A_r = π·40²/4 = 1257 mm²

A_t = π(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

संयुक्त अक्षीय कठोरता

ΣEA = 200·10³·1257 + 110·10³·9346 = 1.279 × 10⁹ N

निर्धारक विकृति

ε = min(0.00125, 0.0005455) = 0.0005455 (काँसा)

सबसे बड़ा भार

P_max = 0.0005455·1.279 × 10⁹ = 697862 N = 697.9 kN

उत्तर

P_max = 697.9 kN

3.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: φ = 1.437 °

वृत्ताकार शाफ़्ट का मरोड़: अपरूपण प्रतिबल केंद्र पर शून्य से सतह पर τ_max = T·r/J तक रैखिक रूप से बढ़ता है, ठोस शाफ़्ट के लिए J = πd⁴/32 और खोखले के लिए J = π(d_o⁴ − d_i⁴)/32। मरोड़ कोण रेडियन में φ = TL/(GJ) है। शक्ति और बलाघूर्ण P = T·ω से जुड़े हैं।

ध्रुवीय जड़त्व आघूर्ण

J = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴

मरोड़ कोण

φ = TL/(GJ) = 200·1000·2000/(26000·613592) = 0.02507 rad

φ = 0.02507·180/π = 1.437°

उत्तर

φ = 1.437°

4.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: d_o = 36.5 mm

बलाघूर्ण

ω = 2πN/60 = 2π·1000/60 = 104.7 rad/s

T = P/ω = 75000/104.7 = 716.2 N·m

स्वीकार्य प्रतिबल से बाहरी व्यास

T = 716.2 N·m = 716197 N·mm

1 − k⁴ = 1 − 0.5⁴ = 0.9375

d_o = ∛(16T/(π·τ_allow·(1 − k⁴))) = ∛(16·716197/(π·80·0.9375)) = 36.5 mm

d_i = 0.5·36.5 = 18.25 mm

उत्तर

d_o = 36.5 mm

ठोस शाफ़्ट को d = 35.72 mm चाहिए होता; खोखला थोड़ा बड़ा है पर बहुत हल्का है।

5.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_x = −15 kN·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। लगाया गया बलयुग्म बंकन आघूर्ण आरेख में बलयुग्म के परिमाण जितनी छलाँग पैदा करता है।

आलंब प्रतिक्रियाएँ

A के परितः आघूर्ण, वामावर्त धनात्मक: R_B·L − M₀ = 0। ऊर्ध्वाधर संतुलन: R_A + R_B = 0।

R_B = M₀/L = 60/6 = 10 kN (ऊपर की ओर)

R_A = −R_B = −10 kN (नीचे की ओर)

बलयुग्म के ठीक बाईं ओर काटें

बाएँ भाग में केवल R_A है।

M_x = R_A·a = −10·1.5 = −15 kN·m

उत्तर

M_x = −15 kN·m

6.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_max = 27 kN·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

पूरे बीम का संतुलन।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 6·4 = 24 kN, x̄ = 6 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·8 = 6·4·6

R_B = 144/8 = 18 kN

ΣF_y = 0: R_A = 24 − 18 = 6 kN

शून्य अपरूपण

अपरूपण बल R_A से शुरू होता है, किसी भी भाररहित भाग पर स्थिर रहता है और भार के भीतर प्रवणता w से घटता है।

R_A − w·(x₀ − 4) = 0

x₀ = 4 + 6/6 = 5 m

अधिकतम आघूर्ण

M_max = R_A·x₀ − w·(x₀ − 4)²/2 = 6·5 − 6·1²/2 = 27 kN·m

उत्तर

M_max = 27 kN·m

7.केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

उत्तर: S_x = 582.3 × 10³ mm³

क्षेत्रफल का द्वितीय आघूर्ण: आयत के लिए उसकी अपनी केंद्रकीय अक्ष के परितः I = bh³/12, और उसके आधार के परितः bh³/3 (समांतर अक्ष प्रमेय I = I_c + A·d²)। छिद्र को उसका I घटाकर संभाला जाता है, बशर्ते दोनों भागों की अक्ष एक ही हो। प्रत्यास्थ खंड मापांक S = I/c है, जहाँ c चरम तंतु तक की दूरी है।

बाहरी आयत में से दोनों पार्श्व कटाव घटाकर

दोनों कटाव मिलकर (B − t_w) चौड़े और h_w = H − 2t_f ऊँचे हैं, और उनकी अक्ष x एक ही है।

h_w = 280 − 2·18 = 244 mm

I_x = (B·H³ − (B − t_w)·h_w³)/12 = (120·280³ − 114·244³)/12

I_x = 8.152 × 10⁷ mm⁴

खंड मापांक

c = H/2 = 140 mm

S_x = I/c = 8.152 × 10⁷/140

S_x = 582254 mm³ = 582.3 × 10³ mm³

उत्तर

S_x = 582.3 × 10³ mm³

8.केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

उत्तर: I_x = 186.6 × 10⁶ mm⁴

संयुक्त क्षेत्रफल: खंड को आयतों में बाँटें। केंद्रक क्षेत्रफल-भारित औसत है ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ। केंद्रक अक्ष के परितः जड़त्व आघूर्ण हर भाग के अपने bh³/12 और समांतर-अक्ष पद A·d² को जोड़ता है, जहाँ d भाग के केंद्रक से कुल केंद्रक की दूरी है। बंकन प्रतिबल σ = M·y/I है।

तीन आयतों में बाँटें

हर y को निचले किनारे से मापें।

ऊपरी फ़्लेंज: A = 1760 mm², y = 342 mm

वेब: A = 2480 mm², y = 179 mm

निचला फ़्लेंज: A = 6240 mm², y = 12 mm

केंद्रक

ȳ = (1760·342 + 2480·179 + 6240·12)/10480 = 106.9 mm

समांतर अक्ष प्रमेय

ऊपरी फ़्लेंज: 110·16³/12 + 1760·235.1² = 9.728 × 10⁷ mm⁴

वेब: 8·310³/12 + 2480·72.06² = 3.274 × 10⁷ mm⁴

निचला फ़्लेंज: 260·24³/12 + 6240·94.94² = 5.654 × 10⁷ mm⁴

I_x = 9.728 × 10⁷ + 3.274 × 10⁷ + 5.654 × 10⁷

I_x = 1.866 × 10⁸ mm⁴ = 186.6 × 10⁶ mm⁴

उत्तर

I_x = 186.6 × 10⁶ mm⁴

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: τ_max = 31.62 MPa

समतल प्रतिबल रूपांतरण: θ से घुमाए गए तल पर σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ। मोर वृत्त सभी तलों को एक साथ दिखाता है: उसका केंद्र C = (σₓ + σᵧ)/2 पर और त्रिज्या R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²) है। मुख्य प्रतिबल C ± R हैं, और तल में सबसे बड़ा अपरूपण प्रतिबल R है।

मोर वृत्त की त्रिज्या

τ_max = R = √(((−10 − −70)/2)² + −10²) = 31.62 MPa

उत्तर

τ_max = 31.62 MPa

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σ_θ = 174 MPa

रूपांतरण समीकरण

σ_θ = 55 + 105·0.766 + 60·0.6428 = 174 MPa

उत्तर

σ_θ = 174 MPa

11.बीम विक्षेप

उत्तर: δ_P = 47.51 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।

P = 13000 N, a = 5000 mm, L = 6000 mm

EI = 1.14 × 10¹³ N·mm²

भार के नीचे विक्षेप

δ_P = Pa³/(3EI) = 13000·5000³/(3·1.14 × 10¹³) = 47.51 mm

उत्तर

δ_P = 47.51 mm

12.बीम विक्षेप

उत्तर: δ_max = 34.34 mm

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।

P = 19000 N, w = 6 N/mm, L = 4000 mm, EI = 1.32 × 10¹² N·mm²

हर भार अलग से

δ_P = PL³/(48EI) = 19000·4000³/(48·1.32 × 10¹²) = 19.19 mm

δ_w = 5wL⁴/(384EI) = 5·6·4000⁴/(384·1.32 × 10¹²) = 15.15 mm

जोड़ें

δ_max = 19.19 + 15.15 = 34.34 mm

उत्तर

δ_max = 34.34 mm

13.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: P_cr = 53.97 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

आयत अपनी कमज़ोर अक्ष के परितः, छोटी विमा के घन के साथ मुड़ता है।

I_min = h·b³/12 = 60·25³/12 = 78125 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 1·1000 = 1000 mm

क्रांतिक भार

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·70000·78125/1000² = 53974 N = 53.97 kN

उत्तर

P_cr = 53.97 kN

14.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: d = 116.7 mm

आवश्यक क्रांतिक भार

P_cr = n·P = 2·90000 = 180000 N

KL = 2·5000 = 10000 mm

व्यास के लिए हल करें

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·180000·10000²/(π³·200000))^(1/4) = 116.7 mm

उत्तर

d = 116.7 mm

जाँच: तनुता KL/r = 342.6 है, इसलिए स्तंभ पतला है और ऑयलर लागू होता है।

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