संरचना विश्लेषण: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 10 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

संतुलन
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
एकसमान भार
परिणामी w·L भार के मध्य में
आघूर्ण
M = F·d

विधि

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

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/ymax
सरल आधारित, एकसमान भार
Mmax = wL²/8

विधि

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

ट्रस: जोड़ विधि

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

विधि

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

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

2अभ्यास प्रश्न

1.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँमध्यम
w = 12 kN/mP = 40 kNABMA​ = ?3.5 m1.5 m

कैंटिलीवर बीम A पर दीवार में स्थिर है। यह अपनी पूरी लंबाई पर समान वितरित भार w और दीवार से 3.5 m पर बिंदु भार P वहन करता है। दीवार पर प्रतिक्रिया आघूर्ण MA का परिमाण ज्ञात कीजिए।

L = 5 mP = 40 kN पर 3.5 mw = 12 kN/m, 0 से 5 m तक
MA = kN·m
2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँकठिन
w = 8 kN/mP = 40 kNABRA​ = ?RB​4 m2 m

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

L = 6 mP = 40 kN पर 4 mw = 8 kN/m, 4 से 6 m तक
RA = kN
3.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम
6 kN/m15 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 m

चिह्न A से G धरन को छह बराबर भागों में बाँटते हैं। किस चिह्न पर बंकन आघूर्ण परिमाण में सबसे बड़ा है, अधोमुखी या ऊर्ध्वमुखी? उसे आरेख में क्लिक करें।

15 kN @ 2 m6 kN/m, 0–4 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
4.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन
w = 3 kN/mABC8 m1.5 m

बीम A पर पिन और B पर रोलर पर टिका है और B से आगे 1.5 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 xc ज्ञात कीजिए।

L = 9.5 mw = 3 kN/m, 0 से 9.5 m तकआलंब x = 0 और x = 8 m पर
xc = m
5.ट्रस: जोड़ विधिमध्यम
ABCDEFGH40 kN10 kN25 kN35 kN4 × 3 m4 m

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।

D: 40 kN ↓F: 10 kN ↓G: 25 kN ↓H: 35 kN ↓
  1. 1सदस्य AB
  2. 2सदस्य BC
  3. 3सदस्य CD
  4. 4सदस्य DE
  5. 5सदस्य FG
  6. 6सदस्य GH
  7. 7सदस्य AF
  8. 8सदस्य HE
  9. 9सदस्य BF
  10. 10सदस्य CG
  11. 11सदस्य DH
  12. 12सदस्य FC
  13. 13सदस्य HC
6.ट्रस: जोड़ विधिकठिन
ABBCACACB50 kN30 kN8 m6 m3 m

जोड़ विधि से अवयव BC में बल FBC ज्ञात कीजिए। तनाव को धनात्मक और संपीडन को ऋणात्मक दें।

विस्तार = 8 mऊँचाई = 3 mB, A से 6 m पर हैऊर्ध्वाधर भार = 50 kNक्षैतिज भार = 30 kN →
FBC = kN
7.बीम विक्षेपमध्यम
w = 15 kN/mδL = 2.5 m

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

w = 15 kN/mL = 2.5 mE = 200 GPa (स्टील)I = 36 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.बीम विक्षेपकठिन
w = 15 kN/mAB3 m

एक टेकयुक्त कैंटिलीवर A पर स्थिर है और B पर सरल आलंबित (टेक लगा) है। यह अपनी पूरी लंबाई पर समान वितरित भार w वहन करता है। EI स्थिर है। टेक पर प्रतिक्रिया RB ज्ञात कीजिए।

L = 3 mw = 15 kN/m
RB = kN
9.स्तंभ बकलिंगमध्यम
PL = 2 md = 40 mmअनुप्रस्थ काट

एल्युमिनियम से बना L लंबाई का एक स्तंभ आधार पर जड़ित और शीर्ष पर मुक्त है। ऑयलर सूत्र से उसका क्रांतिक बकलिंग भार Pcr ज्ञात कीजिए।

L = 2 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)d = 40 mm
Pcr = kN
10.स्तंभ बकलिंगकठिन
PL = 3 md = 50 mmअनुप्रस्थ काट

एल्युमिनियम से बना L लंबाई का एक स्तंभ दोनों सिरों पर पिन किया हुआ है। उसकी तनुता और ऑयलर सूत्र से क्रांतिक बकलिंग प्रतिबल σcr ज्ञात कीजिए।

L = 3 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)d = 50 mm
σcr = MPa

3विलयन

1.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: MA = 290 kN·m

कैंटिलीवर संतुलन: स्थिर आलंब ऊपर धकेल सकता है और घूर्णन का प्रतिरोध भी कर सकता है, इसलिए यह एक ऊर्ध्वाधर प्रतिक्रिया RA और एक प्रतिक्रिया आघूर्ण MA देता है। ΣFy = 0 से RA मिलता है, और दीवार के परितः आघूर्णों से MA = Σ(भार × दीवार से दूरी)। वितरित भार भार आरेख के केंद्रक पर अपने परिणामी के रूप में कार्य करता है।

वितरित भार का परिणामी

W = 12·5 = 60 kN, x̄ = 2.5 m

दीवार के परितः आघूर्ण

MA = P·a + W·x̄ = 40·3.5 + 60·2.5 = 290 kN·m

उत्तर

MA = 290 kN·m
2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: RA = 16 kN

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

w = 8 kN/mP = 40 kNABRA​RB​4 m2 m

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।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 8·2 = 16 kN, x̄ = 5 m पर कार्य करता है
ΣMA = 0: RB·6 = 40·4 + 8·2·5
RB = 240/6 = 40 kN
ΣFy = 0: RA = 56 − 40 = 16 kN

उत्तर

RA = 16 kN
3.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: C (x = 2 m)

सबसे बड़ा बंकन आघूर्ण: जहाँ भी अपरूपण बल बदलता है वहाँ M का ढाल बदलता है, इसलिए उसके शिखर वहाँ होते हैं जहाँ अपरूपण बल शून्य को पार करता है: बिंदु भार के नीचे, वितरित भार के भीतर, या ओवरहैंग वाले आधार के ऊपर। कैंटिलीवर के जड़े आधार पर आघूर्ण दीवार पर सबसे अधिक होता है। उन स्थानों पर M के परिमाण की तुलना करें, अधोमुखी या ऊर्ध्वमुखी।

आलंब प्रतिक्रियाएँ

एक आधार के परितः आघूर्ण लें, फिर ऊर्ध्वाधर बल संतुलन का उपयोग करें।

R1 = 26 kN, R2 = 13 kN

हर चिह्न पर बंकन आघूर्ण

कट की एक ओर के सभी बलों के आघूर्ण जोड़ें। अधोमुखी धनात्मक है, ऊर्ध्वमुखी ऋणात्मक।

MA = 0, MB = 23, MC = 40 kN·m, MD = 36, ME = 26, MF = 13, MG = 0

उत्तर

चिह्न C: MC = 40 kN·m
4.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: xc = 7.719 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 = 3·9.5 = 28.5 kN, x̄ = 4.75 m पर कार्य करता है
ΣMA = 0: RB·8 = 3·9.5·4.75
RB = 135.4/8 = 16.92 kN
ΣFy = 0: RA = 28.5 − 16.92 = 11.58 kN

शून्य आघूर्ण

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

RA·xc − w·xc²/2 = 0
xc = 2·11.58/3 = 7.719 m

उत्तर

xc = 7.719 m
5.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 → FBF = 0

संधि विधि से जाँचें

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

AB: 29.06 kN (T), BC: 29.06 kN (T), CD: 53.44 kN (T), DE: 53.44 kN (T), FG: 50.62 kN (C), GH: 50.62 kN (C), AF: 48.44 kN (C), HE: 89.06 kN (C), BF: 0, CG: 25 kN (C), DH: 40 kN (T), FC: 35.94 kN (T), HC: 4.688 kN (C)

उत्तर

शून्य-बल सदस्य: BF
6.ट्रस: जोड़ विधि

उत्तर: FBC = −58.59 kN

जोड़ विधि: ट्रस का हर जोड़ संतुलन में है, इसलिए हर जोड़ पर ΣFx = 0 और ΣFy = 0। उस जोड़ से शुरू करें जहाँ अधिकतम दो अज्ञात अवयव बल हों। ऋणात्मक परिणाम का अर्थ है कि अवयव संपीडन में है।

ABBCACACB50 kN30 kNAy​Cy​Ax​

आलंब प्रतिक्रियाएँ

पूरे ट्रस का संतुलन। A के परितः आघूर्ण, वामावर्त धनात्मक।

ΣMA = 0: Cy·8 = 50·6 + 30·3 → Cy = 48.75 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 48.75 = 1.25 kN
ΣFx = 0: Ax = −30 kN

जोड़ C

रोलर केवल ऊर्ध्वाधर प्रतिक्रिया देता है, इसलिए जोड़ C पर केवल दो अज्ञात अवयव बल हैं। दोनों को तनाव में मानें।

sin γ = 3/3.606 = 0.8321, cos γ = 2/3.606 = 0.5547
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −48.75/0.8321 = −58.59 kN

उत्तर

FBC = −58.59 kN (संपीडन)
7.बीम विक्षेप

उत्तर: δmax = 1.06 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 = 15 N/mm, L = 2500 mm
EI = 7.2 × 10¹² N·mm²

विक्षेप

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·15·2500⁴/(384·7.2 × 10¹²) = 1.06 mm

उत्तर

δmax = 1.06 mm
8.बीम विक्षेप

उत्तर: RB = 16.88 kN

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)। स्थैतिक रूप से अनिर्धार्य बीम के लिए एक अतिरिक्त (रिडंडेंट) आलंब हटाएँ और वहाँ विक्षेप को शून्य रखें (संगतता)।

टेक हटाएँ

टेक के बिना बीम एक कैंटिलीवर है। उसका मुक्त सिरा भार के नीचे विक्षेपित होगा।

δload = wL⁴/(8EI)

टेक पर संगतता

अकेला टेक बल RB मुक्त सिरे को RBL³/(3EI) ऊपर उठाता है। टेक B को शून्य विक्षेप पर रखता है, इसलिए दोनों को एक-दूसरे को निरस्त करना होगा। EI कट जाता है।

RB·L³/(3EI) = wL⁴/(8EI) → RB = 3wL/8 = 3·15·3/8 = 16.88 kN

उत्तर

RB = 16.88 kN
9.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: Pcr = 5.426 kN

ऑयलर बकलिंग: पतला स्तंभ Pcr = 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 2·2000 = 4000 mm

क्रांतिक भार

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·125664/4000² = 5426 N = 5.426 kN

उत्तर

Pcr = 5.426 kN
10.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: σcr = 11.99 MPa

ऑयलर बकलिंग: पतला स्तंभ Pcr = 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

परिभ्रमण त्रिज्या और तनुता

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12.5 mm
KL = 1·3000 = 3000 mm
KL/r = 3000/12.5 = 240

क्रांतिक प्रतिबल

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/240² = 11.99 MPa

उत्तर

σcr = 11.99 MPa

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