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इस्पात संरचनाओं का डिज़ाइन: H-बीम और प्लेट गर्डर

इस्पात बीम का डिज़ाइन यानी ऐसा आकार चुनना कि प्रतिबल अनुमेय सीमा से नीचे रहे। हम बंकन आघूर्ण M और अपरूपण बल V निकालते हैं, फिर पर्याप्त परिच्छेद गुणांक Z (σ = M / Z) और अपरूपण के लिए पर्याप्त वेब क्षेत्रफल वाला परिच्छेद चुनते हैं। H-बीम में ज़्यादातर इस्पात फ्लैंज में, बीच से दूर, होता है इसलिए वह कम झुकती है। प्लेट गर्डर ऊँची वेल्डेड बीम है जिसका पतला वेब स्टिफ़नर से सीधा रखा जाता है।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. यह H-बीम है। इसमें ऊपर और नीचे दो चौड़ी प्लेटें (फ्लैंज) और बीच में एक पतली प्लेट (वेब) है।
  2. फ्लैंज चमक रहे हैं। वे बंकन उठाते हैं। एक फ्लैंज दबता है, दूसरा खिंचता है।
  3. अब वेब चमक रहा है। वह अपरूपण उठाता है, यानी आधारों के पास का फिसलाने वाला बल।
  4. बीम को गहरा होते देखो। प्रतिबल की पट्टी छोटी हो गई। थोड़ा-सा ज़्यादा इस्पात लगाकर गहरी बीम बहुत मज़बूत हो जाती है।
  5. प्लेट गर्डर बहुत गहरी बीम है। उसका पतला वेब मुड़कर पिचक जाता, इसलिए नारंगी स्टिफ़नर प्लेटें उसे सीधा रखती हैं।
  6. अब तुम्हारी बारी। गहराई और भार बदलो। प्रतिबल की पट्टी हरी रखो, यानी यील्ड रेखा से नीचे।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

दो चौड़ी और एक पतली प्लेट क्यों है?

चौड़ी प्लेटें बीच से दूर हैं और बंकन का काम करती हैं। पतली प्लेट बस उन्हें जोड़ती है और अपरूपण उठाती है।

एक फ्लैंज दबा और दूसरा खिंचा क्यों है?

जब बीम झुकती है तो ऊपर वाला भाग छोटा और नीचे वाला लंबा होता है।

अपरूपण सबसे ज़्यादा कहाँ होता है?

आधारों के पास, क्योंकि वहाँ V = wL/2 है। बीच में यह शून्य हो जाता है।

गहरी बीम में प्रतिबल कम क्यों होता है?

Z गहराई के वर्ग से बढ़ता है, और σ = M / Z।

पतला वेब सिलवट क्यों खाता है?

शियर में ऊँची पतली प्लेट पतली चादर जैसी है: वह बगल में बकल हो सकती है। स्टिफ़नर खुली ऊँचाई घटा देते हैं।

प्रतिबल की पट्टी पर काली रेखा का क्या मतलब है?

यह यील्ड सामर्थ्य है, 235 MPa। पट्टी उसे पार करे तो बीम लाल और असुरक्षित हो जाती है।

इस्पात संरचनाओं की डिज़ाइन विधियाँ

इस्पात की एक यील्ड सामर्थ्य fy होती है (मृदु इस्पात के लिए लगभग 235 MPa)। इसके आगे इस्पात हमेशा के लिए खिंच जाता है। डिज़ाइन में भार इससे काफ़ी नीचे रखे जाते हैं। दो मुख्य विधियाँ हैं।

अनुमेय प्रतिबल विधि: असली भार से बना प्रतिबल fy ÷ सुरक्षा गुणांक से कम रहना चाहिए (जैसे 235 ÷ 1.5 = 157 MPa)।

सीमा अवस्था विधि: भारों को भार गुणांकों से गुणा करो (जैसे मृत भार के लिए 1.35 और जीवित भार के लिए 1.5) और अंग की सामर्थ्य से तुलना करो, जो प्रतिरोध गुणांक से घटाई जाती है। सेवाक्षमता भी देखते हैं: बीम ज़्यादा झुकनी नहीं चाहिए (विक्षेप सीमा लगभग स्पैन ÷ 300)।

हमेशा तीन चीज़ें जाँचो: बंकन, अपरूपण और विक्षेप। लंबी पतली बीम बगल में भी मुड़ सकती है (पार्श्विक बकलिंग), इसलिए उसे बगल के सहारे चाहिए।

H-बीम का डिज़ाइन

H-बीम (या I-बीम) में दो फ्लैंज एक वेब से जुड़े होते हैं। फ्लैंज बीच की रेखा से दूर होते हैं, इसलिए वे बंकन की ज़्यादातर सामर्थ्य देते हैं।

बंकन सामर्थ्य परिच्छेद गुणांक Z = I / (d/2) पर निर्भर है, जहाँ I क्षेत्रफल का द्वितीय आघूर्ण है और d गहराई। सादे आयत के लिए Z = b d² / 6। ध्यान दो कि d का वर्ग है: गहराई दोगुनी तो Z चार गुना।

डिज़ाइन के चरण: (1) M = wL²/8 और V = wL/2 निकालो; (2) आवश्यक Z = M ÷ अनुमेय प्रतिबल; (3) इस्पात तालिका से कम से कम उतने Z वाली H-बीम चुनो; (4) अपरूपण जाँचो τ = V ÷ (d × tw); (5) विक्षेप δ = 5wL⁴ / (384 E I) सीमा के नीचे है यह जाँचो।

प्लेट गर्डर का डिज़ाइन

जब स्पैन या भार रोल्ड H-बीम के लिए बहुत बड़ा हो, तो इंजीनियर प्लेटें वेल्ड करके प्लेट गर्डर बनाते हैं: दो मोटी फ्लैंज प्लेटें और एक ऊँची पतली वेब प्लेट। उसे जितना चाहें उतना गहरा बना सकते हैं।

फ्लैंज आघूर्ण उठाते हैं। एक फ्लैंज में बल का त्वरित अनुमान F ≈ M / h है, जहाँ h दोनों फ्लैंज के केंद्रों की दूरी है। आवश्यक फ्लैंज क्षेत्रफल = F ÷ अनुमेय प्रतिबल। वेब अपरूपण उठाता है।

ऊँचा पतला वेब टिन की पतली चादर की तरह बकल (सिलवटें) हो सकता है। इसे रोकने के लिए वेब पर अनुप्रस्थ स्टिफ़नर (खड़ी प्लेटें) वेल्ड की जाती हैं और आधारों व भारी भार वाली जगहों पर बियरिंग स्टिफ़नर लगाए जाते हैं। स्टिफ़नर पास-पास हों तो वेब पतला रखा जा सकता है।

करके देखो

घर पर: काग़ज़ को दो किताबों पर रखो। वह झुकता है। उसे "V" या अकॉर्डियन की तरह मोड़ दो, तो वह सिक्का उठा लेता है। वही काग़ज़, गहरा आकार।

3D में: भार 40 kN/m करो और सबसे कम गहराई ढूँढो जिस पर पट्टी हरी रहे।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. सरल टिका इस्पात बीम, स्पैन 6 m, भार 20 kN/m। M और V निकालो।

M = wL²/8 = 20 × 36 / 8 = 90 kNm। V = wL/2 = 20 × 6 / 2 = 60 kN।

2. अनुमेय प्रतिबल 150 MPa है। M = 90 kNm के लिए आवश्यक परिच्छेद गुणांक निकालो।

Z = M / σ = 90 × 10⁶ / 150 = 600 × 10³ mm³ = 600 cm³। कम से कम 600 cm³ Z वाली H-बीम चुनो।

3. बीम की गहराई 300 mm और वेब मोटाई 8 mm है। V = 60 kN के लिए अपरूपण प्रतिबल निकालो।

वेब क्षेत्रफल = 300 × 8 = 2400 mm²। τ = 60 000 / 2400 = 25 MPa। यह कम है, इसलिए अपरूपण ठीक है।

4. मृत भार 40 kN और जीवित भार 20 kN। गुणित भार निकालो (1.35 और 1.5)।

1.35 × 40 + 1.5 × 20 = 54 + 30 = 84 kN।

5. आयताकार छड़ 100 mm चौड़ी और 200 mm गहरी है। Z निकालो। गहराई दोगुनी हो तो?

Z = b d² / 6 = 100 × 200² / 6 = 666 667 mm³ ≈ 667 cm³। d = 400 पर: Z = 100 × 160 000 / 6 = 2 666 667 mm³, चार गुना।

6. प्लेट गर्डर M = 400 kNm उठाता है। फ्लैंज केंद्र 0.8 m दूर हैं। फ्लैंज बल और क्षेत्रफल निकालो (अनुमेय प्रतिबल 150 MPa)।

F = M / h = 400 / 0.8 = 500 kN। क्षेत्रफल = 500 000 / 150 = 3333 mm² (जैसे 250 mm × 14 mm)।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. H-बीम का कौन-सा भाग मुख्यतः बंकन सहता है?
2. आयताकार बीम की गहराई दोगुनी करने पर Z:
3. स्टिफ़नर किसलिए लगाते हैं?
4. बंकन प्रतिबल है:
5. सीमा अवस्था विधि में प्रयोग होता है:

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

ठोस वर्ग की जगह I आकार क्यों लेते हैं?

बंकन में बीम का बीच का भाग कम काम करता है। इस्पात को ऊपर-नीचे ले जाने से कम वज़न में ज़्यादा मज़बूती मिलती है।

H-बीम और प्लेट गर्डर में क्या अंतर है?

H-बीम मिल में मानक आकारों में रोल होती है। प्लेट गर्डर प्लेटों को वेल्ड करके बनता है, इसलिए कोई भी आकार संभव है।

यील्ड सामर्थ्य क्या है?

वह प्रतिबल जिस पर इस्पात हमेशा के लिए खिंचने लगता है। मृदु इस्पात: लगभग 235 MPa।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

जापान高校(専門学科)1〜3年Civil Structural Design

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