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स्थैतिक अनिर्धार्य संरचनाओं में बल

जब अज्ञात प्रतिक्रियाएँ या सदस्य तीन संतुलन समीकरणों से हल होने वालों से ज़्यादा हों, तो संरचना अनिर्धार्य कहलाती है। फ़ालतू अज्ञातों को रिडंडेंट कहते हैं; अनिर्धार्यता की कोटि = अज्ञात − समीकरण। इसे हल करने के लिए संगतता (हिस्से साथ-साथ कैसे मुड़ेंगे) और पदार्थ की कठोरता EI का उपयोग करते हैं। लाभ: अतिरिक्त सहारे या जड़े सिरों वाले बीम में आघूर्ण और झुकाव बहुत कम होते हैं (उतने ही कुल पाट वाले साधारण बीम से दो-पाट बीम लगभग 38 गुना कम झुकता है)। कीमत: सहारा धँसे तो प्रतिबल पैदा होता है।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. समान भार वाला साधारण बीम। इसमें 3 अज्ञात प्रतिक्रियाएँ और 3 समीकरण हैं, इसलिए यह निर्धार्य है। देखो यह कितना झुकता है।
  2. बीच में एक सहारा जोड़ो। अब अज्ञात 4 हैं पर समीकरण अब भी 3। एक अतिरिक्त अज्ञात यानी अनिर्धार्यता की कोटि 1।
  3. बीच का सहारा बड़ा हिस्सा (भार का 5/8) उठाता है और झुकाव आघूर्ण 0.125 wL² से घटकर 0.031 wL² रह जाता है। झुकाव लगभग 38 गुना कम।
  4. अब दोनों सिरे दीवार में जड़ दो। सिरे घूम नहीं सकते, इसलिए आघूर्ण उठाते हैं। झुकाव साधारण बीम से 5 गुना कम।
  5. एक सहारे को थोड़ा धँसने दो। साधारण बीम बस तिरछी हो जाती है और प्रतिबल-मुक्त रहती है। अनिर्धार्य बीम को मुड़ना पड़ता है और वह अतिरिक्त प्रतिबल से लाल हो जाती है।
  6. अब खुद आज़माओ: बीम का प्रकार चुनो, धँसने वाला स्लाइडर चलाओ और तुलना करो। अतिरिक्त सहारे कठोर बनाते हैं, पर धँसने से नाज़ुक भी।

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

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

साधारण बीम निर्धार्य क्यों मानी जाती है?

इसमें 3 अज्ञात प्रतिक्रियाएँ और 3 समीकरण हैं। सब कुछ केवल संतुलन से निकल जाता है। चरण 0 का लेबल पढ़ो।

"एक अतिरिक्त अज्ञात" का क्या मतलब है?

बीच का प्रोप चौथी प्रतिक्रिया जोड़ता है पर चौथा समीकरण नहीं देता। कमी संगतता से पूरी होती है: बीम प्रोप के आर-पार नहीं झुक सकती।

बीच के सहारे से आघूर्ण इतना कम क्यों होता है?

हर आधा हिस्सा छोटी बीम है। आघूर्ण पाट के वर्ग पर निर्भर है और सहारा भार उठाता है। बैंगनी वक्र की तुलना करो।

जड़े सिरे पिन से बेहतर क्यों हैं?

जड़े सिरे घूम नहीं सकते, इसलिए बीम के सिरों को सीधा रखते हैं और आघूर्ण बाँटते हैं। इससे बीच का झुकाव 5 गुना घटता है।

सहारे का धँसना केवल अनिर्धार्य बीम को क्यों नुकसान पहुँचाता है?

निर्धार्य बीम सहारे के साथ आराम से तिरछी हो जाती है। अनिर्धार्य बीम बाक़ी जगहों पर रुकी होती है, इसलिए उसे मुड़ना पड़ता है और प्रतिबल बनता है।

स्थैतिक अनिर्धार्य संरचनाओं का परिचय

अगर अज्ञात ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0 से ज़्यादा हों, तो अकेला संतुलन काफ़ी नहीं। अनिर्धार्यता की कोटि = (अज्ञात प्रतिक्रियाएँ + भीतरी अज्ञात) − (समीकरण)। समतल बीम के लिए r − 3; ट्रस के लिए m + r − 2j।

हल करने के लिए संगतता की शर्तें जोड़ते हैं: जैसे अतिरिक्त सहारे पर विक्षेप शून्य होना चाहिए। इनमें E, I और लंबाई आती है, इसलिए उत्तर कठोरता EI पर निर्भर करता है, जो निर्धार्य संरचना में नहीं होता।

लाभ: कम आघूर्ण और झुकाव, एक हिस्सा फ़ेल हो तो भार का दूसरा रास्ता (ज़्यादा सुरक्षित), पदार्थ की बचत। हानि: सहारे का धँसना, तापमान बदलाव और बनावट की त्रुटियाँ प्रतिबल पैदा करती हैं, और विश्लेषण कठिन है।

हल करने की विधियाँ

बल (लचीलापन) विधि: रिडंडेंट हटाओ, बची निर्धार्य संरचना हल करो, उससे बनी दूरी (गैप) निकालो, फिर वह रिडंडेंट बल लगाओ जो गैप बंद कर दे (संगतता)। विस्थापन (कठोरता) विधियाँ: स्लोप-डिफ़्लेक्शन और आघूर्ण वितरण जोड़ के घुमाव को अज्ञात लेती हैं; कंप्यूटर मैट्रिक्स कठोरता विधि चलाते हैं।

बल विधि के कदम: (1) रिडंडेंट चुनो, (2) उसे हटाओ, (3) असली भार से विक्षेप निकालो, (4) इकाई रिडंडेंट से विक्षेप निकालो, (5) संगतता लिखो, (6) हल करो, (7) प्रभाव जोड़ो।

स्थैतिक अनिर्धार्य बीम और फ्रेम

समान भार w के लिए मानक परिणाम:

फ्रेम: दोनों पैर जड़े पोर्टल फ्रेम में 6 प्रतिक्रियाएँ, कोटि 3। कठोर कोने आघूर्ण को बीम और खंभों में बाँटते हैं, इसलिए बीम का आघूर्ण पिन-पैर वाले फ्रेम से कम होता है।

जड़ित बीम में सहारे का धँसना Δ सिरों पर 6EIΔ/L² आघूर्ण जोड़ता है; निर्धार्य बीम पर कोई असर नहीं पड़ता।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. एक सिरे पर जड़ और दो रोलर वाले बीम की अनिर्धार्यता की कोटि निकालो।

प्रतिक्रियाएँ r = 3 + 1 + 1 = 5। कोटि = 5 − 3 = 2।

2. 4 m लंबे प्रोप्ड कैंटिलीवर पर 6 kN/m भार है। प्रोप की प्रतिक्रिया और जड़ का आघूर्ण निकालो।

R_प्रोप = 3wL/8 = 3 × 6 × 4 / 8 = 9 kN। M_जड़ = wL²/8 = 6 × 16 / 8 = 12 kN·m।

3. 5 m का बीम दोनों सिरों पर जड़ा है और 12 kN/m भार है। सिरे और बीच का आघूर्ण निकालो।

M_सिरा = wL²/12 = 12 × 25 / 12 = 25 kN·m। M_बीच = wL²/24 = 12.5 kN·m।

4. सतत बीम के दो बराबर पाट 3 m हैं और भार 8 kN/m है। बीच की प्रतिक्रिया निकालो।

R_बीच = 5wl/4 = 5 × 8 × 3 / 4 = 30 kN। हर सिरे की प्रतिक्रिया = 3wl/8 = 9 kN। जाँच: 9 + 30 + 9 = 48 = 8 × 6।

5. L = 6 m, 10 kN/m पर साधारण बीम और दोनों सिरे जड़े बीम का अधिकतम आघूर्ण तुलना करो।

साधारण: wL²/8 = 10 × 36 / 8 = 45 kN·m। जड़ित: wL²/12 = 30 kN·m। जड़ित बीम का अधिकतम आघूर्ण 1.5 गुना कम है।

6. एक ट्रस में 10 छड़ें, 6 जोड़ और 3 प्रतिक्रियाएँ हैं। अनिर्धार्यता की कोटि निकालो।

m + r − 2j = 10 + 3 − 12 = 1। यह प्रथम कोटि का अनिर्धार्य है।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. प्रोप्ड कैंटिलीवर की अनिर्धार्यता की कोटि है:
2. संतुलन के अलावा हम और क्या उपयोग करते हैं?
3. साधारण बीम में बीच का सहारा जोड़ने से झुकाव:
4. सहारे के धँसने से अतिरिक्त प्रतिबल किसमें आता है?
5. समान भार पर दोनों सिरे जड़े बीम का सिरे का आघूर्ण 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

स्थैतिक अनिर्धार्य संरचना क्या है?

ऐसी संरचना जिसमें अज्ञात बल संतुलन समीकरणों से हल होने वालों से ज़्यादा हों। उन्हें निकालने के लिए विकृति के अतिरिक्त नियम (संगतता) चाहिए।

अनिर्धार्य संरचनाएँ कठिन होकर भी क्यों बनाते हैं?

उतने ही भार के लिए कम पदार्थ लगता है, झुकाव कम होता है और एक सहारा फ़ेल हो तो भार का दूसरा रास्ता मिलता है।

रिडंडेंट क्या होता है?

फ़ालतू प्रतिक्रिया या सदस्य, जिसे हटाने पर भी संरचना खड़ी रहे। संगतता से हम इसी अज्ञात को निकालते हैं।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

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

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