संरचनात्मक गति विज्ञान

संरचनात्मक गतिशीलता एक प्रकार का संरचनात्मक विश्लेषण है जो गतिशीलता (भौतिकी) (उच्च त्वरण वाली क्रियाएं) लोडिंग के अधीन संरचना के व्यवहार को कवर करता है। गतिशील भार में लोग, हवा, लहरें, यातायात, भूकंप और विस्फोट शामिल हैं। किसी भी संरचना को गतिशील लोडिंग के अधीन किया जा सकता है। गतिशील विश्लेषण का उपयोग गतिशील विस्थापन (वेक्टर), समय इतिहास और मोडल विश्लेषण खोजने के लिए किया जा सकता है।

संरचनात्मक विश्लेषण मुख्य रूप से बल के अधीन होने पर भौतिक संरचना के व्यवहार का पता लगाने से संबंधित है। यह क्रिया लोगों, फर्नीचर, हवा, बर्फ आदि जैसी चीजों के वजन या किसी अन्य प्रकार की उत्तेजना जैसे भूकंप, पास के विस्फोट के कारण जमीन का हिलना आदि के कारण संरचनात्मक भार के रूप में हो सकती है। संक्षेप में ये सभी भार गतिशील हैं, जिसमें संरचना का स्वयं-भार भी शामिल है क्योंकि किसी समय ये भार नहीं थे। गतिशील और स्थैतिक विश्लेषण के बीच अंतर इस आधार पर किया जाता है कि लागू कार्रवाई में संरचना की प्राकृतिक आवृत्ति की तुलना में पर्याप्त त्वरण है या नहीं। यदि कोई भार पर्याप्त रूप से धीरे-धीरे लगाया जाता है, तो जड़त्व बलों (न्यूटन की गति का पहला नियम) को नजरअंदाज किया जा सकता है और विश्लेषण को स्थैतिक विश्लेषण के रूप में सरल बनाया जा सकता है।

स्थिति-विज्ञान लोड वह है जो बहुत धीरे-धीरे बदलता है। गतिशील भार वह है जो संरचना की प्राकृतिक आवृत्ति की तुलना में समय के साथ काफी तेजी से बदलता है। यदि यह धीरे-धीरे बदलता है, तो संरचना की प्रतिक्रिया स्थैतिक विश्लेषण के साथ निर्धारित की जा सकती है, लेकिन यदि यह तेजी से बदलती है (संरचना की प्रतिक्रिया करने की क्षमता के सापेक्ष), तो प्रतिक्रिया को गतिशील विश्लेषण के साथ निर्धारित किया जाना चाहिए।

सरल संरचनाओं के लिए गतिशील विश्लेषण मैन्युअल रूप से किया जा सकता है, लेकिन जटिल संरचनाओं के लिए परिमित तत्व विश्लेषण का उपयोग मोड आकार और आवृत्तियों की गणना के लिए किया जा सकता है।

विस्थापन

संरचना की लोडिंग (विक्षेपण द्वारा) पर तुरंत प्रतिक्रिया करने में असमर्थता के कारण एक गतिशील भार समान परिमाण के स्थैतिक भार की तुलना में काफी बड़ा प्रभाव डाल सकता है। गतिशील भार के प्रभाव में वृद्धि गतिशील प्रवर्धन कारक (डीएएफ) या गतिशील भार कारक (डीएलएफ) द्वारा दी जाती है:

${\text{DAF}}={\text{DLF}}={\frac {u_{\max }}{u_{\text{static}}}}$

जहां यू लागू भार के कारण संरचना का विक्षेपण है।

गतिशील प्रवर्धन कारकों बनाम गैर-आयामी वृद्धि समय के ग्राफ़ (टी_r/टी) मानक लोडिंग फ़ंक्शंस के लिए मौजूद है (उदय समय की व्याख्या के लिए, नीचे 'समय इतिहास विश्लेषण' देखें)। इसलिए किसी दिए गए लोडिंग के लिए डीएएफ को ग्राफ से पढ़ा जा सकता है, सरल संरचनाओं और पाए गए गतिशील विक्षेपण के लिए स्थैतिक विक्षेपण की गणना आसानी से की जा सकती है।

समय इतिहास विश्लेषण

ए full timeइतिहास लोड के आवेदन के दौरान और बाद में समय के साथ संरचना की प्रतिक्रिया देगा। खोजने के लिए full time किसी संरचना की प्रतिक्रिया का इतिहास, आपको संरचना की गति के समीकरण को हल करना होगा।

उदाहरण

स्वतंत्रता की एक सरल एकल डिग्री (यांत्रिकी) प्रणाली (एक द्रव्यमान, एम, कठोरता के स्प्रिंग (डिवाइस)उपकरण) पर, उदाहरण के लिए) में गति के निम्नलिखित समीकरण हैं:

$M{\ddot {x}}+kx=F(t)$

कहाँ ${\ddot {x}}$ त्वरण है (विस्थापन का दोहरा व्युत्पन्न) और x विस्थापन है।

यदि लोडिंग एफ(टी) एक हेविसाइड स्टेप फ़ंक्शन (एक स्थिर लोड का अचानक अनुप्रयोग) है, तो गति के समीकरण का समाधान है:

$x={\frac {F_{0}}{k}}[1-\cos(\omega t)]$

कहाँ $\omega ={\sqrt {\frac {k}{M}}}$ और मौलिक प्राकृतिक आवृत्ति, $f={\frac {\omega }{2\pi }}$.

स्वतंत्रता प्रणाली की एकल डिग्री का स्थैतिक विक्षेपण है:

$x_{\text{static}}={\frac {F_{0}}{k}}$

इसलिए हम उपरोक्त सूत्रों को मिलाकर लिख सकते हैं:

$x=x_{\text{static}}[1-\cos(\omega t)]$

यह भार F(t) के कारण संरचना का (सैद्धांतिक) समय इतिहास देता है, जहां गलत धारणा बनाई जाती है कि कोई डंपिंग अनुपात नहीं है।

यद्यपि यह किसी वास्तविक संरचना पर लागू करने के लिए बहुत सरल है, हेविसाइड स्टेप फ़ंक्शन कई वास्तविक भारों के अनुप्रयोग के लिए एक उचित मॉडल है, जैसे कि फर्नीचर के एक टुकड़े को अचानक जोड़ना, या नए बने कंक्रीट फर्श पर एक प्रोप को हटाना। हालाँकि, वास्तव में भार कभी भी तुरंत लागू नहीं किया जाता है - वे समय की अवधि में बढ़ते हैं (यह वास्तव में बहुत कम हो सकता है)। इस समय को उदय काल कहा जाता है।

जैसे-जैसे किसी संरचना की स्वतंत्रता की डिग्री की संख्या बढ़ती है, समय इतिहास की मैन्युअल रूप से गणना करना बहुत मुश्किल हो जाता है - वास्तविक संरचनाओं का विश्लेषण गैर-रेखीय परिमित तत्व विश्लेषण सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके किया जाता है।

डंपिंग

कोई भी वास्तविक संरचना ऊर्जा का क्षय करेगी (मुख्यतः घर्षण के माध्यम से)। इसे DAF को संशोधित करके मॉडल किया जा सकता है

${\text{DAF}}=1+e^{-c\pi }$

कहाँ $c={\frac {\text{damping coefficient}}{\text{critical damping coefficient}}}$ और निर्माण के प्रकार के आधार पर आम तौर पर 2-10% होता है:

• बोल्टेड स्टील ~6%
• प्रबलित कंक्रीट ~5%
• वेल्डेड स्टील ~2%
• ईंट की चिनाई ~10%

नमी बढ़ाने के उपाय

अवमंदन को बढ़ाने के लिए व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली विधियों में से एक उच्च अवमंदन गुणांक वाली सामग्री की एक परत, उदाहरण के लिए रबर, को एक कंपन संरचना से जोड़ना है।

मॉडल विश्लेषण

एक मोडल विश्लेषण किसी दिए गए सिस्टम की आवृत्ति सामान्य मोड या प्राकृतिक आवृत्तियों की गणना करता है, लेकिन जरूरी नहीं कि किसी दिए गए इनपुट के लिए इसका पूर्णकालिक इतिहास प्रतिक्रिया हो। किसी प्रणाली की प्राकृतिक आवृत्ति केवल संरचना की कठोरता और संरचना में भाग लेने वाले द्रव्यमान (स्वयं-वजन सहित) पर निर्भर होती है। यह लोड फ़ंक्शन पर निर्भर नहीं है.

किसी संरचना की मोडल आवृत्तियों को जानना उपयोगी है क्योंकि यह आपको यह सुनिश्चित करने की अनुमति देता है कि किसी भी लागू आवधिक लोडिंग की आवृत्ति मोडल आवृत्ति के साथ मेल नहीं खाएगी और इसलिए प्रतिध्वनि का कारण बनेगी, जिससे बड़े दोलन होंगे।

विधि यह है:

1. प्राकृतिक मोड (संरचना द्वारा अपनाई गई आकृति) और प्राकृतिक आवृत्तियों का पता लगाएं
2. प्रत्येक मोड की प्रतिक्रिया की गणना करें
3. किसी दिए गए लोडिंग के लिए पूर्ण मोडल प्रतिक्रिया खोजने के लिए वैकल्पिक रूप से प्रत्येक मोड की प्रतिक्रिया को सुपरपोज़ करें

ऊर्जा विधि

संरचनात्मक यांत्रिकी में ऊर्जा सिद्धांतों द्वारा सिस्टम के विभिन्न मोड आकार की आवृत्ति की गणना मैन्युअल रूप से करना संभव है। एकाधिक डिग्री स्वतंत्रता प्रणाली के दिए गए मोड आकार के लिए आप एकल डिग्री स्वतंत्रता प्रणाली के लिए समतुल्य द्रव्यमान, कठोरता और लागू बल पा सकते हैं। सरल संरचनाओं के लिए मूल मोड आकार निरीक्षण द्वारा पाया जा सकता है, लेकिन यह एक रूढ़िवादी विधि नहीं है। रेले का सिद्धांत कहता है:

ऊर्जा विधि द्वारा गणना की गई कंपन की एक मनमानी मोड की आवृत्ति ω हमेशा मौलिक आवृत्ति से अधिक - या उसके बराबर होती है।n.

एक कल्पित मोड आकार के लिए ${\bar {u}}(x)$, द्रव्यमान एम के साथ एक संरचनात्मक प्रणाली का; झुकने की कठोरता, ईआई (यंग का मापांक, ई, क्षेत्र के दूसरे क्षण से गुणा, आई); और लागू बल, F(x):

${\text{Equivalent mass, }}M_{\text{eq}}=\int M{\bar {u}}^{2}\,du$

${\text{Equivalent stiffness, }}k_{\text{eq}}=\int EI\left({\frac {d^{2}{\bar {u}}}{dx^{2}}}\right)^{2}\,dx$

${\text{Equivalent force, }}F_{\text{eq}}=\int F{\bar {u}}\,dx$

फिर, ऊपर बताए अनुसार:

$\omega ={\sqrt {\frac {k_{\text{eq}}}{M_{\text{eq}}}}}$

मोडल प्रतिक्रिया

किसी दिए गए लोड F(x,t) के लिए पूर्ण मोडल प्रतिक्रिया है $v(x,t)=\sum u_{n}(x,t)$. सारांश तीन सामान्य तरीकों में से एक द्वारा किया जा सकता है:

• प्रत्येक मोड का पूर्ण समय इतिहास सुपरपोज़ करें (समय लेने वाला, लेकिन सटीक)
• प्रत्येक मोड के अधिकतम आयामों को सुपरपोज़ करें (त्वरित लेकिन रूढ़िवादी)
• वर्गों के योग का वर्गमूल आरोपित करें (अच्छी तरह से अलग की गई आवृत्तियों के लिए अच्छा अनुमान, लेकिन निकट दूरी वाली आवृत्तियों के लिए असुरक्षित)

व्यक्तिगत मोडल प्रतिक्रियाओं को ऊर्जा विधि द्वारा गणना करके मैन्युअल रूप से सुपरपोज़ करना:

यह मानते हुए कि उत्थान का समय टी_r ज्ञात है (टी = 2π/ω), मानक ग्राफ़ से डीएएफ को पढ़ना संभव है। स्थैतिक विस्थापन की गणना की जा सकती है $u_{\text{static}}={\frac {F_{1,{\text{eq}}}}{k_{1,{\text{eq}}}}}$. चुने गए मोड और लागू बल के लिए गतिशील विस्थापन तब पाया जा सकता है:

$u_{\max }=u_{\text{static}}{\text{DAF}}$

मोडल भागीदारी कारक

वास्तविक प्रणालियों के लिए अक्सर फोर्सिंग फ़ंक्शन (अंतर समीकरण) में भाग लेने वाला द्रव्यमान होता है (जैसे कि भूकंप में जमीन का द्रव्यमान) और जड़त्व प्रभाव (संरचना का द्रव्यमान, एम) में भाग लेने वाला द्रव्यमान होता है_eq). मोडल भागीदारी कारक Γ इन दो द्रव्यमानों की तुलना है। स्वतंत्रता प्रणाली की एकल डिग्री के लिए Γ = 1.

$\Gamma ={\frac {\sum M_{n}{\bar {u}}_{n}}{\sum M_{n}{\bar {u}}_{n}^{2}}}$

बाहरी संबंध

• Structural Dynamics and Vibration Laboratory of McGill University
• Frequency response function from modal parameters
• Structural Dynamics Tutorials & Matlab scripts
• AIAA Exploring Structural Dynamics (http://www.exploringstructuraldynamics.org/ ) – Structural Dynamics in Aerospace Engineering: Interactive Demos, Videos & Interviews with Practicing Engineers