Influence of leg inclination angle and configuration on the capacity of v-shaped steel fiber reinforced concrete bridge bents

पुल केवल कंक्रीट और स्टील के विस्तार मात्र नहीं हैं; वे जटिल प्रणालियाँ हैं जहाँ गुरुत्वाकर्षण और हवा लगातार सामग्रियों की सीमाओं का परीक्षण करते हैं। कई आधुनिक डिजाइनों में, इंजीनियर सड़क को थामे रखने के लिए 'बेंट' (bents) के रूप में जाने जाने वाले वी-आकार (V-shaped) के सपोर्ट का उपयोग करते हैं। ये संरचनाएँ इसलिए कुशल हैं क्योंकि उनके झुके हुए पैर पुल के भारी वजन को जमीन तक ले जाने में मदद करते हैं और साथ ही हवा या भूकंप के पार्श्व बलों (side-to-side forces) का भी प्रतिरोध करते हैं। हालाँकि, इन पैरों का आकार और वह कोण जिस पर वे मिलते हैं, एक अनूठी पहेली पैदा करता है। यदि पैर बहुत संकीर्ण या बहुत चौड़े हैं, या यदि उन्हें एक विशिष्ट दिशा में रखा गया है, तो पुल मजबूत लेकिन भंगुर (brittle) हो सकता है, या लचीला लेकिन कमजोर हो सकता है। इन ज्यामितीय विकल्पों से टूटने से पहले झुकने की पुल की क्षमता पर कैसे प्रभाव पड़ता है, इसे समझना सुरक्षित बुनियादी ढांचा बनाने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, विशेष रूप से उन क्षेत्रों में जो भूकंपीय गतिविधि के प्रति संवेदनशील हैं।

इस पहेली को सुलझाने के लिए, केन्या और अल्जीरिया के विश्वविद्यालयों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन वी-आकार के सपोर्ट के लघु-स्तरीय मॉडलों पर भौतिक प्रयोगों की एक श्रृंखला आयोजित की। उन्होंने इन संरचनाओं के चार अलग-अलग संस्करणों को एक विशेष प्रकार के कंक्रीट का उपयोग करके बनाया जिसमें सूक्ष्म स्टील फाइबर मिले हुए थे, जो सामग्री को दरार पड़ने के बाद भी एक साथ रखने में मदद करते हैं। लक्ष्य यह देखना था कि वी के कोण को बदलने और पैरों के मुख की दिशा को बदलने से संरचना की मजबूती और उसके खिंचाव की क्षमता कैसे बदलती है। टीम ने मॉडल बनाए जो वास्तविक ब्रिज बेंट के आकार का लगभग एक-इक्कीसवाँ हिस्सा थे, यह पैमाना प्रयोगशाला के भीतर फिट होने और पूर्ण आकार की संरचना के भौतिक विज्ञान का सटीक प्रतिनिधित्व करने के लिए चुना गया था। उन्होंने दो मुख्य आकारों का परीक्षण किया: वर्गाकार (square) पैर और आयताकार (rectangular) पैर, और उन्होंने पैरों के बीच के खुलने वाले कोण को 30 डिग्री और 60 डिग्री के बीच बदला। आयताकार पैरों के लिए, उन्होंने दो अलग-अलग दिशाएँ जाँचीं: एक जहाँ चौड़ा हिस्सा धक्के (push) की दिशा में था, और दूसरी जहाँ संकरा हिस्सा उस दिशा में था।

शोधकर्ताओं ने एक भारी वजन को ऊपर से पकड़कर, एक स्थिर, बढ़ता हुआ पार्श्व धक्का (sideways push) प्रत्येक मॉडल पर लगाया ताकि ब्रिज डेक के वजन का अनुकरण किया जा सके। उन्होंने मापा कि संरचना विफल होने से पहले कितना बल सह सकती है और अपनी ताकत खोने से पहले कितनी झुक सकती है। परिणामों ने मजबूती और लचीलेपन के बीच एक स्पष्ट समझौता (trade-off) प्रकट किया। जब शोधकर्ताओं ने वर्गाकार पैरों वाले मॉडलों की तुलना की, तो उन्होंने पाया कि 60-डिग्री के व्यापक कोण वाले मॉडल अधिक मजबूत थे, जो संकीर्ण 30-डिग्री संस्करण की तुलना में 30 प्रतिशत अधिक पार्श्व बल का प्रतिरोध कर सकते थे। हालाँकि, इस अतिरिक्त मजबूती की एक कीमत भी थी। व्यापक, मजबूत मॉडल झुकने और वापस सामान्य होने में कम सक्षम था; यह अपनी सीमा तक पहुँचने से पहले अपने संकीर्ण समकक्ष की तुलना में लगभग 13 प्रतिशत कम खिंच सका। यह सुझाव देता है कि वी-आकार को केवल चौड़ा बनाना उसे हर मामले में बेहतर सपोर्ट नहीं बनाता, क्योंकि यह गति के माध्यम से ऊर्जा को अवशोषित करने की क्षमता का त्याग करता है।

कहानी तब और भी दिलचस्प हो गई जब शोधकर्ताओं ने आयताकार पैरों को देखा। 60-डिग्री के कोण पर, पैर का ओरिएंटेशन (orientation) एक बड़ा अंतर पैदा करता था। जब आयताकार पैर का चौड़ा हिस्सा धक्के की दिशा में था, तो संरचना वर्गाकार वाले जितनी ही मजबूत थी। लेकिन जब संकरा हिस्सा धक्के की दिशा में था, तो मजबूती लगभग 40 प्रतिशत गिर गई। आश्चर्यजनक रूप से, शुद्ध मजबूती के मामले में सबसे कमजोर विन्यास वास्तव में सबसे लचीला था। संकरे हिस्से वाला मॉडल अन्य मॉडलों की तुलना में बहुत अधिक झुक सका, जिसने विफल होने से पहले लगभग 74 प्रतिशत अधिक विकृति (deformation) दिखाने की क्षमता प्रदर्शित की। यह खोज इंजीनियरों के लिए एक महत्वपूर्ण अंतर्दight प्रदान करती है: जो संरचना सबसे मजबूत है, वह आवश्यक रूप से वह नहीं है जो सबसे अधिक झुक सकती है, और जो संरचना सबसे अधिक झुकती है, वह आवश्यक रूप से सबसे मजबूत नहीं होती है।

टीम ने यह भी देखा कि जब उन्हें धकेला जा रहा था तो सामग्रियों के भीतर क्या हो रहा था। उन्होंने पाया कि वी-आकार का कोण यह निर्धारित करता है कि वजन दोनों पैरों के बीच कैसे साझा किया जाता है। संकीर्ण 30-डिग्री डिजाइन में, पार्श्व बल ने एक बड़ा असंतुलन पैदा किया, जिससे एक पैर गहरे संपीड़न (compression) में चला गया जबकि दूसरे पैर पर तनाव (tension) या खिंचाव आया। यह असंतुलन व्यापक 60-डिग्री डिजाइन में बहुत कम गंभीर था। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि वी का कोण और पैर के क्रॉस-सेक्शन की दिशा मिलकर पुल के भाग्य का निर्धारण करते हैं। एक व्यापक कोण पैरों को भार अधिक समान रूप से साझा करने में मदद करता है, जिससे मजबूती बढ़ती है, लेकिन यह संरचना को सख्त भी बना देता है, जिससे इसकी झुकने की क्षमता कम हो जाती है। इसके विपरीत, आयताकार पैर के ओरिएंटेशन को मजबूती या लचीलेपन में से किसी एक को प्राथमिकता देने के लिए ट्यून किया जा सकता है, जो इस बात पर निर्भर करता है कि पैर को किस दिशा में घुमाया गया है।

अंततः, यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि वी-आकार के ब्रिज सपोर्ट के लिए कोई एक एकल "सर्वश्रेष्ठ" आकार नहीं है। चुनाव पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करता है कि इंजीनियर चाहता क्या है। यदि प्राथमिकता एक विशाल पार्श्व बल का प्रतिरोध करना है, तो एक व्यापक कोण और एक विशिष्ट पैर ओरिएंटेशन बेहतर है। यदि प्राथमिकता भूकंप के दौरान बिना टूटे झूलने और ऊर्जा को अवशोषित करने की है, तो एक अलग विन्यास की आवश्यकता हो सकती है। शोधकर्ताओं ने इस बात पर जोर दिया कि ये निष्कर्ष छोटे मॉडलों पर विशिष्ट, नियंत्रित परीक्षणों पर आधारित हैं और वास्तविक दुनिया के पुलों में कंक्रीट के आकार और स्टील सुदृढीकरण (steel reinforcement) के सटीक व्यवहार जैसे कई और चर (variables) शामिल होते हैं। हालाँकि, उनके द्वारा देखे गए स्पष्ट पैटर्न भविष्य के डिजाइनों के लिए एक महत्वपूर्ण मार्गदर्शिका प्रदान करते हैं, जो यह दिखाते हैं कि ब्रिज सपोर्ट की ज्यामिति मजबूती से टिके रहने और अप्रत्याशित स्थितियों में जीवित रहने के लिए पर्याप्त लचीला होने के बीच एक नाजुक संतुलन है।