संरचना इंजीनियरी

संरचना इंजीनियरी, इंजीनियरी की वह शाखा है जो लोड (बल) सहन करने या बल का प्रतिरोध करने के के लिये बनायी जाने वाली संरचनाओं (structures) के विश्लेषण एवं डिजाइन से सम्बन्ध रखती है। इसे प्रायः सिविल इंजीनियरी के अन्दर एक विशेषज्ञता का क्षेत्र समझा जाता है।
संरचना इंजीनियर का काम प्रायः भवनों तथा विशाल गैर-भवन संरचनाओं की डिजाइन करना होता है किन्तु वे मशीनरी, चिकित्सा उपकरण, वाहनों आदि के डिजाइन से भी जुड़े हो सकते हैं। संरचना इंजीनियरी का सिद्धान्त भौतिक नियमों तथा विभिन्न पदार्थों/ज्यामितियों के गुणधर्म से सम्बन्धित अनुभवजन्य ज्ञान पर आधारित है। अनेकों छोटे छोटे संरचनात्मक अवयवों के योग से जटिल संरचनाएँ निर्मित की जातीं हैं।
संरचना इंजीनियर को लोहे और इस्पात का ही नहीं, बल्कि लकड़ी, ईंट, पत्थर, चूना और सीमेंट का भी आधुनिकतम ज्ञान तथा यांत्रिक एवं विद्युत् इंजीनियरी के कामों में भी दक्ष होना चाहिए, क्योंकि इन्हें अपने ढाँचे यांत्रिकी तथा भौतिकी के सिद्धांतों के अनुसार निरापद ढंग से बनाने पड़ते हैं। भूमि, जल और वायु की प्रकृति का भी पूर्ण ज्ञान सिविल इंजीनियर के समान ही होना चाहिए।

परिचय

संरचना इंजीनियरी 19वीं शताब्दी तक सिविल इंजीनियरी का एक विभाग समझा जाता था, परन्तु जैसे-जैसे सभ्य समाज की आवश्यकताएँ परिस्थितियों के अनुसार बदलती और बढ़ती गई, उन्नत प्रकार के लोहे, इस्पात आदि का उत्पादन तथा प्रयोग बढ़ने लगा, वैसे-वैसे यंत्र-विज्ञान की उन्नति हुई। विविध धातुओं के भौतिक गुणों का ज्ञान बढ़ा, तो कारखानों और आवासगृहों के निर्माण में भी इस्पात का अधिकाधिक उपयोग होने लगा। स्थान की कमी से इस्पात के ढाँचों की सहायता से अनेक मंजिलों के मकान बनने लगे और थोड़ी जगह में अनेक कमरे बनाने की व्यवस्था का शुभारंभ हुआ।
आज बड़े-बड़े नगरों में बीस-बीस मंजिले मकान बनाना तो मामूली बात हो गई है। संरचना इंजीनियरी के सहारे ही ऐसा हो सका है। सेतुनिर्माण में भी संरचना इंजीनियरो से बड़ी सहायता मिली है। स्कॉटलैंड की फोर्थ नदी के प्रसिद्ध पुल में, जो कैंटिलिवरनुमा बना है, नदी के बीच में तीन खंभों के आधार पर दो मेहराव तो पूरे बने हैं, जिनके प्रत्येक खंभे का पाट (span) 1,710 फुट है और समस्त पुल का पाट, तट से तट तक, 5215 फुट है। अमरीका का क्यूबेक पुल तो दुनियाँ भर के कैंटिलिवर पुलों में सबसे बड़ा समझा जाता है। इसके केंद्रीय मेहराब का पाट 1,800 फुट है। इस पुल का निर्माण 1918 ई. में समाप्त कर, यह यातायात के लिये चालू किया गया था। यह पुल आधुनिक संरचना कला का सर्वश्रेष्ठ नमूना है। न्यूयार्क का हेलगेट (Hellgate) नामक पुल केवल एक ही मेहराबवाला है। इसके पाट का विस्तार 1,017 फुट है। भारत के पुलों में कलकत्ता का हावड़ा पुल और हरिद्वार के निकट ऋषिकेश का लक्ष्मण झूला नामक पुल इस कला के अच्छे नमूने हैं।

ढाँचा

प्रत्येक इमारत की बनावट में छत और फर्श के लिये धरनों (beams), कैंचियों (truss), खंभों (pillars) तथा जमीन पर बनी बुनियाद की आवश्यकता पड़ती है। इनका संयोजन ही मकान का 'ढाँचा' है। ढाँचे चाहे किसी इमारत, पुल अथवा क्रेन आदि यंत्रों के लिये हों, उनकी रचना करते समय यह विचार करना आवश्यक है कि उनके विविध अवयवों पर किस किस प्रकार के तथा किस परिमाण में बाहरी बल भार के रूप में पड़ेंगे। स्थैतिकी के सिद्धांतानुसार उन बलों के कारण, ढाँचे के विविध अवयवों पर आनेवाले प्रतिबलों की गणना भी बड़ी सावधानी से करनी होती है, जिससे ढाँचा सब प्रकार से सुदृढ़ और निरापद बन जाए। ढाँचे को दृढ़ बनाने का अर्थ उसके अवयवों को खूब मोटा तथा भारी बना देना नहीं होता।
ढाँचे की बनावट में बल सहन करने की क्षमता होनी चाहिए। ऐसा ढाँचा अनके त्रिभुजों को मिलाकर बनाया जाता है। चतुर्भुजों और पंचभुजों से बने ढाँचे में इतनी क्षमता नहीं होती। त्रिकोणयुक्त ढाँचे को कैंची (ट्रस, Truss) कहते हैं। ये बलों के सहने के दृष्टिकोण से सर्वथा निर्दोष और अवयवों की दृष्टि से स्वत: पूर्ण होती है। ऐसी कैंचियाँ काफी लंबे पाटों के लिये बनाई जा सकती हैं तथा भार पड़ने पर स्वयं संतुलित भी रह सकती हैं।
बड़े पाट की छतें बनाने के लिये दीवारों पर साधारण ठोस प्रकार के लंबे गर्डर रखकर ही क्यों नहीं काम चलाया जाता? त्रिकोणमय कैंचियाँ ही क्यों बनाई जाती हैं? मामूली छोटे पाटों की छतें तो अवश्य ही उचित माप के सादे गर्डर रखकर बनाई जा सकती हैं, परन्तु गर्डर बहुत अधिक लंबे होने पर भारी तथा महँगे पड़ते हैं। बड़े पाटों के लिये त्रिकोणयुक्त कैंचियाँ काफी मजबूत होने के साथ ही बहुत हलकी और सस्ती पड़ती हैं।
कैंचियों के जोड़ों को पिनों द्वारा न बनाकर रिबटों द्वारा पक्का जड़ दिया जाता है। रिबटों में कुछ विशेष प्रकार के बल अधिक आने लगते हैं जिन्हें सहने के लिये इन रिबटों को अधिक मजबूत अवश्य ही बनाया जाता है। समस्त छत के पटाव का भार बत्तों (purlins) के माध्यम से विभाजित होकर कैंचियों के त्रिकोणों के ऊपरी जोड़ों पर आकर, सब कैंचियों पर बराबर बँटकर और इन कैंचियों के भार सहित आधा-आधा बँटकर दीवार के टेके पर पड़कर अन्ततः बुनियाद पर जाता है। अत: इन बोझों (loads) का अनुमान बड़ी सावधानी से कर लेना होता है। ये बोझे सदैव एक से ही बने रहने के कारण अचल भार (dead load) कहलाते हैं। सभी ऊर्ध्वाधर दीवारों तथा ढालू छतों पर बगल से चलनेवाली हवा के कारण जो ऊर्ध्वाधर दाब पड़ती है, वह वायु दाब (wind pressure) कहलाती है और यह चल भार (live load) की गिनती में आती है। अनेक मंजिले मकानों की मध्यवर्ती छतों पर वहाँ के निवासियों और उठाऊ फर्निचर का भार ही होता है लेकिन यह अन्य अचल भारों की अपेक्षा नगण्य होता है।
ढाँचों के विभिन्न अवयवों पर पड़नेवाले बलों का परिकलन बल त्रिभुज अथवा बल बहुभुजों के सिद्धांत के अनुसार किया जाता है। इसके लिये इंजीनियर "बाउ संकेत" (Bow's notation) प्रणाली का उपयोग करते हैं। यह रीति अपेक्षया सरल है। बलों का परिकलन विशुद्ध गणित द्वारा भी स्थैतिकी और त्रिकोणमिति की सहायता से किया जा सकता है। इस प्रकार से गणना करने के लिए, किसी उपयुक्त बिन्दु को धूर्णकेंद्र मानते हुए, ढाँचे के किसी अवयव में पड़नेवाले अज्ञात बल के घूर्ण से समीकृत कर देते हैं।

कैंचियों के अवयवों के विस्तार की सीमा

जितने ही अधिक बड़े पाट की छत की कैंची अथवा पुल का कैंचीनुमा गर्डर अनाया जाता है उसमें उतने ही अधिक संख्या में छोटे छोटे त्रिकोण बनाए जाते हैं। यदि किसी लंबे खंभे पर भार डाला जाए, तो एक सीमा से आगे चलकर वह खंभा बीच में से झुकने लगता है। यही बात कैंचियों को बल सहन करने योग्य उचित आकार के छोटे छोटे त्रिकोण बनाए जाते हैं। यदि किसी लंबे खंभे पर भार डाला जाए, तो एक सीमा से आगे चलकर वह खंभा बीच में से झुकने लगता है। यह बात कैंचियों के थामों (struts) पर भी लागू होती है। अत: कैंचियों को बल सहन करने योग्य उचित आकार के छोटे छोटे त्रिकोणों में विभाजित कर बनाते हैं।

अपरूपक प्रतिबल (shear Stress)

विशुद्ध अपरूपक प्रतिबल, दो सामान तथा एक दूसरे की विरोधी दिशा में काम करनेवाले प्रतिबलों के मिश्रण के रूप में होता है। इनकी क्रिया रेखा भी एक दूसरे से समकोण पर होती है।

ऐंठन बल या बलाघूर्ण (Torque)

यदि धुरे का एक छोर दीवार में दृढ़ता से कसा हुआ है और उसके दूसरे छोर पर ऐंठन बल लगाया जाता है, तो दूसरा छोर कुछ मुड़ जाएगा। मूला रेखा से जितना कोण, द्द बनाकर वह मुड़ता है वह कोण उसका ऐंठन कोण होगा। इस कोण की सहायता से धुरे का ऐंठन बल निकाला जा सकता है।

सामग्रियों की सामर्थ्य परीक्षण (Testing of the strength of the material)

इंजीनियरी में काम आनेवाली सामग्रियों का परीक्षण अत्यावश्यक है। जिस परिस्थिति में सामग्रियों का उपयोग होता है उसी परिस्थिति में उनको रखकर, उनका परीक्षण करना चाहिए। परीक्षण दो प्रकार से होता है : एक रासयनिक रीति से सामग्रियों के आणविक संगठन का ज्ञान होता है और भौतिक रीति से खींचकर, दबाकर, अपरूपण कर, पंच से छेदकर, झुका कर तथा मोड़कर देखा जाता है कि उनके सहन करने की समता कैसी है। भौतिक रीति से सामग्रियों का परीक्षण करने के लिये आजकल एक यंत्र बना है जिसे हाउन्सफील्ड टेंसोमीटर (Hounsfield Tensometer) कहते हैं। इसकी कार्यपद्धति बड़ी सरल है और सामान्य व्यक्ति भी थोड़े से प्रशिक्षण से इसका उपयोग कर सकता है। इससे सामग्रियों की सामथ्र्य, भार विकृति, अभिश्रांति इत्यादि का ज्ञान सरलता से हो जाता है।

ढाँचों को खड़ा करने का तरीका

संरचना कार्य में सभी प्रकार के अवयव मुलायम इस्पात के विविध परिच्छेद ((section) युक्त छड़ों और प्लेटों से बनाए जाते हैं। छड़ों के परिच्छेद गोल, चपटे, आयताकार, एल (L), टी (T) अथवा एच (H) आदि के आकार के होते हैं। कारखाने में ही बड़ी कैंचियों का निर्माण करते समय उनके समस्त अवयव नक्शे के अनुसार अलग अलग काट छाँटकर बनाए जाते हैं तथा कुछ छोटे छोटे उपखंडो को तो कारखाने में ही समतल भूमि पर रखकर, रिबटों द्वारा यथास्थान जड़ देते हैं; फिर उन जुड़े हुए उपखंडों को क्रेन आदि साधनों से उठाकर यथास्थान बैठाकर, बोल्टों द्वारा कस देते हैं।

तान और थाम ((Ties and Struts)

तानों और थामों के अवयवों पर कितना प्रतिबल पड़ता है और इसमें उनके सहने योग्य, प्रति वर्ग इंच निरापद प्रतिबल से भाग देकर, उनका परिच्छेद गणित द्वारा ज्ञात कर लिया जाता है और उसी के आधार पर उनका निर्माण होता है।

धरन और गर्डर (Beams and Girders)

संरचित ढाँचों में धरनों तथा गर्डरों का बड़ा महत्वपूर्ण स्थान है, क्योंकि उन्हीं पर चौरस छतों, पुलों, गैंट्रियों तथा शिरोपरिधावन पथों आदि के स्थिर, चर और चल भार लादे जाते हैं। जब किसी सीधे अवयव के दोनों सिरों को किसी मजबूत आधार पर टिकाकर, उसपर भार लादा जाता है, तब वह धरन या गर्डर कहलाता है। धरन पर बोझा रखने से वह बीच में लचक जा सकती है और यदि उसपर बोझा सामर्थ्य से अधिक हो, तो उसकी निचली सतह फटने लगती है।