Civil Engineering

UPSC Civil Engineering 2024 — Paper I

All 8 questions from UPSC Civil Services Mains Civil Engineering 2024 Paper I (400 marks total). Every stem reproduced in full, with directive-word analysis, marks, word limits, and answer-approach pointers.

8Questions
400Total marks
2024Year
Paper IPaper

Topics covered

Structural analysis and design (2)Beam design and limit state method (1)Prestressed concrete and truss analysis (1)Fluid mechanics and soil mechanics problems (1)Dimensional analysis, fluid flow and pile foundation (1)Geotechnical and Water Resources Engineering (1)Geotechnical and Fluid Machinery Engineering (1)

A

Q1
50M Compulsory solve Structural analysis and design

(a) A cantilever beam ABCD, as shown in the above figure, is carrying a uniformly distributed load of 10 kN/m between B & C and a clockwise moment of 50 kN-m at free end D. Draw the free body diagram for A, D and for the member BC only. [Figure: fixed at A; AB = BC = CD = 2 m; AC has moment of inertia 2I and CD has I.] (10 marks) (b) Cross-section of an axially loaded compression member is shown in the above figure. This compression member was to be loaded at centre 'O' of the Section. Due to mistake this was loaded at point 'P' by a concentrated load of 500 kN. Find out the stresses at points A, B, C and D of the Section. [Figure: square section 600 mm × 600 mm with corners A (top-left), B (top-right), C (bottom-right), D (bottom-left); P is 100 mm to the right of and 100 mm above the centre O, i.e. towards B.] (10 marks) (c) A uniformly distributed load of 20 kN/m intensity and 6 m length moves over a simply supported girder of 30 m span. What will be the maximum bending moment at a section 6 m from the left support A ? (10 marks) (d) Determine the maximum permissible load (P) on the bolt A. Assume the Bolt value as 45·3 kN. [Figure: a 12 mm gusset-plate bracket bolted to the flange of an ISMB250 column by four bolts in a 2 × 2 group, gauge 120 mm (symmetric about the column centre line) and pitch 160 mm (edge distance 40 mm); load P acts 300 mm from the column centre line; A is the upper bolt on the load side.] (10 marks) (e) What are the functions of transverse reinforcement in a reinforced concrete column ? (10 marks)

हिंदी में पढ़ें

(क) नीचे चित्र में दर्शाए अनुसार एक प्रास धरन ABCD, B और C के बीच 10 kN/m का एकसमान वितरित भार एवं स्वतंत्र सिरे D पर 50 kN-m का दक्षिणावर्त आघूर्ण को वहन कर रही है। A, D और अवयव BC के लिए मुक्त-पिंड-आरेख बनाइए। [चित्र: A पर स्थिर; AB = BC = CD = 2 m; AC का जड़त्व-आघूर्ण 2I तथा CD का I।] (10 अंक) (ख) नीचे चित्र में एक अक्षीय-भारित-संपीडांग का अनुप्रस्थ काट दर्शाया गया है। इस संपीडांग को काट के केन्द्र 'O' पर भारित किया जाना था। त्रुटिवश इसे 500 kN के संकेन्द्रित भार द्वारा बिन्दु 'P' पर भारित कर दिया गया। काट के बिन्दुओं A, B, C और D पर प्रतिबल ज्ञात कीजिए। [चित्र: 600 mm × 600 mm वर्गाकार काट, कोने A (ऊपर-बाएँ), B (ऊपर-दाएँ), C (नीचे-दाएँ), D (नीचे-बाएँ); P केन्द्र O से 100 mm दाएँ तथा 100 mm ऊपर, अर्थात B की ओर।] (10 अंक) (ग) 20 kN/m की तीव्रता एवं 6 मीटर लम्बाई का एक समान वितरित भार, 30 मीटर की विस्तृति वाले शुद्धालम्बित गर्डर पर संचलित होता है । बाँए आलम्ब A से 6 मीटर पर स्थित एक काट पर अधिकतम बकन आघूर्ण कितना होगा ? (10 अंक) (घ) बोल्ट A के लिए अधिकतम अनुज्ञेय भार (P) ज्ञात कीजिए । बोल्ट का मान 45·3 kN मान लीजिए । [चित्र: 12 mm गसेट प्लेट का ब्रैकेट ISMB250 स्तम्भ के फ्लैंज पर 2 × 2 समूह के चार बोल्टों से जुड़ा है; गेज 120 mm (स्तम्भ की केन्द्र-रेखा के सापेक्ष सममित), पिच 160 mm (किनारा-दूरी 40 mm); भार P स्तम्भ की केन्द्र-रेखा से 300 mm पर; A भार की ओर का ऊपरी बोल्ट है।] (10 अंक) (ङ) एक प्रबलित कंक्रीट स्तम्भ में, अनुप्रस्थ प्रबलन के क्या कार्य होते हैं ? (10 अंक)

Answer approach & key points

(a) map: locate accurately > label > one line on why it matters | (b) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (c) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (d) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (e) explain: definition/context > points in order > small example > short close Full marks: All parts solved with correct method, units, and checks; neat diagrams.

  • FBD of support A: R_A = 20 kN upward and M_A = 110 kN·m anticlockwise (hogging) on the beam
  • FBD at D: the applied 50 kN·m clockwise couple, balanced at C by 50 kN·m with zero shear (CD in pure bending)
  • FBD of BC with the 10 kN/m UDL (resultant 20 kN at mid-length of BC)
  • Internal actions on BC: shear 20 kN up and 70 kN·m hogging at B; shear 0 and 50 kN·m at C; equilibrium checked
  • Direct stress P/A = 500 × 10³ / 3.6 × 10⁵ = 1.389 N/mm²
  • Moments M_x = M_y = 500 × 0.1 = 50 kN·m (e = 100 mm about each axis)
  • Section modulus Z = 600³/6 = 3.6 × 10⁷ mm³ about each axis, so M/Z = 1.389 N/mm²
  • Superposition: A = 1.389 (C), B = 4.167 (C), C = 1.389 (C), D = 1.389 N/mm² (T)
  • ILD for M at C: triangle with peak ab/L = 6 × 24/30 = 4.8 m at C
  • Load placed so that C divides it in the ratio 6 : 24 (1.2 m left, 4.8 m right; from 4.8 m to 10.8 m; equal end ordinates 3.84)
  • Area of ILD under the load = 25.92 m²
  • M_max = 20 × 25.92 = 518.4 kN·m
  • Bolt-group centroid on the column centre line; e = 300 mm, M = 300P
  • r = 100 mm for every bolt; Σr² = 4(60² + 80²) = 40 000 mm²
  • Bolt A: direct 0.25P down plus torsional 0.60P horizontal and 0.45P down; resultant 0.922P
  • 0.922P ≤ 45.3 kN, so P ≈ 49.1 kN
  • Prevention of buckling of longitudinal bars
  • Confinement of concrete core
  • Resistance to shear forces
  • Ductility and energy dissipation
Q2
50M solve Beam design and limit state method

(a) A cantilever beam ABC as shown in the above figure is having a total span of 2·0 m. The maximum safe allowable bending stress is 7500 kN/m² for the material. Find the maximum safe uniformly distributed load which this beam can carry. What will be the maximum shear stress at support A for the obtained safe UDL ? (Neglect the self weight of beam) [Figure: fixed at A; A to B = 1·0 m with section 1-1 = 0·2 m wide × 0·45 m deep; B to C = 1·0 m with section 2-2 = 0·2 m × 0·2 m; tops flush.] (20 marks) (b) From first principles, derive the expression for determining the depth of neutral axis, for a rectangular reinforced concrete section without compression reinforcement, as per Limit State Method. Use the stress-strain curves for concrete and reinforcing bars shown in the Figs. 1 and 2. (10 marks) (c) Two angles ISA 100×100×12 mm transmit an ultimate tensile force of 540 kN, acting through the C.G. of angle sections as shown in the Figure. The angles are connected to the gusset plate on either side by welding. Design the lengths l₁ and l₂ of the weld if the size of the fillet weld is 6 mm, fᵤ = 410 MPa, partial safety factor for the weld γₘw = 1·25. Relevant portion of the IS 800 : 2007 is enclosed. [Figure: each angle lies against the 12 mm gusset; the load line (C.G.) is 29·2 mm from the heel edge, where weld l₁ is laid, and weld l₂ is along the toe edge.] (20 marks)

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(क) नीचे चित्र में दर्शाई गई प्रास धरन ABC की कुल विस्तृति 2 मीटर है । पदार्थ के लिए अधिकतम सुरक्षित अनुजेय बंकन प्रतिबल 7500 kN/m² है । उस अधिकतम सुरक्षित एक समान वितरित भार को ज्ञात कीजिए जिसे यह धरन वहन कर सकती है । प्राप्त किए गए सुरक्षित एकसमान वितरित भार के लिए आलम्ब A पर अधिकतम अपरूपण प्रतिबल कितना होगा ? (धरन का स्वभार नगण्य है) [चित्र: A पर स्थिर; A से B = 1·0 m, काट 1-1 = 0·2 m चौड़ा × 0·45 m गहरा; B से C = 1·0 m, काट 2-2 = 0·2 m × 0·2 m; ऊपरी सतह एक समतल में।] (20 अंक) (ख) सीमान्त-अवस्था-अभिकल्पन विधि द्वारा, बिना संपीडन प्रबलन वाले एक आयताकार प्रबलित कंक्रीट काट के लिए, प्रथम सिद्धान्त के द्वारा, उदासीन अक्ष की गहराई के निर्धारण के लिए व्यंजक व्युत्पन्न कीजिए । चित्र 1 एवं 2 में क्रमशः: कंक्रीट एवं प्रबलन छड़ों के लिए दर्शाए गए वक्रों का उपयोग कीजिए । (10 अंक) (ग) दो लोह कोण ISA 100×100×12 mm, चित्र में दर्शाए अनुसार, लोह कोण के गुरुत्व केन्द्र पर लगने वाले 540 kN के चरम तनन बल को प्रेषित करते हैं। लोह कोण, संगम पट्टिका के दोनों ओर वेल्डिंग द्वारा जोड़े गए हैं। यदि फिलेट वेल्ड का आमाप 6 mm हो तो लम्बाई l₁ एवं l₂ की अभिकल्पना कीजिए। fᵤ = 410 MPa, वेल्डिंग के लिए आंशिक सुरक्षा गुणक γₘw = 1·25। IS 800 : 2007 का संबंधित भाग संलग्न है। [चित्र: प्रत्येक कोण 12 mm संगम पट्टिका से सटा है; भार-रेखा (गुरुत्व केन्द्र) हील किनारे से 29·2 mm पर है, जहाँ वेल्ड l₁ है, तथा वेल्ड l₂ टो किनारे पर है।] (20 अंक)

Answer approach & key points

Framework: Limit State Design (IS 800:2007). (a) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (b) derive: given > assumptions > stepwise derivation > result > check | (c) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation Full marks: Complete method with all checks, labelled diagrams, and code references.

  • Section moduli: Z₁ = 0.2 × 0.45²/6 = 6.75 × 10⁻³ m³ (AB) and Z₂ = 0.2 × 0.2²/6 = 1.333 × 10⁻³ m³ (BC)
  • Moments: M_A = 2w at the support and M_B = 0.5w at the step; both sections must be checked
  • w ≤ 25.3 kN/m from A and w ≤ 20 kN/m from B, so safe UDL = 20 kN/m (governed by the step, not the support)
  • At A: V = 40 kN, τ_max = 1.5V/(bd) = 666.7 kN/m² ≈ 0.67 N/mm², at the neutral axis
  • Assumptions: plane sections remain plane; ε_cu = 0.0035; concrete in tension ignored; design stresses 0.446 f_ck (γ_m = 1.5) and 0.87 f_y (γ_s = 1.15)
  • Stress block: area factor 17/21 gives C = 0.36 f_ck b x_u, acting 0.42 x_u from the compression face
  • Strain compatibility: ε_s = 0.0035(d − x_u)/x_u; steel yields when ε_s ≥ 0.87 f_y/E_s + 0.002, giving x_u,max/d = 0.53, 0.48, 0.46 for Fe 250, 415, 500
  • Equilibrium C = T: x_u/d = 0.87 f_y A_st/(0.36 f_ck b d)
  • Force per angle 270 kN; C.G. 29.2 mm from the heel edge and 70.8 mm from the toe
  • Moment balance about the C.G. line: F₁ = 191.2 kN (heel weld l₁) and F₂ = 78.8 kN (toe weld l₂)
  • Weld strength: f_wd = f_u/(√3 γ_mw) = 189.4 N/mm²; throat 0.7 × 6 = 4.2 mm; 0.795 kN per mm
  • Effective lengths 240.4 mm and 99.1 mm; add 2s, so provide l₁ ≈ 255 mm and l₂ ≈ 115 mm
Q3
50M calculate Structural analysis and design

(a) A box culvert ABCD is shown in the above figure. By using member fixed end moments given above; calculate the final end moments in the box culvert using "Moment distribution method." Also sketch these moments only. M_FAB = −13·5 kN-m, M_FBA = +9·0 kN-m M_FBC = −37·5 kN-m, M_FCB = +37·5 kN-m M_FCD = −9·0 kN-m, M_FDC = +13·5 kN-m M_FAD = +90 kN-m, M_FDA = −90·0 kN-m [Figure: box 6·0 m wide × 3·0 m high; A bottom-left, B top-left, C top-right, D bottom-right; walls AB and CD have I, top slab BC has 2I, bottom slab AD has 3I; 50 kN at the middle of BC; earth pressure on each wall varies from 30 kN/m at the bottom to zero at the top; upward base pressure 30 kN/m on AD.] (20 marks) (b) Design only the flexural reinforcement for a T-beam section to resist a service moment of 200 kNm. The details of the section are given below: Breadth of flange b_f = 1400 mm Breadth of web b_w = 300 mm Effective depth of the T-beam d = 455 mm Overall depth of the T-beam D = 500 mm Depth of flange D_f = 125 mm Use M25 grade concrete and Fe 500 grade steel. Relevant portion of the IS 456 : 2000 is enclosed. (20 marks) (c) A 10 mts long steel pipe is simply supported at both ends. It is having 500 mm external diameter and 20 mm thickness. It is carrying a total uniformly distributed load of 100 kN/m (including the self weight). Calculate the maximum deflection of the pipe. Take E = 200 GPa. (10 marks)

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(क) नीचे चित्र में एक बक्सा पुलिया ABCD दर्शाई गई है। नीचे दिए गए अवयव-आबद्ध-सिरा-आघूर्णों का उपयोग करते हुए; बक्सा पुलिया के लिए अंतिम सिरा आघूर्णों की गणना "आघूर्ण-वितरण विधि" द्वारा कीजिए। केवल इन आघूर्णों का रेखाचित्र भी बनाइये। M_FAB = –13·5 kN-m M_FBC = –37·5 kN-m M_FCD = –9·0 kN-m M_FAD = +90 kN-m M_FBA = +9·0 kN-m M_FCB = +37·5 kN-m M_FDC = +13·5 kN-m M_FDA = –90·0 kN-m [चित्र: बक्सा 6·0 m चौड़ा × 3·0 m ऊँचा; A नीचे-बाएँ, B ऊपर-बाएँ, C ऊपर-दाएँ, D नीचे-दाएँ; दीवारें AB तथा CD का जड़त्व-आघूर्ण I, ऊपरी स्लैब BC का 2I, निचला स्लैब AD का 3I; BC के मध्य में 50 kN; प्रत्येक दीवार पर मृदा-दाब नीचे 30 kN/m से ऊपर शून्य तक; AD पर 30 kN/m ऊर्ध्वमुखी आधार-दाब।] (20 अंक) (ख) एक T-धरन काट में, 200 kNm के सेवा आघूर्ण को वहन के लिए केवल आनमनी प्रबलन का अभिकल्पन कीजिए । काट का विवरण नीचे दिया गया है : प्लेंज की चौड़ाई b_f = 1400 mm वेब की चौड़ाई b_w = 300 mm T-धरन की प्रभावी गहराई d = 455 mm T-धरन की कुल गहराई D = 500 mm प्लेंज की गहराई D_f = 125 mm M25 ग्रेड कंक्रीट एवं Fe 500 ग्रेड इस्पात का उपयोग कीजिए । IS 456 : 2000 का संबंधित भाग संलग्न है । (20 अंक) (ग) एक 10 मीटर लम्बा स्टील पाइप दोनों सिरों पर शुद्धालम्बित है। इसका बाहरी व्यास 500 mm और मोटाई 20 mm है। यह कुल 100 kN/m का एकसमान वितरित भार वहन कर रहा है (इसमें स्वभार भी सामिल है)। पाइप के अधिकतम विस्थाप की गणना कीजिए। E = 200 GPa लीजिए। (10 अंक)

Answer approach & key points

Framework: null. (a) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (b) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (c) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation Full marks: Complete working with correct formulas, units, and checks; neat sketches; all parts fully addressed.

  • Stiffness K = I/L: AB = CD = I/3, BC = 2I/6 = I/3, AD = 3I/6 = I/2
  • Distribution factors: 0.4 (AB) and 0.6 (AD) at A and D; 0.5 and 0.5 at B and C
  • Distribution with carry-over ½ to convergence (symmetric, no sway): M_AB = −49.26, M_AD = +49.26, M_BA = +18.95, M_BC = −18.95 kN·m, mirrored at D and C
  • Sketch: outer-face tension at all corners (49.26 at A and D, 18.95 at B and C); inner-face tension at slab mid-spans (56.05 top, 85.74 bottom)
  • Factored moment M_u = 1.5 × 200 = 300 kN·m
  • Flange check: with x_u = D_f the capacity is 0.36 × 25 × 1400 × 125 × (455 − 52.5) = 633.9 kN·m > 300, so the NA lies in the flange (design as a 1400 mm wide rectangle)
  • A_st from M_u = 0.87 f_y A_st d (1 − A_st f_y/(b_f d f_ck)) = 1596 mm²; x_u = 55 mm < D_f and < x_u,max = 0.46d
  • Provide e.g. 2-25 + 2-20 (1610 mm²); check minimum 0.85 b_w d/f_y = 232 mm², maximum 0.04 b_w D, and bar spacing in the 300 mm web
  • I = π(500⁴ − 460⁴)/64 = 8.70 × 10⁸ mm⁴
  • δ_max = 5wL⁴/(384EI), at mid-span
  • Consistent units: w = 100 N/mm, L = 10⁴ mm, E = 2 × 10⁵ N/mm²
  • δ_max ≈ 74.8 mm (about L/134)
Q4
50M solve Prestressed concrete and truss analysis

(a) A prestressed concrete T-beam having the cross-section of flange 1500 mm wide and 200 mm thick, rib of 300 mm wide and 1200 mm deep. The beam carries a live load of 20 kN/m apart from its dead load, over a simply supported span of 18 m. The beam is prestressed with a straight cable having constant eccentricity 'e'. Assume the losses of prestress as 16%. Determine the initial prestressing force 'Pᵢ' and its eccentricity 'e', if the permissible net stresses are equal to zero and 5 MPa respectively at top and bottom fibres of the beam. The unit weight of concrete is 25 kN/m³. (20 marks) (b) A pin jointed, symmetrically loaded, truss 'ABCDE' is shown in the above figure. Cross-sectional area of each member is 500 mm² and E = 200 GPa. Forces in the members meeting at joint C are also shown in the figure. Calculate the vertical deflection of joint C by unit load method. [Figure: bottom chord A–C–E with AC = CE = 3·0 m, top chord B–D; all members meet at 60°, so ABC, BCD and CDE are equilateral triangles; pin support at A, roller at E; 100 kN downward at C; forces shown at C: BC = CD = 57·74 kN (tension), AC = CE = 28·87 kN (tension).] (20 marks) (c) What are the different modes of failure of a structural steel tension member ? Explain with sketches. (10 marks)

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(क) एक पूर्व प्रतिबलित T-धरन की अनुप्रस्थ काट में फ्लेंज 1500 mm चौड़ी एवं 200 mm मोटी और रिब 300 mm चौड़ी एवं 1200 mm गहरी है। यह धरन अपने अचल भार के अतिरिक्त 20 kN/m का चल भार, 18 m की शुद्धालम्बित विस्तृति पर वहन करती है। इस धरन को नियत उत्केन्द्रता 'e' वाले सीधे तार से पूर्व-प्रतिबलित किया गया है। पूर्व प्रतिबल में ह्रास 16% मान लीजिए। यदि धरन के शीर्ष और तल के तंतुओं में अनुज्ञेय निवल प्रतिबल क्रमशः: शून्य और 5 MPa है तो प्रारंभिक प्रतिबलन बल 'Pᵢ' और इसकी उत्केन्द्रता 'e' निर्धारित कीजिए। कंक्रीट का एकक भार 25 kN/m³ है। (20 अंक) (ख) नीचे चित्र में एक पिन जोड़ वाली सममित रूप से भारित कैंची ABCDE दर्शाई गई है। प्रत्येक अवयव का अनुप्रस्थ काट क्षेत्रफल 500 mm² और E = 200 GPa है। जोड़ C पर मिलने वाले सभी अवयवों के बलों को चित्र में दर्शाया गया है। एकक-भार-विधि द्वारा जोड़ C के ऊर्ध्वाधर विस्थाप की गणना कीजिए। [चित्र: निचली जीवा A–C–E, AC = CE = 3·0 m; ऊपरी जीवा B–D; सभी अवयव 60° पर मिलते हैं, अतः ABC, BCD तथा CDE समबाहु त्रिभुज हैं; A पर पिन आलम्ब, E पर बेलन; C पर 100 kN नीचे की ओर; C पर दर्शाए बल: BC = CD = 57·74 kN (तनाव), AC = CE = 28·87 kN (तनाव)।] (20 अंक) (ग) संरचनात्मक इस्पात के एक तनन अवयव में विभिन्न प्रकार की भंग विधाएं क्या हैं ? रेखाचित्रों द्वारा व्याख्या कीजिए । (10 अंक)

Answer approach & key points

Framework: Civil Engineering Paper 1: Given > Assumptions > Design/Analysis > Result/Check. (a) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (b) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (c) explain: definition/context > points in order > small example > short close Full marks: Complete working with correct units, code references, and neat sketches; all assumptions stated.

  • Section properties (1200 mm overall depth): A = 6.0 × 10⁵ mm², y_t = 400 mm, I = 8.0 × 10¹⁰ mm⁴, Z_t = 2.0 × 10⁸ and Z_b = 1.0 × 10⁸ mm³
  • Moments: self-weight 15 kN/m gives M_g = 607.5 kN·m; live load M_q = 810 kN·m; total 1417.5 kN·m
  • Stress conditions: top fibre = 0 at transfer (P_i with M_g) and bottom fibre = 5 MPa at service (0.84P_i with M_g + M_q)
  • Solution: P_i ≈ 3350 kN and e ≈ 515 mm (P_e ≈ 2814 kN), with a stress check at both stages
  • Geometry: every member is 3.0 m (equilateral triangles); AE = 500 mm² × 200 kN/mm² = 1.0 × 10⁵ kN
  • Real forces: AB = DE = BD = 57.74 kN (C); BC = CD = 57.74 kN (T); AC = CE = 28.87 kN (T)
  • Unit load at C gives n = N/100 in every member
  • δ_C = ΣNnL/AE = 550/10⁵ m = 5.5 mm downward
  • Gross-section yielding: T_dg = A_g f_y/γ_m0 (ductile, large elongation)
  • Net-section rupture across bolt holes, including zig-zag paths and shear lag in angles: T_dn = 0.9 A_n f_u/γ_m1
  • Block shear: shear along the bolt line plus tension across to the edge (IS 800 cl. 6.4)
  • Labelled sketches of each mode; the design strength is the least of these

B

Q5
50M Compulsory calculate Fluid mechanics and soil mechanics problems

(a) A 125 mm diameter vertical cylinder rotates concentrically inside a fixed cylinder of diameter 130 mm. Both cylinders are 325 mm long. Find the dynamic viscosity of the liquid that fills the space between the cylinders, if a torque of 0·92 Nm is required to maintain a speed of 70 r.p.m. (10 marks) (b) Calculate the friction drag on a flat plate 15 cm wide and 45 cm long placed longitudinally in a stream of oil of relative density 0·925 and kinematic viscosity 0·9 stoke, flowing with a free stream velocity of 6 m/s. Also find the thickness of the boundary layer and shear stress at the trailing edge. Take density of water 1000 kg/m³. (10 marks) (c) A large tank as shown in the above figure has a vertical pipe 70 cm long and 2 cm in diameter. The tank contains an oil of density 920 kg/m³ and viscosity 1·5 poise. Find the discharge through the pipe when the height of the oil level of the tank is 0·80 m above the pipe inlet. [Figure: oil surface A is 80 cm above the bottom of the tank, where the 2 cm pipe begins; the pipe runs 70 cm vertically down and discharges freely at B.] (10 marks) (d) A field density test was conducted by core-cutter method and the following data was obtained: Weight of empty core-cutter = 23 N Weight of soil and core-cutter = 50 N Dimensions of the core-cutter dia = 90 mm and height = 180 mm Weight of wet sample for moisture determination = 55×10⁻² N Weight of oven dry sample = 52×10⁻² N Specific gravity of soil grains = 2·70 Determine its dry density, void ratio and degree of saturation. (10 marks) (e) Two plate load tests were conducted at a site – one with a 300 mm square plate and other with a 600 mm square test plate. For a settlement of 25 mm the loads were found to be 21·6 kN and 64·8 kN respectively in the two tests. Determine the allowable bearing pressure of the sand and the load which a square footing 1·5 m×1·5 m can carry with the settlement not exceeding 25 mm. (10 marks)

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(क) एक 125 mm व्यास का ऊर्ध्वाधर बेलन, एक 130 mm व्यास के आबद्ध बेलन के अन्दर संकेन्द्र: घूमता है । दोनों बेलनों की लम्बाई 325 mm है । यदि 70 r.p.m की गति बनाए रखने के लिए 0·92 Nm बल आघूर्ण की आवश्यकता होती है, तो बेलनों के बीच की जगह में भरे हुए द्रव की गतिक श्यानता ज्ञात कीजिए । (10 अंक) (ख) आपेक्षिक घनत्व 0·925 और शुद्ध गतिक श्यानता 0·9 स्टोक वाले एक तेल की धारा, जो एक 6 m/s के स्वतंत्र धारा वेग से प्रवाहित है, में 15 cm चौड़ी और 45 cm लम्बी, अनुदैर्ध्यवत रखी गई, एक चपटी पट्टिका पर घर्षण विकर्ष की गणना कीजिए । सीमान्त परत की मोटाई और अनुगामी किनार पर अपरूपण प्रतिबल भी ज्ञात कीजिए । जल का घनत्व 1000 kg/m³ लीजिए । (10 अंक) (ग) नीचे चित्र में दर्शाई गई एक विशाल टंकी में 70 cm लम्बा और 2 cm व्यास का एक ऊर्ध्वाधर पाइप लगा है । टंकी में, 920 kg/m³ घनत्व एवं 1·5 पॉइज़ श्यानता वाला तेल है । जब टंकी में तेल सतह की ऊँचाई, पाइप के अन्तर्गम से 0·80 m ऊपर हो तो पाइप में से निस्सरण को ज्ञात कीजिए । [चित्र: तेल सतह A टंकी के तल से 80 cm ऊपर है, जहाँ 2 cm पाइप आरम्भ होता है; पाइप 70 cm ऊर्ध्वाधर नीचे जाकर B पर स्वतंत्र रूप से निस्सरित होता है।] (10 अंक) (घ) क्रोड कर्तन (कोर कटर) विधि द्वारा एक क्षेत्र घनत्व परीक्षण किया गया जिससे निम्नलिखित आंकड़े प्राप्त हुए : खाली कोर कटर का वजन = 23 N मृदा एवं कोर कटर का वजन = 50 N कोर कटर की विमाएं : व्यास = 90 mm एवं ऊँचाई = 180 mm जलांश निर्धारण के लिए नम-नमूने का वजन = 55×10⁻² N भट्टी में सुखाए गए नमूने का वजन = 52×10⁻² N मृदा कणों का विशिष्ट घनत्व = 2·70 इसके लिए शुष्कघनत्व, रिक्ति अनुपात, एवं संतृप्ति की मात्रा ज्ञात कीजिए । (10 अंक) (ङ) एक स्थल पर दो पट्टिका-भार-परीक्षण किए गए एक 300 mm की वर्गाकार पट्टिका से एवं दूसरा 600 mm की वर्गाकार परीक्षण पट्टिका से । इन दो परीक्षणों में 25 mm निषदन के लिए बलों का मान क्रमशः 21·6 kN एवं 64·8 kN प्राप्त हुआ । रेत के लिए अनुज्ञेय-धारक-दाब; और निषदन के 25 mm से अधिक नहीं होने की स्थिति में एक 1·5 m×1·5 m की वर्गाकार पाद द्वारा वहन किए जाने वाले भार को निर्धारित कीजिए । (10 अंक)

Answer approach & key points

(a) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (b) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (c) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (d) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (e) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation Full marks: All parts solved with correct formulas, units, and clear steps.

  • ω = 2π × 70/60 = 7.33 rad/s; surface speed u = ωR₁ = 0.458 m/s
  • Radial clearance t = (130 − 125)/2 = 2.5 mm; τ = μu/t
  • Torque T = τ × (2πR₁L) × R₁ = 1.462μ
  • μ = 0.92/1.462 ≈ 0.63 Pa·s (6.3 poise); the exact annulus formula gives 0.59 Pa·s, also acceptable
  • ν = 0.9 stoke = 9 × 10⁻⁵ m²/s, ρ = 925 kg/m³; Re_L = UL/ν = 3.0 × 10⁴ (laminar throughout)
  • Blasius: C_f = 1.328/√Re_L = 0.00767; drag on one side = C_f × ½ρU² × bL = 8.62 N (17.2 N for both faces)
  • δ at the trailing edge = 5L/√Re_L = 13.0 mm
  • τ₀ at the trailing edge = 0.332ρU²/√Re_L = 63.8 Pa
  • Energy equation from the oil surface A to the pipe outlet B: H = 0.80 + 0.70 = 1.5 m
  • H = V²/2g + h_f with Hagen–Poiseuille h_f = 32μVL/(ρgD²) and μ = 1.5 poise = 0.15 Pa·s
  • Solving 0.051V² + 0.931V − 1.5 = 0 gives V = 1.49 m/s
  • Q = 4.68 × 10⁻⁴ m³/s (0.468 L/s); Re ≈ 183 confirms laminar flow
  • Bulk unit weight γ = 27 N / 1.145 × 10⁻³ m³ = 23.58 kN/m³
  • w = 0.03/0.52 = 5.77%
  • γ_d = γ/(1 + w) = 22.29 kN/m³ (ρ_d ≈ 2.27 g/cm³)
  • e = Gγ_w/γ_d − 1 = 0.188; S = wG/e = 82.8%
  • Plate pressures: 21.6/0.09 = 240 kN/m² and 64.8/0.36 = 180 kN/m²
  • Housel's method Q = mA + nP: 21.6 = 0.09m + 1.2n and 64.8 = 0.36m + 2.4n give m = 120 kN/m² and n = 9 kN/m
  • Footing 1.5 × 1.5 m: Q = 120 × 2.25 + 9 × 6 = 324 kN
  • Allowable bearing pressure for 25 mm settlement = 324/2.25 = 144 kN/m²
Q6
50M solve Dimensional analysis, fluid flow and pile foundation

(a) The resistance force F of a ship is a function of its length L, velocity V, acceleration due to gravity g and fluid properties like density ρ and viscosity μ. Write this relationship in a dimensionless form. (15 marks) (b) The stream function for a two-dimensional flow is given by ψ = 2xy. Calculate the velocity and velocity potential at point P(2, 3). (15 marks) (c) A group of nine friction piles is driven through 5 m of clay with unconfined compressive strength of 60 kN/m² followed by 10 m of clay with unconfined compressive strength of 100 kN/m². The piles are in 3 rows and will be 1·00 m centres in a row and the rows will be 750 mm on centres. Each pile has a diameter of 300 mm. If a factor of safety of 2·5 is required, determine the maximum load that can be carried by the group. Take Nc = 9 and unit weight of clay as 16·4 kN/m³. (20 marks)

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(क) पानी के एक जहाज का प्रतिरोधक बल F, इसकी लम्बाई L, वेग V, गुरुत्वाकर्षण g और द्रव गुणों जैसे कि घनत्व ρ एवं श्यानता μ का फलन है। इस सम्बन्ध को विमारहित प्ररूप में लिखिए। (15 अंक) (ख) एक द्विविमीय प्रवाह के लिए प्रवाह फलन ψ = 2xy द्वारा दिया गया है। बिन्दु P(2, 3) पर वेग एवं वेग-विभव की गणना कीजिए। (15 अंक) (ग) एक नौ-घर्षण स्थूणाओं के समूह को, 60 kN/m² की अपरिबद्ध संपीडन क्षमता वाली 5 m मोटी मृत्तिका जिसके नीचे 100 kN/m² की अपरिबद्ध संपीडन क्षमता वाली 10 m मोटी मृत्तिका है, में गाड़ा गया है। स्थूणाओं को तीन कतारों में लगाया गया है और एक कतार में स्थूणा 1·00 m की केन्द्र दूरी पर हैं; कतारें 750 mm की केन्द्र दूरी पर हैं। प्रत्येक स्थूणा का व्यास 300 mm है। यदि 2·5 का सुरक्षा गुणक आवश्यक है तो समूह द्वारा वहन किए जा सकने वाले अधिकतम भार को निर्धारित कीजिए। Nc = 9 और मृत्तिका का एकक भार 16·4 kN/m³ लीजिए। (20 अंक)

Answer approach & key points

(a) derive: given > assumptions > stepwise derivation > result > check | (b) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (c) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation Full marks: Rigorous derivation, correct units, clear distinction between individual and group failure modes.

  • Six variables F, L, V, g, ρ, μ in three dimensions (M, L, T), so 6 − 3 = 3 Π-terms (Buckingham)
  • Repeating variables ρ, V, L (geometric, kinematic, dynamic)
  • Π₁ = F/(ρV²L²), Π₂ = gL/V² (Froude), Π₃ = μ/(ρVL) (Reynolds), each checked dimensionless
  • Result: F/(ρV²L²) = φ(V/√(gL), ρVL/μ), i.e. F = ρV²L² φ(Fr, Re)
  • u = ∂ψ/∂y = 2x and v = −∂ψ/∂x = −2y (or the opposite sign convention, consistently applied)
  • At P(2, 3): u = 4, v = −6; resultant √52 = 7.21 units, at tan⁻¹(1.5) = 56.3° below the x-axis
  • ω_z = ∂v/∂x − ∂u/∂y = 0, so the flow is irrotational and φ exists
  • φ = x² − y² (+ constant); at P, φ = −5 units
  • c_u = q_u/2: 30 kN/m² (top 5 m) and 50 kN/m² (next 10 m); adhesion α = 1 assumed
  • Single pile: skin π(0.3)(30 × 5 + 50 × 10) = 612.6 kN plus base 9 × 50 × π(0.3)²/4 = 31.8 kN, total 644.4 kN; nine piles 5800 kN
  • Block 2.30 m × 1.80 m: side (30 × 5 + 50 × 10) × 8.2 = 5330 kN plus base 9 × 50 × 4.14 = 1863 kN, total 7193 kN
  • Smaller value governs: individual action, safe load = 5800/2.5 ≈ 2320 kN (efficiency 1.24)
Q7
50M solve Geotechnical and Water Resources Engineering

(a) A canal is to be excavated through a soil with c = 20 kN/m², φ = 20°, e = 0·80 and G = 2·70. The side slope is 1 in 1. The depth of the canal is to be 8 m. Determine the factor of safety with respect to cohesion when the canal runs full. What will be the factor of safety if the canal is rapidly emptied ? For β = 45°, the stability number for various φ values are as given below: φ = 5°, 10°, 15°, 20°, 25° S_n = 0·14, 0·12, 0·10, 0·08, 0·06 (15 marks) (b) The soil profile at a building site consists of dense sand up to 3 m depth, normally loaded soft clay from 3 m to 8 m depth and stiff impervious rock below 8 m depth. The ground water table is at 0·60 m depth below ground level. The sand has a density of 18·6 kN/m³ above water table and 19·2 kN/m³ below water table. For the clay, natural water content is 50%, liquid limit is 70% and specific gravity is 2·70. Calculate the probable ultimate settlement resulting from a uniformly distributed surface load of 50 kN/m² applied over an extensive area of the site. (15 marks) (c) The flow of water in a canal varies from 425 l/s to 680 l/s. It is desired to discharge not less than 340 l/s of water and not more than 425 l/s over a 90° V-notch weir into one channel, while the remainder goes over a sharp-crested rectangular weir. Find the length of rectangular weir and maximum head on each weir. Take C_d = 0·58 for both weirs. (20 marks)

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(क) एक नहर को एक मृदा, जिसका c = 20 kN/m², φ = 20°, e = 0·80 एवं G = 2·70 है, में खोदा जाना है। पार्श्व ढाल 1 में 1 है। नहर की गहराई 8 m रखनी है। नहर के पूर्ण प्रवाहित होने पर संसजन के सापेक्ष में सुरक्षा गुणक ज्ञात कीजिए। यदि नहर तेजी से खाली की जाए, तो सुरक्षा गुणांक क्या होगा ? β = 45° के लिए, φ के विभिन्न मानों के लिए स्थायित्व अंक निम्नप्रकार हैं : φ = 5°, 10°, 15°, 20°, 25° S_n = 0·14, 0·12, 0·10, 0·08, 0·06 (15 अंक) (ख) एक निर्माण स्थल पर मृदा परिछेदिका (प्रोफाइल) में सघन रेत 3 m गहराई तक, सामान्य भारित मृदु मृत्तिका 3 m से 8 m गहराई तक एवं 8 m से नीचे दृढ़-अप्रवेश्य चट्टान है। भौम जल स्तर धरातल से 0·6 m नीचे है। रेत का घनत्व जल स्तर के ऊपर 18·6 kN/m³ और जल स्तर के नीचे 19·2 kN/m³ है। मृत्तिका के लिए प्राकृतिक जलांश 50%, द्रव सीमा 70% और विशिष्ट घनत्व 2·70 है। स्थल के एक विस्तृत क्षेत्र पर लगाए गए 50 kN/m² के एकसमान वितरित सतही भार के कारण होने वाले संभावित चरम निषदन की गणना कीजिए। (15 अंक) (ग) एक नहर में जल प्रवाह 425 l/s से 680 l/s तक परिवर्तित होता है। यह अपेक्षित है कि 90° के V-नोच वियर से एक वाहिका में छोड़े जाने वाले जल का विसर्जन 340 l/s से कम एवं 425 l/s से अधिक न हो, जबकि बचा हुआ जल एक तीक्ष्ण-शिखर-आयताकार वियर के ऊपर से जाता है। आयताकार वियर की लंबाई और प्रत्येक वियर के ऊपर अधिकतम दाबोच्चता ज्ञात कीजिए। दोनों वियर के लिए C_d = 0·58 लीजिए। (20 अंक)

Answer approach & key points

Framework: Geotechnical Engineering Analysis. (a) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (b) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (c) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation Full marks: All steps shown with correct formulas, units, and final values with checks.

  • γ_sat = (G + e)γ_w/(1 + e) = 19.08 kN/m³ and γ′ = (G − 1)γ_w/(1 + e) = 9.27 kN/m³
  • Canal full (submerged slope): S_n = 0.08 for φ = 20° with γ′: F_c = 20/(0.08 × 9.27 × 8) = 3.37
  • Rapid drawdown: weighted φ_w = (γ′/γ_sat)φ ≈ 9.7°, S_n from the given table ≈ 0.12 (interpolated 0.121), used with γ_sat
  • F_c after drawdown = 20/(0.121 × 19.08 × 8) ≈ 1.08–1.09, far below the full-canal value
  • Clay: e₀ = wG = 1.35; γ_sat = 16.9 and γ′ = 7.10 kN/m³
  • σ′₀ at mid-clay (5.5 m) = 0.6 × 18.6 + 2.4 × 9.39 + 2.5 × 7.10 = 51.4 kPa
  • C_c = 0.009(w_L − 10) = 0.54; Δσ = 50 kPa at all depths (extensive load)
  • S = C_c H/(1 + e₀) × log[(σ′₀ + Δσ)/σ′₀] = (0.54 × 5/2.35) log(101.4/51.4) ≈ 0.34 m
  • V-notch Q = (8/15)C_d√(2g)H^2.5 = 1.370H^2.5: H = 0.573 m at 340 l/s and 0.626 m at 425 l/s
  • Both weirs share the canal water level; the rectangular weir carries 85 l/s at minimum and 255 l/s at maximum flow
  • Head ratio [(h + 0.053)/h]^1.5 = 255/85 = 3 gives h = 0.050 m and 0.103 m; crest 0.523 m above the V vertex
  • L = 0.255/[(2/3)C_d√(2g) × 0.103^1.5] ≈ 4.5 m; maximum heads 0.626 m (V-notch) and 0.103 m (rectangular)
Q8
50M solve Geotechnical and Fluid Machinery Engineering

(a) A retaining wall 8 m high, with a smooth vertical back is pushed against a soil mass having c = 50 kN/m², φ = 15° and unit weight 18 kN/m³. It carries a surcharge of 40 kN/m² uniformly on its top surface. Draw the passive pressure distribution diagram and find the point of application of the resultant thrust. (15 marks) (b) A particular soil failed under a major principal stress of 600 kN/m² with a corresponding minor principal stress of 200 kN/m². If for the same soil, the minor principal stress had been 300 kN/m², determine what the major principal stress would have been if (i) φ = 35° and (ii) φ = 0°. (15 marks) (c) An inward flow reaction turbine works under a head of 30 m and discharge of 10 m³/s. The speed of runner is 300 r.p.m. At the inlet tip of runner vane, the peripheral velocity of wheel is 0.9√2gH and the radial velocity of flow is 0.3√2gH, where H is the head on the turbine. If the overall efficiency and the hydraulic efficiency of the turbine are 80% and 90% respectively, determine : (i) the power developed in kw (ii) diameter and width of runner at inlet (iii) guide blade angle at inlet (iv) inlet angle at runner vane Assume that the discharge at outlet is radial. (20 marks)

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(क) एक मसृण ऊर्ध्वाधर पृष्ठ वाली 8 m ऊँची एक प्रतिधारक भित्ति को एक मृदा संहति जिसका c = 50 kN/m², φ = 15° एवं एकक भार 18 kN/m³ है, के विरुद्ध धक्का दिया जाता है। यह अपने शीर्ष सतह पर 40 kN/m² का सम अधिभार वहन करती है। निष्क्रिय-दाब-वितरण-आरेख बनाइए और परिणामी प्रणोद के लिए प्रयोग बिंदु भी ज्ञात कीजिए। (15 अंक) (ख) एक विशिष्ट मृदा, 600 kN/m² के एक उच्च मुख्य प्रतिबल और 200 kN/m² के संगत निम्न मुख्य प्रतिबल पर विफल हो जाती है। यदि इसी मृदा नमूने के लिए निम्न मुख्य प्रतिबल 300 kN/m² होता तो निर्धारित कीजिए कि उच्च मुख्य प्रतिबल कितना होता, यदि (i) φ = 35° एवं (ii) φ = 0° है। (15 अंक) (ग) एक अंतर्मुख प्रवाही प्रतिक्रिया टरबाइन 30 m की दाबोच्चता और 10 m³/s के निस्सरण पर कार्यरत है। चक्राल (रनर) की गति 300 r.p.m है। चक्राल वेन के अंतर्गम अग्र पर चक्र का परिधीय वेग 0.9√2gH एवं प्रवाह का त्रिज्य वेग 0.3√2gH है, जहाँ H टरबाइन पर दाबोच्चता है। यदि टरबाइन की कुल दक्षता एवं द्रवीय (हाइड्रॉलिक) दक्षता क्रमशः: 80% एवं 90% है तो, ज्ञात कीजिए : (i) उत्पन्न शक्ति, kw में (ii) अंतर्गम पर चक्राल का व्यास और चौड़ाई (iii) अंतर्गम पर निर्देशक ब्लेड कोण (iv) चक्राल वेन पर अंतर्गम कोण निर्गम पर विसर्जन त्रिज्यीय मान लीजिए। (20 अंक)

Answer approach & key points

Framework: Rational Design Method. (a) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (b) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (c) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation Full marks: All calculations correct with proper units, complete diagrams, and clear assumptions stated.

  • K_p = tan²(45° + φ/2) = 1.698 (√K_p = 1.303)
  • p_p = K_p(q + γz) + 2c√K_p: 198.3 kN/m² at the top and 442.8 kN/m² at the base; compressive throughout (no tension zone in the passive case)
  • P_p = 198.3 × 8 + ½ × 244.6 × 8 = 1586 + 978 = 2564 kN/m
  • Point of application ȳ = (1586 × 4 + 978 × 8/3)/2564 = 3.49 m above the base
  • σ₁ = σ₃N_φ + 2c√N_φ with N_φ = tan²(45° + φ/2)
  • Same soil and envelope: σ₁′ = σ₁ + N_φ(σ₃′ − σ₃) = 600 + 100N_φ
  • φ = 35°: N_φ = 3.69, σ₁′ ≈ 969 kN/m²
  • φ = 0: N_φ = 1 (c = 200 kN/m²), σ₁′ = 700 kN/m²
  • √(2gH) = 24.26 m/s; u₁ = 21.84 and V_f1 = 7.28 m/s; P = η_o ρgQH = 0.8 × 2943 = 2354 kW
  • Radial discharge: η_h = V_w1u₁/(gH) gives V_w1 = 12.13 m/s
  • D₁ = 60u₁/(πN) = 1.39 m; b₁ = Q/(πD₁V_f1) = 0.315 m
  • Guide blade angle α = tan⁻¹(V_f1/V_w1) = 30.96°; vane angle θ = tan⁻¹[V_f1/(u₁ − V_w1)] = 36.87°

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