15
10/29/12 1 20. Rheology & Linear Elas7city I Main Topics A Rheology: Macroscopic deforma7on behavior B Linear elas7city for homogeneous isotropic materials 10/29/12 GG303 1 20. Rheology & Linear Elas7city 10/29/12 GG303 2 hIp://manoa.hawaii.edu/graduate/content/slidelava Viscous (fluid) Behavior

Lec.20.pptx Rheology & Linear Elasticity

Embed Size (px)

DESCRIPTION

A Rheology: Macroscopic deformation behaviorB Linear elasticity for homogeneous isotropic materials

Citation preview

10/29/12  

1  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

I  Main  Topics    

A    Rheology:  Macroscopic  deforma7on  behavior    B    Linear  elas7city  for  homogeneous  isotropic  materials  

10/29/12   GG303   1  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

10/29/12   GG303   2  

hIp://manoa.hawaii.edu/graduate/content/slide-­‐lava  

Viscous  (fluid)  Behavior  

10/29/12  

2  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

10/29/12   GG303   3  

hIp://hvo.wr.usgs.gov/kilauea/update/images.html  

hIp://www.hilo.hawaii.edu/~csav/gallery/scien7sts/LavaHammerL.jpg  

hIp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/89/Ropy_pahoehoe.jpg  

Duc7le  (plas7c)  Behavior  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

10/29/12   GG303   4  

hIp://www.earth.ox.ac.uk/__data/assets/image/0006/3021/seismic_hammer.jpg  

hIps://thegeosphere.pbworks.com/w/page/24663884/Sumatra  

Elas7c  Behavior  

10/29/12  

3  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

10/29/12   GG303   5  

hIp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/89/Ropy_pahoehoe.jpg  

BriIle  Behavior  (fracture)  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

II  Rheology:  Macroscopic  deforma7on  behavior    A  Elas7city  

1  Deforma7on  is  reversible  when  load  is  removed    

2    Stress  (σ)  is  related  to  strain  (ε)    

3    Deforma7on  is  not  'me  dependent  if  load  is  constant    

4  Examples:  Seismic  (acous'c)  waves,  rubber  ball  

10/29/12   GG303   6  

hIp://www.fordogtrainers.com  

10/29/12  

4  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

II  Rheology:  Macroscopic  deforma7on  behavior    A  Elas7city  

1  Deforma7on  is  reversible  when  load  is  removed    

2    Stress  (σ)  is  related  to  strain  (ε)    

3    Deforma7on  is  not  'me  dependent  if  load  is  constant    

4  Examples:  Seismic  (acous'c)  waves,  rubber  ball  

10/29/12   GG303   7  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

II  Rheology:  Macroscopic  deforma7on  behavior    B  Viscosity    

1  Deforma7on  is  irreversible  when  load  is  removed  

2    Stress  (σ)  is  related  to  strain  rate  (ε)  

3    Deforma7on  is  7me  dependent  if  load  is  constant  

4  Examples:  Lava  flows,  corn  syrup  

10/29/12   GG303   8  

hIp://wholefoodrecipes.net  

10/29/12  

5  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

II  Rheology:  Macroscopic  deforma7on  behavior    B  Viscosity    

1  Deforma7on  is  irreversible  when  load  is  removed  

2    Stress  (σ)  is  related  to  strain  rate  (ε)  

3    Deforma7on  is  7me  dependent  if  load  is  constant  

4  Examples:  Lava  flows,  corn  syrup  

10/29/12   GG303   9  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

II  Rheology:  Macroscopic  deforma7on  behavior    C    Plas7city  

1    No  deforma7on  un7l  yield  strength  is  locally  exceeded;  then  irreversible  deforma7on  occurs  under  a  constant  load  

2    Deforma7on  can  increase  with  7me  under  a  constant  load    

3  Examples:  plas7cs,  soils  

10/29/12   GG303   10  

hIp://www.therapypuIy.com/images/stretch6.jpg  

10/29/12  

6  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

II  Rheology:  Macroscopic  deforma7on  behavior    C    BriIle  Deforma7on  

1  Discon7nuous  deforma7on  

2  Failure  surfaces  separate  

10/29/12   GG303   11  

hIp://www.thefeeherytheory.com  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

II  Rheology:  Macroscopic  deforma7on  behavior    D  Elasto-­‐plas7c  rheology    

10/29/12   GG303   12  

10/29/12  

7  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

II  Rheology:  Macroscopic  deforma7on  behavior    E  Visco-­‐plas7c  rheology    

10/29/12   GG303   13  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

II  Rheology:  Macroscopic  deforma7on  behavior    F  Power-­‐law  creep  

1  ė  =  (σ1  −  σ3)n  e(−Q/RT)  

2  Example:  rock  salt  

10/29/12   GG303   14  

10/29/12  

8  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

II  Rheology:  Macroscopic  deforma7on  behavior    G    Linear  vs.  nonlinear  behavior    

10/29/12   GG303   15  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

II  Rheology:  Macroscopic  deforma7on  behavior    H  Rheology=f  (σij  ,fluid  pressure,  strain  rate,  chemistry,  temperature)    

I    Rheologic  equa7on  of  real  rocks  =  ?  

10/29/12   GG303   16  

10/29/12  

9  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

10/29/12   GG303   17  

II  Rheology  (cont.)  J  Experimental  results  

Compression  test  data  on  Tennessee  marble  II    from  Wawersik,  1968    

Axial  stress  

Pc  =  confining                    pressure   Ela

s7c  

Plas7c  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

III  Linear  elas7city  A  Force  and  displacement  

of  a  spring  (from  Hooke,  1676):  F=  kx  1  F  =  force    2  k  =  spring  constant  

 Dimensions:F/L    3  x  =  displacement  

 Dimensions:  length  L)    

10/29/12   GG303   18  

x  

F  

F  

x  

k  

10/29/12  

10  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

III  Linear  elas7city  (cont.)  

B    Hooke’s  Law  for  uniaxial  stress:  σ  =  Eε  

1  σ  =  uniaxial  stress  2  E  =  Young’s  modulus  

 Dimensions:  stress    3  ε  =  strain    Dimensionless  

10/29/12   GG303   19  

σ  

ε  

E  

σ  

ε=ΔL/L0  L0  L0+ΔL  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  Typical  rock  moduli  and  strengths  

                                 Young’s        Poisson’s                            Modulus              Ra0o  

                 (GPa)  

Rock  type   Emin   Emax   ν   Ν  

Quartzite   70   105   0.11   0.25  

Gneiss   16   103   0.10   0.40  

Basalt   16   101   0.13   0.38  

Granite   10   74   0.10   0.39  

Limestone   1   92   0.08   0.39  

Sandstone   10   46   0.10   0.40  

Shale   10   44   0.10   0.19  

Coal   1.5   3.7   0.33   0.37  

Uniaxial  Strengths  (MPa)  

10/29/12   GG303   20  

Rock  type   Tensile  (low)  

Tensile  (high)  

Comp.  (low)    

Comp.  (high)    

Quartzite   17   28   200   304  

Gneiss   3   21   73   340  

Basalt   2   28   42   355  

Granite   3   39   30   324  

Limestone   2   40   48   210  

Sandstone   3   7   40   179  

Shale   2   5   36   172  

Coal   1.9   3.2   14   30  

10/29/12  

11  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

III  Linear  elas7city  (cont.)  B    Hooke’s  Law  for  uniaxial  

stress  (cont.):  ε1  =  σ1/E  1  σ2  =  σ3  =  0  2  ε2  =  ε3  =  -­‐νε1  

a  ν  =  Poisson’s  ra7o  b    ν  is  dimensionless  c  Strain  in  one  

direc7on  tends  to  induce  strain  in  another  direc7on  

10/29/12   GG303   21  

ε  

σ1  

ε=ΔL/L0  L0  L0+ΔL  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

III  Linear  elas7city  (cont.)  

C    Linear  elas7city  in  3D  for  homogeneous  isotropic  materials    By  superposi7on:  1  εxx  =  σxx/E  –  (σyy+σzz)(ν/E)  2  εyy  =  σyy/E  –  (σzz+σxx)(ν/E)  3  εzz  =  σzz/E  –  (σxx+σyy)(ν/E)  

10/29/12   GG303   22  

ε  

10/29/12  

12  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

III  Linear  elas7city  (cont.)  C    Linear  elas7city  in  3D  for  

homogeneous  isotropic  materials  (cont.)  4  Direc7ons  of  principal  

stresses  and  principal  strains  coincide    

5  Extension  in  one  direc7on  can  occur  without  tension    

6  Compression  in  one  direc7on  can  occur  without  shortening  

10/29/12   GG303   23  

ε  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

III  Linear  elas7city  

E  Special  cases  1  Isotropic  (hydrosta7c)  stress    

 a  σ1  =  σ2  =  σ3    b  No  shear  stress    

2  Uniaxial  strain  a  εxx=  ε1≠  0  b  εyy  =  εzz  =  0  

10/29/12   GG303   24  

x  

10/29/12  

13  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

III  Linear  elas7city  E  Special  cases  

3  Plane  stress  (2D)    σz  =  0    “Thin  plate”  case  

4  Plane  strain  (2D)    εz  =  0  a  Displacement  in  z-­‐direc7on  is  constant  (e.g.,  zero)  

b  Plate  is  confined  between  rigid  walls  

c  “Thick  plate”  case  10/29/12   GG303   25  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

III  Linear  elas7city  

E  Special  cases  5  Pure  shear  stress  (2D)  

 σxx=  -­‐σyy;  σzz=0  

10/29/12   GG303   26  

10/29/12  

14  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

III  Linear  elas7city  

F  Strain  energy  (W0)  for  uniaxial  stress  

1  

2  W  =  (1/2)(σxxdydz)  (εxxdx)  

3  W  =  (1/2)  (σxxεxx)  (dxdydz)  

4  W0  =  W/(dxdydz)  

5  W0  =  (1/2)(σxxεxx)  10/29/12   GG303   27  

εxxdx  

W = Fdu0

u

∫ = σ xxdydz( ) dudx

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟dx

0

du

W0  =  strain  energy  density  

σxxdydz  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

III  Linear  elas7city  G  Strain  energy  (W0)  in  3D  

W0  =  (1/2)(σ1ε1+σ2ε2+σ3ε3)  

10/29/12   GG303   28  

εxxdx  

σxxdydz  

10/29/12  

15  

20.  Rheology  &  Linear  Elas7city  

III  Linear  elas7city  D  Rela7onships  among  

different  elas7c  moduli    1  G  =  μ  =  shear  modulus    G  =  E/(2[1+ν])    

 εxy  =  σxy/2G  2  λ  =  Lame'  constant    

 λ  =  Ev/([1  +  ν][1  -­‐  2ν])    3  K  =  bulk  modulus      K  =  E/(3[1  -­‐  2ν])    

4  β  =  compressibility      β  =  1/K    

 ∆  =  εxx+εyy+  εzz=  -­‐p/K    p  =  pressure  

5  P-­‐wave  speed:  Vp  

6  S-­‐wave  speed:  Vs  

10/29/12   GG303   29  

Vp = K + 43µ⎛

⎝⎜⎞⎠⎟ ρ

Vs = µ ρ