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Solid Mechanics Dr. Imran Latif Department of Civil and Environmental Engineering College of Engineering University of Nizwa (UoN) 1 Chapter 1: Tension, Compression and Shear

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Solid Mechanics

Dr. Imran LatifDepartment of Civil and Environmental Engineering

College of EngineeringUniversity of Nizwa (UoN)

1

Chapter 1: Tension, Compression and Shear

Page 2: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Why do we study Mechanics of Solids? 2

Anyone 

concerned 

with 

the 

strength 

and 

physical 

performance 

of 

natural/man‐made structures should study Mechanics of Solids

Page 3: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Introduction to Mechanics of Solids 3

Definition: Mechanics of solids is a branch of applied mechanics 

that deals with the behaviour of solid bodies subjected to various 

types of loading

Compression

Tension

Bending

Torsion

Shearing(streteched)

(twisted)

Page 4: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Introduction to Mechanics of Solids 4

Fundamental concepts

• stress and strain

• deformation and displacement

• elasticity and inelasticity

• load‐carrying capacity 

Design and analysis of mechanical  and structural systems

Page 5: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Introduction to Mechanics of Solids 5

Examination of stresses and 

strains inside real bodies of 

finite dimensions that deform 

under loads

In order to determine stresses 

and strains we use:

Physical properties of 

materials

Theoretical laws and 

concepts

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Problem solving 6

• Draw the free‐body diagram

• Check your diagram

• Calculate the unknowns

• Check your working

• Compute the problem

• Check your working

• Write the solution

• Check your working

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Free Body Diagram 7

Free Body Diagram

The unknowns: RA

, RB

, RC

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Free Body Diagram 8

Free Body Diagram

The unknowns: Ax

, Ay

, CB

Page 9: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Normal stress and strain•

Most fundamental concepts in Mechanics of Materials are stress and strain 

Prismatic bar: Straight structural member with the 

same

cross‐section 

throughout its length

Axial force: Load directed along the axis of the member

Axial force can be tensile

or compressive

Axial loads: Tension (+) and compression (−)

Type of loading for landing gear strut and for tow bar?

9

Structural members subjected to axial loads

Page 10: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Normal stress and strain 10

A truss bridge is a type of beam bridge with a skeletal structure. The 

forces of tension, or pulling, are represented by red lines and the 

forces of compression, or squeezing, are represented by green lines.

Page 11: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Normal stress 11

Continuously distributed stresses

acting over the entire cross‐section. 

Axial force P is the resultant of those 

stresses 

Stress (σ)

has units of force per unit 

area 

If stresses acting on cross‐section 

are uniformly distributed then:

Units of stress in USCS: pounds per square inch (psi) or kilopounds per square inch (ksi)SI units: newtons per square meter (N/m2) which is equal to Pa

FBD of a segment of the bar

Segment  of the bar before loading

Segment of bar after loading

Normal stresses in the bar

Page 12: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Limitations  12

The loads P are transmitted to the bar by pins that pass through

the holes

High localized stresses are produced 

around the holes !!

Stress concentrations

Steel eyebar subjected to tensile loads P

Page 13: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Normal strain 13

A prismatic bar will change in length when under a uniaxial tensile 

force, and obviously it will become longer

Definition of elongation per unit length 

or strain (ε)

If bar is in tension, strain is tensile 

and if in compression the strain is 

compressive

Strain is a dimensionless quantity 

(i.e. no units) 

FBD of a segment of the bar

Segment  of the bar before loading

Segment of bar after loading

Normal stresses in the bar

Page 14: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Line of action of the axial forces for  a uniform stress distribution

14

It can be demonstrated that in 

order to have uniform tension or 

compression in a prismatic bar, 

the axial force must act through 

the centroid of the cross‐

sectional area.

Page 15: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Example 

A short post constructed from a 

hollow circular tube of aluminum 

supports a compressive load of 26 

kips (26000 lb). The inner and outer 

diameters of the tube are d1

= 4 in. 

and d2

= 4.5 in. respectively, and its 

length is 16 in. The shortening of the 

post due to the load is measured as 

0.012 in.

Determine:

(a) Compressive stress in the 

post.

(b) Compressive strain in the 

post.

15

Page 16: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

16

Page 17: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Problem  17

Problem

A circular aluminum tube of length L = 400 mm is loaded in compression by forces P (see figure). The outside and inside diameters are 60 mm and 50 mm, respectively. A strain gage is placed on the outside of the bar to measure normal strains in the longitudinal

direction.

(a) If the measured strain is 550 x 10-6

, what is the shortening of the bar?

(b) If the compressive stress in the bar is intended to be 40 MPa, what should be the load P?

Page 18: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

18

Problem

Two steel wires, AB and BC, support a lamp weighing 18 lb (see figure). Wire AB is at an angle α

= 34°

to the horizontal and wire BC is at an angle β

= 48°. Both wires have diameter 30 mils. (Wire diameters are often expressed in mils; one mil equals 0.001 in.)

Determine the tensile stresses AB and BC in the two wires.

Page 19: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Mechanical properties of materials 19

In order to understand the mechanical 

behaviour of materials we need to perform  

experimental testing in the lab

A tensile test machine is a typical equipment 

of a mechanical testing lab

ASTM (American Society for Testing and 

Materials)   

Page 20: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Stress () –

strain () diagrams 20

Page 21: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

diagrams 21

Stress‐strain diagram for a typical structural 

steel in tension (not to scale)

Nominal stress and strain (in the calculations we use the initial

cross‐sectional area A)

True stress  (in the calculations we use the cross‐sectional area A 

when failure occurs)

True strain if we use a 

strain gauge

Stress‐strain diagrams 

contain important 

information about 

mechanical properties 

and behaviour

Page 22: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

diagrams 22

OA: Initial region which 

is linear and 

proportional (Slope of 

OA is called modulus of 

elasticity)

BC: Considerable 

elongation occurs with 

no noticeable increase 

in stress (yielding)

CD: Strain hardening –

changes in crystalline structure (increased 

resistance to further deformation)

DE: Further stretching leads to reduction in the applied load and fracture 

OABCE’: True stress‐strain curve

Page 23: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

23

Tensile coupon test specimens showing elongation 

immediately prior to failure (G.J. Davies)

Page 24: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

diagrams 24

Stress‐strain diagram for a typical 

structural steel in tension (drawn to 

scale)

The strains from zero to point A are so 

small as compared to the strains from 

point A to E and can not be seen (it is 

a vertical line…)

Metals, such as structural steel, that 

undergo permanent large strains 

before failure are ductile

Ductile materials

absorb large 

amounts of strain energy

Ductile materials: aluminium, copper, 

magnesium, lead, molybdenum, 

nickel, brass, nylon, teflon 

Page 25: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Aluminum alloys 25

Typical stress‐strain diagram for an 

aluminum alloy.

Although ductile, aluminium alloys 

typically do not have a clearly 

definable yield point

However, they have  an initial 

linear region with a recognizable 

proportional limit 

Structural alloys have proportional 

limits in the range of 70‐410 MPa 

and ultimate stresses in the range 

of 140‐550 MPa

Page 26: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Offset method 26

When the yield point is not 

obvious, like in the previous 

case, and undergoes large 

strains, an arbitrary yield stress 

can be determined by the 

offset method (e.g. 0.002 or 

0.2%)

The intersection of the offset 

line and the stress‐strain curve 

(point A) defines the yield 

stress

Page 27: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Brittle materials 27

Typical stress‐strain diagram for a brittle 

material showing the proportional limit 

(point A) and fracture stress (point B)

Brittle materials fail at relatively 

low strains and little elongation 

after the proportional limit

Brittle materials: concrete, marble, 

glass, ceramics and metallic alloys

The reduction in the cross‐

sectional area until fracture (point 

B) is insignificant and the fracture 

stress (point B) is the same as the 

ultimate stress

Page 28: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

28

Problem

Three different materials, designated A, B,and C, are tested in tension using test specimens having diameters of 0.505 in. and gage lengths of

2.0 in. (see figure).

At failure, the distances between the gage marks are found to be

2.13, 2.48, and 2.78 in., respectively. Also, at the failure cross sections the diameters are found to be0.484, 0.398, and 0.253 in., respectively. Determine the percent elongation and percent reduction in area of each specimen, and then, using your own judgment, classify each material as brittle or ductile.

Page 29: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

29

Problem 1.3-6

A specimen of a methacrylate plastic is tested in tension at room temperature (see figure), producing the stress-strain data listed in the accompanying table. Plot the stress-strain curve and determine the proportional limit, modulus of elasticity (i.e., the slope of the initial part of the stress-strain curve), and yield stress at 0.2% offset. Is the material ductile or brittle?

Page 30: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Solution to problem 30

Modulus of elasticity: 2.35 GPa

Proportional limit: 47 MPa

Yield stress: 52.5 MPa

Material is brittle, because the strain after the proportional limit is exceeded is relatively small.

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Elasticity  31

Fig. 1. Elastic behavior

Fig. 2. Plastic behavior

What happens when the load is removed (i.e. 

the material is unloaded)?

Tensile load is applied from O to A  (Fig 1) and 

when load is removed the material follows the 

same curve back. This property is called 

elasticity

If we load the same material from O to B (Fig 

2) and then unloading occurs, the material 

follows the line BC. Line OC represents the 

residual

or permanent

strain. Line CD 

represents the elastic recovery of the material. 

During unloading the material is partially 

elastic

Page 32: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Plasticity 32

Plasticity

is the characteristic of a material which undergoes inelastic 

strains beyond the strain at the elastic limit ”

When large deformations occur in a ductile material loaded in the 

plastic region, the material is undergoing plastic flow

Page 33: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

33

If the material is in the elastic range, it can 

be loaded, unloaded and loaded again 

without significantly changing the behaviour

When loaded in the plastic range, the 

internal structure of the material is altered 

and the properties change

If the material is reloaded (fig 1‐19), CB is a 

linearly elastic region with the same slope as 

the slope of the tangent to the original 

loading curve at origin OBy stretching steel or aluminium  into the 

plastic range, the properties of  the material 

are changed

Reloading of a material

Page 34: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Creep  34

When loaded for periods of time, some 

materials develop additional strains and 

are said to creep

Even though the load P remains constant 

after

time t0, the bar gradually lengthens

Relaxation is a process at which, after time t0

the stress in the wire gradually diminishes and 

eventually is reaching a constant value

Creep is more important at high temperatures 

and has to be considered in the design of 

engines and furnaces  

Page 35: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Hooke’s law 35

Many structural materials such as metals, wood, plastics and ceramics 

behave both elastically and linearly when first loaded and their

stress‐

strain curve begin with a straight line passing through origin (line OA)

Linear elastic materials are useful for designing structures and

machines 

when permanent deformations, due to yielding, must be avoided  

Page 36: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Hooke’s law 36

Robert Hooke

(1635‐1703)

The linear relationship between stress and strain for a bar in 

simple tension or compression is expressed by:

σ

= E εσ

is axial stress

ε

is axial strain

E is modulus of elasticity

Hooke’s law

The above equation is a limited version of Hooke’s Law relating only the 

longitudinal stresses and strains that are developed during  the

uniaxial 

loading of a prismatic bar 

Robert Hooke

was an English inventor, microscopist, physicist, surveyor, 

astronomer, biologist and artist, who played an important role in the 

scientific revolution, through both theoretical and experimental

work. 

Page 37: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Modulus of Elasticity 37

E is called modulus of elasticity or Young’s modulus and 

is a constant

It is the slope of the stress – strain curve in the linearly 

elastic region

Units of E are the same as the units of stress (i.e. psi or 

Pa)

Thomas Young

was an English polymath, contributing to the scientific 

understanding of vision, light, solid mechanics, energy, physiology, and 

Egyptology.

Page 38: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

When a prismatic bar is loaded in tension the 

axial elongation is accompanied by lateral 

contraction

The lateral strain ε’

at any point in a bar is 

proportional to the axial strain ε

at the same 

point if the material is linearly elastic

The ratio of the above two strains is known as Poisson’s ratio

(ν)

Poisson’s ratio 38

lateral 

contractionlongitudinal 

extension

ν

= ‐

(lateral strain / axial strain =  ‐

(ε’

/ ε

)

Page 39: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Poisson’s ratio 39

Simeon Denis Poisson(1781‐1840)

Siméon‐Denis Poisson

was a French mathematician, geometer, and 

physicist.

The minus sign in the equation is because the lateral 

strain is negative (width of the bar decreases) and the 

axial tensile strain is positive. Therefore, the Poisson’s 

ratio will have a positive value. 

When using the Poisson’s ratio equation we need to 

know that it applies only to a prismatic bar in uni‐axial 

stress

Poisson’s value of concrete = 0.1 – 0.2

Poisson’s value of rubber = 0.5

Page 40: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Limitations 40

Poisson’s ratio is constant in the 

linearly elastic range

Material must be homogeneous 

(same composition at every 

point)

Materials having the same 

properties in all directions are 

called isotropic

If the properties differ in 

various directions the materials 

called anisotropic 

Page 41: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Shear stress and shear strain 41

tangentialperpendicular

Shear stress

acts tangential to the surface 

of the material and not perpendicular 

Consider the bolted connection of  Figure 

where A is a flat bar, C a clevis and B a bolt

When load P is applied, the bar and clevis 

will press against the bolt and bearing 

stresses

will be developed 

The bar and clevis tend to shear

the bolt

Page 42: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Shear stress and shear strain 42

If we have a closer look from the side 

view (fig b) and draw a FBD (fig c)

bearing area

total bearing force

Bearing stresses exerted by the clevis against the 

bolt appear on the left‐hand side (1 and 3) 

Stresses from the bar are on the right‐hand side (2)

Based on the assumption of uniform stress 

distribution we can calculate an average bearing 

stress σb

Page 43: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Shear stress and shear strain 43

The 

bearing 

area 

Ab

is 

defined 

as 

the 

projected 

area 

of 

the 

curved 

bearing 

surface. 

For 

example 

(for 

stresses 

labeled 

1) 

the 

projected 

area 

on 

which 

the stresses 

act is a 

rectangle 

with 

height 

equal 

to 

the 

thickness of the clevis and width equal to the diameter of the bolt

The bearing force Fb

(for stresses labeled 1) is equal to P/2

The same area and force apply for stresses labeled 3For 

bearing 

stresses 

labeled 

the 

bearing 

area 

is 

rectangle 

with 

height 

equal 

to 

the 

thickness 

of 

the 

flat 

bar 

and 

width 

equal 

to

the 

diameter of the bolt. The force is equal to P

Page 44: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Shear stress and shear strain 44

The FBD (fig. c) shows that there is a tendency to shear the bolt along the 

cross sections mn and pq

From the FBD (fig. d) of the portion mnqp of the bolt we see that the shear 

forces V act over the cut surfaces of the bolt. There are two planes of shear 

(plane mn and plane pq). Therefore, the bolt is in double shear

The shear stresses acting on the cross section mn are shown (fig. e)Shear stresses are denoted by τ

Page 45: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Single shear 45

The axial force P in the metal bar is 

transmitted to the flange of the 

steel column through a bolt 

A cross section of the column (fig b) 

shows more details

Fig c shows the assumed distribution 

of the bearing stresses acting on the 

bolt

Cutting through the bolt at section 

mn (fig d) we see the shear force V 

(equal to load P). V is the resultant 

of the shear stresses that act over 

the cross‐sectional area of the bolt 

Page 46: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Single shear 46

Page 47: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Shear stress and strain 47

Discussing about bolted connections we disregard friction which is 

produced by tightening the bolts

Average shear stress on the cross section of a bolt is obtained by dividing 

the total shear force V by the area A of the cross section on which it acts:

Shear stresses have the same units as normal stresses

The two previous examples (double and single shear) are examples

of 

direct shear

Direct shear arises in the design of bolts, pins, rivets, keys, welds and 

glued joints

Page 48: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

48

Consider a small rectangular parallelepiped  

element 

Assume that a shear stress τ1

is uniformly 

distributed over the right‐hand side area bc 

(τ1bc

)

For equilibrium in the y direction the τ1bc

must 

be balanced by an equal and of opposite 

direction shear force on the left‐hand side

The forces τ1bc

acting on the right‐hand and 

left‐hand side faces form a couple having a 

moment about z‐axis equal to τ1

.abc 

(counterclockwise direction) 

Small element of material 

subjected to shear stresses

Page 49: Solid Mechanics - eduwavepool.unizwa.edu.om

Equality of shear stresses on perpendicular planes 49

Similarly, in order to have equilibrium of 

the element, we have a shear force τ2

.ac 

and consequently a clockwise couple of 

moment τ2

.abc 

It is therefore evident that for moment 

equilibrium we have:

τ1

= τ21.

Shear stresses on opposite and parallel faces of an element 

are equal in magnitude and opposite in direction

2.

Shear stresses on adjacent and perpendicular faces of an 

element are equal in magnitude and have directions such 

that both stresses point toward, or both point away from, 

the line of intersection of the faces

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50

Shear stresses

acting on an element of 

material (fig a) are accompanied by shear 

strains

The lengths of the sides of the element do 

not change but, the shear stresses 

produce a change in the shape of the 

element

Rectangular parallelepiped becomes 

oblique parallelepiped. Front and rear 

faces become rhomboids

The angle γ

(fig b) is a measure of 

distortion of the element and is called 

shear strain

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Hooke’s law in shear 51

We can plot shear stress‐strain diagrams

Hooke’s Law in shearτ

= Gγ

shear modulus of elasticity

shear strainshear stress

G has the same units as E (Young’s modulus)

G and E are also related by:

G = E / (2(1+ν)) Poisson’s ratio

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Allowable stresses & allowable loads 52

The principal design interest is 

strength

Strength is the capacity of the object 

to support or transmit loads

The actual strength of a structure 

must exceed

the required strength

Factor of safety must be greater than 

1 if failure is to be avoided

Factors of safety from slightly above 1 

to as much as 10 are used

Factor of safety (n) = Actual strength / Required strength

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Allowable stresses & allowable loads 53

Allowable stress = Yield strength / Factor of safety

σallow 

= σY 

/ n1 τallow 

= τY 

/ n2

tension shear

Allowable stress = Ultimate strength / Factor of safety

OR…

σallow 

= σU 

/ n3 τallow 

= τU 

/ n4

tension shear

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Allowable loads 54

Allowable load is also called permissible load or 

the safe load

Allowable load = (Allowable stress) (Area)

For bars in tension or compression:Pallow

= σallow

. A

For pins in direct shear:Pallow

= τallow

. A

Permissible load based upon bearing:Pallow

= σb

. A