background image

 

1

 
 

                           

PROPERTIES AND STRENGTH OF MATERIALS 

 

Dr. Muhannad Zedan 

References 

 

(1) Mechanics of Materials                                                         By: E. J. HEARN 

 

 

 
(

2) Strength of Materials                                                            By: K. William  

 
 
(3) Alloys: Preparation, Properties, Applications                  By: Fathi Habashi 
 
 
(4)  Materials for Engineers and Technicians                       By: Raymond A. Higgins
 
 
 
(5) Engineering Materials Science                                          By: Milton Ohring     
 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

2

 

SIMPLE STRESS AND STRAIN 

1. Load (P)   (N) 
       In  any  engineering  structure  or  mechanism  the  individual  components  will  be 
subjected to  external forces arising from  the service conditions or  environment in  which 
the component works.  

0

,

0

P

,

0

P

Y

X

=

Σ

=

Σ

=

Σ

o

M

 

      If  a  cylindrical  bar  is  subjected  to  a  direct  pull  or  push  along  its  axis  as  shown  in                 
Figure (1), then it is said to be subjected to tension or compression. 
 

 

Figure (1) Types of direct stress (Tension or Compression) 

 
In the  SI  system  of  units  load  is  measured in  newtons,  loads  appear  in SI  multiples,  i.e. 
kilonewtons (kN) or meganewtons (MN). There are a number of different ways in which 
load can be applied to a member. Typical loading types are: 
(a) Static or dead loads, i.e. non-fluctuating loads, generally caused by gravity effects. 
(b) Liue loads, as produced by, for example, lorries crossing a bridge. 
(c) Impact or shock loads caused by sudden blows. 
(d) Fatigue, fluctuating or alternating loads.  

2. Direct or normal stress (

σ

),(N/m

2

    A  bar  is  subjected  to  a  uniform  tension  or  compression,  i.e.  a  direct  force,  which  is 
uniformly or  equally  applied across the  cross  section,  then the  internal  forces set up  are 
also  distributed  uniformly  and  the  bar  is  said  to  be  subjected  to  a  uniform  direct  or 
normal stress, 
the stress being defined as 

A

P

area

Load

Stress

=

=

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

3

 

Stress   

(σ)

      may  thus  be  (i)  compressive  stress  or  (ii)  tensile  stress  depending  on  the 

nature of the load and will be measured in units of (N/m

2

).  

3. Direct strain (

ε

Figure (2) show a bar is subjected to a direct load, and hence a stress, the bar will change 
in length. If the bar has an original length L and changes in length by an amount 

δL, the 

strain produced is defined as follows: 
 

 

Strain is thus a measure of the deformation of the material and is non-dimensional,  

 

 

Alternatively, strain can be expressed as a percentage strain 

 

4. Sign convention for direct stress and strain 
    Tensile stresses and strains are considered 

POSITIVE

 in sense producing an increase in 

length. Compressive stresses and strains are considered 

NEGATIVE

 in sense producing a 

decrease in length. 

 

5. Elastic materials - Hooke’s law (E), (N/m

2

     

A  material  is  said  to  be  elastic  if  it  returns  to  its  original,  unloaded  dimensions  when 

load  is  removed.  A  particular  form  of  elasticity  which  applies  to  a  large  range  of 
engineering materials, at least over part of their load range, produces deformations which 
are  proportional  to  the  loads  producing  them.  stress  is  proportional  to  strain.  Hooke

’s 

law, in its simplest form*, therefore states that 
 

 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

4

Other  classifications  of  materials  with  which  the  reader  should  be  acquainted  are  as 
follows: 
  A  material  which  has  a  uniform  structure  throughout  without  any  flaws  or 
discontinuities 

is 

termed 

homogeneous 

material. 

Non-homogeneous 

or 

inhomogeneous  materials  such  as  concrete  and  poor-quality  cast  iron  will  thus  have  a 
structure which varies from point to point depending on its constituents and the presence 
of casting flaws or impurities. 
  If  a  material  exhibits  uniform  properties  throughout  in  all  directions  it  is  said  to  be 
isotropic;  
conversely  one  which  does  not  exhibit  this  uniform  behaviour  is  said  to  be 
nonisotropic or anisotropic. 
An  orthotropic  material  is  one  which  has  different  properties  in  different  planes.  A 
typical  example  of  such  a  material  is  wood,  although  some  composites  which  contain 
systematically  orientated  “inhomogeneities”  may  also  be  considered  to  fall  into  this 
category. 

  

6. Modulus of elasticity - Young’s modulus (E),     (N/m

2

 
Within the elastic limits of materials, i.e. within the limits in which Hooke’s law applies, 
it has been shown that: 

 

 

 

This constant is given the symbol E and termed the modulus of elasticity or Young

’s 

modulus, Thus 

ε

σ

=

=

Strain

Stress

E

           …..(1) 

 

L

A

L

P

E

δ

.

.

=

                   …..(2) 

 

Young’s modulus  E  is  generally  assumed  to  be the  same  in  tension  or  compression  and 
for most engineering materials has a high numerical value. Typically, E = 200 l0

9

 N/m

2

 

for steel.  

E

σ

ε

=

                  ……(3) 

 
 
In most common engineering applications strains do not often exceed 0.003 or 0.3 %  so 
that  the  assumption  used  later  in  the  text  that  deformations  are  small  in  relation  to 
original dimensions is generally well founded.  

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

5

7. Tensile test 
      The standard tensile test in which a circular bar of uniform cross-section is subjected 
to a gradually increasing tensile load until failure occurs. Measurements of the change in 
length  of  a  selected  gauge  length  of  the  bar  are  recorded  throughout  the  loading 
operation  by  means  of  extensometers  and  a  graph  of  load  against  extension  or  stress 
against strain is produced as shown in Fig. (3); this shows a typical result for a test on a 
mild (low carbon) steel  bar;  other materials  will exhibit different graphs  but of a similar 
general form see Figures (5) to( 7). 

 

 

 

Figure (3) Typical tensile test curve for mild steel. 

 
 

 For the first part  of the test  it will be observed  that Hooke’s law is obeyed, the material 
behaves  elastically  and  stress  is  proportional  to  strain,  giving  the  straight-line  graph 
indicated.  Some  point  A  is  eventually  reached,  however,  when  the  linear  nature  of  the 
graph ceases and this point is termed the limit of proportionality. 
 C, termed the upper yield point 
D, the lower yield point 
That stress  which, when removed,  produces a permanent strain or  “set” of 0.1  %  of  the 
original gauge length-see Fig. (4a). 

 

Figure (4a) Determination of 0.1 proof stress.                        Figure (4b) Permanent deformation or “set” after                                                                                                                    

straining beyond the yield point. 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

6

Typical stress-strain curves resulting from tensile tests on other engineering materials are 
shown in Figs. (5) to (7). 

 

 

Figure (5)Tensile test curves for various metals. 

 
 

 

 

Figure (6) Typical stress - strain curves for hard drawn wire  

material-note large reduction in strain values from those of Figure (5)

 

 
 

 

 

Figure(7) Typical tension test results for various types of 

 nylon and polycarbonate. 

 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

7

8. Ductile materials 
It  has  been  observed  above  that  the  partially  plastic  range  of  the  graph  of  Figure  (3) 
covers a much wider part of the strain axis than does the elastic range. Thus the extension 
of  the  material  over  this  range  is  considerably  in  excess  of  that  associated  with  elastic 
loading.  The  capacity  of  a  material  to  allow  these  large  extensions,  i.e.  the  ability  to  be 
drawn  out  plastically,  is  termed  its  ductility.  Materials  with  high  ductility  are  termed 
ductile materials,  members with low  ductility are  termed brittle materials.  quantitative 
value  of  the  ductility  is  obtained  by  measurements  of  the  percentage  elongation  or 
percentage reduction in area, both  
being defined below.

 

 

 

 

9. Brittle materials 
A brittle material  is one which exhibits relatively small  extensions to fracture  so that  the 
partially plastic  region of  the tensile  test  graph  is much reduced  (Fig.  8). Whilst  Fig.  (3) 
referred  to  a  low  carbon  steel,  Fig.  (8)  could  well  refer  to  a  much  higher  strength  steel 
with a higher carbon content. There is little or no necking at fracture for brittle materials. 

 

 

 

Figure(8) Typical tensile test curve for a brittle material 

10. Poisson’s ratio (

ν) 

Consider the rectangular bar of Figure (9) subjected to a tensile load. Under the action of 
this  load  the  bar  will  increase  in  length  by  an  amount 

δL  giving a longitudinal strain in 

the bar . 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

8

 

 

Figure (9) 

The  bar  will  also  exhibit,  however,  a  reduction  in  dimensions  laterally,  i.e.  its  breadth 
and  depth  will  both  reduce.  The  associated  lateral  strains  will  both  be  equal,  will  be  of 
opposite sense to the longitudinal strain, and will be given by 

 

 

 

Provided  the  load  on  the  material  is  retained  within  the  elastic  range  the  ratio  of  the 
lateral  and  longitudinal  strains  will  always  be  constant.  This  ratio  is  termed  Poisson

’s 

ratio. 

 

 

The negative sign of the lateral strain is normally ignored to leave Poisson’s ratio simply 
as  a  ratio  of  strain  magnitudes.  It  must  be  remembered,  however,  that  the  longitudinal 
strain induces  a  lateral  strain  of  opposite  sign.  For  most  engineering  materials  the  value 
of lies between 0.25 and 0.33. 
Since 

 

 
11. Application of Poisson’s ratio to a two-dimensional stress system

 

A two-dimensional stress system is one in which all the stresses lie within one plane such 
as the X-Y plane as shown in figure (10).  

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

9

 

Figure (10) Simple two-dimensional system of direct stresses. 

 

The following strains will be produced 
(a) in the X direction resulting from 

ε

x

 

σ

x

 /E 

(b) in the Y direction resulting from 

ε

y

 

σ

y

/E. 

(c) in the X direction resulting from  

ε

y

 = - v(

σ

y

 /E), 

(d) in the Y direction resulting from 

ε

x

 = - v(

σ

x

 /E). 

strains (c) and (d) being the so-called Poisson

’s ratio strain, opposite in sign to the 

applied strains, i.e. compressive. 
The total strain in the X direction will therefore be given by

 

and the total strain in the Y direction will be: 

 

If any stress is, in fact, compressive its value must be substituted in the above equations 
together with a negative sign following the normal sign convention. 

12. Shear stress(

τ

)  , (N/m

2

Consider a block or portion of material as shown in Figure (11) subjected to a set of 
equal and opposite forces Q. (Such a system could be realised in a bicycle brake block 
when contacted with the wheel.) then a shear stress 

τ is set up, defined as follows: 

 

 

 

This shear stress will always be tangential to the area on which it acts; direct stresses, 
however, are always normal to the area on which they act. 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

10

 

Figure(11) Shear force and resulting shear stress system showing typical form of failure by 

relative sliding of planes. 

13. Shear strain (

γ

If one again considers the block of Figure (11a)to be a bicycle brake block it is clear that 
the rectangular shape of the block will not be retained as the brake is applied and the 
shear forces introduced. The block will in fact change shape or “strain” into the form 
shown in Figure (12) The angle of deformation is then termed the shear strain. 
Shear strain is measured in radians and hence is non-dimensional, i.e. it has no units

 

Figure (12) Deformation (shear strain) produced by shear stresses. 

 

14. Modulus of rigidity (G), (N/m

2

      For materials within the elastic range the shear strain is proportional to the shear 
stress producing it, The constant G is termed the modulus of rigidity or shear modulus 
and is directly comparable to the modulus of elasticity used in the direct stress 
application.  

 

15. Double shear 
      Consider the simple riveted lap joint shown in Figure (13a) When load is applied to 
the plates the rivet is subjected to shear forces tending to shear it on one plane as 
indicated. In the butt joint with two cover plates of Figure (13b), however, each rivet is 
subjected to possible shearing on two faces, i.e. double shear. In such cases twice the

 area 

of metal is 

resisting the applied forces so that the shear stress set up is given by 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

11

 

 

Figure (13) (a) Single shear. (b) Double shear. 

16. Allowable working stress-factor of safety 
The most suitable strength or stiffness criterion for any structural element or component 
is normally some maximum stress or deformation which must not be exceeded. In the 
case of stresses the value is generally known as the maximum allowable working stress. 
Because of uncertainties of loading conditions, design procedures, production methods, 
etc., designers generally introduce a factor of safety into their designs, defined as follows 
 

:

 

 

 

 

 

 

 

  
 

18. Temperature stresses 
  When  the  temperature  of  a  component  is  increased  or  decreased  the  material 
respectively expands  or  contracts.  If  this  expansion  or  contraction  is  not  resisted  in  any 
way then  the processes take  place free of stress.  If,  however, the changes  in dimensions 
are restricted then stresses termed temperature stresses will be set up within the material. 

Consider a bar of material with a linear coefficient of expansion 

α

Let the original length 

of  the  bar  be  L  and  let  the  temperature  increase  be  t.  If  the  bar  is  free  to  expand  the 
change in length would be given by 

 

 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 

Examples 

 
 
Example 1 
  Determine the stress in each section of the  bar shown in Figure (14) when subjected to 
an  axial  tensile  load  of  20  kN.  The  central  section  is  30  mm  square  cross-section;  the 
other  portions  are  of  circular  section,  their  diameters  being  indicated.  What  will  be  the 
total extension of the bar? For the bar material E = 210GN/m

2

 

 

 

 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

13

 

 

 
 

Example 2 
(a)  A  25  mm  diameter  bar  is  subjected  to  an  axial  tensile  load  of  100  kN.  Under  the 
action of  this load a  200mm gauge length  is found to extend  0.19 10

-3

mm.  Determine 

the modulus of elasticity for the bar material. 
(b) If, in order to reduce weight whilst keeping the external diameter constant, the bar is 
bored axially to produce a cylinder of  uniform thickness, what is the maximum diameter 
of bore possible given that the maximum allowable stress is 240MN/m

2

? The load can be 

assumed to remain constant at 100 kN. 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

14

(c) What will be the change in the outside diameter of the bar under the limiting stress 
quoted in (b)? (E = 210GN/m2 and = 0.3). 

 

 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

15

 

 

Example 3 
The coupling shown in Figure (15) is constructed from steel of rectangular cross-section 
and is designed to transmit a tensile force of 50 kN. If the bolt is of 15 mm diameter 
calculate: 
(a) the shear stress in the bolt; 
(b) the direct stress in the plate; 
(c) the direct stress in the forked end of the coupling

.

 

 

 

 
 

 

 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

16

Example 4 
Derive an expression for the total extension of the tapered bar of circular cross-section 
shown in Figure (16)  when it is subjected to an axial tensile load W. 
 

 

 
 

 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

17

 

 

 

 

Example 5 
The following figures were obtained in a standard tensile test on a specimen of low 
carbon steel:  
                   diameter of specimen, 11.28 mm; 
                   gauge length, 56mm; 
                  minimum diameter after fracture, 6.45 mm. 
Using the above information and the table of results below, produce: 
(1) a load/extension graph over the complete test range; 
(2) a load/extension graph to an enlarged scale over the elastic range of the specimen. 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

18

 

Using the two graphs and other information supplied, determine the values of 
(a) Young's modulus of elasticity; 
(b) the ultimate tensile stress; 
(c) the stress at the upper and lower yield points; 
(d) the percentage reduction of area; 
(e) the percentage elongation; 
(f) the nominal and actual stress at fracture. 

 

 

Figure (17) Load-extension graph for elastic range. 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

19

 

 

 

 

 

Figure (18) Load-extension graph for complete load 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

20

 

 

Problems 

1. (A). A 25mm square cross-section bar of length 300mm carries an axial compressive 

load of 50kN. Determine the stress set up in the bar and its change of length when the 
load is applied. For the bar material E = 200 GN/m

2

.             [80 MN/m

2

; 0.12mm] 

 
2. (A). A steel tube, 25 mm outside diameter and 12mm inside diameter, cames an axial 

tensile load of 40 kN. What will be the stress in the bar? What further increase in load 
is possible if the stress in the bar is limited to 225 MN/m

2

?      [l06 MN/m

2

; 45 kN] 

 
3.  
(A). Define the terms shear stress and shear strainillustrating your answer by  means 

of  a  simple  sketch.  Two  circular  bars,  one  of  brass  and  the  other  of  steel,  are  to  be 
loaded by a shear load of 30 kN. Determine the necessary diameter of the bars (a) in 
single shear, (b) in double shear, if the shear stress in the two materials must not 

    exceed 50 MN/m

2

 and 100 MN/m

2

 respectively.             [27.6, 19.5, 19.5, 13.8mm] 

 
4.  (A).  Two  forkend  pieces  are  to  be  joined  together  by  a  single  steel  pin  of  25mm 

diameter  and  they  are  required  to  transmit  50  kN.  Determine  the  minimum  cross-
sectional area of material required in one branch of either fork if the stress in the fork 
material is  not to  exceed  180  MN/m

2

.  What  will  be  the maximum  shear  stress  in  the 

pin? 

[1.39 10

-4

m

2

; 50.9MN/m

2

.] 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

21

5.  (A). A  simple  turnbuckle  arrangement  is  constructed  from  a 40  mm outside  diameter 

tube threaded internally at each end to take two rods of 25 mm outside diameter with 
threaded  ends.  What  will  be  the  nominal  stresses  set  up  in  the  tube  and  the  rods, 
ignoring thread  depth,  when  the turnbuckle cames  an  axial load of 30 kN? Assuming  
a  sufficient  strength  of  thread,  what  maximum  load  can  be  transmitted  by  the 
turnbuckle if the maximum stress is limited to 180 MN/m

2

?  

                                                                                     [39.2, 61.1 MN/m2, 88.4 kN] 
 
6. (A). A bar ABCD consists of three sections: AB is 25 mm square and 50 mm long, BC 

is of 20 mm diameter and40 mm long and CD is of 12 mm diameter and 50 mm long. 
Determine the stress set up in each section of the bar when it is subjected to an axial 
tensile load of 20 kN. What will be the total extension of the bar under this load? For 
the bar material, E = 210GN/m

2

.                        [32,63.7, 176.8 MN/m

2

, 0.062mm] 

 
 
7.(A).  A  steel  bar  ABCD  consists  of  three  sections:  AB  is  of  20mm  diameter  and  200 

mm long,  BC is 25 mm square  and 400 mm long, and CD is  of 12 mm diameter and 
200mm long. The bar is subjected to an axial compressive load which induces a stress 
of 30 MN/m

2

 on the largest cross-section. Determine the total decrease in the length of 

the bar when the load is applied. For steel E = 210GN/m

2

.                    

                                                                                                                        [0.272 mm.] 

 

8. Figure (19) shows a special spanner used to tighten screwed components. A torque is 

applied at the tommy -bar and is transmitted to the pins which engage into holes 
located into the end of a screwed component. 

     (a) Using the data given in Figure (19) calculate: 
    (i) the diameter D of the shank if the shear stress is not to exceed 50N/mm

2

   (ii) the stress due to bending in the tommy-bar, 
   (iii) the shear stress in the pins. 
                                                                            [9.14mm; 254.6 MN/m

2

; 39.8 MN/m

2

.] 

 

Figure (19) 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

22

Q9-A  punch  for  making  holes  in  steel  plates  is  shown  in  Figure  (1a).  Assume  that  a 

punch  having  diameter  d  =20  mm  is  used  to  punch  a  hole  in  an    8-mm  plate,  as 
shown  in  the  cross-sectional  view  Figure  (1b).  If  a  force  P=  110  kN  is  required  to 
create  the  hole,  what  is  the  average  shear  stress  in  the  plate  and  the  average 
compressive stress in the punch? 

 

Figure (1)

 

Q10-A bearing pad of the kind used to support machines and bridge girders consists of a 

linearly  elastic  material  (usually  an  elastomer,  such  as  rubber)  capped  by  a  steel 
plate Figure (2a). Assume that the thickness of the elastomer is h, the dimensions of 
the  plate are  (a  .  b),  and  the pad  is subjected  to  a  horizontal  shear force V.  Obtain 
formulas  for  the  average  shear  stress  (

τ

)  in  the  elastomer  and  the  horizontal 

displacement d of the plate Figure (2b).  

 

 

 

 

Figure (2)

 

 

Q11-A force P of 70 N is applied by a rider to the front hand brake of a bicycle (is the 
resultant  of  an  evenly  distributed  pressure).  As  the  hand  brake  pivots  at  A,  a  tension  T 
develops in the 460-mm long brake cable (Ae =1.075 mm

2

) which elongates by 

δ

= 0.214 

mm. Find normal stress (

σ

) and strain (

ε

 ) in the brake cable. 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

23

 

 

Figure (3)

 

 

Q12-A circular aluminum tube of length L = 400 mm is loaded in compression by forces 
P  Figure  (4).  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 

ε

 = 550 x 10

-6

, what is the shortening 

δ

 of the bar? 

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

 

Figure (4)

 

 

Q13-(a) A test piece is cut from a brass bar and subjected to a tensile test. With a load of 
6.4 kN the test piece, of diameter 11.28 mm, extends by 0.04 mm over a gauge length of 
50 mm. Determine: 
 (i) the stress, (ii) the strain, (iii) the modulus of elasticity. 
(b)  A  spacer  is  turned  from  the  same  bar.  The  spacer  has  a  diameter  of  28  mm  and  a 
length of 250mm. both measurements being made at 20°C. The temperature of the spacer 
is then increased to 100°C, the natural expansion 
being  entirely  prevented.  Taking  the  coefficient  of  linear  expansion  to  be18  x  10

-6

/

o

determine: 
 (i) the stress in the spacer, (ii) the compressive load on the spacer. 
                                  Ans. [64MN/m

2

, 0.0008, 80GN/m

2

, 115.2 MN/m

2

, 71 kN.] 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

24

COMPOUND BARS 

 

1. Compound bars subjected to external load 
    In  certain  applications  it  is  necessary  to  use  a  combination  of  elements  or  bars  made 
from different materials. In overhead electric cables, for example, it is often convenient to 
carry  the  current  in  a  set  of  copper  wires  surrounding  steel  wires,  the  latter  being 
designed  to  support  the  weight  of  the  cable  over  large  spans.  Such  combinations  of 
materials are generally termed compound burs. This chapter is concerned with compound 
bars which are symmetrically proportioned such that no bending results, when an external 
load  is  applied  to  such  a  compound  bar  it  is  shared  between  the  individual  component 
materials  in  proportions  depending  on  their  respective  lengths,  areas  and  Young’s 
moduli.  A compound bar  consisting  of                         n members,  each having  a different 
length and cross-sectional area and each being of a different material as shown in  figure 
(1) 

 

 

 

 Figure (1) Compound bar formed of different materials  

 

For the nth member,

 

 

n

n

n

n

n

x

A

L

F

E

strain

stress

.

.

=

=

 

 
 

n

n

n

n

L

x

A

E

F

.

.

=

        ....(1) 

where F, is the force in the nth member ,A its cross-sectional area and 

         

n

L

  are its 

length. The total load carried will be the sum of all such loads for all the members 
 

=

=

n

n

n

n

n

n

L

A

E

x

L

x

A

E

W

.

.

.

.

              ...(2) 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

25

 
 

Now from equation (1) the force in member 1 is given by

 

1

1

1

1

.

.

L

x

A

E

F

=

 

But, from equation (2), 

=

n

n

n

L

A

E

W

x

.

 

 

W

L

A

E

L

A

E

F

=

.

.

1

1

1

1

  .....(3) 

 

i

.e. each member carries a portion of the total load W proportional to its EAIL value. If 

the wires are all of equal length the above equation reduces to 

W

A

E

A

E

F

=

.

.

1

1

1

    

....(4)

 

The stress in member 1 is then given by

 

1

1

1

A

F

=

σ

          ....(5) 

 

 

2. Compound bars - “equivalent” or “combined” modulus 
      In  order  to  determine  the  common  extension  of  a  compound  bar  it  is  convenient  to 
consider  it  as  a  single  bar  of  an  imaginary  material  with  an  equivalent  or  combined 
modulus  E,.  Here  it  is  necessary  to  assume  that  both  the  extension  and  the  original 
lengths  of  the  individual  members  of  the  compound  bar  are  the  same;  the  strains  in  all 
members will then be equal. 
Now total load on compound bar = F

1

 +  F

2

  + F

3

 +  .  .  . +  F,  where F

1

,  F

2

etc., are  the 

loads in members 1, 2, etc. 
But  

force = stress x area 

 
 

n

n

n

A

A

A

A

A

A

σ

σ

σ

σ

+

+

+

=

+

+

+

......

)

......

(

2

2

1

1

2

1

 

Where: 

σ is the stress in the equivalent single bar. Dividing through by the common 

strain 

ε, 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

26

 

 

n

n

n

A

A

A

A

A

A

ε

σ

ε

σ

ε

σ

ε

σ

+

+

+

=

+

+

+

......

)

.......

(

2

2

1

1

2

1

 

 
 

n

n

n

c

A

E

A

E

A

E

A

A

A

E

+

+

+

=

+

+

+

.......

)

......

(

2

2

1

1

2

1

 

 
where

c

E

is the equivalent or combined E of the single bar.

 

 

n

A

A

A

n

A

n

E

A

E

A

E

E

combined

+

+

+

+

+

+

=

...

2

1

.

....

2

.

2

1

.

1

 

 

=

A

A

E

E

c

.

                ....(6) 

 
 

With an external load W applied, 

=

A

W

bar

equivalent

the

in

Stress

 

L

x

A

E

W

bar

equivalent

the

in

Strain

c

=

=

.

 

 
 

=

A

E

L

W

x

extension

common

c

.

.

    ....(7) 

=extension of single bar 

 
3. Compound bars subjected to temperature change 
        When a material is subjected to a change in temperature its length will change by an 
amount 

T

L

.

.

α

 

where 

α is the coefficient of linear expansion for the material, is the original length and 

T

 the  temperature  change.  (An  increase  in temperature  produces  an increase  in  length 

and  a  decrease  in  temperature  a  decrease  in  length  except  in  very  special  cases  of 
materials  with  zero  or  negative  coefficients  of  expansion  which  need  not  be  considered 
here.) If, however, the free expansion of the material is prevented by some external force, 
then  a  stress  is  set  up  in  the  material.  This  stress  is  equal  in  magnitude  to  that  which 
would  be  produced  in  the  bar  by  initially  allowing  the  free  change  of  length  and  then 
applying sufficient force to return the bar to its original length. 
Now: 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

27

T

L

Length

in

Change

=

.

.

α

 

T

L

T

L

Strain

=

=

.

.

.

α

α

 

Therefore, the stress created in the material by the application of sufficient force to 
remove this strain 

 

T

E

E

x

strain

=

=

.

.

α

 

 

Consider  now  a  compound  bar  constructed  from  two  different  materials  rigidly  joined 
together  as  shown  in  Figure  (2)  and  Figure  (3a).  For  simplicity  of  description  consider 
that the materials in this case are steel and brass. 

 

 

Figure (2) 

In general, the coefficients of expansion of the two materials forming the compound bar 
will be different so that as the temperature rises each material will attempt to expand by 
different amounts. Figure (3b) shows the positions to which the individual materials will 
extend  if  they  are  completely  free  to  expand  (i.e.  not  joined  rigidly  together  as  a 
compound bar). The extension of any length L is given by  

T

L

.

.

α

 

 
 
 
 

 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

28

 

Figure (3) Thermal expansion of compound bar. 

 

Thus the difference of "free" expansion lengths or so-called free lengths 

T

L

T

L

T

L

s

B

s

B

=

=

.

).

(

.

.

.

.

α

α

α

α

 

 
  since in this case the coefficient of expansion of the  brass

 (

B

α

 ) is greater than that  for 

the  steel  (

s

α

).    The  initial  lengths  L  of  the  two  materials  are  assumed  equal.  If  the  two 

materials  are  now  rigidly  joined  as  a  compound  bar  and  subjected  to  the  same 
temperature rise, each material will attempt to expand to its free length position but each 
will  be  affected  by  the  movement  of  the  other,  The  higher  coefficient  of  expansion 
material  (brass)  will  therefore  seek  to  pull  the  steel  up  to  its  free  length  position  and 
conversely  the  lower  position.  In  practice  a  compromise  is  reached,  the  compound  bar 
extending  to  the  position  shown  in  Figure  (3c),  resulting  in  an  effective  compression  of 
the brass from its free length position and an effective extension of the steel from its free 
length position. From the diagram it will be seen that the following rule holds. 
 
Rule 1

 

(Extension of steel + compression of brass = difference in “free” lengths). 

Referring to the bars in their free expanded positions the rule may be written as 

 
(Extension of “short” member + compression of“1ong” member = difference in free 

lengths). 

 

Applying Newton’s law of equal action and reaction the following second rule also applies. 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

29

 
Rule 2 
  The tensile force applied to the short member by the long member is equal in magnitude 
to the compressive force applied to the long member by the short member. 
Thus, in this case, 

 

tensile force in steel = compressive force in brass 

 
Now, from the definition of Young’s modulus

 

L

L

strain

stress

E

/

=

=

σ

 

 

where 

∆L is the change in length

.

 

 

E

L

L

.

σ

=

 

 

Also,                             

force = stress area = 

σ.A 

 

where: A is the cross-sectional area, Therefore Rule 1 becomes 
 

 

T

L

E

L

E

L

s

B

B

B

s

s

=

+

.

).

(

.

.

α

α

σ

σ

   

....(8)

 

and Rule 2 becomes 

B

B

s

s

A

A

.

.

σ

σ

=

 

                       ....(9)

 

 

4. Compound bar (tube and rod) 
   Consider  now  the  case  of  a  hollow  tube  with  washers  or  endplates  at  each  end  and  a 
central  threaded  rod  as  shown  in  Figure  (4)  At  first  sight  there  would  seem  to  be  no 
connection  with  the work  of  the  previous section,  yet, in  fact, the  method  of  solution  to 
determine the stresses set up in the tube and rod when one nut is tightened.  
The compound bar which is formed after assembly of the tube and rod, i.e. with the nuts 
tightened, is shown in Figure (4c), the rod being in a state of tension and the tube in 
compression. Once again Rule 2 applies, i.e. 
 
 

compressive force in tube = tensile force in rod 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

30

 

Figure (4) 

 

Figure  (4a)  and  b  show,  diagrammatically,  the  effective  positions  of  the  tube  and  rod 
before  the  nut  is  tightened  and  the  two  components  are  combined.  As  the  nut  is  turned 
there is a simultaneous compression of the tube and tension of the rod leading to the final 
state shown in Figure ( 4c) As before, however, the diagram shows that Rule applies: 
 
compression of tube +extension of rod = difference in free lengths 
                                                              = axial advance of nut 
 
i.e. the axial movement of the nut ( = number of turns n x threads per metre) is taken up 
by combined compression of the tube and extension of the rod. 
Thus, with suffix (t) for tube and (R) for rod, 

 

 

 

If the tube and rod are now subjected to a change of temperature they may be treated as a 
normal compound bar and Rules and again apply  
Figure (5), 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

31

 

 

 

Figure (5) 

 

Where 

(

/

R

σ )

    ; 

and

(

/

R

σ

  )    ;  are the stresses  in the  tube and  rod due to  temperature 

change only and

 (

t

α )

,  is assumed greater than

 (

R

α )

If the latter is not the case the two 

terms inside the final bracket should be interchanged.

 

 

Also 

 

 

Examples 

Example 1 
(a) A compound bar consists of four brass wires of 2.5 mm diameter and one steel wire of 
1.5  mm  diameter.  Determine  the  stresses  in  each  of  the  wires  when  the  bar  supports  a 
load of 500 N. Assume all of the wires are of equal lengths. 
(b)  Calculate  the  “equivalent”  or  “combined  modulus  for  the  compound  bar  and 
determine its  total  extension  if it  is  initially  0.75  m  long.  Hence  check  the  values  of  the 
stresses obtained in part (a). 
For   brass   E = 100 GN/m

2

   and for      steel   E = 200 GN/m

2

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

32

 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

33

 

Example 2 

(a) A compound bar is constructed from three bars 50 mm wide by         12 mm thick 
fastened  together  to  form  a  bar  50  mm  wide  by  36  mm  thick.  The  middle  bar  is  of 
aluminium  alloy for which  E =  70  GN/m

2

  and the  outside  bars  are of brass  with E  = 

100 GN/m

2

If the bars are initially fastened at 18°C and the temperature of the whole 

assembly  is  then  raised  to  50

o

C,  determine  the  stresses  set  up  in  the  brass  and  the 

aluminium. 
  

B

α

= 18 x per 

o

C and 

A

α

 = 22 x per 

o

 
(b) What will be the changes in these stresses if an external compressive load of 15 kN is 
applied to the compound bar at the higher temperature? 
 
 
Solution 
With any problem of this type it is convenient to let the stress in one of the component 
members or materials, e.g. the brass, be x. 
Then, since 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

34

 

 

 

These stresses represent the changes in the stresses owing to the applied load. The total or 
resultant  stresses  owing  to  combined  applied  loading  plus  temperature  effects  are, 
therefore, 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

35

 

 

Example 3 
25 mm diameter steel rod passes concentrically through a bronze tube 400 mm long, 50 
mm  external  diameter  and  40  mm  internal  diameter.  The  ends  of  the  steel  rod  are 
threaded and provided with nuts and washers which are adjusted  initially so that there is 
no end play at 20°C. 
(a) Assuming that there is no change in the thickness of the washers, find the stress 
produced in the steel and bronze when one of the nuts is tightened by giving it one tenth 
of a turn, the pitch of the thread being 2.5 mm. 
(b) If the temperature of the steel and bronze is then raised to 50°C find the changes that 
will occur in the stresses in both materials. 
 
The coefficient of linear expansion per 

o

C is 11 x 10

-6

 for steel and for bronze and 18 x10

-

6

. E for steel = 200 GN/m

2

. E for bronze = 100 GN/m

2

 
Solution 

(a) Let be the stress in the tube resulting from the tightening of the nut and  

R

σ

 the 

stress in the rod 

 

 
 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

36

 

 

 

 
 
 
 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

37

SHEARING FORCE AND BENDING MOMENT 

DIAGRAMS 

 

 

1.  Types of Beams 

 

 

 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

38

 

2. Shearing force and bending moment 
    At  every  section  in  a  beam  carrying  transverse  loads  there  will  be  resultant  forces  on 
either side of the section  which, for  equilibrium, must be equal and  opposite, and  whose 
combined action tends to  shear  the section  in  one of the  two ways shown  in Figure  (4  a 
and b). The shearing force (S.F.) at the section is defined therefore as the algebraic sum 
of the forces taken on one side of the section.  
2.1. Shearing force (S.F.) sign convention 
       Forces upwards to the  left of a section or downwards to the right of the section are 
positive. Thus Figure (4a) shows a positive S.F. system at X-X and Figure (4b) shows a 
negative S.F. system. 

 

 

Figure (4) S.F. sign convention 

2.2. Bending moment (B.M.) sign convention

 

Clockwise  moments  to  the  left  and  counterclockwise  to  the  right  are  positive.  Thus 
Figure (5a) shows a positive bending moment system resulting in sagging of the beam at 
X-X and Figure (5b) illustrates a negative B.M. system with its associated hogging beam. 
 
 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

39

 

Figure (5) B.M. sign convention. 

It should be noted that whilst the above sign conventions for S.F. and B.M. are somewhat 
arbitrary  and  could  be  completely  reversed,  the  systems  chosen  here  are  the  only  ones 
which  yield  the  mathematically  correct  signs  for  slopes  and  deflections  of  beams  in 
subsequent work and therefore are highly recommended. 
 

 

 

Figure (6) S.F.-B.M. diagrams for standard cases. 

Thus in  the case of a  cantilever carrying  a concentrated load  (W)  at  the  end  Figure  (6), 
the S.F. at any section X-X, distance x from the free end, is             S.F. = - W. This will 
be true whatever the value of x, and so the S.F. diagram becomes a rectangle. The B.M. 
at the same section X-X is- W.x and this will increase linearly with x. The B.M. diagram 
is therefore a triangle. If the cantilever now carries a uniformly distributed load, the S.F. 
at  X-X  is  the  net  load  to  one  side  of  X-X,  i.e.  -wx.  In  this  case,  therefore,  the  S.F. 
diagram becomes triangular, increasing to a maximum value of -  WL at the support. The 
B.M. at X-X is obtained by treating the load to the left of X-X as a concentrated load of 
the same value acting at the centre of gravity, 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

40

 

 

 

Plotted against x this produces the parabolic B.M. diagram shown. 
 
 
3. S.F. and B.M. diagrams for beams carrying concentrated loads only 
   In order to illustrate the procedure to be adopted for the determination of S.F. and B.M. 
values for more complicated load conditions, consider the simply supported beam shown 
in

 

Figure (4) carrying concentrated loads only. (The term simply supported means that the 

beam can be assumed to rest on knife-edges or roller supports and is free to bend at  the 
supports without any restraint.) 
 

 

 

Figure (7)  

The values of the reactions at the ends of the beam may be calculated by applying normal 
equilibrium conditions, i.e. by taking moments about F. 
Thus  
 

R

A

 x 12 = (10 10) + (20 6) + (30 2) - (20 8) = 120 

R

A

 = 10 kN 

For vertical equilibrium 
total force up = total load down 
R

A

+R

F

 = 10+20+30-20 = 40 

R

F

30 kN 

 
At  this  stage  it  is  advisable  to  check  the  value  of  RF  by  taking  moments  about  A. 
Summing  up  the  forces  on  either  side  of  X-X  we  have  the  result  shown  in  Figure  (8) 
Using the sign convention listed above, the shear force at X-X is therefore +20kN,i.e the  
resultant force at X-X tending to shear the beam is 20 kN. 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

41

 

 
 

Figure (8) Total S.F. at X-X. 

 
Similarly,  Figure  (9)  shows  the  summation  of  the  moments  of  the  forces  at  X-X,  the 
resultant B.M. being 40 kNm. 
 

 

Figure (9) 

 
In practice only one side of the section is normally considered and the summations 
involved can often be completed by mental arithmetic. The complete S.F. and B.M. 
diagrams for the beam are shown in Figure (9).  
 
B.M. at A = o 
B.M. at B = + (10 x 2) = +20 kN.m 
B.M. at C= +(l0 x 4)-(10 x 2) = +20kN.m 
B.M. at = +(l0 x 6)+ (20 x 2)- (10 x 4) = +60 kN.m 
B.M. at E = + (30 x 2) = +60 kN.m 
B.M. at F = 0 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

42

 
All the above values have been calculated from the moments of the forces to the left of 
each section considered except for E where forces to the right of the section are taken 
 

 

Figure (10) 

 
It may be observed at this stage that the S.F. diagram can be obtained very quickly when 
working  from  the  left-hand  side,  since  after  plotting  the  S.F.  value  at  the  support  all 
subsequent steps are in the direction of and equal in magnitude to the applied loads, e.g. 
10 kN up at A, down 10 kN at B, up                  20 kN at C, etc., with horizontal lines 
joining the  steps to show that  the S.F. remains constant between  points of  application of 
concentrated loads. 
   The  S.F.  and  B.M.  values  at  the  left-hand  support  are  determined  by  considering  a 
section  an  infinitely  small  distance  to  the  right  of  the  support.  The  only  load  to  the  left 
(and hence the S.F.) is then the reaction of 10 kN upwards, Le. positive, and the bending 
moment  
                                   = reaction x zero distance = zero. 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

43

   The following characteristics of the two diagrams are now evident and will be 
explained 
later in this chapter: 
(a) between B and the S.F. is zero and the B.M. remains constant; 
(b) between A and the S.F. is positive and the slope of the B.M. diagram is positive; 
vice 
(c) the difference in B.M. between A and = 20 kN m = area of S.F. diagram between A 
and B. 

 

4. S.F. and B.M. diagrams for uniformly distributed loads 
Consider now the simply supported beam shown in Figure (11) carrying a u.d.1. w = 25 
kN/m across the complete span. 
 

 
 

 

 

Figure (11) 

 
 
 
 

Here again it is necessary to evaluate the reactions, but in this case the problem is 
simplified by the symmetry of the beam. Each reaction will therefore take half the 
applied load, 
i.e. 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

44

 

The S.F. at A, using the usual sign convention, is therefore + 150kN. 
is, therefore, Consider now the beam divided into six equal parts 2 m long. The S.F. at 
any other point C 

150 - load downwards between A and C 

= 150 - (25 2) = + 100 kN 

 
The  whole  diagram  may  be  constructed  in  this  way,  or  much  more  quickly  by  noticing 
that  the  S.F.  at  A  is  +  150  kN  and  that  between  A  and  B  the  S.F.  decreases  uniformly, 
producing  the  required  sloping  straight  line,  shown  in  Fig.  3.7.  Alternatively,  the  S.F.  at 
A  is  +  150  kN  and  between  A  and  B  this  decreases  gradually  by  the  amount  of  the 
applied  load  (By  25  x  12  =  300kN)  to  -  150kN  at  B.  When  evaluating  B.M.’s  it  is 
assumed that a u.d.1. can be replaced by a concentrated load of equal value acting at the 
middle of  its spread.  When taking  moments  about  C,  therefore, the  portion  of  the  u.d.1. 
between A and has an effect equivalent to that of a concentrated load of 
25 x 2 = 50 kN acting the centre of AC, i.e. 1 m from C. 

 

 
Similarly, for moments at the u.d.1. on AD can be replaced by a concentrated load of 
 

 

The B.M. diagram will be symmetrical about the beam centre line; therefore the values of 
B.M. at F and G will be the same as those at and respectively. The final diagram is 
therefore as shown in Figure (11) and is parabolic. 
 
 
Point  (a)  of  the  summary  is  clearly  illustrated  here,  since  the  B.M.  is                                  a 
maximum when the S.F. is zero. Again, the reason for this will be shown later. 
 
5. S.F. and B.M. diagrams for combined concentrated and uniformly                 

distributed loads 

 
Consider the beam shown in Figure (12) loaded with a combination of concentrated loads 
and u.d.1.s. 
Taking moments about E 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

45

 

 

 

Working  from  the  left-hand  support  it  is  now  possible  to  construct  the  S.F.  diagram,  as 
indicated  previously,  by  following  the  direction  arrows  of  the  loads.  In  the  case  of  the 
u.d.l.’s the  S.F. diagram will  decrease  gradually by the amount of the  total load until  the 
end  of  the  u.d.1.  or  the  next  concentrated  load  is  reached.  Where  there  is  no  u.d.1.  the 
S.F.  diagram  remains  horizontal  between  load  points.  In  order  to  plot  the  B.M.  diagram 
the following values must be determined: 
 

 

 

 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

46

 

Figure (12) 

 

For complete accuracy one or two intermediate values should be obtained along each 
u.d.l. portion of the beam, 

 

The B.M. and S.F. diagrams are then as shown in Figure (12) 
 

 
 
 
 

 
 
 
 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

47

5. Points of contraflexure 

   

A  point  of contraflexure is  a point  where the curvature  of  the beam  changes sign.  It is 

sometimes referred to as a point of inflexion and will be shown later to occur at the point, 
or points, on the beam where the B.M. is zero. 
For the beam of Figure  (9) therefore,  it is evident from the B.M. diagram  that this point 
lies  somewhere  between  C  and  D  (B.M.  at  C  is  positive,  B.M.  at  D  is  negative).  If  the 
required point is a distance from C then at that point 

 

 
Since the last answer can be ignored (being outside the beam), the point of contraflexure 
must be situated at 1.96 m to the right of C. 
 
6. Relationship between shear force Q, bending moment and 
                                 intensity of loading W (kN/m) 

 

Consider  the  beam  AB  shown  in  Figure  (10)  carrying  a  uniform  loading  intensity 
(uniformly distributed load) of W (kN/m). By symmetry, each reaction takes half the total 
load, i.e., WL/2. 
 

 

 

Figure (10) 

 

 
 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

48

 

 

Differentiating equation (1),  

                    

W

dx

dQ

=

                                          

.....(3)

 

 

These relationships are the basis of the rules stated in the summary, the proofs of which 
are as follows: 
 

 

(a) The maximum or minimum B.M. occurs where

0

=

dx

dM

  

But

    

Q

dx

dM

=

 

Thus where S.F. is zero B.M. is a maximum or minimum. 

 

(b) The slope of the B.M. diagram =

Q

dx

dM

=

  

Thus where Q = 0 the slope of the B.M. diagram is zero, and the B.M. is therefore 
constant. 
 
(c) Also, since Q represents the slope of the B.M. diagram, it follows that where the S.F. 
is positive the slope of the B.M. diagram is positive, and where the S.F. is negative the 
slope of the B.M. diagram is also negative. 

 

(d) The area of the S.F. diagram between any two points, from basic calculus, is 

dx

Q

 

 

But,

       

Q

dx

dM

=

                     

  

or 

                                 

=

dx

Q

M

 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

49

i.e. the B.M. change between any two points is the area of the S.F. diagram between these 
points. 
This often provides a very quick method of obtaining the B.M. diagram once the S.F. 
diagram has been drawn. 
 
 (e) With the chosen sign convention, when the B.M. is positive the beam is sagging and 
when  it  is  negative  the  beam  is  hogging.  Thus  when  the  curvature  of  the  beam  changes 
from sagging to hogging, as at x-x in                          Figure (11), or vice versa, the B.M. 
changes  sign,  i.e.  becomes  instantaneously  zero.  This  is  termed  a  point  of  inflexion  or 
contra flexure. Thus a point of contra flexure occurs where the B.M. is zero. 

 

                     Figure (11) Beam with point contraflexure at X-X  
 
 
 
7. S.F. and B.M. diagrams for an applied couple or moment 

 
 

In general there are two ways in which the couple or moment can be applied: (a) with 
horizontal loads and (b) with vertical loads, and the method of solution is different for 
each. 
 
Type (a): couple or moment applied with horizontal loads 
             Consider the beam AB shown in Figure (12) to which a moment (F.d) is applied 
by means of horizontal loads at a point C, distance a from A. 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

50

 

 

Figure (12) 

 

Since this will tend to lift the beam at A, R

A

 acts downwards. 

Moments about B:

      

d

F

L

A

R

.

.

=

           ,

 

L

d

F

A

R

.

=

 

and for vertical equilibrium  

L

d

F

A

R

B

R

.

=

=

 

The S.F. diagram can now

 

be drawn as the horizontal loads have no effect on the vertical 

shear. 
 
The B.M. at any section between A and C is    

x

L

d

F

x

A

R

M

.

.

.

=

=

 

Thus the value of the B.M. increases linearly from zero at A to 

a

L

d

F

.

.

  at C 

Similarly, the B.M. at any section between C and B is 

x

L

d

F

x

B

R

d

F

x

A

R

M

.

.

.

.

.

=

=

+

=

 

 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

51

i.e. the value of the B.M. again increases linearly from zero at B to - b at C. The B.M. 
diagram is therefore as shown in Figure (12). 

 

Type (b): moment applied with vertical loads 
  Consider the beam AB shown in Figure (13); taking moments about B: 

 

 

 

The S.F. diagram can therefore be drawn as in Figure (13and it will be observed that in 
this case (F) does affect the diagram. For the B.M. diagram an equivalent system is used. 
The offset load is replaced by a

 

moment and a force acting at C, as shown in Figure 

(13). Thus 

 

 

Figure (13) 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

52

 

 
 

Examples 

Example 1 

            Draw the S.F. and B.M. diagrams for the beam loaded as shown in            Figure 
(14), and determine(a) the position and magnitude of the maximum B.M., and (b) the 
position of any point of contraflexure. 

 

Figure (14) 

 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

53

 

  The S.F. diagram may now be constructed as shown in Figure (14) .  
Calculation of bending moments 

 

The maximum B.M. will be given by the point (or points) at which dM/dx (Le. the shear 
force) is zero. By inspection of the S.F. diagram this occurs midway between D and E, 
i.e. at1.5 m from E. 

 

 

The B.M. diagram is therefore as shown in Figure  (14) Alternatively, the B.M. at any 
point between D and E at a distance of x from A will be given by 

 

 (b) Since the B.M. diagram only crosses the zero axis once there is only one point of 
contraflexure, i.e. between B and D. Then, B.M. at distance y from C will be given by 

 

The point of contraflexure occurs where B.M. = 0, i.e. where M

yy

 = 0, 

 

 

i.e. point of contraflexure occurs 0.12 m to the left of B.

 

 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

54

 
 
 
 
 
 
 
 
Example 2 

    A beam ABC is 9 m long and supported at B and C, m apart as shown in Figure (15). 
The  beam  carries  a  triangular  distribution  of  load  over  the  portion  BC  together  with  an 
applied counterclockwise couple of moment 80 kN m at B and a uniform distributed load 
(u.d.1.) of 10 kN/m over AB, as shown. Draw the S.F. and B.M. diagrams for the beam. 
 
 

 

Figure (15) 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

55

 

 

 

 

 

At the point of application of the applied moment there will be a sudden change in B.M. of 80 kN. 
m. (There will be no such discontinuity in the S.F. diagram; the effect of the moment will merely 
be reflected in the values calculated for the reactions.) The B.M. diagram is therefore as shown in 
Figure (15).  

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

56

 
 
 

Problems 

 
1.    A  
beam  AB,  1.2  m  long,  is  simply-supported  at  its  ends  A  and  B  and  carries  two 

concentrated loads, one of 10 kN at C, the other 15 kN at D. Point C is 0.4 m from A, 
point  D  is  1  m  from  A.  Draw  the  S.F.  and  B.M.  diagrams  for  the  beam  inserting 
principal values. 

 [9.17, - 0.83, -15.83 kN;     3.67, 3.17 kN.m] 

 
.  The beam of question (1) carries an additional load of kN upwards at point E, 0.6 m 

from A. Draw the S.F. and B.M. diagrams for the modified loading. What is the 
maximum B.M.?  

[6.67, -3.33, 1.67, -13.33 kN;     2.67,  2, 2.67 kN.m.] 

 
3.  A  cantilever  beam  AB,  2.5  m  long  is  rigidly  built  in  at  A  and  carries  vertical 

concentrated  loads  of  8  kN  at  B  and  12  kN  at  C,  1  m  from  A.  Draw  S.F.  and  B.M. 
diagrams for the beam inserting principal values.  

                                                             [-8, -20 kN;     -11.2, -31.2kN.m] 

 

4. A beam AB, 5 m long, is simply-supported at the end B and at a point C, 1 m from A. 

It carries vertical loads of 5 kN at A and 20kN at D, the centre of the span BC. Draw 
S.F. and B.M.  diagrams for the  beam  inserting  principal  values.            [ - 5  ,  11.25,  -
8.75kN;  - 5 , 17.5 kN.m] 

 
 
5. A beam AB, 3 m long, is simply-supported at A and E. It carries a  16 kN concentrated 

load at C, 1.2 m from A, and a u.d.1. of 5 kN/m over the remainder of the beam. Draw 
the S.F. and B.M. diagrams and determine the value of the maximum B.M. 

 [12.3, -3.7, -12.7kN;     14.8 kN.m.] 

 
6. A simply supported beam has a span of 4m and carries a uniformly distributed load of 

60 kN/m together with a central concentrated load of 40  kN. Draw the S.F. and B.M. 
diagrams for the beam and hence determine the maximum B.M. acting on the beam.  

[S.F. 140, k20, -140 kN; B.M. 0, 160,0 kN.m] 

 
7.   A 2  m long cantilever is  built-in at the  right-hand end and carries a  load of 40  kN at 

the  free  end.  In  order  to  restrict  the  deflection  of  the  cantilever  within  reasonable 
limits  an  upward  load  of  10  kN  is  applied  at  mid-span.  Construct  the  S.F.  and  B.M. 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

57

diagrams  for the  cantilever and  hence determine  the values  of the  reaction force  and 
moment at the support.                                                                    [30 kN, 70 kN. m.] 

  

8. A beam 4.2 m long overhangs each of two simple supports by 0.6 m. The beam carries 

a uniformly distributed load of 30 kN/m between supports together with concentrated 
loads of 20 kN and 30 kN at the two ends. Sketch the S.F. and B.M. diagrams for the 
beam and hence determine the position of any points of contraflexure. 

 [S.F. -20, +43, -47, +30 kN; B.M. - 12, 18.75, - 18kN.m; 0.313 and 2.553 from 
left hand support.] 

 
9. A  beam  ABCDE,  with  A  on  the  left,  is  7  m  long  and  is simply  supported  at  Band  E. 

The lengths of the various portions are AB = 1.5 m,                     BC = 1.5 m, CD = 1 
m and DE = 3 m. There is  a uniformly distributed  load of  15 kN/m between B and  a 
point 2 m to the right of B and concentrated loads of 20 kN act at A and D with one of 
50 kN at C. 

(a) Draw the S.F. diagrams and hence determine the position from A at which the S.F. is 

zero. 

(b) Determine the value of the B.M. at this point. 
(c) Sketch the B.M. diagram approximately to scale, quoting the principal values. 

[3.32 m; 69.8 kN,m;  0, -30, 69.1,  68.1, 0 kN.m] 

 
10.  A  beam  ABCDE  is  simply supported  at  A  and  D. It  carries  the  following  loading:  a 

distributed load of  30 kN/m  between A and  B a concentrated load of  20 kN at B;  a 
concentrated  load  of  20  kN  at  C;  a  concentrated  load  of  10  kN  at  E;  a  distributed 
load  of  60  kN/m  between  D  and  E.  Span  AB  =  1.5  m,  BC  =  CD  =  DE  =  1  m. 
Calculate  the  value  of  the  reactions  at  A  and  D  and  hence  draw  the  S.F.  and  B.M. 
diagrams. What are the magnitude and position of the maximum B.M. on the beam?  

[41.1, 113.9kN;   28.15kN.m;  1.37 m from A.] 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

58

T

T

O

O

R

R

S

S

I

I

O

O

N

N

 

 

 

Simple torsion theory 
 When a uniform circular shaft is subjected to a torque it can be shown that every section 
of  the  shaft  is  subjected  to  a  state  of  pure  shear  Figure  (1),  the  moment  of  resistance 
developed by the shear stresses being everywhere equal to the magnitude, and opposite in 
sense,  to  the  applied  torque.  For  the  purposes  of  deriving  a  simple  theory,  to  make  the 
following basic assumptions: 
(1) The material is homogeneous, i.e. of uniform elastic properties throughout.                     
(2) The material is elastic, following Hooke's law with shear stress proportional to shear 
strain. 
(3) The stress does not exceed the elastic limit or limit of proportionality. 
(4) Circular Sections remain circular. 
(5) Cross-sections remain plane. (This is certainly not the case with the torsion of  non 
circular Sections.) 
(6) Cross-sections rotate as if rigid, i.e. every diameter rotates through the same angle.  
Practical tests carried out on circular shafts have shown that the theory developed below 
on the basis of these assumptions shows excellent correlation with experimental results. 

 

 (a) Angle of twist 
     Consider  now  the  solid  circular  shaft  of  radius  (R)  subjected  to  a  torque  (T)  at  one 
end, the other end being fixed Figure  (2). Under the action of this torque           a radial 
line at the free end of the shaft twists through an angle (

θ)

, point A moves to B, and AB 

subtends an angle (

γ)

 at the fixed end. This is then the angle of distortion of the shaft, i.e. 

the shear strain. 
 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

59

 

 

 

 

Figure (2)

 

 
 

 

 (b) Stresses 
     Let  the  cross-section  of  the  shaft  be  considered  as  divided  into  elements  of  radius  r 
and thickness (dr) as shown in Figure (3) each subjected to a shear                  stress (

τ

'). 

 

 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

60

 

The force set up on each element, 
          = stress x area= 

τ

' x 2.

π.r dr (approximately) 

This force will produce a moment about the centre axis of the shaft, providing a 
contribution to the torque 
 
=

 (τ

' x 2.

π.r dr

)

.r= 

τ

' x 2.

π.r

2

 dr 

 
The total torque on the section (T) will then be the sum of all such contributions across 
the section, 

 

Now the shear stress (

τ')   will vary with the radius rand must therefore be replaced in 

terms of  r before the integral is evaluated. From eqnuation (3) 

 

 

 

The integral   

R

dr

r

0

3

.

.

.

2

π

  is called the polar second moment of area (J), and may be 

evaluated as a 

       

standard form for solid and hollow shafts . 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

61

 

Combining eqns. (3) and (4) produces the so-called simple theory of torsion: 

 

 

Polar second moment of area

 

 

 
As 

stated above the polar second moment 

of 

area 

is 

defined as

 

 

 

For solid shaft, 

 

 

 

For 

hollow shaft 

of internal radius r,

 

 

 

For thin-walled hollow shafts the values of (D) and (d) may be nearly equal, and in such 
cases  there  can  be  considerable  errors  in  using  the  above  equation  involving  the 
difference of two large quantities of similar value. It is therefore convenient to obtain an 
alternative form of expression for the polar moment of area. 
Now 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

62

 

Where; A  = 2

π

r dr  is the area of each small element of Figure (3).  

If a thin hollow cylinder is therefore considered as just one of these small elements with 
its wall thickness t = dr, then 

 

 

Shear stress and shear strain in shafts 
  The shear stresses which are developed in a shaft subjected to pure torsion are indicated 
in Figure (1),their values being given by the simple torsion theory as 

 

Now from the definition of the shear or rigidity modulus (G), 

 

It therefore follows that the two equations may be combined to relate the shear stress and 
strain in the shaft to the angle of twist per unit length, thus 

 

or, in terms of some internal radius r, 

 

 

These equations indicate that the shear stress and shear strain vary linearly with radius 
and have their maximum value at the outside radius Figure (4) .  
 
 
 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

63

 

Section modulus 
It is sometimes convenient to re-write part of the torsion theory formula to obtain the 
maximum shear stress in shafts as follows: 

 

With (R) the outside radius of the shaft the above equation yields the greatest value 
possible for T, Figure (4).  

  

Where;  z  = J/R  is termed the  polar section  modulus.  It  will  be seen from  the  preceding 
section that: 

  

Torsional rigidity 
The angle of twist per unit length of shafts is given by the torsion theory as 

 

The quantity (GJ) is termed the torsional rigidity of the shaft and is thus given by 

 

 

i.e. the torsional rigidity is the torque divided by the angle of twist (in radians) per unit 
length

.

 

Torsion of hollow shafts 
  It has been shown above that the maximum shear stress in a solid shaft is developed in 
the  outer  surface,  values  at  other  radii  decreasing  linearly  to  zero  at  the  centre.  In 
applications where weight reduction is of prime importance as in the aerospace industry, 
for instance, it is often found advisable to use hollow shafts. 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

64

Composite shafts - series connection 
   If two or more shafts of different material, diameter or basic form are connected 
together in such a way that each carries the same torque, then the shafts are said to be 
connected in series and the composite shaft so produced is therefore termed series-
connected 
Figure (5) .  
 

 

 

 

 

 

Composite shafts - parallel connection  
  If two or more materials are rigidly fixed together such that the applied torque is shared 
between them then the composite shaft so formed is said to be connected in parallel 
Figure (6). 

 

 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

65

For parallel connection, 

 

In this case the angles of twist of each portion are equal and 

 

 

i.e. for equal lengths (as is normally the case for parallel shafts) 

 

The maximum stresses in each part can then be found from 

 

Strain energy in torsion 
The strain energy stored in a solid circular bar or shaft subjected to a torque (T) is given 
by the alternative expressions. 

 

 

Power transmitted by shafts 
If a shaft carries a torque T Newton metres and rotates at rad/s it will do work at the 
rate of; 

T.

ω

 

Nm/s (or joule/s). 

 

Now the rate at which a system works is defined as its power, the basic unit of power 
being the 

Watt (1 Watt = 1 N.m/s). 

Thus, the power transmitted by the shaft: 

T.

ω

 

Watts. 

Since the Watt is a very small unit of power in engineering terms use is normally made of 
SI. multiples, i.e. kilowatts (kW) or megawatts (MW). 

 

Combined bending and torsion - equivalent bending moment 
For shafts subjected to the simultaneous application of a bending moment (Mand torque 
(T) the principal stresses set up in the shaft can be shown to be equal to those produced 
by an equivalent bending moment, of a certain value (M

e

) acting alone. 

From the simple bending theory the maximum direct stresses set up at the outside surface 
of the shaft owing to the bending moment (M) are given by 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

66

 

Similarly, from the torsion theory, the maximum shear stress in the surface of the shaft is 
given by 

 

But for a circular shaft J = 2I, 

 

The principal stresses for this system can now be obtained by applying the formula 
derived in 

 

and, with 

σ

y

 = 0, the maximum principal stress (

σ

1

 ) is given by 

 

Now if (M

)  is the bending moment which, acting alone, will produce the same 

maximum stress, then 

 

i.e. the equivalent bending moment is given by 

 

 

and it will produce the same maximum direct stress as the combined bending and torsion 
effects. 
Combined bending and torsion - equivalent torque 
Again considering shafts subjected to the simultaneous application of a bending moment 
(M)  and a torque (T) the maximum shear stress set up in the shaft may be determined 
by the application of an equivalent torque of value (T

e

acting alone. From the preceding 

section the principal stresses in the shaft are given by 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

67

 

  

Now the maximum shear stress is given by equation (12) 

  

But, from the torsion theory, the equivalent torque T

e   ,  

will set up a maximum shear 

stress of 
 

 

 

Thus if these maximum shear stresses are to be equal, 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

68

Examples 

 
Example 1 
(a) A solid shaft, 100 mm diameter, transmits 75 kW at 150 rev/min. Determine the value 
of the  maximum  shear stress set  up  in  the  shaft  and the  angle  of twist per  metre  of  the 
shaft length if G = 80 GN/m

2

.   

(b) If the shaft were now bored in order to reduce weight to produce a tube of     100 mm 
outside  diameter  and  60mm  inside  diameter,  what  torque  could  be  carried  if  the  same 
maximum  shear  stress  is  not  to  be  exceeded?  What  is  the  percentage  increase  in 
power/weight ratio effected by this modification? 
 
Solution 

 

 

 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

69

 
 

 

Example 2 
Determine the dimensions of a hollow shaft with a diameter ratio of 3:4 which is to 
transmit 60 kW at 200 rev/min. The maximum shear stress in the shaft is limited to 
70 MN/m

2

 and the angle of twist to 3.8

o

 in a length of 4 m. For the shaft material    G = 

80 GN/m

2

Solution 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

70

 

 

Thus the dimensions required for the shaft to satisfy both conditions are outer diameter 
75.3mm; inner diameter 56.5 mm. 
 
Example 3 
(a) A steel transmission shaft is 510  mm  long and 50  mm external diameter.  For part of 
its length it is bored to a diameter of 25 mm and for the rest to 38 mm diameter. Find the 
maximum power that may be transmitted at a speed of             210 rev/min if the shear 
stress is not to exceed 70 MN/m

2

(b) If the angle of twist  in the length of 25 mm bore is equal to that  in the  length of 38 
mm bore, find the length bored to the latter diameter. 
Solution 
(a) This is, in effect, a question on shafts in series since each part is subjected to the same 
torque. From the torsion theory ; 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

71

 

 
and as the maximum stress and the radius at which  it occurs (the outside radius) are the 
same for both shafts the torque allowable for a known value of shear stress is dependent 
only on the value of (J). This will be least where the internal diameter is greatest since 

(

b) 

Let suffix 1 refer to the 38 mm diameter bore portion and suffix 2 to the other part. Now 
for shafts in series, equation (16) applies

 

 

 
 
 
 
 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

72

 

PROBLEMS

 

 

- A solid steel shaft (A) of 50 mm diameter rotates at 250 rev/min. Find the greatest power that can be 

transmitted for a limiting shearing stress of 60 MN/m

2

 in the steel. 

      It  is  proposed  to  replace  (A)  by  a  hollow  shaft  (  B),  of  the  Same  external  diameter  but  with                          

a limiting shearing stress of 75 MN/m

2

. Determine the internal diameter of (B) to transmit the same 

power at the same speed.                                                           

 

 

A

A

n

n

s

s

.

.

[

[

3

3

8

8

.

.

6

6

k

k

W

W

,

,

 

 

3

3

3

3

.

.

4

4

 

 

m

m

m

m

]

]

 

 

 

2 - Calculate the dimensions of a hollow steel shaft which is required to transmit 750 kW at a speed of 

400  rev/min  if  the  maximum  torque  exceeds the mean  by  20 %  and the greatest intensity of  shear 
stress is limited to75 MN/m

2

. The internal diameter of the shaft is to be               80 % of the external 

diameter. (The mean torque is that derived from the horsepower equation.)                   

A

A

n

n

s

s

.

[

[

1

1

3

3

5

5

.

.

2

2

m

m

m

m

,

,

 

 

1

1

0

0

8

8

.

.

2

2

 

 

m

m

m

m

.

.

]

]

 

 

3 - A steel shaft 3 m long is transmitting 1 MW at 240 rev/min. The working conditions to be satisfied 

by the 

     shaft are: 
     (a) that the shaft must not twist more than 0.02 radian on a length of 10 diameters; 
     (b) that the working stress must not exceed 60 MN/m

2

     If the modulus of rigidity of steel is 80 GN/m

2

 what is 

        (i) the diameter of the shaft required 
        (ii) the actual working stress; 
       (iii) the angle of twist of the 3 m length?                  

A

A

n

n

s

s

.

[

[

l

l

5

5

0

0

 

 

m

m

m

m

;

;

 

 

6

6

0

0

M

M

N

N

/

/

m

m

2

2

;

;

 

 

0

0

.

.

0

0

3

3

0

0

 

 

r

r

a

a

d

d

.

.

]

 
 

4 - A hollow shaft has to transmit 6MW at 150 rev/min. The maximum allowable stress is not to exceed 

60  MN/m

2

  and  the  angle  of  twist  0.3

o

  per  metre  length  of  shafting.  If  the  outside diameter  of  the 

shaft is 300 mm find the minimum thickness of the hollow shaft to satisfy the above conditions. G = 
80 GN/m

2

.                                                                

A

A

n

n

s

s

.

[

[

6

6

1

1

.

.

5

5

m

m

m

m

.

.

]

] 

 

 

5 - A flanged coupling having six bolts placed at a pitch circle diameter of 180 mm connects two lengths 

of solid steel shafting of the same diameter. The shaft is required to transmit 80 kW at 240 rev/min. 
Assuming the allowable intensities of shearing stresses in the shaft and bolts are 75 MN/m

2

 and 55 

MN/m

2

 respectively, and the maximum torque is 1.4 times the mean torque, calculate:  

          (a) the diameter of the shaft; 
          (b) the diameter of the bolts.                                                  

A

A

n

n

s

s

.

[

[

6

6

7

7

.

.

2

2

m

m

m

m

,

,

 

 

1

1

3

3

.

.

8

8

 

 

m

m

m

m

.

.

]

]

 

 

 

6 - A hollow low carbon steel shaft is subjected to a torque of 0.25 MN. m. If the ratio of internal to 

external diameter is 1 to 3 and the shear stress due to torque has to be limited to 70 MN/m

2

 

determine the required diameters and the angle of twist in degrees per metre length of shaft. 

        G = 80GN/m

2

.                                                                          

A

A

n

n

s

s

.

. 

[

[

2

2

6

6

4

4

m

m

m

m

,

,

 

 

8

8

8

8

 

 

m

m

m

m

;

;

 

 

0

0

.

.

3

3

8

8

o

o

]

]

 

 
 
 
 
 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

73

 
 

CRYSTALLINE STRUCTURE OF METALS  

 
    The arrangement of atoms in a material determines the behavior and properties of that 
material.  Most  of  the  materials  used  in  the  construction  of  a  nuclear  reactor  facility  are 
metals.  In  this  chapter,  we  will  discuss  the  various  types  of  bonding  that  occurs  in 
material selected for use in a reactor facility.  
 
1- Atomic Bonding                                                                      
     There  are    three  common  states,  these  three  states  are  solid,  liquid,  and  gas.  The 
atomic or molecular interactions that occur within a substance determine its state. In this 
chapter,  we  will  deal  primarily  with  solids  because  solids  are  of  the  most  concern  in 
engineering  applications  of  materials.  Liquids  and  gases  will  be  mentioned  for 
comparative  purposes  only.  Solid  matter  is  held  together  by  forces  originating  between 
neighboring atoms or molecules. These forces arise because of differences in the electron 
clouds  of  atoms.  In  other  words,  the  valence  electrons,  or  those  in  the  outer  shell,  of 
atoms  determine  their  attraction  for  their  neighbors.  When  physical  attraction  between 
molecules or atoms of a material is great, the material is held tightly together. Molecules 
in solids are  bound tightly  together. When the attractions are weaker,  the substance  may 
be in a liquid form  and free  to flow. Gases exhibit virtually no  attractive forces between 
atoms or molecules, and their particles are free to move independently of each other. The 
types  of  bonds  in  a  material  are  determined  by  the  manner  in  which  forces  hold  matter 
together. Figure (1) illustrates several types of bonds and their characteristics 
are listed below. 
 
a. Ionic bond - In this type of bond, one or more electrons are wholly transferred from an 

atom of one element to the atom of the other, and the elements are held together by the 
force of attraction due to the opposite polarity of the charge. 

b.  Covalent  bond  - A  bond  formed by  shared  electrons. Electrons  are  shared     when  an 

atom needs electrons to complete its outer shell and can share those electrons with its 
neighbor. The electrons are then part of both atoms and both shells are filled. 

  

c.  Metallic  bond - In this type of  bond, the atoms do not share  or exchange electrons to 

bond together. Instead,  many electrons  (roughly  one for  each  atom) are  more or  less 
free to move throughout the metal, so that each electron can interact with many of the 
fixed atoms. 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

74

d.  Molecular bond - When the electrons of neutral atoms spend more time in one region 

of  their  orbit,  a  temporary  weak  charge  will  exist.  The  molecule  will  weakly  attract 
other molecules. This is sometimes called the van der Waals or molecular bonds. 

e. Hydrogen bond - This bond is similar to the molecular bond and occurs due to the ease 

with  which  hydrogen  atoms  are  willing  to  give  up  an  electron  to  atoms  of  oxygen, 
fluorine, or nitrogen. 

 
Some examples of materials and their bonds are identified in Table (1). 

 

 

       The type of bond  not only determines  how  well a material  is held together, but  also 
determines  what  microscopic  properties  the  material  possesses.  Properties  such  as  the 
ability to  conduct  heat or  electrical current are determined  by the freedom of movement 
of  electrons.  This  is  dependent  on  the  type  of  bonding  present.  Knowledge  of  the 
microscopic  structure  of  a  material  allows  us  to  predict  how  that  material  will  behave 
under  certain  conditions.  Conversely,  a  material  may  be  synthetically  fabricated  with         
a  given  microscopic  structure  to  yield  properties  desirable  for  certain  engineering 
applications. 
 

  

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

75

  

2- Microstructures 
      Solids have greater inter atomic attractions than liquids and gases. However, there are 
wide  variations  in  the  properties  of  solid  materials  used  for  engineering  purposes.  The 
properties of materials depend on their inter atomic bonds. These same bonds also dictate 
the  space  between  the  configuration  of  atoms  in  solids.  All  solids  may  be  classified  as 
either amorphous or crystalline. 
3- Amorphous 
      Amorphous materials  have  no  regular  arrangement of  their  molecules.  Materials  like 
glass and paraffin are considered amorphous. Amorphous materials have the properties of 
solids.  They  have  definite  shape  and  volume  and  diffuse  slowly.  These  materials  also 
lack  sharply  defined  melting  points.  In  many  respects,  they  resemble  liquids  that  flow 
very slowly at room temperature.  
4- Crystalline 
       In a crystalline structure, the atoms are arranged in a three-dimensional array called a 
lattice. The lattice has a regular repeating configuration in all directions. A group of 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

76

particles from one part of a crystal has exactly the same geometric relationship as a group 
from any other part of the same crystal. 

 

COMMON LATTICE TYPES  

All  metals  used  in  a  reactor  have  crystalline  structures.  Crystalline  microstructures  are 
arranged in three-dimensional arrays called lattices. 
 

 

1- Crystal structure 
       In  metals,  and  in  many  other  solids,  the  atoms  are  arranged  in  regular  arrays  called 
crystals.  A  crystal  structure  consists  of  atoms  arranged  in  a  pattern  that  repeats 
periodically  in  a  three-dimensional  geometric  lattice.  The  forces  of  chemical  bonding 
causes  this  repetition.  It  is  this  repeated  pattern  which  control  properties  like  strength, 
ductility, density (described in Module 2, Properties of Metals), conductivity (property of 
conducting or transmitting heat, electricity, etc.), and shape. 
In general,  the  three  most  common  basic  crystal  patterns  associated  with  metals  are:  (I) 
the  body-centered  cubic,  (II)  the  face-centered  cubic,  and      (III)  the  hexagonal  close-
packed. Figure (2) shows these three patterns. 
  

(I) Body-centered cubic structure 

     In a body-centered  cubic  (BCC) arrangement  of atoms, the unit cell consists  of  eight 
atoms at the corners of a cube and one atom at the body center of the cube. 
 

(II) Face-centered cubic structure 

     In a face-centered cubic (FCC) arrangement of atoms, the unit cell consists of eight 
atoms at the corners of a cube and one atom at the center of each of the faces of the cube. 
 

(III) Hexagonal close-packed structure 

        In a  hexagonal  close-packed (HCP)  arrangement  of  atoms,  the  unit  cell  consists  of 
three  layers  of  atoms.  The  top  and  bottom  layers  contain  six  atoms  at  the  corners  of  a 
hexagon  and  one  atom  at  the  center  of  each  hexagon.  The  middle  layer  contains  three 
atoms  nestled  between  the  atoms  of  the  top  and  bottom  layers,  hence,  the  name  close-
packed. 
 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

77

 

      Most diagrams of the structural cells for the BCC and FCC forms of iron are drawn as 
though they are of the same size, as shown in Figure ( 2) , but they are not. I n th e BCC 
arrangement, the structural cell, which uses only nine atoms, is much smaller. 
   Metals such as 

α

-iron (Fe) (ferrite), chromium (Cr), vanadium (V), molybdenum (Mo), 

and  tungsten  (W)  possess  BCC  structures.  These  BCC  metals  have  two  properties  in 
common,  high  strength  and  low  ductility  (which  permits  permanent  deformation).  FCC 
metals such as 

γ

-iron(Fe) (austenite), aluminum (Al), copper (Cu), lead (Pb), silver (Ag), 

gold (Au), nickel (Ni), platinum (Pt), and thorium (Th) are, in general, of lower strength 
and  higher  ductility  than  BCC  metals.  HCP  structures  are  found  in  beryllium  (Be), 
magnesium  (Mg),  zinc  (Zn),  cadmium  (Cd),  cobalt  (Co),  thallium  (Tl),  and  zirconium 
(Zr). The important information in this chapter is summarized below. 
 
 
 
 
 
 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

78

GRAIN STRUCTURE AND BOUNDARY  

 

     Metals contain grains and crystal structures. The individual needs a microscope to see 
the  grains  and  crystal  structures.  Grains  and  grain  boundaries  help  determine  the 
properties of a material. 
 
1- Grain Structure and Boundary 
      If  you  were  to  take  a  small  section  of  a  common  metal  and  examine  it  under  a 
microscope, you would  see a  structure similar  to  that  shown in  Figure  3(a).  Each  of  the 
light  areas  is  called  a  grain,  or  crystal,  which  is  the  region  of  space  occupied  by  a 
continuous crystal lattice. The dark lines surrounding the grains are grain boundaries. The 
grain structure  refers  to  the  arrangement of  the grains  in  a  metal,  with  a grain having  a 
particular crystal structure. The grain  boundary refers to the outside area of a grain that 
separates  it  from  the other  grains.  The  grain boundary  is  a  region  of  misfit  between  the 
grains  and  is  usually  one  to  three  atom  diameters  wide.  The  grain  boundaries  separate 
variously-oriented  crystal  regions(polycrystalline)  in  which  the  crystal  structures  are 
identical.  Figure  3(b)  represents  four  grains  of  different  orientation  and  the  grain 
boundaries  that  arise  at  the  interfaces  between  the  grains.  A  very important  feature  of  a 
metal is  the average  size of the  grain.  The size  of  the grain determines  the properties of 
the metal. For example, smaller grain size increases tensile strength and tends to increase 
ductility. A larger grain size is preferred for improved high-temperature creep properties. 
Creep  is  the  permanent  deformation  that  increases  with  time  under  constant  load  or 
stress. Creep becomes progressively easier with increasing temperature. Stress and strain 
are  covered  in  Module  2,  Properties  of  Metals,  and  creep  is  covered  in              Module  5, 
Plant Materials. 
         Another  important  property  of  the  grains  is  their  orientation.                    Figure  4(a) 
represents a  random  Figure  (3)  Grains and  Boundaries                            (a)  Microscopic  (b) 
Atomic arrangement  of  the grains such  that  no one direction within the grains is  aligned 
with  the  external  boundaries  of  the  metal  sample.  This  random  orientation  can  be 
obtained  by  cross  rolling  the  material.  If  such  a  sample  were  rolled  sufficiently  in  one 
direction,  it might  develop  a  grain-oriented  structure in  the rolling  direction  as  shown  in       
Figure  4(b).  This  is  called  preferred  orientation.  In  many  cases,  preferred  orientation  is 
very  desirable,  but  in  other  instances,  it  can  be  most  harmful.  For  example,  preferred 
orientation  in  uranium  fuel  elements  can  result  in  catastrophic  changes  in  dimensions 
during use in a nuclear reactor. 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

79

 

 

 

 

  

POLYMORPHISM  

Metals are capable of existing in more than one form at a time. This chapter will discuss 
this property of metals. 
 
1- Polymorphism Phases 
Polymorphism  is  the  property  Figure  5  Cooling  Curve  for  Unalloyed  Uranium  or  ability 
of a metal to exist in two or more crystalline forms 
depending upon  temperature and  composition. Most  metals  and  metal alloys  exhibit  this 
property.  Uranium  is  a  good  example  of  a  metal  that  exhibits  polymorphism.  Uranium 
metal can exist in three different crystalline structures. Each structure exists at a specific 
phase, as illustrated in Figure 5. 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

80

1. The alpha phase, from room temperature to 663

°

2. The beta phase, from 663

°

C to 764

°

3. The gamma phase, from 764

°

C to its melting point of 1133

°

 

 

2-  Alpha (

α) Phase  

       The alpha (

α

) phase is stable at room temperature and has a crystal system 

characterized by three unequal axes at right angles. 
        In the alpha phase, the properties of the lattice are different in the X, Y, and Z axes. 
This  is  because  of  the  regular  recurring  state  of  the  atoms  is  different.  Because  of  this 
condition, when heated the phase expands in the X and Z directions and shrinks in the Y 
direction.  Figure 6  shows what  happens to  the dimensions  (Å = angstrom, one  hundred-
millionth of a  centimeter) of  a unit cell  of  alpha  uranium upon  being  heated.  As  shown, 
heating and cooling of alpha phase uranium  can lead to drastic dimensional changes and 
gross distortions of the metal. Thus, pure uranium is not used as a fuel, but only in alloys 
or compounds. Figure  6 Change  in Alpha Uranium Upon Heating  From  0  to  300

°

C  The 

beta  (

β

)  phase  of  uranium  occurs  at  elevated  temperatures.  This  phase  has  a  tetragonal 

(having four angles and four sides) lattice structure and is quite complex. 

  

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

81

  

3- Beta

 (

β) 

Phase 

     The  beta  (

β

)  phase  of  uranium  occurs  at  elevated  temperatures.  This  phase  has  a 

tetragonal (having four angles and four sides) lattice structure and is quite complex. 

hase

P

γ

amma (

G

 

-

4

  

    The gamma (

γ

) phase of uranium is formed at temperatures above those required for 

beta phase stability. In the gamma phase, the lattice structure is BCC and expands equally 
in all directions when heated. 

 

ALLOYS  

    
       Most  of  the  materials  used  in  structural  engineering  or  component  fabrication  are 
metals. Alloying is  a common  practice because  metallic  bonds allow  joining of  different 
types of metals. 
1- Alloy 
      An  alloy  is  a  mixture  of  two  or  more  materials,  at  least  one  of  which  is  a  metal. 
Alloys  can  have  a  microstructure  consisting  of  solid  solutions,  where  secondary  atoms 
are introduced as substitutionals or interstitials (discussed further in the next chapter and 
Module  5,  Plant  Materials)  in  a  crystal  lattice.  An  alloy  might  also  be  a  crystal  with  a 
metallic  compound  at  each  lattice  point.  In  addition,  alloys  may  be  composed  of 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

82

secondary  crystals  imbedded  in  a  primary  polycrystalline  matrix.  This  type  of  alloy  is 
called  a  composite  (although  the  term  "composite"  does  not  necessarily  imply  that  the 
component materials are metals). Module2, Properties of Metals, discusses how different 
elements change the physical properties of a metal. 
2- Common Characteristics of Alloys 
       Alloys  are  usually  stronger  than  pure  metals,  although  they  generally  offer  reduced 
electrical  and  thermal  conductivity.  Strength  is  the  most  important  criterion  by  which 
many  structural  materials  are  judged.  Therefore,  alloys  are  used  for  engineering 
construction. Steel, probably the most common structural metal, is a good example of an 
alloy.  It  is  an  alloy  of  iron  and  carbon,  with  other  elements  to  give  it  certain  desirable 
properties.  As  mentioned  in  the  previous  chapter, it  is sometimes possible  for a material 
to be composed of several solid phases. The strengths of these materials are enhanced by 
allowing a solid structure to become a form composed of two interspersed phases. When 
the  material  in  question  is  an  alloy,  it  is  possible  to  quench  (discussed  in  more  detail  in 
Module  2,  Properties  of  Metals)  the  metal  from  a  molten  state  to  form  the  interspersed 
phases. The type and rate of quenching determines the final solid structure and, therefore, 
its properties. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

83

BENDING 

Simple bending theory 
    If  a  piece  of  rubber,  most  conveniently  of  rectangular  cross-section,  is  bent  between 
one’s fingers it is readily apparent that one surface of the rubber is stretched, i.e. put into 
tension,  and  the  opposite  surface  is  compressed.  In  order  for  this  to  be  achieved  it  is 
necessary to make certain simplifying assumptions. The assumptions are as follows: 
 (1) The beam is initially straight and unstressed. 
(2)  The  material  of  the  beam  is  perfectly  homogeneous  and  isotropic,  i.e.  of  the    same 

density and elastic properties throughout. 

(3) The elastic limit is nowhere exceeded. 
(4) Young's modulus for the material is the same in tension and compression. 
(5) Plane cross-sections remain plane before and after bending. 
(6) Every cross-section of the beam is symmetrical about the plane of bending, i.e. about 

an 

(7) There is no resultant force perpendicular to any cross-section. 

 

      If  we  now  consider  a  beam  initially  unstressed  and  subjected  to  a  constant  (B.M.) 
along  its  length,  i.e.  pure  bending,  as  would  be  obtained  by  applying  equal  couples  at 
each end, it will bend to a radius (R ) as shown in Figure (1b). As a result of this bending 
the top fibres of the beam will be subjected to tension and the bottom to compression. It 
is reasonable to  suppose,  therefore, that somewhere  between  the two  there  are points at 
which the stress is zero. The locus of all such points is termed the neutral axis (N.A). The 
radius of curvature R is then measured to this axis. For symmetrical sections the N.A. is 
the  axis  of  symmetry,  but  whatever  the  section  the  N.A.  will  always  pass  through  the 
centre of area or centroid. 

 

Figure (1) Beam subjected to pure bending 

 (a) before, and (b) after, the moment 

 

     Consider  now  two  cross-sections  of  a  beam,  HE  and  GF,  originally  parallel              
Figure (1a) When the beam  is bent Figure (1b). it  is assumed that these sections remain 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

84

plane;  i.e. H' E' and  G'F', the final positions of the sections, are still straight lines. They 
will then subtend some angle (

θ). Consider now some fibre AB in the material, distance y 

from the N.A. When the beam is bent this will stretch to A'B'. 

 

……..(1)

 

 

Consider now a cross-section of the beam Figure (2) From equation (1) the stress on a 
fibre at distance (y) from the N.A. is 

 

 

 

Figure (2) Beam cross-section.

 

 

If the strip is of area 

δA the force on the strip is 

 

 

This has a moment about the N.A. of 

 

The total moment for the whole cross-section is therefore 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

85

 

since (E) and (R) are assumed constant. 

The term 

A

y

δ

.

2

 

is called the second moment 

of 

area of the cross-section and given the symbol (I). 

 

 

Combining eqns. (1) and (2) we have the bending theory equation 

)

3

......(

R

E

y

I

M

=

=

σ

 

Neutral axis 
   In bending, one surface of the beam is subjected to tension and the opposite surface to 
compression  there  must  be  a  region  within  the  beam  cross-section  at  which  the  stress 
changes  sign,  i.e.  where  the  stress  is  zero,  and  this  is  termed  the  neutral  axis  (N.A). 
Further, equation (3) may be re-written in the form  

 

which shows that at any section the stress is directly proportional to y, the distance from 
the  N.A.,  i.e.  (s)  varies  linearly  with  (y),  the  maximum  stress  values  occurring  in  the 
outside surface of the beam where (y)  is a maximum. 
The  force  on  the  small  element  of  area  is    (s.dA)    acting  perpendicular  to  the  cross-
section,  i.e.  parallel  to  the  beam  axis.  The  total  force  parallel  to  the  beam  axis  is 
therefore

dA

.

σ

.  The  tensile  force  on  one  side  of  the  N.A.  must  exactly  balance  the 

compressive force on the other side 

 

 

Substituting from equation  (1) 

 

 

     Typical stress distributions in bending are shown in Figure (4).  In order to obtain the 
maximum resistance to bending it is advisable therefore to use sections which have large 
areas as far away from the N.A. as possible. For this reason beams with I- or T-sections 
find  considerable  favour  in  present  engineering  applications,  such  as  girders,  where 
bending plays a  large part.  Such beams have large moments of area about one axis and, 
provided that it is ensured that bending takes place about this axis, they will have a high 
resistance to bending stresses. 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

86

 
 

 

 

Figure (4) Typical bending stress distributions

.

 

 
 

Section modulus 
From equation (4) the maximum stress obtained in any cross-section is given by 

 

For any given allowable stress the maximum moment which can be accepted by a 
particular shape of cross-section is therefore

 

 

For ready comparison of the strength of various beam cross-sections this is sometimes 
written in the form 

 

 
where  Z(=  I/y

max.

)  is  termed  the  section  modulus.  The  higher  the  value  of  Z  for                   

a  particular  cross-section  the  higher  the  B.M.  which  it  can  withstand  for  a  given 
maximum  stress.  This  is  particularly  important  in  the  case  of  unsymmetrical  sections 
such  as  T-sections  where the  values of  (y

max

)  wi1l also be different on each  side  of  the 

N.A. Figure (4) and here two values of section modulus are often quoted, 

 

each being then used with the appropriate value of allowable stress.  
 
Second moment of area 
      Consider  the rectangular  beam  cross-section shown  in  Figure (5)  and  an  element of 
area (dA), thickness (dy), breadth (B) and distance (y) from the N.A. which by symmetry 
passes through the centre of the section. The second moment of area (I) has been defined 
earlier as 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

87

 

 

 

 

Thus for the rectangular section the second moment of area about the N.A., i.e. an axis 
through the centre, is given by 

 

 

 

Similarly, the second moment of area of the rectangular section about an axis through the 
lower  edge  of  the  section  would  be  found  using  the  same  procedure  but  with  integral 
limits of 0 to D. 

 

 

These  standard  forms  prove  very  convenient  in  the  determination  of  (I

N.A.

)  values  for 

built-up  sections  which  can  be  conveniently  divided  into  rectangles.  For  symmetrical 
sections as, for instance, the I-section shown in Figure (6) 
 
 

 
 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

88

 

 
 

 

It  will  be  found  that  any  symmetrical  section  can  be  divided  into  convenient rectangles 
with the N.A. running through each of their centroids and the above procedure can then 
be employed to effect a rapid solution. For unsymmetrical sections such as the T-section 
of Figure (7) it is more convenient to divide the section into rectangles with their edges in 
the N.A., when the second type of standard form may be applied. 
 

 

 

 (each of these quantities may be written in the form BD

3

/3). 

 

 

 

As an alternative procedure it is possible to determine the second moment of area of each 
rectangle about an axis through its own centroid (I

G

 = 8D

3

/12) and to “shift” this value to 

the equivalent value about the N.A. by means of the parallel axis theorem. 

 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

89

Where;(A) is the area of the rectangle and (h) the distance of its centroid (G) from the 
N.A. Whilst this is perhaps not so quick or convenient for sections built-up from 
rectangles.  
 

 

Bending of composite or flitched beams 

(a) A composite beam is one which is constructed from a combination of materials. If 

such a beam is formed by rigidly bolting together two timber joists and  reinforcing steel 
plate, a then it is termed a flitched beam.  

     Since  the  bending  theory  only  holds  good  when  a  constant  value  of  Young’s 
modulus  applies  across  a  section  it  cannot  be  used  directly  to  solve  composite-beam 
problems  where  two  different  materials,  and  therefore  different  values  of  (E),  are 
present. The method of solution in such a case is to replace one of the materials by an 
equivalent section of the other

.

 

 

 
 

 

 
 
 

Figure (8) Bending of composite or flitched beams: original beam cross-section and 

equivalent of uniform material (wood) properties. 

 

Consider, therefore, the beam shown in Figure (8) in which a steel plate is held centrally 
in an appropriate recess between two blocks of wood. Here it is convenient to replace the 
steel by an equivalent area of wood, retaining the same bending strength, i.e. the moment 
at  any  section  must  be  the  same  in  the  equivalent  section  as  in  the  original  so  that  the 
force  at  any  given  (dy)  in  the  equivalent  beam  must  be  equal  to  that  at  the  strip  it 
replaces. 
 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

90

 

Thus  to  replace  the  steel  strip  by  an  equivalent  wooden  strip  the  thickness  must  be 
multiplied  by  the  modular  ratio  E/E

/

.  The  equivalent  section  is  then  one  of  the  same 

material throughout and the simple bending theory applies. The stress in the wooden part 
of  the  original  beam  is  found  directly  and  that  in  the  steel  found  from  the  value  at  the 
same point in the equivalent material as follows: 

 

stress in steel = modular ratio x stress in equivalent wood 

 
Strain energy in bending 
    For beams subjected to bending the total strain energy of the system is given by 

 

 

For uniform beams, or parts of beams, subjected to a constant (B.M).  

 

 

 

 
 
 
 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

91

Examples 

Example (1) 
   An I-section girder, 200 mm wide by 300 mm deep, with flange and web of thickness 
20 mm is used as a simply supported beam over a span of 7 m. The girder carries a 
distributed load of kN/m and a concentrated load of 20 kN at mid-span. Determine: (a) 
the second moment of area of the cross-section of the girder, (b) the maximum stress set-
up. 
 
Solution 
(a) The second moment of area of the cross-section may be found in two ways. 
 

Method 1 -Use of standard forms 

 For sections with symmetry about the N.A., use can be made of the standard value for a 
rectangle about an axis through  its centroid,  i.e. bd

3

/12. The section can thus be divided 

into convenient rectangles for each of which the N.A. passes through the centroid, e.g. in 
this case, enclosing the girder by a rectangle                     Figure (16). 
 

 

 

Method 2 - Parallel axis theorem 

Consider the section divided into three parts - the web and the two flanges. 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

92

 

 

Both methods thus yield the same value and are equally applicable in most cases. Method 
1, however, normally yields the quicker solution. 

 

(b) The maximum stress may be found from the simple bending theory . 

 

Now the maximum B.M. for a beam carrying a u.d.1. is at the centre and given by 
(wL

2

/8). Similarly, the value for the central concentrated load is (WL/4) also at the centre. 

Thus, in this case, 
 
 

 

The maximum stress in the girder is 52 MN/m

2

, this value being compressive on the 

upper surface and tensile on the lower surface. 

 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

93

Example (2) 
 A uniform T-section beam is 100 mm wide and 150 mm deep with a flange thickness of 
25 mm and a web thickness of 12 mm. If the limiting bending stresses for the material of 
the  beam  are 80  MN/m

2

  in compression  and 160  MN/m

2

  in tension,  find  the  maximum 

u.d.1. that the beam can carry over a simply supported span of m. 
 
Solution 
 The second moment of area value I used in the simple bending theory is that about  the 
N.A. Thus, in order to determine the I value of the T-section shown in                     Figure 
(17), it is necessary first to position the N.A.  
Since this always passes through the centroid of the section we can take moments of area 
about the base to determine the position of the centroid and hence the N.A. 
Thus 
 

 

 

Thus  the  N.A.  is  positioned,  as  shown,  a  distance  of  109.4  mm  above  the  base.  The 
second moment of area I can now be found as suggested in Example (1) by dividing the 
section into convenient rectangles with their edges in the neutral axis. 

 

Now the maximum compressive stress will occur on the upper surface where                   

40.6 mm, and, using the limiting compressive stress value quoted, 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

94

 

This suggests a maximum allowable B.M. of 14.5 kN m. It is now necessary, however, to 
check the tensile stress criterion which must apply on the lower surface, 

 

The greatest moment that can therefore be applied to retain stresses within both 
conditions quoted is therefore M = 10.76 kNm. But for a simply supported beam with 
u.d.l., 

 

The u.d.1. must be limited to 3.4 kN m. 
Example (3) 
A flitched beam consists of two 50 mm x 200 mm wooden beams and a 12 mm x 80 mm 
steel plate. The plate is placed centrally between the wooden beams and recessed into 
each so that, when rigidly joined, the three units form a 100 mm x 200 mm section as 
shown in Figure(18). Determine the moment of resistance of the flitched beam when the 
maximum bending stress in the timber is 12 MN/m

2

. What will then be the maximum 

bending stress in the steel? 
For steel E = 200 GN/m

2

; for wood E = 10 GN/m

2

 

 

 
 
Solution 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

95

The flitched beam may be considered replaced by the equivalent wooden section shown 
in Figure (18). The thickness t

‘ of the wood equivalent to the steel which it replaces is 

given by 

 

 
Then, for the equivalent section 

 

Now the maximum stress in the timber is 12 MN/m

2

, and this will occur at                      

100 mm; thus, from the bending theory, 
 

 

The  moment  of  resistance  of  the  beam,  i.e.  the  bending  moment  which  the  beam  can 
withstand within the given limit, is 9.2 kN m. 
The maximum stress in the steel with this moment applied is then determined by finding 
first the maximum stress in the equivalent wood at the same position, i.e. at = 40 mm. 
Therefore maximum stress in equivalent wood 
 

 

 

The maximum stress in the steel is given by 

 

 
 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

96

 

Problems 

1 - Determine the second moments of area about the axes XX for the sections shown in 

Figure (19).                  Ans. [15.69, 7.88, 41.15, 24; all x l0

-6

m

4

 

2- A rectangular section beam has a depth equal to twice its width. It is the same material 

and mass per unit length as an I-section beam 300 mm deep with flanges 25 mm thick 
and 150 mm wide and a web 12 mm thick. Compare the flexural strengths of the two 
beams.                                             Ans. [8.59: 1] 

 
3-  A  conveyor beam has  the cross-section  shown  in  Figure  (20)  and  it  is  subjected to  a 

bending  moment  in  the  plane  YK  Determine  the  maximum  permissible  bending 
moment which can be applied to the beam (a) for bottom flange in tension, and (b) for 
bottom  flange  in  compression,  if  the  safe  stresses  for  the  material  in  tension  and 
compression 

are 

30 

MN/m

2

 

and 

150 

MN/m

respectively.                                               

Ans.[32.3, 84.8 kN m.] 

 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

97

 

 
4-  A  horizontal  steel  girder  has  a  span  of  3  m  and  is  built-in  at  the  left-hand  end  and 

freely  supported at  the other end. It  carries a  uniformly distributed  load  of              30 
kN/m  over  the  whole  span,  together  with  a  single  concentrated  load  of  20  kN  at  a 
point 2 m from the left-hand end. The supporting conditions are such that the reaction 
at the left-hand end is 65 kN. 

(a) Determine the bending moment at the left-hand end and draw the B.M.      

diagram. 

      (b) Give the value of the maximum bending moment. 
      (c) If the girder is 200 mm deep and has a second moment of area of  40 x 10

-6

m

4

 

determine the maximum stress resulting from bending. 

                                                                               Ans. [40 kN m; 100 MN/m

2

 
5- Figure (21) represents the cross-section of an extruded alloy member  which acts  as a 

simply  supported  beam  with  the  75  mm  wide  flange  at  the  bottom.  Determine  the 
moment  of  resistance  of  the  section  if  the  maximum  permissible  stresses  in  tension 
and compression are respectively 60 MN/m

2

 and 45 MN/m

2

                                                                                                         Ans.[62 kN m] 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

98

 

 
6- A brass strip, 50 mm x 12 mm in section, is riveted to a steel strip,                       65 

mm  x  10  mm  in  section,  to  form  a  compound  beam  of  total  depth  22  mm,  the  brass 
strip being on top and the beam section being symmetrical about the vertical axis. The 
beam is simply supported on a span of 1.3 m and carries a load of 2 kN at  mid-span. 

    (a) Determine the maximum stresses in each of the materials owing to bending. 
    (b) Make a diagram showing the distribution of bending stress over the depth of      the 

beam. Take E for steel = 200 GN/m

2

 and E for brass = 100 GN/m

2

      Ans.[ 

σ

b

 = 130 MN/m

2

;

 σ

 

s

 = 162.9 MN/m

2

 

 

7- A composite beam is of the construction shown in Figure (22). Calculate the allowable 

u.d.1. that the beam can carry over a simply supported span of 7 m if the stresses are 
limited to 120 MN/m

2

 in the steel and 7 MN/m

2

  in the timber. 

     Modular ratio = 20.                                                      Ans.[ 1.13 kN/m.] 

 

 
8- Two bars, one of steel, the other of aluminium alloy, are each of 75 mm width and are 

rigidly joined  together to  form  a  rectangular bar  75  mm  wide and of depth (t

s

  + t

A

), 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

99

where  t

s

 =  thickness  of  steel bar  and t

A

 = thickness  of  alloy bar. Determine the  ratio 

oft,  to  t,,  in  order  that  the  neutral  axis  of  the  compound  bar  is  coincident  with  the 
junction of the two bars. (E

s

 = 210 GN/m

2

;                                 E

A

 = 70 GN/m

2

) If 

such a beam  is 50  mm deep determine the maximum bending moment  the beam can 
withstand if the  maximum stresses in  the steel and alloy are limited to    135  MN/m

2

 

and 37 MN/m

2

 respectively.           

                                                                                     Ans.[0.577; 1.47 kNm.] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

100

S

S

L

L

O

O

P

P

E

E

 

 

A

A

N

N

D

D

 

 

D

D

E

E

F

F

L

L

E

E

C

C

T

T

I

I

O

O

N

N

 

 

O

O

F

F

 

 

B

B

E

E

A

A

M

M

S

S

 

 

 

 

 

 

 

Introduction 
             
       In  practically  all  engineering  applications  limitations  are  placed  upon  the 
performance  and  behavior  of  components  and  normally  they  are  expected  to  operate 
within certain set limits of for example, stress or deflection. The stress limits are normally 
set  so  that  the  component  does  not  yield  or  fail  under  the  most  severe  load  conditions 
which it is likely to meet in service.  

 

Relationship between loading, S.F., B.M., slope and deflection 
 
Consider a beam (AB) which is initially horizontal when unloaded. If this deflects to a 
new position (A

/

B

/

) under load, the slope at any point is

 

dx

dy

i

=

 

 

 

Figure (1) Unloaded beam AB deflected to A

/

B

/

 under load

 

 

This is usually very small in practice, and for small curvatures 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

101

 

 

This is the basic differential equation for the deflection of beams. 
          If the beam is now assumed to carry a distributed loading which varies in intensity 
over  the  length  of  the  beam,  then  a  small  element  of  the  beam  of  length  (dx)  will  be 
subjected  to  the loading condition  shown  in  Figure (2). The parts  of  the  beam  on  either 
side of the element (EFGH) carry the externally applied forces, while reactions to these 
forces are shown on the element itself. Thus for vertical equilibrium of (EFGH)

 

 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

102

 

Figure (2) Small element of beam subjected to non-uniform loading 

 (effectively uniform over small length dx). 

 

 
 
 
and integrating,     

 

Also, for equilibrium, moments about any point must be zero. 
Therefore taking moments about F, 

 

Therefore neglecting the square of small quantities, 

 

deflection = y 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

103

 

Figure (3) Sign conventions for load, S.F., B.M., slope and deflection. 

 
 
 
In  order  that  the  above  results  should  agree  algebraically,  i.e.  that  positive  slopes  shall 
have the normal mathematical interpretation of the positive sign and that B.M. and  S.F. 
conventions  are  consistent  with  those  introduced  earlier,  it  is  imperative  that  the  sign 
convention illustrated in Figure (3) be adopted. 
 
Direct integration method 
 
    If  the value  of  the B.M.  at  any point on a beam  is  known  in terms of x,  the distance 
along  the  beam,  and  provided  that  the  equation  applies  along  the  complete  beam,  then 
integration of eqn. (5.4a) will yield slopes and deflections at any point, 
i.e. 
 

 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

104

where and B are constants of integration evaluated from known conditions of slope and 
deflection for particular values of x. 
 

 
 

(a) Cantilever with concentrated load at the end

  

 

Figure (4) 

 

 

 

 

This gives the deflection at all values of x and produces a maximum value at the tip of the 
cantilever when x = 0,

  

I

E

L

W

y

deflection

Maximum

.

3

.

3

.

max

=

=

                                          …… (6)

 

 

 

The negative sign indicates that deflection is in the negative y direction, i.e. downwards. 

 

and produces a maximum value again when x = 0. 

 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

105

 

(b) Cantilever with uniformly distributed load  

 

Figure (5) 

 

 

 

 

(c) Simply-supported beam with uniformly distributed load 

 

 

Figure (6) 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

106

 

 

In this case the maximum deflection will occur at the centre of the beam where 
 x = L/2. 

 

 
 
 
 
( d ) Simply supported beam with central concentrated load  

 

Figure (7) 

In  order  to  obtain  a  single  expression  for  B.M.  which  will  apply  across  the  complete 
beam in this case it is convenient to take the origin for x at the centre, then: 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

107

 

 

(e) Cantilever subjected to non-uniform distributed load  

 

Figure (8) 

 
The loading at section X X is 

 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

108

Thus, before the slope or deflection can be evaluated, four constants have to be 
determined; therefore four conditions are required. They are: 
At x = 0, S.F. is zero 
from (1);       A = O 
At   x = 0,    B.M. is zero 
from (2);       B = O 
At x = L,   slope   dy/dx = 0 (slope normally assumed zero at a built-in support) 
 from (3) 

 

 

 

Then, for example, the deflection at the tip of the cantilever, where = 0, is 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

109

S

S

L

L

O

O

P

P

E

E

 

 

A

A

N

N

D

D

 

 

D

D

E

E

F

F

L

L

E

E

C

C

T

T

I

I

O

O

N

N

 

 

O

O

F

F

 

 

B

B

E

E

A

A

M

M

S

S

 

 
 

Macaulay’s method 

 

       The simple integration method used in the previous examples can only be used when 
a  single  expression  for  B.M.  applies  along  the  complete  length  of  the  beam.  In  general 
this  is  not  the  case,  and  the  method  has  to  be  adapted  to  cover  all  loading  conditions. 
Consider,  therefore,  a  small  portion  of  a  beam  in  which,  at  a  particular  section  A,  the 
shearing force is Q and the B.M. is M, as shown in         Figure (9 ). At another section B, 
distance a along the beam, a concentrated load W is applied which will change the B.M. 
for points beyond B. 

 

Figure (9) 

 
Between A and B, 

 

Beyond, B 

 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

110

 

Now for the same slope at B, equating (2) and (5), 

 

But at B,   x = a 

 

 

Substituting  in (5) 

 

 

Also, for the same deflection at (B) equating (3) and (6), with x = a 

 

Substituting in (6), 

 

 

 

Thus, inspecting (4), (7) and (8), we can see that the general method of obtaining slopes 
and deflections (i.e. integrating the equation for M ) will still apply provided that the term 
W(x  -a)  is  integrated  with  respect  to  (x  -a)  and  not  x.  Thus,  when  integrated,  the  term 
becomes 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

111

successively. 
In  addition,  since  the  term  W(x  -  a)  applies  only  after  the  discontinuity,                             
i.e. when x > a, it should be considered only when x > a or when (x - a) is positive. For 
these reasons such terms are conventionally put into square or curly brackets and called 
Macaulay terms. 
Thus Macaulay terms must be (a) integrated with respect to themselves and              (b) 
neglected when negative. 
For the whole beam, therefore, 

 

 

Figure (10) 

As an illustration of the procedure consider the beam loaded as shown in 

Figure (10) 

for which the central deflection is required. Using the Macaulay method the equation for 
the B.M. at any general section XX is then given by 
 

 

 

Care  is  then  necessary  to  ensure  that  the  terms  inside  the  square  brackets  (Macaulay 
terms) are treated in the special way noted on the previous page. 
Here  it  must  be  emphasised  that  all  loads  in  the  right-hand  side  of  the  equation  are  in 
units  of  kN  (i.e.  newtons  X  l0

3

).I  n  subsequent  working,  therefore,  it  is  convenient  to 

carry  through  this  factor  as  a  denominator  on  the  left-hand  side  in  order  that  the 
expressions are dimensionally correct. 
Integrating, 

 

where A and B are two constants of integration. 
Now when x =0, y =  0 .’. B = 0 
and when x = 12, y = 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

112

 

The deflection at any point is given by 

 

 

The  deflection  at  mid-span  is  thus  found  by  substituting  x  =  6  in  the  above  equation, 
bearing in mind that the dimensions of the equation are kN.m

3

N.B.-Two  of  the  Macaulay  terms  then  vanish  since  one  becomes  zero  and  the  other  
negative and therefore neglected. 

 

 

 
With typical values of E = 208 GN/m

2

 and I = 82 x m

4

 

central deflection = 38.4 x l0-3 m = 38.4 mm 
 

 

Macaulay’s method for uniformly distributed load (u.d.l) 

 

If a beam carries a uniformly distributed load over the complete span as shown in 

 

Figure (11a).  

 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

113

 

Figure (11)

 

 

The u.d.l. term applies across the complete span and does not require the special 

treatment associated with the Macaulay terms. If, however, the u.d.1. starts at B as  

shown  in  Figure  (11b)  the  B.M.  equation  is  modified  and  the  u.d.1.  term  becomes  a 
Macaulay term and is written inside square brackets. 
 

 

Integrating, 

 

 
     Note that Macaulay terms are integrated with respect to, for example, (x -a) and they 
must be ignored when negative. Substitution of end conditions will then yield the values 
of  the  constants  A  and  B  in  the  normal  way  and  hence  the  required  values  of  slope  or 
deflection. It must be appreciated, however, that once a term has been entered in the B.M. 
expression  it  will  apply  across  the  complete  beam.  The  modifications  to  the  procedure 
required for cases when u.d.1.s. are applied over part of the beam only are introduced in 
the following theory. 
 

 

Macaulay's method for beams with u.d.1. applied over part of the beam 

 

Consider the beam loading case shown in Figure (12).  

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

114

 

Figure (12) 

 

The B.M. at the section SS is given by the previously introduced procedure as 

 

         
      Having  introduced  the  last  (u.d.1.)  term,  however,  it  will  apply  for  all  values  of  x' 
greater  than  a,  i.e.  across  the  rest  of  the  span  to  the  end  of  the  beam.  (Remember, 
Macaulay terms are only neglected when they are negative, e.g. with x' a.) The above 
equation  is  NOT  therefore  the  correct  equation  for  the  load  condition  shown.  The 
Macaulay  method  requires  that  this  continuation  of  the  u.d.1.  be  shown  on  the  loading 
diagram and the required loading condition can therefore only be achieved by introducing 
an  equal  and  opposite  u.d.1.  over  the  last  part  of  the  beam  to  cancel  the  unwanted 
continuation of the initial distributed load. This procedure is shown in Figure (12b). 
The correct B.M. equation for any general section XX is then given by

 

 

 

 

This type of approach can be adopted for any beam loading cases in which u.d.1.s are 
stopped or added to. 

 

 
Example (1) 
Determine the deflection at a point 1 m from the left-hand end of the beam loaded as 
shown in Figure (13a) using Macaulay’s method. EI = 0.65 MN m

2

.

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

115

 

 

 

Figure (13)

 

Solution 
Taking moments about B 

 

 
 

Using the modified Macaulay approach for distributed loads over part of a beam 
introduced in Figure (13b), 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

116

 

Now when x = 0.6, y = 0

 

 

 

 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

117

 

In order that the above results should, i.e. that positive slopes shall have the 

 

The beam therefore is deflected downwards at the given position. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

118

S

S

L

L

O

O

P

P

E

E

 

 

A

A

N

N

D

D

 

 

D

D

E

E

F

F

L

L

E

E

C

C

T

T

I

I

O

O

N

N

 

 

O

O

F

F

 

 

B

B

E

E

A

A

M

M

S

S

 

 

 
 
 

3- Finite difference method 

 

  A numerical method for the calculation of beam deflections which is particularly useful 
for non-prismatic beams or for cases of irregular loading is the so-called finite difference 
method. The basic principle of the method is to replace the standard differential equation 
(1)  by  its  finite  difference  approximation,  obtain  equations  for  deflections  in  terms  of 
moments  at  various  points  along  the  beam  and  solve  these  simultaneously  to  yield  the 
required deflection values. 
Consider, therefore, Figure (1) which shows part of a deflected beam with the          x-
axis  divided  into  a  series  of  equally  spaced  intervals.  By  convention,  the  ordinates  are 
numbered with respect to the Central ordinate B. 
 

 

 

 

 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

119

The rate of change of the first derivative, i.e. the rate of change of the slope

 

2

2

dx

y

d

=

 

given in the same way approximately as the slope to the right of (i) minus the slope to the 
left of (i) divided by the interval between them. 

 

 

 Equations  (1)  and  (2)  are  the  finite  difference  approximations  of  the  standard  beam 
deflection  differential  equations  and,  because  they  are  written  in  terms  of  ordinates  on 
either  side  of  the  central  point  (i),  they  are  known  as  central  differences.  Alternative 
expressions  which  can  be  formed  to  contain  only  ordinates  at,  or  to  the  right  of  (i),  or 
ordinates  at,  or  to  the  left  of  (i)  are  known  as  forward  and  backward  differences, 
respectively but these will not be considered here. 
 

Now from equation ,

 

2

2

dx

y

d

EI

M

=

 

.'. At position (i), combining equations between above equation and equation (2).  
 

 

 
A solution for any of the deflection (y) values can then be obtained by applying the finite 
difference  equation  at  a  series  of  points  along  the  beam  and  solving  the  resulting 
simultaneous  equations.  The  higher  the  number  of  points  selected  the  greater  the 
accuracy  of  solution  but  the  more  the  number  of  equations  which  are  required  to  be 
solved.  The  method  thus  lends  itself  to  computer-assisted  evaluation.  In  addition  to  the 
solution  of  statically  determinate  beam  problems  of  the  type  treated  in  example  (1)  the 
method is also applicable to the analysis of statically indeterminate beams.  
The principal advantages of the finite difference method are thus: 
(a) that it can be applied to statically determinate or indeterminate beams, 
(b) that it can be used for non-prismatic beams, 
(c) that it is amenable to computer solutions. 

 
 
 
 
 
 
 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

120

 
 
Example (1) 
      Using the finite  difference method,  determine the  central  deflection of                       a 
simply-supported beam carrying a uniformly distributed load over its complete span. The 
beam can be assumed to have constant flexural rigidity El throughout. 
Solution 
 

 

As a simple demonstration of the finite difference approach, assume that the beam is 
divided into only four equal segments (thus reducing the accuracy of the solution from 
that which could be achieved with a greater number of segments). 
The n, 

 

 
 

 

but, from equation (3) 

 

and, since y, = 0, 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

121

 

and, from equation (3) 

 
 

 

Now, from symmetry, y

D

  = y

B

 

 

 

 

Adding eqns. (1) and (2); 

 

 

the negative sign indicating a downwards deflection as expected. This value compares 
with the "exact method (by direct method)" value of: 

 

a difference of about 5 %. As stated earlier, this comparison could be improved by 
selecting more segments but, nevertheless, it is remarkably accurate for the very small 
number of segments chosen. 
 
 

Problems 

1-A beam of length 10 m is symmetrically placed on two supports 7m apart. The loading 

is 15 kN/m between the supports and 20 kN at each end. What is the central deflection 
of the beam? E = 210 GN/m

2

; I = 200 x 10

-6

m

4

.                                      

      Ans. [6.8 mm.] 

 

2-Derive  the  expression  for  the  maximum  deflection  of  a  simply  supported  beam  of 

negligible  weight carrying a point load at its mid-span position. The distance between 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

122

the supports is L, the second moment of area of the cross-section is (I) and the modulus 
of elasticity of the beam material is (E).  

   The maximum deflection of such a simply supported beam of length 3 m is       4.3 mm 

when carrying a load of 200 kN at its mid-span position. What would be the deflection 
at the free end of a cantilever of the same material, length and cross-section if it carries 
a load of l00kN at a point 1.3m from the free end?                                      Ans.[13.4 
mm] 

 
 
 
 
 
 
3-A horizontal beam, simply supported at its ends, carries a load which varies uniformly 

from 15 kN/m at one end to 60 kN/m at the other. Estimate the central deflection if the 
span is 7 m, the section 450 mm deep and the maximum bending stress 100 MN/m

2

, E 

= 210 GN/m

2

.                           Ans. [21.9 mm.] 

 
4-A beam AB, 8 m long, is freely supported at its ends and carries loads of 30 kN and 50 

kN at points 1 m and 5 m respectively from A. Find the position and magnitude of the 
maximum deflection. E = 210 GN/m

2

; I = 200 x 10

-6

m

4

.  

                                                                                               Ans.[ 14.4 mm.] 
 
5-A beam 7 m long is simply supported at its ends and loaded as follows: 120 kN at 1 m 

from one end A, 20 kN at 4 m from A and 60 kN at m from A. Calculate the position 
and magnitude of the maximum deflection. The second moment of area of the beam 
section is 400 x10

-6

m

4

 and (E) for the beam material is 210GN/m

2

.                                                                                                     

Ans. [9.8 mm  at  3.474m.] 

 
6- A beam ABCD, 6 m long, is simply-supported at the right-hand end and at           a 

point B 1 m from the left hand end A. It carries a vertical load of 10 kN at A, a second 
concentrated load of 20 kN at C, 3 m from D, and a uniformly distributed load of 10 
kN/m  between  C  and  D.  Determine  the  position  and  magnitude  of  the  maximum 
deflection if E = 208 GN/m

2

 and                              = 35 x 10

-6 

m

from A, 

 Ans.

 

[3.553 m from A, 11.95 mm.] 

  
 
7-  A 3 m long cantilever ABC is built-in at A, partially supported at B, 2 m from A, with 

a force of 10 kN and carries a vertical load of 20 kN at C. A uniformly distributed 
load of kN/m is also applied between A and B. 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

123

      Determine( a) the values of the vertical reaction and built-in moment at A and    (b) 

the deflection of the free end C of the cantilever. Develop an expression for the slope 
of the beam at any position and hence plot a slope diagram. E = 208 GN/m

2

 and          

I = 24 x 10

-6 

m

4 .          

Ans. [20 kN, 50 kN.m, -15mm] 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

124

FATIGUE, CREEP AND FRACTURE 

 
 
 
 

Fatigue 
    Fracture  of  components  due  to  fatigue  is  the  most  common  cause  of  service  failure, 
particularly  in  shafts,  axles,  aircraft  wings,  etc.,  where  cyclic  stressing  is  taking  place. 
With  static  loading  of  a  ductile  material,  plastic  flow  precedes  final  fracture,  the 
specimen necks and the fractured surface reveals a fibrous structure, but with fatigue, the 
crack is initiated from points of high stress concentration on the surface of the component 
such as sharp changes in cross-section, slag inclusions, tool marks, etc., and then spreads 
or propagates under the influence of the  load cycles until  it reaches a critical size when 
fast fracture of the remaining cross-section takes place.  
 
The Stress to number of cycles (S/N) curve 
   Fatigue tests are usually carried out under conditions of rotating - bending and  with a 
zero mean stress as obtained by means of a Wohler machine. From           Figure (1), it 
can be seen that the top surface of the specimen, held “cantilever fashion” in the machine, 
is in tension, whilst the bottom surface is in compression. As the specimen rotates, the top 
surface moves to the bottom and hence each segment of the surface moves continuously 
from  tension  to  compression  producing  a  stress-cycle  curve  as  shown  in  Figure  (2).  In 
order to understand certain terms  in  common  usage,  let us consider a stress-cycle curve 
where  there  is  a  positive  tensile  mean  stress  as  may  be  obtained  using  other  types  of 
fatigue machines such as         a Haigh “push-pull” machine. 

 

 

Figure (1) Single point load arrangement in a Wohler machine 

for zero mean stress fatigue testing 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

125

 

Figure (2) Simple sinusoidal (zero mean) stress fatigue 

curve, “reversed-symmetrical” 

 

Figure (3) Fluctuating tension stress cycle producing positive mean stress 

 
 

The stress-cycle curve is shown in Figure (3), and from this diagram it can be seen that: 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

126

If the mean stress is not zero, we sometimes make use of the “stress ratio” R, where 

 

The most general method of presenting the results of a fatigue test is to plot a graph of the 
stress amplitude as ordinate against the corresponding number of cycles to failure.  

 

Figure (4) Typical S/N curve fatigue life curve 

 

In  using  the  S/N  curve  for  design  purposes  it  may  be  advantageous  to  express  the 
relationship between (a) and (N

), the number of cycles to failure.  

 
 

 

Where:  (a)  is  a  constant  which  varies  from  8  to  15  and  (K)  is  a  second  constant 
depending on  the  material.  From  the  S/N curve the  “fatigue  limit” or “endurance  limit” 
may  be  ascertained.  The  “fatigue  limit”  is  the  stress  condition  below  which  a  material 
may endure an infinite number of cycles prior to failure. Ferrous metal specimens often 
produce S/N curves which exhibit fatigue limits as indicated in Figure (5a)  The ‘fatigue 
strength
” or “endurance  limit”,  is  the stress condition  under  which  a specimen  would 
have  a  fatigue  life  of  N  cycles  as  shown  in                            Figure  (5B)  Non-ferrous  metal 
specimens show this type of curve and hence components made from aluminium, copper 
and nickel, etc., must always be designed for a finite life.  
 
 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

127

 

Figure (5) S/N curve showing (a) fatigue limit (b) endurance limit 

      

     

 

 

Where (

N

σ

) oh is the “modified fatigue strength” or “modified fatigue limit”, (

N

σ

)is the 

intrinsic value, (

f

 )is the fatigue strength reduction factor and C

a

C

b

 and C

c

 are factors 

allowing for size, surface finish, type of loading, etc.  
    The types of fatigue loading in common usage include direct stress, where the material 
is repeatedly loaded in its axial direction; plane bending, where the material is bent about 
its neutral plane;  rotating bending,  where the  specimen  is  being  rotated and at  the same 
time  subjected  to  a  bending  moment;  torsion,  where  the  specimen  is  subjected  to 
conditions which produce reversed or fluctuating torsional stresses and, finally, combined 
stress  conditions,  where  two  or  more  of  the  previous  types  of  loading  are  operating 
simultaneously.  

 

P/S/N curves 
     The  fatigue  life  of  a  component  as  determined  at  a  particular  stress  level  is  a  very 
variable quantity so that seemingly identical specimens may give widely differing results. 
This  scatter  arises  from  many  sources  including  variations  in  material  composition  and 
heterogeneity, variations in surface finish, variations in axiality of loading, etc. 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

128

 

Figure (6) The effect of corrosion on fatigue life. S/N Curve for 

(a) material showing fatigue limit; (b) same material under corrosion conditions 

 


 

 

Figure (7) P/S/N curves indicating percentage chance of failure for given 

stress level after known number of cycles(zero mean stress) 

 

    To overcome this problem, a number of test pieces should be tested at several different 
stresses and then an estimate of the life at a particular stress level for a given probability 
can be made.  
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

129

 
 

 

Effect of mean stress 
    If  the  fatigue  test  is  carried  out  under  conditions  such  that  the  mean  stress  is  tensile 
Figure  (3),  then,  in  order  that  the  specimen  will  fail  in  the  same  number  of  cycles  as  a 
similar  specimen  tested  under  zero  mean  stress  conditions,  the  stress  amplitude  in  the 
former  case  will  have  to  be  reduced.  The  fact  that  an  increasing  tensile  mean  stress 
lowers  the  fatigue  or  endurance  limit  is  important,  and  all  S/N  curves  should  contain 
information regarding the test conditions Figure (8). 

 

 

Figure (8) Effect of mean stress on the S/N curve expressed in alternative ways 

 
A number of investigations have been made of the quantitative effect of tensile mean 
stress resulting in the following equations: 

 

Where;  

σ

Ν

 

= the fatigue strength for cycles under zero mean stress conditions. 

σ

a

 = the fatigue strength for cycles under condition of mean stress a,. 

σ

TS

 = tensile strength of the material. 

σ

y

 = yield strength of the material. 

     

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

130

The above equations may be shown in graphical form Figure (9)  and in actual practice it 
has  been  found  that  most  test  results  fall  within  the  envelope  formed  by  the  parabolic 
curve of Geber and the straight line of Goodman. However, because the use of Soderberg 
gives an additional margin of safety, this is the equation often preferred . 
 
 
 
    Even when using the Soderberg equation it is usual to apply a factor of               safety 
(F)  to  both  the  alternating  and  the  steady  component  of  stress,  in  which  case              
equation  (9) becomes: 

 

 

Figure (9) Amplitude/mean stress relationships as per Goodman. 

Geber and Soderberg 

 

Effect of stress concentration 
       The  influence  of  stress  concentration  can  be  illustrated  by  consideration  of  an 
elliptical crack in a plate subjected to a tensile stress. Provided that the plate is very large, 
the “theoretical stress concentration” factor (K

t

 ) is given by: 

 

 
Where;  “A”  and 

“B’ are the crack dimensions as shown  in Figure (10). If the crack is 

perpendicular to the direction of stress, then A is large compared with B and hence (K

t

 ) 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

131

will  be  large.  If  the  crack  is  parallel  to  the  direction  of  stress,  then  A  is  very  small 
compared with and hence K

t

 = 1. If the dimensions of and are equal such that the 

crack becomes a  round  hole,  then  K

t

 =  3  and a  maximum stress of (3

σ

nom.

),  acts  at  the 

sides of the hole.  
 
 
 

 

Figure (10) Elliptical crack in semi-infinite plate 

 
 
   The  effect  of  sudden  changes  of  section,  notches  or  defects  upon  the  fatigue 
performance of a component may be indicated by the “fatigue notch” or “fatigue  
strength  reduction
”  factor  (K

f

)  which  is  the  ratio  of  the  stress  amplitude  at  the  fatigue 

limit of an un-notched specimen.  
 (K

f

) is always less than the static theoretical stress concentration factor referred to above 

because  under the compressive  part  of  a  tensile-compressive  fatigue cycle,                       a 
fatigue crack is unlikely to grow.  
   The extent to which the stress concentration effect under fatigue conditions approaches 
that  for  static  conditions  is  given  by  the  “notch  sensitivity  factor”  (q),  and  the 
relationship between them may be simply expressed by: 
 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

132

thus q is always less than 1. 
      Notch sensitivity is a  very complex factor depending not only upon the  material but 
also upon the grain size, a finer grain size resulting  in a higher value of than a coarse 
grain size.  
 

 

Examples 

 
Example (1) 
The fatigue behavior of a specimen under alternating stress conditions with zero mean 
stress is given by the expression: 

 

Where; 

σ

r

 

is the range of cyclic stress, N

f

 is the number of cycles to failure and (K) 

and (a) are material constants. 

It is known that N

f

 = l0

6

 when

σ

r

 

= 300 MN/m

2

 and N

f

 = 10

8

 when  

σ

r

 = 200 MN/m

2

Calculate the constants (K) and (a) and hence the life of the specimen when subjected to 
a stress range of 100 MN/m

2

 
Solution 
Taking logarithms of the given expression we have: 

  

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

133

 
Hence, for stress range of 100 MN/m

2

, from equation (1); 

 

 
Example (2) 
   A  steel  bolt  0.003  m

2

  in  cross-section  is  subjected  to  a  static  mean  load  of                  

178 kN. What value of completely reversed direct fatigue load will produce failure in l0

7

 

cycles?  Use the  Soderberg relationship and assume that the  yield strength of the steel is 
344 MN/m

2

 and the stress required to produce failure at l0

7

 cycles under zero mean stress 

conditions is 276 MN/m

2

Solution 
From equation of Soderberg 

 

 

Example (3) 
  A stepped steel rod, the smaller section of which is 50 mm in diameter, is subjected to a 
fluctuating  direct  axial  load  which  varies  from  +178  kN  to  -178  kN.  If  the  theoretical 
stress concentration due to  the reduction  in  section  is 2.2,  the notch sensitivity factor is 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

134

0.97, the yield strength of the material is 578 MN/m

2

 and the fatigue limit under rotating 

bending  is  347  MN/m

2

,  calculated  the  factor  of  safety  if  the  fatigue  limit  in  tension-

compression is 0.85 of that in rotating bending. 
 
 
Solution 
From equation  (12) 

 

 

 

 
:. Under direct stress conditions 

 

 
From equation (13) 

 

:. With common units of MN/m

2

 

 
 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

135

 
 
 
 
 
 

 

Creep 

           

 

        Creep  is  the  time-dependent  deformation  which  accompanies  the  application  of 
stress to a material. At room temperatures, apart from the low-melting-point metals such 
as lead,  most metallic  materials show only very small creep rates which can be ignored. 
With  increase  in  temperature,  however,  the  creep  rate  also  increases  and  above 
approximately 0.4 T

m

 where T

m

, is the melting point on the Kelvin scale, creep becomes 

very significant.  
The creep test 
       The  creep  test  is  usually  carried  out  at  a  constant  temperature  and  under  constant 
load conditions rather than at constant stress conditions. This  is acceptable  because it is 
more  representative  of  service  conditions.  A  typical  creep  testing  machine  is  shown  in 
Figure (1) Each end of the specimen is screwed into the specimen holder which is made 
of a creep resisting alloy and thermocouples and accurate extensometers are fixed to the 
specimen in order to measure temperature and strain. The electric furnace is then lowered 
into place and when all is ready and the specimen is at the desired temperature, the load is 
applied by adding weights to the lower arm and readings are taken at periodic intervals of 
extension against time. It is important that accurate control of temperature is possible and 
to  facilitate  this  the  equipment  is  often  housed  in  a  temperature-controlled  room.  The 
results  from  the  creep  test  are  plotted  in  graphical  form  to  produce  a  typical  curve  as 
shown in Figure (2) After the initial extension OA  which is produced as soon as the test 
load is applied, and which is not part of the creep process proper (but which nevertheless 
should not be ignored), the curve can be divided into three stages. In the first or primary 
stage AB, the  movement of dislocations is very rapid, any barriers to movement caused 
by work-hardening being overcome by the recovery processes, albeit at a decreasing rate

Thus the initial creep strain rate is high but it rapidly decreases to a constant value. In the 
secondary  stage  BC,  the  work-hardening  process  of  “dislocation  pile-up”  and 
“entanglement”  are  balanced  by  the  recovery  processes  of  “dislocation  climb”  and 
“cross-slip”, to give a straight-line relationship and the slope of the graph in this steady-
state  portion  of  the  curve  is  equal  to  the  secondary  creep  rate.  Since,  generally,  the 
primary and tertiary stages occur quickly, it is the secondary creep rate which is of prime 
importance  to  the  design  engineer.  The  third  or  tertiary  stage  CD  coincides  with  the 
formation of internal voids within the specimen and this leads to “necking”, causing  the 
stress to increase and rapid failure to result. 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

136

 
 

 

 

Figure (1) Schematic diagram of a typical creep testing machine 

 

 

Figure (2) Typical creep curve 

 
The  shape  of  the  creep  curve  for  any  material  will  depend  upon  the  temperature  of  the 
test  and  the  stress  at  any  time  since  these  are  the  main  factors  controlling  the  work-
hardening and recovery processes. With increase in temperature, the creep rate increases 
because  the softening  processes such as “dislocation climb” can  take  place  more easily, 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

137

being  diffusion  controlled  and  hence  a  thermally  activated  process.  It  is  expected, 
therefore, that the creep rate is closely related to the Arrhenius equation
viz.: 

 

 
where  (

0

s

ε ):  is  the  secondary  creep  rate,  H  is  the  activation  energy  for  creep  for  the 

material under test, R is the universal gas constant, T is the absolute temperature and A is 
a  constant.  It  should  be  noted  that  both  A  and  H  are  not  true  constants,  their  values 
depending upon stress, temperature range and metallurgical variables. 
The  secondary  creep  rate  also  increases  with  increasing  stress,  the  relationship  being 
most commonly expressed by the power law equation: 

 

 
Where; (

β ) and (n) are constants, the value of n usually varying between 3 and 8. 

Equations ( 1) and (2) may be combined to give: 
 

 

 
Figure (3) illustrates the effect  of increasing stress or temperature upon  the creep curve 
and it can be seen that increasing either of these two variables results in a similar change 
of  creep  behavior,  that  is,  an  increase  in  the  secondary  or  minimum  creep  rate,  a 
shortening  of  the  secondary  creep  stage,  and  the  earlier  onset  of  tertiary  creep  and 
fracture. 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

138

 

Figure (3) Creep curves showing effect of increasing temperature or stress 

 
 
 
 

Fracture mechanics 

     The  study  of  how  materials  fracture  is  known  as  fracture  mechanics  and  the 
resistance of a material to fracture is colloquially known as its “toughness”. No structure 
is  entirely  free  of  defects  and  even  on  a  microscopic  scale  these  defects  act  as  stress-
raisers  which  initiate  the  growth  of  cracks.  The  theory  of  fracture  mechanics  therefore 
assumes the  pre-existence of cracks  and develops criteria for  the catastrophic growth of 
these  cracks.  In  a  stressed  body,  a  crack  can  propagate  in  a  combination  of  the  three 
opening  modes shown in  Figure (1)  Mode I represents opening  in a purely tensile field 
while Modes II and III are in-plane and anti-plane shear modes respectively. 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

139

 

Figure (1) The three opening modes, associated with crack growth:  

mode I-tensile; mode 11-in-plan 

 
 

Energy variation in cracked bodies

 

        It is assumed that a crack will only grow if there is a decrease in the free energy of 
the  system  which  comprises  the  cracked  body  and  the  loading  mechanism.  The  first 
usable  criterion  for  fracture  was  developed  from  this  assumption  by  Griffith(”).For  a 
clearer understanding of Griffith’s theory it is necessary to examine the changes in stored 
elastic energy as a crack grows. Consider, therefore, the simple case of a strip containing 
an edge crack of length           (a) under uniaxial tension as shown in Figure (2) If load 
(W) is applied gradually, the load points will move a distance (x) and the strain energy 
(U) , stored in the body will be given by 

 

for purely elastic deformation. The load and displacement are related by the 
“compliance” C, 

 

 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

140

 

Figure (2) (a) Cracked body under tensile load W; 

(b) force-displacement curves for a body with crack lengths a

 

and a + da.

 

 

The  compliance  is  itself  a  function  of  the  crack  length  but  the  exact  relationship  varies 
with the geometry of the cracked body. However, if the crack length increases, the body 
will become less stiff and the compliance will increase. 
There  are  two  limiting  conditions  to  be  considered  depending  on  whether  the  cracked 
body is maintained at (a) constant displacement or (b) constant loading. Generally a crack 
will grow with both changing loads and displacement but these two conditions represent 
the extreme constraints. 
(a) Constant displacement 
Consider the case shown in Figure (2)(b). If the body is taken to be perfectly elastic then 
the load-displacement relationship will be linear. With an initial crack length (a) loading 
will  take  place  along  the  line  OA.  If  the  crack  extends  a  small  distance  (

δ

a)  while  the 

points  of  application  of  the  load  remain  fixed,  there  will  be  a  small  increase  in  the 
compliance  resulting  in  a  decrease  in  the  load  of  (

δ

W).  The  load  and  displacement  are 

then given by the point B. The change in stored energy will then be given by 
 

 

(b) Constant loading 
    In this case, if the crack again extends a small distance  (

δ

a)  the loading points must 

move through an additional displacement (

δ

x) in order to keep the load  

 
 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

141

constant.  The  load  and  displacement  are  then  represented  by  the  point  C.  There  would 
appear to be an increase in stored energy given by 
 

 

However, the load has supplied an amount of energy 

 

This has to be obtained from external sources so that there is a total reduction in the 
potential energy of the system of 

 

 
For infinitesimally small increases in crack length the compliance C remains essentially 
constant so that

 

 

 

Substituting in equation (3) 

 

Comparison with equation (2) shows that, for small increases in crack length

,

 

 

      It  is  therefore  evident  that  for  small  increases  in  crack  length  there  is  a  similar 
decrease in potential energy no matter what the loading conditions. If there is               a 
decrease  in  potential  energy  when  a  crack  grows  then  there  must  be  an  energy 
requirement for  the production  of a  crack  -  otherwise all cracked  bodies  would  fracture 
instantaneously.  

Linear elastic fracture mechanics (L.E.F.M.) 

 (a) Griffrth’s criterion for fracture 
     Griffith’s  thermodynamics  approach  was  the  first  to  produce  a  usable  theory  of 
fracture  mechanics.  His  theoretical  model  shown  in  Figure  (3)  was  of  an  infinite  sheet 
under a remotely applied uniaxial stress (

σ

) and containing a central crack of length (2a). 

Griffith,  by  a  more  mathematically  rigorous  treatment,  was  able  to  show  that  if  that 
decrease  in  energy  is  greater  than  the  energy  required  to  produce  new  crack  faces  then 
there  will  be  a  net  decrease  in  energy  and  the  crack  will  propagate.  For  an  increase  in 
crack length of (

δ

a). 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

142

 

γ;  is the surface energy of the crack faces; 
b;  is the thickness of the sheet. 
At the onset of crack growth, (

δa) is small and we have 

 

 

Figure (3) Mathematical model for Griffith’s analysis. 

 
The expression on the left-hand side of the above equation is termed the 

“critical strain 

energy release

” (with respect to crack length) and is usually denoted as Gc, 

 

 

This is the Griflth criterion for fracture. 
Griffith’s analysis gives G, in terms of the fracture stress of 

 

From equations (4) and (6) we can predict that, for plane strain, the fracture stress 

 

 
or, for plane stress: 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

143

 

 (b) Stress intensity factor 
         The elastic crack was developed by Irwin, who used a similar mathematical model 
to that employed by Griffith except in this case the remotely applied stress is biaxial - see 
Figure (4). Irwin's  theory obtained  expressions  for the stress components near  the crack 
tip. The  most elegant expression  of  the  stress  field  is  obtained  by  relating  the  Cartesian 
components of stress to polar coordinates based at the crack tip as shown in Figure (5). 
 

 

Figure (4) Mathematical model for Irwin's analysis

 

 

Figure (5) Coordinate system for stress components in Irwin's analysis. 

 
Then we have: 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

144

 

 

With, for plane stress

 

σ

zz

=0

 

 

or, for plane strain

 

 

 

If more than one crack opening mode is to be considered then K sometimes carries 
the  suffix  I,  II  or  III  corresponding  to  the  three  modes  shown  in  Figure  (1).  However 
since  this  text  is  restricted  to  consideration  of  mode  I  crack  propagation  only,  the 
formulae  have  been  simplified  by  adopting  the  symbol  K  without  its  suffix.  K,  in 
development of similar formulae. 
For Irwin’s model, K is given by 

 

For an edge crack in a semi-infinite sheet 

 

To accommodate different crack geometries a flaw shape parameter Q is sometimes 
introduced thus 
 

 

 

or, for an edge crack 

 

 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com


background image

 

145

Values  of  Q  for  various  aspect  (depth  to  width)  ratios  of  crack  can  be  obtained  from 
standard texts, but typically, they range from 1.0 for an aspect ratio of zero to 2.0 for an 
aspect ratio of 0.4. 
 

 
 
 

 

PDF created with pdfFactory Pro trial version 

www.pdffactory.com




رفعت المحاضرة من قبل: ضرغام العزاوي
المشاهدات: لقد قام 5 أعضاء و 314 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل