a 1,000-word essay. In the essay, you must summarize what you consider to be the key concepts from the chapters covered, and you must include at least three photographs that you've taken to help explain the concepts.

profilemtfaakqhj3
6186695_67669615_engr213e_week3_chapter_05.pdf

AXIAL   DEFORMATION  

Chapter  5  

Perspec've   This  is  a  very  important  chapter.  The  remainder  of  the  course  is,   for  the  most  part,  a  more  complicated  version  of  this  material.       The  chapter  begins  by  introducing  St.  Venant’s  Principle,  and   limi'ng  our  subsequent  focus  to  “slender  structural  elements”.   With  this  restric'on  in  place,  equa'ons  are  derived  for  the   deflec'on  of  a  structure  under  axial  load.  This  is  the  key  to   sa'sfying  deflec'on-­‐based  design  requirements,  and  to   evalua'on  of  sta'cally-­‐indeterminate  structures  (something  that   sta'cs  alone  does  not  accomplish).       If  you  learn  this  material,  you  are  in  good  shape  for  the   remainder  of  the  class.    

INTRODUCTION   5.1  

Real  Applica'ons   •  Axially  loaded  structures  may  seem  like  an  insignificant  niche  

in  the  mechanics  world,  but  look  around  –  they  are  real   •  Here  is  what  I  found  walking  around  campus  at  Oregon  State  

These  axially  loaded   structural  elements   support  the  overhang  that   keeps  Beaver  fans  out  of   the  rain  as  they  wait  to   get  into  the  stadium.  

SAINT-­‐VENANT’S   PRINCIPLE  

5.2  

Sta'cally-­‐Equivalent   •  Even  though  it  is  just  a  “principle”,  and  you  will  not  directly  

solve  “St.  Venant’s  problems”,  the  concept  is  very  important  

•  In  a  nutshell:  At  a  “sufficient  distance”  away  from  the  loca'on   where  a  load  is  applied,  how  the  load  is  applied  is  unimportant   for  the  overall  behavior  of  the  component  

•  Two  important  implica'ons:   1.  We  can  make  meaningful  calcula'ons  based  simply  on  the  magnitude  

of  the  applied  loads,  not  on  the  applica'on  details   2.  We  need  to  limit  our  analyses  to  rela'vely  long  and  slender  structural  

elements  if  we  want  results  of  reasonable  accuracy  

Slender  Structural  Elements   •  Think  about  it:  If  the  load  applica'on  regions  are  influenced  

by  the  manner  of  load  applica'on,  a  rela'vely  short  and  thick   structure  is  mostly  a  collec'on  of  these  interac'ng  regions  

•  It  takes  more  advanced  techniques,  some  of  them  computer-­‐ based,  to  properly  analyze  these  structures  

•  If  we  instead  limit  ourselves  to  structures  where  the  load   applica'ons  regions  influence  a  small  por'on  of  the  overall   structure,  then  we  can  proceed  with  confidence  

•  Thus  “slender  structural  elements”  

DEFORMATIONS  IN   AXIALLY  LOADED  BARS  

5.3  

A  Key  Equa'on  …   •  This  equa'on  is  simple,  but  very  important:  

•  Focus  first  on  the  individual  terms:  

δ = FL AE

δ = overall change in length of the bar F = internal reaction force throughout the bar L = original length of the bar A = cross-sectional area of the bar E = modulus of elasticity of the bar material

When  Does  This  Equa'on  Apply?   •  A  key  engineering  skill  is  selec'ng  the  correct  equa'on  for  a  

given  situa'on  

•  The  basic  axial  deforma'on  equa'on  applies  when  the  terms   F,  A,  and  E  are  uniform  (constant  magnitude)  over  the  en're   length  (L)  of  the  bar  

•  Think  of  it  this  way:   –  If  F,  A,  and/or  E  varied  over  the  length  (L)  of  the  bar,  what  values  

would  you  plug  into  the  equa'on?   –  We  must  modify  the  equa'on  to  account  for  terms  that  vary  

Internal  Reac'on  Force   •  I  highlighted  “internal  reac'on  force”  in  the  original  equa'on  

presenta'on  for  a  reason  –  it  is  the  single  most  significant   source  of  confusion  in  the  en're  class  

Equa'ons  for  stress  and  deflec'on  contain  terms  that   represent  internal  reac'on  forces.     These  terms  are  dis'nct  from  applied  loads,  although  in   some  situa'ons  they  may  have  equivalent  magnitudes.     Carefully  dis'nguish  between  applied  loads  and  internal   reac'ons!    

What  is  an  Internal  Reac'on?   •  In  Sta'cs  you  frequently  isolated  a  structure  from  a  constraint  

or  from  another  object  to  create  free  body  diagrams   •  The  loads  that  developed  at  these  severed  connec'ons  were  

referred  to  as  external  reac'ons   •  An  internal  reac'on  is  simply  the  load  that  exists  when  you  

create  a  free  body  diagram  by  cuang  a  structural  component  

It  doesn’t  maber  where  along  bar  (2)  I  cut  to  create  a  free  body  diagram,  the   internal  reac'on  on  the  cut  face  (F)  must  be  equal  in  magnitude  and  opposite  in   direc'on  to  the  applied  load  (P)  for  sta'c  equilibrium.  

F  

A  Bar  With  Step-­‐Changes   •  This  structure  is  analyzed  by  considering  the  behavior  of  the  

individual  components  –  note  that  both  (1)  and  (2)  are   uniform  along  their  length,  but  different  from  each  other  

Internal  reac'on  force  (F)   uniform  and  equal  in   magnitude  to  (P).  

Internal  reac'on  force  (F)   uniform  and  equal  in   magnitude  to  (P).  

δ1 = PL1 A1E1

δ2 = PL2 A2E2

δ total = δ1 +δ2

Addi'onal  Applied  Loads   •  This  structure  is  different,  because  in  addi'onal  to  PD  applied  

at  the  free  end,  PC  and  PB  are  applied  along  the  way   –  Internal  reac'on  force  F1  in  (1)  has  a  magnitude  of  PB+PD-­‐PC   –  Internal  reac'on  force  F2  in  (2)  has  a  magnitude  of  PD-­‐PC   –  Internal  reac'on  force  F3  in  (3)  has  a  magnitude  of  PD  

•  This  is  just  sta'cs  of  free  body  diagrams  with  the  bars  cut  

Common  Mistakes   •  I  see  this  mistake  a  lot  in  abempts  at  problem  solving:  

–  Internal  reac'on  force  in  sec'on  (1)  is  PB  (it  is  not)   –  Internal  reac'on  force  in  sec'on  (2)  is  PC  (it  is  not)   –  It  is  correct  that  the  force  in  sec'on  (3)  is  PD  

•  Learn  what  you  can  do  quickly  by  inspec'on,  and  what  takes  a   bit  more  thought  –  this  is  a  key  engineering  skill  

What  Always  Works?  

If  in  doubt,  construct  a  proper  Free  Body   Diagram  and  calculate  internal  resultants  by   the  methods  of  sta'cs.       This  works  for  everything  we  cover  in  this   class:  axial  loading,  torsion,  beam  bending,   combined  loads.     If  you  cannot  do  sta'cs,  you  cannot   complete  this  class.  

DEFORMATIONS  IN  A   SYSTEM  OF  AXIALLY  

LOADED  BARS  

5.4  

Sta'cs  and  Geometry   •  This  sec'on  applies  the  axial  deforma'on  equa'on  

•  Simply  find  the  internal  resultant  force  in  each  deformable   bar  (note  that  problems  will  ohen  describe  some  structural   elements  as  rigid)  and  use  the  deflec'on  equa'on  

•  The  rest  is  geometry.  Similar  triangles  and  finding  the  angle  of   'lt  from  an  arc-­‐tangent  (inverse  tangent)  rela'onship  will   generally  solve  the  problems  

•  Tip:  make  careful  sketches  with  deforma'ons  exaggerated    

STATICALLY   INDETERMINATE   AXIALLY  LOADED  

MEMBERS  

5.5  

What  Is  Sta'cally  Indeterminate?   •  There  are  several  ways  to  iden'fy  a  sta'cally  indeterminate  

structure   –  Try  to  solve  with  the  method  of  sta'cs  alone,  and  fail   –  Count  the  number  of  unknown  loads  and  the  number  of  sta'cs  

equa'ons.  If  unknowns  >  equa'ons,  it  is  indeterminate   –  Look  for  redundant  supports.  If  any  structural  element  can  be  

removed  and  the  system  remains  stable,  it  is  indeterminate   –  Get  used  to  typical  indeterminate  configura'ons.  Bars  with  both  ends  

constrained,  nested  tubes,  mul'ple  axial  elements  suppor'ng  a   rota'ng  component,  etc.    

•  The  table  towards  the  end  of  sec'on  5.5  is  helpful  

Solu'on  Process   •  Cleary  iden'fy  the  individual  components  of  the  system.  Give  

each  a  unique  iden'fier  (number  or  leber  designa'on)   •  Write  three  different  equa'on(s)  for  the  system:  

1.  Equilibrium  –  these  are  the  equa'ons  you  would  write  from  a  purely   sta'cs  analysis  –  they  cannot  be  solved  on  their  own  

2.  Force-­‐Deforma'on  –  write  this  equa'on  for  each  component:  

3.  Compa'bility  –  examine  the  problem  geometry,  and  express  how   the  deflec'ons  of  the  different  components  relate  to  each  other  

δ = FL AE

Algebra   •  Now  it  is  just  algebra:  

–  Write  an  equa'on  for  the  quan'ty  you  are  asked  to  find  from  among   the  system  equa'ons.  You  may  have  to  re-­‐arrange  an  equa'on  to   start.  

–  Clearly  iden'fy  the  known  and  unknown  quan''es.  Subs'tute  for  any   unknowns  by  rearranging  any  of  the  other  system  equa'ons.  

–  Simply  as  much  as  you  can,  and  con'nue  rearrangement/subs'tu'on   un'l  you  have  all  know  quan''es  in  the  equa'on.  

–  Plug  in  values,  and  calculate  the  result.  

THERMAL  EFFECTS  ON   AXIAL  DEFORMATION  

5.6  

Induced  Deforma'on   •  This  brief  sec'on  shows  how  temperature  changes  affect  a  

slender  structural  element  (temperature  alone  does  not   cause  deforma'on,  a  change  from  one  temp  to  another  does)  

•  The  key  ideas  are:   –  The  dominate  effect  is  a  length  change   –  Thermally  length  change  simply  adds  to  loading  length  change   –  No  stresses  are  directly  induced,  but  can  develop  indirectly  (for  

example,  if  deforma'on  is  restrained)   –  The  effect  is  most  significant  in  really  long  structures  

This  is  the  expansion  joint  in   a  bridge.  Now  you  know   why  it  is  there.    

STRESS   CONCENTRATIONS  

5.7  

Max  Greater  than  Nominal   •  Axial  loading  stress  calcula'on  is  based  on  the  assump'on  

that  stresses  are  uniform  over  the  cross-­‐sec'on   •  That  is  reasonable  –  un'l  you  introduce  a  geometric  feature  

like  a  hole  or  step  change  in  dimensions   •  Now  the  maximum  stress  is  significantly  greater  than  what  

you  predict  from  the  uniform  stress  assump'on  

A  stress  concentra'on  factor,  K,  is  the  amount  that  the  maximum  stress  at   the  site  of  the  geometric  feature  is  greater  than  the  nominal  (average,   uniform)  stress.  A  factor  of  2  simply  means  the  maximum  is  twice  the   nominal.  Maximum  is  what  mabers  from  a  design  standpoint.  Stress   concentra'on  factors  are  a  simple  and  useful  way  to  es'mate  the   maximum  from  a  very  simple  average  stress  calcula'on.    

Typical  Problem   •  Most  problems  follow  this  pabern:  

–  Find  the  nominal  stress  (average  stress  at  the  smallest  cross-­‐sec'on)   –  From  the  geometry,  calculate  the  geometric  factor  (0.3  in  this  case)   –  Move  up  to  the  the  curve  in  the  stress  concentra'on  graph   –  Move  across  to  the  ver'cal  axis  and  read  the  result  (2.35  here)   –  Calculate  the  maximum  stress  by  mul'plying  nominal  by  factor