Strength of Materials and Structures 4th ed - John Case, A. Chilver, Carl T. Ross

Giáo trình Sức bền vật liệu và kết cấu (bản thứ 4) biên soạn theo chương trình đào tạo chuẩn, phù hợp sinh viên ngành tại Việt Nam

• Tác giả: John Case
• Trường học: University College, London
• Chuyên ngành: Strength of Materials and Structures
• Đề tài: Strength of Materials and Structures
• Loại tài liệu: Textbook
• Năm xuất bản: 1999
• Địa điểm: London

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Giáo trình Sức bền vật liệu và Kết cấu Bản thứ 4

Giáo trình Sức bền vật liệu và Kết cấu (Strength of Materials and Structures) bản thứ 4 là một tài liệu học thuật hàng đầu được biên soạn bởi các chuyên gia nổi tiếng John Case, A. Chilver và Carl T. Ross. Đầu tiên xuất bản năm 1959, giáo trình này đã trở thành một nguồn tài liệu thiết yếu cho sinh viên kỹ thuật xây dựng và cơ khí trên toàn thế giới. Phiên bản thứ tư được xuất bản năm 1999 bởi Arnold Publishers, cung cấp những kiến thức cập nhật về sức bền vật liệu và phân tích kết cấu. Giáo trình này kết hợp lý thuyết vững chắc với các ứng dụng thực tế, giúp sinh viên hiểu rõ hơn về cách các vật liệu và kết cấu ứng xử dưới tác động của lực.

1.1. Lịch sử phát triển của giáo trình

Giáo trình Sức bền vật liệu lần đầu tiên được công bố năm 1959 tại Anh quốc. Qua các lần tái bản và nâng cấp, nó đã phát triển thành một công trình học thuật toàn diện. Từ lần phát hành thứ hai (1971) đến phiên bản thứ tư (1999), giáo trình liên tục được cập nhật để phản ánh những tiến bộ mới nhất trong ngành kỹ thuật và công nghệ. Sự phát triển này cho thấy tầm quan trọng của kiến thức sức bền vật liệu trong giáo dục kỹ thuật hiện đại.

1.2. Tác giả và chuyên môn

Ba tác giả chính của giáo trình đều là những giáo sư tài năng với kinh nghiệm dạy học lâu năm. John Case từng là Trưởng bộ môn Cơ học ứng dụng tại Học viện Kỹ thuật Hải quân Hoàng gia. A. Chilver đã từng là Phó Hiệu trưởng Cranfield Institute of Technology. Carl T. Ross là giáo sư về Động lực học kết cấu tại Đại học Portsmouth. Những chuyên gia này đã đóng góp những hiểu biết sâu sắc về phân tích kết cấu và tính toán sức bền.

II. Nội dung chính của Giáo trình

Giáo trình Sức bền vật liệu và Kết cấu bản thứ 4 bao gồm các chủ đề quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng và cơ khí. Nội dung được tổ chức logic, từ các khái niệm cơ bản đến những ứng dụng phức tạp hơn. Giáo trình sử dụng Hệ thống SI cho tất cả các đơn vị đo lường, đảm bảo tính thống nhất và dễ hiểu. Các chương trình bao gồm: ứng suất và biến dạng, mô men uốn, xoắn, năng lượng đàn hồi, và phân tích động lực học. Mỗi chủ đề được giải thích chi tiết với các ví dụ cụ thể và bài tập thực hành để giúp sinh viên nắm vững kiến thức.

2.1. Các khái niệm cơ bản về ứng suất và biến dạng

Ứng suất và biến dạng là hai khái niệm nền tảng trong sức bền vật liệu. Giáo trình giải thích chi tiết cách tính toán ứng suất trực tiếp, ứng suất cắt (shearing stress) và biến dạng tương ứng. Mô đun Young, mô đun cắt, và tỷ số Poisson được trình bày với các công thức toán học cụ thể. Sinh viên sẽ học cách xác định hành vi của vật liệu dưới tác động lực và áp dụng những kiến thức này vào thiết kế kỹ thuật thực tế.

2.2. Phân tích mô men uốn và xoắn

Mô men uốn (bending moment) và mô men xoắn (torque) là những yếu tố quan trọng trong phân tích kết cấu. Giáo trình cung cấp phương pháp tính toán mô men uốn trong các dầm khác nhau và xác định ứng suất uốn tương ứng. Phần xoắn được trình bày với các công thức tính ứng suất xoắn và góc xoắn. Những kiến thức này giúp kỹ sư thiết kế các kết cấu an toàn và hiệu quả.

III. Công cụ toán học và Hệ thống SI

Giáo trình Sức bền vật liệu và Kết cấu thứ 4 sử dụng các công cụ toán học hiện đại để phân tích kết cấu. Nó áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) thông qua ma trận độ cứng để giải quyết các bài toán phức tạp. Giáo trình tuân thủ hoàn toàn Hệ thống đơn vị SI, sử dụng các đơn vị chuẩn quốc tế như mét (m) cho độ dài, kilôgam (kg) cho khối lượng, và Newton (N) cho lực. Ký hiệu tiêu chuẩn được định nghĩa rõ ràng, bao gồm E cho mô đun Young, G cho mô đun cắt, I cho mô men quán tính, và nhiều ký hiệu khác. Điều này đảm bảo rằng sinh viên có thể dễ dàng theo dõi các phép tính và áp dụng vào thực tế.

3.1. Ký hiệu và định nghĩa trong giáo trình

Ký hiệu toán học được sử dụng trong giáo trình có định nghĩa rõ ràng. A biểu thị diện tích tiết diện, σ là ứng suất trực tiếp, τ là ứng suất cắt, E là mô đun Young, G là mô đun cắt, I là mô men quán tính mặt cắt ngang, M là mô men uốn, T là mô men xoắn. Các ký hiệu này được sử dụng thống nhất trong toàn bộ giáo trình, giúp sinh viên tránh nhầm lẫn và hiểu rõ các phương trình.

3.2. Ứng dụng hệ thống SI và các đơn vị đo

Hệ thống SI được áp dụng toàn bộ trong giáo trình, sử dụng mét cho độ dài, kilôgam cho khối lượng, giây cho thời gian. Áp suất được tính bằng Pascal (Pa), lực bằng Newton (N), và mô men bằng Newton-mét (N·m). Sự thống nhất này làm cho phép tính kỹ thuật trở nên dễ dàng hơn và phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế hiện đại.

IV. Ứng dụng thực tiễn và tầm quan trọng của giáo trình

Giáo trình Sức bền vật liệu và Kết cấu bản thứ 4 không chỉ là tài liệu lý thuyết mà còn cung cấp những ứng dụng thực tiễn quan trọng. Sinh viên kỹ thuật có thể áp dụng những kiến thức từ giáo trình này vào thiết kế các công trình xây dựng, cầu, nhà máy, và các kết cấu khác. Phân tích kỹ thuật được trình bày trong giáo trình giúp kỹ sư dự đoán hành vi của vật liệu, tính toán sức bền của kết cấu, và đảm bảo an toàn. Giáo trình cũng bao gồm các bài tập và ví dụ thực tế, giúp sinh viên phát triển kỹ năng giải quyết vấn đề. Việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong giáo trình chuẩn bị sinh viên cho những công nghệ tiên tiến nhất trong ngành kỹ thuật.

4.1. Ứng dụng trong thiết kế kỹ thuật

Kiến thức sức bền vật liệu được trình bày trong giáo trình trực tiếp ứng dụng vào thiết kế kỹ thuật thực tế. Kỹ sư sử dụng các công thức và phương pháp để tính toán kích thước của dầm, cột, và các thành phần khác sao cho an toàn. Phân tích ứng suất giúp xác định nơi cần gia cố cấu trúc. Những ứng dụng này bao gồm thiết kế cầu, tòa nhà, máy móc, và các cấu trúc khác cần đảm bảo độ an toàn và hiệu suất cao.

4.2. Tầm quan trọng giáo dục và phát triển kỹ năng

Giáo trình Sức bền vật liệu và Kết cấu là tài liệu thiết yếu trong chương trình đại học kỹ thuật. Nó giúp sinh viên phát triển khả năng tư duy phân tích và giải quyết vấn đề phức tạp. Các bài tập và ví dụ trong giáo trình rèn luyện kỹ năng tính toán và ứng dụng lý thuyết. Giáo trình cũng chuẩn bị sinh viên cho những thách thức trong công việc kỹ thuật chuyên nghiệp, nơi hiểu biết sâu sắc về sức bền vật liệu là yêu cầu bắt buộc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

net Strength of Materials and Structures Fourth edition JOHN CASE M. Formerly Head of the Department of Applied Mechanics, Royal Naval Engineering College, Plymouth LORD CHILVER of Cranfield M. Formerly Vice Chancellor, Cranjield Institute of Technologv, and Professor of Civil Engineering, University College, London CARL T. Professor of Structural Dynamics, University of Portsmouth, Portsmouth A member of the Hodder Headline Group - LONDON SYDNEY AUCKLAND Co-published in North, Central and South America by John Wiley & Sons Inc., New York Toronto www.net First published in Great Britain in 1959 as Strength of Materials Reprinted 1961, 1964 Second edition 197 1 Reprinted 1985, 1986 Third edition 1993 Reprinted 1992, 1994, 1995, 1997, 1998 Fourth edition published in 1999 by Arnold, a member of the Hodder Headline Group, 338 Euston Road, London NWl 3BH http://www.com Co-published in North, Central and South America by John Wiley & Sons Inc., 605 Third Avenue, New York,NY 10158-0012 0 1999 John Case, A.

Chilver and Carl T. Ross All rights reserved. No part of this publication may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronically or mechanically, including photocopying, recording or any information storage or retrieval system, without either prior permission in writing from the publisher or a licence permitting restricted copying. In the United Kingdom such licences are issued by the Copyright Licensing Agency: 90 Tottenham Court Road, London W l P 9HE.

Whilst the advice and information in this book are believed to be true and accurate at the date of going to press, neither the authors nor the publisher can accept any legal responsibility or liability for any errors or omissions that may be made. British Library Cataloguing in Publication Data A catalogue record for this book is available from the British Library Library of Congress Cataloging-in-PublicationData A catalog record for this book is available from the Library of Congress ISBN 0 340 71920 6 ISBN 0 470 37980 4 (Wiley) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Commissioning Editor: Matthew Flynn Cover Designer: Terry Griffiths Printed and bound in Great Britain by J. Arrowsmith Ltd, Bristol What do you think about this book? Or any other Arnold title? Please send your comments to feedback.net Acknowledgements I would like to thank my wge, Anne, and my children, Nicolette and Jonathan, who have suffered my nebulous number-crunching world of eigenvalue economisers and matrix manipulators over many years. My thanks are extended to Mrs.

Joanna Russell and Mrs. Helen Facey for the considerable care and devotion they showed in typing this manuscript. CTFR, 1999 "Only when you climb the highest mountain, will you be aware of the vastness that lies around you. 0 0 0 cl cl CI 0 Chinese Proverb - It is better to ask a question and look a fool forfive minutes, than not to ask a question at all and be a fool for the rest of your life.

Heaven and Hell - In heaven you arefaced with an infinite number of solvable problems and in hell you are faced with an infinite number of unsolvable problems.net Principal notation a length A area b breadth C complementary energy c wave velocity, distance D diameter d diameter E young’s modulus h depth F shearing force j number of joints G shearing modulus I length H force m mass, modular ratio, I second moment of area number of numbers J torsion constant n frequency, load factor, distance K bulk modulus p pressure L length q shearing force per unit length A4 bending moment r radius P force s distance Q force t thickness R force, radius u displacement S force v displacement, velocity T torque w displacement, load intensity, U strain energy force V force, volume, velocity x coordinate W work done, force y coordinate X force z coordinate Y force 2 section modulus, force a coefficient of linear expansion p density y shearing strain o direct stress 6 deflection T shearing stress E direct strain w angular velocity q efficiency A deflection 8 temperature, angle of twist @ step-function v Poisson’s ratio [k] element stiffness matrix [ K] system stiffness matrix [ m] elemental mass matrix [MI system mass matrix www.net Note on SI units The units used throughout the book are those of the Systeme Internationale d’Unites; this is usually referred to as the SI system. In the field of the strength of materials and structures we are concerned with the following basic units of the SI system: length metre (m) mass kilogramme (kg) time second (s) temperature kelvin (K) There are two further basic units of the SI system - electric current and luminous intensity - which we need not consider for our present purposes, since these do not enter the field of the strength of materials and structures. For temperatures we shall use conventional degrees centigrade (“C), since we shall be concerned with temperature changes rather than absolute temperatures. The units which we derive from the basic SI units, and which are relevant to out fielf of study, are: force newton (N) kg .s-? work, energy joule (J) kg.s-’ = Nm power watt (W) kg.s-’ = Js-’ frequency hertz (Hz) cycle per second pressure Pascal (Pa) N.m-’ = lo-’ bar The acceleration due to gravity is taken as: g =9.81m~-~ Linear distances are expressed in metres and multiples or divisions of 1 O3 of metres, i.

Kilometre (km) IO’ m metre (m) lm millimetre (mm m In many problems of stress analysis these are not convenient units, and others, such as the centimetre (cm), which is lo-’ m, are more appropriate. The unit of force, the newton (N), is the force required to give unit acceleration (ms-’) to unit mass kg). In terms of newtons the common force units in the foot-pound-second-system (with g = 9.8 1 ms?) are 1 Ib.96 x IO’ newtons (N) www.net x iv Note on SI units In general, decimal multiples in the SI system are taken in units of IO3. The prefixes we make most use of are: kilo k 1o3 mega M 1o6 gigs G 1o9 Thus: 1 ton.96 kN The unit of force, the newton (N), is used for external loads and internal forces, such as shearing forces.

Torques and bending of moments are expressed in newton-metres (Nm). An important unit in the strength of materials and structures is stress. In the foot-pound- second system, stresses are commonly expressed in Ib.wt/in2, and tons/in2. In the SI system these take the values: 1 Ib.42 MN/m2 Yield stresses of the common metallic materials are in the range: 200 MN/m2 to 750 MN/m2 Again, Young's modulus for steel becomes: Estee,= 30 x 106 Ib.wt/in2 = 207 GN/mZ Thus, working and yield stresses will usually be expressed in MN/m2 units, while Young's modulus will usually be given in GN/m2 units.net Preface This new edition is updated by Professor Ross, and whle it retains much of the basic and traditional work in Case & Chllver’s Strength of Materials and Structures, it introduces modem numerical techques, such as matrix and finite element methods.

Additionally, because of the difficulties experienced by many of today’s students with basic traditional mathematics, the book includes an introductory chapter which covers in some detail the application of elementary mathematics to some problems involving simple statics. The 1971 ehtion was begun by Mr. John Case and Lord Chlver but, because of the death of Mr. John Case, it was completed by Lord Chlver.

Whereas many of the chapters are retained in their 1971 version, much tuning has been applied to some chapters, plus the inclusion of other important topics, such as the plastic theory of rigid jointed frames, the torsion of non-circular sections, thick shells, flat plates and the stress analysis of composites. The book covers most of the requirements for an engineeringundergraduate course on strength of materials and structures. The introductory chapter presents much of the mathematics required for solving simple problems in statics. Chapter 1 provides a simple introduction to direct stresses and discusses some of the hdamental features under the title: Strength of materials and structures.

Chapter 2 is on pin-jointed frames and shows how to calculate the internal forces in some simple pin-jointed trusses. Chapter 3 introduces shearing stresses and Chapter 4 discusses the modes of failure of some structuraljoints. Chapter 5 is on two-dimensional stress and strain systems and Chapter 6 is on thin walled circular cylindrical and spherical pressure vessels. Chapter 7 deals with bending moments and shearing forces in beams, whch are extended in Chapters 13 and 14 to include beam deflections.

Chapter 8 is on geometrical properties. Chapters 9 and 10 cover direct and shear stresses due to the bending of beams, which are extended in Chapter 13. Chapter 11 is on beam theory for beams made from two dissimilar materials. Chapter 15 introduces the plastic hinge theory and Chapter 16 introduces stresses due to torsion.

Chapter 17 is on energy methods and, among other applications, introduces the plastic design of rigid-jointed plane frames. Chapter 18 is on elastic buckling. Chapter 19 is on flat plate theory and Chapter 20 is on the torsion of non-circular sections. Chapter 21 is on thick cylinders and spheres.

Chapter 22 introduces matrix algebra and Chapter 23 introduces the matrix displacement method. Chapter 24 introduces the finite element method and in Chapter 25 this method is extended to cover the vibrations of complex structures.net Contents Preface. xi Principal notation .3 Vectors and scalars 1.4 Newton’s Laws of Motion 1.7 Equilibrium 1 Tension and compression: direct stresses .2 Stretching of a steel wire 1.3 Tensile and compressive stresses 1.4 Tensile and compressive strains 1.5 Stress-strain curves for brittle materials 1.11 Lateral strains due to direct stresses 1.12 Strength properties of some engineering materials 1.13 Weight and stiffness economy of materials 1.14 Strain energy and work done in the tensile test 1.16 Composite bars in tension or compression 1.18 Temperature stresses in composite bars 1.19 Circular ring under radial pressure 1.20 Creep of materials under sustained stresses 1.21 Fatigue under repeated stresses. 2 Pin-jointed frames or trusses .2 Statically determinate pin-jointed frames 2.3 The method ofjoints 2.4 The method of sections 2.5 A statically indeterminate problem.2 Measurement of shearing stress 3.3 Complementary shearing stress 3.5 Strain energy due to shearing actions.net vi Contents 4 Joints and connections .1 Importance of connections 4.2 Modes of failure of simple bolted and riveted joints 4.3 Efficiency of a connection 4.4 Group-bolted and -riveted joints 4.5 Eccentric loading of bolted and riveted connections 4.7 Welded connections under bending actions.

5 Analysis of stress and strain .2 Shearing stresses in a tensile test specimen 5.3 Strain figures in mild steel; Liider’s lines 5.4 Failure of materials in compression 5.5 General two-dimensional stress system 5.6 Stresses on an inclined plane 5.7 Values of the principal stresses 5.8 Maximum shearing stress 5.9 Mohr’s circle of stress 5.10 Strains in an inclined direction 5.11 Mohr’s circle of strain 5.12 Elastic stress-strain relations 5.13 Principal stresses and strains 5.14 Relation between E, G and v 5.16 Strain energy for a two-dimensional stress system 5.17 Three-dimensional stress systems 5.18 Volumetric strain in a material under hydrostatic pressure 5.19 Strain energy of distortion 5.20 Isotropic, orthotropic and anisotropic 5.22 In-plane equations for a symmetric laminate or composite 5.23 Equivalent elastic constants for problems involving bending and twisting 5.24 Yielding of ductile materials under combined stresses 5.25 Elastic breakdown and failure of brittle material 5.26 Failure of composites. 6 Thin shells under internal pressure .1 Thin cylindncal shell of circular cross section 6.2 Thin spherical shell 6.3 Cylindrical shell with hemispherical ends 6.4 Bending stresses in thin-walled circular cylinders. 7 Bending moments and shearing forces .2 Concentrated and distributed loads 7.3 Relation between the intensity of loading, the shearing force, and bending moment in a straight beam 7.4 Sign conventions for bending moments and shearing forces 7.6 Cantilever with non-uniformly distributed load 7.8 Simply-supportedbeam carrying a uniformly distributed load and end couples 7.9 Points of inflection 7.