Sức Bền Vật Liệu - Beer, Johnston, DeWolf, Mazurek (Tái bản lần 7)

Giáo trình Sức bền vật liệu (Mechanics of Materials) của Beer và Johnston, tái bản lần 7. Tài liệu học tập cho sinh viên ngành kỹ thuật, cơ khí.

Trường đại học

University of Connecticut

Chuyên ngành

Sức bền vật liệu

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Sách giáo trình

2015

902
1
0

Phí lưu trữ

135 Point

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Sách Sức Bền Vật Liệu Lần Thứ 7

Sách Sức Bền Vật Liệu (Mechanics of Materials) lần thứ 7 là cuốn sách kinh điển được xuất bản bởi McGraw-Hill Education năm 2015. Tác phẩm này được viết bởi các tác giả danh tiếng Ferdinand P. Beer, E. Russell Johnston Jr., John T. DeWolf, và David F. Mazurek. Mechanics of Materials là tài liệu học tập không thể thiếu cho các sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng, cơ khí và các lĩnh vực liên quan. Cuốn sách cung cấp kiến thức toàn diện về ứng xử của vật liệu dưới tác dụng của các lực khác nhau. Phiên bản lần thứ 7 được cập nhật với các phương pháp giảng dạy hiện đại, giúp học sinh hiểu rõ hơn về các khái niệm cơ bản của sức bền vật liệu.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Của Mechanics of Materials

Cuốn sách Sức Bền Vật Liệu đã trải qua nhiều phiên bản từ năm 2002 đến 2015. Mỗi lần cập nhật, các tác giả đã bổ sung thêm kiến thức mới và cải thiện cách trình bày. Phiên bản lần thứ 7 là kết quả của sự cộng tác giữa các chuyên gia hàng đầu trong ngành kỹ thuật, đảm bảo tính chính xác và tính thực tiễn cao nhất.

1.2. Các Tác Giả Và Chuyên Môn

Các tác giả của Mechanics of Materials lần 7 gồm những giáo sư có kinh nghiệm từ các trường đại học hàng đầu như Lehigh University và University of Connecticut. John T. DeWolf là Giáo sư Kỹ thuật Xây dựng, còn David F. Mazurek từ United States Coast Guard Academy là chuyên gia trong lĩnh vực kỹ thuật cầu đường.

II. Nội Dung Chính Của Sách Mechanics of Materials

Mechanics of Materials lần 7 bao gồm các chương thiết yếu về sức bền vật liệu. Phần đầu tiên tập trung vào khái niệm ứng suất (concept of stress) và các phương pháp tĩnh học cơ bản. Phần thứ hai trình bày về ứng suất và biến dạng (stress and strain) dưới tác dụng của lực kéo dọc trục. Phần thứ ba giới thiệu về xoắn (torsion) của các trục tròn. Cuốn sách sử dụng cách tiếp cận logic, từ lý thuyết cơ bản đến các ứng dụng thực tế, giúp sinh viên xây dựng nền tảng kiến thức vững chắc.

2.1. Chương 1 Khái Niệm Ứng Suất

Chương đầu tiên của Mechanics of Materials giới thiệu về phương pháp tĩnh học và khái niệm ứng suất cơ bản. Nội dung bao gồm ứng suất trong các phần tử của kết cấu, ứng suất trên các mặt phẳng xiên, và thành phần ứng suất dưới điều kiện tải trọng tổng quát.

2.2. Chương 2 Ứng Suất Và Biến Dạng Dưới Tác Dụng Lực Kéo

Phần này tập trung vào các vấn đề tĩnh học không xác định, những bài toán liên quan đến thay đổi nhiệt độ, và quy luật Hooke tổng quát. Ngoài ra còn có những khái niệm như dãn ngang, mô đun khối lượng, và nguyên lý Saint-Venant.

2.3. Chương 3 Xoắn Của Trục Tròn

Chương về xoắn trong Mechanics of Materials trình bày các tính toán liên quan đến trục tròn chịu tác dụng xoắn. Nội dung bao gồm góc xoắn trong miền đàn hồi và các công thức tính toán liên quan.

III. Ứng Dụng Và Tầm Quan Trọng Thực Tiễn

Sách Sức Bền Vật Liệu lần 7 không chỉ là tài liệu học tập lý thuyết mà còn có giá trị ứng dụng cao trong thực tế kỹ thuật. Cuốn sách cung cấp các ví dụ thực tế và bài tập giúp sinh viên áp dụng kiến thức vào các bài toán thiết kế công trình. Ứng dụng của Mechanics of Materials rộng rãi trong thiết kế kết cấu, đánh giá độ an toàn công trình, và tính toán biến dạng của các bộ phận máy. Cuốn sách cũng hỗ trợ cho các kỹ sư trong việc chọn lựa vật liệu phù hợp và đảm bảo tính bền vững của công trình.

3.1. Ứng Dụng Trong Thiết Kế Kết Cấu

Mechanics of Materials được sử dụng rộng rãi trong thiết kế các kết cấu xây dựng và máy móc. Các kỹ sư sử dụng các nguyên lý từ sách để tính toán ứng suấtbiến dạng trong các phần tử kết cấu, đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế.

3.2. Công Nghệ Vật Liệu Tổng Hợp Và Ứng Dụng Nâng Cao

Phiên bản lần 7 của Mechanics of Materials bao gồm các nội dung về vật liệu tổng hợp được cứng hóa bằng sợi (fiber-reinforced composite materials), phản ánh xu hướng sử dụng vật liệu tiên tiến trong ngành công nghiệp hiện đại.

IV. Lợi Ích Và Khuyến Nghị Sử Dụng

Sách Sức Bền Vật Liệu lần 7 mang đến nhiều lợi ích cho sinh viên và các kỹ sư chuyên ngành. Cuốn sách được biên soạn bởi các chuyên gia hàng đầu với kinh nghiệm giảng dạy lâu năm. Nó cung cấp một nền tảng kiến thức toàn diện về các hiện tượng vật lý liên quan đến ứng xử của vật liệu. Cấu trúc sách được thiết kế để giúp người đọc dễ dàng theo dõi từ khái niệm cơ bản đến các vấn đề phức tạp hơn. Những bài tập và ví dụ thực tế giúp sinh viên vận dụng lý thuyết vào giải quyết các bài toán thực tiễn, phát triển kỹ năng giải quyết vấn đề.

4.1. Lợi Ích Cho Sinh Viên Kỹ Thuật

Mechanics of Materials lần 7 giúp sinh viên xây dựng nền tảng kiến thức chắc chắn về sức bền vật liệu. Cuốn sách có cấu trúc logic rõ ràng, dễ theo dõi và hiểu. Các bài tập đa dạng giúp sinh viên luyện tập và nắm vững các khái niệm quan trọng.

4.2. Khuyến Nghị Cho Các Kỹ Sư Chuyên Ngành

Các kỹ sư thực hành nên sử dụng Mechanics of Materials làm tài liệu tham khảo để giải quyết các bài toán thiết kế phức tạp. Cuốn sách cung cấp các công thức, phương pháp tính toán và hướng dẫn thực tế, hỗ trợ việc ra quyết định thiết kế.

22/12/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

Seventh Edition Mechanics of Materials Ferdinand P. Beer Late of Lehigh University E. Russell Johnston, Jr. Late of University of Connecticut John T.

DeWolf University of Connecticut David F. Mazurek United States Coast Guard Academy MECHANICS OF MATERIALS, SEVENTH EDITION Published by McGraw-Hill Education, 2 Penn Plaza, New York, NY 10121. Copyright © 2015 by McGraw-Hill Education. All rights reserved.

Printed in the United States of America. Previous editions © 2012, 2009, 2006, and 2002. No part of this publication may be reproduced or distributed in any form or by any means, or stored in a database or retrieval system, without the prior written consent of McGraw-Hill Education, including, but not limited to, in any network or other electronic storage or transmission, or broadcast for distance learning. Some ancillaries, including electronic and print components, may not be available to customers outside the United States.

This book is printed on acid-free paper. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 QVR/QVR 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ISBN 978-0-07-339823-5 MHID 0-07-339823-3 Senior Vice President, Products & Markets: Kurt L. Strand Vice President, General Manager: Marty Lange Vice President, Content Production & Technology Services: Kimberly Meriwether David Editorial Director: Thomas Timp Global Brand Manager: Raghothaman Srinivasan Brand Manager: Bill Stenquist Marketing Manager: Heather Wagner Product Developer: Robin Reed Director, Content Production: Terri Schiesl Content Project Manager: Jolynn Kilburg Buyer: Nichole Birkenholz Media Project Manager: Sandra Schnee Photo Research: Carrie K. Burger In-House Designer: Matthew Backhaus Cover Designer: Matt Backhaus Cover Image Credit: ©Walter Bibikow Compositor: RPK Editorial Services, Inc.5/12 Utopia Std Printer: Quad/Graphics All credits appearing on page or at the end of the book are considered to be an extension of the copyright page.

The photo on the cover shows the steel sculpture “Venture” by Alex Liberman (1912-1999) in front of the Bank of America Building in Dallas, Texas. The building is supported by a combination of structural steel and reinforced concrete. Library of Congress Cataloging-in-Publication Data on File The Internet addresses listed in the text were accurate at the time of publication. The inclusion of a website does not indicate an endorsement by the authors or McGraw-Hill Education, and McGraw-Hill Education does not guarantee the accuracy of the information presented at these sites.com About the Authors John T.

DeWolf, Professor of Civil Engineering at the University of Con- necticut, joined the Beer and Johnston team as an author on the second edition of Mechanics of Materials. degree in civil engi- neering from the University of Hawaii and M. degrees in structural engineering from Cornell University. He is a Fellow of the Amer- ican Society of Civil Engineers and a member of the Connecticut Academy of Science and Engineering.

He is a registered Professional Engineer and a member of the Connecticut Board of Professional Engineers. He was selected as a University of Connecticut Teaching Fellow in 2006. Profes- sional interests include elastic stability, bridge monitoring, and structural analysis and design. Mazurek, Professor of Civil Engineering at the United States Coast Guard Academy, joined the Beer and Johnston team as an author on the fifth edition.

degree in ocean engineering and an M. degree in civil engineering from the Florida Institute of Technol- ogy, and a Ph. degree in civil engineering from the University of Con- necticut. He is a registered Professional Engineer.

He has served on the American Railway Engineering & Maintenance of Way Association’s Com- mittee 15—Steel Structures since 1991. He is a Fellow of the American Society of Civil Engineers, and was elected into the Connecticut Academy of Science and Engineering in 2013. Professional interests include bridge engineering, structural forensics, and blast-resistant design. iii Contents Preface ix Guided Tour xiii List of Symbols xv 1 Introduction—Concept of Stress 3 1.1 Review of The Methods of Statics 4 1.2 Stresses in the Members of a Structure 7 1.3 Stress on an Oblique Plane Under Axial Loading 27 1.4 Stress Under General Loading Conditions; Components of Stress 28 1.5 Design Considerations 31 Review and Summary 44 2 Stress and Strain—Axial Loading 55 2.1 An Introduction to Stress and Strain 57 2.2 Statically Indeterminate Problems 78 2.3 Problems Involving Temperature Changes 82 2.5 Multiaxial Loading: Generalized Hooke’s Law 95 *2.6 Dilatation and Bulk Modulus 97 2.8 Deformations Under Axial Loading—Relation Between E, n, and G 102 *2.9 Stress-Strain Relationships For Fiber-Reinforced Composite Materials 104 2.10 Stress and Strain Distribution Under Axial Loading: Saint- Venant’s Principle 115 2.13 Residual Stresses 123 Review and Summary 133 *Advanced or specialty topics iv Contents v 3 Torsion 147 3.1 Circular Shafts in Torsion 150 3.2 Angle of Twist in the Elastic Range 167 3.3 Statically Indeterminate Shafts 170 3.4 Design of Transmission Shafts 185 3.5 Stress Concentrations in Circular Shafts 187 *3.6 Plastic Deformations in Circular Shafts 195 *3.7 Circular Shafts Made of an Elastoplastic Material 196 *3.8 Residual Stresses in Circular Shafts 199 *3.9 Torsion of Noncircular Members 209 *3.10 Thin-Walled Hollow Shafts 211 Review and Summary 223 4 Pure Bending 237 4.1 Symmetric Members in Pure Bending 240 4.2 Stresses and Deformations in the Elastic Range 244 4.3 Deformations in a Transverse Cross Section 248 4.4 Members Made of Composite Materials 259 4.7 Eccentric Axial Loading in a Plane of Symmetry 291 4.8 Unsymmetric Bending Analysis 302 4.9 General Case of Eccentric Axial Loading Analysis 307 *4.10 Curved Members 319 Review and Summary 334 5 Analysis and Design of Beams for Bending 345 5.1 Shear and Bending-Moment Diagrams 348 5.2 Relationships Between Load, Shear, and Bending Moment 360 5.3 Design of Prismatic Beams for Bending 371 *5.4 Singularity Functions Used to Determine Shear and Bending Moment 383 *5.5 Nonprismatic Beams 396 Review and Summary 407 vi Contents 6 Shearing Stresses in Beams and Thin-Walled Members 417 6.1 Horizontal Shearing Stress in Beams 420 *6.2 Distribution of Stresses in a Narrow Rectangular Beam 426 6.3 Longitudinal Shear on a Beam Element of Arbitrary Shape 437 6.4 Shearing Stresses in Thin-Walled Members 439 *6.6 Unsymmetric Loading of Thin-Walled Members and Shear Center 454 Review and Summary 467 7 Transformations Strain 477 of Stress and 7.1 Transformation of Plane Stress 480 7.2 Mohr’s Circle for Plane Stress 492 7.3 General State of Stress 503 7.4 Three-Dimensional Analysis of Stress 504 *7.5 Theories of Failure 507 7.6 Stresses in Thin-Walled Pressure Vessels 520 *7.7 Transformation of Plane Strain 529 *7.8 Three-Dimensional Analysis of Strain 534 *7.9 Measurements of Strain; Strain Rosette 538 Review and Summary 546 8 Principal Stresses Under a Given Loading 557 8.1 Principal Stresses in a Beam 559 8.2 Design of Transmission Shafts 562 8.3 Stresses Under Combined Loads 575 Review and Summary 591 Contents vii 9 Deflection of Beams 599 9.1 Deformation Under Transverse Loading 602 9.2 Statically Indeterminate Beams 611 *9.3 Singularity Functions to Determine Slope and Deflection 623 9.4 Method of Superposition 635 *9.5 Moment-Area Theorems 649 *9.6 Moment-Area Theorems Applied to Beams with Unsymmetric Loadings 664 Review and Summary 679 10 Columns 691 10.1 Stability of Structures 692 *10.2 Eccentric Loading and the Secant Formula 709 10.3 Centric Load Design 722 10.4 Eccentric Load Design 739 Review and Summary 750 11 Energy Methods 759 11.2 Elastic Strain Energy 763 11.3 Strain Energy for a General State of Stress 770 11.8 Deflections by Castigliano’s Theorem 806 *11.9 Statically Indeterminate Structures 810 Review and Summary 823 viii Contents Appendices A1 A Moments of Areas A2 B Typical Properties of Selected Materials Used in Engineering A13 C Properties of Rolled-Steel Shapes A17 D Beam Deflections and Slopes A29 E Fundamentals of Engineering Examination A30 Answers to Problems AN1 Photo Credits C1 Index I1 Preface Objectives The main objective of a basic mechanics course should be to develop in the engineering stu- dent the ability to analyze a given problem in a simple and logical manner and to apply to its solution a few fundamental and well-understood principles.

This text is designed for the first course in mechanics of materials—or strength of materials—offered to engineering students in the sophomore or junior year. The authors hope that it will help instructors achieve this goal in that particular course in the same way that their other texts may have helped them in statics and dynamics. To assist in this goal, the seventh edition has undergone a complete edit of the language to make the book easier to read. General Approach In this text the study of the mechanics of materials is based on the understanding of a few basic concepts and on the use of simplified models.

This approach makes it possible to develop all the necessary formulas in a rational and logical manner, and to indicate clearly the conditions under which they can be safely applied to the analysis and design of actual engineering struc- tures and machine components. Free-body Diagrams Are Used Extensively. Throughout the text free-body diagrams are used to determine external or internal forces. The use of “picture equations” will also help the students understand the superposition of loadings and the resulting stresses and deformations.

The SMART Problem-Solving Methodology is Employed. New to this edition of the text, students are introduced to the SMART approach for solving engineering problems, whose acronym reflects the solution steps of Strategy, Modeling, Analysis, and Reflect & T hink. This methodology is used in all Sample Problems, and it is intended that students will apply this approach in the solution of all assigned problems. Design Concepts Are Discussed Throughout the Text Whenever Appropriate.

A dis- cussion of the application of the factor of safety to design can be found in Chap. 1, where the concepts of both allowable stress design and load and resistance factor design are presented. A Careful Balance Between SI and U. Customary Units Is Consistently Main- tained.

Because it is essential that students be able to handle effectively both SI metric units and U. customary units, half the concept applications, sample problems, and problems to be assigned have been stated in SI units and half in U. Since a large number of problems are available, instructors can assign problems using each system of units in what- ever proportion they find desirable for their class. Optional Sections Offer Advanced or Specialty Topics.

Topics such as residual stresses, torsion of noncircular and thin-walled members, bending of curved beams, shearing stresses in non-symmetrical members, and failure criteria have been included in optional sections for use in courses of varying emphases. To preserve the integrity of the subject, these topics are presented in the proper sequence, wherever they logically belong. Thus, even when not ix x Preface covered in the course, these sections are highly visible and can be easily referred to by the students if needed in a later course or in engineering practice. For convenience all optional sections have been indicated by asterisks.

Chapter Organization It is expected that students using this text will have completed a course in statics. 1 is designed to provide them with an opportunity to review the concepts learned in that course, while shear and bending-moment diagrams are covered in detail in Secs. The properties of moments and centroids of areas are described in Appendix A; this material can be used to reinforce the discussion of the determination of normal and shearing stresses in beams (Chaps. The first four chapters of the text are devoted to the analysis of the stresses and of the corresponding deformations in various structural members, considering successively axial load- ing, torsion, and pure bending.

Each analysis is based on a few basic concepts: namely, the conditions of equilibrium of the forces exerted on the member, the relations existing between stress and strain in the material, and the conditions imposed by the supports and loading of the member. The study of each type of loading is complemented by a large number of concept applications, sample problems, and problems to be assigned, all designed to strengthen the students’ understanding of the subject. The concept of stress at a point is introduced in Chap.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ