Sách Sức Bền Vật Liệu (Mechanics of Materials) của James M. Gere, Bản thứ 6

Giáo trình Sức bền vật liệu của James M. Gere, phiên bản thứ 6. Tài liệu học tập quan trọng cho sinh viên ngành kỹ thuật, cơ khí và xây dựng.

• Tác giả: James M. Gere
• Trường học: Stanford University
• Chuyên ngành: Mechanics of Materials
• Đề tài: Tension, Compression, and Shear
• Loại tài liệu: Textbook
• Năm xuất bản: 2004
• Địa điểm: Belmont

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Sách Sức Bền Vật Liệu Phiên Bản Thứ 6

Sách Sức Bền Vật Liệu Phiên Bản Thứ 6 là một tài liệu học thuật quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng và cơ khí. Tác giả James M. Gere, Giáo sư Danh dự từ Đại học Stanford, đã biên soạn cuốn sách này với các kiến thức toàn diện về phân tích ứng suất và biến dạng vật liệu. Phiên bản thứ 6 được cập nhật với những phương pháp giải quyết vấn đề hiện đại, công thức chuyển đổi đơn vị giữa hệ thống USCS và SI, cũng như các ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp. Cuốn sách này đã trở thành tài liệu tham khảo chính thức cho sinh viên kỹ thuật trên toàn thế giới, với nội dung bao gồm lý thuyết cơ bản đến các bài tập nâng cao.

1.1. Thông Tin Cơ Bản Về Cuốn Sách

Mechanics of Materials phiên bản thứ 6 được xuất bản vào năm 2004 bởi Brooks/Cole Thomson Learning. Cuốn sách này cung cấp những kiến thức sâu sắc về các loại lực, mô men quán tính, ứng suất và biến dạng. Nội dung được chia thành các chương có tính logic cao, giúp sinh viên dễ dàng tiếp cận từng khái niệm mới. Mỗi chương đều kèm theo những ví dụ thực tiễn và bài tập áp dụng để củng cố kiến thức.

1.2. Tầm Quan Trọng Trong Giáo Dục Kỹ Thuật

Sức bền vật liệu là môn học bắt buộc trong các chương trình kỹ thuật xây dựng, cơ khí và dân dụng. Cuốn sách này được công nhận rộng rãi như là tài liệu chuẩn mực trong các trường đại học. Nó không chỉ giúp sinh viên hiểu rõ về các nguyên lý cơ bản mà còn chuẩn bị cho các kỳ thi chuyên môn và ứng dụng thực tế trong công việc.

II. Nội Dung Chính Của Sách Sức Bền Vật Liệu Phiên Bản 6

Sách Sức Bền Vật Liệu Phiên Bản 6 bao gồm các phần nội dung chi tiết về cơ học vật liệu và các ứng dụng của nó. Phần đầu của sách tập trung vào các khái niệm cơ bản như lực, ứng suất, và biến dạng. Phần tiếp theo đề cập đến phân tích ứng suất phức tạp, độ cứng vật liệu, và tính toán mô men quán tính. Cuốn sách cũng cung cấp bảng chuyển đổi đơn vị chi tiết giữa hệ USCS (U.S. Customary Units) và hệ SI (International System), hỗ trợ sinh viên trong các phép tính kỹ thuật. Các chương cuối tập trung vào các loại phá hủy vật liệu và tiêu chuẩn thiết kế hiện đại.

2.1. Các Khái Niệm Cơ Bản Về Ứng Suất Và Biến Dạng

Phần này giải thích chi tiết về ứng suất kéo, ứng suất nén, ứng suất cắt, và biến dạng tương ứng. Sách cung cấp công thức tính toán ứng suất bình thường và ứng suất tiếp tuyến trong các tình huống khác nhau. Các ví dụ minh họa về tính chất cơ học vật liệu như độ co dãn, độ đàn hồi, và giới hạn chảy được trình bày một cách dễ hiểu.

2.2. Phương Pháp Tính Toán Và Ứng Dụng Thực Tiễn

Sách cung cấp phương pháp phần tử hữu hạn cơ bản và các kỹ thuật phân tích ứng suất trên máy tính. Các bảng chuyển đổi từ đơn vị USCS sang SI được trình bày rõ ràng, bao gồm chuyển đổi lực (pound sang kilonewton), áp lực (psi sang Pascal), và năng lượng (BTU sang Joule).

III. Bảng Chuyển Đổi Đơn Vị Trong Sách

Sách Sức Bền Vật Liệu Phiên Bản 6 bao gồm những bảng chuyển đổi đơn vị toàn diện giữa hệ thống đo lường Mỹ và hệ thống quốc tế. Các chuyển đổi quan trọng bao gồm gia tốc tuyến tính (ft/s² = 0.305 m/s²), diện tích (ft² = 0.0929 m²), khối lượng riêng (slug/ft³ = 515 kg/m³), và lực (lb = 4.45 kN). Bảng chuyển đổi cũng cung cấp các hệ số chính xác và thực tế cho mục đích tính toán kỹ thuật. Mô men quán tính được chuyển đổi từ in⁴ sang mm⁴ với hệ số 416,231, trong khi áp lực được chuyển từ psi sang Pa với hệ số 6894.76. Những bảng này là công cụ thiết yếu cho các kỹ sư làm việc trong môi trường quốc tế.

3.1. Chuyển Đổi Các Đại Lượng Cơ Học

Lực được chuyển đổi từ pound (lb) sang kilonewton (kN) với hệ số 4.45. Mô men (torque) được chuyển từ lb-ft sang N·m với hệ số 1.36. Ứng suất chuyển từ psi (pound per square inch) sang MPa (megapascal) với hệ số 6.89. Công suất được chuyển từ horsepower sang watt với hệ số 745.701. Những chuyển đổi này được sử dụng thường xuyên trong các phép tính thiết kế kỹ thuật.

3.2. Chuyển Đổi Đơn Vị Độ Dài Và Thể Tích

Độ dài được chuyển từ foot sang meter (1 ft = 0.305 m) và từ inch sang millimeter (1 in = 25.4 mm). Diện tích chuyển từ ft² sang m² với hệ số 0.0929. Thể tích được chuyển từ cubic foot sang cubic meter (1 ft³ = 0.0283 m³). Mô men quán tính diện tích chuyển từ in⁴ sang mm⁴ với hệ số lớn 416,231 để đảm bảo độ chính xác cao.

IV. Cách Tải Và Sử Dụng Sách PDF Phiên Bản 6

Tải Sách Sức Bền Vật Liệu Phiên Bản Thứ 6 dưới dạng PDF có thể thực hiện thông qua các kho tàng học thuật trực tuyến, thư viện số của các trường đại học, hoặc các trang web xuất bản giáo dục. Khi truy cập sách PDF, người dùng nên chú ý đến bảng chuyển đổi đơn vị ở phần đầu để tham khảo nhanh chóng. Cấu trúc tìm kiếm trong PDF cho phép độc giả tìm kiếm từ khóa cụ thể như ứng suất, biến dạng, hoặc mô men quán tính. Sách cũng có chỉ mục chi tiết ở cuối giúp dễ dàng định vị các chủ đề cần thiết. Việc lưu trữ bản PDF trên máy tính hoặc thiết bị di động cho phép truy cập ngoại tuyến, thuận tiện cho sinh viên khi học tập hoặc làm bài tập.

4.1. Nguồn Tải Sách PDF Hợp Pháp

Sách Sức Bền Vật Liệu Phiên Bản 6 có thể được tải từ các nguồn hợp pháp như Google Books, thư viện số của trường đại học, hoặc các trang web xuất bản chính thức như Brooks/Cole. Nhiều trường đại học cung cấp quyền truy cập miễn phí cho sinh viên qua tài khoản thư viện điện tử. Người dùng cũng có thể mua bản ebook chính hãng từ các nền tảng bán sách trực tuyến uy tín.

4.2. Lợi Ích Của Việc Sử Dụng PDF

Định dạng PDF cho phép tìm kiếm toàn văn bản, giúp sinh viên nhanh chóng định vị các khái niệm cần thiết. Tính di động của PDF cho phép học tập mọi lúc, mọi nơi trên các thiết bị khác nhau. Sinh viên có thể ghi chú, đánh dấu, và tạo tài liệu tham khảo cá nhân trực tiếp trên PDF. Điều này làm cho việc học tập hiệu quả hơn và giúp ôn tập dễ dàng hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

org CONVERSIONS BETWEEN U. CUSTOMARY UNITS AND SI UNITS Times conversion factor U. Customary unit Equals SI unit Accurate Practical Acceleration (linear) foot per second squared ft/s2 0.305 meter per second squared m/s2 inch per second squared in.0254 meter per second squared m/s2 Area square foot ft2 0.0929 square meter m2 square inch in.16* 645 square millimeter mm2 Density (mass) slug per cubic foot slug/ft3 515.379 515 kilogram per cubic meter kg/m3 Density (weight) pound per cubic foot lb/ft3 157.087 157 newton per cubic meter N/m3 pound per cubic inch lb/in.447 271 kilonewton per cubic meter kN/m3 Energy; work foot-pound ft-lb 1.36 joule (N
m) J inch-pound in.113 joule J kilowatt-hour kWh 3.6 megajoule MJ British thermal unit Btu 1055.06 1055 joule J Force pound lb 4.45 kilonewton kN Force per unit length pound per foot lb/ft 14.6 newton per meter N/m pound per inch lb/in.127 175 newton per meter N/m kip per foot k/ft 14.6 kilonewton per meter kN/m kip per inch k/in.127 175 kilonewton per meter kN/m Length foot ft 0.305 meter m inch in.4 millimeter mm mile mi 1.61 kilometer km Mass slug lb-s2/ft 14.6 kilogram kg Moment of a force; torque pound-foot lb-ft 1.36 newton meter N·m pound-inch lb-in.113 newton meter N·m kip-foot k-ft 1.36 kilonewton meter kN·m kip-inch k-in.113 kilonewton meter kN·m Copyright 2004 Thomson Learning, Inc. All Rights Reserved.

May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. CUSTOMARY UNITS AND SI UNITS (Continued) Times conversion factor U. Customary unit Equals SI unit Accurate Practical Moment of inertia (area) inch to fourth power in.4 416,231 416,000 millimeter to fourth power mm4 6 6 inch to fourth power 4 in.416  10 meter to fourth power m4 Moment of inertia (mass) slug foot squared slug-ft2 1.36 kilogram meter squared kg·m2 Power foot-pound per second ft-lb/s 1.36 watt (J/s or N·m/s) W foot-pound per minute ft-lb/min 0.0226 watt W horsepower (550 ft-lb/s) hp 745.701 746 watt W Pressure; stress pound per square foot psf 47.9 pascal (N/m2) Pa pound per square inch psi 6894.76 6890 pascal Pa kip per square foot ksf 47.9 kilopascal kPa kip per square inch ksi 6.89 megapascal MPa Section modulus inch to third power in.1 16,400 millimeter to third power mm3 inch to third power in.4  106 meter to third power m3 Velocity (linear) foot per second ft/s 0.305 meter per second m/s inch per second in.0254 meter per second m/s mile per hour mph 0.447 meter per second m/s mile per hour mph 1.61 kilometer per hour km/h Volume cubic foot ft3 0.0283 cubic meter m3 cubic inch in.4  106 cubic meter m3 cubic inch in.4 cubic centimeter (cc) cm3 gallon (231 in.79 liter L gallon (231 in.00379 cubic meter m3 *An asterisk denotes an exact conversion factor Note: To convert from SI units to USCS units, divide by the conversion factor 5 Temperature Conversion Formulas T(°C)  [T(°F)  32]  T(K)  273.67 5 5 Copyright 2004 Thomson Learning, Inc. All Rights Reserved.

May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part.org Copyright 2004 Thomson Learning, Inc. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part.com is the World Wide Web site for Brooks/Cole and is your direct source to dozens of online resources.com you can find out about supplements, demonstration software, and student resources. You can also send email to many of our authors and preview new publications and exciting new technologies.com Changing the way the world learns® Copyright 2004 Thomson Learning, Inc.

All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Copyright 2004 Thomson Learning, Inc. All Rights Reserved.

May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part.org Mechanics of Materials Copyright 2004 Thomson Learning, Inc. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Copyright 2004 Thomson Learning, Inc.

All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Mechanics of Materials SIXTH EDITION James M. Gere Professor Emeritus, Stanford University Australia • Canada • Mexico • Singapore • Spain United Kingdom • United States Copyright 2004 Thomson Learning, Inc.

All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part.org Publisher: Bill Stenquist Permissions Editor: Sommy Ko Editorial Assistant: Julie Ruggiero Production Service: RPK Editorial Services, Inc. Technology Project Manager: Burke Taft Interior Designer: Jeanne Calabrese Executive Marketing Manager: Tom Ziolkowski Cover Designer: Denise Davidson Marketing Assistant: Jennifer Gee Cover Photo: Hackenberg/Masterfile Advertising Project Manager: Vicky Wan Cover Printing, Printing and Binding: Quebecor, Inc. Editorial Production Project Manager: Kelsey McGee Composition: Better Graphics, Inc.

Print/Media Buyer: Rebecca Cross COPYRIGHT © 2004 Brooks/Cole, a division of Thomson Brooks/Cole–Thomson Learning Learning, Inc. Thomson LearningTM is a trademark used herein 10 Davis Drive under license. Belmont, CA 94002 USA ALL RIGHTS RESERVED. No part of this work covered by the copyright hereon may be reproduced or used in any form or by Asia any means—graphic, electronic, or mechanical, including but not Thomson Learning limited to photocopying, recording, taping, Web distribution, 5 Shenton Way #01-01 information networks, or information storage and retrieval UIC Building systems—without the written permission of the publisher.

Singapore 068808 Printed in the United States of America Australia /New Zealand Thomson Learning 1 2 3 4 5 6 7 08 07 06 05 04 102 Dodds Street Southbank, Victoria 3006 Australia For more information about our products, contact us at: Thomson Learning Academic Resource Center Canada 1-800-423-0563 Nelson 1120 Birchmount Road For permission to use material from this text, contact us by: Toronto, Ontario M1K 5G4 Phone: [phone] Fax: [phone] Canada Web: http://www.com Europe/Middle East/Africa Thomson Learning High Holborn House Library of Congress Control Number: 2003113085 50/51 Bedford Row London WC1R 4LR ISBN 0-534-41793-0 United Kingdom Latin America Thomson Learning Seneca, 53 Colonia Polanco 11560 Mexico D. Mexico Spain/Portugal Paraninfo Calle/Magallanes, 25 28015 Madrid, Spain Copyright 2004 Thomson Learning, Inc. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part.

Contents Preface xiii Symbols xvii Greek Alphabet xx 1 Tension, Compression, and Shear 1 1.1 Introduction to Mechanics of Materials 1 1.2 Normal Stress and Strain 3 1.3 Mechanical Properties of Materials 10 1.4 Elasticity, Plasticity, and Creep 20 1.5 Linear Elasticity, Hooke’s Law, and Poisson’s Ratio 23 1.6 Shear Stress and Strain 28 1.7 Allowable Stresses and Allowable Loads 39 1.8 Design for Axial Loads and Direct Shear 44 Problems 49 2 Axially Loaded Members 67 2.2 Changes in Lengths of Axially Loaded Members 68 2.3 Changes in Lengths Under Nonuniform Conditions 77 2.4 Statically Indeterminate Structures 84 2.5 Thermal Effects, Misfits, and Prestrains 93 2.6 Stresses on Inclined Sections 105 2.9 Repeated Loading and Fatigue 136 ★2.12 Elastoplastic Analysis 149 Problems 155 ★Stars denote specialized and advanced topics. vii Copyright 2004 Thomson Learning, Inc. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part.

viii CONTENTS 3 Torsion 185 3.2 Torsional Deformations of a Circular Bar 186 3.3 Circular Bars of Linearly Elastic Materials 189 3.5 Stresses and Strains in Pure Shear 209 3.6 Relationship Between Moduli of Elasticity E and G 216 3.7 Transmission of Power by Circular Shafts 217 3.8 Statically Indeterminate Torsional Members 222 3.9 Strain Energy in Torsion and Pure Shear 226 3.10 Thin-Walled Tubes 234 ★3.11 Stress Concentrations in Torsion 243 Problems 245 4 Shear Forces and Bending Moments 264 4.2 Types of Beams, Loads, and Reactions 264 4.3 Shear Forces and Bending Moments 269 4.4 Relationships Between Loads, Shear Forces, and Bending Moments 276 4.5 Shear-Force and Bending-Moment Diagrams 281 Problems 292 5 Stresses in Beams (Basic Topics) 300 5.2 Pure Bending and Nonuniform Bending 301 5.3 Curvature of a Beam 302 5.4 Longitudinal Strains in Beams 304 5.5 Normal Stresses in Beams (Linearly Elastic Materials) 309 5.6 Design of Beams for Bending Stresses 321 5.8 Shear Stresses in Beams of Rectangular Cross Section 334 5.9 Shear Stresses in Beams of Circular Cross Section 343 5.10 Shear Stresses in the Webs of Beams with Flanges 346 ★5.11 Built-Up Beams and Shear Flow 354 ★5.12 Beams with Axial Loads 358 ★5.13 Stress Concentrations in Bending 364 Problems 366 Copyright 2004 Thomson Learning, Inc. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part.org CONTENTS ix 6 Stresses in Beams (Advanced Topics) 393 6.3 Transformed-Section Method 403 6.4 Doubly Symmetric Beams with Inclined Loads 409 6.5 Bending of Unsymmetric Beams 416 6.6 The Shear-Center Concept 421 6.7 Shear Stresses in Beams of Thin-Walled Open Cross Sections 424 6.8 Shear Stresses in Wide-Flange Beams 427 6.9 Shear Centers of Thin-Walled Open Sections 431 ★6.10 Elastoplastic Bending 440 Problems 450 7 Analysis of Stress and Strain 464 7.3 Principal Stresses and Maximum Shear Stresses 474 7.4 Mohr’s Circle for Plane Stress 483 7.5 Hooke’s Law for Plane Stress 500 7.7 Plane Strain 510 Problems 525 8 Applications of Plane Stress (Pressure Vessels, Beams, and Combined Loadings) 541 8.2 Spherical Pressure Vessels 541 8.3 Cylindrical Pressure Vessels 548 8.4 Maximum Stresses in Beams 556 8.5 Combined Loadings 566 Problems 583 Copyright 2004 Thomson Learning, Inc. All Rights Reserved.

May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. x CONTENTS 9 Deflections of Beams 594 9.2 Differential Equations of the Deflection Curve 594 9.3 Deflections by Integration of the Bending-Moment Equation 600 9.4 Deflections by Integration of the Shear-Force and Load Equations 611 9.5 Method of Superposition 617 9.6 Moment-Area Method 626 9.8 Strain Energy of Bending 641 ★9.10 Deflections Produced by Impact 659 ★9.12 Use of Discontinuity Functions in Determining Beam Deflections 673 ★9.13 Temperature Effects 685 Problems 687 10 Statically Indeterminate Beams 707 10.2 Types of Statically Indeterminate Beams 708 10.3 Analysis by the Differential Equations of the Deflection Curve 711 10.4 Method of Superposition 718 ★10.6 Longitudinal Displacements at the Ends of a Beam 734 Problems 738 Copyright 2004 Thomson Learning, Inc. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part.

CONTENTS xi 11 Columns 748 11.2 Buckling and Stability 749 11.3 Columns with Pinned Ends 752 11.4 Columns with Other Support Conditions 765 11.5 Columns with Eccentric Axial Loads 776 11.6 The Secant Formula for Columns 781 11.7 Elastic and Inelastic Column Behavior 787 11.9 Design Formulas for Columns 795 Problems 813 12 Review of Centroids and Moments of Inertia 828 12.2 Centroids of Plane Areas 829 12.3 Centroids of Composite Areas 832 12.4 Moments of Inertia of Plane Areas 835 12.5 Parallel-Axis Theorem for Moments of Inertia 838 12.6 Polar Moments of Inertia 841 12.7 Products of Inertia 843 12.8 Rotation of Axes 846 12.9 Principal Axes and Principal Moments of Inertia 848 Problems 852 References and Historical Notes 859 Appendix A Systems of Units and Conversion Factors 867 A.1 Systems of Units 867 A.5 Conversions Between Units 878 Copyright 2004 Thomson Learning, Inc. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part.org xii CONTENTS Appendix B Problem Solving 881 B.1 Types of Problems 881 B.2 Steps in Solving Problems 882 B.5 Rounding of Numbers 886 Appendix C Mathematical Formulas 887 Appendix D Properties of Plane Areas 891 Appendix E Properties of Structural-Steel Shapes 897 Appendix F Properties of Structural Lumber 903 Appendix G Deflections and Slopes of Beams 905 Appendix H Properties of Materials 911 Answers to Problems 917 Name Index 933 Subject Index 935 Copyright 2004 Thomson Learning, Inc. All Rights Reserved.

May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Preface Mechanics of materials is a basic engineering subject that must be understood by anyone concerned with the strength and physical performance of structures, whether those structures are man-made or natural. The subject matter includes such fundamental concepts as stresses and strains, deformations and displacements, elasticity and inelasticity, strain energy, and load-carrying capacity. These concepts underlie the design and analysis of a huge variety of mechanical and structural systems.