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Estratto del documento

REVISION OF St. VENANT PROBLEM

The St. Venant's problem regards the definition of the stress and displacement field in an elastic beam w/ a rectilinear axis and subjected to actions applied only to the extreme sections

  • Hypothesis:
    • small strains & displacements
    • linear elastic homogeneous material
    • long beam w/ a constant cross section
    • free body in the space (no kinematic constraints)
    • no body forces acting on the body, F=0
    • no surface forces on : f=0
    • loads act only on the extreme sections
  • Reference system: it is located in the centroid of one of the extreme section and it is characterized by having:
    • Sx=aqn∫ y dA = 0
    • Sy=aqn∫ x dA = 0
    • Ix=aqn∫ y2 dA
    • Iy=aqn∫ x2 dA
    • it is a PRINCIPAL REFERENCE SYSTEM

- since we have Fo on V and fo on M the only acting force is the SURFACE FORCE P acting on the EXTERNAL BASES and it must be SELF-EQUILIBRATED (since there are no constraints)

- NOTE the distribution of P is not specified BTW the St Venant prob ensures that at a certain distance from the sections the solution depends only on the ACTIONS RESULTANTS (this is why the rod must be sufficiently long)

- The INTERNAL ACTIONS which defines the stress resultants are defined as:

  • Nx: ∫A σx dA
  • Tx: ∫A τxz dA, Ty: ∫A τyz dA
  • Hx: ∫A σx y dA, Hy: ∫A σx x dA
  • Mt: Tx y + Ty x = ∫Ayz x - τxz y) dA

4) SHEAR

* The solution of the problem is found adopting a "SEMI-INVERSE APPROACH" that means making some preliminary assumption on the stress/displacements and verify it at the end of the computations

- the rigid displacement can be eliminated by imposing the following NORMALIZATION

A ψG(x,y)dA = 0

as a consequence

A ψ dA / A = Sz = 0 average displacement

- now the SOLUTION IS UNIQUE and the warping function ψG depends only on the CROSS SECTION SHAPE

- The TWIST B can be computed by exploiting the equilibrium on the basis

Mt = Ayzz - τxzy)dA

= A[GB(∂ψG/∂y + x)z - GB(∂ψG/∂x + y)y]dA

= -GB A(∂ψG/∂y z - ∂ψG/∂x y + x2 + y2)dA

J = [...]

J is the TORSIONAL INERTIA of the section and it depends only on the GEOMETRY OF THE CROSS SECTION

Mt = GBJ

-> β = Mt / GJ

➔ if we refer the rotation to the centre of torsion then it is possible to DECOUPLE the problem of torsion from the problem of shear and bending

➔ the CENTRE of TORSION coincides with the CENTRE of SHEAR (if we apply the shear force in this point then there is no torsional rotation)

check of the governing equation

  • equilibrium:
    • xz/∂ + ∂yz/∂ = 0 in A
    • + = 0
  • compatibility:
    • yz/∂ - ∂xz/∂ = 2G

K = 2G

boundary condition

  • xz: nx + yz ny = 0
  1. 0·1 + 2G·0·0 = 0 OK
  2. 0·0 + 2G·x·1 = 0 NO
  3. 0·(-1) + 2G·x·0 = 0 OK
  4. 0·0 + 2G·(-1) = 0 NO

! there is a violation of the boundary condition BUT since b q3 = q1 - q2 -> CONSTANT along the common branch

* so we have:

  • q1 = const in loop 1 (not in the common branch)
  • q2 = const in loop 2 ("")
  • q3 = q1 - q2 in the common branch

{

J2q'*b ds - q1zJ2dSverizb = -2L2GB

J2q'*dS - q1zJ2dSverizb = -2L2GB

* We have 3 unknowns (q1, q2, β) W/ 3 equations

REMARKS:

  • the position of the cuts are arbitrary, the only condition is 1 cut for loop
  • q1, q2, q'* depends on the chosen cut BUT the final result q and β must be equal # choice

SHEAR CENTRE POSITION

  • * Def. SHEAR CENTRE: is that specific point where if you apply the shear force there would be torsional moment
  • * by imposing this definition we can re-write the governing eq
  • a) we assume that the shear force is applied in the center of shear C = (xc, yc)
  • Tyxc - Txyg = ∫0J2q'*b ds = 2L1q1 + 2L2q2

- the SHEAR FLUX q is connected to the TORSIONAL MOMENT

Mtwv = ∫0a q(s)·jc(s) ds

- recalling that the warping function is:

ψc = - ∫0s jc(s) ds + ψ0

- if we derive it:

c/ds = - jc(s)

- the TORSIONAL MOMENT becomes:

Mtwv = ∫0a q

+ EΘo0a jψ' dψc/ds ds

- EΘo0a jψc/ds ds

- integrating by parts:

Mtwv = EΘo {[jψc]0a - ∫0a d2jψ/dx2 ψc ds}

1) jψc|0a = 0

Sψ(0) = ∫0a ψb ds = 0 & Sψ(a) = ∫0a ψb ds = 0

Dettagli
Publisher
A.A. 2021-2022
115 pagine
SSD Ingegneria civile e Architettura ICAR/08 Scienza delle costruzioni

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Elebi1 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Theory of Structures e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico di Milano o del prof Ardito Raffaele.