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DEPARTMENT OF ARCHITECTURE & CIVIL ENGINEERING

AR10370

STRUCTURES 1B

1       (a)    The planar block of brittle material shown in figure 1(a) is loaded along

each of its edges in a laboratory test, creating a plane stress situation of pure shear in the material.  By considering Mohr’s Circle for this stress state, show qualitatively that the material should theoretically crack in

tension along 45O diagonals, as shown.                                                            [4 marks]

P

 

 

P

 

P

 

Figure 1(a) State of pure shear

(b)   A continuous beam is made up of similar brittle material and loaded as

shown in figure 1(b).  A strain gauge rosette is placed on the beam at a specific location, from which the state of stress shown in figure 1(c) is found. Indicate on a diagram of the beam where the possible locations

(broadly speaking) for the strain gauge rosette could be.                               [6 marks]

 

Figure 1(b) Continuous beam

122MPa

  

194MPa

 

 

194MPa

Figure 1(c) Stress state at a particular point

(c)    What are the maximum and minimum principal stresses at this location?

[5 marks]

A student on an Engineers Without Borders placement has been         asked to build a disaster-relief temporary footbridge across a stream,  of span 11m, as shown in Figure 2(a). All she has available to her is   some old steel railway track. The cross section of the railway track is  shown in Figure 2(b). Her first thought is to simply lay the steel railway tracks across the span, as shown in Figure 2(a). In order to check that her design is adequate, she assumes that each railway track beam     will take a maximum point load of 70kN at midspan, which allows        conservatively for self weight and the most onerous imposed loading  to which each railway track beam might be exposed.

(a)   What is the Second Moment of Area of the railway track?

(b)    Explain how she would calculate the maximum shear stress at the

most critical cross section. Do not carry out any calculations.

(c)   What is the maximum compressive bending stress in the railway track?

(d)   How might she reduce the compressive bending stress in this cross section without adding any additional structural material?

 

70kN

 

 

 

                                               11m                                             

Figure 2(a) Simply-supported bridge span

 

 

 60       120     60

 

60

 

120

R = 60

60

 

Figure 2(b) Cross section of railway track (dimensions in mm)

 

The planar truss structure shown in Figure 3 is braced out of plane. The structure carries a vertical load of 150kN at point A, as shown. Every member is a steel square hollow section of outer side dimension 60mm and wall  thickness 4mm. All  diagonals  in the truss  are  at 45° .  By equating  external work  done  by the vertical  load to  internal  stored elastic strain energy, determine the vertical displacement of the joint at

point A.                                                                                                                 [10 marks]

 

150kN

A


3m

3m

 

 

Figure 3 Planar truss


4      (a)    W hat is the most important aspect that you learned from the timber beam

laboratory  test  as  part  of Structures  1b,  and why was  the  apparent measurement  of  Poisson’s  Ratio  out  of  line  with  the  limits  on  its

theoretical value?                                                                                                  [5 marks]

(b)    What is the most important aspect that you learned from the shear centre

laboratory test as part of Structures 1b, and why did the three values for

enot coincide with each other?                                                                         [4 marks]

5             The cantilevered beam in Figure 4(a) is loaded as shown. It is made of steel, and has a prismatic cross section with a second moment of area of 575x106  mm4 . Ignore self weight.

(a)   What is the approximate deflection at the tip of the cantilever?

(b)   What is the maximum hogging moment in this beam?

30kN/m

3m

4m


 

Figure 4(a) Cantilevered beam

 

(c)   A prop support is now inserted at the right hand end of this beam, as shown in Figure 4(b). By using your result above, what is the value of the reaction at the right hand support?

(d)   What is the new maximum hogging moment in this beam? Comment on the result compared with the unpropped case above.

(e)   Sketch the deflected shape of this propped structure.

30kN/m

 

 

 

3m

4m

 

6             Redraw  each  of the following  beam cross sections  in  your  answer booklet. It is to be assumed that the beam which each of these cross sections  represent  is  being  loaded vertically downwards through  its centroid along its length giving rise to My only, where y’ is the horizontal axis.

(a)    For each cross section, sketch the likely position and inclination of the

neutral  axis.  Do  not  carry  out  any  calculations  in  answering  this

question, and sketch neatly.                                                                                [8 marks]

(b)    On each of the sketches above, add the vector direction in which the

cross section will attempt to move.                                                                     [8 marks]


z

 

 

y

 

(a)

 


 

 

(d)

  

(f)


 

(g)


 

(h)


Figure 5 Eight beam cross sections

7

Lateral torsional buckling is a phenomenon which can occur in thin- walled beams where the force in the compression flange leads to this flange suddenly buckling sideways. You have been asked to conduct a rough check for lateral torsional buckling of the steel beam shown in elevation in Figure 6(a) and in section in Figure 6(b). Two of your key assumptions should be that the cross section can be approximated as only consisting of the two flanges (the thin web should be assumed to carry none of the bending), as shown in Figure 6(c), and that if lateral torsional  buckling  occurred, then the  top  compression flange would buckle laterally into the shape shown in plan in Figure 6(d). Note that the compression flange is restrained laterally at all load and support points.

(a)   What is the bending moment in the middle 20m of the beam?

(b)    By  assuming  the  cross  section  in  Figure  6(c),  what  then  is  the

approximate compression force in the top flange?

(c)    Is  there  a  danger  that  this  beam  might  undergo  lateral  torsional buckling? Explain your answer.

 

[2 marks]

 

[3 marks]

 

[5 marks]

 


 



 



 

 

             20m                        20m                          20m           

 

Figure 6(a) Elevation of steel plate girder beam

 


 

400

 


100

 

 

3000

 

 

 

100


 

400


 

Dimensions in mm


Figure 6(b) Real cross section   Figure 6(c) Idealised cross section with no web

 

 

Figure 6(d) Buckling of the top flange (in plan)

 

 

TJI