background image

Project “The development of the didactic potential of Cracow University of Technology in the range of modern construction” is co-financed by the European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Science and Higher Education 

1/17

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-12: Continuum Mechanics: Torsion as 

BVP

CONTINUUM MECHANICS

(TORSION 

as BOUNDARY VALUE PROBLEM - BVP)

background image

Project “The development of the didactic potential of Cracow University of Technology in the range of modern construction” is co-financed by the European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Science and Higher Education 

2/17

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-12: Continuum Mechanics: Torsion as 

BVP

Body shape

:

 straight prismatic bar with end surfaces perpendicular to 

the bar axis, cross-section of arbitrary shape.

Loading:

 distributed loading over end surfaces yielding torque as only 

cross-sectional force, side surface free of loading, no volume forces.

Kinematics boundary conditions:

 Bar fixed at one end (all 

displacements and their derivatives vanish there). 

M

S

Problem 

formulation

In a further analysis we shall adopt the 
assumption of replacing kinematics 
conditions by statics ones (reaction 
torque); the bar is considered as being 
in the equilibrium but free to be 
twisted (free torsion). 

M

We will make also use of de Sain-Venant principle replacing distributed 

loading with a torque

M

S

=

M

background image

Project “The development of the didactic potential of Cracow University of Technology in the range of modern construction” is co-financed by the European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Science and Higher Education 

3/17

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-12: Continuum Mechanics: Torsion as 

BVP

x

3

x

1

x

2

cos

sin

sin

cos

cos

cos

cos

1

r

r

r

u

x

1

x

2

A

A’

r

r’

Assume:

 r’ = 

r

sin

cos

sin

cos

sin

sin

sin

2

r

r

r

u

Assume:

3

x

0

,

,

2

1

sin

1

cos 

2

1

sin

x

r

u

1

2

cos

x

r

u

Twist angle 

per 

unit length

 (unit 

angle)

1

,

0

,

0

3

2

1

x

x

u

3

1

2

x

x

2

1

3

,x

x

?

A

A’

1

1

Total

 

twist 

angle

Distortion 

function

background image

Project “The development of the didactic potential of Cracow University of Technology in the range of modern construction” is co-financed by the European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Science and Higher Education 

4/17

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-12: Continuum Mechanics: Torsion as 

BVP



i

j

j

i

ij

x

u

x

u

2

1

3

2

1

x

x

u

3

1

2

x

x

2

1

3

,x

x









2

1

2

3

3

2

23

2

1

2

1

x

x

x

u

x

u

0

2

2

22

x

u

0

3

3

33

x

u

0

1

1

11

x

u

0

2

1

2

1

3

3

1

2

2

1

12





x

x

x

u

x

u









1

2

1

3

3

1

13

2

1

2

1

x

x

x

u

x

u

0

0

0

0

0

T

ij

kk

ij

ij

G



2

0

kk

0

0

0

0

0

2G

T

13

2

1

23

'

x

G

31

1

2

13

'

x

G

 

 - distortion function

background image

Project “The development of the didactic potential of Cracow University of Technology in the range of modern construction” is co-financed by the European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Science and Higher Education 

5/17

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-12: Continuum Mechanics: Torsion as 

BVP

0



j

ij

i

x

P

31

1

2

13

'

x

G

0

0

0

3

33

2

32

1

31

3

23

2

22

1

21

3

13

2

12

1

11

x

x

x

x

x

x

x

x

x

0

0

0

0

0

0

0

2

2

2

2

1

2

x

x

0

0

''

0

''

0

2

1

G

G

32

2

1

23

'

x

G

The governing 

equation of torsion 

boundary value 

problem

0

2

or:

Laplacian

background image

Project “The development of the didactic potential of Cracow University of Technology in the range of modern construction” is co-financed by the European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Science and Higher Education 

6/17

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-12: Continuum Mechanics: Torsion as 

BVP

Statics boundary conditions

On a bar surface

0

,

0

,

0

q

0

,

,

2

1

0

'

'

2

2

1

1

1

2

x

G

x

G

On bar ends:

1

,

0

,

0 

0

,

,

2

1

q

q

q

1

2

1

'

x

G

q

2

1

2

'

x

G

q

x

1

x

2

q

ν1

q

ν2

S

A

M

dA

x

q

x

q



2

1

1

2

S

A

M

dA

x

x

x

x

G



2

1

2

1

2

1

'

'

+

M

S

S

S

GJ

M

J

S

Torsion inertia 
moment 

This is boundary value condition for distortion function differential 
equation

By de Saint Venant  

hypothesis

background image

Project “The development of the didactic potential of Cracow University of Technology in the range of modern construction” is co-financed by the European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Science and Higher Education 

7/17

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-12: Continuum Mechanics: Torsion as 

BVP





2

1

23

2

x

x

GJ

M

S

S

GT

T

2

dA

x

x

x

x

J

A

S



2

1

2

1

2

1

'

'

S

S

GJ

M





2

1

23

2

x

x





1

2

13

2

x

x





1

2

13

2

x

x

GJ

M

S

S





2

1

23

x

x

J

M

S

S





1

2

13

x

x

J

M

S

S

3

2

1

x

x

u

3

1

2

x

x

2

1

3

,x

x

0

2

2

2

2

1

2

x

x

0

2

1

1

1

2









x

x

x

x

0

0

,

0

,

0

background image

Project “The development of the didactic potential of Cracow University of Technology in the range of modern construction” is co-financed by the European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Science and Higher Education 

8/17

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-12: Continuum Mechanics: Torsion as 

BVP





2

1

,

x

f

x

f

n

0

2

2

2

2

1

2

x

x

2
R

x

1

x

2

n

0

,

2

2

2

2

1

2

1

R

x

x

x

x

f

2

1

2

1

4

4

x

x

n

2

1

2

,

2

x

x

n

R

x

R

x

n

n

2

1

,

0

2

2

1

1

1

2









R

x

x

x

R

x

x

x

0

2

2

1

1

R

x

x

R

x

x

0

Governing equation 

and

 boundary 

condition are 

homogeneous

Solid circular 

shaft

Contour 

equation:

No 

distortion!

R

x

x

n

2

2

2

1

2

1

background image

Project “The development of the didactic potential of Cracow University of Technology in the range of modern construction” is co-financed by the European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Science and Higher Education 

9/17

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-12: Continuum Mechanics: Torsion as 

BVP

dA

x

x

x

x

J

A

S



2

1

2

1

2

1

'

'

S

S

GJ

M





2

1

23

x

x

J

M

S

S





1

2

13

x

x

J

M

S

S

0

0

2

2

2

2

1

J

dA

r

dA

x

x

J

A

A

S





2

0

13

x

J

M

S

1

0

23

x

J

M

S

r

J

M

x

x

J

M

S

S

0

2

1

2

1

0

2

23

2

13

r

0

0

max

W

M

R

J

M

S

S

3

0

3

x

GJ

M

x

S

Twist angle

Unit twist 
angle

Total twist angle for a shaft of 
length 

l

l

GJ

M

S

0

max

)

(r

Solid circular 

shaft

1

x

2

x

Torsion section 

modulus

Polar inertia moment

background image

Project “The development of the didactic potential of Cracow University of Technology in the range of modern construction” is co-financed by the European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Science and Higher Education 

10/17

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-12: Continuum Mechanics: Torsion as 

BVP

S

S

GJ

M

0

S

S

W

M

max

 

s

s

J

 

s

s

W

For 

h

b

b

h/2

max

h

b

J

s

3

h

b

W

s

2

h/b

1

1,5

2

2,5

3

4

6

8

0,208

0,23

1

0,24

6

0,25

8

0,26

7

0,28

2

0.29

9

0,30

7

0,33

3

0,141

0,19

6

0,22

9

0,24

9

0,26

3

0,28

1

0.29

9

0,30

7

0,33

3

Rectangular bar

)

,

b

h

h/2

background image

Project “The development of the didactic potential of Cracow University of Technology in the range of modern construction” is co-financed by the European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Science and Higher Education 

11/17

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-12: Continuum Mechanics: Torsion as 

BVP

Bars of open cross-
sections

Bars of closed cross-
sections

The behaviour of the above types of bars differs significantly when 
subjected to the action of a torque. One can make a simple 
experiment cutting a tube:

Thin-walled 

bars

background image

Project “The development of the didactic potential of Cracow University of Technology in the range of modern construction” is co-financed by the European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Science and Higher Education 

12/17

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-12: Continuum Mechanics: Torsion as 

BVP

1

2

1

Assume: constant 
distribution of shear 
stress across of tube 
thickness

2

Assume: prismatic tube 
of varying wall thickness

From equilibrium condition:

const



2

2

1

1

0

2

2

1

1

min

max

const

Closed thin-walled 

cross-sections

background image

Project “The development of the didactic potential of Cracow University of Technology in the range of modern construction” is co-financed by the European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Science and Higher Education 

13/17

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-12: Continuum Mechanics: Torsion as 

BVP



d
s

dA

r(s)

s

ds

s

r

dA

)

(

2

1

 

 

dA

ds

s

r

M

s

s

s

2

)

(





const



S

dA

M

s

s





2

2

S

 – area of the figure 

embedded within central 
curve 

s

S

M

s

2

s

s

W

M

max

S

W

s

min

2

min

max

2

S

M

s

Closed thin-walled 

cross-sections

background image

Project “The development of the didactic potential of Cracow University of Technology in the range of modern construction” is co-financed by the European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Science and Higher Education 

14/17

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-12: Continuum Mechanics: Torsion as 

BVP

b

1

h

1

b

2

h

2

b

3

h

3

n

i

si

s

M

M

1

i

i

i

b



Solutions for torsion of rectangular bars 
obey:

s

si

GJ

M

si

si

i

W

M

max

i

i

i

si

h

b

J

3

i

i

i

si

h

b

W

2

A2

i

i

i

Si

i

h

b

G

M

3

i

i

i

si

h

b

G

M

3



A3

n

i

i

i

i

s

h

b

G

M

1

3



s

s

n

i

i

i

i

s

J

G

M

h

b

G

M

1

3

Assumptions:

Cross-section 

partitioning:

A1

A2

A3

A1

Open thin-walled cross-

sections

background image

Project “The development of the didactic potential of Cracow University of Technology in the range of modern construction” is co-financed by the European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Science and Higher Education 

15/17

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-12: Continuum Mechanics: Torsion as 

BVP

si

si

i

W

M

max

i

i

i

si

h

b

W

2

i

i

i

si

h

b

G

M

3



s

s

n

i

i

i

i

s

J

G

M

h

b

G

M

1

3

i

i

i

s

s

si

h

b

GJ

M

G

M

3

i

i

i

s

s

i

i

i

i

i

i

s

s

i

b

J

M

h

b

h

b

J

M

2

3

max

 

i

s

s

i

b

J

M

max

max

max

i

i

i

s

s

i

b

J

M

max

max

max

For h

i

/b

i

 >6

      

i

  

=

i

Open thin-walled cross-

sections

background image

Project “The development of the didactic potential of Cracow University of Technology in the range of modern construction” is co-financed by the European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Science and Higher Education 

16/17

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-12: Continuum Mechanics: Torsion as 

BVP

 

i

s

s

b

J

M

max

max 

max

h/2

h/2

max

Open thin-walled cross-

sections

background image

Project “The development of the didactic potential of Cracow University of Technology in the range of modern construction” is co-financed by the European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Science and Higher Education 

17/17

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-12: Continuum Mechanics: Torsion as 

BVP



d
s

dA

r(s)

s

S

 – area of the figure 

embedded within central 
curve 

s

min

max

2

S

M

s

Closed thin-walled 

cross-sections

background image

Project “The development of the didactic potential of Cracow University of Technology in the range of modern construction” is co-financed by the European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Science and Higher Education 

18/17

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-12: Continuum Mechanics: Torsion as 

BVP

stop


Document Outline