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 

1/16

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-10: Continuum Mechanics: Constitutive 

equations

CONTINUUM MECHANICS

(CONSTITUTIVE EQUATIONS -

 - HOOKE LAW)

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 

2/16

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-10: Continuum Mechanics: Constitutive 

equations

0



j

ij

i

x

P

j

ij

i

q

3

 internal equilibrium 

equations (Navier eq.)

6

 unknown functions (stress 

matrix components)

Boundary 

conditions (statics)



i

j

j

i

ij

x

u

x

u

2

1

6

 kinematics equations (Cauchy 

eq.), 

9

 unknown functions (6 strain 

matrix components, 3 
displacements)

Boundary 

conditions 

(kinematics)

u

S

i

u

9

 equations

15

 unknown functions (6 

stresses, 6 strains, 3 
displacements)

From the formal point of view 
(mathematics) we are lacking 6 
equations  

From the point of view of physics – 
there are no material properties 
involved

Summary of stress and strain state 

equations

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 

3/16

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-10: Continuum Mechanics: Constitutive 

equations

Strain       versus      stress

An obvious solution is to exploit 

already noticed interrelation 

between strains and stresses

Material 

deformability 

properties

General property of majority of 

solids is elasticity (instantaneous 

shape memory)

P

u

Linear 
elasticity

Deformation versus internal 

forces

CEIIINOSSSTTUV

UT TENSIO SIC VIS

u

k

P

which reads: 

„as much the extension as the 

force is”

where 

k

 is a constant 

dependent on a material 

and 

body shape

This observation was made 

already in 1676 by Robert 

Hooke:

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 

4/16

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-10: Continuum Mechanics: Constitutive 

equations

Physical 

quantities 

(measurable)

Mathematical 

quantities (non-

measurable)

Dynamics

Kinematic
s

P

u

ij

 

ij

ij

f

Hooke, 1678

Navier, 1822

ij

f 

-  linear function of all strain matrix 

components defining all stress component 

matrix 

To make Hooke’s law independent of a body shape one has to use state 

variables characterizing internal forces and deformations in a material point 

i.e. stress and strain.

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 

5/16

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-10: Continuum Mechanics: Constitutive 

equations

The coefficients of this equation do depend only on the material 
considered, 

but not on the body shape

.

As Navier equation is a set of 9 linear algebraic equations then the 
number of coefficient in this set is 81 and can be represented  as a 
matrix of 3

4

=81 components:

kl

ijkl

ij

C

Summation 

over 

kl

 indices reflects linear character of this 

constitutive equation. 

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 

6/16

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-10: Continuum Mechanics: Constitutive 

equations

Nevertheless, the number of assumptions allows for the reduction of 
the coefficients number: two of them are already inscribed in the 
formula:

Universality of linear elasticity follows observation, that for loading 
below a certain limit (elasticity limit) most of materials exhibit this 
property.

kl

ijkl

ij

C

1. For zero valued deformations all stresses vanish: the  body in a 

natural state is free of initial stresses. 

2. Coefficients 

C

ijkl 

do not depend on position in a body – material 

properties are uniform (homogeneous). 

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 

7/16

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-10: Continuum Mechanics: Constitutive 

equations

3. Assumption of the existence of elastic potential yields symmetry of 
group of indices 

ij  -  kl

 thus reducing the number of independent 

coefficients to 
36 [=(81-9)/2].

4. Symmetry of material inner structure allows for further reductions. 
In a general case of lacking any symmetry (

anisotropy

) the number 

of independent coefficients is  21 [=(36-6)/2+6].

5. In the simplest and the most frequent case of structural 
materials   (

except the composite materials

) – the number of 

coefficients is 2 (

isotropy

):

ij

kk

ij

ij

G



2

or in an inverse 
form:

ij

kk

ij

ij

v

E



1

1

The pairs of  coefficients 

G,

    i   

E, ν

  are interdependent so there 

are really only two material independent constants. 

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 

8/16

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-10: Continuum Mechanics: Constitutive 

equations

9

9

6

6

81 components of 

C

ijkl

General anisotropy: 15+6=21 
constants

Isotropy: 2 
constants

0 0 0
0 0 0
0 0 0

0 0 0
0 0 0
0 0 0

0 0

0 0

0

0

Symmetrical 
components

Identical components
Components dependent on 
other components

ji

ij

ji

ij

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 

9/16

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-10: Continuum Mechanics: Constitutive 

equations

ij

kk

ij

ij

G



2

,

G

Summation obeys !

Kronecker’s delta

Lamé 
constants [Pa]

)

(

2

33

22

11

11

11

 G

)

(

2

33

22

11

22

22

 G

)

(

2

33

22

11

33

33

 G

12

12

2

G

23

23

2

G

31

31

2

G

Normal stress and normal 
strain dependences

Shear stress and shear 
strain dependences

This equation consists of two 

groups:

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 

10/16

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-10: Continuum Mechanics: Constitutive 

equations

E

Summation 

obeys !

Kronecker’s 

delta

Poisson modulus [0]

)

(

1

1

33

22

11

11

11

E

E

12

12

1

ij

kk

ij

ij

v

E



1

1

Young modulus [Pa]

E

)

(

33

11

22

22

E

)

(

33

22

11

11

E

)

(

22

11

33

33

E

23

23

1

E

31

31

1

ij

kk

ij

ij

v

E



1

1

31

31

2

G

1

2

E

G

G

2

31

31

Normal stress and normal 
strain dependences

Shear stress and shear 
strain dependences

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 

11/16

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-10: Continuum Mechanics: Constitutive 

equations

ij

kk

ij

ij

G



2

l

j

i

m

ll

3

33

22

11

ll

kk

ll

ll

G



2

3

ll

m

Mean strain

3

kk

m

Mean stress

=3

3

3

3

2

3

m

m

m

G

m

m

K

3

3

2

3

 G

K

Prawo zmiany objętości

m

m

G

3

2 









m

m

m

m

m

m

K

0

0

0

0

0

0

3

0

0

0

0

0

0

ij

m

ij

m

K

3

Volume change law

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 

12/16

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-10: Continuum Mechanics: Constitutive 

equations

t

T













m

m

m

m

m

m

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

0

0

0

0

0

0

33

32

31

23

22

22

13

12

11

33

32

31

23

22

22

13

12

11

 

ij

t

T

ij

m

ij

m

ij

ij

t

t

t

t

t

D

t

A

=

+

3

/

kk

m

t

deviator

axiato
r

ij

m

ij

t

t

t

D

 

ij

m

t

t

A

Decomposition of symmetric matrix (tensor) into deviator and 

volumetric part (axiator)

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 

13/16

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-10: Continuum Mechanics: Constitutive 

equations









m

m

m

m

m

m

K

0

0

0

0

0

0

3

0

0

0

0

0

0

ij

m

ij

m

K

3

KA

A

3

Volume change law

Distortion 
law

ij

m

m

ij

K

G



3

3

2

ij

m

ij

kk

ij

ij

m

ij

K

G



3

2

ij

m

m

ij

G

G



3

3

2

2

ij

m

ij

ij

m

ij

G

G

G

2

2

2

GD

D

2

3

2

3

 G

K

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 

14/16

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-10: Continuum Mechanics: Constitutive 

equations

KA

A

3



2

1

1

E

GD

D

2

GD

KA

T

2

3

K

A

A

3

/

G

D

D

2

/

G

D

K

A

T

2

/

3

/

E

v

ij

kk

ij

ij



 1

ij

kk

ij

ij

G



2

1

2

E

G

3

2

3

 G

K

-1

ν

1/2

G

E/3

E/9

K

2

1

3 

E

K

0

No volume change: 

incompressible 

material

Constants cross-
relations:

0

No shape 

change: 

stiff material

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 

15/16

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-10: Continuum Mechanics: Constitutive 

equations

x

1

x

2

x

3

Volume change

Composed (full) 
deformation

x

1

x

2

x

3

Shape change

x

1

x

2

x

3

G

D

K

A

T

2

/

3

/

+

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 

16/16

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-10: Continuum Mechanics: Constitutive 

equations

x

1

x

2

x

3

Volume change

Composed (full) 
deformation

x

1

x

2

x

3

Shape change

x

1

x

2

x

3

G

D

K

A

T

2

/

3

/

+

FAST

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 

17/16

M.Chrzanowski: Strength of Materials

SM1-10: Continuum Mechanics: Constitutive 

equations

stop


Document Outline