background image

 

 

 

Adam Paweł Zaborski 

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. Stress state 

Introduction 

Definitions 

The stress vector 

i

p

 is internal forces’ density in the plane with outer normal 

i

n

, parallel to the axis of the 

coordinate system. 
The stress tensor 

ij

σ

 is a matrix of stress vector components written in the given coordinate system:  

j

ij

i

n

p

σ

=

 

The components of the stress tensor in the new coordinate system may be computed by the transformation 
formula: 
– in index notation: 

kl

jl

ik

ij

a

a

σ

=

σ

 

– in matrix notation: 

T

A

Σ

A

Σ

=

'

 

where: 
– 

ij

σ

is a stress matrix with normal stress on the diagonal and shear stress elsewhere: 

4

4

4

3

4

4

4

2

1

4

4

4

3

4

4

4

2

1

notation)

 

ng

(engineeri

z

zy

zx

yz

y

yz

xz

xy

x

notation)

 

c

(scientifi





σ

τ

τ

τ

σ

τ

τ

τ

σ

=

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

=

σ

33

32

31

23

22

21

13

12

11

ij

 

The first index specifies the direction of the outer unit normal of the section plane. The second index 
specifies the stress direction. 
A matrix can be the stress matrix if it fulfills the partial differential equations (PDE) of internal equilibrium 
(Navier’s equations): 

0

0

0

=

+

σ

+

τ

+

τ

=

+

τ

+

σ

+

τ

=

+

τ

+

τ

+

σ

z

z

yz

xz

y

yx

y

xy

x

xx

xy

x

P

z

y

x

P

z

y

x

P

z

y

x

(

)

x

y

x

j

i

P

i

j

ij

,

,

,

,

0

,

=

=

+

σ

 

and the static boundary conditions: 

z

z

y

yz

x

xz

z

z

yz

y

y

x

xy

y

z

xz

y

xy

x

x

x

n

n

n

q

n

n

n

q

n

n

n

q

σ

+

τ

+

τ

=

τ

+

σ

+

τ

=

τ

+

τ

+

σ

=

(

)

z

y

x

j

i

n

q

j

ij

i

,

,

,

,

=

σ

=

 

Stress state analysis 

The main goal of the stress state analysis is to find such directions of the sections where the stresses values 
are extreme. This happens when the outer normal and the stress vector are parallel, and leads to the 
eigenvalues problem: 

(

)

0

=

λδ

σ

λ

=

σ

j

ij

ij

i

j

ij

v

v

v

The set of algebraic linear equation system has non-zero (non-trivial) solution if and only if the main 
determinant of the system is zero. From this condition we get a cubic equation for the principal stress 
values: 

background image

 

 

 

Adam Paweł Zaborski 

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. 

0

3

2

2

1

3

=

σ

+

σ

σ

I

I

I

The stress matrix in the principal directions is diagonal and the shear components are zero. From algebra 
we know that the principal normal stresses are extreme and the principal directions are perpendicular: 

4

4

4

3

4

4

4

2

1

4

4

4

3

4

4

4

2

1

)

3

,

2

,

1

(

)

,

,

(

0

0

0

0

0

0

in 

3

2

1

in 

z

zy

zx

yz

y

yz

xz

xy

x

σ

σ

σ





σ

τ

τ

τ

σ

τ

τ

τ

σ

z

y

x

 

Mohr’s circles 

The domain of possible results due to the transformation of a coordinate system is illustrated by Mohr’s 
circles, Fig. 14.1 with the shaded region.  

τ

xy

σ

2

σ

τ

σ

1

σ

y

σ

x

σ

3

 

Fig. 14.1 Mohr’s circles 

Examples 

Three-dimensional state of stress 

The stress matrix and the outer normal vector of a section are given. Determine the principal directions and 
stresses, the normal and tangential components of the stress vector for the section. 

=

σ

120

60

40

60

85

17

40

17

240

ij

(

)

2

,

2

,

7

n

 

Solution 
We calculate the invariants: 
 

205

120

85

240

)

(

1

=

+

=

σ

=

ij

I

tr

 

 

24089

120

40

40

240

120

60

60

85

85

17

17

240

2

=

+

+

=

I

 

 

3494920

60

40

85

17

40

120

40

60

17

17

120

60

60

85

240

)

det(

3

=

+

+

=

σ

=

ij

I

 

The cubic equation: 
 

0

3494920

24089

205

2

3

=

σ

σ

σ

 

has the roots: 
 

1

.

141

,

0

.

101

,

1

.

245

3

2

1

=

σ

=

σ

=

σ

The principal directions are given by the transformation matrix: 

background image

 

 

 

Adam Paweł Zaborski 

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

       

          

2

       

          

1

z

y

x

a

ij

=

9583

.

0

2686

.

0

9583

.

0

2627

.

0

9624

.

0

0689

.

0

1123

.

0

0404

.

0

9929

.

0

We calculate the length of the normal vector: 
 

8730

.

3

4

4

7

=

+

+

=

n

 

and we normalize the vector (to obtain unit normal vector) 
 

)

5164

.

0

,

5164

.

0

,

6831

.

0

(

n

 

The stress vector is: 
 

)

3

.

120

,

30

.

1

,

5

.

134

(

p

n

p

i

ij

j

σ

=

 

its length: 
 

5

.

180

=

p

 

the normal component of the stress vector is: 
 

45

.

30

=

=

=

σ

i

i

n

p

n

p

 

and the tangential component is: 

 

9

.

177

2

2

=

σ

=

τ

p

 

Plane stress 

For the given stress tensor, determine principal stresses and directions. 





=

σ

10

16

16

40

T

Solution 
The principal stresses for the plane state of stress are: 

68

.

14

16

2

10

40

2

10

40

2

2

68

.

44

16

2

10

40

2

10

40

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

=

+

+

=

τ

+



σ

σ

σ

+

σ

=

σ

=

+

+

+

=

τ

+



σ

σ

+

σ

+

σ

=

σ

y

x

y

x

y

x

y

x

y

x

y

x

The principal directions: 

)

7

.

73

(

,

286

.

1

4175

.

3

16

40

68

.

14

tan

)

3

.

16

(

,

285

.

0

2925

.

0

16

40

68

.

44

tan

2

2

2

1

1

1

°

=

α

=

=

τ

σ

σ

=

α

°

=

α

=

=

τ

σ

σ

=

α

y

x

x

y

x

x

 

The transformation matrix and the stress tensor in principal directions are, cf. Fig. 14.2: 

9598

.

0

2808

.

0

2808

.

0

9598

.

0

2

y

x

x

 





=

σ

68

.

14

0

0

68

.

44

T

 

background image

 

 

 

Adam Paweł Zaborski 

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. 

14.68 

14.68 

44.68 

44.68 

16 

10 

10 

16 

16 

16 

40 

40 

 

Fig. 14.2 Plane state of stress 

or, in 3D notation: 

0

1

0

9598

.

0

0

2808

.

0

2808

.

0

0

9598

.

0

3

2

1

z

y

x

 

=

σ

68

.

14

0

0

0

0

0

0

0

68

.

44

T

 

Static boundary conditions 

Given the stress tensor, determine the mass forces and the boundary loading of the shield. 

 

x

 

y

 

4

 

3

 

3

 

2

 

1

 





=

σ

8

2

2

5

y

y

T

 

 

Fig. 14.3 Shield and stress state  

Solution 
The mass forces from Navier’s equations are: P (2, 0) 



σ

+

τ

=

τ

+

σ

=

y

y

x

y

x

y

y

y

x

x

x

x

n

n

q

n

n

q

 

the boundary (1): 

8

,

0

2

)

1

,

0

(

=

=

=

y

x

q

y

q

n

 

the boundary (2): 

y

q

q

y

x

2

,

5

)

0

,

1

(

=

=

n

 

the boundary (3): 

8

.

4

6

.

1

,

2

.

1

4

5

)

6

.

0

,

8

.

0

(

+

=

=

y

q

y

q

y

x

n

 

The loading is drawn in Fig. 14.4. 

 

q

nx 

q

ny 

5

 

5

 

-8

 

-8

 

-8.8

 

-4

 

4.8

 

11.2

 

-8

 

 

Fig. 14.4 The loading of the shield 

The checking of the solution: 

0

4

3

2

1

2

4

5

5

)

4

8

.

8

(

2

1

=

+

+

+

=

X

,OK, similarly: 

=

=

=

=

0

,

0

K

K

o

M

Y

 

background image

 

 

 

Adam Paweł Zaborski 

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. 

Workshop theme 

1) The stress matrix is given: 

=

σ

10

40

0

40

20

20

0

20

30

T

 MPa. 

Determine: a) normal stress on the section plane with the normal 

(

)

3

1

3

2

3

2

,

,

v

, b) shear stress in the plane 

parallel to the vectors: 

(

)

0

,

,

2

1

2

1

1

v

 and 

(

)

2

3

4

2

3

1

2

3

1

2

,

,

v

. Interpret the obtained results graphically. 

2) Write the boundary conditions on the side surface of floating a wooded column. Assume the draught 
greater than the radius of the cylinder, Fig. 14.5 

 

Fig. 14.5 Floating wooded column 

Review problems 

1) Given the plane stress matrix, find principal stresses and their directions. Illustrate the stress state before 

the transformation and after this. 





=

σ

0

150

150

0

T

 [MPa] 

2) Given the stress state and the shield shape with dimensions, Fig. 14.6, determine the mass forces and the 

loading on the boundary. 





=

σ

y

x

x

xy

T

5

7

7

2

 

 

Fig.  

14.6 Plane stress state 

3)  There  is  uniaxial  stress  state  in  the  cross-section  plane  of  a  bar, 

150

=

σ

x

  [MPa].  Determine  the  stress 

components in the plane turned by 45 degrees along z axis, Fig. 14.7. 

 

Fig. 14.7 Uniaxial stress state 

background image

 

 

 

Adam Paweł Zaborski 

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. 

Addendum 

Glossary 

outer (exterior) unit normal – wersor normalnej zewnętrznej 
stress vector – wektor naprężenia 
load vector – wektor obciążenia 
stress matrix – macierz naprężenia 
stress tensor – tensor naprężenia 
normal stress – naprężenia normalne 
shear stress – naprężenia styczne 
internal balance equations – równania równowagi wewnętrznej 
static boundary conditions – statyczne warunki brzegowe 
stress state analysis – analiza stanu naprężenia 
Mohr’s circles – koła Mohra