Theory and Design of Plate and Shell Structures

434 Pages·1994·10.57 MB·English

by  Maan H. Jawad (auth.)

TTIIllEEOORRYY
AANNDD DDEESSIIGGNN
OOFF PPLLAATTEE
AANNDD SSHHEELLLL
SSTTRRUUCCTTUURREESS
THEORY
AND DESIGN
OF PLATE
AND SHELL
STRUCTURES
Maan H. Jawad
Nooter Corporation
Springer-Science+Business Media, BV
© 1994 Springer Science+Business Media Dordrecht
Originally published by Chapman & Hall, Inc. in 1994
Softcover reprint of the hardcover I st edition 1994
All rights reserved. No part of this book may be reprinted or reproduced or utilized in any
form or by any electronic, mechanical or other means, now known or hereafter invented,
including photocopying and recording, or by an information storage or retrieval system,
without permission in writing from the publishers.
Library of Congress Cataloging in Publication Data
Jawad, Maan H.
Theory and design of plate shell structures / Maan H. Jawad.
p. cm.
Includes index.
ISBN 978-1-4613-6141-1 ISBN 978-1-4615-2656-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-1-4615-2656-8
1. Plates (Engineering) 2. Shells (Engineering) I. Title.
TA660.P6J39 1994
624.1 '776-dc20 93-48727
CIP
British Library Cataloguing in Publication Data
TToo
JJeennnniiffeerr aanndd MMaarrkk
WWhhoo TTaauugghhtt MMee AA LLoott
CCoonntteennttss
PPrreeffaaccee xxii
AAcckknnoowwlleeddggmmeennttss xxiiiiii
AAbbbbrreevviiaattiioonnss ffoorr OOrrggaanniizzaattiioonnss xxvv
CChhaapptteerr 11:: BBeennddiinngg ooff SSiimmppllyy SSuuppppoorrtteedd RReeccttaanngguullaarr PPllaatteess 11
11--11 IInnttrroodduuccttiioonn 11
11--22 SSttrraaiinn--DDeefflleeccttiioonn EEqquuaattiioonnss 22
11--33 SSttrreessss--DDeefflleeccttiioonn EExxpprreessssiioonnss 77
11--44 FFoorrccee--SSttrreessss EExxpprreessssiioonnss 88
11--55 GGoovveerrnniinngg DDiiffffeerreennttiiaall EEqquuaattiioonnss 1122
11--66 BBoouunnddaarryy CCoonnddiittiioonnss 1166
11--77 DDoouubbllee SSeerriieess SSoolluuttiioonn ooff SSiimmppllyy SSuuppppoorrtteedd PPllaatteess 2244
11--88 SSiinnggllee SSeerriieess SSoolluuttiioonn ooff SSiimmppllyy SSuuppppoorrtteedd PPllaatteess 2299
11--99 DDeessiiggnn ooff RReeccttaanngguullaarr PPllaatteess 3344
CChhaapptteerr 22:: BBeennddiinngg ooff VVaarriioouuss RReeccttaanngguullaarr PPllaatteess 3399
22--11 PPllaatteess wwiitthh VVaarriioouuss BBoouunnddaarryy CCoonnddiittiioonnss 3399
22--22 CCoonnttiinnuuoouuss PPllaatteess 5522
22--33 PPllaatteess oonn aann EEllaassttiicc FFoouunnddaattiioonn 5599
22--44 TThheerrmmaall SSttrreessss 6633
22--55 DDeessiiggnn ooff VVaarriioouuss RReeccttaanngguullaarr PPllaatteess 6688
CChhaapptteerr 33:: BBeennddiinngg ooff CCiirrccuullaarr PPllaatteess 7711
33--11 PPllaatteess SSuubbjjeecctteedd ttoo UUnniiffoorrmm LLooaaddss iinn tthhee aa--DDiirreeccttiioonn 7711
33--22 PPllaatteess wwiitthh VVaarriiaabbllee TThhiicckknneessss aanndd SSuubbjjeecctteedd ttoo
UUnniiffoorrmm LLooaaddss iinn tthhee aa--DDiirreeccttiioonn 8866
33--33 PPllaatteess SSuubbjjeecctteedd ttoo NNoonnuunniiffoorrmm LLooaaddss iinn tthhee aa--DDiirreeccttiioonn 9911
33--44 PPllaatteess oonn aann EEllaassttiicc FFoouunnddaattiioonn 110000
33--55 PPllaatteess wwiitthh VVaarriiaabbllee BBoouunnddaarryy CCoonnddiittiioonnss 110066
33--66 DDeessiiggnn ooff CCiirrccuullaarr PPllaatteess 110099
CChhaapptteerr 44:: AApppprrooxxiimmaattee AAnnaallyyssiiss ooff PPllaatteess 111122
44--11 TThhee SSttrraaiinn EEnneerrggyy ((RRiittzz)) MMeetthhoodd 111122
vviiii
vviiiiii CCoonntteennttss
44--22 YYiieelldd LLiinnee TThheeoorryy 112200
44--33 FFuurrtthheerr AApppplliiccaattiioonn ooff tthhee YYiieelldd LLiinnee TThheeoorryy 113300
44--44 DDeessiiggnn CCoonncceeppttss 114411
CChhaapptteerr 55:: PPllaatteess ooff VVaarriioouuss SShhaappeess aauudd PPrrooppeerrttiieess 114422
55--11 IInnttrroodduuccttiioonn 114422
55--22 EElllliippttiicc PPllaatteess 114422
55--33 TTrriiaanngguullaarr PPllaatteess 114455
55--44 OOrrtthhoottrrooppiicc PPllaattee TThheeoorryy 114488
55--55 OOrrtthhoottrrooppiicc MMaatteerriiaallss aanndd SSttrruuccttuurraall CCoommppoonneennttss 115533
55--66 DDeessiiggnn ooff PPllaatteess wwiitthh VVaarriioouuss SShhaappeess aanndd PPrrooppeerrttiieess 116611
CChhaapptteerr 66:: MMeemmbbrraannee TThheeoorryy ooff SShheellllss ooff RReevvoolluuttiioonn 116633
66--11 BBaassiicc EEqquuaattiioonnss ooff EEqquuiilliibbrriiuumm 116633
66--22 EElllliippssooiiddaall aanndd SSpphheerriiccaall SShheellllss SSuubbjjeecctteedd ttoo
AAxxiissyymmmmeettrriicc LLooaaddss 116699
66--33 CCoonniiccaall SShheellllss 118811
66--44 WWiinndd LLooaaddss 118855
66--55 DDeessiiggnn ooff SShheellllss ooff RReevvoolluuttiioonn 119900
CChhaapptteerr 77:: VVaarriioouuss AApppplliiccaattiioonnss ooff tthhee MMeemmbbrraannee TThheeoorryy 119933
77--11 AAnnaallyyssiiss ooff MMuullttii--CCoommppoonneenntt SSttrruuccttuurreess 119933
77--22 PPrreessssuurree--AArreeaa MMeetthhoodd ooff AAnnaallyyssiiss 220022
77--33 OOnnee--SShheeeett HHyyppeerrbboollooiiddss 220099
77--44 DDeefflleeccttiioonn DDuuee ttoo AAxxiissyymmmmeettrriicc LLooaaddss 221144
CChhaapptteerr 88:: BBeennddiinngg ooff TThhiinn CCyylliinnddrriiccaall SShheellllss DDuuee ttoo
AAxxiissyymmmmeettrriicc LLooaaddss 222211
88--11 BBaassiicc EEqquuaattiioonnss 222211
88--22 LLoonngg CCyylliinnddrriiccaall SShheellllss 222277
88--33 LLoonngg CCyylliinnddrriiccaall SShheellllss wwiitthh EEnndd LLooaaddss 223366
88--44 SShhoorrtt CCyylliinnddrriiccaall SShheellllss 224422
88--55 SSttrreessss DDuuee ttoo TThheerrmmaall GGrraaddiieennttss iinn tthhee AAxxiiaall DDiirreeccttiioonn 224455
88--66 DDiissccoonnttiinnuuiittyy SSttrreesssseess 224477
CChhaapptteerr 99:: BBeennddiinngg ooff SShheellllss ooff RReevvoolluuttiioonn DDuuee ttoo
AAxxiissyymmmmeettrriicc LLooaaddss 225511
99--11 BBaassiicc EEqquuaattiioonnss 225511
99--22 SSpphheerriiccaall SShheellllss 225577
99--33 CCoonniiccaall SShheellllss 227700
99--44 DDeessiiggnn CCoonnssiiddeerraattiioonnss 228800
CCoonntteennttss iixx
CChhaapptteerr 1100:: BBuucckklliinngg ooff PPllaatteess 228833
1100--11 CCiirrccuullaarr PPllaatteess 228833
1100--22 RReeccttaanngguullaarr PPllaatteess 228866
1100--33 PPllaatteess wwiitthh VVaarriioouuss BBoouunnddaarryy CCoonnddiittiioonnss 229922
1100--44 AApppplliiccaattiioonn ooff BBuucckklliinngg EExxpprreessssiioonnss ttoo DDeessiiggnn PPrroobblleemmss 229966
CChhaapptteerr 1111:: BBuucckklliinngg ooff CCyylliinnddrriiccaall SShheellllss 330000
1111--11 BBaassiicc EEqquuaattiioonnss 330000
1111--22 LLaatteerraall PPrreessssuurree 330055
1111--33 LLaatteerraall aanndd EEnndd PPrreessssuurree 331122
1111--44 AAxxiiaall CCoommpprreessssiioonn 331177
1111--55 DDoonnnneellll''ss EEqquuaattiioonnss 331199
1111--66 DDeessiiggnn EEqquuaattiioonnss 332244
CChhaapptteerr 1122:: BBuucckklliinngg ooff SShheellllss ooff RReevvoolluuttiioonn 333388
1122--11 BBuucckklliinngg ooff SSpphheerriiccaall SShheellllss 333388
1122--22 BBuucckklliinngg ooff SSttiiffffeenneedd SSpphheerriiccaall SShheellllss 334422
1122--33 BBuucckklliinngg ooff CCoonniiccaall SShheellllss 334444
1122--44 DDeessiiggnn CCoonnssiiddeerraattiioonnss 334488
CChhaapptteerr 1133:: RRooooff SSttrruuccttuurreess 335500
1133--11 IInnttrroodduuccttiioonn 335500
1133--22 HHyyppeerrbboolliicc PPaarraabboollooiidd SShheellllss 335555
1133--33 EElllliippttiicc PPaarraabboollooiidd SShheellllss 335577
1133--44 FFoollddeedd PPllaatteess 335599
1133--55 BBaarrrreell RRooooffss 336677
CChhaapptteerr 1144:: BBaassiicc FFiinniittee EElleemmeenntt EEqquuaattiioonnss 336699
1144--11 DDeeffiinniittiioonnss 336699
1144--22 OOnnee--DDiimmeennssiioonnaall EElleemmeennttss 337744
1144--33 LLiinneeaarr TTrriiaanngguullaarr EElleemmeennttss 338822
1144--44 AAxxiissyymmmmeettrriicc TTrriiaanngguullaarr LLiinneeaarr EElleemmeennttss 338899
1144--55 HHiigghheerr OOrrddeerr EElleemmeennttss 339900
AAppppeennddiixx AA:: FFoouurriieerr SSeerriieess 339922
AAppppeennddiixx BB:: BBeesssseell FFuunnccttiioonnss 440044
AAppppeennddiixx CC:: CCoonnvveerrssiioonn FFaaccttoorrss 441122
AAnnsswweerrss ttoo SSeelleecctteedd PPrroobblleemmss 441133
RReeffeerreenncceess 441177
IInnddeexx 442211
PPrreeffaaccee
TThhee ddeessiiggnn ooff mmaannyy ssttrruuccttuurreess ssuucchh aass pprreessssuurree vveesssseellss,, aaiirrccrraaffttss,, bbrriiddggee
ddeecckkss,, ddoommee rrooooffss,, aanndd mmiissssiilleess iiss bbaasseedd oonn tthhee tthheeoorriieess ooff ppllaatteess aanndd
sshheellllss.. TThhee ddeeggrreeee ooff ssiimmpplliiffiiccaattiioonn nneeeeddeedd ttoo aaddoopptt tthhee tthheeoorriieess ttoo tthhee
ddeessiiggnn ooff vvaarriioouuss ssttrruuccttuurreess ddeeppeennddss oonn tthhee ttyyppee ooff ssttrruuccttuurree aanndd tthhee rree
qquuiirreedd aaccccuurraaccyy ooff tthhee rreessuullttss.. HHeennccee,, aa wwaatteerr ssttoorraaggee ttaannkk ccaann bbee ssaattiiss
ffaaccttoorriillyy ddeessiiggnneedd uussiinngg tthhee mmeemmbbrraannee sshheellll tthheeoorryy,, wwhhiicchh ddiissrreeggaarrddss aallll
bbeennddiinngg mmoommeennttss,, wwhheerreeaass tthhee ddeessiiggnn ooff aa mmiissssiillee ccaassiinngg rreeqquuiirreess aa mmoorree
pprreecciissee aannaallyyssiiss iinn oorrddeerr ttoo mmiinniimmiizzee wweeiigghhtt aanndd mmaatteerriiaallss.. SSiimmiillaarrllyy,, tthhee
ddeessiiggnn ooff aa nnoozzzzllee--ttoo--ccyylliinnddeerr jjuunnccttiioonn iinn aa nnuucclleeaarr rreeaaccttoorr mmaayy rreeqquuiirree aa
ssoopphhiissttiiccaatteedd ffiinniittee eelleemmeenntt aannaallyyssiiss ttoo pprreevveenntt ffaattiigguuee ffaaiilluurree wwhhiillee tthhee
ssaammee jjuunnccttiioonn iinn aann aaiirr aaccccuummuullaattoorr iinn aa ggaass ssttaattiioonn iiss ddeessiiggnneedd bbyy ssiimmppllee
eeqquuaattiioonnss tthhaatt ssaattiissffyy eeqquuiilliibbrriiuumm ccoonnddiittiioonnss..
AAccccoorrddiinnggllyy,, tthhiiss bbooookk iiss wwrriitttteenn ffoorr eennggiinneeeerrss iinntteerreesstteedd iinn tthhee tthheeoorriieess
ooff ppllaatteess aanndd sshheellllss aanndd tthheeiirr pprrooppeerr aapppplliiccaattiioonn ttoo vvaarriioouuss ssttrruuccttuurreess.. TThhee
eexxaammpplleess ggiivveenn tthhrroouugghhoouutt tthhee bbooookk ssuubbsseeqquueenntt ttoo ddeerriivvaattiioonn ooff vvaarriioouuss
tthheeoorriieess aarree iinntteennddeedd ttoo sshhooww tthhee eennggiinneeeerr tthhee lleevveell ooff aannaallyyssiiss rreeqquuiirreedd
ttoo aacchhiieevvee aa ssaaffee ddeessiiggnn wwiitthh aa ggiivveenn ddeeggrreeee ooff aaccccuurraaccyy..
TThhee bbooookk ccoovveerrss tthhrreeee ggeenneerraall aarreeaass.. TThheessee aarree:: bbeennddiinngg ooff ppllaatteess;;
mmeemmbbrraannee aanndd bbeennddiinngg tthheeoorriieess ooff sshheellllss;; aanndd bbuucckklliinngg ooff ppllaatteess aanndd sshheellllss..
BBeennddiinngg ooff ppllaatteess iiss ddiissccuusssseedd iinn ffiivvee cchhaapptteerrss.. CChhaapptteerrss 11 aanndd 22 ccoovveerr
rreeccttaanngguullaarr ppllaatteess wwiitthh vvaarriioouuss bboouunnddaarryy aanndd llooaaddiinngg ccoonnddiittiioonnss.. CChhaapptteerr
33 ddeevveellooppss tthhee tthheeoorryy ooff cciirrccuullaarr ppllaatteess ooff uunniiffoorrmm aanndd vvaarriiaabbllee tthhiicckknneessss
aass wweellll aass ppllaatteess oonn aann eellaassttiicc ffoouunnddaattiioonn.. CChhaapptteerr 44 pprreesseennttss aapppprrooxxiimmaattee
aannaallyysseess ssuucchh aass tthhee eenneerrggyy aanndd yyiieelldd--lliinnee mmeetthhooddss ffoorr eevvaalluuaattiinngg ppllaatteess
ooff ddiiffffeerreenntt sshhaappeess.. CChhaapptteerr 55 ddiissccuusssseess tthhee bbeennddiinngg ooff ppllaatteess wwiitthh vvaarriioouuss
sshhaappeess aanndd tthhee bbeennddiinngg ooff oorrtthhoottrrooppiicc ppllaatteess..
SShheellll tthheeoorryy iiss pprreesseenntteedd iinn ffoouurr cchhaapptteerrss.. CChhaapptteerrss 66 aanndd 77 ccoovveerr tthhee
mmeemmbbrraannee tthheeoorryy aanndd iittss aapppplliiccaattiioonn ttoo sspphheerriiccaall aanndd ccoonniiccaall sshheellllss aass wweellll
aass ootthheerr ccoonnffiigguurraattiioonnss.. BBeennddiinngg ooff ccyylliinnddrriiccaall sshheellllss iiss ddiissccuusssseedd iinn CChhaapptteerr
xxii
xxiiii PPrreeffaaccee
88.. BBootthh lloonngg aanndd sshhoorrtt ccyylliinnddeerrss aarree eevvaalluuaatteedd dduuee ttoo mmeecchhaanniiccaall aass wweellll
aass tthheerrmmaall llooaaddss.. EExxaammpplleess ccoommbbiinniinngg cciirrccuullaarr ppllaatteess aanndd ccyylliinnddrriiccaall sshheellll
ccoommppoonneennttss aarree ggiivveenn ttoo iilllluussttrraattee tthhee ddeessiiggnn ooff ssoommee aaccttuuaall ssttrruuccttuurreess..
BBeennddiinngg ooff sshheellllss wwiitthh ddoouubbllee ccuurrvvaattuurree iiss ddiissccuusssseedd iinn CChhaapptteerr 99 aanndd
nnuummeerriiccaall eexxaammpplleess aarree ggiivveenn..
BBuucckklliinngg ooff ppllaatteess aanndd sshheellllss iiss ddiissccuusssseedd iinn CChhaapptteerrss 1100,, 1111,, aanndd 1122..
GGeenneerraall BBuucckklliinngg tthheeoorryy ooff ppllaatteess iiss ggiivveenn iinn CChhaapptteerr 1100 wwiitthh aapppprrooxxii
mmaattiioonnss uusseedd iinn vvaarriioouuss ddeessiiggnn ccooddeess.. CChhaapptteerr 1111 ccoovveerrss bbuucckklliinngg ooff ccyy
lliinnddrriiccaall sshheellllss wwiitthh ddeessiiggnn aapppplliiccaattiioonnss.. CChhaapptteerr 1122 ddiissccuusssseess bbuucckklliinngg ooff
sspphheerriiccaall,, ccoonniiccaall,, aanndd ootthheerr mmiisscceellllaanneeoouuss sshhaappeess..
TThhee ddiissccuussssiioonn ooff ppllaattee aanndd sshheellll tthheeoorriieess iiss iinnccoommpplleettee wwiitthhoouutt aa bbrriieeff
mmeennttiioonn ooff ttwwoo ttooppiiccss.. TThhee ffiirrsstt iiss sshheellll rrooooff ssttrruuccttuurreess,, aanndd tthhee sseeccoonndd iiss
ffiinniittee eelleemmeenntt ffoorrmmuullaattiioonnss.. AA ccoommpplleettee ccoovveerraaggee ooff tthheessee ttwwoo ttooppiiccss iiss
bbeeyyoonndd tthhee ssccooppee ooff tthhiiss bbooookk.. HHoowweevveerr,, aa bbrriieeff ssuummmmaarryy ooff tthhee aannaallyyssiiss
ooff vvaarriioouuss rrooooff ssttrruuccttuurreess iiss ggiivveenn iinn CChhaapptteerr 1133.. CChhaapptteerr 1144 pprreesseennttss aa
ssuummmmaarryy ooff tthhee ffiinniittee eelleemmeenntt ffoorrmmuullaattiioonn aass uusseedd iinn ssoollvviinngg ccoommpplliiccaatteedd
ppllaattee aanndd sshheellll ccoonnffiigguurraattiioonnss..
MMoosstt ooff tthhee cchhaapptteerrss iinn tthhiiss bbooookk ccaann bbee ccoovveerreedd iinn aa ttwwoo--sseemmeesstteerr
ccoouurrssee iinn ""ppllaattee aanndd sshheellll tthheeoorryy.."" AAllssoo,, aa ssppeecciiaall eeffffoorrtt wwaass mmaaddee ttoo mmaakkee
tthhee cchhaapptteerrss aass iinnddeeppeennddeenntt ffrroomm eeaacchh ootthheerr aass ppoossssiibbllee ssoo tthhaatt aa ccoouurrssee
iinn ""ppllaattee tthheeoorryy"" oorr ""sshheellll tthheeoorryy"" ccaann bbee ttaauugghhtt iinn oonnee sseemmeesstteerr bbyy
sseelleeccttiinngg aapppprroopprriiaattee cchhaapptteerrss..
IInn oorrddeerr ttoo ssttuuddyy aanndd uussee tthhee tthheeoorryy ooff ppllaatteess aanndd sshheellllss,, tthhee eennggiinneeeerr
iiss aassssuummeedd ttoo hhaavvee aa ggoooodd wwoorrkkiinngg kknnoowwlleeddggee ooff ddiiffffeerreennttiiaall eeqquuaattiioonnss
aanndd mmaattrriixx aannaallyyssiiss.. IInn aaddddiittiioonn ttwwoo aappppeennddiicceess aarree ggiivveenn aatt tthhee eenndd ooff
tthhee bbooookk ttoo mmaakkee tthhee bbooookk aass ""sseellff--ccoonnttaaiinneedd"" aass ppoossssiibbllee.. TThhee ffiirrsstt aapp
ppeennddiixx iiss ffoorr FFoouurriieerr SSeerriieess aanndd tthhee sseeccoonndd oonnee iiss ffoorr BBeesssseell FFuunnccttiioonnss..
MMaaaann JJaawwaadd
SStt.. LLoouuiiss,, MMOO
11999944
AAcckknnoowwlleeddggmmeennttss
TThhee aauutthhoorr iiss iinnddeebbtteedd ttoo mmaannyy ppeeooppllee aanndd oorrggaanniizzaattiioonnss ffoorr tthheeiirr hheellpp iinn
wwrriittiinngg tthhiiss bbooookk.. AA ssppeecciiaall tthhaannkkss iiss ggiivveenn ttoo tthhee NNooootteerr CCoorrppoorraattiioonn ffoorr
iittss ggeenneerroouuss ssuuppppoorrtt wwiitthh vvaarriioouuss ssttaaggeess ooff tthhee bbooookk.. AA ssppeecciiaall tthhaannkkss iiss
aallssoo eexxtteennddeedd ttoo DDrr.. JJaammeess HHaahhnn ooff tthhee SStt.. LLoouuiiss GGrraadduuaattee EEnnggiinneeeerriinngg
CCeenntteerr ooff tthhee UUnniivveerrssiittyy ooff MMiissssoouurrii--RRoollllaa ffoorr hhiiss ccoonnttiinnuuaall hheellpp;; ttoo MMrr..
RRuussss DDoottyy ffoorr ssppeennddiinngg lloonngg hhoouurrss rreevviieewwiinngg aanndd ccrriittiiqquuiinngg tthhee mmaannuussccrriipptt;;
aanndd ttoo MMrr.. PPaauull RRoossee ffoorr sskkeettcchhiinngg nnuummeerroouuss ffiigguurreess..
TThhee aauutthhoorr wwoouulldd aallssoo lliikkee ttoo tthhaannkk aallll tthhee eennggiinneeeerriinngg ggrraadduuaattee ssttuuddeennttss
wwhhoo ttooookk tthhee ttiimmee ttoo ccoommmmeenntt oonn tthhee mmaannuussccrriipptt.. TThhee aauutthhoorr''ss aapppprreeccii
aattiioonn iiss aallssoo ggiivveenn ttoo MMeessssrrss.. BBaassiill TT.. KKaattttuullaa,, WWiilllliiaamm JJ.. OO''DDoonnnneellll,, aanndd
aallll ootthheerrss wwhhoo hheellppeedd wwiitthh vvaarriioouuss aassppeeccttss ooff tthhee bbooookk.. LLaasstt bbuutt nnoott lleeaasstt,,
aa ssppeecciiaall tthhaannkkss iiss ggiivveenn ttoo mmyy wwiiffee DDiixxiiee ffoorr hheerr ppaattiieennccee..
xxiiiiii