Equilibrium and collapse analysis of masonry bodies

This paper gives a general formulation of the statics of the masonry continuum within the conceptual framework set up by J. Heyman in his fundamental and pioneering studies of masonry arches and vaults. Here the masonry body will be represented by an assemblage of rigid particles of stones, held together only by compressive forces, and liable to crack as soon as tensile stresses begin to develop. The very small size of the stones, compared to the overall dimensions of the body, permits a treatment in terms of a continuum.The admissible mechanism displacement and stress fields of the masonry body are analysed, and an appropriate formulation of the virtual work equation is given. A variational inequality, involving the sign of the work of external loads along the mechanisms-necessary and sufficient for the existence of the admissible equilibrium states-is then proved. The collapse of the body is then properly formulated and, finally, new versions of the kinematical and statical theorems of failure are proved.

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Sommario Il presente articolo fornisce una formulazione generale della statica del continuo murario, seguendo l'indirizzo concettuale espresso da Heyman nel suo fondamentale e pionieristico studio su archi e volte in muratura.Nel presente lavoro il solido murario viene schematizzato come un assemblaggio di elementi rigidi di pietra, tenuti insieme da forze di compressione e soggetti a frattura non appena si inneschino trazioni. Le dimensioni ridotte dei conci, in relazione alle dimensioni globali del corpo, consentono di trattare il problema nel continuo.Vengono quindi analizzati i possibili meccanismi, ed i campi di tensione e spostamenti associati, espressi secondo una appropriata formulazione del Principio dei lavori virtuali. Viene poi mostrato come una opportuna diseguaglianza variazionale-che coinvolge il segno del lavoro delle forze esterne lungo i meccanismi-costituisca condizione necessaria e sufficiente per l'esistenza degli stati ammissibili di equilibrio. Utilizzando tale condizione viene quindi fornita una nuova versione dei teoremi statico e cinematico di collasso.

     

The limit state of indefinite plates on elastoplastic continuum

Summary The limit analysis of indefinite plates resting on a continuous elastoplastic medium and subjected to a load distributed over a partial surface with a circular boundary yields the fundamental equation governing the problem. Minimum conditions are set and the solution that supplies the collapse load of the plate-soil system is found by variational calculus.

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Sommario Si analizza lo stato limite delle piastre indefinite, appoggiate su un mezzo elastoplastico continuo e sottoposte a carico ripartito su una superficie parziale a contorno circolare, pervenendo all'equazione fondamentale che regge il problemaImponendo quindi delle condizioni minimizzanti, si trova, tramite il calcolo variazionale, la soluzione che fornisce il carico di collasso del sistema piastra-suolo.

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This research was supported by the CNR (National Research Council).     

Leaning towers

Masonry, as a unilateral material, can resist compressive stresses but has feeble tensile strength. A masonry wall or tower, subjected to uneven foundation settlements, will crack, and these cracks may lead to overall structural collapse. Of particular interest is the leaning tower, in which a fissure (of a shape to be determined) develops progressively up to the point of critical stability. A practical rule is developed for the maximum inclination that may be regarded as safe for a masonry tower.

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Sommario La muratura, materiale a comportamento unilaterale, puo' sopportare sforzi di compressione ma ha una modesta resistenza a trazione. Una parete od una torre in muratura, soggette a cedimenti fondali, si fessurano e tali lesioni possono condurre al collasso globale. Un caso di particolare interesse e' quello di una torre inclinata nella quale una lesione (la cui forma e' da determinare) si sviluppa progressivamente fino al punto di stabilita' critica. Nel presente studio si sviluppa un criterio pratico di sicurezza per la massima inclinazione ammissibile per una torre in muratura.

     

Nonlinear finite element analysis of no-tension masonry structures

A numerical approach for structural analysis of masonry walls in plane stress conditions is presented. The assumption of a perfectly no-tension material (NTM) constitutive model, whose relevant equations are in the form of classical rate-independent associated flow laws of elastoplastic material, allows one to adopt numerical procedures commonly used in computational plasticity. An accuracy analysis on the integration algorithm employed in the solution of constitutive relations has been carried out. The results obtained for some relevant case-studies and their comparison with data, available in the literature show the effectiveness of the proposed method.

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Sommario Si presenta un approccio numerico per l'analisi strutturale di pareti in muratura in stato piano di tensione. L'assunzione di un modello costitutivo per materiale perfettamente non resistente a trazione (NTM), le cui equazioni sono esprimibili nella classica forma incrementale delle leggi dello scorrimento plastico di tipo associato per materiali elastoplastici, consente di adottare procedure numeriche comunemente utilizzate in plasticità computazionale. Si conduce un'analisi di accuratezza dell'algoritmo utilizzato nell'integrazione delle equazioni costitutive del modello esaminato. I risultati ottenuti per alcuni casi analizzati ed il confronto effettuato con esempi riportati in letteratura mostrano l'efficienza dell'approccio proposto.

     

Calculation of the natural frequencies and the principal modes of helicopter blades

Summary A procedure for calculating the natural frequencies and the principal modes of rotating helicopter blades based on the transfer matrix method is described. The blade is divided into a finite number of elements considered as continuous. A solution involving less laborious calculation, in which the masses are assumed to be concentrated, is also supplied.The advantage of the method developed is that it takes due account of the effective rotor-shaft constraints.Some numeric applications are given.

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Sommario Nel presente lavoro si espone un metodo di calcolo delle frequenze proprie e delle deformate di pale d'elicottero rotanti basato sul metodo delle matrici di trasferimento. Con tale metodo la pala viene suddivisa in un numero finito di tronchi considerati come continui. Si espone pure a scopo di confronto una soluzione meno gravosa per il calcolo in cui si assumono concentrate le masse.Il metodo esposto permette di tener conto con particolare cura delle effettive condizioni di vincolo del rotore con l'albero.Si riportano infine alcune applicazioni numeriche.

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Elastic behaviour of shrink-fitted forming die assemblies. Part II: Numerical application and results

Summary A study is presented on the elastic behaviour of a set of assemblies consisting of a cylinder prestressed by a shrink-fitted ring of different length as is customary in extrusion toolsets. An accurate analysis is carried out of the individual and interactive effects pertaining both to the bulk support provided by the relatively unstressed parts of the die, and the external compressive stresses induced by radial support of the shrinking ring.Stresses and displacements in the two cylindrical components are evaluated by a numerical application of the three-dimensional elastic theory and the point-matching method.Again a discussion is presented of the limitations involved by the numerical approach.

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Sommario L'articolo riferisce sul comportamento elastico di accoppiamenti realizzati per forzamento di un anello di grosso spessore su un cilindro cavo di lunghezza finita e diversa da quello dell'elemento forzante, del tipo di quelli impiegati nelle attrezzature di estrusione.Si analizzano individualmente e nella loro interazione le influenze che su tale comportamento hanno l'irrigidimento fornito da quelle porzioni dell'anello interno che sono relativamente scariche di tensioni e la pressurizzazione esterna indotta dall'elemento forzante.Il calcolo delle tensioni e degli spostamenti nei due componenti è operato mediante un'applicazione numerica della teoria dell'elasticità tridimensionale e del metodo delle collocazioni.Si discutono inoltre le limitazioni connaturate con l'approccio di tipo numerico.

     

Analysis of static and dynamic behaviour of machine-tool structure: Development of numerical method and computer program

Summary A number of machine-tool structures and subassemblies may be approximated by a set of parallel and orthogonal beam elements suitably interconnected. The recognized advantages offered by such a family of models for solving the static and dynamic analysis problems stimulated the development of the computer program described further in the work. This work is made up by three main parts, namely, the first dealing with theoretical foundations of the equilibrium method, the second with the development of numerical solution method of the fundamental matrix equation, and eventually the third in which program structure, input and output are described and a simple example of application is given.

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Sommario Tenuto conto che un gran numero di macchine utensili e/o di componenti di queste possono schematizzarsi mediante una serie di elementi trabeiformi fra loro paralleli od ortogonali e rigidamente collegati e che il calcolo automatico del comportamento statico e dinamico di tali modelli non comporta costi troppo elevati assicurando risultati soddisfacenti, è stato sviluppato il programma di calcolo descritto nel lavoro in oggetto. Questo lavoro è costituito da tre parti fondamentali, la primq tratta dei fondamenti teorici del metodo di “equilibrio”, la seconda sviluppa una soluzione per via numerica della equazione matriciale fondamentale, infine la terza analizza la struttura del programma, descrivendone insieme l'input e l'output e ne riporta un esempio applicativo.

     

A numerical solution of the nonlinear wave resistance problem for simple shaped submerged bodies

Summary This paper presents a numerical method to compute the nonlinear wave resistance of a body, submerged in a free stream of infinite depth. The solution is given in the form of a potential of single layer and the nonlinear boundary conditions on the free surface are fulfilled by means of an iterative procedure. Results are shown for the 2-D case of an elliptical cylinder and for the 3-D case of prolate spheroids. All the presented results are discussed taking into account some experimental data and analytical solutions available in literature.

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Sommario In questo lavoro viene sviluppato un metodo per il calcolo della resistenza ondosa di corpi immersi bidimensionali e tridimensionali, tenendo conto della non linearità delle condizioni sulla superficie libera. La soluzione cercata è posta nella forma di potenziale di strato semplice e la non linearità presente nelle condizioni al contorno viene trattata con un procedimento iterativo. Vengono presentati dei risultati numerici relativi al caso bidimensionale di un cilindro ellittico ed al caso tridimensionale di sferoidi prolati di diversa eccentricità. I risultati vengono discussi in relazione a soluzioni analitiche e dati sperimentali ottenuti dalla letteratura.

     

Dynamics and impact in a system with unilateral constraints the relevance of dry friction

Summary The aim of the present work is to investigate the impact and the dynamics of a rigid system, subject to unilateral constraints. The problem is particularly interesting to understand the mechanical behaviour of stone structures subject to external forces and to give informations about the dynamical evolution; such informations are basic for a stability study.

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Sommario Scopo del presente lavoro è quello di indagare sulla dinamica e sull'urto di un sistema rigido, soggetto a vincoli unilaterali. Tale problema è particolarmente interessante per la comprensione del comportamento meccanico delle strutture monumentali costituite da blocchi lapidei, in presenza di forze esterne variabili. L 'analisi fornisce informazioni sulla evoluzione dinamica del sistema; tali informazioni sono indispensabili per uno studio sulla stabilità.

     

Elastic-plastic dynamic behavior of a beam-column model

Summary An elastoplastic beam-column model with one degree of freedom subjected statically to an on-center or off-center axial compressive force is considered. Its dynamic behavior in the elastoplastic range, resulting from a transverse periodic acting force in resonance with the structure in the elastic range, is examined. The principal features are highlighted by a phase plane study.

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Sommario Si considera il modello a un grado di libertà di un'asta elastoplastica sollecitata staticamente da una forza assiale di compressione centrata o eccentrica. Si esamina il suo comportamento dinamico in campo elastoplastico per effetto di una forza trasversale periodica e in risonanza con la struttura in campo elastico, evidenziandone le principali caratteristiche attraverso lo studio nel piano delle fasi.

     

A general method for sensitivity analysis of plane mechanism

Summary The paper describes a general method for the sensitivity analysis of plane mechanisms, particularly suited for use with automatic computation facilities. The sensitivity coefficients are computed through “macros”, thus greatly reducing the effort and the background required by the designer. The problem is solved by reducing it to a subcase of kinematic analysis of the general equivalent kinematic chains of the macros. The method can be applied to tolerance analysis, and to dynamic analysis in order to determine the forces (virtual work theorem) or the law of motion (Lagrande equations).

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Sommario L'articolo illustra un metodo generale per l'analisi di sensibilità nei meccanismi piani, particolarmente adatto ad un impiego con mezzi di calcolo automatico. La determinazione dei coefficienti di sensibilità viene effettnata per “macro”, riducendo quindi al massimo lo sforzo e le conoscenze richieste al progettista. La soluzione del problema viene ottenuta riducendolo a un sottocaso di analisi cinematica delle catene cinematiche generali equivalenti degli elementi semplici. Vengono delineaté le applicazioni all'analisi delle tolleranze ed all'analisi dinamica, per la determinazione delle forze (teorema dei lavori virtuali) o della legge di moto (equazioni di Lagrange).

     

Plane slider bearings: The effect of inlet pressure

The present work deals with the problem of determing the influence of pressure at the bearing entry on load capacity and on the position of the resultant of the pressure forces in the case of a plane slider bearing; this work shows how a centrally pivoted pad may be employed where a shaft is also to be rotated in the reverse direction.

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Sommario Scopo del presente lavoro è quello di determinare l'influenza che la pressione in ingresso ha sulla capacità di carico e sul punto di applicazione della risultante delle forze di pressione nel caso di un accoppiamento piano lubrificato; viene inoltre messo in evidenza il fatto che un pattino orientabile con cerniera di articolazione posta in mezzeria possa funzionare correttamente.

     

Probable collapse mechanisms in indefinite plates on an elastoplastic continuum

Summary With reference to a theory expounded in a previous note [2] on the limit state behaviour of plates resting on an elastoplastic continuum subject to distributed loads, probable collapse mechanisms are considered in order to supplying more tractable solutions for technical practice. As the case is a general one, it is shown that the results obtained are suitable for following the load carrying capacity of plates and the relative collapse mechanism as the limit resistance of the soil and the spread of the load acting on it vary.Some examples are worked out to illustrate the applicational procedure.

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Sommario Con riferimento ad una teoria esposta in una nota precedente [2] sul comportamento allo stato limite delle piastre su mezzo elasto-plastico continuo soggette a carichi diffusi, si esaminano delle schematizzazioni di probabile collasso allo scopo di fornire soluzioni di più facile impiego nel campo della pratica tecnica.Trattando quindi un caso di carattere generale, si mostra come i risultati ottenuti si prestano ad essere utilizzati per seguire la capacità portante della piastra ed il relativo meccanismo di collasso al variare della resistenza limite del suolo e della estensione del carico su di essa agente.Alla fine, a chiarimento del procedimento applicativo, si sviluppano alcuni esempi.

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This work was supported by CNR (Italian Research Council).     

Equations of motion of a multibody system and Lie groups

Usually, the methods used for forming the equations relating to the motion of a complex system are based either on the use of general theorems or on the use of conventional techniques of analytical mechanics (Lagrange or Hamilton equations). In this case the formation of the equations of motion was made using a method allowing us to draft these equations in a more synthetic form. It uses the properties of the displacement group as a LIE group. Its main advantage is that it allows a totally intrinsic analytical calculation in the vector space of the wrenches or complex forces [8]. A symbolic calculus code has been designed in order to apply this approach. Initially, we have used and tested it in any open loop multibody system. The symbolic calculus code was applied, for instance, in the context of a study into the crash of a vehicle driven into a barrier.

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Sommario I metodi più comunemente usati per formulare le equazioni relative al moto di un sistema complesso si basano o su teoremi generali o su tecniche convenzionali della meccanica analitica (equazioni di Lagrange o di Hamilton). Nel presente studio, invece, le equazioni del moto vengono formulate usando una metologia che ne permette la scrittura in una forma più sintetica, sfruttando le proprietà del gruppo degli spostamenti come di un gruppo di Lie: il principale vantaggio del metodo è di permettere un calcolo analitico totalmente intrinseco nello spazio vettoriale delle forze complesse [8]. Per poter applicare questo approccio, è stato sviluppato un codice di calcolo simbolico. Per cominciare, l'approccio è stato usato e sperimentato per un generico sistema multicorpo a loop aperto: per esempio, nel contesto di uno studio sull'urto di un veicolo su di una barriera.

     

Experimental modal analysis and damage detection on an ancient masonry building

Procedures and results are presented relative to the modal identification of an old masonry building from two sets of experimentally determined frequency-response functions. Both tests were performed by exciting the structure with low-intensity forces produced by a vibrodyne, before and after high-intensity shakes comparable to a destructive earthquake, in crder to detect and quantify the damage suffered by the masonry. In spite of non-linearities appearing in the frequency response functions, a significant modal model is obtained in both cases, provided that a non-proportional damping model, yielding complex modes, is adopted. The decreasing of natural frequencies, in addition to the increasing of damping factors between the two low-intensity tests, indicate remarkable structural damage. In order to obtain useful quantities for the identification of a finite element model, which is the most suited for damage localization and quantification, real modes have been extracted by filtering out the damping effects from the complex modes derived by appropriately curve-fitting the frequency-response functions.

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Sommario Si presentano le metodologie ed i risultati dell'identificazione delle grandezze modali di un vecchio edificio in muratura per due serie di misure sperimentali di risposta in frequenza. Esse sono ottenute eccitando l'edificio con forze di bassa intensita indotte da una vibrodina, prima e dopo una serie di altre prove sperimentali condotte con forze dinamiche di alta intensità, con l'obiettivo di quantificare il danneggiamento subito dalle strutture murarie. La presenza di non linearita, evidente anche nelle risposte in frequenza, non ha impedito di ricavare un modello modale soddisfacente, adottando pero modi complessi, a cui corrisponde un modello non proporzionaleper lo smorzamento. La diminuzione delle frequenze proprie e l'aumento degli smorzamenti modali, tra la prima e la seconda serie di prove, mostra che il danneggiamento della struttura e stato notevole. Per ottenere grandezze utili all'identilicazione di un modello agli elementi finiti, più adatto alla localizzazione e alla quantificazione del danneggiamento, si sono ricavati modi reali eliminando l'effetto dello smorzamento non proporzionale dai modi complessi ottenuti dalle funzioni di risposta in frequenza.

     

Regular and singular elastic-plastic solutions to the cracked half-space under anti-plane shear

Summary A classical problem first investigated by Bilby, Cottrell and Swinden is re-examined from the point of view of uniqueness. By formulating the problem in the stress (hodograph) plane it is possible to construct an entire class of singular solutions in a simple closed form. The length of the plastic zone is of arbitrary length. Sufficient conditions are presented which are used to establish a uniqueness theorem. Singular solutions are ruled out if the behaviour of the second order stress terms are prescribed at infinity or if the potential function in the stress plane is required to be bounded.

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Sommario Si riesamina dal punto di vista della unicità un classico problema studiato per la prima volta da Bilby, Cottrell e Swinden. Formulando il problema nel piano delle sollecitazioni (odografo) è possibile costruire un'intera classe di soluzioni singolari in una forma chiusa semplice. La lunghezza della zona plastica è arbitraria. Si presentano condizioni sufficienti che vengono usate per stabilire il teorema di unicità. Soluzioni singolari vengono escluse se si prescrive il comportamento all'infinito dei termini di sollecitazioni di secondo ordine o se si richiede che la funzione potenziale nel piano delle sollecitazioni sia limitata.

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This investigation was partially supported by the National Research Council of Canada.     

Longitudinal vibrations of pre-twisted bars with “asymmetric” boundary conditions

Summary In a previous paper concerning the determination of angular frequencies of a twisted straigth bar of constant section, only three simple constraint conditions at the ends had been considered (free end, constrained end). In the present paper the other seven possible (asymmetric) constraint conditions are considered and the corresponding frequency equations are found. A final numerical example with several increasing twisting degrees shows the different influence of this increase upon the frequencies having axial or torsional origin.

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Sommario In un precedente lavoro le equazioni di equilibrio dinamico di un'asta svergolata soggetta a vibrazioni libere lungo il proprio asse erano state risolte in forma chiusa per tre sole condizioni di vincolo al contorno particolarmente semplici (estremità torsionalmente ed assialmente libere o incastrate). Nel presente lavoro vengono determinate le formule finali relative alle altre sette condizioni di vincolo che si ottengono imponendo in almeno una delle estremità dell'asta la rotazione libera e lo spostamento assiale impedito o viceversa. Viene anche svolto un esempio di calcolo numerico determinando in uno dei casi considerati il modo di variare delle prime pulsazioni proprie al crescere dello svergolamento dell'asta.

     

A one-dimensional model for incoherent phase changes

We present here a simplified version of the model of incoherent solid-solid transitions with mass diffusion developed by Gurtin and Cermelli in [3]. An incoherent phase change is always associated with some kind of defect production at the interface: we consider here a one-dimensional continuum, so that the resulting equations allow study to be made of the influence of volume (vacancy) production on the evolution of the system.

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Sommario In questo lavoro viene presentato un adattamento del modello di transizione di fase incoerente sviluppato da Gurtin e Cermelli in [3]. Una transizione incoerente è sempre associata alla produzione di un qualche tipo di difetto all'interfaccia: consideriamo qui un modello semplificato di continuo unidimensionale, in modo da poter studiare l'effetto dei difetti di volume (lacune) sull'evoluzione del sistema.

     

Computer aided-design of a class of five-bar mechanisms

Summary This paper is an original addition to the theory and practice of the mechanisms. The authors given an useful method for the design of five bar mechanisms with the aid of a video unit equipped computer.In the paper the interactive procedure is used to the design of a mechanisms for moving mechanical presses.

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Sommario Il presente lavoro è un contributo originale allo studio teorico e alla practica utilizzazione di meccanismi. Gli autori forniscono un metodo utilizzabile con elaboratori muniti di unità video per il progetto assistito di meccanismi a pentalatero.Nel lavoro il procedimento indicato è applicato alla progettazione di un meccanismo per l'azionamento di presse meccaniche.

     

Limit analysis of arch-beam structures by dynamic programming

Summary We study one-dimensional structures like arch-beams in the limit state of plastic collapse, on the ground of a two-dimensional yielding surface (bending moment and normal generalized stress). The proposed method, which is able to give a numerical solution of the problem of finding the limit load, rests on the upper bound theorem of limit analysis and uses dynamic programming. We examine also some questions linked with numerical procedures. A future work devoted to applications will complete the treatment.

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Sommario Si studiano le strutture monodimensionali ad arco nello stato limite di collasso plastico, sulla base del dominio bidimensionale (momento flettente e sforzo normale). Il metodo proposto, atto a fornire una soluzione numerica del problema della ricerca del carico limite, si fonda sul teorema cinematico dell'analisi limite e sull'impiego della programmazione dinamica. Si prendono anche in esame talune questioni connesse con l'algoritmo di calcolo. Un successivo lavoro di carattere applicativo completerà la trattazione.

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This paper has been supported by National (italian) Research Council (C.N.R.).