Two arc cracks around a circular rigid inclusion

Summary The problem of two symmetric arc cracks lying between a rigid circular inclusion embedded in an infinite matrix under biaxial loading at infinity is considered. By using the complex variable tecnique, the boundary value problem is solved and stress and displacement components are calculated along the inclusion boundary. Moreover, investigating the local stress field, a stress criterion, already proposed by authors, allowing either the crack extension at the interface or its deviation into the matrix to be taken into account, is applied to study the fracture response of the elastic system. The critical applied loads as well as the angle of the incipient crack extension are expressed in terms of the central angle subtended by the crack arcs.Finally the biaxial load effects are graphically shown and discussed.

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Sommario Si considera il problema piano di due «craks» simmetrici all'interfaccia tra una inclusione circolare rigida e la circostante matrice, in regime di carico biassiale. Facendo uso della tecnica delle variabili complesse, viene risolto il problema dei valori al contorno, ricavando altresi le espressioni delle tensioni e degli spostamenti lungo il contorno dell'inclusione. Inoltre, applicando un criterio tensionale, già proposto dagli autori, che consente di studiare sia la estensione del crack all'interfaccia che la sua deviazione nella matrice, si analizza la risposta del sistema considerato. I valori critici dei carichi applicati, nonchè l'angolo di frattura, risultano espressi in funzione dell'angolo al centro sotteso dai cracks.Infine, vengono illustrati graficamente e discussi gli effetti del carico laterale.

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Financial support of the National Research Council (C.N.R.) (research contribution N. 79.01625.07) is gratefully acknowledged.     

Energy dissipation due to frictional shake-down on a closed crack subjected to shear

The behaviour of a horizontal crack, subjected to cyclic shear and normal compressive stresses, is investigated with the aim of studying the shake-down and alternating plasticity phenomena. The analysis is carried out by means of the displacement discontinuity numerical method, conveniently modified so as to simulate the development of frictional stresses on the crack surfaces. The assumptions that the crack does not propagate and that the material behaves elastically are made. The critical values of the physical and geometrical parameters which determine the occurrence of frictional shake-down or alternating plasticity are identified. An evaluation of the amount of energy dissipated because of alternating plasticity is also provided.

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Sommario Nel presente articolo viene esaminato il comportamento di una fessura orizzontale soggetta a taglio ciclico e a sforzo normale di compressione. L'analisi è condotta mediante il metodo della Discontinuità di Spostamento, opportunamente modificato in modo da simulare lo sviluppo di sforzi di attrito sulle superfici della fessura. Vengono ricavati i valori critici dei parametri fisici e geometrici che determinano la comparsa del fenomeno dello shake-down. Viene infine valutata la quantità di energia dissipata in ogni ciclo di applicazione del taglio.

     

On the interaction between two inclined cracks under biaxial load

Summary An analysis of the in-plane biaxial loading of an infinite homogeneous and isotropic elastic plate with two inclined collinear cracks of equal length is performed. The boundary value problem is solved by using the complex potentials method. The influence of the lateral load on the local stress distributions as well as on the crack tips behaviour is analyzed and the features of the interaction are described.

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Sommario Viene studiato il problema piano di due fessure inclinate ed allineate, di uguale lunghezza, in una lastra piana infinita di materiale elastico omogeneo ed isotropo, in regime di carico biassiale. Il problema dei valori al contorno viene risolto mediante la tecnica di potenziali complessi. Vengono analizzati gli effetti del carico laterale sia sui campi locali degli sforzi che sul comportamento delle estremitá delle fessure e descritte le modalità di interazione.

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Financial support of the National Research Council (C.N.R.) through research contribution N. 80.02203.07.     

Optimal distributors of loads in plane elastostatics

Summary The transmission of stresses in an elastic body due to a concentrated load is strongly influenced by the shape of the boundary. This shape may be adjusted so that the stresses are as uniform as possible. A simple example in plane elasticity shows how to find the optimal form for the boundary within the class of epitrochoidal domains.

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Sommario La trasmissione degli sforzi in un corpo elastico prodotta da un carico concentrato è molto sensibile alla forma del contorno. Tale forma può essere modellata in modo da rendere gli sforzi il più uniformi possibile. Un semplice esempio in elasticità piana fa vedere come determinare la forma ottimale di contorno entro la classe dei domini epitrocoidali.

     

Biaxial stress effects on the elastic-plastic crack-tip displacement fields

Summary A plane stress, finite element analysis of the monotonic loading of a Mode I stationary crack under small scale yielding using a boundary layer approach is presented. A small-strain,J ₂ plasticity theory is used in conjunction with a linear hardening material model. The effects due to the inclusion of the non-singular elastic T-stress in the asymptotic boundary conditions on the elastic-plastic fields near the tip are investigated. This parameter, which accounts for the inherent biaxial stress state at a crack tip, is found to control extension and state of deformation of the plastic zone. The full-field numerical solutions are also used to simulate moirè interferometric fringe patterns in order to assess earlier detailed experimental observations.

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Sommario Viene presentato uno studio agli elementi finiti con un approccio allo strato limite del caricamento monotono seconda il Modo I di una fessura stazionaria in condizioni di stato di tensione piana e plasticità contenuta. Viene esaminata in particolare l'influenza che la componente tensionale elastica trasversale nonsingolare (i.e. T-stress) delle condizioni al contorno ha sullo stato di sollecitazione elasto-plastica all'apice della fessura. Si osserva che questo parametro dello stato di biassialità all'apice di fessure controlla sia l'estensione della zona plastica che lo stato deformativo al suo interno. Le soluzioni numeriche vengono inoltre impiegate per simulare sistemi di frange moirè interferometriche fornendo così un utile strumento di confronto con precedenti risultati sperimentali.

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Portions of this paper are included in the Proceedings of 9.th Congress of AIMETA, Bari, 1988.     

On non-radial stress distribution in non-homogenous elastic half-plane under concentrated load

Summary For the special case of elastic non-homogeneity, there is presented the solution of the problem of displacement and stress in a half-plane under concentrated load in the close form, by using the special functions, like the expotential integral, the sine integral and the cosine integral. It was found that both displacement and stress depend on elastic properties and that the stress is not radially distributed as it was assumed in the previous researches in this field. Apart from its theoretical value, the solution can be applied in soil mechanics. In order to illustrate this solution, the author is planning to present the graphs of displacement and stresses in the separate paper.

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Sommario Per il caso speciale di non omogeneità elastica si presenta la soluzione, in forma chiusa, del problema degli sforzi e delle deformazioni in un semi-piano sotto carico concentrato, usando funzioni speciali come l'esponenziale integrale, il seno integrale e il coseno integrale. Si è trovato che sforzi e deformazioni dipendono entrambi dalle proprietà elastiche e che lo sforzo non è distribuito radialmente come si era assunto in precedenti ricerche in questo campo. A parte il suo valore teorico, la soluzione può essere applicata nella meccanica dei terreni. Per illustrare questa soluzione, l'Autore presenterà in una successiva memoria i grafici degli sforzi e delle deformazioni.

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The paper was presented at the Conference on Mechanical Engineering and Mechanics, 6–7 July, 1970, Technion, Israel Institute of Technology, Haifa, Israel.     

A possible solution of a case of unsteady laminar plane flow for non-newtonian liquids

Summary After a few basic remarks on continuous media mechanics, equations of unsteady laminar flow for non-newtonian incompressible fluids are written; a solution for a particular plane flow (with zero hydraulic slope) is carried out, supposing that the components of the stress tensor T are polynomials in the components of the deformation rate tensor F. In particular if we adopt a cubic law, we recognize a second viscosity coefficient, which may be a positive or negative number; a way is then suggested for finding experimentally both viscosity coefficients of the fluid; a simple numerical example is also given.

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Sommario Dopo alcuni richiami sulla meccanica dei mezzi continui, si scrivono le equazioni del moto vario laminare per fluidi non newtoniani incomprimibili, e se ne trova la soluzione in un caso particolare di moto piano (a pendenza motrice nulla), supponendo di esprimere il legame fra le componenti del tensore degli sforzi T e quelle del tensore delle velocità di deformazione F con polinomi. Nel caso particolare di una legge cubica si presenta un secondo coefficiente di viscosità, positivo o negativo; si suggerisce allora un possibile metodo per determinare sperimentalmente il valore dei due coefficienti di viscosità del fluido, dando poi un semplice esempio numerico.

     

The displacement discontinuity method in the analysis of open cracks

The application of the displacement discontinuity numerical technique to the solution of some problems of fracture mechanics is demonstrated in the hypothesis of homogeneous and elastic material. The fracture is supposed to be free from traction and is represented by a set of constant displacement discontinuity elements, except for two parabolic elements, located at each crack tip, in order to simulate the singularity of the solution near the crack tips. On the basis of the stress and displacement field determined by the displacement discontinuity method, the stress intensity factors for mode I and II are computed according to the method of the displacements. Three examples are provided to verify the validity of the formulation.

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Sommario Lo scopo del presente lavore è di illustrare l'applicazione del metodo numerico della Displacement Discontinuity alla soluzione di alcuni problemi di meccanica della frattura, nell'ipotesi di materiale omogeneo ed elastico. La frattura è supposta aperta ed è rappresentata da una linea di elementi a discontinuità di spostamento costante, con l'eccezione di due speciali elementi parabolici, ubicati agli apici, al fine di simulare la singolarita' del campo tensionale. Sulla base del campo degli sforzi e degli spostamenti cosi determinati, vengono ricavati i fattori di concentrazione degli sforzi in modo I e II mediante il metodo degli spostamenti. Vengono inoltre riportati tre esempi di calcolo, effettuati al fine di verificare la validità del procedimento proposto.

     

Uniquencess for the penny-shaped crack equilibrium problem in linear elasticity

Two uniqueness theorems for the equilibrium problem of an elastic body containing a circular crack (penny-shaped crack) are proved.

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Sommario Si dimostrano due teoremi di unicità per il problema al contorno associato all'equilibrio di un corpo elastico tridimensionale contenente una fessura circolare.

     

Elastic stability of rectangular shells in membrane equilibrium

Summary This study furnishes an algorithm for determining, in accordance with Dirichelt's (energetic) principle, the critical load of rectangular membranes of any shape. The algorithm is formulated with reference to an extrinsic system of orthogonal Cartesian coordinates, that is the system used in statics for Pücher's method. This involved obtaining the expressions of the deformation characteristics and of the curvature variations of the shell up to the second order in the displacement components. These quantities yielded the final expression of the deformation energy and the second order work of internal stresses. In view of the applications, possible displacement terns are proposed characterizing the unstability secondary buckled lines, which are further detailed for the rectangular plan paraboloid. Finally, some numerical applications are given for the square plan shell.

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Sommario Col presente studio viene fornito un appropriato algoritmo per la determinazione, secondo il principio energetico del Dirichlet, dei moltiplicatori critici per le membrane di forma qualsiasi su pianta rettangolare. La formulazione è fatta con riferimento ad un sistema di coordinate cartesiane ortogonali estrinseco e cioè lo stesso adottato per il metodo di Pücher nella statica. Allo scopo è stato necessario ricavare le espressioni delle caratteristiche della deformazione e delle variazioni di curvatura della volta sino al secondo ordine nelle componenti dello spostamento. Tali quantità hanno permesso di dare in forma esplicita l'espressione dell'energia di deformazione ed il lavoro del secondo ordine degli sforzi interni. In vista delle applicazioni sono proposte delle possibili terne di spostamenti caratterizzanti le deformate secondarie instabilizzanti, particolarizzandole infine per il caso del paraboloide su pianta rettangolare.Si riportano infine alcune applicazioni numeriche relative alla volta su pianta quadrata.

     

A physical-mathematical model describing the interface and transport kinetic properties fo a liquid-vapour system in non-equilibrium conditions

Summary This paper deals with a physical model, based on the analysis of the physical properties of liquid surfaces and on the kinetic theory of gases and liquids, which gives a detailed picture, on a molecular scale, of the phase-transition and transport phenomena at the interface between liquid and vapour. Some numerical calculations relating to water-vapour systems and comparisons with experimental results have been performed.

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Sommario Nel presente lavoro è proposto un modello fisico, basato sulla teoria cinetica dei liquidi e dei gas e su alcune proprietà delle superfici liquide, il quale descrive, a scala molecolare, i fenomeni di trasporto di massa ed energia, con cambiamento di fase, all'interfaccia fra una superficie liquida in presenza di gasvapore. Sono stati effettuati calcoli numerici e confronti con risultati sperimentali.

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Work performed under the auspices of the National Research Council (C.N.R. Gruppo nazionale per la Fisica Matematica) and presented at the 57 Euromech Colloquim on Rarefied Gas Dynamics (Glasgow 19-3-75).     

Strains by shearing stresses in continuum media

Summary On the basis of the slip theory of the plasticity of metals a general formulation of strain of continuum bodies subjected to shearing stresses is given in incremental form. The isotropic and incompressible elastic body and the strain-hardening plastic body are then studied as particular cases.

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Sommario Sui fondamenti della teoria degli slip della plasticità dei metalli viene formulata in forma incrementale una teoria generale della deformazione dei mezzi continui soggetti all'azione di tensioni tangenziali. Vengono poi trattati, come casi particolari, il corpo elastico isotropo e incompressibile e il corpo plastico incrudente.

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This work has been sponsored by C.N.R. (the Italian Council of Research).     

An engineering theory of soil behaviour in unloading and reloading

Summary A constitutive law is proposed for describing the stress-strain characteristic of soils in unloading-reloading. The constitutive equations are valid piecewisely between subsequent, appropriately formulated, stress reversal loci. The stress-strain relationships are formulated in terms of generalized stress and strain differences referred to the last stress reversal point and connected through a variable compliance tensor. The shear compaction effect is modelled by a suitable formulation of the compliance tensor.Specialization to conventional triaxial condition is given. As well as fitting available experimental data in unloading-reloading of normally consolidated and overconsolidated clays, the proposed constitutive relation can model the dependence on OCR of the shape of the undrained effective stress paths, the phenomenon of cyclic mobility of clay in undrained compression and the unloading-reloading stress paths in the oedometer. The theory requires the identification of only three material constants in addition to those pertinent to the usual elastoplastic theory of soil with which it may be easily combined.

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Sommario Si propone una legge costitutiva per descrivere il legame sforzi-deformazioni dei terreni sottoposti a processi di scarico e ricarico. Le equazioni costitutive sono formulate a tratti e definite su un dominio limitato dai luoghi di inversione di carico. Nella formulazione della legge costituitiva verranno introdotte delle variabili generalizzate di sforzo riferite all'ultimo punto di inversione di carico. Queste variabili sono legate alle deformazioni, riferite anche esse allo stato relativo all'ultimo punto di inversione di carico, da un tensore di cedevolezza variabile. Un'adeguata formulazione di questo tensore permette di modellare l'efferio di densificazione sotto carico deviatorico ciclico.Questa legge costitutiva interpreta bene i risultati sperimentali su argille normalmente consolidate e sovraconsolidate. La teoria permette anche di descrivere la dipendenza del percorso degli sforzi efficaci in condizioni non drenate dal grado di sovraconsolidazione, la mobilità ciclica dell'argilla in condizioni non drenate e il percorso degli sforzi efficaci in un processo di scarico e ricarico in un edometro.Per identificare il modello sono necessari solo tre parametri oltre a quelli necessari per identificare il comportamento del terreno vergine.

     

Finite element techniques in plane limit problems

Summary Limit analysis of plane structures is formulated by applying a finite element linear programming technique that was previously proposed by the same author.Three different element models are considered: the constant stress compatible model, the linear stress equilibrium model, the quadratic stress equilibrium model. Some notes are devoted to the construction of the stress fields with reference to the adopted method.Some suitably chosen numerical applications are then proposed in order to compare the different approaches as far as numerical efficiency and result accuracy are concerned. The possibility of improving the linear programming procedure is also discussed, and in particular a method is proposed to find out an initial feasible vector on the basis of mechanical considerations, in order to overcome the necessity of the so-called M-phase of the simplex method.Numerical results are given together with the comments.

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Sommario Si formula il problema dell'analisi limite di strutture piane secondo un metodo degli elementi finiti già proposto dall'autore.Nel presente lavoro vengono considerati tre diversi modelli di elementi e precisamente: il modello congruente a sforzo costante e quelli equilibrati a campi di sforzo lineare e quadratico. La costruzione dei tre modelli viene presentata in dettaglio nell'ambito del metodo adottato.Vengono quindi presentati alcuni esempi di applicazione opportunamente scelti, con lo scopo di confrontare l'efficienza numerica e l'accuratezza di risultati ottenuti con l'impiego dei tre modelli. Si discute inoltre la possibilità di migliorare l'efficacia dell'algoritmo matematico ed in particolare si suggerisce un metodo che, individuando una soluzione ammissibile di partenza sulla scorta di considerazioni meccaniche, permette di evitare la cosiddetta fase M della programmazione lineare.I commenti sono accompagnati dai risultati numerici.

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Research supported by the C.N.R. (Italian National Research Council).     

Constraint manifolds with constant reaction spaces

Summary Constitutive equations for materials with internal constraints prescribe the stress tensor only to within a reaction which must belong to an appropriate space. We prove how the assumption that this reaction space be independent from the local configuration of the body restricts the class of possible constraints.

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Sommario Le equazioni costitutive per i materiali con vincoli interni forniscono il tensore degli sforzi solo a meno di una reazione che deve appartenere ad un appropriato spazio. Si dimostra come l'ipotesi che questo spazio sia indipendente dalla configurazione locale del corpo restringa la classe dei vincoli possibili.

     

On the instability of parametrically excited two degrees of freedom vibrating systems with viscous damping

Summary The stability of vibrating systems having two degrees of freedom subjected to parametric excitation and with viscous damping are studied with a special perturbation method.Analytical expressions in explicit form in second approximation are obtained for the transition from stability to instability. A general criterion for judging the limits within which the approximation is acceptable is indicated.It is shown that even in parametrically excited vibrating systems damping can have a destabilising effect similar to the destabilising effect known to exist in nonconservative elastic systems.

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Sommario Nel presente lavoro si esamina con un particolare metodo di perturbazione la stabilità dei sistemi vibranti a due gradi di libertà eccitati parametricamente e con resistenza viscosa.Si ottengono espressioni analitiche in forma esplicita in seconda approssimazione dei confini fra stabilità ed instabilità. Si dà anche un criterio di massima per giudicare entro quali limiti l'approssimazione risulta accettabile.Si pone in evidenza come anche nelle vibrazioni eccitate parametricamente lo smorzamento possa avere un effetto instabilizzante analogo a quello già noto nei sistemi elastici non conservativi.

     

Optimal Design of Prestressed Laminate/Ceramic Plate Assemblies

It is well known that the dynamic compressive strength of ceramics is enhanced by confining compressive stress. The paper shows how a biaxial in-plane compressive stress can be induced in a ceramic layer by encapsulation in a fiber-prestressed composite laminate. Optimal prestress distribution in individual plies of the laminate is found, together with the resulting residual stresses. Large compressive stress, 600–1000MPa can be supported in an alumina layer by aramid/epoxy or carbon/epoxy laminates of the same total thickness as the ceramic. Stress relaxation due to either temperature changes or matrix creep is found to be of minor significance. Examples present results for specific material systems and laminate layups. Sommario. E'ben noto che la resistenza dinamica dei materiali ceramici viene migliorata dal confinamento degli sforzi di compressione. Questo lavoro mostra come uno stato piano di compressione biassiale possa essere indotto in uno strato di materiale ceramico imprigionandolo in un laminato composito con fibre presollecitate. Viene determinata la distribuzione ottimale delle presollecitazioni nei singoli strati del laminato, nonché l'entità degli sforzi residui risultanti. Compressioni elevate, dell'ordine di 600–1000Mpa, possono essere indotte in uno strato di allumina da laminati epossidici rinforzati con fibre aramidiche o carboniche dello stesso spessore. Il rilassamento degli sforzi dovuto a cambiamenti di temperatura o al comportamento viscoso della matrice risulta avere importanza limitata. Gli esempi forniscono risultati relativi a specifici materiali e orientamenti dei laminati.     

Incremental elastoplastic analysis and quadratic optimization

Summary The paper discusses the incremental boundary value problem for elastoplastic workhardening continua, allowing for distributed dislocations. A pair of dual extremum theorems reduces the problem to the optimization of convex quadratic forms subject to linear inequalities and equations: the first theorem takes as variables stress and plastic multiplier rates, the latter velocities and plastic multiplier rates.The conclusions reached are specialized to elastic perfectly plastic (nonhardening) cases.The problem is discussed both in the traditional terms of continuum mechanics and in matrix notation on the basis of finite element discretization, using some quadratic programming concepts. Finally a comparison is made with the classical incremental minimum principles of plasticity (Prager-Hodge, Greenberg), which are deduced from the present theorems in a form generalized to the distributed dislocations.

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Sommario Si discute la soluzione incrementale dei problemi elastoplastici con incrudimento, tenendo conto di distorsioni distribuite. Vengono dimostrati due teoremi di estremo duali che trasformano il problema in ottimizzazioni di forme quadratiche convesse vincolate da equazioni e diseguaglianze lineari: il primo teorema concerne gli incrementi degli sforzi e dei moltiplicatori plastici, il secondo gli incrementi degli spostamenti e dei moltiplicatori plastici.Si specializzano le conclusioni raggiunte al caso dell'elastoplasticità senza incrudimento.La trattazione viene svolta sia nei termini tradizionali della meccanica dei continui, sia in notazione matriciale in base a discretizzazione per elementi finiti utilizzando i concetti di teoria della programmazione quadratica.Si effettua infine un confronto con i classici principi incrementali di minimo dell'elastoplasticità (Prager-Hodge, Greenberg), che vengono dedotti dai teoremi qui proposti in una forma generalizzata alle distorsioni diffuse.

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The results presented in this paper were obtained in the course of research sponsored by the C.N.R., Gruppo Plasticità.     

Study of the propagation of a torsional wave in a curved wire

Summary The problem of the propagation of a torsional wave in a curved wire is examined. The displacements with a natural and with a forced curvature are calculated and the corresponding dispersion relations are obtained on the basis of a purely elastic model.The results are discussed in connexion with the problem of the propagation of a signal in a wire-type acoustic delay line and compared with the results previously obtained by other workers.

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Sommario Si esamina il problema della propagazione di un'onda torsionale in un filo curvato. Viene svolto il calcolo degli spostamenti con curvatura sia naturale, sia imposta e si ottengono le corrispondenti relazioni di dispersione sulla base di un modello puramente elastico. Si discutono inoltre i risultati ottenuti, in relazione al problema della propagazione di un segnale in una linea di ritardo meccanica, confrontandoli con quelli precedentemente acquisiti da altri Autori.

     

On the statical unilateral contact problem with friction of rectangular plates resting on an elastic half-space

Summary In this paper the statical equilibrium problem of a rectangular plate unilaterally constrained against an elastic half-space is analyzed. The frictional contact hypothesis at the interface between plate and foundation is made. The assumed friction law represents a suitable regularization of Coulomb's classical law, which is particularly helpful in view of the theoretical and numerical developments.The problem is formulated and discussed from a theoretical point of view. Some numerical results are also given showing the influence on the solution of the frictional contact hypothesis.

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Sommario In questo lavoro si analizza il problema di equilibrio statico di una piastra rettangolare vincolata unilateralmente su un semispazio elastico. Viene fatta l'ipotesi di contatto con attrito all'interfaccia fra piastra e fondazione. La legge di attrito che si assume rappresenta una opportuna regolarizzazione della classica legge di Coulomb, la quale è particolarmente utile per gli sviluppi sia teorici che numerici. Il problema viene formulato e discusso da un punto di vista teorico; vengono inoltre forniti alcuni risultati numerici che mostrano l'influenza sulla soluzione dell'ipotesi di contatto con attrito.