Equilibrium and collapse analysis of masonry bodies

Abstract

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.

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.