L Progettazione
La
P
tt i
d
delle
ll Strutture
St tt
di Acciaio
A i i e composte
t
in Acciaio-Calcestruzzo secondo il D.M. 14.01.08
Siena, 19-21 Maggio 2010
Materiali, analisi strutturale e stati
limite delle costruzioni in acciaio
Ostilio Spadaccini
Di ti
Dipartimento
t di IIngegneria
i Ci
Civile
il e A
Ambientale
bi t l
Università degli Studi di Firenze
www dicea unifi it
www.dicea.unifi.it
Norme tecniche per le costruzioni DM 2008
Costruzioni di acciaio
4.2.1. Materiali
Acciaio p
per strutture metalliche
Prescrizioni specifiche per acciai da carpenteria in zona sismica
Ostilio Spadaccini
Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, Firenze
DM 2008 Costruzioni di Acciaio
Materiali
Acciaio laminato
Nei componenti strutturali e nei collegamenti delle costruzioni in acciaio i tre gradi di
acciaio Fe360, Fe430 e Fe510 assumono la nuova dicitura S235, S275, S355. A questi
tipi di acciaio si aggiunge un tipo di acciaio ad alta resistenza, l’S460 che amplia le
possibilità di utilizzo del materiale.
materiale
Ostilio Spadaccini
Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, Firenze
DM 2008 Costruzioni di acciaio
Materiali
Acciaio per strutture metalliche
Gli acciai devono essere conformi alle norme armonizzate della serie:
- UNI EN 10025 pper i laminati a caldo pper impieghi
p g strutturali,,
- UNI EN 10210 per i tubi senza saldatura,
- UNI EN 10219-1 per i tubi saldati.
Il nome dell’acciaio non fa più riferimento alla tensione di rottura a trazione nominale ma alla tensione nominale
di snervamento.
snervamento
Per i valori caratteristici della tensione di rottura ftk e della tensione di snervamento fyk si
assumono a favore della sicurezza i valori nominali:
fy = ReH e ft = Rm riportati
i t ti nelle
ll norme di prodotto.
d tt
UNI EN 10025, Prodotti laminati a caldo di acciai per impieghi strutturali
- Parte 1: Condizioni tecniche generali di fornitura
- Parte 2: Condizioni tecniche di fornitura di acciai non legati per impieghi strutturali,
- Parte 3: Condizioni tecniche di fornitura di acciai pper impieghi
p g strutturali saldabili a
grano fine allo stato normalizzato/normalizzato laminato,
- Parte 4: Condizioni tecniche di fornitura di acciai per impieghi strutturali saldabili a
grano fine ottenuti mediante laminazione termomeccanica.
Ostilio Spadaccini
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DM 2008 Costruzioni di acciaio
Materiali
UNI EN 10025
Composizione chimica all’analisi di colata per prodotti lunghi e
piani dei tipi e delle qualità di acciai con valori di resilienza
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DM 2008 Costruzioni di acciaio
Materiali
UNI EN 10025
Composizione chimica all’analisi di colata e caratteristiche meccaniche per prodotti lunghi e
piani dei tipi e delle qualità di acciai con valori di resilienza
Ostilio Spadaccini
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Materiali
UNI EN 10025 Caratteristiche
C
tt i ti h meccaniche
i h – Resilienza
R ili
KV longitudinale
l
it di l per prodotti
d tti piani
i i e lunghi
l
hi
4.2.4.1.5 Fragilità alle basse temperature
Per quanto riguarda le caratteristiche di tenacità, nel caso di strutture non protette, si assumono come temperatura di
riferimento TED quella minima del luogo di installazione della struttura, con un periodo di ritorno di cinquant’anni Tmd.
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DM 2008 Costruzioni di acciaio
Materiali
4 2 4 1 5 Fragilità alle basse temperature
4.2.4.1.5
Nel caso di strutture protette verrà adottata la temperatura Tmd aumentata di 15°C, in assenza di dati statistici locali
si potrà assumere come temperatura minima di servizio il valore TED =-25°C per strutture non protette e TED =-10°C
per strutture protette.
P la
Per
l d
determinazione
t
i
i
d
deii massimi
i i spessorii di utilizzo
tili
d
deglili acciai
i i iin ffunzione
i
- della temperatura minima di servizio,
- dei livelli di sollecitazione σED col metodo agli stati limiti,
- del tipo e del grado dell’acciaio,
può essere utilizzata la Tab. 2.1 di UNI EN 1993-1-10.Resilienza del materiale e p
p
proprietà
p
attraverso lo spessore
p
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Materiali
UNI EN 15132:1974 Materiali di apporto per le saldature
UNI EN ISO 898-1:2001 Caratteristiche meccaniche degli elementi di collegamento
di acciaio - Viti e viti prigioniere
I prodotti conformi ai requisiti della presente parte della ISO 898 sono valutati esclusivamente a temperatura
ambiente e possono non mantenere le caratteristiche meccaniche e fisiche specificate a temperature superiori
ed inferiori.
Secondo la Circolare gli elementi di collegamento impiegati nelle unioni a taglio devono soddisfare i
requisiti della norma armonizzata UNI EN 15048-1 : 2007 “Bullonatura non a serraggio controllato”.
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Materiali
Prescrizioni specifiche per acciai da carpenteria in zona sismica
Per i valori caratteristici della tensione di rottura ftk e della tensione di snervamento fykk si assumono a favore
della sicurezza i valori nominali: fy = ReH e ft = Rm riportati nelle norme di prodotto
Già l’ordinanza 3274 aveva introdotto delle richieste aggiuntive
gg
relative alle caratteristiche dei materiali.
L’ordinanza 3274 prescriveva che: qualora l’acciaio impiegato sia di qualità diversa da quella prevista in
progetto si dovrà procedere ad una ricalcolazione della struttura per dimostrarne l’adeguatezza.
Per le zone dissipative si applicano le seguenti regole addizionali:
- per gli acciai da carpenteria il rapporto fra i valori caratteristici della tensione di rottura ftk
(
(nominale)
i l ) e la
l tensione
t i
di snervamento
t fyk (nominale)
(
i l ) deve
d
essere maggiore
i
di 1,20
1 20 e
l’allungamento a rottura A5, misurato su provino standard, deve essere non inferiore al 20%;
- la tensione di snervamento massima deve risultare fy,max ≤ 1,2
1 2 fyk;
- i collegamenti bullonati devono essere realizzati con bulloni ad alta resistenza di classe 8.8 o
10 9
10.9.
.Ostilio Spadaccini
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C t i i di acciaio
Costruzioni
i i
4.2.3 Analisi strutturale
4.2.3.4 Effetti delle deformazioni
Analisi globale con la teoria del primo ordine
Stabilità di strutture intelaiate
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Effetti delle deformazioni
Analisi globale con la teoria del primo ordine
Può ritenersi trascurabile gli effetti delle deformazioni sull’entità delle sollecitazioni, sui
fenomeni di instabilità e su altre variazioni del comportamento strutturale,
strutturale se:
αcr = Fcr / Fed ≥ 10
αcr = Fcr / Fed ≥ 15
per l’analisi elastica
per l’analisi
l analisi plastica
Il calcolo del moltiplicatore dei carichi αcr , nel caso di telai multipiano regolari e portali
con falde
f ld poco iinclinate
li t puòò essere stimato
ti t mediante
di t lla fformula
l approssimata:
i t
αcr = h HEd / δVEd
Purchè la compressione assiale nelle
g
travi o nei ppuntoni non sia significativa.
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Effetti delle Deformazioni
St bilità di strutture
Stabilità
t tt
i t l i t
intelaiate
Quando αcr è minore dei limiti ricordati al §C4.2.3.4, l’analisi strutturale deve tener conto delle
D f
Deformazioni.
i i Gli effetti
ff tti del
d l secondo
d ordine
di e le
l imperfezioni
i
f i i possono essere considerati
id ti nell
calcolo con modalità diverse a seconda del tipo di struttura considerata e del tipo di analisi che
può essere adottata. Il metodo più generale prevede di eseguire un’analisi globale non lineare
completa in cui
completa,
c i si verificano
erificano contemporaneamente sia la stabilità globale della struttura,
str tt ra sia la
stabilità locale dei singoli elementi.
Se il moltiplicatore dei carichi αcr ≥ 3,
3 nel caso che il modo instabile orizzontale sia
predominante, la circolare consente di condurre una analisi del secondo ordine
semplificata: il calcolo degli effetti del secondo ordine può essere condotto anche
partendo
t d dai
d i risultati
i lt ti dell’analisi
d ll’ li i elastica
l ti del
d l primo
i ordine
di applicando
li d delle
d ll amplificazioni
lifi i i
dei momenti dovuti agli spostamenti laterali, mediante un coefficiente β:
β = αcr / αcr - 1
Il coefficiente amplificativo dei momenti, β, per come è definito può assumere valori compresi fra 1,11 e 1,50.
Analisi e confronti sono svolti da J. Morganti.
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C t i i di acciaio
Costruzioni
i i
Analisi strutturale
4.2.3.5 Effetti delle Imperfezioni
Principi
Imperfezioni per l’analisi globale dei telai
Imperfezioni per l’analisi dei sistemi di controvento
q
Forze equivalenti
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Effetti delle imperfezioni
Principi
p
Si deve tener conto nell’analisi strutturale degli effetti delle imperfezioni includendo
tensioni residue e le imperfezioni geometriche quali:
- mancanza di verticalità, di rettilineità e di planarità,
- mancanza di accoppiamento e le eccentricità secondarie presenti nei
collegamenti reali delle strutture non caricate.
Secondo le EC3, e la circolare NTC 2009 si raccomanda che siano considerate:
- imperfezioni locali per le singole membrature,
membrature
- imperfezioni per l’analisi globale di telai,
- imperfezioni per l’analisi dei sistemi di controvento.
Si possono adottare nell’analisi adeguate imperfezioni geometriche
equivalenti.
i l ti
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Effetti delle imperfezioni
Imperfezioni
p
per l’analisi g
p
globale dei telai
L’errore iniziale di verticalità in un telaio può essere trascurato quando:
HEd ≥ 0.15 Ved
dove HEd è il valore di progetto della reazione orizzontale alla base delle colonne del
piano (taglio di piano) dovuto ai carichi orizzontali applicati e ai carichi fittizi e VEd è il
carico verticale complessivamente agente nella parte inferiore del piano considerato
(sforzi assiali nelle colonne).
a) Le imperfezioni laterali globali iniziali possono essere stimate con la relazione:
φ = φ0 αh αm
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Effetti delle imperfezioni
Imperfezioni
pe e o pe
per l’analisi
a a s g
globale
oba e de
dei te
telai
a
b) Le imperfezioni locali in termini di curvatura iniziale sono da considerare nelle analisi
globali dei telai sensibili agli effetti del secondo ordine se:
- le aste compresse hanno un vincolo rotazionale ad almeno un estremo,
- la snellezza adimensionale
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Effetti delle imperfezioni
Imperfezioni per ll’analisi
analisi dei sistemi di controvento
Le imperfezioni locali in termini di curvatura iniziale sono da considerare nelle analisi dei
sistemi di controvento,, ai qquali è richiesto di assicurare la stabilità laterale di travi o di
membrature compresse.
La imperfezione locale in termini di curvatura iniziale di valore:
e0 = αm L /500
m numero di membrature da
vincolare
i l
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Effetti delle imperfezioni
Forze equivalenti
a) Forze concentrate applicate a ciascun orizzontamento e in copertura Fh = φ × NEd
b) Forze
F
distribuite
di t ib it
qh = 8×
8 e0,d NEd / L2
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Effetti delle imperfezioni
Forze equivalenti
c) Forze applicate a ciascun orizzontamento Hi = φ × NEd
b) Forze esercitate da piattabande e elementi giuntati compressi Fd = αm NEd / 100
Fig. C4.2.3 Effetti sugli orizzontamenti
Ostilio Spadaccini
Fig. C4.2.6 Forze nelle giunzioni
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Effetti delle imperfezioni
Forze equivalenti
q
per un controvento orizzontale di falda:
p
I carichi equivalenti sono qd = Σ Ned 8 (e0 + δq ) / L2
=
103,2 dN/m
La struttura di controvento è dimensionata per gli effetti delle imperfezioni.
e0 = αm L /500 = 1.9 cm
m = 11; αm = √ (0.5(1+1/m) = 0.74 ; L = 13.00 m ;
δq = 0,45+0,25
0 45+0 25 = 0
0.7
7 cm
Σ Ned = 83.825 dN
(Progetto Ing. S. Biagini)
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Effetti delle imperfezioni
Forze equivalenti per un controvento verticale:
La struttura è inserita all’interno di un complesso industriale che riduce la sua
esposizione al vento solo agli ultimi 8.2 m dell’altezza totale della torre di 18.8 m
(Progetto ing. S. Biagini)
Direzione x φ = 0.66 x 0.86 x 0.005 = 0.0028 rad
HEd = 13.400
13 400 > 0
0.15
15 VEd = 12.735
12 735 dN
Direzione y φ = 0.66 x 0.80 x 0.005 = 0.0026 rad
HEd = 11.100 < 0.15 VEd = 13.890 dN
Fh = φ × Nedd = 240,8
240 8 dN
La struttura è poco sensibile alle imperfezioni.
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Norme tecniche per le costruzioni DM 2008
C t i i di acciaio
Costruzioni
i i
4.2.4 Verifiche
Analisi delle relazioni
Esempi di applicazione della norma
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Verifiche
Analisi e applicazione delle formule più rilevanti
4.2.4.1.1 Resistenza di calcolo
La resistenza di calcolo delle membrature Rd si pone nella forma:
Rk è il valore
l
caratteristico
i i della
d ll resistenza
i
– trazione,
i
compressione,
i
fl
flessione,
i
taglio e torsione –della membratura, determinata dai valori caratteristici delle
resistenza dei materiali fyk e dalle caratteristiche geometriche degli elementi
strutturali,
t tt li dipendenti
di
d ti dalla
d ll classe
l
d ll sezione
della
i
Per sezioni di classe 4 può farsi riferimento alle caratteristiche geometriche “efficaci”,
area efficace Aeff, modulo di resistenza efficace Weff, modulo di inerzia efficace Jeff,
valutati seguendo il procedimento indicato in UNI EN1993
EN1993-1-5.
1 5. Nel caso di elementi
strutturali formati a freddo e lamiere sottili, per valutare le caratteristiche geometriche
“efficaci” si può fare riferimento a quanto indicato in UNI EN1993-1-3.
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Verifiche
Analisi e applicazione delle formule più rilevanti
Trazione
T
i
L’azione assiale di calcolo NEd deve rispettare la seguente condizione:
a) la resistenza plastica della sezione lorda
lorda, A
A,
b) la resistenza a rottura della sezione netta, Anet,
Qualora il progetto preveda la gerarchia delle resistenze, come avviene in presenza di azioni
sismiche, la resistenza plastica della sezione lorda, Npl,Rd, deve risultare minore della resistenza a
rottura delle sezioni indebolite dai fori per i collegamenti, Nu,Rd
Flessione monoassiale (retta)
Il momento flettente di calcolo MEd deve rispettare la seguente condizione:
Mc,Rd si valuta tenendo conto della presenza di eventuali fori in zona tesa per collegamenti bullonati o chiodati,
Weff,min
è calcolato eliminando le parti della sezione inattive a causa dei fenomeni di instabilità locali, secondo il
,
procedimento esposto in UNI EN1993-1-5
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Verifiche
Analisi e applicazione delle formule più rilevanti
Compressione
La forza di compressione di calcolo NEd deve rispettare la seguente condizione:
La resistenza di calcolo vale:
Non è necessario dedurre l’area dei fori per i collegamenti bullonati o chiodati, purché in tutti i fori
siano presenti gli elementi di collegamento e non siano presenti fori sovradimensionati o asolati.
Larghezza
g
efficace
Se si considera un profilo HE 280AA acciaio S355, Wel,y=799.8 cm3 , Wpl,y=873.1cm3
Altezza
h
264 mm
Larghezza
g
b
280 “
Spessore ali
tf
10 “
Spessore anima tw
7 “
Raggio
r
24 “ (saldato composto a=6mm)
Vale la relazione ε=√(235/fy) = 0.8136; c/t = (b-tw-(2r)) / 2tf = 280 – 7 -2⋅24/2 ⋅10 = 11.25
Ala classe 3 per HE 280AA e classe 4 per saldato composto λp = 0.862, ρ = 0,91
b eff = 117,8
117 8 mm ;
Ostilio Spadaccini
Weff,min = 598 cm3 ;
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Verifiche
Analisi e applicazione delle formule più rilevanti
Taglio
Resistenza di calcolo a taglio Vc,Rd
torsione, vale:
Rd, in assenza di torsione
La verifica all’instabilità dell’anima della sezione soggetta a taglio e priva di
irrigidimenti deve essere condotta in accordo con § 4.2.4.1.3.4 se:
C4.2.4.1.3.4 Stabilità dei pannelli Per la verifica dei pannelli d’anima è necessario riferirsi in genere a normative e
d
documentazione
t i
ttecnica
i di comprovata
t validità.
lidità N
Neii casii maggiormente
i
t ricorrenti
i
ti è possibile
ibil verificare
ifi
lla stabilità
t bilità d
deii
pannelli d’anima utilizzando le procedure esposte nei paragrafi seguenti.
Flessione e taglio
Si può trascurare ll’influenza
influenza del taglio sulla resistenza a flessione, eccetto nei casi in
cui l’instabilità per taglio riduca la resistenza a flessione della sezione se:
Se è superiore, la resistenza a flessione si determina assumendo per l’area resistente
a taglio Av la tensione di snervamento ridotta (1 – ρ) fyk :
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DM 2008 Costruzioni di Acciaio
Verifiche
Analisi e applicazione delle formule più rilevanti
4.2.4.1.3 Stabilità delle membrature
4 2 4 1 3 1 Aste compresse
4.2.4.1.3.1
E’ prassi comune, assunta anche dall’EC3 e dal DM2008, l’esprimere la
snellezza di un asta non sotto forma della sua snellezza λ=L0/ρmin, bensì come
rapporto fra snellezza e snellezza critica,
critica tale rapporto è definito come “snellezza
snellezza
adimensionale” = λ/λcr = √(A×fyk/Ncr).
Il contributo delle imperfezioni è tenuto in conto nella equazione:
dove il parametro Ф include un parametro α “fattore di imperfezione”
Analisi e confronti sono svolti da JJ. Morganti
Ostilio Spadaccini
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Verifiche
Analisi e applicazione delle formule più rilevanti
Il momento resistente di progetto per i fenomeni di instabilità di una trave lateralmente non
vincolata può essere assunto pari a:
Analisi e confronti sono svolti da S. Biagini
Ostilio Spadaccini
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DM 2008 Costruzioni di Acciaio
Verifiche
Analisi e applicazione delle formule più rilevanti
4.2.4.1.3.4 Stabilità dei pannelli
Gli elementi strutturali in parete sottile (di classe 4) presentano problemi complessi
d’instabilità locale, per la cui trattazione si deve fare riferimento a normative di comprovata
validità.
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DM 2008 Costruzioni di Acciaio
Verifiche
Analisi e applicazione delle formule più rilevanti
Stabilità dei pannelli soggetti a taglio
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DM 2008 Costruzioni di Acciaio
Verifiche
Analisi e applicazione delle formule più rilevanti svolte da J.
J Morganti e S.
S Biagini
Analisi g
globale dei telai e dei sistemi di controventamento
Effetti delle deformazioni
Analisi del primo ordine
Analisi del secondo ordine
Sistemi di forze equivalenti
q
alle imperfezioni
p
Resistenza delle membrature
Flessione monoassiale
Fl
Flessione
i
e taglio
t li
Presso flessione retta
Stabilità delle membrature
Aste compresse semplici e composte
Travi inflesse
Membrature inflesse e compresse
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Norme tecniche per le costruzioni DM 2008
C t i i di acciaio
Costruzioni
i i
4.2.4 Unioni
Sistemi di unione
Esempi di applicazione della norma
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DM 2008 Costruzioni di Acciaio
Unioni
4.2.8 UNIONI
Nel presente paragrafo sono considerati sistemi di unione elementari, in quanto
parti costituenti i collegamenti
p
g
strutturali tra le membrature in acciaio. In
particolare, sono presentati metodi per calcolare le prestazioni resistenti e le
relative modalità e regole per la realizzazione dei vari tipi di unione esaminati. Le
tipologie di unione analizzate sono quelle realizzate tramite bulloni, chiodi, perni e
saldature.
Le sollecitazioni agenti nei collegamenti allo stato limite ultimo e allo stato limite di
esercizio si devono valutare con i criteri indicati in § 4.2.2.
Le sollecitazioni così determinate possono essere distribuite, con criteri elastici
oppure plastici, nei singoli elementi costituenti i collegamenti strutturali tra le
membrature
b t
a condizione
di i
che:
h
- le azioni così ripartite fra gli elementi di unione elementari (unioni) del
collegamento siano in equilibrio con quelle applicate e soddisfino la
condizione di resistenza imposta per ognuno di essi;
- le deformazioni derivanti da tale distribuzione delle sollecitazioni all’interno degli
elementi di unione non superino la loro capacità di deformazione.
Ostilio Spadaccini
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DM 2008 Costruzioni di Acciaio
Unioni
4.2.8.1 Unioni con bulloni, chiodi e perni soggetti a carichi statici
Le unioni realizzate con bulloni si distinguono in “non precaricate” e “precaricate”.
Le unioni realizzate con chiodi si considerano sempre “non precaricate” e i chiodi
d
devono
essere preferibilmente
f ibil
t iimpegnatiti a ttaglio.
li
I perni delle cerniere sono sollecitati a taglio e flessione.
4 2 8 2 Unioni saldate
4.2.8.2
Nel presente paragrafo sono considerate unioni saldate a piena penetrazione,
a parziale penetrazione, ed unioni realizzate con cordoni d
d’angolo.
angolo.
Per i requisiti riguardanti i procedimenti di saldatura, i materiali d’apporto e i
controlli idonei e necessari p
per la realizzazione di saldature dotate di
prestazioni meccaniche adeguate ai livelli di sicurezza richiesti dalla presente
norma, si faccia riferimento al § 11.3.4.5.
Ostilio Spadaccini
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Unioni
Analisi e applicazione delle formule più rilevanti svolte da S. Biagini
Unioni con bulloni soggette a taglio e trazione
Unioni con saldature a piena penetrazione
Unioni con saldature a parziale penetrazione e a cordoni d’angolo
Resistenza delle saldature a cordoni d’angolo
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