PRESENTACION-SOLDADURA GUANAJUATO.pptx

Conexiones Soldadas

Ing. Alfredo Carlos Arroyo Vega

Guanajuato, Guanajuato. Marzo 2015

Temario.1. Generalidades.2. Códigos.3. Soldadura.4. Metal de aportación y soldadura compatible con metal

base.5. Tipos de soldaduras.6. Dimensiones efectivas de las soldaduras.7. Tamaño mínimo de soldaduras de penetración parcial.8. Soldadura de filete.9. Soldadura de tapón y de ranura.10. Resistencia de diseño.11. Combinaciones de diseño.

1. GENERALIDADES.

CONEXIÓN RIGIDA

CONEXIÓN SEMI RIGIDA

CONEXIÓN DECORTANTE

RELACION MOMENTO - ROTACION

Conexiones Simples

Cuando una conexión se considere flexible se diseñará, en general, para transmitir únicamente fuerza cortante. En ese caso se utilizarán elementos de unión que puedan aceptar las rotaciones que se presentarán en el extremo del miembro conectado, para lo que se permiten deformaciones inelásticas auto controladas en los elementos de unión, y se dejarán holguras en los bordes, con la misma finalidad. Cuando sea el caso, se tendrán en cuenta las flexiones ocasionadas por excentricidades en los apoyos.

Ángulo de asiento

Placa simple

Placa simple (Placa de cortante)

Placa de cortante Placa de cortanteVigas de igual peralte

Placa de cortante

Conexiones Semirrígidas

Ángulo de asiento

Conexión atornillada con perfil T atiesado

Conexiones de Momento

Las conexiones en los extremos de vigas, trabes o armaduras que forman parte de estructuras continuas se diseñarán para el efecto combinado de las fuerzas y momentos originados por la rigidez de las uniones.

Placas horizontales en patines de la trabe

Placa de extremo

Conexión tipo árbol

Algunos beneficios asociados con el uso del acero para los propietarios son:• El acero permite reducir los tiempos de construcción y la posibilidad de construir en

cualquier época del año.• El uso del acero permite claros mayores y más flexibilidad de uso para los

propietarios.• El acero es más fácil de modificar y reforzar si hay cambios arquitectónicos, durante

la vida útil de la estructura.• Las secciones estructurales de acero son ligeras y pueden reducir los costos de la

cimentación.• El acero es duradero, larga vida y reciclable.

Beneficios del acero estructural

El suministro y manejo del acero estructural es similar a otros materiales, pero hay algunos aspectos exclusivos en la construcción en Acero:

• El acero es fabricado fuera de la obra (arriba a la izquierda)

• El proceso de montaje en sitio es rápido (arriba a la derecha)

• Por lo anterior el uso del acero estructural da algunas ventajas en la programación de la obra.

• La coordinación de todas las partes es esencial para alcanzar estas potenciales ventajas.

Aspectos exclusivos de la Construcción en Acero

Conexiones del Acero Estructural

• Los principales métodos de conexión para acero estructural son los tornillos y la soldadura.

• La resistencia de la estructura depende del uso apropiado de estos métodos de conexión.

• Las conexiones hechas en el taller, son llamadas conexiones de taller.• Conexiones hechas por el constructor en el campo, son llamadas conexiones de

campo.

• La calidad de fabricación en taller, dependerá del equipo y los métodos de fabricación utilizados.

• Las conexiones de campo son típicamente atornilladas.• La soldadura puede ser utilizada para conexiones de campo donde el uso de los tornillos

sea indeseable.• La soldadura en taller es más conveniente para controlar el medio ambiente.

Conectando el Acero Estructural

VENTAJAS.1. Reducción o eliminación de elementos conectores.2. No es necesario hacer deducciones por agujeros de tornillos.3. Se reducen los costos y el tiempo de fabricación, porque se

eliminan operaciones como punzonamiento, rebordeado yperforado.

4. Las conexiones soldadas producen conexiones lisas.5. Producen una estructura mas rígida.6. Producen uniones que son intrínsecamente herméticas e

impermeables.7. Las estructuras soldadas se pueden montar en relativo

silencio.8. La soldadura hace económicamente viable la unión de los

miembros a superficie curva o con pendiente9. La soldadura simplifica la rehabilitación y reforzamiento de las

estructuras existentes atornilladas o soldadas.

DESVENTAJAS.

1.La soldadura requiere de trabajadores capacitados.

2.Se requiere de considerable practica y experiencia para la inspección de la soldadura terminada.

3.Por lo general, las tolerancias de fabricación son mas estrictas que las de las conexiones atornilladas.

VENTAJAS DEL ATORNILLADO.

1.Los tornillos de alta resistencia requieren menos

trabajadores y menos capaces, lo que reduce los

costos de mano de obra.

2.El atornillado requiere menos equipo.

3.Las técnicas de instalación son sencillas.

4.No existen riesgos de incendio con la construcción

atornillada.

VENTAJAS DEL ATORNILLADO.

POR LO GENERAL, EL EQUIPO DISPONIBLE EN EL TALLER DEL FABRICANTE Y LA CAPACITACIÓN DE LOS TRABAJADORES TIENEN UN IMPACTO IMPORTANTE EN EL PRECIO DE LICITACIÓN Y LA ELECCIÓN DE UNA OBRA ATORNILLADA O SOLDADA.

2. CÓDIGOS.

• AWS desarrolla códigos, da recomendaciones y guías bajo los procedimientos estrictos de la American National Standards Institute (ANSI)

• D1.1 Structural Welding Code – Steel, es uno de los mayores códigos consultados en del mundo y es producido por la AWS (AWS 2004a)

Soldadura Estructural

Códigos, estándares y especificaciones

Cuando la vida y la seguridad están involucradas, la cantidad y calidad de la inspección de la soldadura usualmente deberá de cumplir con lo indicado en códigos, estándares o especificaciones.

1.- CODIGO.

El código puede venir de una agencia de gobierno o de una agencia privada tal como una asociación de ingenieros. Un código es un cuerpo de reglas para construcción o fabricaciónde un producto. Por ejemplo ciudades que tengan códigos de construcción. Los códigos se hacen mandatorios por leyes o regulaciones y pueden ser usados con otros estándares de referencia o especificaciones.Como ejemplo de códigos, se pueden referenciar los siguientes:STRUCTURAL WELDING CODE – STEEL (AWS)BOILER AND PREEURE VESSEL CODE (ASME)

Códigos, estándares y especificaciones2.- ESTÁNDAR D.

Un estándar es cualquier documento u objeto usado como base de comparación, un inspector puede juzgar lo adecuado de un producto sobre la base de comparación con un estándar establecido, como estándar se pueden incluir, los códigos, especificaciones, procedimientos, practicas recomendadas y un grupo de símbolos gráficos. Estándar puede ser considerado mandatorio como en el caso de los códigos, o no mandatorio como en el caso de las practicas recomendadas.Como ejemplo de estándares se pueden referenciar los siguientes:API ESTANDARDASTM ESTANDARDANSI ESTANDARDMILITARY ESTANDARD

3.- ESPECIFICACION.

La especificación difiere del código en que este describe los requerimientos para objetivos particulares, materiales, servicio, etc. por ejemplo en una especificación de un procedimiento de soldadura (WPS), se dan las características particulares para soldar un material particular y este procedimiento no se puede generalizar para otros acero u otros procesos de soldadura.Como ejemplo de especificaciones se puede referenciar la siguiente:AWS FILLER METAL ESPECIFICACIONES

3. SOLDADURA.

• La soldadura es el proceso de fusión conjunta de múltiples piezas de metal mediante el calentamiento del metal de aporte a un estado liquido.

• Una soldadura bien hecha es mas resistente que el metal base.

• Un método común para unir el acero estructural es la soldadura.• La soldadura puede ser hecha en el taller o en campo.• Muchos fabricantes prefieren la soldadura sobre los tornillos.• La soldadura en campo se restringe en lo posible debido a las condiciones que se

requieren para obtener una buena soldadura.• Hay diferentes procesos de soldadura, tipos, y posiciones que deben ser considerados

en la construcción de edificios.

GENERALIDADES.

Una soldadura se define como la unión de dos piezas de metal conseguida mediante la aplicación de calor, con o sin fusión, con o sin adición de material de relleno y con o sin aplicación de presión.

Las más comunes y aceptadas en las NTC son las que se efectúan con fusión y sin aplicar presión.

“Soldadura de arco eléctrico (AE)” es un grupo numeroso de procesos que emplean un arco eléctrico como fuente de calor para fundir y unir los metales.

El AE con el que se transforma la energía eléctrica en calor, se crea al pasar una corriente eléctrica por una abertura en un circuito, entre la pieza que se va a soldar y la punta del electrodo.

CIRCUITO DE SOLDADURA DE ARCO

GENERALIDADES.El electrodo es una varilla o alambre que puede consumirse o no durante el

proceso, este se mueve a lo largo de la junta, en forma manual o mecánica, o permanece fijo mientras las piezas que se sueldan se mueven.

El AE se caracteriza por una temperatura alta y constante (6000 °C)

La corriente para el AE suele proporcionarse por una máquina que transforma la corriente de alto voltaje y bajo amperaje (línea ordinaria) en corriente de bajo voltaje y alto amperaje, mas segura y eficiente en calor.

Corriente directa a corriente alterna

El calor puede generarse por la resistencia al paso de una corriente en un circuito que él forma parte; la unión se consuma aplicando una presión.

La soldadura por resistencia se usa en la mayoría de los casos para unir láminas delgadas, de hasta 3 mm de grueso.

PROCESOS DE SOLDADURA.LOS CUATRO PROCESOS DE SOLDADURA DE ARCO ELÉCTRICO (AE):

1. SOLDADURA DE ARCO ELÉCTRICO CON ELECTRODO CUBIERTO (SMAW) SHIELDED METAL ARC WELDING

2. SOLDADURA DE ARCO ELÉCTRICO CON ELECTRODO SUMERGIDO (SAW) SUBMERGED ARC WELDING

3. SOLDADURA DE ARCO PROTEGIDA CON GASES (GMAW) GAS METAL ARC WELDING

4 SOLDADURA DE ARCO ELÉCTRICO CON ELECTRODO CON NÚCLEO FUNDENTE. (FCAW) FLUX CORE ARC WELDING

SOLDADURA DE ARCO METALICO PROTEGIDO

• La soldadura de arco metálico protegido (SMAW) es también conocida como soldadura manual

• Un arco eléctrico es producido entre el extremo de el electrodo recubierto y las partes de acero que serán soldadas

• El electrodo es un metal base cubierto con un recubrimiento• El recubrimiento del electrodo tiene dos propósitos:

• Formar una protección gaseosa para prevenir que las impurezas que hay enla atmósfera puedan introducirse en la soldadura.

• Contiene escoria que purifica el metal fundido.(AISC & NISD 2000)

Soldadura SMAW

SOLDADURA DE ARCO ELÉCTRICO CON ELECTRODO RECUBIERTO.SMAW (Shielded Metal Arc Welding)

La unión se logra por calor generado por AE (punta del electrodo de metal recubierto y el metal base)

No se emplea presión y si metal de relleno de la fusión del electrodo y en ocasiones de partículas metálicas que forman parte del recubrimiento.

El electrodo es una varilla de acero recubierta de materiales orgánicos o inorgánicos, o una mezcla de ambos.

En la practica se limita casi exclusivamente a soldar manualmente.

SOLDADURA DE ARCO ELÉCTRICO CON ELECTRODO RECUBIERTO. SMAW (Shielded Metal Arc Welding)

El recubrimiento produce gases que protegen al arco y el metal fundido de la atmósfera , proporciona agentes fundentes y materiales formando escorias que controlan la viscosidad del metal de soldadura y lo cubren mientras se solidifica, protegiéndolo de la oxidación, retrasando su enfriamiento y controlando la forma de la soldadura.

SMAW (Shielded Metal Arc Welding)

SOLDADURA DE ARCO ELÉCTRICO CON ELECTRODO SUMERGIDO.(SAW) Submerged Arc Welding

Se caracteriza por el empleo de corrientes eléctricas y velocidades altas, pueden usarse electrodos de diámetro grande y corrientes de varios miles de amperes (soldaduras grandes de un solo paso).

Gran penetración (fusión profunda) debajo del metal base.

A diferencia de la SMAW que se utiliza todas las posiciones, la automática o semiautomática de arco sumergido solo se puede hacer en posición plana y horizontal.

• La soldadura de Arco Sumergido (SAW) es solamente ejecutada por medios automáticos o semiautomáticos

• Electrodo metálico desnudo es alimentado por un carrete y depositado como material de relleno

• El haz de soldadura es protegido de la atmósfera circundante por un montículo de material granular fundible

• El resultado es una soldadura penetración más profunda que otros procesos• Solo las posiciones horizontal y plana pueden ser usadas

(AISC & NISD 2000)

Soldadura SAW

SOLDADURA DE ARCO ELÉCTRICO CON ELECTRODO SUMERGIDO.(SAW) Submerged Arc Welding

La unión se logra por medio del calor de uno o varios arcos eléctricos formado por uno o varios electrodos de metal y el metal base. La soldadura se protege con una capa de material granular fusible (fundente), sobre el metal.

No se emplea presión, el material de relleno se obtiene del electrodo(s) y a veces del fundente

El arco no se produce del aire, como en la soldadura manual con electrodo recubierto, pues en el extremo el electrodo está sumergido en el fundente, que se deposita en la junta antes de que llegue el alambre.

SOLDADURA DE ARCO PROTEGIDA CON GASES.(GMAW) Gas Metal Arc Welding

La unión se logra por medio del calor de un arco eléctrico formado por un electrodo de metal y el metal base, el se protege con un gas. Puede usarse o no presión y el material de relleno.

El gas fluye de una copa invertida colocada alrededor del electrodo y protege a éste, al arco y al metal fundido, de los efectos adversos del oxígeno y el nitrógeno del aire.

El flujo del gas desplaza el aire de alrededor del arco evitando que se formen óxidos, lo que elimina la necesidad de usar fundentes.

SOLDADURA DE ARCO PROTEGIDA CON GASES.(GMAW) Gas Metal Arc Welding

• Soldadura de Arco metálico con gas (GMAW) conocida como soldadura MIG • Es rápida y económica• Un alambre continuo se suministra dentro de la pistola soldadora• El alambre se funde y combina con el metal base para formar la soldadura• El metal fundido es protegido de la atmosfera por una cubierta de gas la cual es

suministrada a través de un conducto a la punta de la pistola soldadora.• Este proceso puede ser automatizado(AISC & NISD 2000)

Soldadura GMAW

SOLDADURA DE ARCO ELÉCTRICO CON ELECTRODO CON NÚCLEO DE FUNDENTE. (FCAW) Flux Core Arc Welding

El metal de aportación se proporciona por medio de un electrodo tubular continuo que contiene, en su centro, ingredientes que generan todo el gas necesario para proteger el arco, o parte de él; en el segundo caso se usa un gas auxiliar, que se introduce en el proceso de manera similar a como se hace en la soldadura protegida con gases.

El fundente del núcleo del electrodo puede estar compuesto por minerales, ferroaleaciones y materiales que proporcionan gases protectores, desoxidantes y escorias para dar forma a la soldadura. Los materiales del núcleo promueven la estabilidad del arco y mejoran las propiedades mecánicas y la forma de la soldadura.

SOLDADURA DE ARCO ELÉCTRICO CON ELECTRODO CON NÚCLEO DE FUNDENTE.(FCAW) Flux Core Arc Welding

• Soldadura de Arco con núcleo fundente (FCAW) es similar al proceso GMAW • La diferencia es que el tubo de acero tiene un núcleo central lleno de fundente• Con este proceso es posible soldar con o sin protección de gas

Esto es muy útil para condiciones extremas donde la protección del gas pueda ser afectada por el viento

(AISC & NISD 2000)

Soldadura FCAW

4. METAL DE APORTACIÓN Y SOLDADURA

COMPATIBLE CON METAL BASE.

METAL DE APORTACIÓN.

Al efectuar una soldadura se funde la región del metal base situada frente al electrodo, el metal base fundido se mezcla con el de aportación, que se encuentra también en estado líquido; cuando, posteriormente, se solidifica la mezcla de los dos metales, une las dos partes entre las que se colocó el metal de aportación.

La soldadura formada por varios metales, mezclados en estado líquido y solidificados, los dos factores son importantes en las propiedades finales; pueden ser poco o muy diferentes de las del metal base, puesto que la forman proporciones variables de ambos, y ha estado sometida a un ciclo térmico muy complejo.

El metal de aportación es el que proporciona una manera efectiva de controlar la composición final y las propiedades mecánicas de la soldadura.

Origen y comportamiento: Tres fuentes que contribuyen a su formación. El metal base (porcentaje variable) El de aportación, electrodo consumible (porcentaje mayor) El incluido en el fundente

Puede parecer que basta con utilizar un metal de aportación con misma composición química del base, pero no se alcanza el objetivo por las propiedades muy especiales que adquiere el base al fundirse y volver a solidificarse.

Todo esto es causa de que el metal de aportación deba tener una composición química especial.

Para elegir el más conveniente para soldar un acero determinado deben conocerse las propiedades de mayor importancia de la soldadura final.

El primer termino se considera casi siempre la resistencia, en la mayoría de los casos ha de ser igual a la del metal base, es poco común que se necesite soldadura apreciablemente mas resistente que el base, puede ser inclusive inconveniente, debido a que el aumento de resistencia es reducción de ductilidad, que ocasionan concentraciones de esfuerzos indeseables, incapaces de acompañar a su deformación del acero que los rodea. (deseable resistencia de soldadura igual a la del metal base)

Los electrodos se clasifican según su resistencia, diseñados para depositar un metal que combinado con el base fundido posea ductilidad y tenacidad adecuadas.

Propiedades de la soldadura de a cuerdo a su uso, ejemplo si la estructura queda expuesta a la intemperie sin protección, su resistencia a la corrosión ha de ser igual a la del metal base.

En estructuras aparentes es también importante que las soldaduras y el metal base adquieran el mismo color al oxidarse.

Otro aspecto es como trabajan las soldaduras a diferentes temperaturas y fatiga.

CLASIFICACION DE LOS ELECTRODOS.

Se aceptan cuatro procesos precalificados de soldadura de AE para edificios y puentes sin necesidad de efectuar prueba previa para demostrar su aplicabilidad.

La Sociedad Americana de la Soldadura (AWS) publicó especificaciones referentes a los electrodos, fundentes y gases que se utilizan en los cuatro procesos.

Clasificación de los materiales de aportación empleados en los dos primeros procesos (mas usados en México)

Proceso SMAW; Los electrodos usados están formados por una varilla recubierta con una capa de material que desempeña múltiples funciones durante la colocación de la soldadura

Soldaduras CLASIFICACIÓN DE LOS

ELECTRODOS

Su base son las propiedades mecánicas del metal de soldadura en condiciones finales de solidificación, sin someterse a tratamientos posteriores, las características de recubrimiento, las posiciones en que se utilizan y la corriente empleada.

Cada electrodo se designa con una letra E, inicial de electrodo, seguida de cuatro o cinco dígitos, Edcba ó Eedcba.

Los primeros dos o tres dígitos (ej.60 ó 110), indican su resistencia mínima a la ruptura en tensión del metal de soldadura, en kips.

El tercer o cuarto dígito, que es un 1, un 2 o un 4, indica la posición o posiciones en que pueden obtenerse soldaduras satisfactorias.

“1” electrodos adecuados en cualquier posición, plana horizontal, vertical o sobre cabeza.

“2” a los que pueden depositar soldaduras de penetración en posición plana y de filete en horizontal y plana.

“4” en E7048, indica que el electrodo es adecuado para soldaduras verticales depositadas de arriba hacia abajo.

Finamente los dos últimos dígitos, tomados en conjunto se refieren a las características de la corriente que debe emplearse y a la naturaleza del recubrimiento.

• El equipo de soldadura variara dependiendo del proceso de soldadura y si la soldadura es hecha en el taller o en campo

• Se muestra una máquina para soldadura (FCAW) de taller arriba a la izquierda• A la derecha una máquina para soldadura (SMAW) para soldadura de campo

Equipo de soldadura

5. CLASIFICACIÓN DE SOLDADURA.

TIPOS DE SOLDADURA

POSICIONES DE LA SOLDADURA

Soldadura de filete, ranura, tapón y muesca.

Filete Pen,completa bisel simple,

sold de ranura

Penetración parcial bisel simple

soldadura ranura

TapónPen completa doble v sol de

ranura

Penetración parcial simple J sol de ranura

• Los tipos de soldadura definen la configuración de la soldadura y subrayan aproximadamente su diseño.

• Las soldaduras de filete y de ranura son las de más uso común• Las soldaduras de ranura tienen dos categorías

Penetración completa – la sección transversal total del miembro es soldada Penetración parcial – solo una parte de la sección transversal del miembro es

soldada

(AISC)

TIPOS DE SOLDADURA ESTRUCTURAL

Soldadura de filete, ranura, tapón y muesca.

POSICIÓN PLANA.

Plana - La cara de la soldadura es casi horizontal y la soldadura se realiza desde arriba de la conexión.

POSICIONES DE LA SOLDADURA.

POSICIÓN HORIZONTAL.

Horizontal - El eje de la soldadura es horizontal.

POSICIÓN VERTICAL.

Vertical – El eje es casi vertical y la soldadura se realiza al mover el electrodo hacia arriba.

POSICIÓN SOBRE CABEZA.

Sobrecabeza – La soldadura se realiza desde abajo de la conexión.

La posición plana es la preferida porque

es más fácil y eficiente soldar en esa

posición.

(AISC & NISD 2000)

TIPOS DE UNIONES.

TIPOS DE UNIONES SOLDADAS CON BASE EN LA DISPOSICIÓN DE LOS ELEMENTOS CONECTADOS.

A topeTraslapada Esquina

TeBorde

• Son tipos de juntas estructurales, las cuales son establecidas por las posiciones relativas del material de unión.

• Las juntas traslapadas, te y a tope son las más comunes.

(AISC)

TIPOS DE JUNTAS.

• La mayoría de las soldaduras usadas son de filete• La sección transversal de las soldaduras de filete son teóricamente triangulares.• Las juntas de soldaduras de filete tienen dos superficies aproximadamente en

ángulos rectos, unos a otros en juntas traslapadas, te y de esquina.(AISC & NISD 2000)

SOLDADURAS DE FILETE.

Symbolic Profiles

Actual Profiles

• Las soldaduras de ranura se especifican cuando la soldadura de filete no es adecuada para esa unión. Porque la configuración de las piezas no permite la soldadura de filete. Se requiere una resistencia mayor que la provista por la soldadura de filete

• Las soldaduras de ranura son hechas en el espacio o ranura entre las dos piezas que serán soldadas.

(AISC & NISD 2000)

SOLDADURAS DE RANURA.

• La preparación en bisel o “J” se extiende sobre la mayoría o la totalidad de la cara del material que será unido

• Ocurre una fusión completa• En algunos casos de soldaduras de ranura de penetración completa, el material será

biselado de una lado de la placa hasta la placa separadora- llamada placa separadora

(AISC & NISD 2000)

PENETRACIÓN COMPLETA DE RANURA.

Las soldaduras en las juntas de Penetración Parcial se usan cuando no es necesario para la junta desarrollar la resistencia en la sección transversal total de los miembros que están siendo unidos.

(AISC & NISD 2000)

PENETRACIÓN PARCIAL DE RANURA.

• Son usados para representar los detalles y requerimientos específicos de soldadura al soldador

• Se incluyen en los dibujos de fabricación y montaje.

SÍMBOLOS DE SOLDADURA.

Línea principal

Línea horizontal

Símbolo básico de soldadura (Se muestra el símbolo de filete de soldadura)

Notas (Soldadura típica)

Longitud y espaciamiento (en pulgs)

Tamaño de soldadura(en pulgs)

Soldadura de campo

Soldaduras de filete junta traslapada

Símbolo de soldadura Soldadura deseada

SOLDADURAS DE FILETE MIEMBRO ARMADO

SOLDADURAS DE FILETE INTERMITENTES

SOLDADURAS DE PENETRACIÓN PARCIAL

CONEXIÓN COLUMNA PLACA BASE

SOLDADURAS DE PENETRACIÓN COMPLETA

SOLDADURAS DE TAPÓN

USOS TÍPICOS DE SOLDADURAS DE FILETE

5. Conexiones soldadas

USOS DE SOLDADURASDE FILETE

Empalmes

Conexiones de momento

Angulos de apoyo

Conexiones simples

Accesibilidad para Soldar• Agujeros de acceso son

requeridos en algunas soldaduras, tales como el patín soldado mostrado a la derecha El agujero de acceso

permite colocar una placa de respaldo, abajo del patín superior

El acceso del agujero inferior permite el acceso completo de soldadura en el ancho total del patín inferior

• Se muestra un agujero para soldadura para una conexión en el patín

ángulo de asiento

Agujeros para acceso de soldadura

Pl respaldo

Barra de extensión

(Adapted from AISC 2001)(Adapted from AISC 2002a)

• Debe evitarse la soldadura de campo debido a las siguientes condiciones:• Si esta lloviendo, nevando o hay temperaturas inferiores a 0° F• A ciertas temperaturas ambientes se requiere precalentar el material• AWS Code D1.1 (2004b) especifica un mínimo precalentamiento y temperaturas de

interface las cuales son diseñadas para evitar el agrietamiento

Influencia del Clima en la Soldadura

• Es importante para el soldador y aquellos que trabajan en el área del proceso de soldadura que sean conscientes de las medidas de seguridad

• El arco eléctrico nunca debe ser visto sin protección para los ojos• AWS pública muchas medidas de seguridad e higiene que pueden ser descargadas de la

siguiente página: www.aws.org

Seguridad para Soldar

Un soldador debe usar las protecciones apropiadas incluyendo:

Medidas de seguridad para soldar

• Casco• Careta y lentes• Guantes• Botas

• Camisa de cuero• Chaparreras de cuero

La soldadura en estructuras existentes durante el proceso de proyectos de reestructuración requiere consideraciones cuidadosas de numerosos factores:

Soldadura en estructuras existentes

• Determinar la soldabilidad – Identificar el grado del acero y establecer un procedimiento de soldadura

• Seleccionar y diseñar la soldadura-preferir soldaduras de filete y evitar sobre soldaduras• Preparación de las superficies – remover pintura, aceite y grasa• Cargas durante el refuerzo – Un ingeniero determinara las cargas sobre el miembro

estructural durante el calentamiento, soldado o cortado • Riesgo de Fuego – Cumplir los códigos, especificaciones y reglas de seguridad para

evitar el fuego.• Ver detalles en la Guía de Rehabilitación y refuerzo del AISC (2002b)

Inspección de la Soldadura

• Adicionalmente los programas de control de calidad de montaje, pruebas e inspecciones serán avaladas por el Ingeniero o la autoridad responsable

• Un inspector puede pedir pruebas adicionales que aquellas que fueron ejecutadas por el Ingeniero Responsable

• Algunos problemas que pueden ser encontrados en las soldaduras son:

Falta de fusión Porosidad

Grietas Penetración insuficiente

• Hay algunas inspecciones y pruebas de soldaduras que son comunes

Tamaño erróneo Pobre mano de obra

INSPECCION DE SOLDADURAS.

• INSPECCIÓN VISUAL.

• PARTÍCULAS MAGNÉTICAS.

• RADIOGRAFÍA.

• LÍQUIDOS PENETRANTES.

• ULTRASONIDO.

• La inspección visual es la más frecuente y única inspección a menos que la especificación requiera un método de inspección más rigurosa

• La inspección al soldador será hecha antes, durante y después de soldar• Cuando una inspección externa es requerida, ésta deberá ser hecha antes, durante y

después de soldar.• Problemas menores pueden ser identificados y corregidos antes de que se complete la

soldadura

(AISC & NISD 2000)

INSPECCIÓN VISUAL.

INSPECCIÓN POR LÍQUIDOS PENETRANTES.

• Un líquido con altas características de humectación superficial es aplicado a la superficie de la parte, y permitiendo un tiempo para que entre en discontinuidades abiertas a la superficie.

• El exceso de líquido es removido de la superficie de la parte.• Un revelador es aplicado, para extraer el penetrante atrapado en la

discontinuidad y formar una indicación sobre la superficie, que pueda ser vista.

• La prueba de líquidos penetrantes localiza grietas diminutas y porosidad• Diferentes tipos de tinte pueden ser usados incluyendo:

Tintura de color – la tintura saldrá a la superficie delineándola en forma visible Tintura fluorescente – la cual se mostrara bajo el examen con luz negra

• La tintura es normalmente aplicada por un spray directamente a la soldadura

(AISC & NISD 2000)

Prueba de líquidos penetrantes

• Inspección de partículas magnéticas usa polvo de partículas magnéticas para indicar defectos en el material magnetizado

• Un campo magnetizado es inducido en la parte soldada• El polvo magnético es atraído a las grietas cercanas a la superficie

(AISC & NISD 2000)

Partículas mágneticas

INSPECCIÓN POR PARTÍCULAS MAGNÉTICAS.

La parte es magnetizada. Partículas de hierro finamente fabricadas y pigmentadas, son aplicadas a la superficie de la pieza. Estas partículas son atraídas a la fuga de campo magnético y se acumulan para formar una indicación directamente sobre la discontinuidad. Esta indicación puede ser visualmente detectada bajo condiciones adecuadas de iluminación.

INSPECCIÓN POR RADIOGRAFÍA.

La parte es colocada entre la fuente de radiación y la película. La pieza absorbe parte de la radiación.Espesores gruesos y áreas más densas absorben mayor radiación.El ennegrecimiento de la película (densidad), varía con la cantidad de radiación que llega a la película a través del objeto de prueba.

• Inspección radiográfica o rayos X se usa también para detectar defectos en las soldaduras

• Rayos invisibles penetran el metal y revelan defectos en la radiografía o en la pantalla fluorescente (arriba)

• Este es el método de inspección más costoso

(AISC & NISD 2000)

RADIOGRAFÍAS.

• La soldadura de filete es menos cara que la soldadura de penetración No requiere preparaciones especiales No requiere placa de respaldo Menos volumen de soldadura La soldadura de ranura de penetración parcial es menos cara que la

soldadura de ranura de penetración completa

• La mano de obra representa el mayor costo asociado con la soldadura

Costos de Soldadura

• Atornillar es generalmente una operación más rápida que la soldadura• El atornillar no tiene condiciones de requerimientos de temperatura y clima que están

asociados con la soldadura• Un cambio inesperado del clima puede demorar las operaciones de soldado

Consideraciones de programación en las soldaduras y tornillos

Acero estructural : El material a seleccionar

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6. DIMENSIONES EFECTIVAS DE LAS

SOLDADURAS.

7. TAMAÑO MÍNIMO DE SOLDADURAS DE

PENETRACIÓN PARCIAL.

Soldadura de penetración (tamaño mínimo ver Tabla J2.3, sección J2.1b)

te = T1

te = T

te = D – 1/8”

45° ≤ a < 60°

GMAW, FCAW, posiciones v y s

te = D

60° ≤ a

Tamaño de soldadura

• El tamaño de la soldadura debe ser el especificado en los dibujos.• Algunas soldaduras pueden cumplir con el tamaño con una simple pasada.• Soldaduras más grandes pueden requerir múltiples pasos..• Soldaduras simples con un solo paso incluyen soldaduras de filete hasta 5/16 plgs y

soldaduras de ranura sin preparación para placas delgadas.• Soldaduras de múltiples pasos incluyen soldaduras de ranura de penetración completa y

parcial de bisel simple y soldaduras de filete hasta 5/16 plgs.• La soldadura de la foto es una soldadura de filete de múltiples pasos.

8. SOLDADURA DE FILETE.

La sección transversal de una soldadura de filete típica es un triángulo recto con piernas iguales y el tamaño del filete de soldadura es el tamaño de la pierna.

Aaaaaaaa

SOLDADURA DE FILETE.

En el caso de una soldadura de filete cóncava o convexa el tamaño de la pierna se mide mediante el triángulo recto más grande que se puede inscribir dentro de la soldadura.

Las soldaduras de filete aumentan en dieciseisavos de pulg, de 1/8 hasta ½ pulg y en octavos d pulg para tamaños mayores a ½.

Tamaño de soldadura práctica más pequeña 1/8 de pulg.Tamaño más económico probablemente es 5/16 de pulg.

El tamaño máximo de una soldadura de filete esta determinado por el espesor del borde del miembro a lo largo del cual se deposita la soldadura.

Wmax = tp para tp < 1/4 de pulg. ≤ tp – 1/16 para tp ≥ 1/4 de pulg.

Longitud efectiva Lw es la distancia extremo a extremo de todo el filete, medido de forma paralela a su línea de raíz.

Por lo tanto la longitud efectiva es la longitud total menos dos veces el tamaño nominal de la soldadura, para considerar los cráteres.

Lw ≥ Lw,min = 4w o we = Lw /4.Área efectiva, Aw = Lw te

Soldadura intermitente solo se realiza mediante el proceso SMAW.

No es recomendable para soldaduras expuestas.

No se permiten soldaduras intermitentes de ranura.

La longitud efectiva Lw debe ser:

Lw ≥ máx(4w; 1 ½ pulg)

Soldaduras longitudinales, transversales e inclinada.

Soldaduras de filete longitudinal sometidas a esfuerzos cortantes máximos en la garganta a 45 grados.

Soldaduras de filete transversales la garganta se ve sujeta a esfuerzos cortantes como de tensión (o de compresión).

Soldadura transversal más fuerte que la longitudinal

Soldadura de fileteTamaño mínimo ver Tabla J2.4Tamaño máximo

t ≤ 1/4”: tt > 1/4”: t-1/16”lw ≥ 4w

0,707a = te

Soldadura de filete: Tamaño mínimo de soldaduras

9. SOLDADURA DE TAPÓN.

Soldaduras de tapón y de muesca.

Están limitadas a la transferencia de cargas de cortante en planos de unión paralelos a las superficies de contacto.

SOLDADURA DE TAPON.

El espesor de las soldaduras de tapón o de muesca en materiales hasta de 5/8 pulg de espesor debe ser igual al espesor de la placa.

En materiales de mas de 5/8 de pulg de espesor, la soldadura debe tener un espesor de al menos la mitad del espesor del material, pero no menor a 5/8 de pulg.

Por lo tanto:w = tp para tp ≤ 5/8 de pulg. ≤ máx(tp / 2, 5/8 de pulg) para tp > 5/8 de pulg.

SOLDADURA DE TAPON.

El ancho de una ranura para la soldadura de muesca no pueden ser menor que el espesor de la parte que la contiene, mas 5/16 de pulg. También, el espesor debe ser menor o igual a 2 ¼ veces el espesor de la soldadura, w. El valor seleccionado se convierte en un múltiplo non de 1/16 de pulg. La longitud máxima permitida para una soldadura de muesca es 10 veces el espesor de la soldadura.

Por lo tanto:dsw,mín = tp + 5/16; dsw,máx = mín(dsw,mín + 1/16 de pulg;2 ¼w)dsw,mín ≤ dsw ≤ dsw,máx

Lsw ≤ 10 w; rh ≥ tp

stsw ≥ 4 dsw; slsw ≥ 2 Lsw

SOLDADURA DE TAPON.

10. RESISTENCIA DE DISEÑO.

Suposiciones:1.- La falla se presenta siempre por cortante en la garganta,cualquiera que sea el tipo de solicitación.2.- Las fuerzas cortantes se distribuyen uniformemente en la superficie de falla, en toda la longitud delcordón.3.- Los filetes longitudinales y transversales tienen la misma resistencia (los transversales resisten entre 30% a 50% más).

RESISTENCIA DE LAS SOLDADURAS.

Fig. 13 Soldaduras de filete longitudinales y transversales

Fig. 14 Esfuerzos en soldaduras de filete cargadas longitudinalmente

Fig. 15 Esfuerzos en soldaduras de filete cargadas transversalmente

D Tamaño de la pierna.

L Longitud de la soldadura.

Fu Esfuerzo mínimo de ruptura.

• RESISTENCIAS.

Hipótesis:

1.- El material de las soldaduras es elástico, homogéneo e isótropo.2.- Se desprecia las deformaciones de las partes conectadas.3.- Solamente se tienen en cuenta los esfuerzos de las cargas exteriores, ignorando los esfuerzos residuales y las concentraciones de esfuerzos.4.- La respuesta de la soldadura es elástica hasta la falla.5.- Los esfuerzos se calculan con las fórmulas de la resistencia de materiales.6.- Las acciones nominales totales se obtienen sumando vectorialmente los producidos por cada solicitación.7.- El tamaño de filete se selección en función del esfuerzo máximo.

DISEÑO DE LAS SOLDADURAS DE FILETE.

• ESFUERZOS COMBINADOS.

Fig. 16 Soldadura con una condición de carga compleja

11. COMBINACIONES DE DISEÑO.

Grupos colineales o paralelos de filetes cargados a través del centro de gravedad

1,5w EXXF 0,60F 1 0,5 sin

Grupos de soldaduras de filete (método plástico)

1,5w EXX

i i u crit

F 0,60F 1 0,5 sin f p

f p p 1,9 0,9p

0,209 2 w

1,087 6 w 0,17w

inx wix wi ny wiy wiR F A R F A

Grupos de filetes longitudinales y transversales cargados a través del centro de gravedad

n wl wt wl wtR max R R ,0,85R 1,5R

DISEÑO DE LAS SOLDADURAS DE FILETE.PROPIEDADES GEOMETRICAS.

Electrodo E60XXσp =0.3 x 60,000 lb/in2 = 18,000 lb/in2 = 1266 kg/cm2.

Electrodo E70XXσp =0.3 x 70,000 lb/in2 = 21,000 lb/in2 = 1476 kg/cm2.

SOLDADURAS DE FILETE.

• RESISTENCIAS PERMISIBLES kg/cm.

• Las soldaduras pueden ser cargadas por cortante, tensión, compresión o por una combinación de ellas

• Las capacidades para soldadura están dadas en la especificación del AISC J2 (2005)• La resistencia de la soldadura depende de múltiples factores: metal base, metal de

aportación, tipo de soldadura, tamaño de la soldadura y garganta.

Resistencia de Soldaduras Estructurales

(Part of Table J2.5 AISC 2005)

Resistencia de diseño de las soldadurasSe determina de acuerdo secc. J2, J4 y J5 del LRFDVerificar 2 estados limite de resistencia (metal de aportación y metal base –

J2.5 LRFD), rige la menor Rd = mín [ Rdw, RdBM ]

Resist. diseño del metal de soldadura es (J2.4):

Rdw: Resist. diseño de soldadura (E.L. Falla del metal de aportación)Aw: Área efectiva sección transv. de soldadura.f = factor de resistencia = 0.75Fw : Resist. Nominal del material del electrodo.

Resist. diseño del material base es:

RdMB: Resist. diseño de soldadura (E.L. Falla del material base)ABM: Área efectiva sección transversal del material base.f = factor de resistencia = 0.75FBM : Resist. Nominal del material base.

dw w w

R F AA t L

dBM MN BMR F Af

Soldaduras de penetración parcialTracción o compresión normal al eje de la soldadura

en elementos diseñados para contacto Metal base

f = 0.9 W = 1.67

Soldadura

f = 0.8 W = 1.88

n y e wR F t l

n EXX e wR 0,60F t l

Resistencia de diseño LRFD

Soldaduras de penetraciónCorte Metal base: ver sección J4

Soldadura

f = 0.75 W = 2.00

Soldaduras de fileteCorte Metal base: ver sección J4 Soldadura

f = 0.75 W = 2.00

Soldadura de tapónCorte Metal base: ver sección J4 Soldadura

f = 0.75 W = 2.00

n EXX taponR 0,60F A

Resistencia de Soldaduras Estructurales

Ejemplos: Resistencia de diseño de soldaduras

Resistencia de filete

Resistencia de soldaduras de filete.

Determine la resistencia de diseño a cortante de una soldadurade filete de 5/16 de pulg., de 4 pulg. de largo. Suponga que setrata del proceso SMAW y de electrodos E70. Suponga tambiénque la carga aplicada pasa a través del centro de gravedad dela soldadura . Considere: a)una soldadura longitudinal, b)unaSoldadura transversal, c)una soldadura oblicua, con la cargaInclinada 30° con respecto al eje de la soldadura. Utilice: 1) latabla J2.5 del LRFDS; 2)el apéndice J2.4 del LRFDS.

Solución.Tamaño de la soldadura, w = 5/16 pulgLongitud efectiva, Lw = 4.0 pulg

Proceso SMAW. De la ecuación 6.16.2, espesor efectivo degarganta

Electrodos E70. Por lo que FEXX = 70.0 ksiComo se dan los detalles, suponga que el metal base no controla el diseño de la soldadura.1. Resistencia con base en la tabla J2.5 del LRFDS

Con este criterio, la resistencia de diseño de la soldaduraes independiente de la orientación de la carga aplicada. Dela ecuación 6.19.4, la resistencia de diseño de la soldadurade filete es

(Resp.)

50.707 0.707 0.22116et w

0.45 0.45 70.0 0.221 4.0

027.9dw EXX e wR F t L

2. Resistencia de diseño con base en la tabla J2.4 del LRFDSLa resistencia de diseño de una soldadura lineal cargadaen el plano a través del centro de gravedad al utilizar laecuación 6.19.11(o del apéndice J2.4 del LRFDS) es:

donde es la inclinación de la carga, medida a partir del eje de la soldadura.

a) Soldadura longitudinal,Para la soldadura longitudinal,

(Resp.)

0.45 1.0 0.50

0.45 70 0.221 4.0 1.0 0.50

27.85 1.0 0.50

d EXX e wR F t L sen

0 0.0sen

0 27.85 1.0 0.0 27.9dR kips

b) Soldadura transversalPara la soldadura transversal,

(Resp.)

c) Soldadura oblicuaPara la soldadura oblicua,

(Resp.)

Observe que la soldadura transversal es 50% más fuerte quela soldadura longitudinal y la soldadura oblicua 17.7%. Observetambién que el método de diseño (tradicionalmente utilizado)dado en la tabla J2.5 del LRFDS desprecia esta resistenciaadicional.

90.0 1.0sen

1.50 27.85 1.0 0.50 1.0 41.8dR kips

30 0.50sen

1.530 27.85 1.0 0.50 1.0 32.8dR kips

Ejemplo: Resistencia de diseño a cortante (filete)

Resistencia de diseño a cortante de una longitud unitaria, de 1/16”, de una soldadura de filete producida mediante el proceso de soldadura de arco metálico protegido (SMAW) al usar electrodos E70.

d(1/16) e e

d(1/16)

W 0.45 (70) t 31.5 t 31.5 (0.707w)

W 22.27 (1/ 16) 1.392 kip

Ejemplo: Resistencia de diseño a cortante (filete)

Como la resistencia de una soldadura de filete SMAWes proporcional al tamaño de la pierna w, para una sol-dadura de filete E70 se tiene:

W 1.392 D : resist diseño a cortante por unidad

de longitud de tamaño w.DD: numero de dieciseisavos de pulg. w16

Ejemplo : E70 de 3/8"W =1.392 6 8.35 kip

Resistencia de diseño a cortante (filete)

Soldadura de tapón.Determine la resistencia de diseño de una soldadura de tapónque una placa de ½ pulg mediante el proceso SMAW conelectrodos E70.Solución

Espesor de la placa, 1/2 pulg < 5/8 pulgEntonces de la ecuación 6.16.8, el espesor de la soldadura de tapón, 1/2 pulgSi dpw es el diámetro del agujero, de las ecuaciones 6.16.9:

,min5 1 5 13

16 2 16 16pw pd t

,max ,1 1,28 4pw pw mínd mín d w

Soldadura de tapón.

Seleccione el tamaño menor, es decir, dpw=13/16 pulg

Área de cortante, pulg

De la ecuación 6.19.12, la resistencia de diseño de la soldadura de tapón es:

(Resp)

0.45dw EXX wR F A

13 1 9 1 15 18 15, ,16 8 4 2 16 16 16

mín mín

22 13 0.519

4 4 16w pwA d

0.45 70.0 0.519 16.3 kips

Conexiones Soldadas Ejemplos.

Ing. Alfredo Carlos Arroyo Vega

Guanajuato, Guanajuato. Marzo 2015

1. RESISTENCIA DE LAS SOLDADURAS.

1. Resistencia de las soldaduras.

• El esfuerzo de un filete se considera igual a la carga dividida entre el área efectiva de la garganta de la soldadura sin tomar en cuenta a dirección de la carga

• Las soldaduras de filete transversales son mas fuertes que las longitudinales.

• El método de determinar la resistencia de los filetes a lo largo de sus ejes longitudinales independientemente de la dirección de la carga tiene por objetivo simplificar los cálculos.

2. REQUISITOS DEL LRFD.

2. Requisitos del LRFD.

La tabla J2.5 de las especificaciones del AISC proporciona las resistencias nominales de varios tipos de soldaduras incluyendo las de filete, de tapón, de muesca y las de ranura con penetración completa y parcial.

2. Requisitos del LRFD.

Además de los esfuerzos nominales dados en la tabla J2.5 existen otras recomendaciones del LRFD aplicables a la soldaduras; algunas de las mas importantes son las siguientes:

1. La longitud mínima de una soldadura no debe ser menor de 4 veces la dimensión nominal del lado de la soldadura.

2. Esta sección contiene los requerimientos para el diseño de conexiones soldadas compuestas de miembros con forma de producto tubular o no tubular.

3. Los filetes permisibles mínimos se dan en la tabla J2.4 de las especificaciones AISC.

4. Cuando deban usarse remates de extremos para las soldaduras de filete se debe aplicar la especificación J2.2b del AISC exige requisitos específicos.

5. Las especificaciones J2.2b del AISC establece que las soldaduras de filete deberán terminarse en los extremos o lados de las partes de los miembros.

6. Cuando se usan soldaduras de filete longitudinales para la conexión de placas o barras, sus longitudes no deben ser menores que la distancia perpendicular entre ellas.

7. En juntas traslapadas, el traslape mínimo es igual a 5 veces el espesor de la parte mas delgada conectada, pero no debe ser menor de 1 pulg.

1. Diseño de soldadura de filete simple.

Diseño de soldadura de filete simple.

Cuando longitud real de la soldadura (l) sobrepasa 100 veces el tamaño de la soldadura de filete (w), la especificación del AISC (J 2.2 b) establece que debido a la variación del esfuerzo a lo largo de la soldadura, es necesario determinar un valor menor de la longitud efectiva para la determinación de la resistencia de la soldadura. Esto se hace multiplicando l por el coeficiente b, que se obtiene de la siguiente ecuación.

Cuando se sobrepasa el valor de 300 w, la longitud efectiva se toma con el valor de 180 w.

l1.2 0.002 1.0w

a) Determine la resistencia de la soldadura de filete con un espesor de 1/4 pulg. con electrodos E70, suponga que la carga es aplicada en forma paralela a la soldadura.

b) Repita la parte a) pero con una longitud de 20 pulg.c) Repita la parte a) pero con una longitud de 30 pulg.

Solución.

a) Rn = Fnw Awe = (0.6 x 70) (1/4 x 0.707 x 1.0) = 7.42 klb / pulg

b) Longitud de 20 pulg.

LRFD f = 0.75 ASD W = 2.00f Rn = (0.75) (7.42)f Rn = 5.56 klb / pulg

Rn / W = 7.42 / 2.00Rn / W = 3.71 klb / pulg

LRFD ASD

l / w = 20 / (1/4) = 80 < 100

b = 1.0

f Rn L = (5.56) (20)f Rn L = 111.2 klb

l / w = 20 / (1/4) = 80 < 100

b = 1.0

Rn / W x L = (3.71) (20)Rn / W x L = 74.2 klb

Solución.

c) Longitud de 30 pulg.

LRFD ASD

l / w = 30 / (1/4) = 120 > 100

b = 1.2 – (0.002) (120)b= 0.96

f Rn b L = (5.56) (0.96) (30)f Rn b L = 160.1 klb

l / w = 30 / (1/4) = 120 > 100

b = 1.2 – (0.002) (120)b= 0.96

(Rn / W) b L = (3.71)(0.96)(30)(Rn / W) b L = 106.8 klb

Diseñe la conexión mostrada en la figura, utilizando placas de acero A 572 Gr. 50, electrodos E70, use un filete de 7/16 pulg fabricada con proceso SMAW.

Solución.

Esfuerzo de la soldadura

Fwe Awe = (0.6 x 70) (1/4 x 0.707 x 20) = 259.8 klb

Checando la relación de longitud y espesor

L / w = 10 / (7/16) = 22.86 < 100

No se requiere reducción del esfuerzo b = 1.0

LRFD f = 0.75 ASD W = 2.00f Rn = (0.75) (259.8)f Rn = 194.9 klb

Rn / W = 259.8 / 2.00Rn / W = 129.9 klb

Solución.

Checando la tensión en la placa

Rn = Fy Ag = (50) (3/4 x 10) = 375 klb

LRFD ft = 0.90 ASD Wt = 1.67

ft Rn = (0.90) (375)ft Rn = 337.5 klb

Rn / Wt = 375 / 1.67Rn / Wt = 224.6 klb

Solución.

Checando la ruptura en la placa

Ae = U Ag

Como la longitud de la soldadura es 10 pulg. Y la distancia entre ellas es igual, U = 0.75 (ver caso 4, AISC tabla D3.1)

Ae = (0.75) (3/4 x 10) = 5.62 pulg2

Rn = Fu Ae = (65) (5.62) = 365.3 klb

LRFD Ans = 194.9 klb ASD Ans = 129.9 klb

LRFD ft = 0.75 ASD Wt = 2.00

ft Rn = (0.75) (365.3)ft Rn = 337.5 klb

Rn / Wt = 365.3 / 2.00Rn / Wt = 224.6 klb

Usando acero A 572 Gr. 50, electrodos E70 y con proceso SMAW diseñe la conexión a plena capacidad de carga mostrada en la figura.

Solución.

Esfuerzo de la sección.

Rn = Fy Ag = (50) (3/8 x 6) = 112.5 klb

LRFD ft = 0.90 ASD Wt = 1.67

ft Rn = (0.90) (112.5)ft Rn = 101.2 klb

Rn / Wt = 112.5 / 1.67Rn / Wt = 67.4 klb

Solución.

Tensión de ruptura en la sección

Ae = U Ag

En forma conservadora, U = 1.0

Ae = (1.0) (3/8 x 6) = 2.25 pulg2

Rn = Fu Ae = (65) (2.25) = 146.2 klb

La tensión es controlada por la fluencia.

LRFD ft = 0.75 ASD Wt = 2.00

ft Rn = (0.75) (146.2)ft Rn = 109.6 klb

Rn / Wt = 146.2 / 2.00Rn / Wt = 73.1 klb

Solución.

Diseño de la soldadura

• Tamaño máximo de la soldadura = 3/8 – 1/16 = 5/16 pulg.

• Tamaño mínimo de la soldadura = 3/16 pulg. (tabla J2.4)

Usando soldadura de 5/16 pulg. (tamaño máximo que puede realizarse en un solo pase)

Rn = Fw Awe = (0.6 x 70) (5/16 x 0.707) = 9.28 klb/pulg

LRFD f = 0.75 ASD W = 2.00f Rn = (0.75) (9.28)f Rn = 6.96 klb/pulg

Rn / W = 9.82 / 2.00Rn / W = 14.64 klb/pulg

Solución.

LRFD f = 0.75 ASD W = 2.00

Soldadura requerida = 101.2/6.96 = 14.54 pulg o 7.5

pulg de cada lado

l / w = 7.5 / (5/16) = 24 < 100OK b = 1.0

Soldadura requerida = 67.4/4.64 = 14.53 pulg o 7.5

pulg de cada lado

l / w = 7.5 / (5/16) = 24 < 100OK b = 1.0

Usar longitud de soldadura de 7.5 en cada lado.

a) Diseñe por LRFD y ASD la siguiente soldadura filete de 1/4 pulg, electrodos E70 y con proceso SMAW, mostrada en la figura. La carga es aplicada en el eje de la soldadura.

b) Repita la parte a) pero ahora aplicando la carga con un ángulo de 45° mostrada en la figura.

Solución.

a) Carga aplicada paralelamente al eje de las soldaduras.

Rn = Fnw Awe = (0.6 x 70)(0.707 x 1/4 x 24) = 178.4 klb

Rn / W = 178.4 / 2.00Rn / W = 89.2 klb

Solución.

b) Carga aplicada a 45°.

Rn = Fnw Awe = (0.6 x 70)(1 + 0.5 sen1.5 45°)(0.707 x 1/4 x 24)Rn = 231.4 klb

Los resultados de la parte b) dan una diferencia del 30% con respecto a la parte a).

Rn / W = 231.4 / 2.00Rn / W = 115.7 klb

5. Diseño de soldadura de filete longitudinal y

transversal.

Diseño de soldadura de filete longitudinal y transversal.

Para este problema, consideraremos las soldaduras de filete de la siguiente figura.

Para determinar la resistencia nominal total de las soldaduras, parece lógico que deberíamos sumar la resistencia nominal de las soldaduras laterales y calculada con Rn = Fw Aw y con Fw = 0.60 FEXX y la resistencia nominal de la soldadura transversal se calcula con la siguiente expresión Rn = 0.60 FEXX (1.0 + 0.50 sin1.5 ) Aw

Sin embargo este no es el procedimiento correcto, porque debido a la menor ductilidad de la soldadura transversal alcanzara su capacidad ultima de deformación antes que las soldaduras longitudinales alcancen sus resistencias máximas.

5. Diseño de soldadura de filete longitudinal y transversal.

Diseñe por LRFD y ASD la siguiente soldadura filete de 5/16 pulg, electrodos E70 como se muestra en la figura.

Solución.

Garganta efectiva.

t = (0.707) (5/16) = 0.221 pulg.

Soldadura longitudinal:Rwl = Rn = Fnw Awe = (0.6 x 70)(2 x 8 x 0.221) = 148.5 klb

Soldadura transversal:Rwt = Rn = Fnw Awe = (0.6 x 70)(10 x 0.221) = 92.8 klb

Solución.

Aplicando ecuaciones J2-10a y J2-10b del AISC.

Rn = Rnwl + Rnwt = 148.5 + 92.8 = 241.3 klb

Rn = 0.85 Rnwl + 1.5 Rnwt = (0.85) (148.5) + (1.5) (92.8) = 265.4 klb

LRFD f = 0.75 ASD W = 2.00f Rn = (0.75) (265.4)f Rn = 199 klb

Rn / W = 265.4 / 2.00Rn / W = 132.7 klb

6. Diseño de soldadura de filete para miembros de

armaduras.

Diseño de soldadura de filete para miembros de armaduras.

En el caso de los miembros de una armadura soldada consisten en ángulos simples, ángulos dobles o perfiles similares y que están sometidas a cargas estáticas axiales solamente.

Las especificaciones del AISC permiten que la conexión sea diseñada por el procedimiento descrito anteriormente.

Cabe señalar que los centroides de la soldadura y de la carga estática en el perfil no coinciden en la conexión, lo que provoca una variación del esfuerzo en los elementos de la conexión (ocurre comúnmente en elementos de puentes.), se considera necesario colocar las soldaduras de modo que su centroide coincida con el centroide del miembro (de otra manera la torsión resultante debe considerarse en el diseño).

6. Diseño de soldadura de filete para miembros de armaduras.

Con acero A36, electrodos E70 y el proceso SMAW, diseñe la soldadura de filete para los lados y extremo de un ángulo de 6 x 4 x 1/2 pulg. que trabaja como tirante a capacidad plena, con el lado mayor recargado. Supóngase carga estática.

Solución.

• Capacidad a tensión del ángulo = ft Fy Ag = (0.9) (36) (4.75)= 153.9 klb

• Tamaño máximo de la soldadura = 1/2 – 1/16 = 7/16 pulg.• Tamaño mínimo de la soldadura = 3/16 pulg. (tabla J2.4)

Use soldadura de 5/16 pulg. (tamaño máximo que puede realizarse en un solo pase)

Espesor efectivo de la garganta = (0.707) (5/16) = 0.221 pulg.

Resistencia de diseño de la soldadura de extremo = (0.75) (0.60 x 70) (0.221) x (1 + sen1.5 90°) (6) = 62.7 klb

Carga tomada por las soldaduras laterales = 153.9 – 62.7 = 91.2 klb

Solución.

Resistencia de diseño / pulg de las soldaduras laterales = (0.75) (0.60 x 70) (0.221) x (1) = 6.96 klb/pulg

Longitud requerida 91.2/6.96 = 13.10 pulg.

Digamos 6 1/2 pulg. En cada lado.

Coloque la soldadura como se muestra en la figura.

7. Diseño de soldadura de filete para miembros de

armaduras.

7. Diseño de soldadura de filete para miembros de armaduras.

Utilizando acero A572 Gr. 50, electrodos E70 y el proceso SMAW, diseñe las soldaduras de filete para el miembro a tensión trabajando a capacidad plena constituido por un ángulo de 5 x 3 x 1/2 pulg. mostrada en la figura. Suponga que el miembro estará sujeto a una variación repetida de esfuerzos, volviendo inconveniente cualquier excentricidad, en la conexión. Revise la resistencia del miembro por bloque de cortante. Asuma U = 0.87

Solución.

• Capacidad a tensión del ánguloPn = Fy Ag = (50) (3.75) = 187.5 klb

Ae = U Ag = (0.87) (3.75) = 3.26 pulg2

Pn = Fu Ae = (65) (3.26) = 211.9 klb

LRFD ASDpara Fy, ft = 0.9 para Fy, Wt = 1.67

ft Pn = (0.9) (187.5)ft Pn = 168.7 klb

Pn / Wt = 187.5/1.67Pn / Wt = 112.3 klb

para Fu, ft = 0.75 para Fu, Wt = 2.00

ft Pn = (0.75) (211.9)ft Pn = 158.9 klb

Pn / Wt = 211.9/2.00Pn / Wt = 105.9 klb

Solución.

• Tamaño máximo de la soldadura = 1/2 – 1/16 = 7/16 pulg.

Use soldadura de 5/16 pulg. (tamaño máximo que puede realizarse en un solo pase)

Espesor efectivo de la garganta = (0.707) (5/16) = 0.221 pulg.

Solución.

LRFD ASD

Diseño de soldadura de 5/16 pulg. (ft = 0.75)

= (0.75) (0.60 x 70) (0.221) x (1)

= 6.96 klb/pulg

Longitud de soldadura requerida =158.9 / 6.96

= 22.83 pulg.

Tomando momento en el punto A de la figura

Diseño de soldadura de 5/16 pulg. (Wt = 2.00)

= (0.60 x 70) (0.221) x (1) / 2.00

= 4.64 klb/pulg

Longitud de soldadura requerida =105.9 / 4.64

= 22.82 pulg.

Tomando momento en el punto A de la figura

Solución.

LRFD ASD

(158.9) (1.74) – 5.00 P2 = 0

P2 = 55.3 klb

L2 = 55.3 / 6.96 = 7.95 pulg(digamos 8 pulg.)

L1 = 22.83 -7.95 = 14.88 pulg.(digamos 15 pulg.)

(105.9) (1.74) – 5.00 P2 = 0

P2 = 36.85 klb

L2 = 36.85 / 4.64 = 7.94 pulg(digamos 8 pulg.)

L1 = 22.82 -7.94 = 14.88 pulg.(digamos 15 pulg.)

Solución.

Arreglo de la soldadura se muestra en la siguiente figura:

Solución.

Checando el bloque de cortante, asumiendo las dimensiones anteriores.

Rn = 0.6 Fu Anv + Ubs Fu Ant ≤ 0.6 Fy Agv + Ubs Fu Ant 0.6 Fy

Rn = (0.6) (65) (15 +8) (1/2) + (1.00) (65) (5 x 1/2)≤ (0.6) (50) (15 +8) (1/2) + (1.00) (65) (5 x 1/2)

Rn = 611 klb ≤ 507.5 klb

LRFD ASD

ft Rn = (0.75) (507.5)

ft Rn = 380.6 klb > 158.9 klbOK

Rn / Wt = 507.5 / 2.00

Rn / Wt = 253.8 klb > 105.9 klbOK

8. Diseño de soldadura de filete y ranura.

Diseño de soldadura de filete y ranura.

En algunas ocasiones el espacio disponible para la soldadura de filete no es suficiente para soportar la carga total de diseño.

En la figura anterior se presenta este tipo de caso, usando una soldadura de filete máximo de 7/16, esta no es capas de resistir la carga de diseño y asumiendo que por espacio no puede utilizarse soldadura transversal en el final de la placa.

Una solución a este problema es utilizar soldadura de ranura que deben cumplir las especificaciones de AISC.

8. Diseño de soldadura de filete y ranura.

Diseñe utilizando el proceso SMAW la soldadura de filete que conecta las placas mostradas en la figura, con las siguientes cargas PD = 110 klb, PL = 120 klb, acero A572 Gr. 50, electrodos E70.

Solución.

Tamaño máximo de la soldadura = 1/2 – 1/16 = 7/16 pulg.

Garganta efectiva t = (0.707) (7/16) = 0.309 pulg

Rn = Fw Awe = (0.6 x 70) (2 x 8 x 0.309) = 207.6 klb

LRFD f = 0.75 ASD W = 2.00

Pu = (1.2) (110) + (1.6) (120)Pu = 324 klb

f Rn = (0.75) (207.6)f Rn = 155.7 klb

Pa = 110 + 120Pa = 230 klb

Rn / W = 207.6 / 2.00Rn / W = 103.8 klb

< 324 klb probar con soldadura de ranura

< 230 klb probar con soldadura de ranura

Solución.

Espesor mínimo de soldadura de ranura

t = t (placa) + 5/16 = 1/2 + 5/16 = 13/16 pulg

Espesor mínimo de soldadura de ranura

t = (2 1/4) (1/2) = 1 1/8 pulg

Redondeando con el espesor de la ranura 1/16 pulg = 15/16 pulg

Probado con un espesor de 15/16 pulg

Solución.

LRFD f = 0.75 ASD W = 2.00

f Rn para todas las soldaduras = 324 klb

155.7 + f Rn (soldadura de ranura) = 324

155.7 + (0.75) (15/16 x L x 0.6 x 70) = 324

L = 5.70 pulg

Usar 6 pulg en la soldadura de ranura

Rn / W para todas las soldaduras = 230 klb

103.8 + Rn / W (soldadura de ranura) = 230

103.8 + (15/16 x L x 0.6 x 70) / 2.00 = 230

L = 6.41 pulg

Usar 6 1/2 pulg en la soldadura de ranura

9. Diseño de soldadura de filete por Cortante y

Torsión, Método Elástico.

Diseño de soldadura de filete por Cortante y Torsión, Método Elástico.

La soldadura de filete es frecuentemente esforzada por cargas excéntricas, con el resultado de que la soldadura esta afectada por cortante y torsión o cortante y flexión, en las siguientes figuras se presentan las diferencias entre estas dos situaciones. Cortante y torsión se muestra en la figura a) y cortante y flexión en la figura b) se muestran ejemplos de los dos casos.

Igual que para un grupo de tornillos cargados excéntricamente, las especificaciones del AISC proporcionan los esfuerzos de diseño en la soldadura, pero no especifica el método de análisis para cargas excéntricas.

El estructurista debe decidir cual método utilizar.

a) Soldadura sometida a cortante y torsión

b) Soldadura sometida a cortante y flexión.

Inicialmente el método elástico es muy conservador, en este método la fricción y el deslizamiento entre las partes conectadas se ignora, la conexión se considera completamente rígida y la soldadura completamente elástica.

Para esta discusión se considerara la soldadura de la figura a), las piezas conectadas se suponen completamente rígidas, como si fueran conexiones remachadas. El efecto de esta hipótesis es que toda la deformación se presenta en la soldadura. La soldadura esta sujeta a una combinación de cortante y torsión como lo estará el grupo de tornillos. El esfuerzo causado por la torsión se calcula con la siguiente expresión:

En esta expresión, T es la torsión, d la distancia entre el centro de gravedad de la soldadura al punto que se considera y J el momento polar de inercia de la soldadura. Normalmente es conveniente descomponer la fuerza en sus componentes vertical y horizontal. En las siguientes expresiones fh y fv son las proyecciones horizontal y vertical respectivamente de la fuerza f.

Estas formulas son similares a las utilizadas para determinar el esfuerzo debido a torsión en un grupo de tornillos.

hT vfJ

vT hfJ

9. Diseño de soldadura de filete por Cortante y Torsión, Método Elástico.

Usando acero A-36 en la placa mostrada en la figura determine el espesor del filete requerido, con electrodos E70, las especificaciones AISC y el proceso SMAW.

Solución.

Asumiendo como una sola soldadura mostrada en la figura que a continuación se muestra:

Solución.

A = 2 (4) + 10 = 18 pulg2

x = (4 pulg2) (2 pulg) (2) / (18 pulg2) = 0.89 pulg

Ix = (1/12) (1) (10)3 + (2) (4) (5)2 = 283.3 pulg4

Ix = 2 (1/12) (1) (4)3 + (2) (4) (2 – 0.89)2 + (10) (0.89)2 = 28.4 pulg4

J = 283.3 + 28.4 = 311.7 pulg4

Como se considero como una sola soldadura

Rn = 0.707 x 1 x 0.6 x 70 = 29.69 klb / pulg2

Solución.

LRFD f = 0.75 ASD W = 2.00

f Rn = (0.75) (29.69) = 22.27 klb / pulg2

Fuerzas @ de los puntos C y D

fh = (25 x 11.11)(5) / 311.7 = 4.46 klb / pulg

fv = (25 x 11.11)(0.89) / 311.7 = 0.79 klb / pulg

fs = 25 / 18 = 1.39 klb / pulg

Rn / W = 29.69 / 2.00 = 14.84 klb / pulg2

Fuerzas @ de los puntos C y D

fh = (15)(11.11)(5) / 311.7 = 2.67 klb / pulg

fv = (15)(11.11)(0.89) / 311.7 = 0.48 klb / pulg

fs = 15 / 18 = 0.83 klb / pulg

Solución.

LRFD f = 0.75 ASD W = 2.00

fr = ((0.79 + 1.39)2 + (4.46)2)1/2 = 4.96 klb / pulg

t = 4.96 / 22.27 = 0.223 pulg, usamos 1/4 pulg

Fuerzas @ de los puntos A y B

fh = (25 x 11.11)(5) / 311.7 = 4.46 klb / pulg

fv = (25 x 11.11)(3.11) / 311.7 = 2.77 klb / pulg

fr = ((0.48 + 0.83)2 + (2.67)2)1/2 = 2.97 klb / pulg

Fuerzas @ de los puntos A y B

fh = (15)(11.11)(5) / 311.7 = 2.67 klb / pulg

fv = (15)(11.11)(3.11) / 311.7 = 1.66 klb / pulg

Solución.

LRFD f = 0.75 ASD W = 2.00

fs = 25 / 18 = 1.39 klb / pulg

fr = ((2.77 + 1.39)2 + (4.46)2)1/2 = 6.10 klb / pulg

Se usara filete de 5/16 pulg, E70 y SMAW.

fs = 15 / 18 = 0.83 klb / pulg

fr = ((1.66 + 0.83)2 + (2.67)2)1/2 = 3.65 klb / pulg

Torsión, Método Esfuerzo Ultimo.

Diseño de soldadura de filete por Cortante y Torsión, Método Esfuerzo Ultimo.

El análisis por esfuerzo ultimo para conexiones soldadas excéntricas es mas realista que el procedimiento del método elástico. Para el análisis que sigue se considera la soldadura de filete cargada excéntricamente como se indica en la siguiente figura, la carga causa una relativa rotación y traslación relativa entre las partes conectadas por la soldadura.

La carga excéntrica de diseño puede ocasionar la fluencia en la parte mas esforzada de la soldadura, pero la conexión entera no fluirá.

La carga puede incrementarse lo cual hará que las fibras menos esforzadas empezaran a tomar mas carga, pero la falla no ocurrirá hasta que todas las fibras de la soldadura alcancen el estado de fluencia.

La soldadura tiende a rotar alrededor del centro instantáneo de rotación (letra O de la figura), la localización de este punto dependerá de la ubicación de la carga aplicada, la geometría de la soldadura y la deformación de los distintos elementos de la soldadura.

Si la carga excéntrica Pu o Pa es vertical y la soldadura es simétrica respecto a un eje x horizontal que pase por su centro de gravedad, el centro instantáneo de rotación quedara localizado sobre el eje x.

Cada elemento diferencial de la soldadura proporcionara una fuerza resistente R. Como se muestra en la figura, cada una de esas fuerzas resistentes se supone que actúan perpendicularmente a una línea trazada del centro instantáneo al centro de gravedad del elemento diferencial en cuestión. La suma de los momentos de las fuerzas resistentes de todos los elementos de la soldadura respecto al punto “O” debe ser igual y opuesta al momento de la carga excéntrica respecto al mismo punto.

La deformación de cada elemento en particular se asume que varia directamente en proporción a la distancia desde el centro instantáneo:

El esfuerzo de cortante nominal para un segmento de soldadura con deformación es:

0.31.5

n EXX weR 0.60 F A 1.0 0.50sin p 1.9 0.9p

Los valores dados en las tablas de la parte 8 del Manual AISC son para el método de esfuerzo ultimo, el valor del esfuerzo nominal Rn para una conexión en particular se determina de la siguiente expresión en que C es un coeficiente tabular que incluye una f de 0.75, C1 coeficiente que depende del electrodo dado en la tabla 8.3 del manual AISC, D es la garganta de la soldadura en 1/16 de in y l la longitud de la soldadura vertical.

n 1R C C D l0.752.00

El Manual AISC incluye tablas para ambas cargas verticales e inclinadas (con ángulos desde la vertical de 0°, 45° y 75°).

Su uso es directo sin interpolación entre los ángulos anteriores, porque el resultado no es conservador.

Los siguientes ejemplos indican el uso de las tablas del Manual AISC.

10. Diseño de soldadura de filete por Cortante y Torsión, Método Esfuerzo Ultimo.

Repitiendo el ejemplo pero utilizando el método de análisis esfuerzo ultimo, la conexión se dibuja como se muestra a continuación.

Solución.

ex = 11.11 pulg.

L = 10 pulg.

a = ex / L = 11.11 / 10 = 1.11

k = kl / L = 4 / 10 = 0.40

C = 1.31 de la tabla 8-8 del manual AISC para = 0° (interpolación)

C1 = 1.0 de la tabla 8-3 del manual AICS (E70)

Solución.

LRFD f = 0.75 ASD W = 2.00

Dmin = Pu / (f C C1 L)

Dmin = 25 / (0.75)(1.31)(1)(10)

Dmin = 2.54 sixteenthsDmin = 0.159 pulg

(comparando con 0.273 pulg obtenidos con el método

elástico)

Usar 3/16 pulg de filete, E70 y SMAW.

Dmin = (W Pu) / (C C1 L)

Dmin = (2)(15) / (1.31)(1)(10)

(comparando con 0.246 pulg obtenidos con el método

elástico)

Torsión, Método Esfuerzo Ultimo.

11. Diseño de soldadura de filete por Cortante y Torsión, Método Esfuerzo Ultimo.

Determine la soldadura requerida mostrada en la figura, usando las tablas del manual AISC basadas en el análisis de esfuerzo ultimo, acero A-36, electrodos E70.

Solución.

ex = al = 9 pulg.

L = 16 pulg.

kl = 6 pulg

a = ex / L = 9 / 16 = 0.562

k = kl / L = 6 / 16 = 0.375

C = 3.32 de la tabla 8-6 del manual AISC para = 0° (doble interpolación)

C1 = 1.0 de la tabla 8-3 del manual AICS (E70)

Solución.

LRFD f = 0.75 ASD W = 2.00

Dmin = Pu / (f C C1 L)

Dmin = 152 / (0.75)(3.32)(1)(16)

Dmin = (W Pu) / (C C1 L)

Dmin = (2)(110) / (3.32)(1)(16)

Flexión.

Diseño de soldadura de filete por Cortante y Flexión.

La soldadura de filete mostrada en la siguiente figura es solicitada por una combinación de Cortante y Flexión.

Para soldaduras de filete cortas, la practica usual es considerar una variación uniforme en el diagrama de esfuerzo cortante.

No obstante si el esfuerzo por flexión esta dado por la formula de flexión, el cortante no varia uniformemente en soldaduras verticales, si no como una parábola con un valor máximo de 1 ½ veces el valor promedio.

Los esfuerzos y sus variaciones son mostradas en la siguiente figura:

El ingeniero tendrá cuidado sobre los valores máximos de los esfuerzos de cortante y flexión que se presentan en diferentes lugares. Por lo que no hay probabilidad de que se tengan que combinar los dos esfuerzos, si la soldadura es capaz de soportar el valor máximo de cada una por separado y con un comportamiento satisfactorio.

En el siguiente ejemplo se diseña la conexión soldada como usualmente se hace, asumiendo una distribución del esfuerzo de cortante en forma uniforme en la soldadura y combinando los valores máximos dados por el esfuerzo de flexión en forma vectorial.

12. Diseño de soldadura de filete por Cortante y Flexión.

Usando electrodos E70, proceso SMAW y las especificaciones LRDF, determine la soldadura requerida para conexión de la figura, si PD = 10 klb, PL = 20 klb, e = 2 1/2 pulg y L = 8 pulg. Asuma que el espesor de los miembros no controlan el espesor de la soldadura.

Solución.

Inicialmente asumimos que la soldadura tiene 1 pulg en sus piernas.

LRFD f = 0.75 ASD W = 2.00

Pu = (1.2)(10) + (1.6)(20)Pu = 44 klb

fv = Pu / A = 44 / (2)(8) =2.75 klb / pulg

fb = M c / I = (44 x 2.5)(4) / 2(1/12)(1)(8)3 = 5.16 klb / pulg

fr = ((2.75)2 + (5.16)2)1/2 = 5.85 klb / pulg

Pa = 10 + 20Pa = 30 klb

fv = Pu / A = 30 / (2)(8) = 1.88 klb / pulg

fb = M c / I = (30 x 2.5)(4) / 2(1/12)(1)(8)3 = 3.52 klb / pulg

fr = ((1.88)2 + (3.52)2)1/2 = 3.99 klb / pulg

Solución.

LRFD f = 0.75 ASD W = 2.00

t = fr / (f)(tamaño soldadura)(0.6 FEXX)

t = 5.85 / (0.75)(0.707 x 1)(0.6 x 70) = 0.263 pulg, usamos

5/16 pulg

t = (W fr) / (tamaño soldadura)(0.6 FEXX)

t = (2.00)(3.99) / (0.707 x 1)(0.6 x 70) = 0.269 pulg,

usamos 5/16 pulg

13. Diseño de soldadura de penetración y penetración

parcial.

Diseño de soldadura de penetración.

Cuando se unen placas de diferentes espesores, la resistencia completa de la soldadura de penetración completa esta basada en la resistencia de la placa mas delgada. En forma similar si se unen placas de diferentes resistencias, la resistencia de una soldadura de penetración completa se basa en la resistencia de la placa mas débil.

La soldadura de penetración completa es el mejor tipo de soldadura para resistir fallas por fatiga. De hecho, en algunas especificaciones del AISC ellas son las únicas soldaduras de penetración permitida si la fatiga es posible. Además un estudio de las especificaciones muestra que el esfuerzo permisible por fatiga pueden incrementarse si las coronas o refuerzos, de las soldaduras de ranura son esmeriladas al ras.

Diseño de soldadura de penetración parcial.

Cuando la soldadura no se extiende completamente en el espesor de las placas a unir, a esto se le llama penetración parcial. Como se muestra en la figura.

La soldadura de penetración parcial es una solución económica cuando la fuerza de diseño

13. Diseño de soldadura de penetración y penetración parcial.

a) Determine por ASD y LRFD la soldadura de penetración total usando el proceso SMAW de las placas mostrada en la figura. Use acero A 992 Gr. 50 y electrodos E70.

b) Repita la parte a) pero usando penetración parcial (biseles a 45°) y una profundidad de 1 1/2 pulg.

Solución.

a) Penetración total.

Esfuerzo de tensión de fluencia.Rn = Fy Ag = (50) (3/4 x 6) = 225 klb

Esfuerzo de tensión de ruptura.Rn = Fu Ae, donde Ae = Ae U, U = 1.0Rn = (65) (3/4 x 6 x 1) = 292.5 klb

LRFD f = 0.90 ASD W = 1.67f Rn = (0.9)(225)f Rn = 202.5 klb

Rn / W = 225 / 1.67Rn / W = 134.7 klb

LRFD f = 0.75 ASD W = 1.67f Rn = (0.75)(292.5)f Rn = 219.4 klb

Rn / W = 292.5 / 2.00Rn / W = 146.2 klb

Solución.

b) Penetración parcial.

Valores de la soldadura

Garganta efectiva de la soldadura

t = 1/2 – 1/8 = 3/8 (requerimiento de la tabla J2.1 del manual AISC)

Rn = (0.6 x 70)(3/8 x 6) = 94.5 klb

Rn / W = 94.5 / 1.88Rn / W = 50.3 klb

Solución.

Valores del metal base

Rn = Fu Ae

Rn = (65) (3/8 x 6) = 146.3 klb

Rn / W = 146.3 / 2.00Rn / W = 73.1 klb

14. Diseño de soldadura de penetración y penetración

parcial.

14. Diseño de soldadura de penetración y penetración parcial.

a) Determine el esfuerzo de cortante en al junta de la soldadura de penetración total usando electrodos E70, perfil W 21 X 166, acero A572 Gr. 50.

b) Repita la parte a) pero usando penetración parcial (biseles a 60°) y un espesor de 1/4 pulg.

Solución.

Usando un perfil W 21 X 166 (d = 22.5 pulg, tw = 0.75 pulg)

El esfuerzo de la junta es controlado por el metal base (J4.2)

Esfuerzo cortante de fluencia

Rn = 0.6 Fy Agv = (0.6) (50) (0.75) (22.5) = 506.2 klb

Rn / W = 506.5 / 1.50Rn / W = 337.5 klb

Solución.

Esfuerzo cortante de ruptura

Rn = 0.6 Fu Anv = (0.6) (65) (0.75) (22.5) = 658.1 klb

Rn / W = 658.1 / 2.00Rn / W = 329.0 klb

Solución.

Esfuerzo cortante de fluencia

Rn = 0.60 Fy Agv

Rn = (0.6) (50) (0.75) (22.5) = 506.2 klb

Rn / W = 506.2 / 1.50Rn / W = 337.5 klb

Solución.

Esfuerzo cortante de ruptura

Rn = 0.60 Fu Anv

Rn = (0.6) (65) (2 x 1/4) (22.5) = 438.7 klb

Rn / W = 438.7 / 2.00Rn / W = 219.4 klb

Solución.

Valores de soldadura (biseles a 60°)

Rn = 0.60 FEXX Awe

Rn = (0.6) (70) (2 x 1/4) (22.5) = 472.5 klb

Rn / W = 472.5 / 2.00Rn / W = 236.3 klb

Museo del Tequila y Mezcal.

1. Conexión a Momento. Trabe Principal.

Planta Arquitectónica, Planta Baja.

10 m7 m 7 m10 m

10.60 m

16.60 m

3 m 3 m

Planta Arquitectónica, Planta 1er nivel.

10 m7 m 7 m10 m

10.60 m

16.60 m

3 m 3 m

Planta Arquitectónica, Planta 2do nivel.

10 m7 m 7 m5 m 5 m

3.54 m

4.14 m

2.92 m

16.60 m

3 m 3 m

Planta Arquitectónica, Planta Techumbre.

10 m7 m 7 m5 m 5 m

7.68 m

2.92 m

16.60 m

3 m 3 m

Corte Longitudinal.

10 m7 m 7 m10 m

3 m 3 m

Museo del Tequila y Mezcal.ANÁLISIS DE CARGAS.

CARGAS MUERTAS Techumbre: Multipanel. ... 20 kg/m2

Plafón ... 30 kg/m2

Instalaciones ... 5 kg/m2

Suma ... 55 kg/m2

Nivel 2 (Restaurante y Vestíbulo):Nivel 1 (General):Zona de baños: Losacero Romsa. ... 240 kg/m2

Acabado de Piso (6 cm). ... 145 kg/m2

Adicional de R. C. D. F. ... 40 kg/m2

Suma ... 470 kg/m2

CARGAS MUERTAS

Nivel 2 (Cocina): Losacero Romsa. ... 240 kg/m2

Acabado de Piso (6 cm). ... 144 kg/m2

Nivelación para pendiente. ... 80 kg/m2

Suma ... 550 kg/m2

Planta Baja: Firme h =12 cm. ... 290 kg/m2

Acabado de Piso. ... 145 kg/m2

Suma ... 475 kg/m2

CARGAS MUERTAS

Zona de jardines: Losacero Romsa. ... 240 kg/m2

Rellenos de tierra vegetal (h = 60 cm). ... 960 kg/m2

Instalaciones. ... 15 kg/m2

Entortado e Impermeabilizante. ... 165 kg/m2

Vegetación (Agaves, etc.). ... 80 kg/m2

Suma ... 1500 kg/m2

Museo del Tequila y Mezcal.CARGAS VIVAS

Techumbre (pendiente > 5%):Carga Viva Máxima (Wm) ... 40 kg/m2

Carga Viva Accidental (Wa) ... 20 kg/m2

Carga Viva Media (W) ... 5 kg/m2

Nivel 2 (Zona de jardines):

Carga Viva Máxima (Wm) ... 100 kg/m2

Nivel 2 (Restaurante, Vestíbulo y Cocina)Nivel 1 (General):

CARGAS VIVAS Nivel 2 (Zona de Baños):Planta Baja

Tabique Novaceramic hueco con aplanado ... 150 kg/m2

Tabique Novaceramic hueco con aplanado y azulejos ... 250 kg/m2

FACHADA U glass ... 50 kg/m2

Modelo matemático.

Conexión a Momento.Trabe Principal.

Conexión a Momento. Trabe Principal.VC1 Trabe Cajón

Diagrama de Cortante.

56.1 ton.

Elementos mecánicos factorizados.Carga accidental.

(Peso Propio + Carga Muerta + Carga Viva Instantánea + Sismo Y + 0.3 sismo X)Fc = 1.1

Diagrama de Momento.

- 196.1 ton-m.

Elementos mecánicos factorizados.Carga accidental.

(Peso Propio + Carga Muerta + Carga Viva Instantánea + Sismo Y + 0.3 sismo X)Fc = 1.1

Placa de Momento.

Mmáx = 196.1 ton-m (momento máximo)

C = T = Mmáx / d = 196.1 / 1 = 196.1 ton

Placa superior.Elementos mecánicos de diseño.

Tmáx = 196.1 ton (tensión máxima)

Se considera un 25 % mas del cortante máximo.(especificación del AISC)

Vd = 1.25 * 196.1 = 245.125 ton(tensión de diseño)

Diseño de la soldadura.Soldadura E-70XXRE-70XX = 70 ksi = 4900 kg/cm2

(RCDF-NTC, 5.2.2.1 Soldadura compatible con el metal base)

Garganta de la soldadura 16 mm = 1.6 cm.

RSOLD = FR FS AS

(RCDF-NTC, 5.2.8 Resistencia de diseño a))

Diseño de la soldadura.

RSOLD = FR FS AS

RSOLD = 0.75 * (0.6 * 4900) * ( 0.7071 * 1.6 * L)RSOLD = 2494.67 * L

L = Vd / RSOLD = 245125 / 2494.67 = 98.3 cm

Se dará una longitud a la soldadura de 50 cm en dos lados y un espesor de 16 mm.

Diseño de la placa superior.Placa A-36.b = 21 cmFy = 2530 kg/cm2

Estado límite de flujo plástico en la sección total:RPL = FR Fy At

Diseño de la placa superior.

RPL = FR Fy At = 0.9 * 2530 * At = 2277 At

At = Vd / RPL = 141875 / 2277 = 62.31 cm2

At = b * e => e = 62.31 / 21 = 2.98 cm

Se manejara un espesor de placa de 30 mm.

Placa inferior.Elementos mecánicos de diseño.

Cmáx = 113.5 ton (compresión máxima)

Vd = 1.25 * 113.5 = 141.875 ton(compresión de diseño)

RSOLD = FR FS AS

RSOLD = 0.75 * (0.6 * 4900) * ( 0.7071 * 1.6 * L)RSOLD = 2494.68 * L

L = Vd / RSOLD = 245125 / 2494.68 = 98.3 cm

Se dará una longitud a la soldadura de 50 cm en dos lados y un espesor de 16 mm.

Diseño de la placa inferior.Placa A-36.b = 29 cmFy = 2530 kg/cm2

Diseño de la placa inferior.

RPL = FR Fy At = 0.9 * 2530 * At = 2277 At

At = Vd / RPL = 141875 / 2277 = 62.31 cm2

At = b * e => e = 62.31 / 29 = 2.15 cm

Diseño de la placa de cortante.Elementos mecánicos de diseño.

Vmáx = 56.1 ton (cortante máximo)

Vd = 1.25 * 56.1 = 70.2 ton (cortante de diseño)

RSOLD = FR FS AS

RSOLD = 0.75 * (0.6 * 4900) * ( 0.7071 * 0.6 * L)RSOLD = 935.502 * L

L = Vd / RSOLD = 70200 / (2 * 935.502) = 37.52 cm(Cortante Doble)

Se dará una longitud a la soldadura de 40 cm y un espesor de 6 mm.

Diseño de la placa de cortante.Placa A-36.b = 20 cmFy = 2530 kg/cm2

Diseño de la placa de cortante.

RPL = FR Fy At = 0.9 * 2530 * At = 2277 At

(Cortante Doble)

At = Vd / RPL = 70200 / ( 2 * 2277) = 15.42 cm2

At = b * e => e = 15.42 / 20 = 0.77 cm

Croquis de la conexión.

Museo de Arte Contemporáneo (MUAC).

1. Conexión a Momento. Trabe Principal.

Conexión caja volada en MUAC

Conexión caja volada en MUACElementos mecánicos de

diseño.

Tmáx = 47.4 t. (tensión máxima)Vmáx = 30.1 t. (cortante máximo)

Se considera un 25 % mas de la tensión máxima.

Td = 1.25 * 47.4 = 59.3 t (T diseño)Vd = 1.25 * 30.1 = 37.6 t (V diseño)

Diseño conexión cuerda superior dentro del concretoAdherencia del acero en concreto, se trata como una

barra lisa:Por equilibrio:m S0 L = As fs

m :esfuerzo de adherenciaS0: perímetro de la barra

Conexión caja volada en MUACCálculo de área requerida en IR con fuerzas de tensión y cortante combinadas

Entonces;

2ut ut

f ’c 300 kg / cm f ’c 4300 psi

fy 2530 kg / cm fy 36000 psi

f 4080 kg / cm f 58000 psi T 59300 kg; Vu 37600 kg

T A fy

0.9059300A 26 cm

0.9 * 2530

Vu V (0.7 fy A ) 0.8537600Asv 25 cm

(0.7 0.85 2530)

Conexión caja volada en MUACCálculo de área requerida en IR con fuerzas de tensión y cortante combinadas

2 2 2st sv

2(IR 25.4x44.8kg/m)

Area transversal requerida (As):

As A A 26 cm 25 cm 51 cm

As 57 cm

Conexión caja volada en MUACCálculo del esfuerzo nominal en tensión y cortante (perfil solo) (Ta y Va)

Ta n As f 1 57 4080Ta 232,560 kg > 59,300 kgVa n 0.6 As f 1 0.6 57 4080Va 139,536 kg > 37,600 kg

Conexión caja volada en MUACCálculo de la longitud de desarrollo hef para prevenir la falla del cono de concreto (perfil solo sin placas)

1.5 1.5ef ef

0.85 T Tu

Tu 57,600T 67,764 kg 149.4 kip0.85 0.85

Tb kc f´c h 24 4300 h

149.4 1.573 h kips

h 95 20.8 in = 53 cm

Conexión caja volada en MUACCálculo de áreas de placas de respaldo atiesadoras que soportaran la extracción (conos de extracción) 2Ah 2 24 7 57 393 cm

Ah 393 6.9 2.5 (recomendado)As 57

Conexión caja volada en MUACLd = Ldb F

Calculo de Ld: longitud de desarrollo (si no existieran las placas transversales)

Ld: Longitud de desarrolloAs: Área transversal de la barrafs: Esfuerzo de fluencia a tensiónc: Recubrimiento al borde mas próximo del concreto.Ktr: Índice del refuerzo transversal (se puede considerar

cero)f´c: Esfuerzo a compresión en el concreto(unidades en kg y cm)

As fsL 3 (c K ) f´c

Conexión caja volada en MUACLd = Ldb F F=2 (por ser liso el perfil)Calculo de Ld: longitud de desarrollo

Se observa que las placas transversales incrementan la capacidad a tensión y disminuyen la longitud de desarrollo.

57 2530L 3 (15 0) 300144210L 185

780L L F 185 2 370 cm

Edificio de departamentos Nuevo León 116.

1. Conexión a Cortante. Largueros.

Planta estructural

Propiedades geométricas del perfil:

= cm= cm= cm= cm= cm= kg / m

= kg / cm2 = kg / cm2

Resistencia de la soldadura = kg / cm2 = KSI

Elementos mecánicos factorizados.

= t = t= t * m = t * m

tw 0.72

bf 16.6

tf 1.18

Perfil

d 20.5

IR 203 x 41.8 México W 8 x 28 EEUU

Acero de la placa: A - 36fy 3515 fy 2530

h 18.14

PoPo 41.8

Acero del perfil: A - 572 Gr 50

FEXX 4920 70

V 11 Fuerza CortanteVD 13.75

fu 4570 fu 4080E 2039000 E 2039000

Mx 6 Momento Flexionante

MxD 7.50

C 36.59

- Placa de Momento, patin superior.

- Espesor de soldadura de filete = mm

= * * * * *

= * = ≈

Estado límite de flujo plástico en la sección total:

= * * = kg = t

a 9.53

Rsold FR FS AS

Rsold 0.75

Rsold 1491.17 L L

FEXX 0.7071 a0.6

RPL FR fy At 46992 46.99

Se utilizara una longitud de 20

Placa de 15.88

La placa resiste a tensión, trabaja al 77.9%

FR MR > FC MU

46.99 > 36.59

mm de espesor, y un ancho de

- Placa de Momento, patin inferior.

- Espesor de soldadura de filete = mm

= * * * * *

= * = ≈

= * * = kg = t

a 9.53

Rsold FR FS AS

Rsold 1491.17 L L

Rsold 0.75 0.6 FEXX 0.7071 a

RPL FR fy At 57836 57.84

Placa de 12.70 20

FR MR > FC MU

57.84 > 36.59

25 60cm cm

La placa resiste a tensión, trabaja al 63.3%

- Placa de Cortante.

Espesor de soldadura de filete = mm

= * * * * *

= * = cm ≈ cm

= * * = kg = t

a 6.35

Rsold FR FS AS

FR MR > FC MU

RPL FR fy At 16266 16.27

Placa de 7.94 9

Rsold 994.11 L

La placa resiste a cortante, trabaja al 84.5%

16.27 > 13.75

L 14 15

Rsold 0.75 0.6 FEXX 0.7071 a

Gracias !

ESTRUCTURAS METÁLICAS

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