TEMA 6. SOLDADURA Y TÉCNICAS DE
UNIÓN.
Curso de Resistencia de Materiales y cálculo de estructuras.
Félix C. Gómez de LeónAntonio González Carpena
Índice.
� Uniones Soldadas.� Introducción.� Soldadura al arco.� El cordón de soldadura.� Dimensiones fundamentales del cordón de soldadura.� Clasificación de los cordones de soldadura.� Otras clasificaciones.� Prescripciones normativas.� Recomendaciones para la ejecución.� Cálculo.� Problema 5.1.
� Uniones atornilladas.
Introducción.� Se llama soldadura a la unión de dos piezas metálicas de igual o
parecida composición, de forma que la unión quede rígida y estanca. Esto se consigue por fusión o por la aportación de otro metal de enlace.
� En las soldaduras por fusión el calor proporcionado funde los extremos de las piezas y al solidificar se produce la unión. Existen diferentes tipos de soldadura por fusión, pero los más utilizados son dos:� Soldadura autógena.� Soldadura por arco eléctrico, que es la
que se utiliza en estructuras metálicas.
Fuente: AWS
Soldadura al arco.� Los procedimientos de
soldadura en arco pueden agruparse en cuatro:� Soldadura por arco
manual con electrodos revestidos.
� Soldadura por electrodo no consumible protegido.
� Soldadura por electrodo consumible protegido.
� Soldadura por arco sumergido.
El cordón de soldadura.� El cordón de soldadura
tiene tres partes bien diferenciadas:a. Zona de soldadura : Es la
zona central, que está formada fundamentalmente por el metal de aportación.
b. Zona de penetración . Es la parte de las piezas que ha sido fundida por los electrodos. La mayor o menor profundidad de esta zona define la penetración de la soldadura. Una soldadura de poca penetración es una soldadura generalmente defectuosa.
c. Zona de transición . Es la más próxima a la zona de penetración.
Fuente: Urbipedia.org
Dimensiones fundamentales del cordón de soldadura.
� La garganta (a) es la altura del máximo triángulo isósceles cuyos lados iguales están contenidos en las caras de las dos piezas a unir y es inscribible en la sección transversal de la soldadura.
� Se llama longitud eficaz ( l) a la longitud real de la soldadura menos los cráteres extremos. Se admite que la longitud de cada cráter es igual a la garganta.
Clasificación de los cordones de soldadura.
� Por la posición geométrica de las piezas a unir.� Soldaduras a tope.� Soldaduras en ángulo.
Fuente: construpedia.com
Otras Clasificaciones.� Por la posición del cordón de soldadura respecto al esfuerzo.
� Cordón frontal� Cordón lateral� Cordón oblicuo
� Por la posición del cordón de soldadura durante la operación de soldar.� Cordón plano (se
designa con H)� Cordón horizontal
u horizontal en ángulo (se designa por C).
� Cordón vertical (se designa con V)
� Cordón en techo o en techo y en ángulo (se designa con T)
Prescripciones normativas.� Soldaduras a tope.
� Continuas en toda la longitud y penetración completa.
� Antes de depositar el cordón de cierre → Sanear raíz.
� Si no hay acceso a la cara posterior → penetración completa.
� Piezas de distinta sección debe adelgazarse la mayor con pendientes inferiores al 25%.
� Soldaduras en ángulo.� La garganta cuando e1<e2; valor máximo para
e1 y valor mínimo para e2.� La longitud eficaz l de una soldadura lateral en
ángulo con esfuerzo axial debe estar comprendida entre los siguientes valores:
� Valor mínimo: l ≥ 15a ; l ≥ b� Valor máximo: l ≤ 60a ; l ≤ 12b
Recomendaciones para la ejecución.� Soldaduras de cordones múltiples.
� Soldaduras continuas.� Uniones planas con
soldaduras cruzadas
� Uniones en ángulo con soldaduras cruzadas
Cálculo.� Soldaduras a tope
� La norma especifica que las soldaduras a tope realizadas correctamente no requieren cálculo alguno.
� Soldaduras en ángulo� Se asimila el cordón de soldadura a un triángulo isósceles
y se toma como sección de cálculo la definida por la altura a del triángulo isósceles, por ser la sección menor.
� También se acepta que las tensiones son constantes a lo largo del plano definido por la altura a y cuya superficie es a l, siendo l la longitud del cordón de soldadura.
� Sobre este plano las componentes de las tensiones serán: una tensión normal σ y dos componentes sobre el plano de referencia, que llamamos τa y τn. Entonces:
� Si abatimos la sección sobre una de las caras:
( )25.1
32
222 u
M
unaco
ff =≤++=γ
ττσσ
( )
( )
aa
nn
n
t
tn
tn
=
−=
+=
τ
τ
σ
2
1
2
1
Problema 5.1.
� Sean 2 angulares de 80 x 80 x 8 soldados a una cartela por 2 cordones de soldadura de espesor a = 4 mm.
� El esfuerzo de cálculo del axil a tracción N es 40 kN, siendo las distancias d’ y d’’ 23 y 57 mm respectivamente.
� El acero empleado es un S 235.
� Se pide: Determinar la longitud de los cordones de soldadura.
Introducción.� Existen algunas estructuras o piezas de determinadas
máquinas que están compuestas de partes que hay que unir de forma adecuada para que cumplan la función para la que han sido diseñadas.
� Si se trata de materiales metálicos, los medios de unión comúnmente empleados son tornillos y soldadura.
� Las uniones con bulones tienen poca aplicación, y las uniones por medios adhesivos se encuentran aún en fase experimental.
� El calculo de uniones atornilladas que hemos seleccionado para su estudio, se basa en la teoría elemental de la cortadura expuesta, cuyos resultados están avalados por la experiencia.
Generalidades.
� Las uniones atornilladas se llevan a cabo mediante piezas denominadas tornillos.
� Un tornillo es un elemento de unión formado por una espiga cilíndrica llamada caña, uno de cuyos extremos tiene una cabeza de forma determinada, estando el otro extremo roscado.
� La unión se forma introduciendo el tornillo en un agujero efectuado en las piezas a unir y colocando en el extremo roscado una tuerca con su arandela correspondiente
Tornillos.� Tornillos ordinarios.
� l: longitud del vástago.� b: longitud roscada.� d: diámetro de la espiga.
� Tornillos calibrados.� Son tornillos mecanizados que se introducen
ajustados en los agujeros.� Poco usados, son difíciles de colocar.
� Tornillos alta resistencia.� Se emplean para cualquier tipo de acero.� Se pretensan al objeto de transmitir los
esfuerzos por rozamiento.
Tuercas y Arandelas.� Las tuercas se emplean indistintamente para tornillos ordinarios y
tornillos calibrados.� Las arandelas negras se emplean en tornillos ordinarios.� Las arandelas pulidas se recomiendan para tornillos calibrados.
Arandela negra Arandela pulida Arandela IPN Arandela U PN
Parámetros de diseño.� La elección del diámetro d de los elementos de unión es función del
espesor mínimo de las chapas a unir. � Como orientación se recomienda tanto para roblones como para
tornillos que:
expresando d y e en cm.
2,0e5d −≈
Disposiciones constructivas.
Tipos de uniones atornilladas.
� Las uniones atornilladas se dice que trabajan a cortadura cuando las fuerzas se transmiten por contacto entre las chapas a unir y la caña de los tornillos. Es el caso más normal. Distinguiremos dos tipos:� Cargas centradas respecto al
elemento de unión.� Cortadura simple (si los
tornillos trabajan por una sección).
� Cortadura doble (si los tornillos trabajan por dos secciones).
Paso
Cálculo a cortadura.� Fallo por cortadura. Si la tensión de cortadura en los remaches o
tornillos es superior a la tensión admisible τadm del material de los remaches, la unión se rompería por la sección del remache sometida a cortadura.
� Si τadm es la tensión admisible a cortadura, el número mínimo nτ de tornillos que se precisarían para no sobrepasarla verificaría la condición de equilibrio
adm
2
4
dnP τπ= τ
Cálculo por aplastamiento.� Fallo por aplastamiento. La unión podría fallar si un remache
aplastara el material de la placa en la zona de contacto común, o bien, si el propio remache fuera aplastado por la acción de la placa.
� Se puede aumentar la resistencia a la compresión de la unión aumentando el área de compresión, o sea, aumentando el diámetro del remache o el espesor de la placa o ambos.
� Si σc,adm es la tensión admisible a compresión en la chapa, el mínimo número nc de tornillos que se precisarán verificará:
admcc ednP ,σ=
Cálculo a tracción.� Fallo por rotura de la placa a tracción. En una pieza sometida a
tracción, de una unión mediante remaches, se puede producir el fallo por rotura de la sección debilitada por los agujeros para los remaches
� Se puede elevar la resistencia de la unión aumentando el espesor o el ancho de la placa o ambos.
� Las roturas por fallo de la chapa a tracción o cortante no se suelen considerar en el cálculo de la unión, ya que se evitan al tener en cuenta las recomendaciones de las normas en cuanto a distancias mínimas entre agujeros y entre éstos y los bordes de las chapas.
Doble cortadura.� Una unión mediante costura simple tiene el inconveniente de que al
efecto del esfuerzo cortante en la sección recta se añade un momento debido a no tener las fuerzas iguales y opuestas aplicadas a las chapas en la misma línea de acción.
� La existencia de este momento tenderá a provocar una deformación de la costura del tipo indicado en las figuras (a) y (b), según se trate de unión con una o dos filas de tornillos.
� Este efecto se puede evitar colocando las placas en alguna de las posiciones indicadas a continuación
Doble cortadura.
� En este caso los elementos de unión trabajan a doble cortadura.
� Para el cálculo a cortadura del número menor nτ de tornillos o remaches se tendría:
adm2adm
2
d
P2n
4
d2nP
τπ=⇒τπ⋅⋅= ττ
� Para el cálculo por aplastamiento:
adm,ccadm,cc
de
PndenP
σ=⇒σ=
Carga descentrada.� Se presentan con frecuencia casos de
uniones en los que la carga es excéntrica, como ocurre en la unión indicada en la Figura, y cuyo cálculo simplificado se basa en la teoría elemental de la cortadura
� La carga P se reparte entre los tornillos de forma uniforme, es decir, sobre cada tornillo actuará en sentido vertical un esfuerzo cortante P/n, si n es el número de ellos.
� Admitiremos que el momento es absorbido por fuerzas cortantes Fi de dirección perpendicular a la recta que une el centro del taladro A i con el centro de gravedad G y de módulo directamente proporcional a la distancia r i entre ambos puntos, siendo la constante de proporcionalidad la misma para todos los tornillos, es decir, Fi = k r i.
Carga descentrada.
∑∑ ∑ ===n
1
2i
n
1
n
1
2iii rkrkrFeP
in
1
2i
ii r
r
ePrkF
∑
==
in
1
2i
2i
iin
1
2i
iiix y
)yx(
ePsenr
r
ePsenFF
∑∑ +−=α−=α−=
� Por tanto, se tendrá que verificar:
� Despejando el valor de k de esta expresión y sustituyendo en ,Fi = k r iobtenemos el esfuerzo cortante Fi sobre cada remache debido al momento Pe.
� Respecto de un sistema de referencia Gxy este esfuerzo cortante tiene las componentes:
in
1
2i
2i
iin
1
2i
iiiy x
)yx(
ePcosr
r
ePcosFF
∑∑ +−=α−=α=
Carga descentrada.� Para calcular el
esfuerzo cortante total sobre cada remache habrá que componer vectorialmente P/n en la dirección de la carga P y Fi, cuyo módulo acabamos de calcular, en dirección perpendicular a la recta que une el centro del taladro con el centro de gravedad G, tal como se indica en la figura.
Problema 4.1.� Determinar el numero de tornillos necesarios (Φ16, clase 8.8) para
realizar la unión planteada en la figura. La fuerza F vale 440 KN, el espesor de la chapa es de 8 mm y se trata de acero S-235.
Problema 4.2.� El perfil UPN 300 de la figura esta soldado a tope todo alrededor en
una placa dorsal rigidizada. Comprobar los esfuerzos en los tornillos 10.9 y de diametro 20 mm.
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