4. UNIONES SOLDADAS. Las uniones soldadas se pueden clasificar según la posición relativa de las chapas soldadas:

Transcripción

1 4. UNIONES SOLDADAS 4.. COMPROBACIÓN DE LA UNIÓN 4... Tipos de uniones soldadas. Las uniones soldadas se pueden clasificar según la posición relaiva de las chapas soldadas: uniones a ope (en prolongación) uniones a ope en T uniones por solape Denro de cada ipo, en función de la peneración de la soldadura con respeco al espesor de las chapas unidas, se disinguen en el caso más usual (cordones alargados): soldaduras en ángulo; en ellas no se realiza ningún ipo de preparación en los bordes de la pieza a unir anes de soldar la peneración del cordón se debe exclusivamene a la fusión que se genera durane el proceso. en uniones a ope anes de soldar se realiza preparación de bordes en las piezas para favorecer la peneración del cordón (en las de poco espesor no es necesaria) podemos disinguir: o de peneración complea, cuando la fusión mezcla enre el maerial base el de aporación alcanza a odo el espesor de la unión o de peneración parcial, si esa fusión mezcla no alcanza a odo el espesor esos ipos definidos por la geomería, se pueden combinar de la forma indicada en la abla siguiene. Tano las disposiciones consrucivas como los crierios de cálculo se esablecen de forma diferene para los disinos cordones de esa clasificación. En la abla siguiene se clasifican las uniones más uilizadas usualmene: 49

2 Tipo de Tipo de unión soldadura Unión a ope Unión a ope en T Unión de solape Soldadura en ángulo Soldadura de ojal (o en ranura) Sencilla en V Soldadura a ope con peneración complea. En doble V Sencilla en U En doble U En doble V En chaflán doble Soldadura a ope con peneración parcial En doble U Tabla 4 - Tipos comunes de uniones soldadas 50

3 4... Resisencia de un cordón de soldadura Todas las normas de cálculo suponen implícia o explíciamene que: Se observan las reglas de buena prácica. Las caracerísicas mecánico-resisenes del meal de aporación son, como mínimo, iguales a las del meal de base. Se ha eviado, mediane la oporuna elección del maerial de los dealles consrucivos adecuados, el peligro de roura frágil. De acuerdo con la segunda de esas hipóesis, las uniones a ope con peneración complea no necesian ser calculadas, a que al ener el meal de aporación una sección igual o maor que la del meal de base maor, o al menos, igual límie elásico carga de roura, es evidene que su capacidad porane será superior (en uniones someidas a cargas dinámicas sí que es preciso comprobarlas). En los cordones en ángulo se define como plano de gargana A, figura 6, el deerminado por la línea inersección de los dos planos a unir por la alura del maor riángulo isósceles inscripible en la sección del cordón; a esa alura se le denomina ancho de gargana o espesor de gargana, o simplemene gargana, a, del cordón. En dicha figura ambién se represenan las ensiones que pueden soliciar un cordón de soldadura en ángulo. Figura 6 - Tensiones en el plano de gargana. 5

4 σ n τ n + a ( ) n ( ) n ensión angencial paralela a la arisa, conenida en el plano de una de las caras de la soldadura Figura 7 - Tensiones en un cordón de soldadura. Todas las normas vigenes en España admien que un cordón en ángulo agoa su capacidad resisene cuando una deerminada función del esado ensional, llamada ensión de comparación, alcanza el valor de la ensión úlima del meal de base, eso es, cuando se cumple que: σ σ, σ, τ, τ σ co ( ) f u Obsérvese que σco no es más que un ene de razón ideado para faciliar los cálculos; por consiguiene, no es una ensión real que pueda medirse con un disposiivo experimenal. Dada la complejidad del esado ensional exisene en un cordón de soldadura, no es facible llegar a la deerminación eórica de dicha función σ. Tradicionalmene se han admiido como válidas expresiones de la forma: ( ) σ β ασ + σ + λ τ + τ co k Los coeficienes α, β k se ajusan mediane la realización de ensaos experimenales de cordones de soldadura llevados hasa roura ( de ahí el que no se rabaje en ensiones admisibles ). Las normas en esudio de ese documeno oman los coeficienes propuesos por el Insiuo Inernacional de la Soldadura en 976, α 0, k, λ β variando según el ipo de acero. Resula así que: ( ) σ β σ + τ + τ co A pare de ese procedimieno, las normaivas ambién conemplan un méodo simplificado, similar al Méodo Americano de la máxima ensión angencial, en 5 co

5 el que la resisencia de un cordón de soldadura es suficiene si la resulane de odas las fuerzas ransmiidas por el cordón por unidad de longiud F, Ed, no supera el valor de su resisencia de cálculo F,Rd con independencia de la orienación del cordón Expresiones para el cálculo de la resisencia de un cordón de soldadura Se muesran a coninuación las expresiones propuesas por las normaivas para el cálculo de la resisencia de los cordones de soldadura. Méodo direccional La resisencia de un cordón será suficiene si se cumplen simuláneamene: fu σ + ( τ + τ ) β γ σ donde: fu 0.9 γ M M ; (en la EAE el CTE no se inclue el parámero 0.9) σ la ensión normal perpendicular a la gargana de la soldadura τ la ensión angencial (en el plano de gargana) perpendicular al eje de la soldadura τ la ensión angencial (en el plano de gargana) paralela al eje de la soldadura f la resisencia úlima del acero u β el coeficiene de correlación en función del ipo de acero γ el facor parcial de seguridad.5 M Méodo de la máxima ensión angencial F F a f W, Ed W, Rd vw, d donde: a espesor de gargana fu f ; para el EC el CTE β γ vw, d M fu f vw, d ; para la EAE β γ M + cos α Tabla 5 - Expresiones para el cálculo de resisencias en uniones soldadas 4.. DISPOSICIONES CONSTRUCTIVAS En la abla 6 se recoge la información más relevane, en cuano a disposiciones consrucivas de las soldaduras, que ofrecen los documenos normaivos que se esudian en ese rabajo 5

6 ESPESOR DE GARGANTA a en chapas 0 a 4, 5 en chapas 0 a 5, 6 en chapas > 0 Piezas de sección a 0,7 min ubular TERMINACIÓN Los cordones deben prolongarse en una EAE DB SE-A EC longiud al menos igual a a CORDONES DISCONTINUOS Dis. Enre exremos de cordones parciales Longiud de cada cordón parcial Se pueden uilizar en ambienes con grado de corrosividad C o C, con cargas predominanemene esáicas, siempre que el espesor de gargana requerido sea inferior al recomendado. L 00, L min ( comp.), L 6 min ( rac.), L una cuara pare de la disancia enre rigidizadores, cuando la soldadura se usa para conecarlos a una chapa o a una pare de una pieza someida a compresión o a coradura. L 0 5 a L 40 a 4 a Deben prolongarse con el mismo espesor de gargana longiud a No uilizables en ambienes corrosivos Los cordones que erminen en esquinas deben prolongarse con una longiud igual a a No deben uilizarse soldaduras a ope disconinuas. No uilizables en ambienes corrosivos. L,, 0,5b, 00 (comp.) L 6, 6, 00 (rac.) 0 0,75 b 0 En cordones en ángulo Cordones disconinuos siempre ienen parciales en que exisir, deben ener Es un dealle obligaorio los exremos una longiud LONGITUD MÍNIMA 4 min Los cordones en ángulo laerales que ransmian axil, L unir. L 5 a ancho de la pieza a L, 0,75 b En cordones en ángulo disconinuos siempre ienen que exisir, deben ener una longiud 4 min 54

7 LONGITUD EFECTIVA SOLAPES La oal del cordón si se maniene el espesor de gargana nominal, 40 L ef 6 a L ef Solape 5 min Solape 5 + cordones fronales (si exisen esfuerzos axiales) Si L 50 a donde L L, ef β 0, L, 50a β ó L 0,6 β, 7000 si L >700 DESGARRO LAMINAR Si L 50 a, ef β donde L L 0, L β, 50a Llongiud oal del solape en la dirección del esfuerzo Si L ef L 50 a 0 L ef 6 a, L L donde, ef β 0, L, j β ó 50a L j long. Toal del solaoe en la dirección del esfuerzo L 0,6, 7 L >,7 m β si Se raaran de eviar uniones en las que la dirección principal de las ensiones de racción sea ransversal a la dirección de laminación de las chapas que se unen. Tabla 6 - Disposiciones consrucivas de los cordones de soldadura. En la figura 7 se represenan gráficamene los parámeros de diseño de los cordones de soldadura a los que se alude en la abla anerior. A racción: A compresión: Figura 8 - Dimensiones relevanes en los cordones de soldadura para comprobar los requisios relaivos a las disposiciones consrucivas 55

8 4.. RESOLUCIÓN DE UNIONES TÍPICAS De la misma forma que en el aparado.. de uniones aornilladas, se han resuelo cuaro problemas de uniones soldadas, a modo de ejemplo para hacer evidenes las similiudes diferencias de cada una de las normaivas. Se ha inenado que las uniones calculadas fueran represenaivas de las uniones comúnmene uilizadas en esrucura meálica ambién añadir algún ipo de unión no raada en el capíulo anerior. En esos ejemplos se resuelven, por las res normaivas raadas, la unión de una viga a sopore, unión a racción de un angular a una carela, unión de ménsula a sopore por úlimo una unión de angular a sopore. 56

9 4... Unión de viga a sopore Comprobar la seguridad de la unión del UPN00 a un sopore, con los cordones laerales exeriores que se indican. Acero S 75 JR. En el croquis adjuno se dan los valores de cálculo que debe soporar la unión. SOLUCIÓN EC Ese ejemplo se refiere a la norma EN que corresponde al diseño de uniones. Para la resolución se ha escogido el méodo de las direcciones La resisencia de la unión será suficiene si verifica: 0,5 [ σ ( τ + τ )] f /( β γ ) + u M σ 0.9 fu / γ M Sec Ec

10 En primer lugar se abaen los planos de gargana de los cordones de soldadura sobre el plano de conaco. A coninuación se obienen las caracerísicas geoméricas del conjuno: 00 A a l i i 5 c.d.g. 00 5, 5, z 55,5 40,5 z Momenos de inercia (méodo lineal sin inercia propia espesor) 40 5 I I z 00 55, ( 5,5,97) , I I + I p z 4 Ahora se obienen los esfuerzos referidos a esa sección resisene formada por el conjuno de cordones abaidos. Coranes: V 80KN horizonal Vz 60KN verical Torsor: 60(0,5, 97) + M x , 5 964,8KN Axil: N 00KN x Flecores: M M z KN (0,5, 97) 947KN Ahora se deerminan ordenadamene las ensiones angenciales n a producidas por los coranes el orsor, la ensión normal n por efeco del axil los flecores. 58

11 - Por efeco de V 80KN - Por efeco de V 60KN z V 80 0 A 400,5 N Vz 60 0 z A ,06 N - Por efeco del orsor M x 964,8 0 KN en las cuaro esquinas por componenes, a proecadas M x z M I p T r I p M x z I p 964,8 0 55,5 56,75 A) N ,8 0 z 68,5 5,0 N B) 56,75 N como puno A 964,8 0 (, 47),49 z N C) 56,75 N hacia izquierda, o sea conrario a los punos A B z,49 N ascendene como puno B D) 56,75 N como puno C z 5,0N como puno A Todas esas ensiones angenciales se suman algebraicamene en los punos de inerés, siuados en los cordones horizonales. 59

12 A) 47,06 5,0 7,07 N n + normal,5 56,75 80,8 N a + paralela B) 47, ,57 N n,5 56,75 80,8 N a + C) 47, ,57 N n,5 56,75, N a D) 47,06 5,0 7,07 N n +,5 56,75, N a Ahora se deermina la ensión normal n en esos punos: N M M x σ + + x A I I x ,47 0 A) n + 55,5 68,5 4,5N (compresión) ,47 0 B) n + 55,5 +,47,59 N (racción) ,47 0 C) n 55,5 +,47,06 N (compresión) ,47 0 D) n 55,5 68,5 5,4 N (compresión) A coninuación se pasan esas ensiones al plano de gargana en cada puno se aplica la fórmula de la ensión de comparación. A) σ + ( τ ) 74,8 N + τ σ ( 4,5 7.07) 47,77 N + τ (4,5 7.07) 54,4 N + τ 80,8 N 60

13 B) σ (5,9 5.57) 84,90 N + τ (5,9 5,57) 4,56 N τ 80,8 N σ ( ) 8,9 N + τ + τ C) D) σ ( ) 7,8 N + τ + τ σ (,06 5,57) 40,74 N + τ (,06 5,57) 9, 47 N τ, N σ (5, 4 7,07) 9,44 N + τ ( 5, 4 7,07) 7,54 N + τ, N σ ( ),65 N + τ + τ El puno más soliciado es el B en conjuno el D en ensión normal σ. Llegado ese puno a podemos comprobar si la unión es suficiene, para ello necesiamos f u, β γ M : El facor parcial de seguridad γ M.5 Al raarse de acero S75, f u 40 N β 0.85 La unión es segura a que cumple las dos verificaciones: fu σ + ( τ + τ ) < β γ M 40 8,9 N < 404, 7 N OK 0,85, 5 Tabla.. Tabla 4.. Ec

14 fu σ < 0.9 γm 40 9 N < N OK,5 Ec. 4.. SOLUCIÓN EAE Sec La resolución siguiene es análoga a la de Eurocódigo, excepo en la fórmula de la ensión perpendicular, que no inclue el coeficiene 0,9. σ γ f u M Donde: γ. 5 M f 40 N u 40 9 N fu σ 44 N OK γ.5 M Sec Tabla Respeco a las disposiciones consrucivas, la EAE dice: Los cordones no deben erminar en las esquinas de las piezas o de elemenos de las mismas, sino que deben prolongarse alrededor de la esquina, siempre que la prolongación pueda realizarse en el mismo plano que el cordón, en una longiud al menos igual a res veces la gargana a del cordón. SOLUCIÓN CTE Sec El Código Técnico propone para el cálculo de uniones en ángulo el méodo simplificado del eurocódigo (EC, ). Aunque en ese ejemplo no se considera aplicable, a que ese méodo no iene en cuena las soliciaciones normales producidas por el axil los momenos M M z. Como alernaiva al méodo ciado aneriormene, el CTE ambién propone el méodo de las direcciones del Eurocódigo. Que consise en descomponer los esfuerzos ransmiidos por unidad de longiud en sus componenes, suponiendo que sobre la sección de gargana ha una disribución uniforme de ensiones. No obsane, al igual que en EAE, no se inclue el coeficiene de 0.9 en la fórmula de comprobación de la máxima ensión perpendicular. Sec Sec Ec. 8. 6

15 En cuano a las disposiciones consrucivas, el CTE dice: Los cordones deben, si es posible, prolongarse redondeando las esquinas, con el mismo espesor de gargana longiud dos veces dicho espesor. La longiud efeciva de un cordón de soldadura en ángulo será la oal del cordón siempre que se manenga el espesor de gargana nominal, pero no se considerarán cordones cua longiud sea inferior a 40 o a seis veces el ancho de gargana. Condiciones que se cumplen holgadamene en ese ejemplo. Sec

16 4... Unión a racción de un angular a una carela. Sean angulares de 80 x 80 x 8 soldados a una carela por cordones de soldadura de espesor a 4. El esfuerzo de cálculo del axil a racción N Sd es 40 kn, siendo las disancias d d 57 respecivamene. El acero empleado es un S 5. Se pide: Deerminar la longiud de los cordones de soldadura. SOLUCIÓN EC Sec De forma ideal, podemos suponer que el cenro de gravedad de los cordones de soldadura se siúa sobre el eje neuro de los angulares ZZ. De ese modo, los momenos esáicos de dichos cordones son iguales: l d l d. Según el Eurocódigo la expresión o el crierio general para verificar cualquier cordón de soldadura es la siguiene: 0,5 [ σ ( τ + τ )] f /( β γ ) + u M σ 0.9 fu / γ M Ec

17 en donde: f resisencia úlima del acero γ u M coeficiene parcial para la resisencia úlima del cordón de soldadura En nuesro caso se raa de un cordón de soldadura laeral que se podría represenar de forma simplificada de la siguiene forma: En esa siuación enemos: Sd σ τ 0 τ N a l Por lo que susiuendo en la expresión general resula la expresión siguiene: N Sd fu N Sd β l β γ M a l γ M a fu siendo l en nuesro caso (l + l ) Para β γ M se adopan los valores de respecivamene. Tabla 4.. Tabla.. Por lo ano, la expresión anerior será la que nos proporcionará la longiud oal del cordón de soldadura a aplicar. Pero si queremos saber los valores concreos de l l debemos aplicar la igualdad de momenos esáicos, que nos dará la segunda condición necesaria para la resolución. d ' d ' d '' l' ' l' l l' + l' ' + d' ' d '' d ' Operando se obienen las longiudes l l de los cordones de soldadura: β γ M N l' 7cm d' a fu + d' ' β γ M N l' ' 7cm d' ' a fu + d' 65

18 Ese exo normaivo limia la longiud mínima de los cordones para que se consideren efecivos en la ransmisión de esfuerzos. Las longiudes no pueden ser inferiores a 0 o a 6 veces el espesor de gargana. Las longiudes obenidas en la solución son claramene superiores a esos valores. Sec SOLUCIÓN EAE Ar Según EAE, la resolución es análoga a la de Eurocódigo. En referencia a la longiud mínima de los cordones, EAE dice que no pueden ser inferiores a 40 o a 6 veces el espesor de gargana. Esa pequeña variación respeco a Eurocódigo no iene imporancia en ese ejercicio. Ar SOLUCIÓN CTE La resolución se lleva acabo de la misma manera que según las oras normaivas. 66

19 4... Unión de ménsula a sopore En los croquis adjunos se represena un apoo rigidizado en ménsula que recibe la reacción verical máxima de una viga carrilera de 400 KN. Comprobar las soldaduras suponiendo acero S 75 JR. SOLUCIÓN EC La resisencia de la unión será suficiene si verifica: Sec fu σ I + ( τ I + τ ) β γ M f σ I 0.9 γ u M Ec

20 Se considera el cordón a ope de la plaabanda superior de peneración complea como oalmene eficaz se abaen los dos cordones de ángulo laerales. A coninuación se abaen los planos de gargana de los cordones de soldadura se obienen las caracerísicas geoméricas del conjuno: A l i ai z Deerminación del c.d.g (90 5) z (no se iene en cuena la conribución en senido del espesor) Momeno de inercia respeco del c.d.g I ( ) ( ) 4 En la soldadura superior las ensiones són: M Sd n N I VSd n N A a En el exremo inferior de los cordones laerales: M Sd n (90 75) 7.50 N I n a VSd N A 6600 Claramene el puno más desfavorable es en el exremo inferior de los cordones laerales. Pasando a plano de gargana ( 0) σ n.7 τ n.7 N n N 68

21 Se aplica la fórmula del Eurocódigo, siendo para el acero S75: f u 40 N/ β 0.85 γ M.5 Ec. 4.. Tabla 4.. Tabla ( ) N OK σ N OK.5 SOLUCIÓN EAE Ar La única variación es que en la expresión de la ensión perpendicular no se inclue el coeficiene 0.9, por ano, des del puno de visa de ese exo normaivo ambién se raará de una unión segura. SOLUCIÓN CTE Apd Se resuelve de la misma forma que en la EAE. 69

22 4..4. Unión de angular a sopore Comprobar las soldaduras del angular del croquis adjuno, someido a la carga maorada de valor P 6KN que acúa en el plano de los cordones. Cordón superior único a 0 Cordón laeral único a 4 Acero S 55 SOLUCIÓN EC En primer lugar se deben abair los cordones de soldadura calcular las caracerísicas geoméricas: Sec A z I 50 0 ( ) ( ) I z ( ) I I + I 5764 p z 4 70

23 En ese conjuno de cordones ha dos esfuerzos: Corane verical V 6KN Torsor, ejercido por esa carga con relación al cenro de gravedad del conjuno M z ( ) mkn Ahora se deerminan las ensiones angenciales n a producidas por el corane la ensión normal n por efeco del flecors. El corane produce una ensión angencial en ambos cordones: a Vz 6 0 n.n A 900 El orsor produce ensiones angenciales proporcionales a la disancia al c.d.g. Obviamene el peor puno es el más alejado. Las componenes son en él: 6 M (00 ) N a I 5764 p M n (50 x) 90.8 I p 5764 Superponiendo efecos en ese puno exremo:. 8.N n + ;.6 N a Pasamos al plano de gargana: σ ( n n ).4 N τ ( n n ).4 N + τ.6 N a 8 N Aplicando EC, con: f 50 N u 0.9 β γ M.5 Tabla 4.. Tabla.. 7

24 f σ ( ) N 45. N + τ + τ < u β γ M f 50 σ.4 N N < u γm.5 OK OK Ec. 4.. SOLUCIÓN EAE Ar La resolución es idénica a la anerior, con dos excepciones: La expresión de la ensión perpendicular no inclue el coeficiene 0.9 La ensión de roura indicada en esa insrucción para la norma UNE-EN-005 para el acero S 55 es 50 N/ Ar Tabla Con esas variaciones, las comprobaciones a realizar son: fu σ ( ) N 46 N + τ + τ < β γ M fu 50 σ.4 N 46 N < γ.5 M OK OK SOLUCIÓN CTE Ap Para esa normaiva la resolución es mu parecida a la de EAE EC. En ese caso la ensión de roura oma el valor de 50 N/. Tabla 8.. f σ ( ) N 45. N + τ + τ < f 50 σ.4 N 67. N < u β γ M u γm.5 OK OK No obsane, el CTE propone como primer méodo de resolución un procedimieno simplificado. Ec. 8.. Ap (-) Ese procedimieno considera adecuado un cordón en ángulo (con cualquier dirección: longiudinal, ransversal oblicuo) si en cualquier puno de él, la resulane por unidad de longiud de las fuerzas ransmiidas F,Ed no supera su resisencia por unidad de longiud F,Rd. F F F, Ed, Rd, Ed F L fu / F, Rd a fv, d a β γ M Ec. 8. 7

25 siendo: F esfuerzo oal sobre las soldaduras a L espesor de gargana longiud eficaz del cordón f u resisencia a racción de la pieza más débil de la unión γ M.5 coeficiene parcial de seguridad de la unión soldada β coeficiene de correlación en función del ipo de acero de las piezas a soldar, para acero S Tabla 8.. A parir de los valores obenidos aneriormene enemos la ensión angencial en el puno más desfavorable, x.n.6 N. La ensión angencial oal será: f, Ed N fu / 50 / Ésa debe ser menor que fv, d 6.7 N. β γ M Luego, podemos afirmar que según el méodo simplificado la unión no cumple. Esa diferencia enre el procedimieno simplificado el oro es debido a que al hacer la simplificación sin ener en cuena las direcciones de las fuerzas la expresión se queda del lado de la seguridad. A pare, por el primer procedimieno se observa en la comprobación que se raa de una unión mu ajusada. 7