Diseño de uniones en estructura metálica Máster en Ingeniería Agronómica.

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1 Tema 4. Uniones soldadas. Máster en Ingeniería Agronómica. Escuela de Ingenieros Agrónomos (Ciudad Real). Universidad de Castilla La Mancha.

2 Diseño Indice de Introducción. Tipos de soldaduras. Disposiciones constructivas. soldadura. Dimensionamiento de los cordones de Defectos y control de soldadura..

3 Diseño Introducción de Normativa Los procedimientos de diseño, cálculo, ejecución y mantenimiento de s s mediante soldadura vienen recogidos en el CTE a través del DB SEA. Las prescripciones indicadas son aplicables cuando los elementos a unir tienen al menos 4 mm de espesor y son de aceros les soldables.

4 Introducción Diseño Normativa de Las características mecánicas de los materiales de aportación (acero de soldadura) serán en todos los casos superiores a las del material base (acero del perfil a unir). Las calidades de los materiales de aportación, ajustadas a la norma UNEEN ISO 14555:1999 se consideran aceptables.

5 Introducción Diseño Definición de Se llama soldadura a la unión de dos piezas s de igual o parecida composición, de forma que la unión quede rígida y estanca. Esto se consigue bien por el efecto de fusión que proporciona la aportación de calor, bien por la aportación de otro metal de enlace o por la combinación de ambos efectos.

6 Introducción En las soldaduras por fusión el calor proporcionado funde los extremos de las piezas y al solidificar se produce la unión. Tipos: Soldadura autógena (con soplete) Soldadura con arco eléctrico Es la que se utiliza en s s.

7 Introducción Soldadura con arco eléctrico con electrodo metálico revestido.

8 Introducción Diseño Elementos de una soldadura de Garganta «a» La altura del mayor triángulo isósceles que se puede inscribir en la sección del cordón. Es función del espesor de las piezas a unir. Longitud eficaz «L» La longitud real del cordón de soldadura.

9 Introducción Diseño Garganta de soldadura de

10 Diseño Tipos de soldadura de # # Por el tipo de soldadura Soldadura en ángulo Soldadura a tope de penetración total Soldadura a tope de penetración parcial Por el tipo de unión Unión a tope (en prolongación) Unión a tope en T Unión por solape

11 Tipos de soldadura

12 Tipos de soldadura Soldadura en ángulo No se preparan los bordes de las piezas antes de soldar. La penetración del cordón se debe a la fusión del material al soldar. No se admiten uniones a tope o en prolongación. El ángulo de las caras a unir estará comprendido entre 60º y 120º.

13 Tipos de soldadura Soldadura en ángulo Unión en T Unión en solape

14 x x Tipos de soldadura Soldadura a tope Se preparan los bordes de las piezas para facilitar la penetración del cordón. De penetración completa. La soldadura alcanza todo el espesor de la unión. De penetración parcial. La soldadura no alcanza todo el espesor de la unión.

15 Tipos de soldadura Soldadura a tope

16 Diseño Disposiciones constructivas de Soldaduras en ángulo El espesor de garganta de un cordón de soldadura en ángulo no será menor de 3 mm. Los cordones deben, si posible, prolongarse rodeando las esquinas, con el mismo espesor de garganta y longitud dos veces dicho espesor.

17 Disposiciones constructivas Soldaduras en ángulo Como espesor de garganta del cordón de soldadura, se toma: a min e min 10 mm 10<e min 20 mm 4,5 mm e min > 20 mm 3 mm 5,6 mm Este espesor es función del espesor mínimo de las chapas soldadas (EAE, EC3). a max 0,7 e min

18 Disposiciones constructivas Soldaduras en ángulo

19 Disposiciones constructivas Soldaduras en ángulo La longitud efectiva de un cordón de soldadura en ángulo será la total del cordón siempre que se mantenga el espesor de garganta nominal. No se consideran cordones cuya longitud sea inferior a 40 mm o a 6 a. En cordones laterales solicitados a tracción se recomienda que la longitud sea superior a la anchura de la pieza unida (b) o a 15 a.

20 Disposiciones constructivas Soldaduras en ángulo Los cordones de soldadura en ángulo pueden ser continuos o discontinuos (intermitentes). Los cordones discontinuos se utilizan solo para unir entre sí elementos de secciones sencillas formando piezas de mayor complejidad. Los cordones discontinuos no deben utilizarse en ambientes corrosivos y siempre han de cumplir las siguientes limitaciones:

21 Disposiciones constructivas Soldaduras en ángulo 16 t;16 t ; En tracción, { 200 mm} L1 1 { } Lo 0.75 b1; 0,75 b

22 Disposiciones constructivas Soldaduras en ángulo 12 t ;12 t; 0,25 En compresión { b; 200 mm} L1 1 { } Lo 0.75 b1; 0,75 b

23 Disposiciones constructivas Soldaduras en ángulo No se utilizará un solo cordón de soldadura en ángulo para transmitir esfuerzos de tracción perpendiculares a su eje longitudinal, aunque sí como parte de un grupo perimetral a una sección hueca.

24 x Disposiciones constructivas Soldaduras a tope No se empleará un solo cordón de soldadura a tope con penetración parcial para transmitir esfuerzos de tracción perpendiculares a su eje longitudinal, aunque sí como parte de un grupo perimetral a una sección hueca. Tipos de preparación de bordes para penetración total: Espesor de chapa inferior a 4 mm: No hace falta preparar bordes. Espesor de chapa entre 4 y 20 mm: Bordes en V. Espesor de chapa mayor a 20 mm: Bordes en X (a doble cara).

25 Disposiciones constructivas Soldaduras a tope Para garantizar que la profundidad de la zona afectada por la fusión y mezcla alcanza todo el espesor de las piezas unidas, además de preparar los bordes, al soldar por una cara se realizará un cordón de cierre o colocará un elemento recogedor de raíz.

26 Dimensionamiento de los cordones de soldadura Soldaduras a tope Si la soldadura es de penetración total no es necesario ninguna comprobación. La resistencia de cálculo será igual a la de la más débil de las piezas unidas.

27 Dimensionamiento de los cordones de soldadura Soldaduras Diseño en ángulo de Al verificar la resistencia de un cordón de soldadura en ángulo se cumplirá que la resultante de todas las fuerzas transmitidas por el cordón por unidad de longitud (F w,ed ) no supera el valor de su resistencia de cálculo (F w,rd ), con independencia de la orientación del cordón. F Fw,Rd w,ed L

28 Dimensionamiento de los cordones de soldadura Soldaduras Diseño en ángulo de En un cordón en ángulo la comprobación de resistencia por unidad de longitud es: a f F = 3 β γm2 w,rd a: garganta del cordón de soldadura. f u : resistencia última del acero de la chapa de menor resistencia de la unión. ß w : coeficiente de correlación, dado por: Acero f u (N/mm 2 ) w u ß w S ,80 S ,85 S ,90

29 Dimensionamiento de los cordones de soldadura Soldaduras Diseño en ángulo de Como longitud del cordón se tomará la nominal. en En uniones por solape de longitudes superiores a 150 a, la resistencia de cálculo se reducirá utilizando el coeficiente: β 1,2 1,0 150 a Lw = 0,2 L: longitud total del solape en la dirección del esfuerzo. L

30 Dimensionamiento de los cordones de soldadura Soldaduras a tope con penetración parcial x En uniones a tope con penetración parcial la resistencia de cálculo se determinará como la de los cordones de uniones soldadura en ángulo, teniendo en cuenta: Si existe preparación de bordes en U, V, J o recto, se tomará como espesor de garganta a el canto nominal de la preparación menos 2 mm.

31 Dimensionamiento de los cordones de soldadura Soldaduras a tope con penetración parcial x Si la soldadura es en T se comprobará como una soldadura a tope con penetración total si se cumple: a nom,1 + a nom,2 t c nom t/5 c nom 3 mm En caso contrario se comprobará con una soldadura en ángulo si se cumplen las condiciones correspondientes.

32 Defectos y control de soldaduras

33 Defectos y control de soldaduras

34 Unión de barras de cercha. Unión articulada vigapilar con soldadura directa al alma. Unión rígida vigapilar con soldadura directa. Unión articulada vigapilar. Apoyo sobre casquillo angular. Unión articulada vigapilar. Apoyo sobre casquillo rigidizado. Unión articulada vigapilar con doble casquillo rigidizado.

35 1. Unión de barras de cercha. Se comprobará la resistencia de las soldaduras laterales al esfuerzo axial.

36 2. Articulación vigapilar con soldadura directa al alma. V Ed Se comprobará la resistencia de la soldadura al cortante. La longitud de la soldadura del alma será inferior a 2/3 del canto de la viga.

37 3. Unión rígida vigapilar con soldadura directa. Se comprobará la rigidez de la unión: x Flexión por tracción en las alas del pilar. x x x Fluencia por tracción en el alma del pilar. Aplastamiento por compresión en el alma del pilar. pilar. Agotamiento por cortante en el alma del Se dimensionarán las soldaduras del alma para aguantar el esfuerzo cortante. Se dimensionarán las soldaduras del ala para que ofrezcan la misma resistencia que la sección del ala de la viga.

38 3. Unión rígida vigapilar con soldadura directa. x Flexión por tracción en las alas del pilar. b ef,fb = t wc Si b 0,7 b + 2 r c + 7 ef,fb f f yc yb t t 2 fc fb >/ t fb wc + 2 r Rigidizar c + 7 t fc

39 3. Unión rígida vigapilar con soldadura directa. x Fluencia por tracción en el alma del pilar. b ef,t

40 3. Unión rígida vigapilar con soldadura directa. x Fluencia por tracción en el alma del pilar. Rigidizar si F > F t,ed t, Rd M f t b F = F = h tfb γ t,ed b Ed t,rd M0 ef,t c y wc bef,t = tfb ab + 5 (tfc + r siendo a b la garganta de soldadura que une el ala de la viga y la placa. )

41 3. Unión rígida vigapilar con soldadura directa. x Fluencia por tracción en el alma del pilar. El rigidizador tendrá espesor t r y una anchura b r (A r =a r b r ), de tal forma que la resistencia a tracción del alma será: b r F t,rd = f y ( t b + n A ) wc γ ef,t M0 siendo n el número de rigidizadores (en principio, n=2). r b ef,t

42 3. Unión rígida vigapilar con soldadura directa. x Aplastamiento por compresión en el alma del pilar. Rigidizar si F > F F c,ed c, Rd h t fb f t σ 1,25 0,5 γ b F c,ed = y M b Ed wc,ef γ f t b siendo F c,rd = c,rd y wc γ M0 M0 ef,c M0 f n y ef,c

43 3. Unión rígida vigapilar con soldadura directa. x Aplastamiento por compresión en el alma del pilar. N Ed,c b = t a + 2 t + 5 (t rc ) N M σ = + z A I ef,c fb b p fc + N Ed,c c Ed,c c wc M Ed,c N Ed,c y M Ed,c son los esfuerzos axial y momento sobre el pilar, A c el área de la sección transversal e I c su momento de inercia.

44 3. V Unión rígida vigapilar con soldadura directa. x wp,ed Agotamiento por cortante en el alma del pilar. = Rigidizar si V > wp,rd M M V V b1,ed z b2,ed wp,ed 0,9 f A vc V wp,rd = 3 y V c1,ed γ M0 2 c2,ed

45 3. Unión rígida vigapilar con soldadura directa. x Agotamiento por cortante en el alma del pilar.

46 4. Apoyo sobre casquillo angular. Es la unión flexible más sencilla para vigas. Recomendada para reacciones inferiores a 150 kn. El angular se suelda en taller y la viga en obra. No se recomienda si la viga está sometida a esfuerzos axiles.

47 4. Apoyo sobre casquillo angular.

48 4. Apoyo sobre casquillo angular. El casquillo de la parte superior es de montaje. Se considera que la reacción V Ed actúa sobre el extremo de la viga. Se comprobará el ala del casquillo de angular a cortante. Sería suficiente con el cordón de soldadura horizontal (pilarangular), siendo válido si tiene una anchura de garganta de 0,7 veces el espesor del ala del angular.

49 4. Apoyo sobre casquillo angular. También se sueldan por montaje cordones verticales laterales. La anchura del casquillo «b» será la anchura del ala de la viga más 3040 mm.

50 4. Apoyo sobre casquillo angular. V Ed La separación «s» será 1015 mm. Si s<(t+r), no hay flexión en el angular. La comprobación del ala del angular a cortante es: t b fy V Rd = 3 γm0

51 5. Apoyo sobre casquillo rigidizado. Si la reacción supera los 150 kn es necesario rigidizar el apoyo. El apoyo ser realiza en taller soldando las chapas que forman la unión. Casos: x x Alma de la viga perpendicular al rigidizador. Alma de la viga en el mismo plano que el rigidizador.

52 5. Apoyo sobre casquillo rigidizado. La posición de la reacción vertical V Ed es conocida: V Ed V Ed

53 5. Apoyo sobre casquillo rigidizado. La chapa horizontal del apoyo no tiene misión resistente y se dimensiona con espesor similar al del ala de la viga. Se calculan las soldaduras de unión entre el ala del pilar y el rigidizador para absorber el cortante V Ed. Se dimensiona el rigidizador (cartela vertical) considerando como sección resistente la altura AB del triángulo de la figura...

54 5. Apoyo sobre casquillo rigidizado. (mismo plano) 1520 mm V Ed t r R H debe ser soportada por la soldadura horizontal que une chapacartela. R c origina flexocompresión en la sección AB del rigidizador.

55 5. Apoyo sobre casquillo rigidizado. (mismo plano) l r uniones mm en b r mm b r l r α = arctg l V Ed AB = b cos α a V R R V c r Ed = cosα b r r H = tgα Ed

56 5. l r Apoyo sobre casquillo rigidizado. (mismo plano) uniones b r en a Se dimensiona el rigidizador (cartela vertical) considerando como sección resistente la altura AB del triángulo de la figura: V x Ed Área de la sección resistente: A AB x Módulo resistente de la sección: W = t = r t r AB 6 2

57 5. Apoyo sobre casquillo rigidizado. (mismo plano) Se trata de una sección solicitada a un axial excéntrico (dista AB/2 del cdg): La verificación de resistencia de la sección es: N M 4 V + = f W f cosα tr AB f A Ed yd Ed yd El mínimo espesor del rigidizador t r será: t r 4 VEd cos α AB f yd Ed yd 1

58 5. Apoyo sobre casquillo rigidizado. (mismo plano) Si resulta un rigidizador de gran espesor, se colocan dos cartelas: La anchura de la placa de apoyo (b) será superior en 3040 mm al ancho del ala de la viga.

59 5. Apoyo sobre casquillo rigidizado. La posición de la reacción vertical es conocida: (plano perpendicular) d V Ed A e r e r b r = d cos α 2 B V Ed

60 5. Apoyo sobre casquillo rigidizado. (plano perpendicular) d V Ed Si La se diferencia tiene la precaución reside en la de localización centrar la viga de la respecto a reacción la placa horizontal, vertical. La no excentricidad existirá e r y la respecto sección a la resistente estará sometida solo a esfuerzo axial. sección resistente es e r. A e r B V Ed

61 A 5. N Ed f yd Apoyo sobre casquillo rigidizado. + La verificación de resistencia de la sección es: M V 6 V e = + W Ed f yd cosα t r Ed AB cosα r V 6 e 1+ 1 cosα t r Ed AB f yd 6 er (plano perpendicular) AB El mínimo espesor del rigidizador t r será: t r f yd VEd 1+ AB cosα AB f yd AB r t Ed r 2 f yd 1

62 5. x x x Apoyo sobre casquillo rigidizado. Soldaduras. a uniones 1 : Soldadura vertical que une el ala en del pilar con el rigidizador. Debe resistir la reacción vertical V Ed. a 2 : Soldadura horizontal que une el rigidizador y la placa de apoyo. Debe resistir la componente horizontal de la reacción R H. El resto de cordones son de montaje. a 1 a 2

63 5. Apoyo sobre casquillo rigidizado. Soldaduras.

64 6. Articulación vigapilar con doble casquillo angular. Se debe asegurar que el pilar al que se une la viga articulada permita un giro suficiente, así como a 3 la flexibilidad del casquillo, lo que exige no disponer cordones horizontales de a 3 soldadura. a 1 a 2 a 1 a 2 a 2

65 6. Articulación vigapilar con doble casquillo angular. Se comprobará la resistencia del angular (2L) solicitado a un esfuerzo axial R d. R d

66 6. Articulación vigapilar con doble casquillo angular. Para la comprobación de las soldaduras se considerará la reacción situada en la cara de los casquillos soldados a la viga principal. R d

67 6. Articulación vigapilar con doble casquillo angular. En la unión de los angulares con el pilar (a 1 ), la fuerza se transmite por simetría entre los cordones.

68 6. Articulación vigapilar con doble casquillo angular. En la unión de los angulares con la viga se origina un cortante sobre el cordón vertical (a 2 ) y un momento torsor debido a la excentricidad, equivalente a un par de fuerzas sobre los cordones horizontales (a 3 ). M F H t = = R d e 2 M h t = Rd e 2 h

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