tema06

Vista previa del material en texto

TEMA 6. SOLDADURA 
Y TÉCNICAS DE 
UNIÓN. 
Curso de Resistencia de 
Materiales y cálculo de 
estructuras.
Félix C. Gómez de León
Antonio 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
3
2
222 u
M
u
naco
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
d
nP 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, obien, 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:
adm
2adm
2
d
P2
n
4
d
2nP
τπ
=⇒τπ⋅⋅= ττ
� Para el cálculo por aplastamiento:
adm,c
cadm,cc
de
P
ndenP
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
2
i
n
1
n
1
2
iii rkrkrFeP
in
1
2
i
ii r
r
eP
rkF
∑
==
in
1
2
i
2
i
iin
1
2
i
iiix y
)yx(
eP
senr
r
eP
senFF
∑∑ +
−=α−=α−=
� Por tanto, se tendrá que verificar:
� Despejando el valor de k de esta 
expresión y sustituyendo en ,Fi = k r i
obtenemos 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
2
i
2
i
iin
1
2
i
iiiy x
)yx(
eP
cosr
r
eP
cosFF
∑∑ +
−=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.