TORNILLERIA

Tema 7 : Uniones Estructuras Metálicas Grado en Ingeniería de Obras Públicas 1 1. Generalidades Uniones  Permiten el enlace de diferentes barras y son capaces de transmitir adecuadamente los esfuerzos internos de unas barras a otras.  Son de dimensiones relativamente pequeñas con respecto al conjunto de la estructura pero de enorme importancia. Su fallo puede ocasionar la ruina parcial o total de la estructura.  Medios de unión: • Fijos: remaches (roblones) y soldaduras • Desmontables: tornillos 2 1. Generalidades Uniones  Fabricación y montaje: las uniones se proyectarán de forma que exista el espacio suficiente para: 1. 2. 3. 4. Montar las piezas con seguridad Apretar los tornillos Permitir el acceso a los soldadores Permitir el acceso necesario para realizar los tratamientos de protección y mantenimiento  Se busca el menor número de uniones posible y la reducción al mínimo de los esfuerzos secundarios  Nudos de estructuras trianguladas: se minimizan los esfuerzos secundarios cuando los ejes de las barras a unir coinciden en un punto y el ángulo formado por barras contiguas está en el rango de 30⁰ a 150⁰  Si se cumplen las condiciones anteriores se puede suponer unión articulada si no existen cargas intermedias en las barras a excepción del peso propio y acción del viento  Si no se cumplen se tendrán en cuenta el efecto de las excentricidades en los cálculos 3 1. Generalidades Uniones  Empalmes: las uniones se proyectarán de forma que exista el espacio suficiente para: 1. 2. 3. 4. Montar las piezas con seguridad Apretar los tornillos Permitir el acceso a los soldadores Permitir el acceso necesario para realizar los tratamientos de protección y mantenimiento  Uniones en Obra: se procurará reducir al mínimo las uniones en obra y serán preferiblemente uniones atornilladas. Cuando se detalla una unión debe tenerse en cuenta la secuencia y método de montaje  Uniones híbridas: aquellas en que dos o más medios de unión distintos, soldadura o tornillos, colaboran para transmitir un esfuerzo entre dos piezas distintas. 4 2. Clasificación de uniones sometidas a momento flector Uniones  Las uniones sometidas a momento flector generalmente son del tipo unión viga-soporte o empalmes de vigas  Diagramas Momento-Curvatura Se obtienen mediante ensayos experimentales o métodos numéricos Un diagrama simplificado se define mediante tres parámetros: • Momento último MRd • Capacidad de rotación ɸCd • Rigidez de la unión Sj Los diagramas momento-curvatura de las uniones se pueden incluir en el análisis global de la estructura para la obtención de la respuesta estructural. 5 2. Clasificación de uniones sometidas a momento flector Uniones  Clasificación en función de su resistencia Articuladas - Deben permitir el giro que resulte del análisis global de la estructura La transmisión de momento entre los elementos es menor a 0.25Mpl,Rd de las piezas a unir De resistencia completa - El momento último es igual o mayor al de las piezas a unir (MRd ≥ Mpl,Rd) De resistencia parcial - Comportamiento intermedio entre las articuladas y las rígidas Su momento resistente será mayor que el momento de cálculo del análisis (MRd ≥ MEd) La capacidad de rotación de la unión debe demostrarse numéricamente o experimentalmente y deberá permitir la formación de las rótulas plásticas previstas en el análisis. Para uniones de resistencia completa si MRd ≥1.2Mpl,Rd no será necesario comprobar su capacidad de rotación 6 2. Clasificación de uniones sometidas a momento flector Uniones  Clasificación en función de su rigidez Articulaciones: donde Ib y Lb son el momento de inercia y longitud de la viga conectada donde k=8 (viga de un pórtico intraslacional) k=25 (viga de un pórtico traslacional) Uniones Rígidas o empotramientos: Uniones Semirrígidas (o de resistencia parcial) - Aquellas que no pueden ser clasificadas como articulaciones o empotramientos Aquellas que pertenezcan a pisos de pórticos en los que se cumpla:  Modelado de las uniones en un análisis global Uniones articuladas = rótula ; Uniones rígidas de resistencia completa = nudo continuo Semirrígidas Análisis global elasto-plástico: diagrama bilineal momento-curvatura en el que Sj sea: Análisis global elástico diagrama bilineal momento-curvatura en el que Sj sea: =2 (unión viga-pilar) =3.5 (unión viga-viga, empalmes) =3.0 (otros tipos de unión) 7 3. Uniones atornilladas Uniones  Geometría Ejemplo nomenclatura: M 16 x 80 - 8.8 Área de la espiga: Área de la parte roscada: 8 3. Uniones atornilladas Uniones  Ventajas  La ejecución de las uniones puede realizarse en condiciones atmosféricas adversas Menores costos de control de calidad Plazos de ejecución más cortos Mejor comportamiento frente a fatiga y frente a rotura frágil Inconvenientes - Montaje de piezas más exigente al precisar tolerancias más reducidas Aspecto menos estético que las uniones soldadas - Los tornillos a emplear serán preferiblemente de los grados indicados en la tabla:  Tipos de tornillos Nomenclatura (ejemplo): M16x80 – 5.6 fub = 500 - fyb = 0.6 x 500 = 300 MPa No se utilizarán tornillos de grado inferior a 4.6 ni superior a 10.9 Los tornillos de alta resistencia pueden pretensarse 9 3. Uniones atornilladas Uniones  Geometría 10 3. Uniones atornilladas Uniones  Tipos especiales de tornillos - Tornillos de cabeza avellanada: quedan enrasados nominalmente con la cara exterior de la chapa externa -Tornillos calibrados: se instalan en agujeros que son escariados in situ. Estos agujeros deben pretaladrarse con un diámetro al menos 3 mm inferior al diámetro definitivo. -Tornillos de inyección: disponen de una perforación en la cabeza por donde se inyecta resina para rellenar toda la holgura existente entre su espiga y el agujero 11 3. Uniones atornilladas Uniones  Mecanismo resistente 1. Por cortante: las chapas a unir deslizan entre sí y entran en contacto con la espiga del tornillo originando un esfuerzo cortante en dicha sección. No es determinante el apriete de los tornillos Simple cortadura Simple cortadura: flexión en cortadura simple 2. Doble cortadura Por rozamiento: el apriete de los tornillos produce compresión entre las chapas originando unas fuerzas de rozamiento que impiden el deslizamiento entre chapas Su resistencia depende: - Momento de apriete - Coeficiente de rozamiento 3. Por esfuerzo axil de tracción 12 3. Uniones atornilladas Uniones  Modos de fallo de uniones atornilladas a) b) d) c) e) Fases de transmisión de cargas en una unión pretensada: I. II. III. • • • Colapso de una o más secciones del tornillo (a) Colapso por aplastamiento de la chapa, flexión del vástago o ambos efectos (b,c) Colapso por fallo de la chapa o desgarro (d,e) IV. No hay deslizamiento. El esfuerzo de corte es absorbido por rozamiento entre chapas Deslizamiento brusco hasta que el vástago entra en contacto con la chapa Comportamiento elástico. Se termina cuando alcanza el límite elástico la chapa o el tornillo Alcanzada la fase plástica se presentan deformaciones importantes y al final se produce el fallo de la unión para la carga Fv,u 13 3. Uniones atornilladas Uniones  Categorías de uniones atornilladas Categoría A Categoría B Categoría C Categoría D Categoría E Tornillos solicitados en dirección normal a su eje Tornillos solicitados a tracción CATEGORIA A - Los tornillos ordinarios o de alta resistencia trabajan a cortante y aplastamiento - Si los tornillos son de alta resistencia no es preciso que estén pretensados ni que las superficies en contacto estén preparadas - Si la pieza está sometida a fatiga, impactos o esfuerzos alternativos se recomienda el uso de tornillos de alta resistencia pretensados con N0=0.7fubAs CATEGORIA B - Tornillos de alta resistencia con superficies preparadas (decapado con chorro de arena, cepillado…). - Se desea que no haya deslizamiento para ELS - Se permite que haya deslizamiento en ELU y los tornillos trabajen por cortante y aplastamiento 14 3. Uniones atornilladas Uniones  Categorías de uniones atornilladas CATEGORIA C - Tornillos de alta resistencia con superficies preparadas (decapado con chorro de arena o soplete). - Se desea que no haya deslizamiento para ELU - La unión debe cumplir en ELU que: 1. La unión resiste a cortante y aplastamiento Esta condición podrá considerarse satisfecha si el espesor de la pieza más delgada tmin cumple: tmin > d/2.4 para piezas de acero S235 ó S275 tmin > d/3.1 para piezas de acero S355 2. El esfuerzo a transmitir es inferior a la resistencia plástica del área neta de la pieza CATEGORIA D - Tornillos ordinarios o de alta resistencia trabajando a tracción - Si se usan tornillos de alta resistencia no es preciso que estén pretensados ni tratar las superficies - No se recomienda su uso para uniones sometidas a variaciones frecuentes del esfuerzo de tracción CATEGORIA E - Tornillos de alta resistencia pretensados trabajando a tracción - Solo es preciso preparar las superficies si la unión además de tracción está sometida a cortante 15 3. Uniones atornilladas Uniones  Categorías de uniones atornilladas RESUMEN 16 3. Uniones atornilladas Uniones  Agujeros para tornillos (Art. 58.3) - Se realizarán preferentemente mediante taladro - Se autoriza el punzonado cuando el agujero sea de diámetro superior al espesor de la pieza, siempre que dicho espesor sea menor de 15 mm y que las piezas a unir no estén sometidas a fatiga Diámetro estándar = d + d’ d’= 1 mm para tornillos de 12 y 14 mm d’= 1 ó 2 mm para tornillos de 16 a 24 mm d’= 2 ó 3 mm para tornillos de 27 mm o mayores - En tornillos de 12 y 14 mm también podrán haber holgura de 2 mm siempre que la resistencia del grupo de tornillos a aplastamiento sea inferior a la de cortante. - Uniones atornilladas resistentes por rozamiento pueden utilizarse agujeros a sobremedida. Diámetro = d + d’ d’= 3 mm para tornillos de 12 mm d’= 4 mm para tornillos de 14 a 22 mm de diámetro d’= 6 mm para tornillos de 24 mm d’= 8 mm para tornillos de 27 mm o mayores - Uniones resistentes por rozamiento: anchura de agujeros rasgados cortos o largos En dirección normal al esfuerzo: Diámetro = d En dirección del esfuerzo: Agujeros rasgados cortos e= d+4 mm para tornillos de 12 mm d+6 mm para tornillos de 14 a 22 mm d+8 mm para tornillos de 24 mm d+10 mm para tornillos ≥ 27 mm Agujeros rasgados largos e= 2.5 d 17 3. Uniones atornilladas Uniones  Disposiciones constructivas (Art. 58.4) N m ≥ 2d 18 3. Uniones atornilladas Uniones  Resistencia de un tornillo a cortante (Art. 58.6) Se comprobará que el esfuerzo en dirección normal al eje del tornillo sea inferior a la resistencia por cortante del tornillo. Modo de fallo Fv,Ed ≤ Fv,Rd Resistencia por cortante Notación: A: área del vástago As: área de la parte roscada fub: tensión última a tracción del tornillo n: número de planos de corte 19 3. Uniones atornilladas Uniones  Resistencia de la chapa por aplastamiento (Art. 58.6) - Si la resistencia a corte del tornillo es mayor que la resistencia a aplastamiento de las chapas se producirá un aplastamiento de la chapa hasta producirse el fallo de la unión - Si se produce este tipo de fallo la unión presentará un comportamiento dúctil. - Si el fallo se produce por rotura a cortante del tornillo la unión presentará un comportamiento frágil . - La capacidad resistente de la chapa frente al aplastamiento depende de: 1. Distancias de los agujeros a los bordes libres 2. Distancia entre agujeros medida en dirección de la fuerza 3. De la clase de esfuerzo sobre la chapa: tracción y/o compresión Modos de fallo 20 3. Uniones atornilladas Uniones  Resistencia de la chapa por aplastamiento (Art. 58.6) - Comprobación a realizar: Fv,Ed ≤ Fb,Rd Resistencia por aplastamiento - Resistencia a aplastamiento de una pieza de espesor t contra el vástago de un tornillo de diámetro d colocado en un agujero estándar:  e  p 1 f α min  1 ; 1 − ; ub ;1 =  3d 0 3d 0 4 fu  donde  2.8e2  1.4 p2 β = min  − 1.7; − 1.7; 2.5 d0  d0  - Si el tornillo está en un agujero a sobre medida su resistencia será: 0.8 Fb,Rd Si el tornillo está en un agujero rasgado normal al esfuerzo a transmitir su resitencia será: 0.6 Fb,Rd No se permite la transmisión de esfuerzos por cortante y aplastamiento en agujeros rasgados en la dirección del esfuerzo En uniones de solape único con una sola fila de tornillos –> Colocación de arandelas bajo la cabeza y bajo la tuerca. Su resistencia se limitará al valor máximo: - Para tornillos de cabeza avellanada t se obtendrá como: Espesor de la chapa-0.5 x Altura de la cabeza del tornillo 21 3. Uniones atornilladas Uniones  Resistencia de la chapa por aplastamiento (Art. 58.6) • Resistencia a simple cortante cuando el plano de corte pasa por la zona del vástago sin rosca • Resistencia a aplastamiento para una chapa de 10 mm de espesor 22 3. Uniones atornilladas Uniones  Resistencia a tracción (Art. 58.7) - Efecto palanca Se verificarán las siguientes comprobaciones: Ft,Ed ≤ Ft,Rd Ft,Ed ≤ Bp,Rd Resistencia a tracción del tornillo Resistencia a punzonamiento de la pieza bajo la tuerca o bajo la cabeza del tornillo Esfuerzo de tracción incluyendo las fuerzas de palanca Resistencia a tracción del tornillo: 23 3. Uniones atornilladas Uniones  Resistencia a tracción (Art. 58.7) Resistencia a punzonamiento de una chapa de espesor t: Siendo: dm: el menor diámetro medio entre los círculos circunscrito e inscrito a la tuerca o a la cabeza fu: resistencia a tracción del acero de la chapa - No será necesario realizar esta comprobación cuando se cumpla la condición:  Interacción - En tornillos sujetos simultáneamente a esfuerzos de tracción y esfuerzos normales a su eje, deberán cumplir la condición siguiente: 24 3. Uniones atornilladas Uniones  Resistencia al deslizamiento (Art. 58.8) - En tornillos de alta resistencia (grados 8.8 y 10.9) deberán apretarse mediante alguno de los métodos siguientes: 1. Llave dinamométrica 2. Arandela con indicación directa de tensión 3. Método combinado: par torsor + giro - Comprobación: Fs,Ed ≤ Fs,Rd Resistencia al deslizamiento Esfuerzo de tracción en el tornillo si lo hay donde: ks Factor según el tipo de agujero (1, estándar; 0.85, a sobremedida; ...) (Fuerza de pretensado del tornillo) Número de posibles planos de deslizamiento; en general n=1 ó n=2 (valores habituales: 0.5, 0.4, 0.3 y 0.2) 25 3. Uniones atornilladas Uniones  Resistencia de elementos con agujeros (Art. 58.5) RESISTENCIA AL DESGARRO (Art. 58.5) - Modo de fallo debido a la disminución de resistencia que producen los agujeros Desgarro en extremo de piezas - Desgarro en cartelas Comprobación: Resistencia al desgarro Habrá que comprobar la sección d-d’ a flexión se considerará la mitad cuando el esfuerzo actúe de forma excéntrica 26 3. Uniones atornilladas Uniones  Resistencia de elementos con agujeros (Art. 58.5) RESISTENCIA AL DESGARRO (Art. 58.5) - Modo de fallo debido a la disminución de resistencia que producen los agujeros 27 3. Uniones atornilladas Uniones  Resistencia de elementos con agujeros (Art. 58.5) ANGULARES UNIDOS POR UN LADO Y OTROS ELMENTOS ASIMÉTRICAMENTE UNIDOS A TRACCIÓN La resistencia última de cálculo de un angular único a tracción unido por una única fila de tornillos en un lado es: 2 ⋅ ( e2 − 0.5 ⋅ d0 ) ⋅ t ⋅ fu Con 1 tornillo N u , Rd = γM2 Con 2 tornillos N u , Rd = β 2 ⋅ Anet ⋅ fu γM2 Con 3 o más tornillos N u , Rd = β 3 ⋅ Anet ⋅ fu γM2 Interpolar β para valores intermedios de p1. Anet Área neta del angular. ANGULARES DE REFUERZO Cuando sea preciso colocar angulares de refuerzo entre un angular y una cartela, la unión del angular de refuerzo al angular se dimensionará para resistir un esfuerzo 20% superior al de cálculo, y su unión a la cartela para resistir un 40% superior. Para una sección en U unida a una cartela con ayuda de dos angulares de refuerzo, los valores son 10% y 20%. 28 3. Uniones atornilladas Uniones  Uniones Unionescon conBulones Bulones(Art. (Art.58.9) 58.9): permiten libremente el giro relativo entre piezas.  La unión será capaz de transmitir el esfuerzo FEd si su geometría cumple las siguientes condiciones: a≥ c≥ FEd ⋅ γ M 0 2 ⋅ d0 + 2 ⋅t ⋅ fy 3 FEd ⋅ γ M 0 d0 + 2 ⋅t ⋅ fy 3 Dada una pieza que cumpla las siguientes condiciones geométricas, se podrá resistir el esfuerzo FEd si: d0 ≤ 2.5 ⋅ t t ≥ 0.7 ⋅ FEd ⋅ γ M 0 fy t d d0 fy fu Espesor de la pieza. Diámetro bulón. Diámetro burato. Límite elástico del acero. Resistencia a tracción. 29 3. Uniones atornilladas Uniones  Uniones con Bulones (Art. 58.9) - Resistencia a simple cortante del bulón n - Tensión última a tracción del bulón Número de planos de corte Comprobación a flexión Bulón desmontable: - Interacción cortante – flexión - Comprobación a aplastamiento de las chapas unidas por bulones Si el bulón ha de ser desmontable: 30 3. Uniones atornilladas Uniones  Resumen de comprobaciones en tornillos (casos más habituales) CORTADURA Ft,Ed ≤ Ft,Rd Fv,Ed ≤ Fv,Rd SOLICITACIÓN COMBINADA APLASTAMIENTO Fv,Ed ≤ Fb,Rd DESGARRO Fv,Ed ≤ Nef,Rd Tornillo sin pretensar TRACCIÓN MEd ≤ MRd ------ Tornillo pretensado Bulón o pasador FLEXIÓN ELU: ELS: γ M 3 = 1.1 ELU: γ M 3 = 1.25 ------ DISPOSICIONES CONSTRUCTIVAS ------ DISPOSICIONES CONSTRUCTIVAS PARTICULARES 31 3. Uniones atornilladas Uniones  Reparto de esfuerzos - Métodos experimentales Métodos numéricos que consideren la no-linealidad de los distintos materiales Métodos elásticos Métodos lineales Condiciones para admitir el reparto de esfuerzos entre los distintos elementos de una unión: 1. 2. 3. 4. Equilibrio de fuerzas y momentos Cada elemento de la unión es capaz de resistir los esfuerzos adjudicados Cada elemento de la unión tiene capacidad de deformación suficiente para que sea físicamente posible el reparto supuesto Reparto proporcional a las rigideces  Esfuerzos mínimos que debe resistir una unión - Piezas sometidas predominantemente a esfuerzos axiles (soportes, tirantes, …) - Piezas sometidas a flexión = N Ed 0= .5N P 0.5 Af y En puntos interiores:= M Ed 0= .5M el 0.5We f y = VEd 1 / 3VP ≈ 0.2 Aw f y En extremos articulados:= VEd 1 / 3VP ≈ 0.2 Aw f y 32 3. Uniones atornilladas Uniones  Reparto de esfuerzos lineal (sólido indeformable) • Solicitaciones que producen esfuerzos cortantes Fórmula general: PeAi ri′ ; r0 = Ri = ∑ Ai ri ∑ Ar e∑ A 2 i i i ∑r Si todos los tornillos son iguales: Peri′ = Ri = ; r0 2 ∑ ri 2 e⋅n i 33 3. Uniones atornilladas Uniones  Reparto de esfuerzos lineal (solido indeformable) • Solicitaciones que producen tracción en tornillos pretensados di σi Hipótesis: Los esfuerzos normales son absorbidos por los tornillos C.D.G de los tornillos M = Fi σT ∑ Ad i 2 i Solicitaciones que producen tracción en tornillos no pretensados m=2 d= M mA p 0.5σ T ⋅ d= ⋅ c 0.5σ C ⋅ b ⋅ c1 σ T / c = σ C / c1 Hipótesis: Las tracciones las absorben los tornillos Las compresiones las absorbe la chapa = σC c1 • Mdi Ai = ; I I c1 / c = d / b c1 + c = h σC c= b − d ⋅b h b−d Ft , Ed M M σT = c1 ; = c I I A Inercia de la sección resistente: d ⋅ c 3 b ⋅ c13 I = + 3 3 34 3. Uniones soldadas Uniones  Generalidades Procedimiento de unión directa entre metales en el que se produce intercambio de cristales entre ellos. El procedimiento más habitual en elementos estructurales metálicos es la soldadura por arco eléctrico. Las uniones soldadas son poco deformables, económicas, sencillas y rápidas de ejecutar, pero requieren personal cualificado, protección en obra y un intenso control de calidad para evitar roturas frágiles o por fatiga. Las soldaduras amparadas por la EAE deberán efectuarse sobre piezas de más de 4 mm de espesor. 35 3. Uniones soldadas  Generalidades Uniones MIG (metal inert gas) / MAG (metal active gas) Efectos que se producen durante el proceso de soldadura: 1. Fundición 2. Tratamiento térmico 3. Disolución Variantes del proceso general de soldadura: • Soldadura manual o automática • Electrodos consumibles o no • Arco desnudo o recubierto TIG (tungsten inert gas) Soldadura arco metálico recubierto 36 3. Uniones soldadas Uniones  Tipos de uniones y de cordones: • Por la posición relativa de las piezas a unir las uniones pueden ser: - A tope - En T - A solape • Los cordones de soldadura pueden ser: - En ángulo:  Laterales: paralelos al esfuerzo  Frontales: normales al esfuerzo  Oblicuos: casos intermedios - A tope:  De penetración completa  De penetración parcial • Los cordones de soldadura pueden ser: - Continuos - Discontinuos 37 3. Uniones soldadas Uniones  Cordones en ángulo: • Espesor de garganta a: debe tomarse igual a la altura del mayor triángulo que pueda inscribirse en la sección de metal de aportación, medida normalmente al lado exterior de dicho triángulo. Cuando el método de soldadura permita conseguir una penetración apreciable, podrá incluirse esta penetración en el valor del espesor de garganta siempre que pueda demostrarse que esta penetración es constante a lo largo del cordón. Se denomina plano de garganta al definido por la garganta y por el eje del cordón (charnela), intersección de los dos planos a unir mediante el cordón de soldadura. 38 3. Uniones soldadas Uniones  Cordones en ángulo: Disposiciones constructivas: - Generalidades:  El ángulo entre las piezas a unir estará comprendido entre 60° y 120°  Si el ángulo está comprendido entre 45° y 60°, el cordón se considerará de penetración parcial  Para ángulos < 45° o >120°, el cordón se considerará de simple atado, salvo ensayos. - Espesor de garganta: 3mm → tmáx ≤ 10mm  0.7 ⋅ tmín ≥ a ≥ 4.5mm → tmáx ≤ 20mm 5.6mm → t > 20mm máx  - - tmín : espesor de la pieza más delgada a unir tmáx : espesor de la pieza más gruesa a unir Cuando tmáx>2·tmín habrá que tomar medidas especiales para evitar problemas de fisuración en frío. Terminación:  Deben prolongarse en las esquinas una longitud de 3·a, siempre que se pueda en el mismo plano. Cordones discontinuos:  Se permiten para cargas estáticas y ambientes con grados de corrosividad bajos.  Se exige una longitud mínima de los cordones parciales, y se limita a la distancia libre entre os sus extremos. 39 3. Uniones soldadas Uniones  Cordones en ángulo: Disposiciones constructivas (continuación): - Excentricidades:  Se dispondrá evitando la aparición de flectores que tengan por eje el del propio cordón. - Longitud mínima para cordones laterales:  Los cordones en ángulo que transmiten esfuerzos axiles de barras tendrán una longitud mínima: 15 ⋅ a L≥ W W: ancho de la pieza a unir - Solapes:  Se establecerá un solape mínimo: 5 ⋅ t Solape ≥  mín 25mm tmín: menor espesor de las piezas a unir. 40 3. Uniones soldadas Uniones  Cordones en ángulo: Resistencia: - Se estudia un cordón de longitud suficientemente pequeña y se supone que las tensiones son uniformes. Se obtienen de las Tensiones en el plano de la garganta: σ┴ τ┴ τll - Tensiones en una de las caras de la soldadura: n┴ t┴ tll - - solicitaciones exteriores. Tensión normal al plano Tensión tangencial normal a la charnela Tensión tangencial paralela a la charnela Tensión normal al plano Tensión tangencial normal a la charnela Tensión tangencial paralela a la charnela Relación entre tensiones abatiendo 45° : n⊥ ⋅ σ⊥ = 2 2 + t⊥ ⋅ 2 2 τ⊥ = −n⊥ ⋅ 2 2 + t⊥ ⋅ 2 2 tll τ ll = La resistencia del cordón es suficiente si se cumplen simultáneamente las condiciones: σ ⊥2 + 3 ⋅ (τ ⊥2 + τ ll2 ) ≤ fu βw ⋅ γ M 2 σ ⊥ ≤ 0.9 ⋅ γM2 fu fu Resistencia a tracción del acero de las piezas a soldar βw Tensión tangencial normal a la charnela. γM2 Coeficiente de minoración de resistencia (1.25) 41 3. Uniones soldadas Uniones  Cordones en ángulo: Resistencia (continuación): - Longitud efectiva de un cordón: es la longitud (incluyendo las prolongaciones de esquina) en la que se mantiene el espesor de garganta nominal.  No se consideran efectivos para transmitir esfuerzos los cordones menores de 30 mm o 6·a  En uniones a solape en las que Lw ≥ 150 ⋅ a : β1 ⋅ Lw Lw,ef =  Para cordones de más de 1700 mm de longitud que unan rigidizadores transversales a elementos de chapa se tomará: Lw,ef = β 2 ⋅ Lw 0.6 ≤ β 2 = 1.1 − Lw ≤1 17000 Un cordón de espesor de garganta a y longitud Lw transmitirá una fuerza F si la tensión tangencial media en el cordón cumple: = τw - 0.2 ⋅ Lw ≤1 150 ⋅ a Esta reducción no se aplicará cuando la distribución de tensiones a lo largo de la soldadura sea igual a la distribución de tensiones en el metal de base contiguo. Ejemplo: unión ala-alma en vigas armadas Lw: longitud del cordón. Lw,ef: longitud efectiva. - β1 = 1.2 − F fu ≤ a ⋅ Lw β w ⋅ γ M 2 ⋅ 2 + cos 2 α α Se estará del lado de la seguridad si se toma, para cualquier valor de α: = τw F fu ≤ a ⋅ Lw β w ⋅ γ M 2 ⋅ 3 Método alternativo simplificado de comprobación de resistencia de un cordón en ángulo 42 3. Uniones soldadas Uniones  Cordones a tope: Disposiciones constructivas: - De penetración completa: el metal de aportación ocupa sin defectos todo el espesor de las piezas a unir - De penetración parcial: el espesor ocupado por el metal de aportación es inferior al de las piezas a unir Se dispondrá evitando la aparición de flectores parásitos que tengan por eje el del propio cordón Se prohíben los cordones a tope discontinuos Resistencia: - De penetración completa: si no existen defectos no es preciso su comprobación resistente - De penetración parcial: si no hay defectos la resistencia es igual a la de un cordón en ángulo del mismo espesor de garganta a. Para cordones en V, U o J: = a anom − 2mm En uniones en T con 2 cordones a tope de penetración parcial reforzados con 2 cordones en ángulo, se puede suponer que la unión es de penetración completa si: t anom1 + anom2 ≥ t y cnom < ou 3mm 5 t: espesor de la pieza a unir No se utilizarán cordones a tope de penetración parcial en uniones sometidas a fatiga o cuando deban transmitir esfuerzos de tracción normales a su eje 43 3. Uniones soldadas Uniones  Soldaduras de botón o en ranura: Soldaduras en botón: - Rellenan agujeros circulares o alargados ejecutados en una pieza que solapa a otra - Se usarán solo cuando no exista otro medio para transmitir esfuerzos cortantes o impedir el pandeo o la separación de partes solapadas. No deben usarse para transmitir esfuerzos de tracción - Se prohíbe rellenar con soldadura los agujeros practicados en la estructura para colocar tornillos provisionales de montaje Soldaduras en ranura: - Son soldaduras en ángulo en el interior de agujeros circulares o alargados - Solo se deben emplear para transmitir esfuerzos cortantes o impedir el pandeo o la separación de solapes Disposiciones constructivas: Están condicionadas por: - Forma de los agujeros - Tamaño de los agujeros - Disposición de los agujeros Resistencia: Se consideran aceptables si: = τw Fw, Ed fu ≤ Aw βw ⋅ γ M 2 ⋅ 3 τw Fw,Ed Aw Lw Tensión tangencial media en la soldadura Esfuerzo de cálculo a transmitir Área del agujero si es en botón o a·Lw si es en ranura Longitud del cordón (medida a una distancia a/2 del borde interior de la ranura) 44 3. Uniones soldadas Uniones  Defectos de las soldaduras - Reducen la sección del aumentan el efecto entalla cordón y - Debe establecerse un control sobre el proceso de ejecución que permita detectar, cualitativa y cuantitativamente los defectos y establecer criterios de aceptación, reparación o rechazo Superficiales (visibles desde el exterior): - Mordedura Picadura Desbordamiento Falta de penetración Grietas Internos (no visibles desde el exterior): - Porosidad o sopladuras - Inclusión de escorias - Fisuras internas 45 3. Uniones soldadas Uniones  Control de las soldaduras    Destructivos: en procesos industriales y uniones muy repetitivas, se ensayarán piezas de prueba hasta rotura para determinar sus condiciones. No se usa en edificación. Semidestructivos: consisten en perforar la soldadura con una fresa en algún punto donde se presume un defecto para comprobar su estado. Posteriormente se repara el cordón con aportación de material. No destructivos: - Inspección visual: control básico que proporciona mucha información si lo hace una persona experta. - Líquidos penetrantes (LP): solo detectan defectos superficiales. Se rocía (spray) un líquido de baja tensión superficial y color vivo (penetrante) que penetra fácilmente en los huecos, y luego se aplica un revelador (polvo) para extraer el penetrante por capilaridad del defecto y que sea visible. - Partículas magnéticas (PM): se crea un campo magnético en el entorno de la soldadura y se espolvorea la zona con partículas magnéticas, que se agruparán visualizando as líneas de este campo. Cualquier defecto será una zona singular en la geometría. - Ultrasonidos (US): vibraciones acústicas de frecuencia superior al sonido audible. Un defecto en el cordón hace que se pierda parte de la energía emitida (por reflexión o absorción) alterando la onda recibida. - Radiografías (RX): como una fotografía pero con radiación de onda corta (rayos X). Un defecto provoca mayor ennegrecimiento en la placa de incidencia, pues la energía absorbida es menor.  Reglas de buena práctica para evitar deformaciones angulares debidas a calentamiento: - Principio de simetría Principio de máxima libertad Accesibilidad y posición final Principio de enfriamiento Evitar estados de triple tracción 46 3. Uniones soldadas Uniones  Desgarro laminar - Se deberán evitar las tensiones residuales dirigidas según el espesor de las piezas a unir. En especial cuando existan tensiones de tracción (residuales de soldeo o por fuerzas exteriores)  Reparto de esfuerzos entre los cordones de una unión: - La distribución de esfuerzos puede efectuarse suponiendo comportamiento elástico o plástico de la unión - En general es aceptable considerar una distribución de fuerzas simplificada dentro de la unión, siempre que se cumplan las condiciones de: Equilibrio, Resistencia, Capacidad de deformación y Proporcionalidad respecto a las rigideces.  Uniones híbridas: - El medio de unión (tornillo o soldadura) que posea mayor rigidez se diseñará para soportar la totalidad de la carga - Se exceptúan las uniones de categoría C, donde se puede asumir que comparten la carga siempre que los tornillos se aprieten después de efectuarse la soldadura. La resistencia de la unión será la suma de las resistencias de cada elemento de unión 47 3. Uniones soldadas Uniones  Reparto de esfuerzos entre cordones Solicitaciones que producen esfuerzo cortante: Suponiendo que los esfuerzos que actúan en la unión Pu son los de diseño, se supondrá que una de las piezas a unir se mueve con respecto a otra girando alrededor de un centro instantáneo de rotación. La deformación en cada punto de los cordones de soldadura se supondrá proporcional (método elástico) a la longitud del radio vector que une el punto con el CIR y normal a él. - Si Pu pasa por G (a = 0) la tensión tangencial media en un punto: tw, Ed = Pu A - Si Pu no pasa por G (a ≠ 0), los esfuerzos actuantes se pueden descomponer en un cortante Pu actuando en G más un momento torsor MEd = Pu·al, que provoca en cada punto una tensión tangencial media de componentes: twy , Ed = M Ed ⋅ z M Ed ⋅ y ; twz , Ed = Ip Ip Las componentes debidas al cortante y al torsor deben sumarse vectorialmente. El punto más desfavorable será el más apartado del CIR. Solicitacións que producen tensiones normales: Se aplica la teoría de Navier-Bernouilli. 48 3. Uniones soldadas Uniones  Ejemplos de cálculo de soldaduras de ángulo: - Caso I. Tracción, solo soldaduras laterales:  n⊥ =  t⊥ =  tll =        0= σ⊥ 0    0 τ⊥ 0  ⇒ = ⇒ F   F   τ ll  = 2⋅a⋅ L  2⋅a⋅ L  2  F 2  fu 2 ⋅ a ⋅ L ⋅ fu ⇒ 0 + 3 ⋅ 0 +  ⇒F≤  ≤ 3 ⋅ βw ⋅ γ M 2  2 ⋅ a ⋅ L   β w ⋅ γ M 2  2 - Caso II. Tracción, solo soldaduras frontales:  2⋅F  σ ⊥ =  = 4⋅a⋅ L n⊥ 0      F   2⋅F   τ⊥ t⊥ =  ⇒ = ⇒ 2 ⋅ a ⋅ L 4 ⋅ a ⋅ L     = tll 0=  τ ll 0  2  2 ⋅ F  2   2⋅F  fu 2 ⋅ a ⋅ L ⋅ fu 2 ⇒  ⇒F≤  + 3 ⋅   +0  ≤ βw ⋅ γ M 2  4 ⋅ a ⋅ L   βw ⋅ γ M 2  4⋅a⋅L    49 3. Uniones soldadas Uniones  Ejemplos de cálculo de soldaduras de ángulo: - Caso III. Tracción, solo soldaduras oblicuas:  2 ⋅ F ⋅ sen θ  2  2 ⋅ F ⋅ sen θ 2  F ⋅ cosθ 2  = σ  ⊥   2 ⋅ F ⋅ sen θ  fu 4⋅a⋅L  ⇒  n⊥ 0   ⇒  + 3 ⋅   +  ≤ β γ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ 4 a L 4 a L 2 a L       w M2     F ⋅ sen θ 2 ⋅ F ⋅ sen θ    t⊥  ⇒= τ ⊥  =  2⋅a⋅L   4⋅a⋅L  2 ⋅ a ⋅ L ⋅ fu ⇒F≤     F ⋅ cosθ F ⋅ cosθ 2 + cos 2 θ ⋅ β w ⋅ γ M 2 tll =  τ ll  2⋅a⋅L   2⋅a⋅L    2 ⋅3⋅ F ⋅e  σ =  F ⋅e L  ⊥  2 ⋅ a ⋅ L2  n⊥ ⋅   = I 2    2 ⋅3⋅ F ⋅e  ⇒ τ t 0 = ⇒ = − ⊥  ⊥ 2 2 a L ⋅ ⋅     F  F tll =   τ =  2 ⋅ a ⋅ L   ll  2⋅a⋅L   - Caso IV. Flexión simple, solo soldaduras frontales longitudinales: 1 I= ⋅ 2 ⋅ a ⋅ L3 12 2  F ⋅e fu L  2 2 ⇒ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ≤ 2 3 3 2 3     2 ⋅ a ⋅ L2  e   β w ⋅ γ M 2  L 2 ⋅3⋅ F ⋅e fu a ⋅ L2 ⋅ fu Si e >>> L ⇒  0 ⇒ ≤ ⇒F≤ βw ⋅ γ M 2 e a ⋅ L2 3 ⋅ 2 ⋅ e ⋅ βw ⋅ γ M 2 50