CONEXIONES SOLDADAS Determinación el tipo de soldadura a utilizar El proceso de diseño de conexiones soldadas consiste en el análisis de: Determinación el tipo de soldadura a utilizar Determinación de los electrodos Cálculo del área efectiva de soldadura Verificación de la resistencia de diseño de la soldadura empleada En este capítulo se presentan los conceptos principales del diseño de conexiones. El capítulo comienza con definiciones y clasificación de conexiones, para seguir con una muestra de conexiones típicas y sus diferentes usos. A continuación se presentan algunos de los daños típicos observados en conexiones de estructuras de acero. Luego, se presentan las características principales de las conexiones atornilladas y soldadas, para finalmente resumir las disposiciones de diseño para estos tipos de conexiones.

SMAW (Shielded Metal Arc Welding) PROCESO DE SOLDADURA Soldadura de arco A continuación se presentan los procesos de soldadura más usados en estructuras de acero. La elección correcta del proceso depende del lugar, el montaje, el acceso, la posición, la composición del acero y factores económicos. El método SMAW es manual y es de los más empleados en los procesos de soldadura al arco. Requiere gran habilidad para realizar soldaduras de buena calidad. El electrodo consiste en una varilla de acero revestido que contiene elementos en aleación, como manganeso o sílice. El arco funde el metal base y el electrodo. Al pasar el metal desde la varilla revestida a la masa fundida, el soldador acerca el electrodo para que la longitud del arco sea siempre igual. Esto es esencial, pues la longitud del arco determina en gran medida la anchura del cordón. El fundente se funde con la varilla, fluye por la superficie de la masa de metal derretido y forma una escoria que protege la soldadura y que hay que quitar cuando se solidifique. SMAW (Shielded Metal Arc Welding)

Tipos de soldadura Soldadura de filete: la más sencilla de ejecutar, no requiere mayor fabricación de las partes a unir. Soldadura de penetración: utilizada cuando se quiere una soldadura monolítica entre los elementos conectados. Puede ser de penetración parcial, si solo cubre parte del espesor de uno de los elementos, o total. La figura muestra los diferentes tipos de soldadura que existen. Estos son: Soldadura de filete: la más sencilla de ejecutar, no requiere mayor fabricación de las partes a unir. Soldadura de penetración: utilizada cuando se quiere una soldadura monolítica entre los elementos conectados. Puede ser de penetración parcial, si solo cubre parte del espesor de uno de los elementos, o total. Pueden requierir algo de fabricación si es necesario biselar alguno de los elementos para facilitar la fusión. Soldadura de tapón y de ranura: utilizada cuando no hay espacio para hacer una de las otras soldaduras o para hacer uniones de corte menos visibles. Requieren fabricación intensiva para materializar las perforaciones a llenar luego con soldadura.

Defectos de soldadura Socavación Falta de fusión Existen diversos defectos en soldaduras que deben evitarse para obtener una buena conexión. Entre ellos tenemos: Socavación: debido a un exceso de temperatura, es posible fundir demasiado el material base, de modo que parte de este fluye fuera de la conexión, creando huecos que luego pueden ser zonas de iniciación de fractura. Falta de fusión: por falta de calor, es posible que el material base no se funda completamente con el electrodo, quedando una interfaz entre los dos materiales que actúa como una imperfección y puede ser un punto de inicio de fractura. Falta de fusión

Falta de penetración Ilusión de escoria Porosidad Falta de penetración: por una mala ejecución de la soldadura, es posible que el material fundente no penetre hasta donde fue especificado. Esto genera una conexión de resistencia menor a la esperada. Formación de escoria: debido a un enfriamiento muy rápido, se puede generar una capa de escoria en la soldadura. Esta capa parece sólida, sin embargo su resistencia es muy baja. Porosidad: la inclusión inadvertida de hidrógeno y otros gases puede generar una soldadura llena de pequeños poros, como una esponja. Cada uno de estos poros es una imperfección que es un punto potencial de iniciación de fractura. Ilusión de escoria Porosidad

Usos típicos de soldaduras de filete Esta lámina y las tres siguientes muestran los usos típicos de soldadura de filete. Las soldaduras de filete tienen una excelente resistencia al corte y son por lo tanto una buena opción para uniones traslapadas o aquellas donde la soldadura trabaje principalmente en corte.

Usos típicos de soldaduras de filete Filetes de soldadura también pueden usarse en placas base o placas de extremo en vigas. Sin embargo, su uso está limitado a perfiles de capacidad no muy alta. Este tipo de soldadura también se utiliza comúnmente en la unión de placas de corte o ángulos al alma de vigas, y es la soldadura preferida para fabricar miembros armados.

Usos típicos de soldaduras de filete Conexiones rígidas También son usadas en conexiones de momento y empalmes donde hay juntas traslapadas. Empalmes

Conexiones simples Angulos de apoyo Y en conexiones simples y soldadura de ángulos de apoyo a la columna. Angulos de apoyo

Soldaduras de filete junta traslapada Símbolo de soldadura Soldaduras de filete junta traslapada Se presentan a continuación los principales símbolos de soldadura. Para mayor claridad, en cada lámina se muestran lado a lado el o los símbolos y la soldadura deseada. En primer lugar se muestran los símbolos para una soldadura de filete. El número en frente del triángulo es la dimensión nominal del filete y el número detrás del triángulo es la longitud del filete. Este orden se mantiene sin importar la orientación de la flecha. Soldadura deseada

Soldaduras de filete miembro armado Símbolo de soldadura Soldaduras de filete miembro armado Soldadura deseada La soldadura indicada por debajo de la línea es la que se hace en el lado que apunta la flecha, mientras que la que se hace en el lado opuesto se indica sobre la línea.

Soldaduras de filete intermitentes Símbolo de soldadura Soldaduras de filete intermitentes Soldadura deseada En el caso de soldaduras intermitentes, se indica primero la longitud del filete seguida de la distancia entre centros de filetes adyacentes. Si los filetes están intercalados a un lado y al otro, se desplaza el símbolo de soldadura de uno de los lados.

Soldaduras de penetración parcial Símbolo de soldadura Soldaduras de penetración parcial Soldadura deseada En el caso de soldaduras de penetración parcial, el símbolo indica el tipo de preparación de las placas a unir y se agrega información sobre la separación entre placas, si es requerida.

Conexión columna placa base Símbolo de soldadura Para indicar una soldadura en todo el contorno se dibuja un círculo en el quiebre de la línea de soldadura. Conexión columna placa base

Criterios de diseño en conexiones soldadas. Método LRFD El procedimiento de diseño de las conexiones soldadas comienza con la selección del proceso de soldadura y el electrodo correspondiente. Las Normas AISC y Covenin suponen que se ha seleccionado el proceso de soldadura por arco (SMAW). Por razones prácticas se escoge un diámetro de electrodo que deposite un espesor constante de soldadura. Para conexiones de perfiles electrosoldados se puede usar electrodo E7018 de Ø = 1/8” para las soldaduras horizontales y de Ø = 5/32” para las soldaduras verticales.

Pv < Aw Rn Pv < (twLw) Rn Pv < (tw  Rn )Lw La capacidad de resistencia de agotamiento de la soldadura requiere determinar y calcular su longitud Lw. Capacidad de una soldadura de filete: Pv < Aw Rn Pv < (twLw) Rn Pv < (tw  Rn )Lw Pv < (  FR )Lw Donde: tw = garganta mínima efectiva. Para soldaduras de filete es (√2/2) D, siendo D la dimensión del lado o tamaño de la soldadura Lw = longitud de la soldadura ØFR = Corte de diseño de la soldadura de filete. (Ver tabla 1) Pv = Carga sobre la conexión

Tabla n° 1 D 0,707 D = tw Lw ≥ 4D

Se debe verificar que para el corte en el área efectiva de la soldadura ØFR no exceda la resistencia nominal de los elementos que se conectan: ØFR = 0,90 Fy A ØFR = 0,75 Fu Ae El procedimiento práctico para diseñar una soldadura de filete es: Definir el valor de ØFR (tabla n° 1) Escoger el tamaño de la soldadura D según tabla n° 2. Calcular la longitud total de la soldadura Lw según la expresión: Lw = Nu ØFR

Tabla n° 2

Resistencia de diseño de los elementos conectados En las conexiones soldadas se debe verificar que las planchas y otros elementos conectados tengan la resistencia de diseño adecuada, determinada según los siguientes criterios: Tracción Cedencia:  Rn = 0,90 Fy A Rotura:  Rn = 0,75 Fu Ae Corte Cedencia:  Rn = 0,90 (0,60Fy )A Rotura:  Rn = 0,75 (0,60Fu )Anc Bloque cortante Como no hay perforaciones, Ant = At = Ast Anc = Ae = Abt Cuando Fu Ant ≥ 0,60 Fu Anc  Rn = Ø ( 0,60 Fy Av + Fu Ant ) Cuando Fu Ant < 0,60 Fu Anc  Rn = Ø ( 0,60 Fu Anc + Fy At )

Tabla n° 3

FExx = resistencia mínima de agotamiento del electrodo Ejercicio 1: En la conexión soldada que se muestra, se debe calcular el tamaño de la soldadura A y la longitud de la soldadura B. La placa y los perfiles son A36 y los electrodos son E70XX. Las soldaduras son por ambas caras de la cartela. 203 mm Sold. A Sold. B Placa Cartela 22 mm 8 2 PL 127x16 mm Para E70XX: FExx = 4920 kg/cm2 127 mm FExx = resistencia mínima de agotamiento del electrodo Para E60XX: FExx = 4230 kg/cm2 81,6 tons

Nu = (tw  Rn )Lw  Rn = 0,75 ( 0,60 FExx) Soldadura A: Soldadura de filete con solicitación de corte en el área efectiva de soldadura De la tabla 3:  Rn = 0,75 ( 0,60 FExx)  Rn = 0,75 ( 0,60 x 4920) = 2214 kg/cm2 De la capacidad de resistencia de agotamiento de la soldadura de filete: Nu = (tw  Rn )Lw tw = Nu ØRn Lw tw = 81600 kg 2214 kg/cm2 x 20,3 cm tw = 1,82 cms Como hay soldadura en ambos lados de la placa, tw = 1,82 / 2 = 0,91 cms a cada lado D = √2 tw D = 1,28 cm = 12,8 mm Despejamos D: De la tabla n° 2, Dmin = 8 mm Elegimos D = 13 mm

Nu = (tw  Rn )Lw  Rn = 0,75 ( 0,60 x 4920) = 2214 kg/cm2 Lw = Nu Soldadura B:  Rn = 0,75 ( 0,60 x 4920) = 2214 kg/cm2 De la capacidad de resistencia de agotamiento de la soldadura de filete: Nu = (tw  Rn )Lw Lw = Nu ØRn tw Lw = 81600 kg 2214 kg/cm2 x 0,8(√2/2) cm Lw = 65,15 cms Existe soldadura en ambos lados de la placa, Lw = 65,15 / 2 = 32,58 cms a cada lado Restamos 12,7 cms para obtener la longitud lateral : Lw = 32,58 – 12,7cms = 19,88 cms Lw a cada lado, en ambas caras = 9,94 cms Elegimos Lw = 10 cm