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Universidad de concepción Facultad de Ingeniería Civil Departamento de Ing. civil

ESTRUCTURAS METÁLICAS

CONEXIONES SOLDADAS

ALUMNOS: Hernán Hidalgo Romero Juan Correa Fuentes Minor Nozaki Uribe Mauricio Rubilar Burgos Manuel Salgado Figueroa Víctor Solís San Martín Roberto Proboste Sobarzo PROFESOR: Fernando Cerda FECHA: Miércoles 2 de Julio de 2008

Estructuras Metálicas – Conexiones Soldadas

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Índice Introducción Ventajas y Desventajas Tipos de Conexiones Métodos de Soldaduras Tipos de Soldaduras Material de aporte Defectos de las uniones soldadas Resistencia al Diseño de Conexiones soldadas Conexiones en Soldaduras

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1. Introducción La práctica de la soldadura data de hace miles de años. Se sabe que en la antigua Grecia se lograba la unión de piezas metálicas a través del calor y golpes (forja) para obtener piezas compuestas con cierta resistencia mecánica. La soldadura se define como un proceso en el cual se realiza la unión de partes metálicas mediante calentamiento, para alcanzar un estado plástico con o sin el aporte de un material adicional de refuerzo. También se conoce por soldadura al metal fundido que une dos piezas de metal, de la misma manera que realiza la operación de derretir una aleación para unir dos metales, pero diferente de cuando se soldan dos piezas de metal para que se unan entre si formando una unión soldada. Varios son los tipos, procesos, equipos utilizados y costos vinculados a este arte. Por ende, el  presente anexo busca sintetizar de manera práctica y precisa los principales fundamentos de esta disciplina, entregando un documento que incluya principios teóricos, experimentales y especialmente referenciales, permitiendo al lector orientarse de buena manera en el tema. 2. Ventajas y Desventajas 2.1. Ventajas El empleo de conexiones soldadas en vez de atornilladas o remachadas permite un ahorro de material (hasta de un 15%). La soldadura permite grandes ahorros en el peso del acero utilizado. Zona de aplicación mucho mayor en conexiones. Las estructuras soldadas son estructuras más rígidas debido a una unión directa. Permite una real continuidad en las estructuras. Proceso de unión silencioso. Permite una buena creación de perfiles metálicos utilizados en ingeniería. La soldadura requiere menos trabajo y por lo tanto menos personal que la colocación de remaches o tornillos (un soldador puede reemplazar una cuadrilla de remachadores). La soldadura permite una gran variedad de conexiones, cosa que no se puede con remaches o tornillos. Las conexiones soldadas son más rígidas que las demás, lo cual permite una verdadera continuidad en la transmisión de elementos mecánicos entre miembros. Debido a la mayor resistencia del metal de aportación las conexiones soldadas  permiten una gran resistencia a la fatiga. Las estructuras soldadas pueden repararse muy fácilmente a diferencia del resto. Las conexiones soldadas han permitido la construcción de estructuras soldadas y "limpias". Las conexiones soldadas permiten ajustes de proyecto más fácilmente que en otro tipo de conexiones. El trabajo de soldadura es silencioso comparado con el remachado. Hay un ahorro considerable en el cálculo, detallado y montaje de las estructuras. •

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2.2. Desventajas Las conexiones rígidas pueden no ser óptimas en el diseño. La revisión de las conexiones soldadas no es muy sencillo con respecto al resto. La creencia de la baja resistencia a la fatiga en conexiones soldadas (no se permite aún en algunos puentes ferroviarios USA). • • •

3. Tipos de Conexiones 3.1. Según forma en que se conectan los elementos 3.1.1. Conexiones Apernadas: Apernadas: Proceso en el que se unen partes metálicas mediante un proceso mecánico en estado natural (sin calentamiento del perfil, ni de la conexión), permitiendo que las partes se unan sin sin alterar cada parte. parte. 3.1.2. Conexiones Soldadas: Soldadas: Proceso en el que se unen partes metálicas mediante el calentamiento de sus superficies a un estado plástico, permitiendo que las  partes fluyan y se unan con o sin la adición de otro metal fundido. 3.1.3. Conexiones Mixtas: Mixtas: Es la combinación en indistinta proporción, de los  procesos de unión metálica (puestas en un mismo proceso). 3.2. Según esfuerzos que la conexión deba transmitir 3.2.1. Conexiones Rígidas: Rígidas: Se le denomina a aquellas conexiones que cuentan con una resistencia completa a momento, es decir, la rotación se encuentra totalmente restringida. 3.2.2. Conexiones Simples: Simples: Se le denomina a aquellas conexiones que no oponen ninguna resistencia a la rotación, por lo que no transmiten momento. 3.2.3. Conexiones Semi –Rígidas: –Rígidas: Se le denomina a aquellas conexiones cuyas características rotacionales caen en algún punto intermedio entre los dos tipos mencionados anteriormente 4. Métodos de Soldaduras 4.1. SMAW (Shielded metal arc welding): Corresponde soldadura manual con electrodo, esta es la más común y antigua de los distintos procesos de soldadura por arco. 4.2. SAW: SAW: Corresponde a la soldadura por arco sumergido, en este tipo de soldadura el arco se establece entre la pieza a soldar y el electrodo, estando ambos cubiertos por  una capa de flux granular (de ahí su denominación de arco sumergido). Por esta razón el arco está oculto. Algunos fluxes se funden para proporcionar una capa de escoria   protectora sobre el baño de soldadura. El flux sobrante vuelve a ser de nuevo reutilizado. 4.3. GMAW: GMAW: Este procedimiento, conocido también como soldadura MIG/MAG, consiste en mantener un arco entre un electrodo de hilo sólido continuo y la pieza a soldar. Tanto el arco como el baño de soldadura se protegen mediante un gas que puede ser  activo o inerte. El procedimiento es adecuado para unir la mayoría de materiales, disponiéndose de una amplia variedad de metales de aportación. 4.4. FCAW: FCAW: Corresponde a la soldadura con hilos tubulares, es muy parecida a la soldadura MIG/MAG en cuanto a manejo y equipamiento se refiere. Sin embargo, el electrodo continuo no es sólido si no que está constituido por un tubo metálico hueco que rodea al núcleo, relleno de flux. El electrodo se forma, a partir de una banda metálica que es conformada en forma de U en una primera fase, en cuyo interior se

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deposita a continuación el flux y los elementos aleantes, cerrándose después mediante una serie de rodillos de conformado. 4.5. EGW: EGW: Corresponde a la soldadura por electrogas, la cual es un desarrollo de la soldadura por electroescoria, siendo procedimientos similares en cuanto a su diseño y utilización. En vez de escoria, el electrodo es fundido por un arco, que se establece en un gas de protección, de la misma manera que en la soldadura MIG/MAG. Este método se utiliza para soldar chapas con espesores desde 12 mm. hasta 100 mm., utilizándose oscilación para materiales con espesores fuertes. Normalmente, la junta es una simple unión-I con una separación. Las juntas- V también son utilizadas. Cuando la soldadura es vertical - como por ejemplo, en tanques de gran tamaño -, se   pueden conseguir importantes ahorros de coste, si se compara con la soldadura manual MIG/MAG. 4.6. ESW: ESW: Corresponde a la soldadura por electroescoria, comienza en el inicio del  proceso de soldadura, se crea un arco entre el electrodo y la pieza a soldar. Cuando el flux de soldadura que se coloca en la junta se funde, se produce un baño de escoria que aumenta en profundidad. Cuando la temperatura de la escoria y por tanto su conductividad aumentan, el arco se extingue y la corriente de soldadura es conducida mediante la escoria fundida, donde la energía necesaria se produce por resistencia. Cada uno de estos métodos posee una cierta nomenclatura y propiedades de electrodos, la que pueden ser encontradas en el ICHA 2000 Tomo I (capítulo 4: Conexiones), o bien del manual AISC-LRFD. A modo de ejemplo se mostrará la nomenclatura para electrodos SMAW: Propiedades del electrodo E 48 1 6 A1 480 Posición Características del Composición del Electrodo MPa * recubrimiento** metal de soldadura * 1 = Todos los planos, vertical, arriba (sobre la cabeza) y horizontal 2 = Solamente plano y horizontal ** 5, 6, 8 = Poco hidrógeno

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5. Detallamiento de soldaduras precalificadas Se denominas soldaduras precalificadas a aquellas que pueden ejecutarse sin la necesidad de hacer pruebas de preclasificación de las normas AWS, que tienen por objeto determinar las dimensiones, suministro eléctrico (voltaje e intensidad), velocidad, entre otros, con el fin de obtener la resistencia especificada. Las tablas de detallamiento pueden ser encontradas en el ICHA 2000 o en el manual AISC-LRFD. A modo de ejemplo mostraremos una.

Estas tablas contienen información respecto de las separaciones entre planchas a soldar, espesores, tratamientos de los bordes, tolerancias, entre otros. También se indica la designación (Joint designation, por ejemplo B-L1a por una soldadura de bordes rectos con  plancha de respaldo), la cual puede mencionarse en los planos de detallamiento en vez de la simbología usada corrientemente, también mostrada en las tablas. Los símbolos utilizados en las figuras pueden reconocerse en la tabla 4-53, donde los términos significan: ! Back : Soldadura de respaldo : Soldadura de filete ! Fillet ! Plug or slot : Soldadura de tapón ! Groove or butt : Soldadura de tope o relleno. Dentro de esta última se reconocen los siguientes tipos: ! Square : Bordes rectos ! V : Bevel : Un borde biselado y otro recto ! Bevel : Bordes biselados en U ! U ! J : Un borde biselado en U y otro recto ! Flare V : Soldadura de relleno entre dos superficies curvas : Soldadura de relleno entre una superficie curva y una recta ! Flare Bevel ! Backing : Plancha de respaldo ! Spacer : Platina de respaldo : Soldadura de terreno ! Field Weld ! Flush : Terminación lisa ! Convex : Soldadura de terminación convexa

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6. Tipos de Soldaduras Completa): Se obtienen depositando metal de aportación 6.1. Penetración (Parcial o Completa): entre dos placas que pueden, o no, estar alineadas en un mismo plano. Pueden ser de  penetración completa o parcial, según que la fusión de la soldadura y el metal base abarque todo o parte del espesor de las placas, o de la más delgada de ellas. 6.2. Filete o Cordón: Cordón: Se obtienen depositando un cordón de metal de aportación en el ángulo diedro formado por dos piezas. Su sección transversal es aproximadamente triangular. Tapón: Las soldaduras de tapón y de ranura se hacen en placas traslapadas, 6.3. Ranura o Tapón: rellenando por completo, con metal de aportación, un agujero, circular o alargado, hecho en una de ellas, cuyo fondo está constituido por la otra. 7. Material de Aporte Material base que se esté soldando, teniendo especial cuidado en aceros con altos contenidos de carbón u otros elementos aleados, y de acuerdo con la posición en que se deposite la soldadura. Se seguirán las instrucciones del fabricante respecto a los parámetros que controlan el proceso de soldadura, como son voltaje, amperaje, polaridad y tipo de corriente. La resistencia del material depositado con el electrodo será compatible con la del metal base. Para que una soldadura sea compatible con el metal base, tanto el esfuerzo de fluencia mínimo como el esfuerzo mínimo de ruptura en tensión del metal de aportación depositado, sin mezclar con el metal base, deben ser iguales o ligeramente mayores que los correspondientes del metal base. Por ejemplo, las soldaduras manuales obtenidas con electrodos E60XX o E70XX1, que  producen metal de aportación con esfuerzos mínimos especificados de fluencia de 331 y 365 MPa (3.400 y 3.700 kg/cm ), respectivamente, y de ruptura en tensión de 412 y 481 MPa (4.200 y 4.900 kg/cm ), son compatibles con el acero A36, cuyos esfuerzos mínimos especificados de fluencia y ruptura en tensión son 250 y 400 MPa (2.530 y 4.080 kg/cm ), respectivamente. !

!

!

8. Defectos de las uniones soldadas 8.1. Fisuras: Fisuras: Son discontinuidades por rotura local, provocadas por enfriamiento o esfuerzos transmitidos, esto debido principalmente al empleo de electrodos inadecuados y la excesiva rigidez de las piezas a unir. Las fisuras son peligrosas ya que producen una disminución de la sección resistente r esistente y facilitan la corrosión. 8.2. Cavidades y poros: poros: Son provocadas por residuos ajenos al proceso, es decir, falta de limpieza y preparación. También se pueden provocar por la excesiva intensidad de corriente que calienta los electrodos. 8.3. Inclusiones sólidas: sólidas: Cualquier materia extraña, que que quede aprisionada en el metal fundido, diferente de los metales de base y de aportación de la soldadura constituyen una inclusión sólida. Las más frecuentes son las escorias, los óxidos y las inclusiones metálicas. Los efectos de estás inclusiones pueden ser amplificados cuando la estructura comienza a prestar servicios. 8.4. Defectos de fusión: fusión: Este tipo de defectos se deben principalmente a la falta de ligazón entre el metal de d e aportación y el metal de base o entre las diferentes pasadas del cordón. Se puede presentar en los bordes, falta de fusión lateral, entre pasadas y en la raíz.

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8.5. Falta de penetración: penetración: Es debida a una fusión parcial de los bordes provocando discontinuidades de los mismos. Es provocada principalmente por una separación incorrecta de los elementos a unir durante el soldeo, al empleo de electrodos excesivamente gruesos, a una velocidad de avance excesiva o a una baja intensidad. Este defecto provoca una disminución de la resistencia de la unión. 8.6. Defectos de forma: forma: Se deben a la falta de geometría de la superficie externa en relación con el perfil correcto esperado. Cabe mencionar que todas estas anomalías puedes ser detectadas utilizando distintas inspecciones, entre las cuales encontramos: inspección visual, con líquidos penetrantes, con  partículas magnéticas, radiográfica y por ultrasonidos 9. Resistencia al Diseño de Conexiones soldadas Se debe considerar la ecuación que describe la resistencia nominal de una conexión soldada, esta es: %  Rn

#%  F  $  A " ! %  F  $  A  BM 

=

 BM 

W 

W 

Donde  F  es la resistencia nominal del metal base,  A área de la sección transversal del metal base,  F  es la resistencia nominal del metal de aporte (Electrodo)  BM 

 BM  

W 

Para el diseño de conexiones soldadas se deben considerar: a.- Se debe ver donde va soldado el empalme. Esto Esto puede ser el ala o alma.  b.- Calcular el momento plástico para el ala o alma respectivamente. c.- Con este valor se calcula la resistencia de empalme para la conexión (Resistencia última). Se debe usar la siguiente fórmula o calcular directamente la resultante de compresión o tracción dada la expresión: C 

=

T 

M  P ( ala ó alma ) =

 H 

donde H se obtiene de las propiedades de cada perfil p erfil (perfiles ICHA) d.- Establecer un criterio de elección de las dimensiones de la placa a utilizar, dado por el traspaso de esfuerzos. e.- Las dimensiones calculadas anteriormente se deben verificar utilizando el análisis de fluencia del área bruta y el de fractura del área efectiva. El análisis es análogo a lo visto en el curso inicialmente. El espesor de la placa se obtiene de la fluencia del área bruta, igualando esta resistencia a la resistencia de empalme. Utilizando este valor para evaluar la resistencia  por fractura del área efectiva, se evalúa el prediseño hecho comparando esta resistencia a la resistencia de empalme.

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f.- Si el valor de la resistencia por fractura del área efectiva es menor que el valor de la resistencia última, se debe iterar aumentando el espesor de la placa hasta que la oferta iguale o supere a la demanda. (Resistencia de diseño mayor a Resistencia última). g.- Conocidas las dimensiones de la placa, usando el valor del espesor, se puede estimar el filete de soldadura. Para ello se utilizará la siguiente tabla: T amañ amañ o mínimo de filetes filetes (mm) Espesor Espesor d e la parte parte más Tamaño del Filete gruesa conectada (mm) ha sta 6 3 m ás de 6 me no s de 13 5 m ás d e 13 me no s de 1 9 6 m á s de 19 8

h.- Con los valores del filete de soldadura y el electrodo usado, se puede determinar la resistencia al corte de filetes (en T/cm) con la siguiente tabla: R esistencia esistencia al Corte de Filete Filetes s (Ton/cm) Tamaño del Filete (mm) 3 5 6 8 10 12 16

!  R n Electrodo (AWS) E 60 XX E70 XX 0,4 02 0 ,46 9 0 ,67 0 ,78 2 0,8 04 0 ,93 8 1,0 72 1 ,25 1 1 ,34 1 ,56 3 1,6 08 1 ,87 6 2,1 44 2 ,50 1

i.- Conocida la resistencia al corte del filete, se calcula la resistencia resistencia nominal de la conexión, multiplicando este valor por el perímetro de contacto (placa - perfil). }  j.- Para evaluar el diseño, se compara la resistencia nominal de la conexión con la resistencia de empalme. Si esta resistencia es mayor que la de diseño (conexión), se debe aumentar el filete de soldadura, hasta que el proceso iterativo sea convergente. k.- En el caso del ala inferior, el análisis es análogo, con la diferencia de que se debe aumentar  el ancho de la placa de manera que se mejoren las condiciones de posición.

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10. Conexiones en soldaduras Conexiones de elementos: En el estudio de conexiones de elementos, debemos tener en cuenta, esta parte del capitulo J del AISC, dado que en este habla de los modos de falla que se  pueden presentar en la conexión. 1. Resistencia de elementos en tracción (a) En el caso de fluencia a de elementos conectados tracción:  Rn ! 

=

=

 F  y A g 

0.90( LRFD )

!

=

1.67( ASD)

(b) En el caso de rotura de elementos conectados a tracción:  Rn

! 

=

 Ae

=

 F u Ae

0.75( LRFD )

=

 An

!

!

=

2.00( ASD)

0.85 A g 

2. Resistencia de elementos en corte. (a) En el caso de corte por fluencia del elemento:  Rn ! 

=

=

0.60 F  y A g 

1.00( LRFD )

!

=

1.50( ASD)

(c) En el caso de corte por ruptura del elemento:  Rn

!   Anv

=

=

=

0.60 F u Anv

0.75( LRFD )

!

=

2.00( ASD)

Área sujeta a corte.

3. Bloque de corte.  Rn

=

0.60 F u Anv

! 

=

+

U bs F u Ant 

0.75( LRFD )

!

0.6 F  y A gv !

=

+

U bs F u Ant 

2.00( ASD)

4. Resistencia de elementos en compresión Para  KL

r  ! 25

 P n ! 

Para  KL

r  > 25

=

0.90( LRFD )

=

 F  y A g  !

=

1.67( ASD)

se aplican disposiciones capitulo E.

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Diseño de conexiones: Para el diseño de conexiones nos basaremos en los elementos que se utilizan para los distintos tipos de solicitaciones que se ve sometida la conexión: Para ello haremos una clasificación de elementos y luego veremos cuales son los que sirven  para cada tipo de conexión definida por el AISC. CLASIFICACIÓN DE TIPOS DECONEXIONES •Armado de conexiones a cortante: Dos ángulos Un ángulo Una placa soldada Placa extremo a cortante Conexión con T Placa de asiento o ángulo •Conexiones a momento Patines soldados Placas en patines soldadas Placas en patines atornilladas T’es cortadas Ángulos en patines Placas de extremo a momento CLASIFICACIÓN DE CONEXIONES VIGA-COLUMNA Todas las técnicas dependen de la longitud de los miembros su diagrama de momento y de la magnitud de los mismos. •Totalmente empotrada FR o tipo 1 Patines soldados Placa en patines y soldada o atornillada T’es cortadas A Momento con placa extrema extendida •Parcialmente empotradas/articuladas PR o Tipo 2 Ángulos dobles Un ángulo Placa soldada (oreja) Placa de extremo en cortante Placa de asiento •Parcialmente empotradas PR o tipo 3 Placa de extremo recortada Un ángulo por patín Dos ángulos por patines

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Para saber en que tipo de solicitación cae una conexión utilizaremos el siguiente grafico:

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