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4. UNIONES SOLDADAS
4.1. COMPROBACIÓN DE LA UNIÓN
4.1.1. Tipos de uniones soldadas.
Las uniones soldadas se pueden clasificar según la posición relativa de las chapas soldadas:
uniones a tope (en prolongación) uniones a tope en T uniones por solape
Dentro de cada tipo, en función de la penetración de la soldadura con respecto al espesor de las chapas unidas, se distinguen en el caso más usual (cordones alargados):
soldaduras en ángulo; en ellas no se realiza ningún tipo de preparación en los bordes de la pieza a unir antes de soldar y la penetración del cordón se debe exclusivamente a la fusión que se genera durante el proceso.
en uniones a tope antes de soldar se realiza preparación de bordes en las piezas para favorecer la penetración del cordón (en las de poco espesor no es necesaria) y podemos distinguir:
o de penetración completa, cuando la fusión y mezcla entre el material base y el de aportación alcanza a todo el espesor de la unión o de penetración parcial, si esta fusión y mezcla no alcanza a todo el espesor
estos tipos definidos por la geometría, se pueden combinar de la forma indicada en la tabla siguiente. Tanto las disposiciones constructivas como los criterios de cálculo se establecen de forma diferente para los distintos cordones de esta clasificación.
En la tabla siguiente se clasifican las uniones más utilizadas usualmente:
Tipo de Tipo de unión soldadura (^) Unión a tope Unión a tope en T Unión de solape
Soldadura en ángulo
Soldadura de ojal (o en ranura)
Soldadura a tope con penetración completa.
Sencilla en V
En doble V
Sencilla en U
En doble U
Soldadura a tope con penetración parcial
En doble V
En doble U
En chaflán doble
Tabla 4 - Tipos comunes de uniones soldadas
Figura 7 - Tensiones en un cordón de soldadura.
Todas las normas vigentes en España admiten que un cordón en ángulo agota su capacidad resistente cuando una determinada función del estado tensional, llamada tensión de comparación, alcanza el valor de la tensión última del metal de base, esto es, cuando se cumple que: σ co (^) = f (^) ( σ (^) , σ (^) ⊥ , τ (^) ,τ⊥ (^) )= σ u
Obsérvese que σ (^) co no es más que un ente de razón ideado para facilitar los
cálculos; por consiguiente, no es una tensión real que pueda medirse con un dispositivo experimental.
Dada la complejidad del estado tensional existente en un cordón de soldadura, no es factible llegar a la determinación teórica de dicha función σ co.
Tradicionalmente se han admitido como válidas expresiones de la forma:
σ co (^) = β ασ +^2 k^ ^ σ^2 ⊥ + λ τ + τ ( (^2) ^2 ⊥)
Los coeficientes α , β y k se ajustan mediante la realización de ensayos
experimentales de cordones de soldadura llevados hasta rotura ( de ahí el que no se trabaje en “tensiones admisibles”).
Las normas en estudio de este documento toman los coeficientes propuestos por el Instituto Internacional de la Soldadura en 1976, α = 0 , k=1, λ = 3 y β
variando según el tipo de acero. Resulta así que:
σ (^) co = β σ (^2) ⊥^ + (^3) ( τ (^) ^2 + τ^2 ⊥)
A parte de este procedimiento, las normativas también contemplan un método simplificado, similar al Método Americano de la máxima tensión tangencial, en
( )
( )
⊥
⊥
n
n
a tensión tangencial paralela a la arista, contenida en el plano de una de las caras de la soldadura
n t
n t
t
el que la resistencia de un cordón de soldadura es suficiente si la resultante de todas las fuerzas transmitidas por el cordón por unidad de longitud Fw Ed (^) , , no
supera el valor de su resistencia de cálculo Fw,Rd con independencia de la orientación del cordón.
4.1.3. Expresiones para el cálculo de la resistencia de un cordón de soldadura
Se muestran a continuación las expresiones propuestas por las normativas para el cálculo de la resistencia de los cordones de soldadura.
Método direccional La resistencia de un cordón será suficiente si se cumplen simultáneamente:
( )
2 2 2 2
3 u
w M
f
2
0.9 u M
f σ ⊥ ≤ (^) γ ; (en la EAE y el CTE no se incluye el parámetro 0.9)
donde: σ ⊥= la tensión normal perpendicular a la garganta de la
soldadura
τ ⊥= la tensión tangencial (en el plano de garganta)
perpendicular al eje de la soldadura
τ ||= la tensión tangencial (en el plano de garganta) paralela al
eje de la soldadura f (^) u = la resistencia última del acero
β w = el coeficiente de correlación en función del tipo de acero
γ M 2 = el factor parcial de seguridad =1.
Método de la máxima tensión tangencial
FW Ed , ≤ FW Rd , = a f · vW d ,
donde: a = espesor de garganta
, 2
u^3 vW d w M
f f = β γ
; para el EC3 y el CTE
, (^2) 2 2 cos
vW d^ u w M
f =^ f β γ + α
; para la EAE
Tabla 5 - Expresiones para el cálculo de resistencias en uniones soldadas
4.2. DISPOSICIONES CONSTRUCTIVAS
En la tabla 6 se recoge la información más relevante, en cuanto a disposiciones constructivas de las soldaduras, que ofrecen los documentos normativos que se estudian en este trabajo
LONGITUD EFECTIVA
La total del cordón si se mantiene el espesor de garganta nominal
L (^) w , ef ≥ 40 mm y Lwef ≥ 6 · a
L (^) w , ef ≥ 30 mm y Lwef ≥ 6 · a
SOLAPES
Solape ≥ 5 · t min
Solape ≥ 25 mm
cordones frontales (si existen esfuerzos axiales)
Si
Lw ≥ 150 · a
L w , ef = β 1 · L w donde
1 =^1 ,^2 − ≤
a
Lw
β ó
0 , 6 ≤ 1 = 1 , 1 − w ≤
L
si Lw>1700mm
Si
Lw ≥ 150 · a
Lw , ef = β 1 · L w donde
1 , 2 0 ,^2 ·
1 =^ − a ≤
β^ L
L=longitud total del solape en la dirección del esfuerzo
Si
Lw ≥ 150 · a
L w , ef = β 1 · L w donde
1 =^1 ,^2 − ≤
a
Lj
β ó
Lj= long. Total del solaoe en la dirección del esfuerzo 1 17
0 , 6 ≤ 1 = 1 , 1 − w ≤
L
β si
Lw>1,7 m DESGARRO LAMINAR Se trataran de evitar uniones en las que la dirección principal de las tensiones de tracción sea transversal a la dirección de laminación de las chapas que se unen.
Tabla 6 - Disposiciones constructivas de los cordones de soldadura.
En la figura 7 se representan gráficamente los parámetros de diseño de los cordones de soldadura a los que se alude en la tabla anterior.
A tracción:
A compresión:
Figura 8 - Dimensiones relevantes en los cordones de soldadura para comprobar los requisitos relativos a las disposiciones constructivas
4.3. RESOLUCIÓN DE UNIONES TÍPICAS
De la misma forma que en el apartado 3.3. de uniones atornilladas, se han resuelto cuatro problemas de uniones soldadas, a modo de ejemplo y para hacer evidentes las similitudes y diferencias de cada una de las normativas. Se ha intentado que las uniones calculadas fueran representativas de las uniones comúnmente utilizadas en estructura metálica y también añadir algún tipo de unión no tratada en el capítulo anterior.
En estos ejemplos se resuelven, por las tres normativas tratadas, la unión de una viga a soporte, unión a tracción de un angular a una cartela, unión de ménsula a soporte y por último una unión de angular a soporte.
En primer lugar se abaten los planos de garganta de los cordones de soldadura sobre el plano de contacto.
A continuación se obtienen las características geométricas del conjunto:
A a · l 2 · 100 · 11 240 · 5 3400 mm^2 = (^) ∑ i i = + =
c.d.g. 2·100·11·52, 33, 3400
y = = mm
(^311) 155, z = 2 = mm
Momentos de inercia (método lineal = sin inercia propia ┴ espesor) 2 240 ·5^34 2·100·11·155,5 58956550 y 12 I = + = mm
( )
(^3 )
2 4
I z
mm
I (^) p = I (^) y + I (^) z = mm
Ahora se obtienen los esfuerzos referidos a esta sección resistente formada por el conjunto de cordones abatidos.
Cortantes: V (^) y = 80 KN horizontal Vz = 160 KN vertical
Torsor: 160(102,5 33,97) 80·155,5 22964,
M tx mmKN
Axil: N (^) x = 100 KN
Flectores:
M (^) y = 160·200 +100·150 = 47000 mmKN
M (^) z = 80·200 −100(102,5 − 33,97) = 9147 mmKN
Ahora se determinan ordenadamente las tensiones tangenciales tn y ta producidas por los cortantes y el torsor, y la tensión normal n por efecto del axil y los flectores.
311
100
240
5
11
2,
y
z
- Por efecto de Vy = 80 KN - Por efecto de Vz = 160 KN
3
2
y y
V
t A N mm
3
2
z z
V
t A N mm
- Por efecto del torsor M (^) tx = 22964,8·10^3 mmKN
en las cuatro esquinas y por componentes, ya proyectadas
x
x
t y t p T p t z p
M
t z M^ I t r I M t y I
A)
3 2
y (^) 62930030 t N mm
3 2
z (^) 62930030 t N mm
B) ty 56, 75 N 2 mm
= como punto A
3 2
z (^) 62930030 t N mm
C) t (^) y 56, 75 N 2 mm
= − hacia izquierda, o sea contrario a los puntos A y B t (^) z = −11, 49 Nmm 2 ascendente como punto B
D) t (^) y = −56, 75 Nmm 2 como punto C
t (^) z = 25, 01 Nmm 2 como punto A
Todas estas tensiones tangenciales se suman algebraicamente en los puntos de interés, situados en los cordones horizontales.
B)
2
N
⊥ mm σ = + =
2
N
⊥ mm τ = − =
τ II = 80 , 28^ Nmm 2
2 2 2 σ (^) ⊥ + 3( τ (^) ⊥+ τ (^) II ) =328,39 N^ mm 2
C)
2
N
⊥ mm σ = + =
2
N
⊥ mm τ = − =
τ II = 33 , 22^ Nmm 2
2 2 2 σ (^) ⊥ + 3( τ (^) ⊥+ τ (^) II ) =72,38 N^ mm 2
D)
2
N
⊥ mm σ = + =
2
N
⊥ mm τ = − + =
τ II = 33 , 22^ Nmm 2
2 2 2 σ (^) ⊥ + 3( τ (^) ⊥+ τ (^) II ) =323, 65 N^ mm 2
El punto más solicitado es el B en conjunto y el D en tensión normal σ⊥.
Llegado este punto ya podemos comprobar si la unión es suficiente, para ello
necesitamos f u , β w y γ M 2 :
El factor parcial de seguridad γ M^2 =^1.^25
Al tratarse de acero S275, f 430 N mm^2 u =
β w = 0. 85
Tabla 2.1.
Tabla 4.1.
La unión es segura ya que cumple las dos verificaciones: (^2) 3( 2 2 ) ·
u II w Mw
f σ (^) ⊥ + τ⊥ + τ < (^) β γ
2 2
N N
mm mm
< = OK
Ec. 4.1.
2
0.9 u M
f σ (^) ⊥< (^) γ
2 2
N N
mm^ <^ =^ mm ^ OK
Ec. 4.1.
SOLUCIÓN EAE Sec. 59.
La resolución siguiente es análoga a la de Eurocódigo, excepto en la fórmula de la tensión perpendicular, que no incluye el coeficiente 0,9.
Mw
fu
Donde: γ Mw = 1. 25
fu = 430^ Nmm 2
Sec. 59.8.2.
Tabla 59.8.2.
(^2 1). 25 344 2
229 Nmm
f mm
N
Mw
= ≤ u^ = =
σ ⊥ γ OK
Respecto a las disposiciones constructivas, la EAE dice:
- Los cordones no deben terminar en las esquinas de las piezas o de elementos de las mismas, sino que deben prolongarse alrededor de la esquina , siempre que la prolongación pueda realizarse en el mismo plano que el cordón, en una longitud al menos igual a tres veces la garganta a del cordón.
SOLUCIÓN CTE Sec. 8.6.
El Código Técnico propone para el cálculo de uniones en ángulo el método simplificado del eurocódigo (EC, 4.5.3.3.). Aunque en este ejemplo no se considera aplicable, ya que este método no tiene en cuenta las solicitaciones normales producidas por el axil y los momentos My y Mz.
Sec. 8.6.2.2.
Como alternativa al método citado anteriormente, el CTE también propone el método de las direcciones del Eurocódigo. Que consiste en descomponer los esfuerzos transmitidos por unidad de longitud en sus componentes, suponiendo que sobre la sección de garganta hay una distribución uniforme de tensiones.
Sec. 8.6.2.3.
No obstante, al igual que en EAE, no se incluye el coeficiente de 0.9 en la fórmula de comprobación de la máxima tensión perpendicular.
Ec. 8.
4.3.2. Unión a tracción de un angular a una cartela.
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 NSd 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.
SOLUCIÓN EC3 Sec.4.5.3.2.
De forma ideal, podemos suponer que el centro de gravedad de los cordones de soldadura se sitúa sobre el eje neutro de los angulares ZZ’. De este modo, los momentos estáticos de dichos cordones son iguales: l’d’ = l’’d’’.
Según el Eurocódigo 3 la expresión o el criterio general para verificar cualquier cordón de soldadura es la siguiente:
[ 3 ( )] /( 2 ) 2 0 ,^5 ||
2 2
σ ⊥ + τ⊥+τ ≤ fu β w γ M y σ ⊥≤ 0. 9 fu / γ M 2
Ec. 4.1.
en donde: f u = resistencia última del acero γ (^) M 2 = coeficiente parcial para la resistencia última del cordón de soldadura
En nuestro caso se trata de un cordón de soldadura lateral que se podría representar de forma simplificada de la siguiente forma:
En esta situación tenemos:
σ (^) ⊥ = τ⊥ = 0 y (^) II Sd
N
a l
τ =
Por lo que sustituyendo en la expresión general resulta la expresión siguiente:
siendo ∑l en nuestro caso 2(l’ + l’’)
Para β w y γ M 2 se adoptan los valores de 0.8 y 1.25 respectivamente.
Tabla 4.1. Tabla 2.1.
Por lo tanto, la expresión anterior será la que nos proporcionará la longitud total del cordón de soldadura a aplicar. Pero si queremos saber los valores concretos de l’ y l’’ debemos aplicar la igualdad de momentos estáticos, que nos dará la segunda condición necesaria para la resolución.
Operando se obtienen las longitudes l’ y l’’ de los cordones de soldadura:
2
2 2
w^0 3 0^ Sd^ u^ w M Sd
M u
N f N
l
a l a f
β + ^ + ≤ ⇒ ≥ β ⋅ γ ⋅
^ ⋅ γ ⋅
^
d
d
l
d
d
l l
d
d
l l
cm
d
d
a f
N
l
u
w Mw 17
β γ
cm
d
d
a f
N
l
u
w Mw 7
β γ
4.3.3. Unión de ménsula a soporte
En los croquis adjuntos se representa un apoyo rigidizado en ménsula que recibe la reacción vertical máxima de una viga carrilera de 400 KN. Comprobar las soldaduras suponiendo acero S 275 JR.
SOLUCIÓN EC
La resistencia de la unión será suficiente si verifica: Sec.4.5.3.2.
2
2 2 2 ·
w M
u I I II
f
σ + τ +τ ≤ y
2
M
u I
f
Ec. 4.1.
Se considera el cordón a tope de la platabanda superior de penetración completa como totalmente eficaz y se abaten los dos cordones de ángulo laterales.
A continuación se abaten los planos de garganta de los cordones de soldadura y se obtienen las características geométricas del conjunto:
= (^) ∑ = + = A la 180 · 20 2 · 250 · 6 6600 mm^2 i i
Determinación del c.d.g.
180·20·0 2·250·6·(290 125) 75 6600
z mm
(no se tiene en cuenta la contribución en sentido del espesor)
Momento de inercia respecto del c.d.g.
( ) 2 4 2 3 250 · 6 ( 290 125 75 ) 60175000 12
I 180 · 20 · 75 2 250 ·^6 = mm
- En la soldadura superior las tensiones són: 3 2
n M^ Sdy N = (^) I = = mm 3 2
Sd n
V N
t (^) mm A
ta = 0
- En el extremo inferior de los cordones laterales: 3 2
n M^ Sdy N I mm
tn = 0 3 2
ta V^ Sd^ N A mm
Claramente el punto más desfavorable es en el extremo inferior de los cordones laterales. Pasando a plano de garganta ( t (^) n = 0 )
2
n N ⊥ mm σ = = (^2)
n N ⊥ mm τ = =
z
