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• Andres Vicente Alvarado

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Conexiones Soldadas Conexiones, Juntas y Conectores Cada estructura es un ensamblaje de partes o miembros individuales que deben ser unidos de alguna manera, usualmente en sus extremos. La soldadura es una de esas maneras y la otra es por medio de pasadores, como remaches o pernos. Una conexión es el conjunto de elementos que unen cada miembro estructural a la junta: placas o ángulos por patines o alma, soldaduras, tornillos. Una junta es la zona completa de intersección de los miembros estructurales. En la mayoría de los casos, esta zona es la parte de la columna que queda comprendida entre los planos horizontales que pasan por los bordes superior e inferior de la viga de mayor peralte, incluyendo atiesadores y placas de refuerzo del alma, cuando los haya. Se conoce como soldadura el proceso de unión de partes metálicas mediante la aplicación de calor con o sin adición de otro metal fundido Existen dos procedimientos generales de soldadura: soldadura con gas y soldadura por arco eléctrico. En las edificaciones de acero, casi toda la soldadura estructural es por arco.

Procedimiento para Soldar Se conoce como soldadura el proceso de unión de partes metálicas mediante la aplicación de calor con o sin adición de otro metal fundido. Procedimiento para soldar Existen dos procedimientos generales de soldadura: soldadura con gas y soldadura por arco eléctrico. En las edificaciones de acero, casi toda la soldadura estructural es por arco. En la soldadura por arco se forma un arco eléctrico entre las piezas que se sueldan y el electrodo. El arco es una chispa continua, entre el electrodo y el metal base, provocando la fusión de ambos con temperaturas que oscila entre 5000 grados centígrados, en el acero cerca del arco, hasta unos 1900 grados. El tipo de electrodo que se utiliza es muy importante, ya que afecta las propiedades de la soldadura, tales como la resistencia y ductilidad. Electrodo

Punto de resistencia

Ruptura por Tensión

E60

3150 kgf/cm2

4220 kgf/cm2

E70

3500 kgf/cm2

4920 kgf/cm2

El material del electrodo es especificado en varias normas de la American Welding Society (AWS) y es resumido en la tabla anterior. La designación como E60XX o E70XX indican 60 ksi y 70 ksi como esfuerzo a la tracción. Las X se refieren a factores como las posiciones adecuadas para soldar, tipo de revestimiento y características del arco. En general el acero A36 puede ser soldado exitosamente con electrodos E60XX o E70XX. Otro tipo de proceso es la soldadura por arco sumergido. En este proceso el arco se cubre con material fusible granular por lo que queda oculto. La soldadura por arco sumergido tiene una mayor penetración, por lo que el área efectiva para resistir carga es mayor.

Tipos de Juntas Soldadas Los tipos de juntas dependen de factores como el tamaño y forma de los miembros que forman la junta, el tipo de carga, la cantidad de área en la junta disponible para soldar y el costo relativo de varios tipos de soldaduras. Existen cuatro tipos básicos de juntas soldadas, aunque en la práctica se consiguen muchas variaciones y combinaciones. Estos cuatro tipos básicos son: a tope, a solape, en te, en esquina y juntas de extremo, como se muestra en la Figura.

a) Junta a Tope

b) Junta a Solape

c) Junta en Te d) Junta de Esquina Figura 1. Tipos Básicos de Juntas Soldadas

Clasificación de las Soldaduras Los cuatro tipos de soldadura son:  Soldadura acanalada  Soldadura de filete  Soldadura de ranura  Soldadura de tapón

a) Soldadura Acanalada

b) Soldadura a Filete

c) Soldadura de Ranura

d) Soldadura de Tapón

Soldadura de Ranura Cuando la penetración es completa y las soldaduras de ranura están sujetas a tracción o compresión axial el esfuerzo en la soldadura se calcula dividiendo la carga entre el área neta de la soldadura.

El refuerzo es metal de aportación que hace mayor la dimensión de la garganta que la del espesor del material soldado y se utilizan para aportar cierta resistencia adicional ya que contrarresta los poros y otras irregularidades y porque al soldador se le facilita realizar una soldadura un poco más gruesa que el material soldado. Las soldaduras de ranura se usan cuando los miembros que se conectan están alineados en el mismo plano y las uniones están normalmente sujetas a esfuerzos directos de tracción o compresión. Ofrece mayor resistencia que la de filete; sin embargo la mayoría delas uniones estructurales soldadas deben resolverse a filete.

Soldadura de Filete Los cordones de soldadura a filete A están cargados en corte longitudinal y el cordón B está cargado en corte transversal. Si se incrementa la fuerza Ru hasta que exceda la resistencia de las soldaduras, la ruptura ocurrirá en los planos de menor resistencia. Se asume que esto sucede en la garganta de la soldadura donde se presenta la menor área transversal. Pruebas de soldadura a filete utilizando electrodos compatibles han demostrado que la soldadura falla a través de su garganta efectiva antes que el material falle a lo largo del lado del cordón.

Figura 3. Soldadura a Filete

Las soldaduras de filete son más resistentes a la tracción y a la compresión que al corte, de manera que los esfuerzos determinantes son los de corte. Este tipo de soldadura falla por corte en un ángulo de aproximadamente 45 grados a través de la garganta. La dimensión efectiva de la garganta de una soldadura de filete es, nominalmente, la distancia mas corta desde la raíz a la cara de la soldadura. Si se asume que la soldadura de filete tiene lados iguales de tamaño nominal a, la garganta efectiva es igual a 0.707a. Si la soldadura a filete se diseña para ser asimétrica (una situación rara), con lados desiguales, el valor de te debe calcularse de la forma de la soldadura. LRFD modifica las dimensiones efectivas de la garganta para cordones de soldadura a filete hechos con el proceso de arco sumergido (SAW), para tomar en cuenta la calidad superior de dichas soldaduras: a. Para cordones de soldadura a filete con el tamaño nominal menor o igual a 3/8” (10 mm), la dimensión efectiva de la garganta se tomará igual al tamaño nominal w. b. Para cordones con tamaño nominal mayor que 3/8” la dimensión efectiva de la garganta se tomará como 0.707w + 2.8 mm (0.11 in).

a)

b)

Figura 4. Dimensiones Efectivas de la garganta para soldadura a filete

El área efectiva de un cordón de soldadura a filete AW es el producto de la longitud efectiva del cordón de soldadura por la dimensión efectiva de la garganta.

Procedimiento de Diseño de Conexiones Soldadas   

Seleccionar el proceso de soldadura y el electrodo correspondiente. De acuerdo con su geometría y espesor de los materiales a unir, definir el tipo de unión. Por razones prácticas se escoge un diámetro de electrodo el cual depositará un espesor constante de soldadura. Para definir la capacidad o resistencia de agotamiento de la soldadura, debe calcularse su longitud. La capacidad de la soldadura se calcula como:

En el caso particular de la soldadura de filete:   



Seleccionar el tamaño del filete. Con el tamaño del filete escogemos el valor de correspondiente (ver Tabla). En el caso particular de corte en el área efectiva de la soldadura, verificar que no exceda la resistencia de los elementos que se conectan:

La longitud de cálculo de la soldadura será:

Diseño de Soldadura de Filete para Miembros de Armadura Los miembros de una armadura soldada consisten de ángulos simples o dobles, u otros perfiles como canales, perfiles tubulares; y están sujetos solamente a cargas axiales estáticas. Las especificaciones de la Normas aceptan que sus conexiones se diseñen mediante los mismos procesos descritos anteriormente. El proceso consiste en seleccionar el espesor de la soldadura, calcular la longitud total de la soldadura necesaria y colocar los cordones de soldadura alrededor de los extremos de los miembros de acuerdo al siguiente criterio:  

Si el miembro conectado es simétrico, las soldaduras se colocarán simétricamente. Si el miembro no es simétrico, las soldaduras no deben ser simétricas.

Ejemplo 1 Para la conexión mostrada se debe diseñar la soldadura a filete para que resista la carga de resistencia plena de la placa de 3/8”x10 cm, usando acero A36 y electrodo E70.

Solución: Resistencia de la placa:

Estando el cordón de soldadura en la misma dirección de la aplicación de la fuerza, se encuentra sometido a esfuerzos de corte, por lo que la resistencia de diseño del cordón será:

Usando según dato: electrodo E70 en la Tabla: Electrodo

Punto de Cedencia

Ruptura por Tensión

E60 E70

3150 kgf/cm2 3500 kgf/cm2

4220 kgf/cm2 4920 kgf/cm2

FEXX = 4920 kgf/cm2 Los tamaños máximos que pueden utilizarse a lo largo de las partes conectadas, donde se dan los siguientes valores:  En los bordes de los materiales de menos de 6 mm de espesor, no mayor del espesor del material.  En los bordes de los materiales de 6 mm o más de espesor el tamaño máximo será 2 mm menor que ese espesor, a menos que se señale especialmente en los planos que la soldadura ha de ser reforzada hasta obtener un espesor de garganta total. En estas condiciones de soldadura, la norma permite que la distancia entre el borde del metal base y la garganta de la soldadura sea menor de 2 mm, siempre que el tamaño de las soldaduras sea claramente verificable.



En las soldaduras entre ala y alma y conexiones similares, el tamaño de la soldadura no necesita ser mayor que el requerido para desarrollar la capacidad del alma ni satisfacer los requisitos de la Tabla.

Tamaño mínimo de soldadura a filete:

Dmin = 5 mm Usar D = 7.5 mm

Espesor efectivo de la garganta:

Los remates no deben ser menor que 2 veces el tamaño de la soldadura. Remates: 2 x D = 2 x 7.5 mm = 1.5 cm.

Ejemplo 2 Diseñar las soldaduras de filete para el miembro en tracción de una armadura constituido por un ángulo de 100x100x10 mostrado en la Figura. Usar acero PS-25, electrodos E70 y proceso de soldadura por arco sumergido.

Símbolos de la Soldadura Los tipos de juntas dependen de factores como el tamaño y forma de los elementos que forman la junta, el tipo de carga, la cantidad de área en la junta disponible para soldar y el costo relativo de varios tipos de soldaduras. Existen cuatro tipos básicos de juntas soldadas, aunque en la práctica se consiguen muchas variaciones y combinaciones. Estos cuatro tipos básicos son: a tope, a solape, en te, en esquina y juntas de extremo, como se muestra en la Figura.

Símbolo de soldadura

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.