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TEMA 9

Nudos Soldadura ESTRUCTURAS 3 José Monfort Lleonart

T9 2

EJECUCIÓN DE LAS SOLDADURAS

EFECTOS • fundición • tratamiento térmico • disolución

PROCEDIMIENTO (por arco eléctrico) VARIANTES • manual o automática • electrodos consumibles o no • arco desnudo o recubierto OTROS TIPOS • TIG (tungsten inert gas) • MIG (metal inert gas) • MAG (metal active gas) • arco sumergido

electrodo de tungsteno no consumible material de aportación

gas inerte

TIG

electrodo consumible

MIG (y MAG)

gas inerte (CO2 en MAG)

electrodo consumible

ARCO SUMERGIDO

manguera con polvo fundente

EJECUCIÓN DE LAS SOLDADURAS

T9 3

alambres macizos para soldadura automática

UNE EN 440:1995 Consumibles para el soldeo. Alambres y depósitos para el soldeo por arco con protección gaseosa de aceros no aleados y aceros de grano fino. Clasificación

electrodos para soldadura manual

UNE EN ISO 2560 Consumibles para el soldeo. Electrodos recubiertos para el soldeo manual al arco de aceros no aleados y de grano fino. Clasificación

Clasificación (sistema A): 8 campos (5 obligatorios, 3 opcionales) Ejemplo: ISO 2560-A – E 46 3 1Ni

Electrodos (código AWS, American Welding Society)

calidad del electrodo igual o superior a la del metal base resistencia soldadura ≥ resistencia piezas soldadas

1º E (fijo) 2º símbolo para la resistencia y alargamiento del metal de soldadura

3º símbolo para las propiedades de impacto del metal de soldadura

4º símbolo para la composición química del metal de soldadura 5º : revestimiento del electrodo A ácido C celulósico R rutilo RR rutilo grueso RC rutilo-celulosa RA rutilo ácido B básico RB rutilo básico

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TIPOS DE CORDONES Y UNIONES

Clasificación geométrica

condiciones de ejecución y resistencia

para cada tipo • uniones a tope -en prolongación• uniones a tope en T • uniones por solape en ángulo: sin preparación de bordes; penetración por la fusión del proceso en ranura: cordones en ángulo alojados en agujeros circulares o alargados

a tope de penetración completa: con preparación de bordes (salvo en pequeño espesor); fusión y mezcla en todo el espesor de la unión no requieren cálculo

a tope de penetración parcial: con preparación de bordes; fusión y mezcla en parte del espesor de la unión requieren cálculo; como las de ángulo

en tapón: rellenando agujeros circulares o alargados

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TIPOS DE CORDONES Y UNIONES

Clasificación por dificultad de ejecución sólo para montaje

a1) a tope horizontal a2) a tope en cornisa a3) a tope en techo a4) a tope en vertical

b1) en ángulo horizontal b2) en ángulo acunada b3) en ángulo de techo b4) en ángulo vertical

cualificación del soldador: UNE EN 287-1:1992 “Cualificación de soldadores. Soldeo por fusión. Parte 1: aceros”

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SOLDADURAS A TOPE

penetracion completa

no requieren cálculo: resist. soldadura ≥ resist. chapas

penetración parcial

ejecución

poco usual

se calculan como las de ángulo; espesor de garganta:

en prolongación

con penetración parcial: simetría

en T

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SOLDADURAS EN ÁNGULO

Ejecución discontinuas

• continuas o discontinuas • ángulos entre elementos a soldar >60º y b ó 15⋅a b anchura de la chapa unida espesor de garganta: altura de la sección de garganta perpendicular a la cara exterior del triángulo

en procesos automáticos de arco sumergido se puede aumentar el 20% ó 2 mm sin ensayos previos

espesor máximo

a ≤ 0,7 ⋅ e min

espesor mínimo a ≥ 3 mm para a ≥ 4,5 mm para a ≥ 5,6 mm para

emin ≤ 10 mm emin ≤ 20 mm emin > 20 mm

ESTADIO OLÍMPICO DE ATENAS (Grecia)

T9 9

S. Calatrava, 2004 Cada graderío lateral (preexistente) está cubierto por dos arcos en un mismo plano vertical, de 304 m de longitud, conectados por 8 pares de cables Φ 90-104 mm; el inferior (Φ 3,60 m, espesor 58-95 mm) actuando como tubo de torsión, soporta directamente la cubierta formada por 54 costillas de longitudes entre 45 y 70 m, colgadas en sus extremos del arco superior (altura 80 m, Φ 3,25 m, espesor 68-90 mm) por cables Φ 40 mm situados fuera de su plano vertical, que generan una componente horizontal absorbida por tubos en el contorno de la cubierta.

T9 10

SOLDADURAS EN ÁNGULO

hipótesis

Cálculo

distribución de tensiones uniforme a lo largo del cordón (depende de la rigidez de los elementos unidos)

Procedimiento 1 (simplificado) un cordón en ángulo con cualquier dirección -longitudinal, transversal u oblicuo- se considera adecuado si la resultante por unidad de longitud de las fuerzas transmitidas, en cualquier punto de él, no supera su resistencia por unidad de longitud

FW ,Ed ≤ FW ,Rd

siendo,

FW ,Ed = F L F a y Lw fu γM2=1,25

βw

FW ,Rd =⋅ a fvW ,d =⋅ a

fu 3 βW ⋅ γ M 2

esfuerzo axil sobre las soldaduras espesor de garganta y longitud eficaz del cordón resistencia a tracción de la pieza más débil de la unión coeficiente parcial de seguridad de la unión soldada coeficiente de correlación que depende del tipo de acero de las piezas a soldar; para aceros usuales,

excepciones uniones largas L > 150⋅a nota (12) ala de soporte no rigidizada (tema 3, diapositiva 16)

T9 11

DEFECTOS DE SOLDADURAS

Defectos: • si la solicitación es estática, disminuyen la sección y aumentan las tensiones • en solicitaciones de fatiga, el efecto de entalla incrementa las tensiones locales Defectos internos • porosidad o sopladuras • inclusión de escorias • pegadura • fisuras internas

Defectos superficiales • mordedura • picadura • desbordamiento • falta de penetración • grietas mordedura mordedura

mordedura

desbordamiento grietas en el acuerdo

desbordamiento

falta de material de aporte

grietas bajo cordón

desbordamiento falta de material de aporte

1- grieta de cráter 2- grieta en la cara 3- zona afectada térmicamente 4- desgarre laminar 5- grieta longitudinal 6- grieta de raíz 7- grieta en la superficie de la raíz 8- grieta longitudinal 9- grieta en el acuerdo 10- grieta transversal 11- grieta bajo cordón 12- grieta en la interfase de la soldadura 13- grieta en el metal de la soldadura

CONTROL DE SOLDADURAS

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Controles previos

tienen por objeto determinar las condiciones en las que se ha de realizar la soldadura para que el resultado sea satisfactorio: • examen de la documentación técnica -diseño y especificacionescomprobando especialmente: • adecuada preparación de bordes • calidad del material de aportación • posibilidad de acceso a la unión para control posterior • eventualmente, necesidad de precalentamiento o tratamiento térmico • cualificación del soldador: cualificación adecuada para su nivel de dificultad, según UNE EN 287-1:2004 “Examen y calificación de los operarios destinados a trabajos de soldeo eléctrico por arco, en estructuras de acero” • control de materiales y del proceso, verificando que el metal base, el de aportación y la técnica de soldadura, son adecuados para realizar la unión

Controles de ejecución

revisión previa de todas las condiciones en las que se ha de desarrollar el proceso: • la preparación de bordes corresponde a la especificada en proyecto • la cualificación del soldador que realiza la unión • la calidad del material de aportación corresponde a la especificada • eventualmente, se realiza el tratamiento térmico o precalentamiento especificado los controles no destructivos se realizan en el momento oportuno del proceso de ejecución

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CONTROL DE SOLDADURAS oportunidad del momento

Controles de soldadura ejecutada

• DESTRUCTIVOS • SEMIDESTRUCTIVOS • NO DESTRUCTIVOS • inspección visual (UNE EN 970) • líquidos penetrantes (UNE 14612:1980) • partículas magnéticas (UNE EN 1290:1998) • ultrasonidos (UNE EN 1714:1998) • radiografías (UNE EN 1435:1998)

penetrante

emulsificador

eliminación del exceso

revelador

apreciación

Ensayos No Destructivos, END (o NDT, Non Destructive Testing) Inspección visual requiere: preparación y entrenamiento (personal cualificado, UNE 14 618), lupas, linternas, espejos, equipos de medición proporciona: resultados inmediatos, sólo defectos superficiales Líquidos penetrantes basado en la capilaridad, baja tensión superficial penetrante → emulsificador (limpiador) → revelador

sólo detecta defectos en contacto con la superficie Partículas magnéticas proyectando partículas de hierro o magnetita que al magnetizarse se acumulan en mayor cantidad las zonas de perturbación; no indican profundidad de la imperfección y requieren equipo de imantación (portátiles o móviles) líneas de campo

penetrante defecto ⊥

defecto ⁄⁄

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CONTROL DE SOLDADURAS receptor

emisor

receptor

emisor

POR TRANSMISIÓN

POR REFLEXIÓN

Ensayos No Destructivos, END (o NDT, Non Destructive Testing) Ultrasonidos ondas acústicas de alta frecuencia imperceptibles por el oído humano, que se desplazan por la pieza hasta que se reflejan en una superficie límite (borde o defecto) y son recogidas por un cristal piezoeléctrico, alojado en un palpador manejado por el operario, que las transforma en señal eléctrica amplificada (eco) registrada en un equipo de medición regulado en amplitud y posición Radiografías rayos X: tienen la propiedad de atravesar materiales opacos sin reflejarse ni refractarse para producir una impresión fotográfica (claro-oscuro)

soldadura

porosidad (sopladuras) radiografía

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CONTROL DE SOLDADURAS

Criterio: UNE EN 12517-1 “Ensayo no destructivo de uniones soldadas. Parte 1: ensayo radiográfico de uniones soldadas en acero, níquel, titanio y sus aleaciones. Niveles de aceptación” CONDICIONES NIVELES DE RIESGO: + DE EJECUCIÓN Y USO: CC 3, CC 2 y CC 1 Categorías PS 3, PS 2 y PS 1 UNE EN ISO 5817 “Soldeo. Uniones soldadas por fusión de aceros, níquel, titanio y sus aleaciones (excluido el soldeo por haz de electrones). Niveles de calidad para las imperfecciones” CLASES DE EJECUCIÓN se basan en resultados del ensayo radiográfico, posterior a una inspección visual según UNE EN 970

Tamaño de la muestra

TAMAÑO DE LA MUESTRA se establecen tres niveles de aceptación para la soldadura, designados por 1, 2 y 3, en orden de calidad decreciente, y las tablas 2 -para soldadura a tope- y 3 -para el ensayo visualde UNE EN 12517 indican los defectos y el tamaño admisible de los mismos para cada nivel de aceptación.

k coeficiente de utilización (% de la capacidad resistente utilizada)

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CUBO DE AGUA, JJ.OO., Pekín 2008 PTW Architects y Ove Arup & Partners

Este Centro Acuático Nacional es un paralelepípedo de 177x177 m y 31 m de alto que albergó los deportes de agua en los JJ.OO. de Pekín. La cubierta y cerramientos están formados por un entramado espacial cuyo aspecto anárquico deriva de una geometría orgánica, eficiente y estricta, conocida como estructura de Weaire-Phelan, girada y recortada hasta obtener la imagen buscada. 22.000 barras 6.500 T de acero espesor muros 3,60 m espesor cubierta 7,20 m

En 1887 Lord Kelvin se planteó el problema de cómo dividir un espacio en celdas de igual volumen con la menor superficie de contacto entre ellas (pompas de la espuma de jabón); propuso una geometría de octaedros truncados (14 caras, 6 cuadradas y 8 hexagonales estas últimas ligeramente curvadas) que fue dada por buena durante más de un siglo, hasta que en 1993 Weaire y Phelan, mediante simulaciones por ordenador, encontraron otra que la mejoraba un 0,3%. Esta solución, conocida como estructura Weaire-Phelan, está formada por dos tipos de celdas con el mismo volumen: el dodecaedro irregular de 12 caras pentagonales y el tetradecaedro de 14 caras, 2 hexagonales y 12 pentagonales, en ambas las caras pentagonales están ligeramente curvadas y en la agrupación 3/4 son tetradecaedros y 1/4 dodecaedros.

estructura de Kelvin octaedros truncados (14 caras)

dodecaedro tetradecaedro 12 caras 14 caras estructura de Weaire-Phelan

CUBO DE AGUA, JJ.OO., Pekín 2008

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PTW Architects y Ove Arup & Partners El mismo elemento estructural de doble capa forma la cubierta y la envolvente, de 3,60 m en muros y 7,20 en cubierta, formado por 22.000 barras, 12.000 nudos y 6.500 T de acero; las barras, tubos redondos en el interior y rectangulares en las caras para adaptarse al plano, son de distintas secciones adecuadas a los esfuerzos, pero lo suficientemente compactas para que funcionen de forma plástica en caso de sismo; los nudos son esféricos para que un mismo tipo pueda conectar los distintos elementos.

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CUBO DE AGUA, JJ.OO., Pekín 2008

PTW Architects y Ove Arup & Partners Cerramiento formado por 4.000 paneles (cojines) de ETFE (etileno tetrafluoretano) inflados con aire a baja presión como aislante y para resistir el viento, delimitados por marcos de aluminio: • se limpian completamente con el agua de lluvia • cada uno tiene su propio sistema de iluminación mediante LEDS (cerramiento → caleidoscopio cromático) • permiten el paso de gran cantidad de luz solar (iluminación y calefacción natural), con distinta transparencia según su ubicación • sistemas apertura y cierre verano-invierno

ventilación: invierno ventilación: verano

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS COMPLEMENTARIAS DEL TEMA Del libro de teoría: • tema 6 “Tornillos y soldaduras”, parte: • epígrafe 6.5 “Ejecución de las soldaduras” (págs. 223 a 227) • epígrafe 6.6 “Tipos de cordones y uniones” (págs. 227-229) • epígrafe 6.7 “Soldaduras a tope” (págs. 230 a 232) • epígrafe 6.8 “Soldaduras en ángulo” (págs. 233 a 235, excepto punto “b) procedimiento 2”) • epígrafe 6.9 “Defectos y control de soldaduras” (págs. 236 a 242) Del libro de problemas: • Probl. 6.1 “Unión rígida viga-soporte con soldadura”, parte: • apartado 4 “Cálculo de la soldadura” (págs. 154 a 157) • Probl. 6.3 “Unión articulada angular-cartela. Tornillos y soldadura”, parte: • apartado 1 “Cálculo de solicitaciones” (págs. 172-173) • apartado 3 “Diseño y cálculo del nudo mediante soldadura” (págs. 178 a 180) • Probl. 6.4 “Uniones articuladas: viga-soporte y prolongación de vigas”, parte: • apartado 1 “Cálculo de solicitaciones” (págs. 181 a 183) • apartado 3 “Diseño y cálculo del nudo E con soldadura” (págs. 191 a 193) • Probl. 6.6 “Unión atornillada a tracción y cortante”, parte: • apartado 1 “Cálculo de las solicitaciones en los nudos “ (págs. 209 a 211) • apartado 4 “Diseño y cálculo del nudo B por medio de soldadura” (págs. 230 a 232) • Probl. 7.1 “Diseño y cálculo de la unión, del soporte y el cordón de la celosía”, parte: • apartado 2 “Diseñar el nudo G y calcular la unión entre la barra BG y la cartela: cálculo de la unión con soldadura” (págs. 243 a 245) • Probl. 7.4 “Diseño y cálculo de la unión, del soporte y la viga”, parte: • apartado 1 “Diseño y cálculo del nudo C con soldadura …” (págs. 278 a 283) • Probl. 7.5 “Diseño y cálculo de la unión, del soporte y la placa de anclaje”, parte: • apartado 3 “Diseño y cálculo del nudo D” (págs. 308 a 312)