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CAPITULO II
CALCULO DE UNIONES SOLDADAS
2.1. INTRODUCCION
L a soldadura tiene mltiples aplicaciones en todo tipo de materiales, siendo la ms econmica en lamayora de los casos como elemento de unin. La adopcin de uniones soldadas es uno de losprocedimientos ms empleados en la unin de elementos estructurales y mecnicos, pudiendo ser elproceso ms econmico cuando el costo de modelos para la fundicin constituya un porcentajegrande del costo total o cuando existan dificultades extraordinarias de mecanizado o fusin.
2.2. PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA: Se indican procedimientos ms usualmenteutilizados
0 Soldadura por fusin
1
Soldadura por arco
Soldadura metlica por arco con electrodo revestidoSoldadura por arco sumergidoSoldadura por arco con gasSoldadura MIG; soldadura por arco con gas inerteSoldadura MAG; soldadura por arco con gas activoSoldadura TIG; Soldadura por arco con electrodo de tungsteno y gas inerteSoldadura por arco plasma
2 Soldadura por resistencia
Soldadura por puntos; Soldadura por resistencia por puntosSoldadura de costura; soldadura de costura por resistencia
3
Soldadura por gas; Soldadura por llama
Soldadura oxigasSoldadura oxiacetilnicaSoldadura oxipropano
Soldadura oxhdrica
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2.3 UNIN A TOPE
Las planchas para uniones a tope (ver fig. 2.1) pueden ser no biseladas, biseladas por un solo lado o
biseladas en ambos lados.
(a) Soldadura a tope en tensin (b) Soldadura a tope en cortanteFig. 2.1. Unin a tope
Esfuerzo,lh
F
A
F
*
El esfuerzo nominal medio se calcula por:
lh
F
A
F
*
Donde l = longitud de la soldadura y h = Garganta de soldadura
Note que el valor de h no incluye el refuerzo, que quiz sea deseable, pero vara un poco y produceconcentracin de esfuerzo en el punto A de la figura. Si existen cargas de fatiga, una buena prcticaconsiste en esmerilar o maquinar el refuerzo.Las uniones soldadas a tope reforzadas sobre acero dulce con varilla de metal de aporte de lasmismas propiedades mecnicas que las chapas soldadas tienen casi la misma resistencia esttica questas, pero para mayor seguridad conviene asignar un rendimiento de 90% o menos.
2.4 SOLDADURAS DE FILETE O EN ANGULO
Estas soldaduras pueden estar cargadas transversalmente (fig. 2.2 a y b) o longitudinalmente (fig.2.2 c) o formar cualquier ngulo con el vector fuerza.
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a) Unin a solape b) Carga paralela c) Unin en T
Fig. 2.2 Soldaduras en ngulo
En el diseo se acostumbra basar el esfuerzo cortante en la garganta de la soldadura y despreciartotalmente el esfuerzo normal.
El esfuerzo cortante medio para las figuras 2.2 a y 2.2 b, se calcula por:
F
h l0707. h = espesor del cateto l = longitud de la soldadura
a= h cos 45= 0.707 h
A= 0.707 h l
2.5 ESFUERZO EN UNIONES SOLDADAS SUJETAS A TORSIN
En la figura se ilustra un voladizo de longitud l soldado a una columna mediante dos soldaduras defilete. La reaccin en el soporte de un voladizo siempre consiste en una fuerza cortante V y unmomento M.
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e
o
ror
L
Figura 2.3 Unin que produce de torsin en soldaduras
En la figura 2.3 se ilustra un voladizo de longitud L soldado a una columna mediante dossoldaduras de filete o ngulo. La reaccin en el soporte de un voladizo siempre consiste en unafuerza cortante V y en un momento M.La fuerza cortante produce un momento cortante primario en las soldaduras de magnitud.
Esfuerzo cortante primaria
A
V'
Donde A es el rea de la garganta de la soldaduraEl momento de produce un cortante secundario o una torsin de las soldaduras de magnitud.
Esfuerzo cortante secundaria
J
rM''
Donde r es la distancia radial desde el centroide del grupo de soldaduras hasta el punto de soldadurade inters, y J es el segundo momento polar de inercia del grupo de soldaduras respecto al centroidedel grupo. Observe que r, por lo general es la distancia ms alejada del centroide.
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SOLDADURA COMO REA
Fig. 2.4 Soldadura como rea
La soldadura tiene un ancho de garganta:
b1 = 0.707 h1 y b2 = 0,707 h2
El rea de la garganta de ambas soldaduras es:
A1 = A1+A2 = b1 d1 + b2 d2
El eje x pasa por el centroide G1 de la soldadura 1. El segundo momento del rea respecto a l es:
12
3
11 dbIx
De manera similar, el segundo momento de rea respecto a un eje a travs de G1 paralelo al eje yest dado por
12
3
11bdIy
As, el segundo momento polar del rea de la soldadura 1 respecto a su propio centroide sedetermina por
1212
3
11
3
111
bddbIyIxJG
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De la misma forma, el segundo momento polar del rea de la soldadura 2 respecto a sucentroide est dado por
1212
3
22
3
222
bddbIyIxJG
El centroide G del grupo de soldaduras se ubica en
A
xAxAx
2211_
A
yAyAy
2211_
De nuevo, mediante la figura, se observa que las distancias r 1y r2desde G1y G2hasta G,respectivamente son
2/1_22
1
_
1 )( yxxr
2/1
2_
2
2_
22 )()( xxyyr
Ahora por el teorema de los ejes paralelos, se determina que el segundo momento polar derea de grupo de soldaduras es
)()( 2
222
2
111 rAJrAJJ GG
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Soldadura como lnea en torsin
Esfuerzo cortante primario
Esfuerzo cortante secundario
bhA 414.1
6
3 23
dbJu
A
Vy FV
J
rM yx J
rM xy
22 )( ''xyy
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Esfuerzo admisible
Donde:
FLEXION DE UNIONES SOLDADAS
Tomando la soldadura como lnea:
A = 1.414 h (b + d)
El esfuerzo normal se halla ahora
n
Syadm
577.0
seguridaddefactornfluenciadeLimiteSy :
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Esfuerzo cortante
Esfuerzo de Von Mises
Esfuerzo admisible
)3(622
2__
dbd
Iud
yb
x
)3(
6
707.0
)2
(
2
dbd
h
dM
I
cM
)(414.1 dbh
V
A
V
22' 3
nSy
adm
'
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RESISTENCIA DE LAS UNIONES SOLDADAS
Propiedades mnimas del metal de aporte.
NUMERO DEELECTRODO AWS
RESISTENCIAULTIMA KPSI (MPa)
RESISTENCIADE FLUENCIAKPSI(MPa)
%
E 60xx 62 (427) 50 (345) 17 - 25E 70xx 70 (482) 57 (393) 22E 80xx 80 (551) 67 (462) 19E 90xx 90 (620) 77 (531) 1417E 100xx 100 (689) 87 (600) 1316E 120xx 120 (827) 107 (737) 14
Esfuerzos permisibles por el Cdigo AISC** para metal de aporte
TIPOS DE CARGA TIPO DE JUNTA ESFUERZO PERMISIBLE n
Tensin A tope 0.60 Sy 1.67Aplastamiento A tope 0.90 Sy 1.11Flexin A tope 0.600.66 Sy 1.521.67Compresin simple A tope 0.60 Sy 1.67Cortante A tope o de filete 0.4 Sy
AISC**: American Institute of Steel Material
* El esfuerzo de seguridad n se ha calculado mediante la teora de la energa de distorsin. El esfuerzo cortante en el metal base no debe exceder 0.40 Sy del metal base
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Cargas de fatiga
En problemas de fatiga, las componentes descriptivas de esfuerzo variable son el intervalo delesfuerzo ry el factor K, mn/ mx, en vez de las componentes de la amplitud del esfuerzo y delesfuerzo cortante (medio). En la tabla 9.8 (shigley) se define el factor K en 5 formas convenientes.Las relaciones tiles entre la amplitud del esfuerzo cortante a, el esfuerzo cortante medio m, el
esfuerzo cortante mximo mx y el esfuerzo cortante mnimo mn estn dados por.
O
Ampliando la definicin del factor K a
El programa B de la tabla 9.8 (Shigley) lista las categoras A-F y presenta el intervalo del esfuerzopermisible sro srpara 4 intervalos de vida. El esfuerzo mximo permisible esta dado por.
Dicho esfuerzo mximo permisible se compara con el esfuerzo mximo existente en la ubicacincrtica:
Cuando se cumple la desigualdad, el diseo es satisfactorio para la resistencia de la soldadura a la
fatiga. El cdigo no indica la identidad del electrodo o las propiedades del metal base.
)( mamnmamx
)( mamnmamx
ma
ma
ma
ma
mx
mn
mx
mn
mx
mn
mx
mn
mx
mn
V
V
F
F
M
MK
Ko
Ksr
permmxsr
permmx1
)(1
)( ..
.. )()( permmxmxpermmxmx o
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EJEMPLO:La tira de acero 1018 de la figura se somete a una carga completamente alternante de 1000 lb.Realice la parte de la evaluacin de adecuacin para resistencia a la fatiga de las partes soldadaspara una vida infinita, si el factor de diseo ndes 3.
a) Use mtodo convencional de factor de seguridad.b) Utilice la fatiga AISC permisible.
SolucinDe la tabla E-20 (Shigley) para el metal de la unin, hecho con acero 1018, las resistencias son Sut =58 kpsi y Sy = 32 kpsi. Para el electrodo E6010, Sut = 62 kpsi y Sy = 50 kpsi. El factor de
concentracin de esfuerzo de fatiga Kfs= 2.7 ocurre donde los metales de aporte y de la unin semezclan durante el proceso de soldado. El anlisis se basa en el ms dbil de los materiales.a) De tabla 2, ka = 39.8(58)-0.995= 0.700. El esfuerzo cortante se distribuye de manera uniforme
sobre la garganta:
rea de soldadura: A = 2 (0.707) h L = 2 (0.707) (0.375) (2)Para un esfuerzo cortante uniforme sobre la garganta, kb= 1De la tabla 4kc= 0.328 (58)
0.125= 0.545 kd= ke= 1De las ecuaciones (7.4) y (7.8) (Shigley),Sse= 0.700 (1) 0.545 (1) 0.506 (58) = 11.2 kpsi
Kfs= 2.7 Fa= 1 000 lb Fm= 0
Slo est presente el cortante primario:
En la ausencia de un componente media, el factor de seguridad a la fatiga n fest dado porComo nf> nd, es decir 4.40 > 3, la estructura soldada resulta satisfactoria a fatiga.
psipsiA
FKm
aFS
a 05452061.1
)1000(7.2 ''
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b)
La amplitud del esfuerzo cortante nominal a= 2 545/2.7 = 943 psi. Entonces
De la tabla 9.8 (Shigley) (Tabla 5), punto 25, categora F, el intervalo del esfuerzo cortantepermisible es 8 kpsi para una vida indefinida, por tanto
El mxnominal = a+ m= 943 + 0 = 943 kpsi. Como mx0.943 kpsi es menor que el permisible de4 kpsi, es decir 0.943 < 4, la estructura soldada resulta satisfactoria en fatiga.
Tabla 1 Factores de concentracin de esfuerzo Kfs
Tipo de soldadura KfsA tope reforzada 1.2De filete transversal, en la punta 1.5De filetes paralelos, en el extremo 2.7A tope en T, con esquinas agudas 2.0
Tabla 2. Parmetros en el factor de la condicin superficial de Marin
Ka= a S utLN(1,C)a
kpsi MPa b Coeficiente devariacin, C
Esmerilado 1.34 1.58 -0.086 0.120Maquinado o laminado en frio 2.67 4.45 -0.265 0.058Laminado en caliente 14.5 56.1 -0.719 0.110Como sale de forja 39.8 271 -0.995 0.145
Factor de tamao Kb
Para carga axial no hay efecto de tamao, por tanto
Kb= 1
Tabla 3. Factor de tamao para flexin y torsin
kb=(d/0.3)- . = 0.879 d- . 0.11 d < 2 pulg.
0.8590.021 25 d 2 < d 10 pulg.(d/7.62) - . = 1.24 d- . 2.79 d 51 mm
0.8590.000 837 d 51 < d 254 mm
40.45452
20011
a
sef
Sn
10943
0943
ma
maK
kpsiKK
srpermmx 4
1
8
1)( .
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Tabla 4. Parmetros en el factor de carga de Marn
Kc= S utLN(1,C)Modo de carga
CPromedio
Kckpsi MPa
Flexin 1 1 0 0 1Axial 1.23 1.43 -0.078 0.125 0.85Torsin 0.328 0.258 0.125 0.125 0.59
Se= ka kb kc kd ke Se
ka: Factor de modificacin de la condicin superficial
Kb: Factor de modificacin del tamao (deterministica)
Kc: Factor de modificacin de la carga
kd: Factor de modificacin de efectos diversos
S: Limite de resistencia a la fatiga en viga rotatoria
Se: Limite de resistencia a la fatiga en la ubicacin crtica de una parte de mquina en lageometra y condicin de uso.
Se= MPaokpsiSut_
506.0 )4601(212_
MPakpsiSut
MPa740
)4601(212_
MPakpsiSutMPaokpsi107
)4601_
MPaSut
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Tabla 5 Configuracin de juntas soldadas
Programa B: esfuerzo de fatiga AISC permisibles (sr y sr), kpsiIntervalo de esfuerzos permisibles, Kpsi
Categora (de latabla A-K4.2)
20 000 a100 000
100 000 a500 000
500 000 a2 x 106
Ms de2 x 106
A 63 37 24 24B 49 29 18 16B` 39 23 15 12C 35 21 13 10D 28 16 10 7E 22 13 8 5E` 16 9 6 3F 15 12 9 8
Metal de aporte de soldadura de filete continua o longitudinal o transversales intermitentes (F)
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Tabla 6 Configuracin de juntas soldadas