APUNTES DE UNIONES PERMANENTES. SOLDADURA

Antiguamente las partes metálicas estructurales de grandes espesores se unían mediante

roblones.

Los roblones son remaches grandes de diámetro superior a 10 mm.

Los roblones se introducían normalmente en caliente (se solían caldear en hornillos de

carbón hasta alcanzar el rojo-blanco, a una temperatura adecuada para moldearlos) a través de

los agujeros de las chapas metálicas de la unión a realizar. Posteriormente, la punta del mismo

(la parte opuesta a la cabeza), se comprimía mecánicamente con herramientas accionadas con

aire comprimido hasta darle la misma forma que la cabeza. De esta forma las chapas metálicas

quedan unidas, incrementándose la fuerza de la unión al acortarse los pasadores una vez que se

enfrían adquiriendo la temperatura ambiente.

Para uniones entre chapas de pequeños espesores se utilizan remaches que se unen al

metal mediante deformación plástica en frio.

Las ventajas de las uniones remachadas/roblonadas son:

• Se trata de un método de unión barato y automatizable.

• Es válido para unión de materiales diferentes y para dos o más piezas.

• Existe una gran variedad de modelos y materiales de remaches, lo que permite acabados más estéticos que con las uniones atornilladas.

• Permite las uniones ciegas, es decir, la unión cuando sólo es accesible la cara externa de una de las piezas.

Como principales inconvenientes destacar:

• No es adecuado para piezas de gran espesor.

• La resistencia alcanzable con un remache es inferior a la que se puede conseguir con un tornillo.

• La unión no es desmontable, lo que dificulta el mantenimiento.

• La unión no es estanca.

Cálculo de las uniones roblonadas

- Por agotamiento del roblón

Comenzamos la comprobación y cálculo de uniones roblonadas, considerando en

primer lugar el fallo de la unión por agotamiento debido a la rotura del roblón.

Como norma general, en las uniones roblonadas se recomienda que el roblón no

trabaje nunca sometido a esfuerzo de tracción que actúe en dirección paralela al eje

longitudinal del roblón, sino que trabaje solicitado a esfuerzos que sean transversales

a su eje, llamados esfuerzos de cortante.

- Solicitación de agotamiento a cortante (Púltimo):

Como se ha dicho, habitualmente las uniones roblonadas se diseñarán para que

los roblones trabajen sólo a cortante debido a la carga actuante (P) perpendicular a su

eje.

El valor de esta carga (P), a efectos de comprobación de la resistencia del roblón,

deberá estar ponderado por los correspondientes coeficientes de mayoración de la

carga o coeficientes de seguridad.

Esta carga (P) de tipo cortante va a generar una tensión de cortadura (τ) en la

sección del roblón, de valor:

P

Aτ =

Siendo Av el área de la sección del roblón que interviene a resistencia en el

cortante. En esta ocasión, coincide con el área transversal de la sección cilíndrica del

roblón: Av = π·d2/4

siendo d el diámetro del roblón.

Por otro lado, según el criterio de Von-Mises, la tensión cortante límite (τlím) que

puede soportar el bulón estará condicionada por el límite elástico (σe) del material, a

partir de la siguiente expresión:

lim3

eστ =

siendo (σe) el límite elástico del material del vástago del roblón. Como norma

general, se recomienda emplear bulones de aceros con un límite elástico de al

menos, σe =2600 kg/cm2.

La condición para que no se produzca el agotamiento de la espiga del roblón es

que su tensión de cortadura (τ) no alcance la tensión de cortante límite (τlím) del

material, es decir:

τ < τlím

o sea que se cumpla que,

lim2

4

P

dτ τ

π= <

⋅

Si denominamos n al número de roblones o secciones transversales que resisten

conjuntamente al esfuerzo cortante, el valor del esfuerzo cortante último (Púltimo) de

agotamiento del roblón a cortante, es el dado por la siguiente expresión:

Púltimo = τlím · n · π · d2 / 4

siendo d el diámetro de la sección del roblón, n el número de roblones que forman

la unión y (τlím) la tensión límite a cortante, cuyo valor se calculaba como:

lim

3

eστ =

- Solicitación de agotamiento a tracción (Túltimo):

Cuando excepcionalmente y por razones constructivas una unión roblonada esté

solicitada a tracción, entonces se considerará como solicitación de agotamiento de la

unión, suponiendo la unión roblonada constituida por n roblones resistiendo

conjuntamente, a la dada por la siguiente expresión:

Túltimo = 0,25· n · σe · π · d2 / 4

siendo (σe) el límite elástico del roblón y (d) el diámetro de su sección.

No obstante, como ya se ha comentado, deberán evitarse las uniones en las que

los roblones puedan estar solicitados sólo a esfuerzos de tracción.

Por último, y sólo cuando excepcionalmente un roblón pueda estar solicitado

simultáneamente a esfuerzos de tracción y cortante, se deberá comprobar que se

cumple la siguiente condición:

(T/Túltimo)2 + (P/Púltimo)2 ≤ 1

donde,

T es el esfuerzo ponderado de tracción que actúa sobre el roblón;

P es el esfuerzo ponderado a cortante que actúa sobre el roblón;

Túltimo es la solicitación de agotamiento a tracción del roblón;

Púltimo es la solicitación de agotamiento a esfuerzo cortante del roblón.

- Por aplastamiento de las paredes del agujero Por otro lado, la carga a cortante (P) que actúa sobre la unión roblonada también

incide presionando el vástago del roblón contra las paredes del agujero donde va

alojado.

Esta solicitación origina un aplastamiento de las paredes del agujero debida a la

presión que ejerce el roblón, según se puede apreciar en la figura adjunta.

Esta situación de esfuerzos origina una tensión en la propia pared del agujero, cuyo

valor puede estimarse como:

σ = P / (d·e)

donde (d) es el diámetro del vástago del roblón, y (e) es el espesor de la chapa.

Y por tanto, para que no se produzca el agotamiento de la unión debido a una

sobrepresión de las paredes del agujero, se deberá asegurar que se cumpla que:

σ < σadm

donde (σadm) es la tensión máxima admisible por aplastamiento del material de la

chapa. A falta de información sobre la tensión máxima admisible por aplastamiento

de la chapa, se puede considerar como tensión límite (σadm) la resistencia de cálculo

del acero de la chapa.

Soldadura

Los problemas que presentan el roblonado son la mala distribución tensional en la

junta, mal aprovechamiento de los materiales en piezas traccionadas, poca seguridad de

rigidez en las uniones, ya que los roblones pueden quedar "sueltos" e imposibilidad de realizar

un cálculo exacto, así como medios de construcción costosos.

Todos estos inconvenientes han hecho que el roblonado sea sustituido por otros

métodos de unión como el atornillado y la soldadura.

La soldadura irrumpió en 1910 cuando mejorada su técnica fue sustituyendo

paulatinamente al roblonado.

La soldadura a sustituido de forma generalizada al remachado como método de unión

permanente en estructuras.

La soldadura es un proceso de unión entre metales por la acción de calor, hasta que el

material de aportación funde, uniendo ambas superficies, o hasta que el propio material de las

piezas se funde y las une.

La representación simbólica de las uniones soldadas en los planos técnicos está definida

en la norma UNE-EN ISO 2553:2014 “Soldeo y procesos afines. Representación simbólica en los

planos. Uniones soldadas”.

Esfuerzos sobre soldaduras

Soldaduras a tope

Carga de tensión por tracción o compresión. F

h lσ =

⋅

Carga de tensión por cortante. F

h lτ =

⋅

Soldaduras de filete

Todos los cálculos de seguridad en las

soldaduras a filete se hacen en el

plano de garganta.

Y si nos encontramos en un plano xy. La tensión total a tracción y compresión tiene los

siguientes componentes:

yx

x y

MMNy x

A I Iσ = + ⋅ + ⋅

El código técnico expone en su documento básico SA las características que deben cumplir las

soldaduras para construcción para que cumplan los requisitos de seguridad. Se expone a

continuación algunos puntos del mismo.

Criterios de seguridad establecido por el CTE. Fuente: Documento Básico SE-A Acero 8.6

Documento Básico SE-A Acero 8.6

Esfuerzos en uniones soldadas sujetas a torsión

El área total de la garganta de las soldaduras es: 1 2 1 1 2 2A A A b d b d= + = ⋅ + ⋅

donde 1 1 2 20,707 0,707b h y b h= ⋅ = ⋅

El momento de inercia respecto al centroide de cada elemento

3 3

1 1 1 11

12 12G x y

b d d bJ I I

⋅ ⋅= + = +

3 3

2 2 2 21

12 12G x y

b d d bJ I I

⋅ ⋅= + = +

El centroide del grupo de soldaduras se encuentra ubicado en

En el dibujo vemos un voladizo sobre el que

actúa una fuerza F. El voladizo se encuentra

sujeto por dos cordones de soldadura.

Sobre el punto A actúa:

F

Aτ = y

M r

Jτ ⋅′ =

1 1 2 2 1 1 2 2A x A x A y A y

x yA A

⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅= =

El momento polar del conjunto se calcula mediante el teorema de los ejes paralelos

1 12 2 2 22 2

1 1 1 2 2( ) ( ) ( )r x x y y y y x x = − + = − + −

Y el momento polar es:

2 2

1 1 1 2 2 2( ) ( )

G GJ J A r J A r= + + +

Valor que necesitamos para calcular el esfuerzo cortante por el momento torsor.

Esfuerzos en uniones soldadas sujetas a flexión

En este caso las solicitudes a las que está expuesta la soldadura se componen de una fuerza

cortante de magnitud τ=F/2bh y un momento flector que produce tensiones de compresión

y tracción y cortante en la garganta.

Carga de tensión por momento flector. f f

p

M Mr

W Iσ = = ⋅

Carga de tensión tangencial por momento flector. 2

2

0,7072

dMM c

dI h bτ

⋅⋅′ = =⋅ ⋅ ⋅

Siendo 0,707 h el paso de la sección en el plano a la sección de la garganta.

Carga de tensión tangencial por la fuerza F.

F

Aτ =

1. Comprobar la seguridad de la unión UPN300 a un soporte con los cordones laterales

exteriores que se indican. Acero S275 JR.

La resistencia de la unión será suficiente si verifica:

2 2 2

23( ) / ( )u w M

fσ τ τ β γ⊥ ⊥ + + ≤ � y 20,9 /u Mfσ γ⊥ ≤

Para calcular los momentos de inercia necesitamos conocer primero donde se sitúa el centro

de masas.

Tensiones en las soldaduras producidas por las cortantes.

3

2

160 1047,06 (tensión cortante eje z)

3400

zz

V NtmmA

⋅= = =

3

2

80 1023,53 (tensión cortante)

3400

y

y

VNt

mmA

⋅= = =

El área total de las soldaduras es: 22 100 11 240 5 3400i iA a l mm= ⋅ = ⋅ ⋅ + ⋅ =∑

c.d.g

2 100 11 52,5 31133,97 155,5

3400 2y mm z mm

⋅ ⋅ ⋅= = = =

Momentos de inercia

32 2 4100 11

2 100 11 (52,5 33,97) 240 5 33,97 397348012

zI mm

⋅= + ⋅ ⋅ − + ⋅ ⋅ =

32 4240 5

2 100 11 155, 5 5895655012

yI m m

⋅= ⋅ ⋅ ⋅ + =

462930030p y xI I I m m= + =

Los esfuerzos a los que están sometidos los cordones de soldadura

son los siguientes:

80 (cortante horizontal)

160 (cortante vertical)

N 100 (Axil)

Momento torsor M 160 (102,5 33,97) 80 155,5 22964,8

Momento flector M 160 200 100 150 47000

Momento flector M 80 200 100 (102

y

z

x

tx

y

z

V KN

V KN

KN

mmKN

mmKN

=

==

= ⋅ − + ⋅ == ⋅ + ⋅ =

= ⋅ − ⋅ − 33,97) 9147 mmKN=

3

2

3

2

22964,8 10: 155.5 56,75 (hacia la derecha)

62930030

22964,8 10( 31,47) 11,49 (ascendente)

62930030

y

z

Ntensiones en B tmm

Ntmm

⋅= ⋅ =

⋅= ⋅ − = −

3

2

3

2

22964,8 10: ( 155.5) 56,75 (hacia la izquierda)

62930030

22964,8 10( 31,47) 11,49 ( )

62930030

y

z

Ntensiones enC tmm

Nt ascendentemm

⋅= ⋅ − = −

⋅= ⋅ − = −

3

2

3

2

22964,8 10: ( 155.5) 56,75 (hacia la izquierda)

62930030

22964,8 10(68,53) 25,01 ( )

62930030

y

z

Ntensiones en D tmm

Nt descendentemm

⋅= ⋅ − = −

⋅= ⋅ =

Se suman las tensiones tangenciales por esfuerzo de cizalla con las producidas por el momento

torsor.

2

2

: 47,06 25,01 72,07

23,53 56,75 80, 28

N

a

Ntotal tensiones en A t normalmm

Nt paralelamm

= + = ↓ ⊥

= + = → �

2

2

: 47,06 11, 49 35,57

23,53 56,75 80, 28

N

a

Ntotal tensiones en B t normalmm

Nt paralelamm

= − = ↓ ⊥

= + = → �

2

2

: 47,06 11,49 35,57

23,53 56,75 33,22

N

a

Ntotal tensiones enC t normalmm

Nt paralelamm

= − = ↓ ⊥

= − = − ← �

Momento torsor M 22964,8tx mmKN= produce las siguientes

tensiones de cortadura:

txy

ptT

txpz

p

Mt z

IMt r

MIt y

I

= ⋅= ⋅ = ⋅

r r

3

2

3

2

22964,8 10: 155.5 56,75 ( la derecha)

62930030

22964,8 1068,53 25,01 ( )

62930030

y

z

Ntensiones en A t haciamm

Nt descendentemm

⋅= ⋅ =

⋅= ⋅ =

2

2

: 47,06 25,01 72,07

23,53 56,75 33,22

N

a

Ntotal tensiones en D t normalmm

Nt paralelamm

= + = ↓ ⊥

= − = − ← �

Determinamos ahora las tensiones normales en estos puntos:

yz

z y

MMNy z

A I Iσ = + ⋅ + ⋅

3 6 6

2

100 10 47 10 9,147 10: 155,5 31, 47 225,8 ( )

3400 58956550 3973480Nnormal en B n tracción

mm

⋅ ⋅ ⋅= + ⋅ + ⋅ =

3 6 6

2

100 10 47 10 9,147 10: 155,5 31, 47 22,06 ( )

3400 58956550 3973480Nnormal enC n compresión

mm

⋅ ⋅ ⋅= − ⋅ + ⋅ = −

3 6 6

2

100 10 47 10 9,147 10: 155,5 68,53 252, 4 ( )

3400 58956550 3973480Nnormal en D n compresión

mm

⋅ ⋅ ⋅= − ⋅ − ⋅ = −

Pasamos estas tensiones al plano de garganta

En el punto A:

En el punto B:

En el punto C:

En el punto D:

El punto más solicitado es el B en conjunto y el D en tensión normal.

Para comprobar si la unión es suficiente para aguantar las cargas necesitamos los valores:

2u w Mf yβ γ

Por tratarse de acero S275, 2430 / 0,85u w

f N mm y β= =

El factor de seguridad 2 1, 25Mγ =

Para que la unión sea segura debe cumplir:

2 2 22 22

4303( ) / ( ) 328,39 407,7

0,85 1, 25u w M

N Nfmm mm

σ τ τ β γ⊥ ⊥ + + ≤ < = ⋅�

Y también cumple: 20,9 /u Mfσ γ⊥ ≤

2 2

430229 0,9 309,6

1, 25N N

mm mm< =

2. En el dibujo se representa un apoyo rigizado en ménsula que recibe la reacción vertical

máxima de una viga carrilera de 400 KN. Comprobar las soldaduras suponiendo acero S 275

JR.

La resistencia de la unión será suficiente si verifica:

2 2 2

23( ) / ( )u w Mfσ τ τ β γ⊥ ⊥ + + ≤ � y 20,9 /u Mfσ γ⊥ ≤

Momento de inercia respecto del c.d.g.

32 2 4250 6

180 20 (75) 2 250 6 (290 125 75) 6017500012

I mm ⋅= ⋅ ⋅ + + ⋅ ⋅ − − =

Claramente el punto más desfavorable es en el extremo inferior de los cordones laterales.

Pasando al plano de garganta (tn=0)

2 2

1 1121,27 121,27

2 2N Nn n

mm mmσ τ⊥ ⊥= = = =

Comprobamos si cumple:

2430 0,85 ( 275) 1, 25u wNf acero S

mmβ γ= = =

2180 20 2 250 6 6600i iA a l mm= ⋅ = ⋅ + ⋅ ⋅ =∑

Determinación del c.d.g.

180 20 0 2 250 6 (290 125)75

6600z mm

⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ −= =

No se tiene en cuenta la contribución en sentido del espesor

2 2 22

2

430121,27 3 (121,27 60,60 ) 264,27 404,7

0,85 1,25

430121,27 0,9 309,6

1,25

Nmm

Nmm

σ ⊥

+ ⋅ + = < =⋅

= ≤ =

Luego si que cumple.