UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

INSTITUTO DE ESTUDIOS SUPERIORES

‘’ UNIDAD V: DISEÑO DE ELEMENTOS SUJETOS A FLEXION Y

CARGA AXIAL, VIGAS-COLUMNAS

‘’UNIDAD IV: DISEÑO DE CONEXIONES

ASIGNATURA: Diseño de estructuras de acero

DOCENTE: Ing. Oscar Danilo Ruiz Ramírez

GRUPO: 5TN1- C

TRABAJO ELABORADO POR: CARNET:

Junieska Alexania Garmendia Perez 2011-39812

Carlos José Alvir 2011-39845

Xóchitl Massiel Ordoñez Aguilar 2011-39820

Israel Corea Serrano 2011-39714

Elvis Brian Diaz Altamirano 2010-34527

Julio de Jesus Obando 2011-39668

04 de mayo 2015

UNIDAD V: DISEÑO DE ELEMENTOS SUJETOS A FLEXION

Y CARGA AXIAL, VIGAS-COLUMNAS

CRITERIOS PARA EL DISEÑO DEL AISC-ASD

1. Métodos de Análisis.

Existen dos métodos de análisis y son los siguientes:

a. El método ASD (Allowable Stress Design), se diseña de manera tal que las tensiones

calculadas por efectos de las cargas de servicio no superen los valores máximos en las

especificaciones, es decir que se trabaja en función de las tensiones admisibles, donde estas

son una fracción de las tensiones cedentes del material, ya que por basarse en el análisis

elástico de las estructuras, los elementos deben ser diseñados para comportarse

elásticamente.

b. El método de Load and Resistance Factor Design (LRFD) emplea como criterios de análisis

y diseño los de la teoría plástica o una combinación de análisis y diseño plástico. En este

caso, basado en estados límites, hay consistencia con el método de diseño para concreto

reforzado ACI-318, que emplea procedimientos probabilísticos y provee un nivel más

uniforme de confiabilidad.

El ASD asume un comportamiento elástico bajo cargas y aparentemente desprecia la capacidad de

reserva inelástica del acero, aunque en realidad cuando el caso así lo requiere, la capacidad de

reserva inelástica a sido incorporada de manera implícita en las ecuaciones de diseño de ASD.

Además, los factores de seguridad de ASD tienen orígenes empíricos y son universales. O sea, para

una condición de diseño dada, el factor de seguridad es el mismo siempre, independientemente del

tipo de carga aplicada.

La estrategia que actualmente desarrollan el AISC y el AISI es el establecimiento de un período de

transición para poder consolidar a LRFD como el método estándar de diseño, desplazando a ASD

como un método alternativo. El ACI ya consolidó hace varios años el paso de ASD a Resistencia

Ultima para el diseño de estructuras de concreto. Una vez consolidado el paso de ASD a LRFD se

habrá logrado finalmente uno de los objetivos universales de los autores de especificaciones de

diseño: la unificación de criterios de diseño entre el ACI, AISC y AISI.

El AISC publicó en 1986 la primera edición de las especificaciones LRFD. En 1989 el AISC publicó

tomos separados conteniendo la novena edición de las especificaciones de ASD y la segunda

edición de las de LRFD. En 1993, el AISC publicó la tercera edición de las especificaciones de LRFD

pero ya no editó las especificaciones de ASD, quedando la edición de 1989 de dichas

especificaciones como la edición vigente, en un claro intento de consolidar a LRFD como el método

estándar de diseño. Así mismo, la AISI publicó la primera edición de las especificaciones LRFD en

1991 y en 1996 las especificaciones de ASD y LRFD se presentaron en la misma publicación. Cabe

mencionar que la presentación de las ecuaciones de diseño de ASD en las especificaciones del AISI

1996 fue cambiada. Ahora se calculan resistencias nominales en lugar de esfuerzos actuantes y

posteriormente se transforman en resistencias permisibles al dividir las resistencias nominales

entre los factores de seguridad tradicionales. De hecho, las ecuaciones para determinar las

resistencias nominales son en general las mismas para ASD y LRFD. La intención del AISI es

evidente, lograr una mayor compatibilidad entre los criterios de ASD y LRFD para permitir una

transición más suave de un criterio al otro.

El ASD ha sido desde 1946 el método de diseño para perfiles estructurales laminados en frío

reconocido por el AISI. El AISI 1996 aun reconoce a ASD en igualdad con LRFD.

En ASD, las resistencias requeridas (momentos flexionantes, fuerzas axiales, fuerzas cortantes,

etc.) en los elementos estructurales son calculadas por procedimientos aceptados del análisis

estructural a partir todas las combinaciones de carga aplicables consideradas en la Sección A5.1.2

del AISI 1996. Estas resistencias requeridas no deben exceder las resistencias permisibles de

diseño prescritas por el AISI. La resistencia permisible de diseño se determina dividiendo la

resistencia nominal entre un factor de seguridad, o sea,

El objetivo del factor de seguridad es el de compensar por las incertidumbres inherentes en los valores de las propiedades mecánicas y geométricas de los elementos estructurales, en la precisión de los modelos teóricos y/o experimentales que describen la resistencia nominal, así como en la estimación de valores y distribución de las cargas aplicadas. Los valores de los factores de seguridad para las diversas resistencias requeridas se encuentran prescritos en las especificaciones de diseño. La experiencia dicta que el uso de dichos factores de seguridad resulta

en diseños satisfactorios. Como se mencionó anteriormente, el ASD considera un solo factor de seguridad por resistencia requerida. De acuerdo con la sección A5.1.1 del AISI 1996, un diseño satisface los requisitos de la especificación cuando el valor de la resistencia permisible, Ra, de cada componente estructural es mayor o igual a la resistencia requerida, R, determinada en base a las cargas nominales, para todas

las combinaciones de carga aplicables, esto es,

Cargas de Diseño Las cargas nominales de diseño normalmente se especifican en los códigos de diseño vigentes en la localidad donde se realizará la construcción de la estructura. En la ausencia de dichos códigos, la Sección A4.1 del AISI 1996 estipula el uso de las cargas dadas por la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles o ASCE (por sus siglas del inglés: “American Society of Civil Engineers”) en el documento “Cargas Mínimas de Diseño para Edificios y Otras Estructuras”. Los siguientes símbolos y definiciones describen las cargas reconocidas por el AISI 1996: D = Carga muerta, que consiste en: (a) el peso propio del elemento. (b) el peso de todo el material de construcción incorporado al edificio, el cual es soportado por el elemento, incluyendo muros fijos. (c) el peso de equipo permanente. E = Carga Sísmica. F = Cargas debidas a fluidos con presiones y alturas máximas bien definidas. L = Cargas vivas debidas al uso deseado del edificio, incluyendo las cargas debidas a objetos movibles, muros movibles y las cargas temporales a las que estará sujeta la estructura durante su mantenimiento. L puede incluir cualquier reducción permitida por la especificación de diseño. Si la resistencia al impacto debe considerarse en el diseño, tal efecto deberá incluirse en la carga viva. Lr = Carga viva de azotea o cubierta. S = Carga debido a acumulación de nieve. Rr = Carga debida a lluvia, excepto la debida al estancamiento de agua en cubiertas. H = Cargas debidas al empuje lateral de tierra y del agua incluida en la tierra. P = Cargas, fuerzas y efectos debidos al estancamiento de agua. T = Fuerzas y efectos debidos a cambios volumétricos producidos por gradientes de temperatura, cambios de humedad, flujo plástico de elementos constitutivos, asentamientos diferenciales de cimentaciones, u combinaciones de éstas. W = Cargas de viento.

CONCEPTO DE ESTABILIDAD ESTRUCTURAL, USO DE LOS

NOMOGRAMAS.

La estabilidad estructural se refiere a la capacidad de una estructura bajo las fuerzas que

actúan sobre ella de alcanzar un estado de equilibrio mecánico. Las combinaciones de fuerzas o

acciones bajo las cuales una estructura no es estable se denominan inestabilidades y pueden ser

de varios tipos:

Deslizamiento, cuando la fuerza resultante superficie de contacto entre dos sólidos excede un

cierto valor y existe desplazamiento relativo entre los puntos de los dos sólidos.

Vuelco, cuando el momento de fuerzas respecto a una recta, llamado eje virtual de rotación

sobre pasa un cierto valor.

Inestabilidad elástica, que se refiere a fenómenos de no linealidad como el pandeo,

la abolladura, la inestabilidad de arcos, etc.

La estructura en su conjunto y cada una de sus barras deben tener asegurada su estabilidad lateral.

Ello queda garantizado cuando existe un sistema estructural que transmita al suelo de fundación

cualquier fuerza horizontal aplicada en cualquier punto de la estructura y cualquier fuerza

generada por la estabilización de la estructura y sus barras componentes. Además la estructura

debe tener suficiente rigidez lateral que limite los desplazamientos horizontales a los valores

admisibles para el conjunto y para cada barra componente. Cuando la estructura esté conformada

por planos resistentes verticales y horizontales, la estabilidad y rigidez puede ser provista por cada

plano vertical o provisto por otros planos verticales distintos al considerado, a través de planos

horizontales que tengan la rigidez necesaria para garantizar la estabilidad y limitar la deformación

del plano arriostrado. El sistema de arriostramiento debe ser proyectado para resistir:

Toda fuerza horizontal mayorada aplicada a los pórticos a los cuales arriostra.

Toda fuerza horizontal resultante del desplazamiento lateral impedido de los

pórticos a los cuales arriostra y generado por acciones verticales mayoradas.

Toda fuerza horizontal resultante de la estabilización de los pórticos que arriostra.

Todas las fuerzas horizontales y verticales mayoradas aplicadas directamente en el

sistema de arriostramiento.

La estabilidad de las estructuras y los criterios de Proyecto y métodos de análisis para garantizarla

son materia de numerosa bibliografía técnica. Por ejemplo la "Guía para los criterios de estabilidad

para el proyecto de estructuras de acero" del SSRC (Consejo para investigación de la Estabilidad

estructural) (Galambos,1988) dedica varios capítulos al estudio de la estabilidad de diferentes

tipos de elementos estructurales actuando individualmente y luego analiza los efectos de estos

elementos estructurales individuales sobre la estabilidad del conjunto.

FORMULAS DEL AISC-ASD, PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE

VIGAS-COLUMNAS

Allowable Stress Design. (Esfuerzos permisibles de diseño) Este método se fundamenta en la suposición de un comportamiento elástico del material hasta las cargas máximas esperadas o cargas de servicio; y que este material se mantendrá trabajando a esfuerzos menores que un esfuerzo permisible especificado. El método se caracteriza entonces por el uso de un factor de seguridad, el esfuerzo admisible se obtiene dividiendo el esfuerzo limite (usualmente Fy) por un factor de seguridad Fs.

La fórmula AISC para esfuerzo permisible, Fa, para columnas esbeltas se basa en la carga de pandeo elástico de Euler con un factor de seguridad de 23/12 = 1.92. Las columnas esbeltas son aquellas

que tienen una relación de esbeltez o mayor. La constante Cc corresponde al esfuerzo crítico Fcr en la carga de Euler igual a la mitad del esfuerzo de fluencia del acero Fyp. La fórmula para columnas largas cuando (Kl / r) > Cc es:

Donde Kl / r es longitud efectiva de columna y r es el radio de giro mínimo del área de la sección

transversal. No se permite que las columnas excedan un Kl / r de 200. Para una relación Kl / r

menor que Cc el AISC específica una formula parabólica:

*Factores de longitud efectivas para columnas*

CRITERIOS PARA EL DISEÑO DEL AISC-LRFD

METODOS DE DISEÑO PROPUESTOS POR EL AISC Dos son los enfoques del Diseño estructural en acero conforme a lo disponible a la fecha: “Diseño por Esfuerzos Permisibles”, conocido por sus siglas ASD (Allowable Stress Design) “Diseño por Factores de Carga y Resistencia ó Estados límites”, conocido por sus siglas LRFD (Load and Resistance Factor Design). El método ASD ya tiene más de 100 años de aplicación; con él se procura conseguir que los esfuerzos unitarios actuantes reales en los miembros estructurales sean menores que los esfuerzos unitarios permisibles, aconsejados por el reglamento. Sin embargo, durante las dos últimas décadas, el diseño estructural se está moviendo hacía un procedimiento más racional basado en conceptos de probabilidades. En esta metodología (LRFD) se denomina “estado límite” aquella condición de la estructura en la cual cesa de cumplir su función. Los estados límites se dividen en dos categorías: Resistencia y Servicio. El primer estado tiene que ver con el comportamiento para máxima resistencia dúctil, pandeos, fatiga, fractura, volteo o deslizamiento. El segundo estado tiene que ver con la 15 funcionalidad de la estructura, en situaciones tales como deflexiones, vibraciones, deformación permanente y rajaduras. Lo que se pretende, entonces, es conseguir que la estructura no sobrepase los estados límites mencionados, pero como es imposible conseguir riesgo cero en la práctica, el diseñador se debe conformar con una probabilidad adecuada. Para poder conseguirla se debe basar en métodos estadísticos, que se denominan “Métodos de Confiabilidad de momentos de primer orden-segundo orden” para no sobrepasar la resistencia de los elementos, que es lo que más preocupa al diseñador. Aceptando los criterios de base estadística en los que se basa este nuevo método, se puede expresar el requerimiento de seguridad estructural como sigue:

Rn ≥ ∑ i Qi φ γ La parte izquierda de la inecuación representa la resistencia del componente o sistema, y la parte derecha representa la carga máxima esperada. La resistencia nominal Rn es reducida por un factor menor que la unidad (factor de resistencia) para obtener la “Resistencia de Diseño”. Al otro lado de la inecuación, las cargas son amplificadas por sus respectivos factores de mayoración γi para tener las cargas factorizadas. Durante la última década ha ganado terreno en USA la adopción de la filosofía de diseño AISC-Diseño por Factores de Carga y Resistencia (AISC-LRFD), en especial para el caso de las estructuras de acero, desde la divulgación de las Especificaciones AISC-86 correspondientes y que están basadas en los siguientes criterios: a) Un modelo basado en probabilidades. b) Calibración de los resultados con los que se obtiene en el método ASD, con el objeto que las estructuras no sean muy diferentes entre ambos métodos. Algunas de las ventajas de este procedimiento son: 1. Es una herramienta adicional para que el diseñador no difiera en su concepto de solución que emplea en diseño de concreto armado, por ejemplo. 2. LRFD aparece más racional y por lo tanto se acerca más a la realidad de lo que ocurre en la vida útil de la estructura. 3. El uso de varias combinaciones de

cargas conduce a economía de la solución, porque se acerca con más exactitud a lo que ocurra. 4. Facilita el ingreso de las bases de diseño conforme más información esté disponible. 5. Es posible introducir algunos cambios en los factores γi o φ cuando se conoce con mayor exactitud la naturaleza de las cargas. Esto tiene importancia cuando existen cargas no usuales, o mejor conocimiento de la resistencia. 16 6. Futuros ajustes y calibraciones serán más fáciles de hacer. Método de Diseño por Tensiones Admisibles (Allowable Stress Design, ASD)

Bajo este criterio se diseña de manera tal que las tensiones calculadas por efectos de las

cargas de servicio no superen los valores máximos en las especificaciones.

Método de diseño que trabaja en función de las Tensiones Admisibles.

Las tensiones admisibles son una fracción de las tensiones cedentes del material.

Basado en el análisis elástico de las estructuras: los miembros deben ser diseñados

para comportarse elásticamente.

Fi :son las tensiones elásticas calculadas para cada caso de carga.

Fadmisible = Fy / FS : FS = Factor de seguridad y Fy es la tensión cedente del material.

Load and Resistance Factor Design, LRFD

Bajo este criterio los procedimientos de análisis y diseño son los de la teoría plástica o

una combinación de análisis elástico con diseño plástico.

Método de diseño por Estados Límites.

Es consistente con el método de diseño para concreto reforzado ACI-318.

Considera un procedimiento probabilístico.

Provee un nivel más uniforme de confiabilidad.

Resistencia

nominal o de

agotamiento

Solicitaciones de servicio

previstas

es un factor, normalmente menor que 1, que toma en cuenta la incertidumbre en la

determinación de la resistencia nominal, incluye la variabilidad en la calidad de los

materiales y en las dimensiones previstas, errores de construcción, idealizaciones de los

modelos matemáticos, limitaciones en la teoría de análisis y diseño.

es un factor, normalmente mayor que 1, que toma en cuenta la incertidumbre en la

determinación del sistema de cargas nominales Qi. Incluye la variabilidad del sistema de

las cargas, modificaciones en el uso de la estructura, variación en los pesos unitarios, etc.

= factor de carga que afecta a las cargas de servicio.

Ventajas de Usar la Formulación AISC-LRFD

DEMANDAS SOBRE LA

ESTRUCTURA DE

CAPACIDADES

SUMINISTRADAS A LA

ESTRUCTURA DE

Rigidez

Resistencia

Estabilidad

Capacidad de absorción

Disipación de energía

Rigidez

Resistencia

Estabilidad

Capacidad de absorción

Disipación de energía

FORMULAS DEL AISC-LRFD,PARA EL DIMENSIONAMIENTOS DE

VIGAS -COLUMNAS

Bajo este criterio se diseña de manera tal que las tensiones calculadas por efectos de las

cargas de servicio no superen los valores máximos en las especificaciones.

Método de diseño que trabaja en función de las Tensiones Admisibles.

Las tensiones admisibles son una fracción de las tensiones cedentes del material.

Basado en el análisis elástico de las estructuras: los miembros deben ser diseñados

para comportarse elásticamente.

Fi :son las tensiones elásticas calculadas para cada caso de carga.

Fadmisible = Fy / FS : FS = Factor de seguridad y Fy es la tensión cedente del material.

Load and Resistance Factor Design, LRFD

Bajo este criterio los procedimientos de análisis y diseño son los de la teoría plástica o

una combinación de análisis elástico con diseño plástico.

Método de diseño por Estados Límites.

Es consistente con el método de diseño para concreto reforzado ACI-318.

Considera un procedimiento probabilístico.

Provee un nivel más uniforme de confiabilidad.

Resistencia

nominal o de

agotamiento

Solicitaciones de servicio

previstas

es un factor, normalmente menor que 1, que toma en cuenta la incertidumbre en la

determinación de la resistencia nominal, incluye la variabilidad en la calidad de los

materiales y en las dimensiones previstas, errores de construcción, idealizaciones de los

modelos matemáticos, limitaciones en la teoría de análisis y diseño.

es un factor, normalmente mayor que 1, que toma en cuenta la incertidumbre en la

determinación del sistema de cargas nominales Qi. Incluye la variabilidad del sistema de

las cargas, modificaciones en el uso de la estructura, variación en los pesos unitarios, etc.

= factor de carga que afecta a las cargas de servicio.

Ventajas de Usar la Formulación AISC-LRFD

DEMANDAS SOBRE LA

ESTRUCTURA DE

CAPACIDADES

SUMINISTRADAS A LA

ESTRUCTURA DE

Rigidez

Resistencia

Estabilidad

Capacidad de absorción

Disipación de energía

Rigidez

Resistencia

Estabilidad

Capacidad de absorción

Disipación de energía

UNIDAD VI: DISEÑO DE CONEXIONES

Las conexiones o juntas, permiten unir dos o más elementos. Es común el diseño de uniones en los miembros de una armadura, o de vigas y columnas para configurar un pórtico. También se unen diversos elementos planos, para construir recipientes de almacenamiento, o se unen piezas para construir elementos de máquinas. Las conexiones se clasifican en remachadas, atornilladas, y soldadas.

Las uniones con remaches y tornillos, fallan de la siguiente manera:

Falla por cortante. Falla por apoyo. Falla por aplastamiento. Desprendimiento del extremo.

Las uniones con soldadura, fallan de la siguiente manera:

Falla por cortante. Falla por fractura del material base.

El comportamiento y tipo de las conexiones es usualmente definida por la relación momento-rotación, Figura 1. El código AISC clasifica las conexiones dependiendo de su relación momento-rotación. La terminología es la siguiente:

CONEXIONES SIMPLES

Las conexiones simples o de corte en vigas o enrejados deben ser diseñadas como flexibles y se permite dimensionarlas solamente para reacciones de corte, excepto que se indique lo contrario en los documentos de diseño. Las conexiones flexibles de vigas deben ser capaces de acomodar las rotaciones de los extremos de las vigas calculadas como simplemente apoyados (no restringidas) como lo muestra la Figura 2. Para lograr lo anterior se permiten deformaciones inelásticas, pero auto limitadas, de la conexión.

CONEXIONES RÍGIDAS (FR)

Las conexiones de momento completamente restringidas son conexiones que en los extremos empotrados de vigas y enrejados deben ser diseñadas para el efecto combinado de fuerzas de momento y de corte inducidos por la rigidez de las conexiones. Este tipo de conexiones posee suficiente resistencia y rigidez para mantener el ángulo constante entre los miembros conectados durante la aplicación de las cargas como lo muestra la Figura 4. Mientras las conexiones consideradas como totalmente rígidas raramente proporcionan una rotación cero entre los miembros, esta flexibilidad presente es comúnmente ignorada y la conexión es idealizada para prevenir la rotación relativa. Las conexiones A, B y C de la figura 3 ilustran lo indicado.

CONEXIONES SEMI-RÍGIDAS (PR)

Las conexiones de momento parcialmente restringido, como se muestra en la figura 6, poseen un ángulo intermedio entre la flexibilidad de la conexión simple o de corte y la rigidez total de la conexión de momento FR. Las conexiones de momento PR son permitidas sobre la evidencia de que las conexiones a usar son capaces de proporcionar, como mínimo, un previsible porcentaje de empotramiento.

1) DISEÑO DE CONEXIONES EMPERNADAS Y REMACHADAS

CONEXIONES REMACHADAS

El proceso de remachado en caliente fue muy usado en las estructuras de acero, sin embargo, debido a la dificultad en la instalación, al uso cada vez más frecuente de la soldadura de tornillos de alta resistencia hoy en día, se ha descontinuado este proceso por completo. Sin embargo, como puede ocurrir que el ingeniero calculista tenga la necesidad de revisar y reforzar una estructura existente fabricada con remaches para nuevas cargas.

Por muchos años las uniones remachadas fueron el método generalmente aceptado en la conexión de elementos de acero. La gran ventaja de los remaches es que permiten realizar juntas rígidas, lo que no se logra con pernos de resistencia normal, sin embargo, desde mediados del siglo XX, el uso de los remaches fue declinado rápidamente, debido al desarrollo de la soldadura y de los pernos de alta resistencia, elementos de conexión con los cuales se logra la misma rigidez que con los remaches, pero con costos y tiempos de instalación menores.

Los remaches son elementos de sección transversal circular, manufacturados con acero dúctil. Tienen una cabeza de cada extremo, una de las cuales se fabrica después de colocarlos en su lugar, operación que se puede realizar en caliente o frio, siendo el primera de los sistemas el más empleado, debido a que formar la cabeza en frio requiere de la aplicación de grandes presiones. El proceso en caliente, es entonces su proceso de forja. El uso de los remaches, se ve limitado precisamente por el equipo necesario para su instalación, y particularmente por la inconveniencia de usarlo en campo.

Figura 1: Uniones remachadas

Un roblón o remache es un elemento de fijación que se emplea para unir de forma permanente dos o más piezas. Consiste en un tubo cilíndrico (el vástago) que en su fin dispone de una cabeza. Las cabezas tienen un diámetro mayor que el resto del remache, para que así al introducir éste en un agujero pueda ser encajado. El uso que se le da es para unir dos piezas distintas, sean o no del mismo material.

Aunque se trata de uno de los métodos de unión más antiguos que hay, hoy en día su importancia como técnica de montaje es mayor que nunca. Esto es debido, en parte, por el desarrollo de técnicas de automatización que consiguen abaratar el proceso de unión. Los campos en los que más se usa el remachado como método de fijación son: automotriz, electrodomésticos, muebles, hardware, industria militar, metales laminados, entre otros muchos.

Existe un pequeño matiz diferenciativo entre un roblón y un remache. Los roblones están constituidos por una sola pieza o componente, mientras que los remaches pueden estar constituidos por más de una pieza o componente. Es común denominar a los roblones también remaches, aunque la correcta definición de roblón es para los elementos de unión constituidos por un único elemento.

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.

REMACHES

Remaches de compresión

Remaches ciegos

Remache ciego con mandril de estiramiento

Con pasador guiado

Roscados

Expandidos químicamente

CONEXIONES EMPERNADAS

Las uniones empernadas son en general las más económicas, particularmente comparadas con las uniones soldadas en campo. Los pernos son piezas compuestas por un vástago roscado en parte de su longitud, para recibir una tuerca, y una cabeza normalmente de forma hexagonal.

De acuerdo con ASTM, los pernos usados en juntas estructurales están incluidos en las siguientes tres calidades: A307, A325 y A490. En Colombia estas calidades no son de uso muy frecuente, se usan unos pernos clasificados de acuerdo con la norma ISO como Grado 2, grado 5, y grado 8, los cuales, si bien tienen una resistencia al corte similar a los ASTM A307, A325, A490, respectivamente, no tienen las mismas dimensiones de cabeza y tuerca, y por lo tanto no deben usarse remplazando a los ASTM, salvo que la única solicitación en ellos sea una fuerza cortante, pero no en juntas por deslizamiento crítico, ni cuando hay más carga de pretensionamiento en los pernos, o estos deban transmitir fuerzas de tensión.

Los pernos A307 son los más usados, a veces se les denomina pernos comunes o perno de hierro (denominación errada, pues son de acero). Los A325 y A490 se denominan de alta resistencia, y se fabrican bajo pedido. Los pernos A307, normalmente no se aprietan con un torque específico, simplemente, apretando la tuerca hasta que se sienta una resistencia al giro alta cuando se usa una llave de apriete corriente. Por su parte, los pernos de lata resistencia si suelen apretarse induciendo en los mismos una carga de tensión alta, qué es en general igual a 70% de la carga de falla.

Las conexiones apernadas presentan ciertas características que las hacen más o menos apropiadas dependiendo de la aplicación. Las principales ventajas de las conexiones apernadas están en la

rapidez de ejecución, el bajo nivel de calificación requerido para construirlas, la facilidad de inspección y reemplazo de partes dañadas y la mayor calidad que se obtiene al hacerlas en obra comparadas con conexiones soldadas. Entre las desventajas se pueden mencionar el mayor trabajo requerido en taller, lo que puede significar un costo más alto: el mayor cuidado requerido en la elaboración de los detalles de conexión para evitar errores en la fabricación y montaje; la mayor precisión requerida en la geometría, para evitar interferencias entre conectores en distintos planos; el peso mayor de la estructura, debido a los miembros de conexión y los conectores y, el menor amortiguamiento.

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 fue tratada en el tema anterior. La otra es por medio de pasadores, como remaches o pernos. En este tema trataremos principalmente sobre pernos, en particular, pernos de alta resistencia.

PERNOS DE ALTA RESISTENCIA

Los dos tipos básicos de pernos de alta resistencia son designados por ASTM como A325 y A490. Estos pernos tienen cabeza hexagonal y se usan con tuercas hexagonales no terminadas. Pernos A325 son de acero con mediano contenido de carbono, tratados al calor, su esfuerzo a la fluencia varía aproximadamente entre 5700 a 6470 kg/cm2, dependiendo del diámetro.

Los pernos A490 son también tratados al calor, pero son de acero aleado con un esfuerzo de fluencia de 8085 a 9140 kg/cm2, dependiendo del diámetro. Los pernos A449 son usados ocasionalmente cuando se necesitan diámetros mayores de 1½" hasta 3".

Los pernos de alta resistencia tienen diámetros entre ½" a 1½". Los diámetros más usados en construcción de edificios son 3/4" y 7/8", mientras los tamaños más comunes en diseño de puentes son 7/8" y 1".

Comparación entre los distintos grados de pernos hexagonales para uso estructural, a Tracción Directa

Los pernos A307 son hechos de acero de baja resistencia (acero con bajo contenido de carbono) y son los pernos más baratos, sin embargo, producen las conexiones más costosas porque se requerirán muchos más para una conexión en particular. Su uso principal es en estructuras livianas, secundarias, miembros de arriostra miento u otras situaciones donde las cargas son pequeñas y estáticas por naturaleza. Estos pernos generalmente vienen con cabeza y tuerca cuadradas y se conocen como pernos comunes

La capacidad resistente al corte está controlada por el área resistente más que por la ubicación misma del plano de corte. Cuando el plano de corte pasa por el cuerpo del perno, la capacidad resistente y de deformación se maximiza y cuando pasa por la parte roscada se minimiza.

Las gráficas son por demás elocuentes sobre la prohibición del re-uso de los pernos A490 y al cuidado en la re-utilización de los pernos A325

Los pernos de alta resistencia se aprietan para que desarrollen un esfuerzo a tracción especificado, lo que resulta en una fuerza sujetadora predecible en la junta. Por lo tanto, la transferencia de cargas de servicio a través de una junta es debida a la fricción entre las piezas que se unen. Las juntas formadas por pernos de alta resistencia se pueden diseñar de dos maneras:

Conexiones críticas a deslizamiento (tipo de fricción), donde se desea una alta resistencia a deslizamiento bajo cargas de servicio.

Conexiones tipo aplastamiento, donde no es necesaria una alta resistencia a deslizamiento bajo cargas de servicio.

Fuerzas presentes en una unión resistente al deslizamiento.

El deslizamiento entre las partes conectadas de una unión sólo se obtiene cuando el vástago del perno toma contacto con el borde de la perforación. En este estado de deslizamiento total, la carga es transferida por corte y aplastamiento sin la intervención del pre tracción del perno.

Inicialmente, la tensión está concentrada en el punto de contacto, pero el incremento de la carga resultará en una distribución más uniforme. El perno mismo también soporta esta tensión, pero usualmente no se considera ya que por evidencia experimental la falla por aplastamiento solo puede ocurrir cuando las planchas sean de acero de mayor dureza que la del perno, cosa que normalmente no ocurre.

Los modos de falla por aplastamiento dependen de factores geométricos, del diámetro del perno y del espesor del material a unir. A menudo la falla se produce por corte o desgarramiento de la plancha después de una gran deformación frente a la perforación.

POSIBLES MODO DE FALLA EN UNIONES EMPERNADAS

Para prevenir que uno o más de los modos posibles de falla se hagan presente, se debe proveer un número adecuado de pernos, con las separaciones entre conectores, distancias a los bordes, longitudes de pernos y demás exigencias geométricas recomendadas por las Especificaciones; todo ello presuponiendo que tanto el proceso de fabricación como el de montaje satisfacen lo requerimientos de calidad.

RESISTENCIA NOMINAL DE PERNOS INDIVIDUALES

La norma AISC reconoce dos categorías generales de requerimientos de comportamiento para conexiones con pernos de alta resistencia: conexiones críticas al deslizamiento y conexiones tipo aplastamiento. La diferencia básica entre los dos tipos es la hipótesis de deslizamiento que ocurre bajo cargas de servicio, lo que resulta en el uso de valores de resistencia nominal diferentes.

El tipo de conexión crítica al deslizamiento asume que no debe existir deslizamiento bajo condiciones de cargas de servicio y que la transferencia de la carga a través de la conexión se realiza mediante las fuerzas de agarre generadas entre las placas que se conectan. Este tipo de conexión es principalmente usada en estructuras que tienen casos con cargas altas de impacto o cuando no se desea deslizamiento en la junta.

Las conexiones tipo aplastamiento asumen deslizamiento solamente bajo cargas muy altas. Si este deslizamiento ocurre la junta transferirá las cargas a través de corte en los pernos y aplastamiento de las placas. Este tipo de conexión es usada para estructuras menos susceptibles a impacto, reversiones de carga o vibraciones.

La resistencia de diseño de pernos individuales es determinada de acuerdo con la sección J3 de la norma LRFD. Los estados límites a revisar son:

Para conexiones tipo aplastamiento:

Pernos sometidos a corte, la resistencia a corte del perno y la resistencia al aplastamiento de los agujeros de los pernos.

Pernos sometidos a tracción, resistencia a tracción del perno. Pernos sometidos a corte y tracción, resistencia a la tracción del perno incluyendo el efecto

del corte presente y la resistencia al aplastamiento del agujero.

Para conexiones críticas al deslizamiento:

Pernos sometidos a corte, resistencia al deslizamiento, resistencia a corte del perno y resistencia al aplastamiento del agujero.

Pernos sometidos a corte y tracción combinados, resistencia al deslizamiento incluyendo el efecto de la fuerza presente a tracción, resistencia a corte de los pernos y resistencia al aplastamiento en los agujeros.

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE CONEXIONES EMPERNADAS

1. Determinar el número de pernos y/o verificar su capacidad resistente

La capacidad de los pernos, según el caso, será el valor menor que se obtenga por:

Tracción. Corte. Corte y Tracción simultáneas. Cargas aplicadas excéntricamente.

2. Disposición de los pernos en la conexión

El detallado de la conexión puede modificar su capacidad resistente, en consecuencia se debe prestar atención a los siguientes aspectos:

Separación entre pernos. Distancia de los agujeros a los bordes. Distancias que permitan colocar y apretar los pernos. Longitudes de prensado.

3. Verificación del diseño de la conexión

3.1. Capacidad Resistente de los elementos conectados.

Bloque de corte

Tracción

Cedencia en la sección total

Rotura en la sección efectiva

Corte

Cedencia en la sección total

Rotura en la sección neta de corte

3.2. Capacidad de los pernos.

Resistencia de aplastamiento. Efecto de apalancamiento.

En el caso de conexiones de deslizamiento crítico se debe hacer una doble verificación.

No debe producirse deslizamiento bajo cargas de servicio.

La resistencia al corte y al aplastamiento de la conexión debe ser mayor que las solicitaciones generadas por las cargas mayoradas.

2) TIPOS DE CONEXIONES DE ACUERDO EL AISC Traslapadas A tope A cortante múltiple Por tensión

3) ASUMPCIONES BASICAS EN EL COMPORTAMIENTO DE UNA JUNTA REMACHADA O EMPERNADA.

4) CLASIFICACION DE LOS REMACHES SEGÚN ASTM

Se llama remache a una pieza de sección transversal circular de acero dúctil forjado

en el sitio para unir entre sí varias piezas de acero. El remache se fabrica con una

cabeza especial, que se denomina cabeza manufacturada, instalada mediante una

pistola remachadora la cual forma otra cabeza, durante la instalación. El proceso

completo se llama remachado.

El remachado es esencialmente un proceso de forja, que se ha desarrollado partiendo

de un proceso de martillado a mano hasta llegar al método actual de colocación a

máquina.

El proceso de remachado pude ser realizado en caliente, normalmente para obras

pequeñas realizadas en taller, o para remaches grandes (más de 1”) , o puede

realizarse en frio, para remachados en campo (remaches de ½” a 7/8”). Inicialmente

la cabeza de los remaches se conseguía a golpe de martillo, actualmente toda esta

simplificado por el uso de maquinaria especial.

Para realizar el remachado primero se perfora la chapa a unir, se coloca el remache

(frio o caliente) en la perforación y se conforma la otra cabeza, tal como se muestra

en la figura de abajo.

Aceros generales (A-36)

Aceros estructurales de carbono (A-529)

-b.1 Bajo contenido de carbono (<0.15 %)

-b.2 Dulce al carbono (0.15 – 0.29 %)

-b.3 Medio al carbono (0.30 – 0.59 %)

-b.4 Alto contenido de carbono (0.6 – 1.7 %)

Aceros estructurales de alta resistencia y baja aleacio n (Mo, V y Cr), (A-441 y A-572) aleacio n al 5

%.

Aceros estructurales de alta resistencia y baja aleacio n, resistentes a la corrosio n atmosfe rica (A-

242, A-588).

Acero templado y revenido (A-514).

TIPOS DE REMACHES

Se puede clasificar los remaches por dos categorías:

a. Por el tipo de carga que resisten.

b. Por la forma del remache.

Por el tipo de carga se tienen remaches a carga axial, y remaches a carga excéntrica,

siendo que por la forma se encuentra remaches de cabeza semiesférica, cabeza

avellanada, remaches huecos y remaches de cabeza de hongo.

Siendo que en el diseño mecánico se encuentran más los de cabeza semiesférica se

prestara especial atención en ellos.

Los remaches de cabeza de hongo se utilizan para unir chapas muy delgadas,

mientras que los remaches huecos además de unir chapas delgadas pueden ser

utilizados para cuero, cartón u otros. En las figuras siguientes se muestran las formas

típicas de los remaches.

Las normas para el diseño de remaches están desarrolladas tanto por la AISC, la

ASME, la ASTM, dentro las normas americanas, debiendo revisar la norma para

realizar un diseño que amerite bastantes detalle. De acuerdo a esta, se recomienda

los siguientes materiales para los remaches:

ACERO ESTRUCTURAL ASTM A141

ACERO DE ALTA RESISTENCIA ASTM A195 o A502

En la norma DIN, se puede revisar los códigos DIN 660, DIN 124 y DIN 123.

5) TIPOS DE FALLA Por tensión en placas Por cortante Por aplastamiento Por desgarramiento

En una unión simple, pueden fallar tanto las piezas (ya sea platinas o perfiles) como el conector, razón por la cual, en el diseño se deben prevenir todas las fallas que se pueden presentar.

Cuando las piezas se encuentran solicitadas por esfuerzos axiales de tensión, la conexión puede fallar por tensión, debido a los esfuerzos que se presentan en las superficies de contacto entre el conector y la pieza; por desgarramiento, cuando el conector está muy cerca del borde de la placa y por bloque de cortante, que se presenta cuando parte de la pieza falla por tensión y la otra por cortante.

Los conectores por su parte, pueden fallar por corte o por aplastamiento, aun cuando este último tipo de falla no es común debido a que el acero de los conectores tiene mayor resistencia que el de las piezas.

Cuando los esfuerzos son de compresión puede existir en la conexión, aplastamiento tanto en el conector como en las piezas y corte en el conector.

Falla por tensión

En el diseño de un elemento solicitado a tensión debe verificar el estado límite de fluencia para prevenir el alargamiento excesivo del miembro de área total y el estado límite de rotura para prevenir la fractura de la sección con el área neta efectiva. La razón por la cual, se verifica la fluencia en caso con fractura.

Para un elemento de 2m de longitud de acero A36 el esfuerzo de fluencias es de Fy= 25.3 k/mm2 y la deformación unitaria en el momento de la rotura es del orden de

0.24, por tanto:

Mientras que la deformación total antes de rotura es:

Deformación que es desde todo punto de vista inadmisible.

Cuando consideramos la porción de longitud total ocupada por los huecos, la

deformación total en el momento de la rotura es de apenas razón por la cual el estado límite es de rotura de área neta.

Para una pieza de acero solicitada a tensión, cuando los puntos adyacentes a la perforación (las que tiene mayores esfuerzos), llegan a tener esfuerzos iguales a los de la fluencia del material y aplicamos un incremento de carga, no representa un incremento de esfuerzos en esto puntos pero si el resto de la pieza (ya que a partir de fluencia, el acero se deforma sin incremento de esfuerzos).

Falla por cortante La falla por cortante en una pieza conectada, se presenta cuando la trayectoria de la falla es tal, que hay un plano que falla por tension y otro que falla por corte.

Es de suponer que al caragar una pieza, los dos planos, (plano de tension y plano de corte) no esten esforzados en igual cantidad, si no que tengan mayores esfuerzos en igual cantidad, sino que tengan mayores esfuerzo. Debido a la ductilidad del acero,

cuand se llega al esfuerzo de fluencia en el mas reforzado, el acero sigue deformandose de acuerdo a su diagrama efuerzo- deformacion, mientras que el otro plno resiste mas carga, hasta que llega a fluencia.

Falla por aplastamiento

La falla por aplastamiento ocurre por la presencia de esfuerzos de compresión entre el conector y la perforación. La resistencia nominal se encuentra con el área proyectada A= d*t. La constante tiene en cuenta que el área de contacto es mayor a la proyección y, adicionalmente tiene en cuenta la variación de esfuerzos de contacto.

En las conexiones por aplastamiento, cuando los conectores entran en contacto con las piezas, se producen esfuerzos de compresión tanto en las piezas como en el conector.

Si los esfuerzos son muy altos en la o las piezas, el agujero se deforma, gradual y progresivamente, produciéndose un aumento permanente en el tamaño de perforación en el sentido de la carga. Realmente este aumento de tamaño de perforación, es el que tiene en cuenta en el diseño de la conexión, ya que ni en los conectores, ni en el metal fallan realmente por los esfuerzos de aplastamiento, sino que al existir una deformación longitudinal de la perforación, la unión deja de ser funcional y afecta la resistencia de la estructura.

Falla por desgarramiento

La pieza conectada puede fallar por aplastamiento, como se explicó en el parágrafo anterior, o por corte entre conectores o entre el conector más cercano al extremo y el borde, falla conocida como desgarramiento.

Para evitar la falla por corte entre conectores se debe tener una distancia mínima entre estos que garantice que la falla por corte no se presente, teniendo en cuenta el área a corte.

Es común, que se presenta falla por desgarramiento, como se le muestra en la figura, donde el área resistencia a este corte es aproximadamente igual a dos veces la distancia entre el conector y el borde, multiplicado por el espesor.

Sin embargo, en piezas delgadas, la falla por corte entre el conector y el extremo, se puede presentar, como se ilustra en la figura, razón por la cual e área resistente es la mitad de área resistente en el caso interior.

6. ESFUERZO PERMISIBLE PARA REMACHES A502 GRADO 1 Y A502 GRADO 2

ASTM A502 Remaches de acero estructural; esta especificación incluye tres grados:

Grado 1 Remaches de acero al carbón para uso general;

Grado 2 Remaches de acero al carbono–manganeso, para uso con aceros; y

Grado 3 Semejante al Grado 2, pero con resistencia a la corrosión mejorada. La certificación del fabricante constituye evidencia suficiente de conformidad con la norma.

Tabla 5.7 Resistencia de diseño de remaches, tornillos y barras roscadas

Elementos de unión

Resistencia en tensión Resistencia al cortante en

conexiones por aplastamiento

Factor de resistencia,

FR

Resistencia nominal, MPa

(kg/cm²)

Factor de resistencia,

FR

Resistencia nominal, MPa

(kg/cm²)

Tornillos A307

0.75

310 (3160) (1)

0.75

165 (1690) (2,

3)

Tornillos A325, cuando la rosca no está fuera de los planos de corte

620 (6330) 330 (3380)

(3)

Tornillos A325, cuando la rosca está fuera de los planos de corte

620 (6330) 414 (4220)

(3)

Tornillos A490, cuando la rosca no está fuera de los planos de corte

775 (7900) 414 (4220)

(3)

Tornillos A490, cuando la rosca está fuera de los planos de corte

775 (7900) 518 (5280)

(3)

Partes roscadas, cuando la rosca no está fuera de los planos de corte

0.75Fu (1) 0.4Fu (1)

Partes roscadas, cuando la rosca está fuera de los planos de corte

0.75Fu (1) 0.5Fu (1)

Remaches A502, grado 1, colocados en caliente

310 (3160) (1)

172 (1760) (3)

Remaches A502, grados 2 y 3, colocados en caliente

412 (4200) (1)

228 (2320) (3)

1 Carga estática únicamente. 2 Se permite que la rosca esté en los planos de corte.

3 Cuando para unir miembros en tensión se empleen conexiones por aplastamiento con tornillos o remaches colocados en una longitud, medida paralelamente a la dirección de la fuerza, mayor que 1.25 m, los valores tabulados se reducirán en 20 por ciento.

7. ESFUERZOS PERMISIBLES POR TENSIÓN PARA CONEXIONES POR APLASTAMIENTO

Tensión o cortante

La resistencia de diseño de remaches, tornillos y barras roscadas que trabajen en tensión o cortante es igual al producto del factor de resistencia, FR , por el área nominal de la sección transversal de la parte de vástago no roscada, Ab , y por la resistencia nominal que corresponde a esta parte del vástago, Fn .

Tabla 5.8 Tamaños máximos de agujeros para remaches y tornillos 1

Diámetro nominal

del remache

o tornillo,

d

Dimensiones de los Agujeros

Estándar (Diámetr

o)

Sobredimensionados 2 (Diámetro)

Alargados Cortos 2 (Ancho Longitud)

Alargados Largos 2 (Ancho Longitud)

mm pulg.

mm pulg

. mm pulg. mm pulg. mm pulg.

12.7

1/2 14.3

9/16 15.9 5/8 14.3 17.5 9/16 11/16 14.3 31.8 9/16 1 1/4

15.9

5/8 17.5

11/16 20.6 13/16 17.5 22.2 11/16 7/8 17.5 39.7 11/16 1 9/16

19.1

3/4 20.6

13/16 23.8 15/16 20.6 25.4 13/16 1 20.6 47.6 13/16 1 7/8

22.2

7/8 23.8

15/16 27.0 1

1/16 23.8 28.6 1 5/16 1 1/8 23.8 55.6 15/16 2 3/16

25.4

1 27.0

1 1/16

31.8 1 1/4 27.0 33.3 1 1/16 1 5/16 27.0 63.5 1 1/16 2 1/2

28.6

1 1/8

d +1.5

d +1/1

6

d +7.9

d +5/16

(d+1.5)(d+9.5)

(d+1/16)(d+3/8)

(d+1.5)(2.5d)

(d+1/16)(2.5d)

1 Los tamaños son nominales. 2 No se permiten en conexiones remachadas.

Tabla 5.9 Distancia mínima del centro de un agujero estándar1 al borde de la parte conectada2

Diámetro nominal del remache o tornillo

Bordes cortados con cizalla Bordes laminados de perfiles,

placas o soleras, o bordes cortados con soplete 3

mm pulg. mm pulg. mm pulg.

12.7 1/2 22.2 7/8 19.1 3/4

15.9 5/8 28.6 1 1/8 22.2 7/8

19.1 3/4 31.8 1 1/4 25.4 1

22.2 7/8 38.1 1 1/2 (4) 28.6 1 1/8

25.4 1 44.5 1 3/4 (4) 31.8 1 1/4

28.6 1 1/8 50.8 2 38.1 1 1/2

31.8 1 1/4 57.2 2 1/4 41.3 1 5/8

mayor que 31.8

mayor que 1 1/4

1.75 Diámetro 1.25 Diámetro

1 Pueden utilizarse distancias menores si se satisfacen las ecuaciones pertinentes de la sección 5.3.13. 2 Para agujeros sobredimensionados o alargados los valores de esta tabla se incrementarán en las cantidades C1 dadas en la tabla 5.12. 3 Todas las distancias al borde de esta columna pueden reducirse en 3 mm ( 1/8 pulg.) cuando el agujero está en un punto en el que los esfuerzos no exceden del 25 por ciento del esfuerzo máximo permisible en el elemento. 4 Pueden reducirse a 31.8 mm (1 1/4 pulg.) en los extremos de ángulos y placas de cortante de conexión de vigas.

R = FR Ab Fn (5.3)

Los factores de resistencia y las resistencias nominales a la tensión o al cortante son los de la tabla 5.7. Los tornillos de alta resistencia que trabajen en tensión directa se dimensionarán de manera que la fuerza de tensión de diseño, calculada sin incluir la producida por el apriete inicial, cuando lo haya, no exceda la resistencia de diseño. La fuerza en el tornillo se tomará igual a la suma de la producida por las fuerzas externas factorizadas, más la tensión que pueda resultar de la acción de palanca ocasionada por la deformación de las partes conectadas. Si la conexión está sujeta a cargas repetidas, deben evitarse las fuerzas por acción de palanca, y los tornillos han de pretensionarse. El esfuerzo mínimo especificado de ruptura en tensión, Fu , de los tornillos de alta resistencia, se da en la sección 1.3.3, y se repite aquí.

a) Tornillos A325 de diámetro no mayor de 25 mm (1 pulg.); Fu = 830 MPa (8 440 kg/cm²);

b) Tornillos A325 de diámetro mayor de 25 mm (1 pulg.); Fu = 725 MPa (7 380 kg/cm²); y

c) Tornillos A490, de cualquier diámetro Fu = 1 035 MPa (10 550 kg/cm²).

5.3.10 Tensión y cortante combinados en conexiones por aplastamiento

Los tornillos y remaches sujetos a tensión y cortante combinados se dimensionan de manera que la fuerza de tensión de diseño no sea mayor que la resistencia de diseño, FR Ft Ab , donde FR se toma igual a 0.75, y el esfuerzo nominal de tensión Ft se determina con las ecuaciones de la tabla 5.10, en función de fv , esfuerzo cortante producido por las cargas de diseño. fv no debe exceder el valor FR Fv dado en la tabla 5.7. 5.3.11 Tornillos de alta resistencia en juntas que trabajan por fricción

El diseño por cortante de tornillos de alta resistencia en juntas que no deben deslizar se hace de acuerdo con el inciso 5.3.11.a ó 5.3.11.b, y se revisa por cortante de acuerdo con la sección 5.3.9 ó 5.3.10, y por aplastamiento según las secciones 5.3.4 y 5.3.13. a) Conexiones de deslizamiento crítico diseñadas bajo cargas de diseño (factorizadas) La resistencia de diseño al deslizamiento por tornillo, FR rstr , debe ser igual o mayor que la resistencia requerida por tornillo, debida a cargas factorizadas.

rstr = 1.13µTb Ns (5.4)

donde Tb tensión mínima por tornillos dada en la tabla 5.6;

NS número de planos de deslizamiento; y

coeficiente de deslizamiento medio; éste puede determinarse por medio de ensayes, o tomar los valores siguientes: 1) = 0.33, para superficies clase A (superficies de acero sin pintar, libres de escamas de laminado, o superficies con recubrimientos de clase A sobre acero limpiado con chorro de arena);

2) = 0.50, para superficies clase B (superficies de acero sin pintar, limpiadas con chorro de arena, o superficies con recubrimientos de clase B sobre acero limpiado con chorro de arena); o

3) = 0.35, para superficies clase C (galvanizadas con superficie rugosa). FR factor de resistencia que se toma igual a:

1) FR = 1.0, para agujeros estándar;

2) FR = 0.85, para agujeros sobredimensionados y alargados cortos;

3) FR = 0.70, para agujeros alargados largos transversales a la dirección de la carga; o

4) FR = 0.60, para agujeros alargados largos paralelos a la dirección de la carga b) Conexiones de deslizamiento crítico diseñadas bajo cargas de servicio

La resistencia de diseño al cortante por tornillo, FR Fv Ab , bajo cargas de servicio, debe ser igual o mayor que la fuerza cortante que producen esas cargas en cada tornillo. FR se toma igual a 1.0 para agujeros estándar, sobredimensionados, alargados cortos y alargados largos cuando el agujero alargado es perpendicular o paralelo a la línea de acción de la fuerza.

Fv es la resistencia nominal al cortante de tornillos en conexiones de deslizamiento crítico (tabla 5.11). Cuando la combinación de cargas incluye viento o sismo, además de las cargas muertas y vivas, la fuerza cortante en el tornillo, producida por las acciones de servicio combinadas, puede multiplicarse por 0.9. 5.3.12 Tensión y cortante combinados en conexiones por fricción

El diseño de conexiones de deslizamiento crítico sujetas a fuerzas de tensión se hará de acuerdo con los incisos 5.3.12.a y 5.3.11.a, o con los incisos 5.3.12.b y 5.3.11.b. a) Conexiones de deslizamiento crítico diseñadas bajo cargas factorizadas Cuando una conexión de deslizamiento crítico está sujeta a una fuerza de tensión Tu que reduce la fuerza de apriete, la resistencia FR rstr , calculada de acuerdo con el inciso 5.3.11.a, debe multiplicarse por el factor 1 –Tu / ( 1.13Tb Nb ), donde Tb es la pretensión mínima en el tornillo (tabla 5.6), y Nb es el número de tornillos que resisten la fuerza de tensión factorizada Tu .

Tabla 5.10 Esfuerzos de tensión nominales, Ft , para tornillos o remaches en juntas por aplastamiento, MPa (kg/cm²)

Descripción de los elementos de unión

La rosca está en el plano de corte

La rosca está fuera del plano de corte

Tornillos A307 410 – 2.5 fv 310

(4 150 – 2.5 fv 3 200)

Tornillos A325 804 – 2.5 fv 620

(8 200 – 2.5 fv 6 300) 804 – 2.0 fv 620

(8 200 – 2.0 fv 6 300)

Tornillos A490 1 010 – 2.5 fv 775

(10 300 – 2.5 fv 7 900) 1 010 – 2.0 fv 775

(10 300 – 2.0 fv 7 900)

Partes roscadas Tornillos A449 con diámetro

mayor que 38.1 mm (1 1/2 pulg.)

0.98Fu – 2.5 fv 0.75Fu 0.98Fu – 2.0 fv 0.75Fu

Remaches A502, Grado 1 407 – 2.4 fv 314

(4 150 – 2.4 fv 3 200)

Remaches A502, Grado 2 540 – 2.4 fv 412

(5 500 – 2.4 fv 4 200)

Tabla 5.11 Resistencia nominal al cortante, Fv , en MPa (kg/cm²), de tornillos en conexiones en las que el deslizamiento es critico 1, 2

Tipo de tornillo Agujeros estándar

Agujeros sobredimensionados y

alargados cortos

Agujeros alargados largos

Perpendiculares a la línea de acción de la

fuerza

Paralelos a la línea de acción de

la fuerza

A325 117 (1200) 103 (1050) 83 (840) 69 (700)

A490 145 (1480) 124 (1270) 103 (1050) 90 (915)

1 Los valores de la tabla están basados en superficies clase A con coeficiente de deslizamiento = 0.33. 2 Para cada plano de corte.

b) Conexiones de deslizamiento crítico diseñadas bajo cargas de servicio Cuando una conexión de deslizamiento crítico está sujeta a una fuerza de tensión T que reduce la fuerza de apriete, la resistencia al deslizamiento por tornillo, FR Fv Ab , calculada según el inciso 5.3.11.b, debe multiplicarse por el factor 1 –T / ( 0.8Tb Nb ), donde Tb se ha definido arriba, y Nb es el número de tornillos que resisten la fuerza de tensión de servicio T. Resistencia al aplastamiento en los agujeros para tornillos

La resistencia al aplastamiento en agujeros para tornillos es FR Rn , donde FR se toma igual a 0.75 y Rn es la resistencia nominal al aplastamiento del material conectado, que se calcula como se indica más adelante. La resistencia al aplastamiento debe revisarse en los dos tipos de conexiones con tornillos de alta resistencia, por aplastamiento y de deslizamiento crítico. Los agujeros sobredimensionados y alargados, cortos o largos, paralelos a la línea de fuerza, sólo pueden utilizarse en conexiones por fricción, de acuerdo con la sección 5.3.4.

Tabla 5.12 Valores del incremento de la distancia al borde, C1

Diámetro nominal

del tornillo, d

Agujeros sobre-dimen-

sionados

Agujeros alargados

Perpendiculares al borde

Para-lelos

al borde Cortos Largos1

mm pulg. mm pulg. mm pulg.

22.2

7/8 1.5 1/16 3.2 1/8

0.75d 0 25.4 1 3.2 1/8 3.2 1/8

28.6

11/8

3.2 1/8 4.8 3/16

1 Cuando la longitud del agujero es menor que la máxima permisible (ver tabla 5.8), C1 puede disminuirse en la mitad de la diferencia entre la longitud máxima permisible y la longitud real del agujero. En las ecuaciones siguientes: Lc distancia libre, en la dirección de la fuerza, entre el borde de un agujero y el borde del agujero adyacente o del material;

d diámetro nominal del tornillo;

Fu esfuerzo mínimo especificado de ruptura en tensión del material conectado; y

t grueso de la parte conectada crítica.

Rn se determina como sigue: a) Para un tornillo en una conexión con agujeros estándar, sobredimensionados o alargados cortos, independientemente de la dirección de la carga, o con agujeros alargados largos paralelos a la dirección de la fuerza de aplastamiento:

Si la deformación alrededor de los agujeros, bajo cargas de servicio, es una consideración de diseño,

Rn = 1.2Lc t Fu 2.4d t Fu (5.5)

Si no lo es

Rn = 1.5Lc t Fu 3.0d t Fu (5.6)

b) Para un tornillo en una conexión con agujeros alargados largos perpendiculares a la línea de fuerza,

Rn = 1.0Lc t Fu 2.0d t Fu (5.7)

La resistencia total al aplastamiento de una conexión es igual a la suma de las resistencias al aplastamiento de los tornillos individuales que hay en ella.

5.4 Resistencia de diseño de ruptura 5.4.1 Ruptura por cortante

La resistencia de diseño correspondiente al estado límite de ruptura a lo largo de una trayectoria de falla por cortante, en los elementos afectados de los miembros conectados, es igual a FR Fn Anc , donde FR se toma igual a 0.75, Fn = 0.60Fu , y Anc es el área neta de corte a lo largo de la trayectoria de falla. 5.4.2 Ruptura por tensión

La resistencia de diseño correspondiente al estado límite de ruptura a lo largo de una trayectoria de falla por tensión, en los elementos afectados de los miembros conectados, es igual a FR Fn Ant , donde FR se toma igual a 0.75, Fn = Fu , y Ant es el área neta sujeta a tensión.

5.4.3 Resistencia de ruptura en bloque por cortante y tensión

En el estado límite de ruptura en bloque por cortante y tensión la resistencia es igual a la suma de las resistencias de ruptura en una o más trayectorias de cortante y la resistencia a la ruptura en tensión en un segmento perpendicular a ellas. Debe revisarse en los extremos de vigas en los que se haya cortado un patín para conectarlas, y en situaciones similares, como conexiones de miembros en tensión y placas de nudo. Cuando se emplea la resistencia de ruptura en la sección neta para determinar la resistencia de un segmento, en el perpendicular a él se utiliza el esfuerzo de fluencia en la sección total.

La resistencia por ruptura del bloque por cortante y tensión, FR Rn , se determina como sigue: a) Si Fu Ant 0.60Fu Anc

FRRn=FR(0.6FyAtc+FuAnt) FR(0.6FuAnc+FuAnt)(5.8)

b) Si Fu Ant < 0.60Fu Anc

FRRn=FR(0.6FuAnc+FyAtt) FR(0.6FuAnc+FuAnt)(5.9)

donde FR se toma igual a 0.75; Att área total sujeta a tensión; Atc área total sujeta a cortante; Ant área neta sujeta a tensión; y Anc área neta sujeta a cortante.

5.5 Elementos de conexión Esta sección se aplica al diseño de elementos de conexión, como placas de nudo en armaduras, ángulos, ménsulas, y la zona común a los dos miembros en conexiones viga–columna. 5.5.1 Resistencia de diseño de elementos de conexión en tensión

La resistencia de diseño, FR Rn , de elementos de conexión cargados estáticamente en tensión (por ejemplo, placas de nudo y de empalme) soldada, atornillada o remachada, es el valor más pequeño de los correspondientes a los estados límite de flujo plástico o ruptura en tensión, o de ruptura en bloque de cortante. a) Cuando el elemento fluye en tensión, FR se toma igual a 0.9, Rn = At Fy ;

b) Cuando el elemento se fractura en tensión, FR se toma igual a 0.75, Rn = An Fu , donde An es el área neta, que no debe tomarse mayor que 0.85At , y

c) Para ruptura en bloque de cortante, ver la sección 5.4.3.

5.5.2 Otros elementos de conexión

Se determinará la resistencia de diseño, FR Rn , correspondiente al estado límite aplicable, que debe ser igual o mayor que la resistencia requerida. Rn es la resistencia nominal apropiada a la geometría y tipo de carga del elemento de conexión. Para flujo plástico por cortante,

RN = 0.60At Fy (5.10)

donde FR se toma igual a 0.9.

5.6 Empalmes Las uniones entre tramos de vigas y trabes armadas realizadas por medio de soldaduras de penetración deben desarrollar la resistencia completa de la menor de las secciones empalmadas. Si se usan otros elementos de unión, las conexiones deberán desarrollar, cuando menos, la resistencia requerida para transmitir las fuerzas existentes en la sección donde se haga el empalme.

5.7 Resistencia de diseño por aplastamiento La resistencia de diseño de superficies que transmiten fuerzas por aplastamiento de una en otra es FR Rn , donde FR se toma igual a 0.75 y Rn se define en seguida para varios casos.

a) Superficies cepilladas o con un acabado semejante. Para superficies cepilladas, pasadores en agujeros escariados o barrenados, y extremos ajustados de atiesadores de apoyo:

Rn = 1.8Fy Aa (5.11)

b) Rodillos o mecedoras en apoyos libre

Si d 600 mm

Rn = 1.2 ( Fy – 88) l d / 20 (5.12)

20)900(21 /dlF.R yn

Si d > 600 mm

Rn = 29.4( Fy – 88) l d /20 (5.13)

20)900(3.9 /dlFR yn

En las ecuaciones 5.11 a 5.13:

Fy menor de los esfuerzos de fluencia de los dos materiales en contacto, en MPa (kg/cm² en las expresiones en paréntesis);

Aa área de aplastamiento;

d diámetro del rodillo o la mecedora, en mm (cm en las expresiones en paréntesis); y

l longitud de aplastamiento, en mm (cm en las expresiones en paréntesis).

Rn se obtiene en N (kg en las expresiones en paréntesis).

Resistencia de las conexiones

5.8.4.1 Conexiones en cuyo diseño no interviene el sismo Cuando en el diseño no interviene el sismo, la resistencia de la conexión de cada viga debe ser suficiente para transmitir, como mínimo, 1.25 veces las acciones internas de diseño que haya en el extremo de la viga, sin que sea necesario exceder la menor de las cantidades siguientes: a) La resistencia en flexión de la viga, teniendo en cuenta el efecto de la fuerza cortante.

b) El momento requerido para producir, en el alma de la columna, una fuerza cortante igual a 0.85Fyc dc tc , donde Fyc es el esfuerzo de fluencia del acero de la columna, y dc y tc son su peralte total y el grueso del alma.

La conexión del alma se diseña para transmitir la fuerza cortante. No es necesario retirar las placas de respaldo requeridas para efectuar las soldaduras a tope de los patines.

5.8.4.2 Conexiones en cuyo diseño interviene el sismo Cuando el diseño queda regido por una condición de carga que incluye sismo, la resistencia de la conexión de cada viga será suficiente para transmitir el menor de los momentos siguientes: a) Un momento Mu igual, como mínimo, a 1.1Ry Mpv , donde Mpv es el momento plástico nominal de la viga, y Ry corresponde al acero de la misma.

b) El momento máximo que pueda ser transmitido por el sistema.

Cuando los patines de las vigas estén unidos a las columnas con soldaduras de penetración completa, éstas se harán en posición horizontal, con placas de respaldo y de extensión; las placas de extensión se removerán en todos los casos, procurando no dañar ni la viga ni la columna, y reparándolas, de ser necesario, dándoles un acabado liso. La placa de respaldo del patín inferior se removerá siempre; además, se limpiará la raíz de la soldadura, hasta descubrir metal sano, se resoldará, y se reforzará con una soldadura de filete. La placa de respaldo del patín superior puede dejarse, pero si se hace así, debe colocarse una soldadura de filete, continua, entre su borde inferior y el patín de la columna, debajo de la soldadura de penetración completa. Si se quita, se procederá igual que con la placa del patín inferior. El alma de la viga se conectará a la columna directamente, por medio de soldaduras que resistan la fuerza cortante en la viga y la porción del momento plástico de su sección que corresponda al alma, o a través de una placa vertical, que se unirá a la columna con soldaduras semejantes a las que se acaban de mencionar; en el segundo caso, la viga se unirá a la placa con soldaduras o tornillos de alta resistencia de resistencia adecuada.

No se permite el uso de soldaduras de penetración parcial ni de filete en la unión de patines o placas horizontales con la columna En cualquier caso, sea que en la condición de diseño intervenga o no el sismo, la unión entre viga y columna puede hacerse por medio de placas horizontales colocadas encima del patín superior de la viga, y debajo del inferior, tomando todas las medidas y cuidados mencionados arriba. Para permitir la colocación de la placa de respaldo en el patín superior, y soldar el patín inferior completo, incluyendo la parte que se une con el alma, se harán agujeros de acceso, de dimensiones adecuadas, en el alma de la viga, cuidando que no sean mayores que lo necesario.

8. TIPO DE CONEXIONES EMPERNADAS

Remaches o tornillos en combinación con soldadura

a) En obras nuevas

Cuando en una obra nueva se especifique el uso de remaches o tornillos, ordinarios o de alta resistencia, diseñados para transmitir las cargas por aplastamiento, en combinación con soldadura, ésta se dimensionará para resistir las fuerzas completas a que estén sujetos los miembros conectados, no dándoles más cargas a los remaches o tornillos que las que tomen durante el proceso de montaje.

Cuando se emplean tornillos de alta resistencia diseñados para transmitir las fuerzas por fricción sí puede considerarse que las solicitaciones se reparten entre ellos y las soldaduras. Los cálculos deben hacerse con fuerzas factorizadas.

b) En obras ya construidas

Cuando se utilice la soldadura para hacer modificaciones o refuerzos de estructuras, los remaches y los tornillos de alta resistencia, diseñados para trabajar en una conexión de deslizamiento crítico, de la estructura original, pueden utilizarse para resistir los efectos de las cargas muertas existentes antes de la modificación, y la soldadura para proporcionar la resistencia adicional requerida.

Tornillos de alta resistencia en combinación con remaches

Tanto en obras nuevas como en modificaciones de estructuras existentes puede suponerse que los tornillos de alta resistencia, diseñados para trabajar en conexiones de deslizamiento crítico, trabajan en conjunto con los remaches, y que las cargas se reparten entre los dos tipos de conectores.

ESFUERZO PERMISIBLE POR TENSION Y CORTANTE PARA

PERNOS A-325 Y A-490 AISC – ASD , AISC- LRFD

Los tornillos o pernos según la norma se fabrican con aceros de carbono y tienen una

resistencia última a la tensión mínima de 42 k/mm2. Su uso está limitado a estructuras

livianas que no estén solicitadas a cargas vivas que producen impacto o inversión de

esfuerzos o también, para elementos secundarios.

ESFUERZOS PERMISIBLES PARA PERNOS DE ALTA

RESISTENCIA A-325 Y A-490 AISC – ASD, AISC – LRFD

Los tornillos de alta resistencia son fabricados con aceros al carbono tratado y tienen una

resistencia mucho mayor a la de los tornillos o pernos ordinarios. Se trabaja con los tornillos

A-325, fabricados con acero al carbón tratado térmicamente, cuya resistencia última a la

tensión varía entre 84 y 74 kg/mm2 y los pernos A-490, son tornillos aleados tratados

térmicamente, con resistencia ultima a la tensión de 105 kg/mm2. Cuando los tornillos tienen

un diámetro mayor de 38.1 mm se fabrican tornillos de alta resistencia a partir de acero A-

449.

CONEXIONES CON FIJADORES A TENSION

CONEXIONES A TENSION A FUERZA CORTANTE COMBINADO

Existen dos tipos de conexiones para transmitir cargas de corte: las conexiones por fricción

y las conexiones de aplastamiento.

Para las conexiones por fricción, se utilizan tornillos de alta resistencia (ASTM A325-A490),

para que al ser tensionados, aprieten la pieza de tal manera que al presentarse la fuerza

cortante se desarrollan fuerzas de fricción entre las partes conectadas que impiden el

deslizamiento de una con respecto a la otra.

Los espárragos soldados, los tornillos ordinarios, los tornillos de alta resistencia

simplemente apretados (es decir que no están totalmente tensados) y los remaches se

diseñan en las conexiones por aplastamiento. En una unión remachada, el remache al

enfriarse se tensiona de modo que aprieta las piezas a unir, lo cual provoca una fuerza de

fricción al aplicar las cargas cortantes. Sim embargo como es difícil garantizar y medir la

tensión necesaria en el remache, para desarrollar fuerzas de fricción necesarias, se diseña la

unión como una conexión por aplastamiento, ya que si el esfuerzo es tal que vence la fuerza

de fricción, los remaches trabajan como simples conectores a cortante

CONEXIONES POR TORSION

Carga directa

Colgantes

Contra venteo ligero

CONEXIONES SOLDADAS La soldadura se conoce como el proceso en el cual se realiza la unión de partes metálicas

mediante calentamiento para alcanzar un estado plástico con o sin el aporte de un material

adicional de refuerzo.

También se conoce por soldadura al metal fundido que une dos piezas de metal, de la misma

manera que se realiza la operación de derretir una aleación para unir dos metales, pero

diferente de cuando se soldán dos piezas de metal para que se unan entre si formando una

unión soldada.

Ventajas:

1. El empleo de conexiones soldadas en vez de atornilladas o remachadas permite un

ahorro de material (hasta un 15%).

2. La soldadura permite grandes ahorros en el peso del acero utilizado.

3. Zona de aplicación mucho mayor en conexiones.

4. Las estructuras soldadas son estructuras más rígidas debido a una unión directa.

5. Permite una real continuidad en las estructuras.

6. Proceso de unión silencioso.

7. Permite una buena creación de perfiles metálicos utilizados en ingeniería.

8. La soldadura requiere menos trabajo y por lo tanto menos personal que la colocación

de remaches o tornillos.

9. La soldadura permite una gran variedad de conexiones, cosa que no se puede con

remaches o tornillos.

10. Las conexiones soldadas son más rígidas que las demás, lo cual permite verdadera

continuidad en la transmisión de elementos mecánicos de miembros.

11. Debido a la mayor resistencia del metal de aportación las conexiones soldadas

permiten una gran resistencia a la fatiga.

12. Las estructuras soldadas pueden repararse muy fácilmente a diferencia del resto.

13. Las conexiones soldadas han permitido la construcción de estructuras soldadas y

limpias.

14. Las conexiones soldadas permiten ajustes de proyecto más fácilmente que en otro

tipo de conexiones.

15. El trabajo de soldadura es silencioso comparado con el remachado.

16. Hay un ahorro considerable en el cálculo, detallado y montaje de las estructuras.

Desventajas:

1. Las conexiones rígidas pueden no ser óptimas en el diseño.

2. La revisión de las conexiones soldadas no es muy sencillo con respecto al resto.

3. La creencia de la baja resistencia a la fatiga en conexiones soldadas (no se permite

aun en algunos puentes ferroviarios USA).

Tipos de conexiones:

Según forma en que se conectan los elementos:

Conexiones apernadas: Proceso en que se unen las partes metálicas mediante un proceso

mecánico en estado natural. (Sin calentamiento del perfil, ni la conexión), permitiendo que

las partes se unan sin alterar cada parte.

Conexiones soldadas: proceso en que se unen partes metálicas mediante el calentamiento

de sus superficies a un estado plástico, permitiendo que las partes fluyan y se unan con o sin

la adicción de otro metal fundido.

Conexiones mixtas: Es la combinación en indistinta proporción, de los procesos de unión

metálica (puestas en un mismo proceso).

Según esfuerzos que la conexión deba transmitir:

Conexiones rígidas: Se le denomina a aquellas conexiones que cuentan con una resistencia

completa a momento, es decir, la rotación se encuentra totalmente restringida.

Conexiones simples: Se le denomina a aquellas conexiones que no oponen ninguna

resistencia a la rotación, por lo que no transmiten momento.

Conexiones sema- rígidas: se le denomina a aquellas conexiones cuyas características

rotacionales caen en algún punto intermedio entre los dos tipos mencionados

anteriormente.

Métodos de Soldadura:

SMAW: (Shielded metal arc welding): Corresponde soldadura manual con electrodo, esta es

el más común y antiguo de los distintos proceso de soldadura por arco.

SAW: Corresponde a la soldadura por arco sumergido, en este tipo de soldadura el arco se

establece entre pieza a soldar y el electrodo, estando ambos cubiertos por una capa de flux

granular. Por esta razón el arco está oculto. Algunos fluses se funden para proporcionar una

capa de escoria protectora sobre el baño de soldadura. El flux sobrante vuelve a ser de nuevo

reutilizado.

GMAW: Este procedimiento, conocido también como soldadura MIG/MAG, consiste en

mantener un arco entre un electrodo de hilo solido continuo y la pieza a soldar. Tanto el arco

como el baño de soldadura se protegen mediante un gas que puede ser activo o inerte. El

procedimiento es adecuado para unir la mayoría de materiales, disponiéndose de una amplia

variedad de metales de aportación.

FCAW: Corresponde a la soldadura con hilos tubulares, es muy parecida a la soldadura

MIG/MAG en cuanto a manejo y equipamiento se refiere. Sin embargo, el electrodo continuo

no es sólido si no que está constituido por un tubo metálico hueco que rodea el núcleo,

relleno de flux. El electrodo se forma a partir de una banda metálica que es conformada en

forma de U en una primera fase, cuyo interior se deposita a continuación flux y los elementos

ale antes, cerrándose después mediante una serie de rodillos de conformado.

EGW: Corresponde a la soldadura por electro gas, la cual es un desarrollo de la soldadura

por electro escoria, siendo procedimientos similares en cuanto a su diseño y utilización. En

vez de escoria, el electrodo es fundido por un arco, que se establece en un gas de protección,

de la misma manera que la soldadura MIG/MAG. Este método se utiliza para soldar chapas

con espesores desde 12 mm hasta 100 mm, utilizándose oscilación para materiales con

espesores fuertes. Normalmente, la junta es una simple unión- I con una separación. Las

juntas V también son utilizadas. Cuando la soldadura es vertical como por ejemplo en

tanques de gran tamaño, se pueden conseguir importantes ahorros de coste, si se compara

con la soldadura manual MIG/MAG.

ESW: Corresponde a la soldadura por electro escoria, comienza en el inicio del proceso de

soldadura, se crea un arco entre el electrodo y la pieza a soldar. Cuando el flux de soldadura

que se coloca a la junta se funde, se produce un baño de escoria que aumenta en profundidad.

Cuando la temperatura de la escoria y por tanto su conductividad aumentan, el arco se

extingue y la corriente de soldadura es conducida mediante la escoria fundida, donde la

energía necesaria se produce por resistencia.

Detalla miento de soldaduras precalificadas.

Se denominan soldaduras precalificadas a aquellas que pueden ejecutarse sin la necesidad

de hacer pruebas de precalificación de las normas AWS, que tienen por objetivo determinar

las dimensiones, suministro eléctrico (voltaje, intensidad), velocidad, entre otros, con el fin

de obtener la resistencia especificada.

TIPOS DE SOLDADURAS

Penetración (Parcial o completa): Se obtienen depositando metal de aportación entre dos

placas que pueden, o no, estar alineadas en un mismo plano. Pueden ser de penetración

completa o parcial, según que la fusión de la soldadura y el metal base abarque todo o parte

del espesor de las placas, o de la más delgada de ellas.

Filete o Cordón: Se obtiene depositando un cordón de metal de aportación en el Angulo

diedro formado por dos piezas. Su sección transversal es aproximadamente triangular.

Ranura o Tapón: Las soldaduras de tapón y de ranura se hacen en placas traslapadas,

rellenando por completo, con metal de aportación, un agujero, circular o alargado, hecho en

una de ellas, cuyo fondo está constituido por la otra.

DEFECTO DE LAS UNIONES SOLDADAS

Fisuras: Son discontinuidades por rotura local, provocadas por enfriamiento o esfuerzos

transmitidos, esto debido principalmente al empleo de electrodos inadecuados y la excesiva

rigidez de las piezas a unir. Las fisuras son peligrosas ya que producen una disminución de

la sección resistente y facilitan la corrosión.

Cavidades y poros: Son provocadas por residuos ajenos al proceso, es decir, falta de

limpieza y preparación. También se pueden provocar por la excesiva intensidad de corriente

que calienta los electrodos.

Inclusiones solidas: Cualquier materia extraña, que quede aprisionada en el metal fundido,

diferente de los metales de base y de aportación de la soldadura constituyen una inclusión

solida. Las más frecuentes son las escorias, los óxidos y las inclusiones metálicas. Los efectos

de estas inclusiones pueden ser amplificados cuando la estructura comienza a prestar

servicio.

Defectos de fusión: Este tipo de defectos se deben principalmente a la falta de ligazón entre

el metal de aportación y el metal de base o entre las diferentes pasadas del cordón. Se puede

presentar en los bordes, falta de fusión lateral, entre pasadas y en la raíz.

Falta de penetración: Es debido a una fusión parcial de los bordes provocando

discontinuidades de los mismos. Es provocada principalmente por una separación incorrecta

de los elementos a unir durante el soldeo, al empleo de electrodos excesivamente gruesos, a

una velocidad de avance excesiva o a una baja intensidad. Este defecto provoca una

disminución de la resistencia de la unión.

Defectos de forma: Se deben a la falta de geometría de la superficie externa en relación con

el perfil correcto esperado.

Procedimiento de Soldadura:

De arco metálico protegido (más común):

La soldadura por arco de metal protegido (Shielded Metal Arc Welding SMAW) es un proceso

de soldadura por arco en el que se produce coalescencia de metales por medio del calor de

un arco eléctrico que se mantiene entre la punta de un electrodo cubierto y la superficie del

metal base en la unión que se está soldando.

El núcleo del electrodo cubierto consiste en una varilla de metal sólida de material o colado,

o bien una varilla fabricada encerrando metal en polvo en una funda metálica. La varilla del

núcleo conduce la corriente eléctrica al arco y suministra metal de aporte a la unión. Las

funciones principales de la cobertura del electrodo son estabilizar el arco y proteger el metal

derretido de la atmósfera por medio de los gases que se crean cuando el recubrimiento se

descompone por el calor del arco. La composición de la cobertura del electrodo varía

dependiendo del tipo de electrodo.

Principios

La soldadura por arco de metal protegido aprovecha el calor del arco para derretir el metal

base y la punta de un electrodo consumible cubierto. El electrodo y la pieza de trabajo forman

parte de un circuito eléctrico. Este circuito comienza con la fuente de potencia eléctrica e

incluye los cables de soldadura, un porta electrodos, una conexión con la pieza de trabajo, la

pieza de trabajo y electrodo de soldadura por arco. Uno de los dos cables de la fuente de

potencia se conecta a la pieza de trabajo; el otro se conecta al porta electrodos.

La soldadura se inicia cuando se enciende un arco eléctrico entre la punta del electrodo y el

trabajo. El intenso calor del calor derrite la punta del electrodo y la superficie del trabajo

cerca del arco. En la punta del electrodo se forma con rapidez pequeños glóbulos de metal

fundido, los cuales se transfieren a través del chorro del arco hasta el charco de soldadura

fundida.

Electrodos recubiertos:

Dependiendo del tipo de electrodo que se use, el recubrimiento desempeña una o más de las

siguientes funciones:

1. Provee un gas para proteger el arco y evitar una contaminación exclusiva del metal de

aporte derretido por parte de la atmósfera.

2. Suministra limpiadores, desoxidantes y agentes fundentes para purificar la soldadura y

evitar un crecimiento excesivo de granos en el metal de soldadura.

3. Establece las características eléctricas del electrodo.

4. Proporciona un manto de escoria que protege la soldadura caliente del aire y mejora las

propiedades mecánicas, la forma del cordón y la limpieza superficial de dicho metal.

5. Constituye un medio para añadir elementos de aleación que modifiquen las propiedades

mecánicas del metal de soldadura.

6. En todos los casos, la cobertura contiene la mayor parte de los materiales de protección,

limpieza y desoxidación. La mayor parte de los electrodos para SMAW tienen un núcleo de

metal sólido.

Ventajas del proceso:

1. El equipo es relativamente sencillo, económico y portátil.

2. El electrodo recubierto proporciona el metal de aporte y el mecanismo para proteger dicho

metal y el metal de soldadura contra una oxidación perjudicial durante la soldadura.

3. No se requiere protección con gas auxiliar ni un fundente granular.

4. El proceso es menos sensible al viento y las corrientes de aire que los procesos de

soldadura por arco protegidos con gas.

5. Se puede utilizar en áreas de acceso limitado.

6. El proceso es adecuado para la mayor parte de los metales y aleaciones de uso común.

Existen electrodos de SMAW para soldar aceros al carbono y de baja aleación, aceros

inoxidables, hierro colado, cobre y níquel y sus aleaciones, y para algunas aplicaciones el

aluminio. Los metales de bajo punto de fusión, como el plomo, el estaño, y el zinc, y sus

aleaciones, no se sueldan con SMAW porque el intenso calor del arco es demasiado para ellos.

Los electrodos cubiertos se producen en longitudes de 230 a 460 mm (9 a 18 pulgs.). Un

amperaje excesivo sobrecalienta el electrodo y descompone su cobertura. Por esta

limitación, las tasas de deposición suelen ser más bajas que con un proceso como el GMAW.

El ciclo de trabajo del operador y las tasas de deposición globales para los electrodos

cubiertos suelen ser menores que los alcanzables con un proceso de electrodo continúo

como FCAW. Esto debe a que los electrodos solo pueden consumirse hasta una cierta

longitud mínima. Una vez alcanzada esa longitud, el soldador deberá desechar la cola del

electrodo no consumida e insertar un electrodo nuevo en el porta electrodo.

De arco metálico protegido con gas:

La soldadura MIG/MAG (Metal Inert Gas o Metal Active Gas, dependiendo del gas que se

inyecte) también denominada GMAW (Gas Metal Arc Welding o soldadura a gas y arco

metálico) es un proceso de soldadura por arco bajo gas protector con electrodo consumible,

el arco se produce mediante un electrodo formado por un hilo continuo y las piezas a unir,

quedando este protegido de la atmósfera circundante por un gas inerte (soldadura MIG) o

por un gas activo (soldadura MAG).

La soldadura MIG/MAG es intrínsecamente más productiva que la soldadura MMA donde se

pierde productividad cada vez que se produce una parada para reponer el electrodo

consumido. El uso de hilos sólidos y tubulares han aumentado la eficiencia de este tipo de

soldadura hasta el 80%-95%.

La soldadura MIG/MAG es un proceso versátil, pudiendo depositar el metal a una gran

velocidad y en todas las posiciones, este procedimiento es muy utilizado en espesores

pequeños y medios en estructuras de acero y aleaciones de aluminio, especialmente donde

se requiere un gran trabajo manual.

La introducción de hilos tubulares es particularmente favorable para la producción de

estructuras pesadas donde se necesita de una gran resistencia de soldadura.

La soldadura por gas inerte de metal (MIG) utiliza un electrodo de metal que sirve como

material de relleno para la soldadura y se consume durante la soldadura.

El argón es también el gas primario utilizado en la soldadura MIG, a menudo mezclado con

dióxido de carbono.

La soldadura MIG fue desarrollada para metales no ferrosos, pero se puede aplicar al acero.

Las principales ventajas que ofrece el proceso MIG/MAG son:

Se puede soldar en todas las posiciones

Buena apariencia o acabado (pocos salpicados)

Poca formación de gases contaminantes y tóxicos

Soldadura de espesores desde 0,7 a 6 mm sin preparación de bordes

Proceso semiautomático o automático (menos dependiente de la habilidad de

operador)

Alta productividad o alta tasa de metal adicionado (principal ventaja)

Las principales bondades de este proceso son la alta productividad y excelente

calidad; en otras palabras, se puede depositar grandes cantidades de metal (tres veces

más que con el proceso de electrodo revestido), con una buena calidad.

Procesos de soldadura

Podemos diferenciar tres tipos de procesos de soldadura:

Proceso semiautomático

Es la aplicación más común, en la que algunos parámetros previamente ajustados por el

soldador, como el voltaje y el amperaje, son regulados de forma automática y constante por

el equipo, pero es el operario quien realiza el arrastre de la pistola manualmente. El voltaje,

es decir la tensión que ejerce la energía sobre el electrodo y la pieza, resulta determinante

en el proceso: a mayor voltaje, mayor es la penetración de la soldadura. Por otro lado, el

amperaje (intensidad de la corriente), controla la velocidad de salida del electrodo. Así, con

más intensidad crece la velocidad de alimentación del material de aporte, se generan

cordones más gruesos y es posible rellenar uniones grandes. Normalmente se trabaja con

polaridad inversa, es decir, la pieza al negativo y el alambre al positivo. El voltaje constante

mantiene la estabilidad del arco eléctrico, pero es importante que el soldador evite los

movimientos bruscos oscilantes y utilice la pistola a una distancia de ± 7 mm sobre la pieza

de trabajo.

Proceso automático

Al igual que en el proceso semiautomático, en este, la tensión y la intensidad se ajustan

previamente a los valores requeridos para cada trabajo y son regulados por el equipo, pero

es una boquilla automatizada la que aplica la soldadura. Generalmente, el operario

interviene muy poco en el proceso, bien sea para corregir, reajustar los parámetros, mover

la pieza o cambiarla de un lugar a otro.

Proceso robotizado

Este proceso es utilizado a escala industrial. Todos los parámetros y las coordenadas de

localización de la unión que se va a soldar se programan mediante una unidad CNC. En las

aplicaciones robotizadas, un brazo mecánico puede soldar toda una pieza, transportarla y

realizar los acabados automáticamente, sin necesidad de la intervención del operario.

Parámetros

Los parámetros variables de soldadura son los factores que pueden ser ajustados para

controlar una soldadura. Para obtener los mejores resultados en el proceso, es necesario

conocer el efecto de cada variable sobre las diversas características o propiedades del

proceso de soldadura. Algunas de estas variables, a las que se denominan variables

preseleccionadas, son:

Diámetro del alambre-electrodo

Composición química del mismo

Tipo de gas

Caudal

Por otra parte también hay que definir otras variables las cuales las denominamos variables

primarias que son las que controlan el proceso después que las variables preseleccionadas

fueron seleccionadas, estas controlan la estabilidad del arco, el régimen de soldadura y la

calidad de la soldadura, estas variables son:

Tensión del arco

Corriente de soldadura

Velocidad de avance

Otras variables a tener en cuenta son las denominadas variables secundarias, que pueden

ser modificadas de manera continua, son a veces difíciles de medir con precisión y

especialmente en soldadura automática, estas no afectan directamente a la forma del cordón,

pero actúan sobre una variable primaria que a su vez influye en el cordón.

Estas variables son:

Altura de la boquilla

ángulo de la boquilla

Velocidad de alimentación del alambre

Los parámetros regulables que podemos considerar como más importantes y que más

afectan a la soldadura son:

Polaridad

Tensión de arco

Velocidad del hilo

Naturaleza del gas

Polaridad

Lo más normal es que en las máquinas de hoy en día se trabaje con polaridad inversa o

positiva (la pieza al negativo y el hilo de soldadura al positivo. En algunos casos concretos en

los que se requiera mayor temperatura en la pieza que en el hilo se utilizan la polaridad

directa o negativa ya que los electrones siempre van de polo negativo al positivo

produciéndose un mayor aumento de temperatura en este último.

Tensión de arco

Este parámetro es uno de los más importantes a la hora de transferir el material aportado a

la pieza. Se puede regular en la mayoría de máquinas por el operario y nos permite aumentar

o disminuir la tensión aplicada en el arco, pero no siempre nos modificará la intensidad de

trabajo.

Velocidad de hilo

En este tipo de soldadura no es la intensidad la que se regula previamente, sino que es la

variación de la velocidad de hilo la que provoca la aparición de diferentes intensidades

gracias al fenómeno de la autorregulación.

Naturaleza del gas

El tipo de gas utilizado para la soldadura influye sobre la transferencia del material,

penetración, la forma del cordón, proyecciones, etc.

Transferencia del metal

En la soldadura MIG/MAG podemos encontrar cuatro tipos de transferencia del metal

aportado, los cuales dependen directamente de la tensión e intensidad con los que se trabaje.

Transferencia por cortocircuito

En este tipo de transferencia es la más utilizada por la aplicación MAG el material aportado

se funde en gotitas entre 50 y 200 por segundo cuando la punta del electrodo toca el metal

fundido de soldadura y hace cortocircuito. Se usan corrientes y tensiones bajas, los gases son

ricos en dióxido de carbono y los electrodos son de alambre de diámetro pequeño. Debido a

sus características de bajo aporte de calor, el método produce pequeñas zonas de soldadura

fundida de enfriamiento rápido, que lo hacen ideal para soldar en todas las posiciones. La

transferencia de corto circuito es también especialmente adaptable a la soldadura de láminas

metálicas con un mínimo de distorsión y para llenar vacíos o partes más ajustadas con una

tendencia menor al sobrecalentamiento de la pieza que se está soldando.

Con este tipo se sueldan piezas de espesores pequeños ya que la corriente aplicada a esta es

baja en comparación con otros.

Transferencia globular

Se usa frecuentemente en la aplicación MAG y algunas veces en MIG, cuando se trabaja con

esta transferencia, el hilo se funde en gotas gruesas que pueden llegar a todos los huecos. El

metal se transfiere en gotas de gran tamaño y ocurre por gravedad cuando el peso de éstas

excede la tensión superficial. Se usan gases ricos en dióxido de carbono y argón, produce

altas corrientes que posibilitan mayor penetración de la soldadura y mayores velocidades

que las que se alcanzan con la transferencia por corto circuito y spray. También, se producen

bastantes salpicaduras y por ello no es recomendable soldar sobre cabeza (tubular), debe

ejecutarse en posición horizontal. Las piezas más pesadas se suelen unir por medio de este

método.

Este tipo de transferencia no se usa en ningún trabajo, pero se puede ver en operaciones de

puesta a punto de máquinas.

Transferencia por pulverización axial

Es el método clásico utilizado en la aplicación MIG. El metal de aporte es transportado a alta

velocidad en partículas muy finas a través del arco, entre 500 y 2.000 por segundo. La fuerza

electromagnética es alta, lo que permite atomizar las gotas desde la punta del electrodo en

forma lineal hacia el área de soldadura. Se puede soldar a altas temperaturas, adicionalmente

es preciso usar corriente continua y electrodo positivo para garantizar que las gotas se

formen y se suelten a razón de centenares por segundo. El gas de protección es argón o una

mezcla rica en argón.

Este tipo se recomienda para soldaduras en piezas de grandes espesores gracias a su gran

penetración en el material.

Transferencia por arco pulsado

En esta nos encontramos con dos corrientes una continua y débil cuyo objetivo es

proporcionar al hilo la mínima energía para que se produzca el arco y otra a impulsos

producidos a una cierta frecuencia. Cada pulsación hace fundir una gota del mismo diámetro

que el hilo desprendiéndola sobre la pieza antes de que el hilo toque a esta. De esta forma se

consigue que no se producen las proyecciones que se pueden ver en otros tipos.

Con este tipo se produce una ganancia en penetración gracias a la elevada intensidad que se

produce durante la pulsación y al mismo tiempo una reducción del consumo de energía.

Hilos de soldaduraLos diámetros más usuales en este tipo de soldadura son 0,8; 1,0; 1,2; 1,6

mm y en algunos casos 2,4 mm. La elección de uno de estos diámetros a la hora de trabajar

es muy importante ya que para grandes diámetros se utilizan grandes intensidades y se

producen grandes penetraciones, pudiendo producirse perforaciones en la piezas. Por el

otro lado para diámetros pequeños se aplican bajas intensidades y se consiguen bajas

penetraciones, pudiendo ocurrir que la penetración en la pieza sea demasiado pequeña.

El formato estándar del hilo son bobinas de diferentes grandarías. Los hilos suelen ir

recubiertos de cobre para que la conductividad del hilo con el tubo de contacto sea buena,

además de disminuir los rozamientos y para que no aparezcan oxidaciones. También se

utiliza hilo tubular, los cuales van rellenos de polvo metálico o flux.

Gases de protección

En la variante MIG (Metal Inert Gas), el gas de protección es inerte (no actúa activamente en

el proceso de la soldadura) siendo muy estable. Por otro lado en la soldadura MAG (Metal

Active Gas), el gas de protección se comporta de forma inerte en la contaminación de la

soldadura pero por el otro lado interviene termodinámicamente en ella.

Soldadura MIG

Dentro de los gases inertes disponibles en Europa el más empleado es el argón y en Estados

Unidos, el helio es el que más se utiliza.

El argón con altas purezas sólo es utilizado en soldadura de titanio, aluminio, cobre y níquel.

Para la soldadura de acero se tiene que aplicar con cantidades inferiores al 5% de mezcla con

oxígeno ya que el argón puro produce mordeduras y cordones irregulares. Así se mejora la

penetración y ensanchamiento de la parte inferior del cordón.

La utilización de helio produce cordones más anchos y una penetración menos profunda que

la producida por el argón.

Soldadura MAG

El CO2 es uno de los gases empleados en este tipo de soldadura. Es un gas inodoro, incoloro

y con un sabor picante. Tiene un peso de una vez y media mayor que el aire, además es un

gas de carácter oxidante que en elevadas temperaturas se disocia en una reacción en el arco

de 2CO2-2CO2+O absorbiendo calor y en la recomposición en la base 2CO2+O cediendo

calor.

Sus inconvenientes son que produce arcos muy enérgicos, con lo que también se producen

un gran número de proyecciones.

Por otro lado es un gas mucho más barato que el argón, capaz de producir penetraciones

mucho más profundas y anchas que éste. También se tiene la ventaja que reduce el riesgo de

mordeduras y faltas de fusión.

La mezcla de Ar+CO2 se suele utilizar con cantidades de mezcla de entre el 15 y el 25% de

CO2. Las ganancias de trabajar con esta mezcla son una mejor visibilidad del baño, un arco

más suave, con menores turbulencias, un baño de fusión más frío, un mejor aspecto y

presentación del cordón, menos proyecciones y una mejor estabilidad de arco.

El único y mayor inconveniente de la mezcla es de tipo económico, pero por otro lado hay

que compararlo con los grandes beneficios que nos aporta, siendo éstos normalmente

mayores que el primero.

De arco sumergido:

Al igual que en los demás procesos de soldadura por arco, este es un proceso en el cual el

calor es aportado por un arco eléctrico generado entre uno o más electrodos y la pieza de

trabajo.

El arco eléctrico mencionado está sumergido en una capa de fundente granulado que lo cubre

totalmente protegiendo el metal depositado durante la soldadura. De aquí el nombre del

proceso.

Una ventaja del proceso es que, estando el arco completamente encerrado, pueden utilizarse

intensidades de corriente extremadamente elevadas sin chisporroteo o arrastre de aire. Las

intensidades elevadas producen una penetración profunda y el proceso es térmicamente

eficiente, puesto que la mayor parte del arco está bajo la superficie de la plancha.

Es un proceso de alta dilución, en el que aproximadamente se funde dos veces más metal

base que electrodo. Corrientemente se utilizan intensidades de 200 a 2000 Amperes, aunque

en los primeros días del proceso se emplearon intensidades hasta 5000 Amperes. En la

actualidad estas intensidades extremadamente elevadas no son utilizadas generalmente por

distintas razones, relacionadas principalmente con la metalurgia del depósito, y se prefiere

depositar el metal en capas para aprovechar la ventaja de la normalización resultante del

recalentamiento.

Un proceso de arco abierto que trabaje con intensidades por encima de los 300 A debe

utilizarse con precaución, porque el arco es una intensa fuente de luz con elevado contenido

de radiación infrarroja y ultravioleta. En la soldadura con arco sumergido no es visible el

arco y tales precauciones son innecesarias. Por la misma causa el operario no puede ver el

baño y juzgar el avance de la soldadura; debe confiar en que el ajuste sobre la unión

permanece constante ó bien ajustar previa y cuidadosamente la trayectoria del cabezal de

soldadura con respecto a la unión.

La cantidad de polvo fundente fundido durante la soldadura es aproximadamente la misma

en peso que la de alambre fundido, y se deja sobre el cordón de soldadura como una capa de

escoria vítrea.

Bajo esta escoria el metal soldado tiene una superficie lisa, casi sin ondulaciones, debido al

alto aporte de calor que produce un baño de soldadura grande que solidifica lentamente en

contacto con la escoria relativamente fluida. Las soldaduras obtenidas por arco sumergido

son notables por su apariencia limpia y contornos lisos. El polvo fundente no fundido

durante la operación de soldadura se recupera para utilizarlo nuevamente, pero debe

tenerse cuidado que no esté contaminado. Cuando se hace la soldadura en superficies

inclinadas o cerca de los cantos es necesario un estante ó un dispositivo similar para soportar

el fundente.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

La corriente eléctrica se conduce entre el electrodo y la pileta fundida a través de un

plasma gaseoso inmerso en el fundente.

La potencia la suministra un generador, un transformador – rectificador ó un transformador

y se conduce al alambre (electrodo) a través del tubo de contacto, produciéndose el arco

entre aquel y el metal base.

El calor del arco funde el electrodo, el fundente y parte del metal base, formando la pileta de

soldadura que conforma la junta.

En todos los equipos de este tipo existe un mecanismo que tracciona el alambre y lo conduce

a través del tubo de contacto y de la capa de fundente hasta el metal base.

Los alambres utilizados son generalmente aceros de bajo carbono y de composición química

perfectamente controlada; el alambre se encuentra usualmente enrollado en una bobina.

El fundente se va depositando delante del arco a medida que avanza la soldadura. Cuando

se solidifica, se extrae el exceso para utilizarlo nuevamente y el fundido se elimina mediante

un piqueteado. En los equipos modernos existe una aspiradora que absorbe el excedente de

fundente y lo envía nuevamente a la tolva de alimentación.

APLICACIÓN

La soldadura por arco sumergido ha encontrado su principal aplicación en los aceros suaves

de baja aleación, aunque con el desarrollo de fundentes adecuados el proceso se ha usado

también para el cobre, aleaciones a base de aluminio y titanio, aceros de alta resistencia,

aceros templados y revenidos y en muchos tipos de aceros inoxidables. También se aplica

para recubrimientos duros y reconstrucción de piezas. Es un método utilizado

principalmente para soldaduras horizontales de espesores por encima de 5mm, en los que

las soldaduras sean largas y rectas. Pueden soldarse espesores hasta doce milímetros sin

preparación de bordes mientras que con preparación de bordes el espesor máximo a unir es

prácticamente ilimitado.

El propio cabezal de soldadura puede moverse sobre el trabajo en un vehículo

autopropulsado ó en un puente ó el trabajo se hace girar bajo el cabezal de soldadura

estacionario.

Este método es ampliamente utilizado, tanto para soldaduras a tope como en rincón, en

construcción naval e industrias de recipientes a presión, estructuras metálicas, tubos y

tanques de almacenaje; para esta última finalidad se utilizan máquinas especiales

autopropulsadas, con un dispositivo para contener el fundente, para soldar las costuras

circulares en plaza.

SELECCIÓN DE LOS PARÁMETROS DE SOLDADURA

La selección de condiciones de soldadura más conveniente para el espesor de chapa y

preparación de junta a soldar es muy importante, a los efectos de lograr soldaduras libres

de defectos tales como fisuras, poros y socavación lateral.

Las variables a ser consideradas son las siguientes:

POLARIDAD:

Con corriente continua positiva, CC(+) se logra mayor penetración, mejor aspecto superficial

y mayor resistencia a la porosidad.

Con corriente continua negativa, CC(+) se obtiene mayor velocidad de deposición con menor

penetración.

CORRIENTE DE SOLDADURA:

Determina en forma directa la penetración y la velocidad de deposición, aumentando ambas

con el incremento de corriente.

DIÁMETRO DEL ALAMBRE:

Para una corriente dada, aumentando el diámetro se reduce la penetración pero el arco se

torna más inestable y se dificulta su encendido.

TENSIÓN DE ARCO

Al aumentar la tensión se incrementan la dilución y el ancho del cordón y disminuye la sobre

monta lográndose un cordón ancho y plano. Al mismo tiempo aumenta la cantidad de

fundente que se funde con igual cantidad de alambre, lo que afecta a la composición química

del metal de soldadura en el caso se emplear fundentes activos. Los voltajes excesivamente

pequeños hacen que el arco muera completamente bajo la superficie de la plancha, de modo

que la penetración tiene una sección transversal en forma de tulipa.

El voltaje de trabajo normal para soldar a tope es de 35 Voltios a 1000 A.

VELOCIDAD DE AVANCE:

Al aumentar la velocidad de traslación del arco disminuye el ancho del cordón y la

penetración, incrementándose el riesgo de porosidad. Las velocidades excesivas se traducen

en cordones mordidos y rugosos ó picudos.

LONGITUD LIBRE DEL ALAMBRE:

Con un incremento de la longitud libre del alambre, se aumenta la velocidad de deposición

y decrece la penetración.

INCLINACIÓN DEL ALAMBRE:

Tiene un efecto considerable sobre la penetración y sobre las eventuales socava duras.

ESPESOR DE LA CAPA DE FUNDENTE:

Una cama de fundente de poco espesor puede producir porosidad por una inadecuada

protección del metal fundido. Por otro lado, una cama muy gruesa desmejora el aspecto del

cordón y pude conducir a derrames del metal fundido en soldaduras circunferenciales y

producir dificultades para la remoción de la escoria en chaflanes profundos.

ALAMBRE PARA ELECTRODO: El alambre para soldadura por arco sumergido se emplea en

forma de bobinas y esté cobreado; esto evita la oxidación superficial en el almacenaje y

proporciona seguridad en el contacto eléctrico; con poca resistencia entre el alambre de

soldar y los contactos de cobre a través de los cuales se conduce la corriente. El diámetro del

hilo utilizado depende fundamentalmente de la intensidad de corriente de soldadura

necesaria y puede situarse entre 5mm de diámetro, para corriente de 150 A, a 10mm de

diámetro, para una corriente de 3000 A.

El cordón de soldadura es ligeramente más estrecho con un alambre delgado que con un

alambre grueso con la misma intensidad de corriente, pero el efecto principal del tamaño del

alambre reside en su penetración.

La composición de los alambres para soldadura por arco sumergido depende del material

que se suelda, puesto que los elementos aleados se añaden generalmente al alambre y no al

fundente. En este proceso las variaciones en la técnica pueden alterar las relaciones de las

cantidades fundidas de plancha alambre y fundente. Cuando se utilizan alambres altamente

aleados, por ejemplo, aceros inoxidables, pude ser necesario añadir compuestos de los

elementos aleantes al fundente, para disminuir las reacciones metal-escoria que pueden

traducirse en pérdidas de los elementos aleantes hacia la escoria.

FUNDENTES

Los fundentes para la soldadura por arco sumergido están granulados a un tamaño

controlado y pueden ser de tipo fundido, aglomerado ó sinterizado.

Originalmente se utilizaban fundentes fundidos, machacados y calibrados; atribuyéndoseles

las ventajas de estar totalmente libres de humedad y no ser higroscópicos. Tanto la

composición química como el estado de división de los fundentes tienen una importante

influencia sobre la forma de comportarse en la soldadura.

Los fundentes aglomerados se hacen mezclando los constituyentes, finamente pulverizados,

con una solución acuosa de un aglomerante tal como silicato sódico; la finalidad es producir

partículas de unos pocos milímetros de diámetro formados por una masa de partículas más

finas de los componentes minerales. Después de la aglomeración el fundente se seca a

temperatura de hasta 800 oC.

Los fundentes sinterizados se hacen calentando pellets componentes pulverizados a

temperaturas justo por debajo del punto de fusión de algunos de los componentes. Las

temperaturas alcanzadas durante la fabricación limitan los componentes de los fundentes.

Para fundir un fundente las temperaturas deben ser tan altas que los carbonatos y muchos

otros minerales se descomponen, por lo cual los fundentes básicos que llevan carbonatos

deben hacerse por alguno de los otros procedimientos, tales como aglomeración. Se ha

sabido durante años que la baja tenacidad se favorece con el uso de fundentes ácidos y que

los fundentes de elevado contenido en silicio tienden a comunicar oxígeno al metal soldado.

Inversamente los fundentes básicos dan un metal soldado limpio, con poca pocas inclusiones

no metálicas, y, consecuentemente, de elevada tenacidad.

Tanto la composición del fundente como su estado de división influyen en el control de la

porosidad. El proceso de arco sumergido es generalmente más susceptible a la porosidad

causada por superficies herrumbrosas y sucias que el proceso de arco abierto. Ello es debido

a que con el proceso de arco abierto el vapor de agua y los productos gaseosos, que

abandonan la plancha por el calor de la soldadura, pueden escapar; mientras que en el arco

sumergido tienden a ser retenidos bajo el cojín de fundente. Por esta razón es por lo que

fundentes que tienen la mayor tolerancia a la oxidación y suciedad son también los que

tienen mayor permeabilidad, lograda usando un grado grueso de gran regularidad. Sin

embargo, cuando es necesario soldar utilizando intensidades elevadas se requiere un

fundente que cubra más estrechamente, para dar un buen cierre al arco; esto se logra

utilizando un tamaño de partículas lo más fino posible y una mayor variedad en tamaños,

para aumentar el cierre de recubrimiento.

DEFECTOS EN LAS SOLDADURAS POR ARCO SUMERGIDO

POROSIDAD

Es un defecto bastante común y se debe a varios factores. A veces aparece en forma visible,

como “pinchaduras” en la superficie del cordón y otras en forma no visible, por debajo de la

superficie, revelado por rayos X ó ultrasonido.

Las principales causas son:

Contaminación de la junta con pintura, grasa, aceite, óxidos hidratados, etc.. Estos materiales

se descomponen a las elevadas temperaturas del arco produciendo gases.

Fundente húmedo. Es buena práctica resecar los fundentes antes de su empleo y

almacenarlos en un ambiente calefaccionado. Los fabricantes proveen indicaciones al

respecto.

Si la unidad recuperadora es accionada por aire comprimido, éste deberá ser secado

previamente.

FISURACIÓN POR HIDRÓGENO

Algunos aceros son más susceptibles que otros a la fisuración en frío, pero afortunadamente

las soldaduras por arco sumergido no poseen tendencia particular a este defecto. Si el acero

es templable y el fundente está húmedo, entonces sí pueden aparecer fisuras en frío. Este

problema se evita manipulando correctamente el fundente y respetando las temperaturas

de precalentamiento, interpasadas y de postcalentamiento en los casos en que ello sea

necesario.

FISURAS DE SOLIDIFICACIÓN

La fisuración en caliente suele ser un problema causado por el gran tamaño de la pileta

líquida debido a grandes corrientes de soldadura combinado con elevadas velocidades de

avance. Esto origina cordones estrechos y profundos que son muy proclives a las fisuras

longitudinales en caliente; figura siguiente.

El problema se agravará ante la presencia de P, S, C .

Si se presume la presencia de estos elementos en el metal base en cantidades mayores que

lo normal, debe minimizarse la dilución además de lograr cordones con un perfil adecuado.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL PROCESO

El arco sumergido, respecto de los otros procesos de soldadura, ofrece las siguientes

ventajas:

Las juntas pueden ser preparadas en “V” con poca profundidad debido a la elevada

penetración del proceso, obteniéndose con esto un menor consumo de alambre y fundente.

Los procesos de soldadura pueden realizarse a altas velocidades debido a la elevada

intensidad con que se opera en la mayoría de las aplicaciones.

No es necesario proteger al operador de la máquina de la emisión de radiación, ya que el

arco se encuentra sumergido en el fundente, evitándose además las salpicaduras del metal

fundido.

El fundente actúa como un desoxidante protegiendo el arco y aportando elementos de

aleación al cordón en el caso de emplear fundentes aleados.

Por otro lado, las limitaciones del proceso son:

Muchas soldaduras requieren algún tipo de respaldo para evitar la perforación del metal

base.

Este proceso conlleva un tiempo de preparación mayor previa mayor que otros.

Con este sistema generalmente se sueldan piezas a partir de los 5 mm de espesor.

La posición de soldadura está restringida a plana y horizontal.

ELECTROESCORIA:

La soldadura por electroescoria es un proceso de soldadura por fusión, con protección de

escoria. Este técnica se utiliza para una soldadura por colada continua. Utiliza un equipo

parecido al de soldadura por arco.

Se caracteriza por la utilización de electrodos, y de un mecanismo con zapatas. El metal

líquido que se forma en este proceso es retenido por las zapatas de cobre que se refrigeran

por agua. Estas zapatas están colocadas una en la parte delantera; y la otra en la parte trasera

de la zona de soldadura.

En este proceso de soldadura no existe arco, y el alambre se va fundiendo a medida que es

sumergido en la escoria fundida. Es entonces cuando se funde el metal base y se solidifica el

metal que está fundido y retenido por las zapatas.

El carro, los electrodos y las zapatas se mueven verticalmente provocando de este modo la

soldadura.

El proceso de soldadura por electroescoria fue patentado por Robert K. Hopkins en los

Estados Unidos en febrero del año 1940 y posteriormente desarrollado y perfeccionado en

la URSS por Paton, concretamente en Kiev, durante la década de 1940-1950.

El método de Paton fue introducido en la Feria de Comercio de Bruselas de 1950. El primer

uso en los EE.UU. fue en 1959 en Chicago, por la dirección de General Motors, y se utilizó la

soldadura por electroescoria para la fabricación de bloques de motor.

Más tarde, en 1968 los Hermanos Hobart de Troy emitieron una serie de máquinas que

utilizaban este proceso de soldadura para la construcción naval y de puentes; y para las

grandes industrias de fabricación estructural. Se estima que entre 1960 y finales de los 80,

sólo en California, fueron soldados más de un millón de refuerzos utilizando el proceso de

soldadura por electroescoria. Ejemplos de este proceso son el edificio del Banco de América,

en San Francisco y las torres de seguridad de los edificios del Pacífico, en Los Ángeles. Estos

son dos de los edificios más altos de California. Este proceso era muy utilizado pero en 1977

la Administración Federal de Carreteras lo prohibió para determinados usos debido a que

las grandes cantidades de calor provocaban un grano grueso y frágil del material.

La soldadura por electroescoria utiliza una orientación vertical del dispositivo, el cabezal de

soldadura utiliza un movimiento de avance, donde unas zapatas de cobre enfriadas con agua,

hacen de contenedor de la escoria fundida, que funde ya que se genera un arco eléctrico entre

la pieza que va a ser soldada y un electrodo consumible. Se utilizarán uno o más electrodos

dependiendo del grosor de la chapa. La escoria hace de protector del proceso de soldadura.

Las chapas están colocadas en posición vertical con una separación paralela que va de los

31.75 a 34.92 mm. Las zapatas de cobre delanteras y traseras tienen una separación paralela

de modo que forman un molde rectangular en el cual se desarrolla el proceso de soldadura.

En la parte inferior de esta ranura se encuentra la zapata de arranque, que inicia el proceso

mediante la formación de un arco con uno, dos o tres alambres continuos según el espesor

de las chapas del material a soldar. El arco se mantiene el tiempo adecuado para que se

produzca la suficiente escoria líquida (suele ser entre 30 y 50 mm de profundidad).

Cuando hay la suficiente escoria líquida, se eleva la intensidad de corriente y se disminuye la

tensión. El proceso cambia a soldadura total de escoria eléctrica. El calor generado en la

escoria líquida para formar la soldadura, es producido al disiparse la energía en la capa de

escoria. La temperatura del baño de escoria es elevada y se encuentra entre los 1750 y los

2000 °C. La solidificación de la soldadura es progresiva desde la parte inferior hasta la

superior, existiendo siempre metal fundido sobre el metal a soldar. La escoria permanece en

la parte superior debido que su densidad es menor que la del metal fundido.

Las reacciones de la escoria se producen en el electrodo por la relación entre el área y el

volumen, además de las corrientes producidas por la escoria. Se usan fuentes de

alimentación de corriente continua para realizar la soldadura por este proceso.

Crecimiento de grano

Hay que tener especial cuidado con el tamaño de grano ya que es el factor más importante

en este proceso de soldadura. Si se reduce provoca al mismo tiempo el aumento de la tensión

de fluencia y también de la resistencia al impacto.

Los elementos más utilizados para el afinamiento de grano son los siguientes: niobio,

vanadio, aluminio y titanio. Se utilizan en pequeñas cantidades y por eso se les denomina

microaleaciones.

Tipos de soldadura por electroescoria:

La soldadura por electroescoria tiene dos variantes:

Soldadura con aportación de hilo continuo: El hilo de aportación es alimentado por la

corriente.

Soldadura con aportación de hilo continuo y tobera consumible: Utiliza una tobera

consumible.

Los consumibles que se pueden utilizar son:

Alambre.

Flux.

Existen dos modos de implementar el proceso de soldadura por electroescoria. El primer

sistema es mediante el empleo de un dispositivo automático acoplado en una columna

vertical permitiendo elevar las zapatas y el cabezal de soldadura a medida que la soldadura

va progresando desde la zona inferior hasta la superior.

Los problemas de esta primera opción son el alto coste que supone y el gran peso del

dispositivo. Además la superficie lateral debería ser tan lisa como se pudiera para que el

desplazamiento de las zapatas fuera más fácil.

En el segundo sistema se emplea una guía consumible para llevar el alambre hacia la zona de

fusión del material. Este guía debe estar aislada eléctricamente para evitar que se produzcan

arcos erráticos. Además, esta guía se va consumiendo a medida que la soldadura va

progresando con lo que contribuye al volumen de metal depositado. Las ventajas de este

método son que no necesita de un dispositivo de elevación para el cabezal ya que no existen

partes móviles. Si la guía tiene la sección transversal suficientemente grande la velocidad de

adición de aporte puede ser aumentada considerablemente. Si se desean agregar elementos

de aleación, se puede variar la composición de la guía consumible. Como este método es auto-

regulable se puede aumentar la velocidad de soldadura reduciendo el espacio entre las

chapas a soldar.

Tipos de escoria

Los tipos de escoria empleados pueden ser de tipo ácido con base de SiO_{2} o de tipo básico

con alto contenido de CaO-CaF_{2}.

La presencia de oxígeno empeora las propiedades a impacto de la soldadura. Las escorias de

tipo básico presentan la ventaja de reducir el contenido de oxígeno disuelto en el metal

fundido y además refinan el metal de impurezas como puede ser el azufre. Por tanto las

escorias de este tipo mejoran las propiedades mecánicas de la soldadura.

Ventajas y desventajas

Ventajas

Gran velocidad de soldadura que se puede alcanzar.

El proceso se puede auto-regular.

Soldadura de buena calidad.

Gran rendimiento en el aporte de material. Se pueden conseguir grandes tasas de aporte de

material (entre 15 y 20 kg/h)

Productividad elevada.

Bajos costes de preparación de los equipos.

Las máquinas utilizadas para la soldadura por electro escoria se pueden preparar con una

cepilladora o una máquina de oxicorte, siendo esta preparación más económica que la de

otros procesos de soldadura.

La posibilidad de realizar el proceso en una sola pasada permite un ahorro de tiempo

considerable comparado con soldaduras de múltiples pasadas.

Capacidad elevada para soldar metales gruesos.

Se produce una mínima tensión transversal.

Desventajas

Tiene un coste alto.

La gran cantidad de energía que se utiliza. Además la energía producida provoca un

enfriamiento lento causando un crecimiento de grano en la zona afectada térmicamente.

Necesidad de una zona lisa para el fácil desplazamiento de las zapatas.

Hay casos de fractura frágil en la zona soldada. Se debe a que la resistencia al impacto no es

lo suficiente elevada en la zona afectada térmicamente y no puede soportar el agrietamiento

a temperatura baja.

Aplicaciones

Las aplicaciones más comunes son en el sector de la metalurgia , sector de la creación de

puentes, naves industriales y maquinaria muy pesada. También se utiliza para soldar

paredes gruesas, juntas en grandes hornos, y para soldar aceros inoxidables. Es muy común

en la industria naval, para la unión de chapas gruesas de acero al carbono. También es

empleado para la unión de chapas en vertical y para grandes secciones de piezas de fundición

y forja de acero, aluminio y titanio. Los espesores de estas chapas están comprendidos entre

20 y 350 mm

TIPOS DE CONEXIONES SOLDADAS:

A tope:

Son las más ampliamente usadas en todos los métodos de soldadura, puesto que cuando se

sueldan producen un bajo índice de tensiones y deformaciones. Las uniones a tope, por lo

general, se utilizan en las construcciones de chapas de metal.

Esas uniones implican un gasto menor de metal base y de metal de aportación, así como

también un tiempo más corto en la terminación de los trabajos de soldadura. Puede n ser

ejecutadas con una resistencia igual a la del metal base. No obstante para la elaboración de

las uniones a tope se exige una preparación más adecuada de las piezas. Si se ejecuta a mano

la soldadura de chapas metálicas de 4-8 mm de espesor, los bordes pueden ser rectos (o sea

sin ninguna preparación). En este caso las chapas se colocan con una holgura de 1-2 mm.

Podemos soldar a tope y por un solo lado, sin preparación de los bordes, las chapas cuyo

espesor sea de hasta 3 mm; para la soldadura bilateral ese espesor puede ser de hasta 8 mm.

Las planchas con un espesor de 4-26 milímetro, se unen a tope con biselado unilateral de los

bordes cuando se les aplica el procedimiento de soldadura manual por arco. Este tipo de

preparación de los bordes se denomina en V. Las láminas con un espesor de 12 a 40 mmm y

más se sueldan previo biselado bilateral de los bordes, denominado en X.

Una junta a tope es el tipo más simple de junta soldada. Se utiliza para unir dos objetos que

reposan sobre el mismo plano. La junta entre los dos objetos puede consistir en dos bordes

cuadrados, en forma de "V" o de "U". El perfil depende de los materiales que serán soldados,

y también puede depender de la aplicación que se le desea dar a esos materiales. Todas las

juntas a tope pueden consistir en una soldadura simple o doble, siendo las soldaduras

simples las que tienen una mejor relación costo-beneficio.

Ejemplos de soldadura de a tope.

Uniones en T:

Se usan ampliamente en la soldadura por arco y se efectúan con o sin preparación de los

bordes de una cara o de las dos caras. La plancha vertical debe tener el borde base bien

elaborado. Cuando los bordes de la plancha vertical se biselan por una o ambas caras, entre

las piezas horizontal y vertical se deja una holgura de 2-3 mm para obtener una buena

penetración en todo el espesor de la pieza vertical. El bisel en una sola cara se realiza en caso

de que la construcción de la pieza no permita efectuar la soldadura en T por los dos lados.

Las soldaduras en "T" se utilizan para unir dos objetos en el ángulo adecuado para formar

una forma de "T". Un ejemplo simple sería una viga de metal suspendida de un cielorraso. La

soldadura puede realizarse en uno de los dos lados de la viga, donde ésta se une con la

cubierta del techo. Si el objeto metálico estuviera colocado por encima del techo en una

formación de tipo cruz, el resultado de la soldadura sería lo que se conoce como una junta en

forma de cruz.

Ejemplos de soldadura en T.

De filete:

Soldadura en filete.

Este tipo de soldadura (soldeo) es el más común y su aspecto recuerda a un triángulo que

resulta de unir dos superficies en ángulo como los casos de las soldaduras en “T”, en solapa

y en esquina. La soldadura en filete posiblemente represente el 80% de todas las uniones

soldadas por arco eléctrico.

Es el tipo de soldadura que más se utiliza y es llamada así debido a la forma de su sección

transversal. El filete se considera sobre la unión y se define como “una soldadura de sección

transversal aproximadamente recto entre sí

El tamaño del filete está determinado en la norma AWS como la longitud de los catetos (Z)

formados por el triángulo de la soldadura (visto en su sección) y las piezas a soldar. Si los

catetos del filete son iguales, en el símbolo de la soldadura se coloca el tamaño del filete

(cateto) delante del elemento que representa al filete. Si por el contrario, los catetos del filete

son de tamaño diferente, se cola primero la dimensión del cateto vertical y luego la del cateto

horizontal.

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 más 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:

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. 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).

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.

Ejemplo de soldadura de filete.

EFECTO TERMICO.

Soldar, es llevar los bordes de las partes a ser unidas hasta el punto de fusión adicionándole

o no un metal de aporte y luego permitir al conjunto enfriarse hasta Temperatura ambiente.

Lo más relevante de este proceso es sin duda el calentamiento localizado seguido de

enfriamiento que produce en las piezas soldadas una serie de efectos indeseables. Las

velocidades de calentamiento y enfriamiento son elevadas. La velocidad máxima alcanza los

300ºC /seg. Durante el calentamiento y/o enfriamiento a un nivel de temperatura de 1000ºC,

reduciéndose al disminuir la temperatura a valores de 6ºC / seg. a 550ºC.

La Velocidad de enfriamiento en el centro del cordón de soldadura puede aproximarse con

la siguiente fórmula:

Ve = 2 p K (Tc - To) ² / H input

Ve: Velocidad de enfriamiento en el centro del cordón de soldadura

K: Conductividad térmica del metal (Joule/ m seg. ºC)

K acero 0,2% C, 0,6% Mn: 0,028

K cobre : 0,20

K aluminio: 0,12

To: Temperatura inicial del metal base (T de precalentamiento)

Tc: Temperatura a la cual se calcula la velocidad de enfriamiento

H Input: Heat Input o Calor Aportado (J / mm).

Los efectos térmicos son esencialmente tres (3):

1.- Generación de Tensiones Residuales y/o distorsión

2.- Modificación de la Estructura Metalográfica

3.- Absorción de gases por el metal fundido.

TENSIONES RESIDUALES Y/O DISTORSIÓN.

Las construcciones soldadas contendrán usualmente Tensiones Residuales del orden de la

resistencia a la Fluencia paralelas al eje de la Soldadura y una fracción de la misma

(dependiendo del grado de embridamiento, espesor, o restricción a la contracción) en las

direcciones perpendiculares al cordón. Las Tensiones Residuales también pueden estar

presentes en el material base producto del laminado, rolado u otros Tratamientos Térmicos

anteriores.

La mayoría de los Metales al calentarse se dilatan. Si el calentamiento es localizado como

ocurre durante la soldadura, la falta de uniformidad de la Temperatura produce dilataciones

diferentes en distintos puntos de la pieza en un mismo instante generándose por esa razón

Tensiones Térmicas.

Si estas Tensiones alcanzan el Límite de Fluencia algo que ocurre normalmente en el cordón

de soldadura, se produce deformación plástica localizada que luego en el enfriamiento

genera Tensiones Residuales y / o distorsión. Las Tensiones Residuales son un sistema de

Tensiones dentro de la parte soldada que se compensan ellas mismas y pueden existir en

ausencia de una carga externa.

Esto significa que si hay en una parte del material Tensiones residuales de tracción

seguramente en otra parte del mismo habrá Tensiones Residuales de compresión que

mantienen en equilibrio el conjunto. En una Soldadura existen Tensiones Residuales tanto

longitudinales como transversales al cordón. Se puede ver en la soldadura de dos chapas

planas que las Tensiones longitudinales son de Tracción en el cordón de Soldadura siendo

balanceadas por Tensiones de Compresión en el metal base adyacente. En el caso de

tensiones Transversales la parte media del cordón está sometida a Tensiones de Tracción

mientras que los extremos están sometidos a compresión. También puede haber Tensiones

Residuales en la dirección del espesor particularmente en el caso de secciones gruesas.

El efecto de las Tensiones Residuales en el comportamiento de estructuras soldadas es

significativo solo en fenómenos que tienen lugar a bajas tensiones, tales como Fatiga,

Fractura Frágil y Corrosión Bajo Tensión. Las Tensiones Residuales pueden influir en algún

modo de falla, o características en Servicio del material, pero no necesariamente producen

daño.

Los efectos de las Tensiones Residuales en el modo de Falla se pueden resumir en lo

siguiente:

1) Fluencia y Colapso Plástico. El efecto de las Tensiones Residuales es insignificante para

estructuras Soldadas bajo tensiones superiores a la fluencia.

2) Fractura. A medida que el nivel de las tensiones aplicadas aumenta, el efecto de las

Tensiones Residuales disminuye. Se suman a las Tensiones aplicadas. Cuando se combinan

pueden causar fluencia localizada haciendo necesaria alguna corrección en el diseño. Son

perjudiciales en situaciones de baja tenacidad

3) Fatiga. Las Tensiones Residuales de Compresión pueden mejorar la resistencia a la fatiga

de estructuras Soldadas. Las Tensiones Residuales de Tracción en cambio disminuyen la

resistencia a la fatiga ya que elevan la Tensión Media y la Relación entre la Tensión Mínima

y la Máxima (fmin/fmax). Su efecto es perjudicial al evitar el cierre de la fisura. Aumentan la

Relación fmin. / fmax. Independientemente de la Relación de las tensiones aplicadas. Las

Tensiones Residuales de Compresión retardan o anulan el crecimiento de fisuras por fatiga

al reducir fmin / fmax e inducir el cerramiento de la fisura. Se pueden introducir Tensiones

de Compresión localizadas por calentamiento local, compresión local, martillado, o

sobrecargas. El efecto de las tensiones residuales tiende a disminuir luego de cargas

repetidas.”Fatigue

4) Corrosión bajo Tensión. En un ambiente apropiado, tensiones Residuales de Tracción

pueden ser suficientes para causar Corrosión bajo Tensión en un material particular con o

sin la presencia de Tensiones adicionales.

5) Pandeo. Las Tensiones Residuales reducen significativamente la resistencia al Pandeo de

columnas fabricadas por Soldadura.

6) Creep. Tiene poco o ningún efecto.

7) Fisuración de Soldadura. Las Tensiones Residuales pueden influir en distintos tipos de

fisuración de Soldadura. Fisuración en caliente durante la solidificación. Fisuración por

Hidrógeno en zonas duras de la ZAC, desgarre Laminar, fisuración por recalentamiento.

8) Distorsión. En estructuras esbeltas, las tensiones residuales aunque pequeñas pueden

producir distorsiones importantes durante el posterior mecanizado.

MODIFICACION DE LA ESTRUCTURA METALOGRÁFICA.

La mayoría de los aceros modernos obtienen sus propiedades mecánicas por intermedio de

procesos termomecánicos como Forja, laminación, extrusión, fundición o Tratamiento

Térmico los que realizados correctamente proporcionan una microestructura óptima para

soportar las solicitaciones mecánicas.

Cuando a esta estructura se le aplica el ciclo térmico de la Soldadura se forman dos zonas

perfectamente diferenciadas:

1.- Metal fundido con o sin presencia de metal de aporte.

2.- Zona afectada por el calor (ZAC).Esta zona está afectada estructuralmente sin haber

llegado a la fusión.

Estas dos zonas ya no tienen la Estructura óptima original del Material Base y por lo tanto

puede considerarse a este cambio estructural un efecto Indeseable del ciclo térmico de

Soldadura.

Esto puede controlarse parcialmente por dos medios.

1. Modificando el Ciclo Térmico de la Soldadura.

Actuando sobre las variables del proceso de Soldadura. El Calor Aportado (Heat Input). Su

aplicación tiene limitaciones.

Por medio del Precalentamiento del Material Base.

2. Realizando un ciclo térmico luego de la Soldadura con Temperaturas y velocidades de

calentamiento / enfriamiento controlado. A este ciclo se le llama TRATAMIENTO TÉRMICO

POST SOLDADURA. (TTPS) (PWHT) y conjuntamente con el Precalentamiento es la forma

idónea para evitar o corregir los Efectos Indeseables de la Soldadura.

ABSORCIÓN DE GASES POR LA SOLDADURA.

Uno de los Problemas más importantes a tener en cuenta cuando se estudian los Efectos

Indeseables del proceso de Soldadura es la Absorción de Gases por el Metal Fundido.

Cualquiera que sea el procedimiento de Fusión, en el acero líquido se fijan cantidades más o

menos importantes de los gases del aire (Oxigeno y Nitrógeno) y de los productos de

descomposición del revestimiento, principalmente Hidrógeno procedente de la humedad o

del agua de cristalización de ciertas substancias químicas.

.- El Oxígeno puede presentarse disuelto o formando óxido de hierro o combinado con otros

óxidos. En estado disuelto puede influir sobre las propiedades mecánicas de la Solución

Sólida Ferrita; en estado de óxido influye por la presencia de inclusiones en la tenacidad y

estricción del metal de soldadura.

.- El Nitrógeno origina al nitruro de hierro Fe4N en forma de agujas que también influye en

la tenacidad.

Cuando el Nitrógeno se encuentra disuelto produce el envejecimiento del acero con la

correspondiente falta de plasticidad.

.- Pero el verdadero problema y mucho más grave es que durante la Soldadura el acero

también absorbe Hidrógeno, lo mismo que absorbe oxígeno y nitrógeno. Las Soldaduras

oxiacetilénicas contienen muy poco hidrógeno (2 a 3 cm3 por 100g de metal); La

concentración de hidrógeno en las soldaduras por arco es, por el contrario mucho más

importante y puede llegar a alcanzar el límite de solubilidad de este gas en el metal líquido

(28 cm3 por 100g de metal) según sea la naturaleza del revestimiento. El hidrógeno es la

causa de la formación de Micro fisuras, sopladuras y es el formador de los Fish-eyes.

REQUISITOS DIMENSIONALES EN LA JUNTA SEGÚN LA AWS

Los procedimientos de soldadura deben ceñirse por los procedimientos establecidos por la AWS o por los códigos pertinentes. En estos procedimientos debe tenerse en cuenta los diámetros del electrodo, la corriente , la longitud de arco , la velocidad de aplicación , el ángulo correcto , la limpieza de la pieza antes de soldar , la limpieza de la de la escoria antes de soldar la siguiente capa, la resistencia del metal de aporte.

Existen diferentes tipos de soldadura como la E6010, E6011, E6012, E6013, E7014, E7018, etc. La anterior nomenclatura utilizada comúnmente corresponde a una clasificación de la AWS y la ASTM. El nombre del electrodo utilizado, está formado por una serie de 4 o 5 dígitos y se puede dividir en 4 partes. La primera letra el último digito, el penúltimo digito, y los dígitos centrales.

La primera letra, la letra E se utiliza en la soldadura eléctrica.

Los dígitos centrales que pueden ser dos o tres según sea el caso, corresponden a la resistencia mínima a la tensión del metal depositado en KSI, por ejemplo para un E60xx se tiene una resistencia a la tensión de 60 KSI y para un E110xx una resistencia de 110KSI.

El penúltimo digito, corresponde a la posición de aplicación:

1. Para todas las posiciones (Exx1x) 2. Para posición horizontal (Exx2x) 3. Para la posición plana (Exx3x)

Y el ultimo digito varía según el tipo de energía, tipo de escoria, tipo de arco , magnitud de penetración etc., por ejemplo, un electrodo E6013 se usa con corriente alterna o directa, con cualquier polaridad y tiene mayor rapidez de avance que el E6010, el electrodo E7018 tiene alto régimen de depósito y metal fundido se endurece rápidamente, es adecuado para soldar aceros al carbono de contenido bajo y mediano en todas las posiciones y ti[pos de junta, se puede usar con corriente directa de polaridad invertida o corriente alterna, es de buena calidad y sus propiedades mecánicas son excelentes.

Soldadura a tope

Soldadura a tope. Es una soldadura en la que las piezas a soldar se unen por sus extremos a tope, al

presionarlas cuando se circula por ellas una corriente eléctrica se genera una temperatura,

lográndose de esta manera la unión.

Durante la soldadura a tope (fig.), las piezas a soldar se fijan en los sujetadores de cobre de la máquina

de soldar. El sujetador 2 va fijado en el carro portaherramientas y puede desplazarse por las guías de

la placa, al mismo tiempo el sujetador 1 se afirma a la placa inmóvil. El devanado secundario

del transformador se conecta, con los sujetadores de la máquina de soldar, por medio de conductores

flexibles; el devanado primario se conecta a la red de corriente alterna. El recalcado de las piezas

calentadas se efectúa mediante un mecanismo especial desplazado por el carro portaherramientas.

Procedimientos de la soldadura a tope

Se distinguen tres procedimientos de soldar a tope:

1) soldadura por resistencia

2) soldadura por fusión

3) soldadura por fusión intermitente

Soldadura por resistencia

Para soldar por resistencia, las piezas fijadas en los sujetadores se oprimen estrechamente una contra otra y se conecta la corriente. Una vez calentados los cantos a soldar hasta un estado plástico, se interrumpe la corriente y se hace un recalcado. La soldadura por resistencia se emplea para unir piezas de aceros pobres en carbono y de aleaciones no ferrosas, con una superficie de las zonas a unir igual a unos 1 000 mm2.

Soldadura por fusión

Para soldar por fusión, la corriente se conecta antes de unir las piezas. Una vez conseguida la holgura determinada entre las piezas, se origina un chisporroteo y se funden los bordes. Acto seguido, se corta la corriente y se efectúa el recalcado, a una presión de 250 a 500 kg/m2, para obtener un empalme soldado. La soldadura por fusión se emplea para unir cadenas, carriles, tubos, herramientas, piezas estampadas de chapas y también materiales de distinta naturaleza, a saber: acero - cobre, acero - latón, aluminio - cobre, acero al carbono, etc. La ventaja de este procedimiento de soldar consiste en su elevada productividad y en la alta calidad del empalme soldado; su desventaja consiste en las pérdidas de metal debido a la quemadura originada. La soldadura por fusión intermitente se efectúa alternando la presión durante el contacto de las caras a soldar. Al calentarse las caras hasta la temperaturadeterminada, la descarga eléctrica provoca la fusión de los bordes. Una vez conseguida la fusión de la zona requerida, se aprietan enérgicamente las caras a soldar

Soldadura por fusión intermitente

La soldadura por fusión intermitente se recomienda en los casos en que la potencia de la máquina no es suficiente para soldar por fusión continua. La potencia de las máquinas de soldar a tope se calcula partiendo de 6 a 15 kW por cm2 de sección a soldar. Al soldar las piezas con contornos cerrados la potencia ha de ser duplicada.

La tensión de la corriente de soldadura oscila de 5 a 15 V.

Requisitos para lograr una soldadura de calidad

Para obtener una unión de alta calidad, las superficies a soldar deben ser de igual sección y paralelas una a otra. La longitud de cada uno de los extremos a y b, que sobresalen de los sujetadores (fig.), debe variar en los límites de 0,6 - 0,7 d. Si los metales a soldar poseen distinta conductividad eléctrica, la longitud de la parte saliente del metal con mejor conductividad eléctrica debe ser mayor que la del otro. El sobreespesor para la fusión y recalcado debe hallarse en los límites de 0,35 a 0,75 de la longitud de la parte sobresaliente de la pieza.

Clasificación de las máquinas para soldar a tope

Según su destino, las máquinas de soldar a tope pueden ser de funcionamiento a mano y automático.

Aplicaciones de la soldadura a tope

La soldadura a tope es la usada comúnmente para la unión de hilos o alambres y tubos, muy utilizada en la fabricación de cestas, rejas, mallas, cadenas, etc, en la actualidad se utiliza este tipo de soldadura en la unión de tubos de polietileno.

Resistencia de cálculo de las soldaduras a tope

Como ya se ha dicho anteriormente, si la soldadura es de penetración total no es necesaria ninguna

comprobación. La resistencia de cálculo será igual a la de la más débil de las piezas unidas. Por otro

lado, no se permite emplear un solo cordón de soldadura a tope con penetración parcial para

transmitir esfuerzos de tracción perpendiculares a su eje longitudinal. En uniones a tope con

penetración parcial la resistencia de cálculo se determinará como la de los cordones de soldadura en

ángulo, teniendo en cuenta lo siguiente: - el espesor de garganta será la profundidad de la penetración

que se pueda conseguir de forma estable, y que se debe determinar mediante evidencia experimental

previa; - para el caso de que se tenga preparación de bordes en U, V, J o recto, se tomará como espesor

de garganta el canto nominal de la preparación menos 2,0 mm, a menos que se puedan justificar

experimentalmente valores superiores. Si la soldadura es en T se comprobará como una soldadura a

tope con penetración total, si se cumple lo siguiente:

En cualquier otro caso se comprobará como una soldadura en ángulo o en ángulo con penetración

si es que se cumplen las condiciones correspondientes.

Por otro lado, cuando se trate de perfiles en L o en U unidos por una sola cara, se debe tener en

cuenta la excentricidad, o alternativamente, se deberá considerar como sección del perfil el área

concéntrica con la resistencia de la unión.

Por último, para el caso de uniones híbridas, trabajando a cortante con distinto tipo de tornillo o

formadas por cordones de soldadura y tornillos, cada uno de estos grupos se dimensionará para

transmitir la carga total. Sin embargo, se podrán considerar trabajando conjuntamente con la

soldadura, los tornillos de alta resistencia diseñados para trabajar sin deslizamiento en estado

límite último. En este caso, el apriete final de los tornillos se efectuará una vez realizadas las

soldaduras.

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 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).

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.

Seleccionar el proceso de soldadura y el electrodo correspondiente (Ver Tabla 18.2 de la Norma 1618).

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

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, la soldaduras no deben ser simétricas.

Tamano minimo de la soldadura de filete

Tamaño mínimo de la soldadura de filete no será menor que el requerido para transmitir las

solicitaciones calculadas

Tamaño máximo de la soldadura de filete

El tamaño de la soldadura está limitado a la destrucción del material adyacente la eficiencia

y la forma y espesor de la arista del material a unir.

Se utiliza una soldadura de gran tamaño para unir piezas delgadas , se presenta destrucción

del material base por el calor generado por la soldadura .

Por otro lado se prefiere el uso de la soldadura de mayor tamaño para disminuir la longitud

de la soldadura de filete sin embargo si se aumenta el tamaño de la soldadura el proceso

mismo de la soldadura puede resultar mas costoso por el consumo de corriente la mano de

obra etc. que trabaja con la soldadura de menor tamaño y mayor longitud .

El tamaño máximo de filetes de soldadura será:

• En los cantos de planchas de espesor menor de 6 mm, el espesor de la plancha.

• En soldaduras ala-alma de vigas, no es necesario que el tamaño de las soldaduras

exceda el requerido para desarrollar la capacidad del alma. Los requisitos anteriores

no son aplicables.

• En los cantos de planchas de 6 mm o más de espesor, el espesor de la plancha menos

2 mm.

• Longitud mínima efectiva de filete diseñado en base a resistencia no será menor que

4 veces su dimensión nominal.

• La longitud máxima efectiva cargados por fuerzas paralelas a ellos no debe exceder

70 veces su tamaño nominal

• En juntas traslapadas el mínimo traslapo será de 5 veces el espesor del elemento mas

delgado que se une, pero no será menor de 25 mm. Ver figura

• Terminación de filetes: los filetes de soldadura podrán extenderse hasta los bordes

de las partes unidas o retornar alrededor de los extremos.

Longitud de la soldadura de filete

Largo Efectivo (filete en línea recta)

El largo efectivo (lw) de un filete recto debe ser el largo para un mismo tamaño o cateto de

filete, incluidos retornos o retomas de extremo

Largo Efectivo (filete curvilíneo)

El largo efectivo de un filete curvilíneo será el determinado como la medida a lo largo de una

línea media central de la garganta efectiva.

Largo Mínimo

El largo mínimo de un filete no deberá ser menor que cuatro (4) veces el tamaño o cateto

nominal.

Largo Mínimo en Filetes Discontinuos o Intermitentes

El largo mínimo de los segmentos de filetes discontinuos o intermitentes no deberá ser

menor que 38 mm.

El tamaño del filete está determinado en la norma AWS como la longitud de los catetos (Z) formados por el triángulo de la soldadura (visto en su sección) y las piezas a soldar.

Si los catetos del filete son iguales, en el símbolo de la soldadura se coloca el tamaño del filete (cateto) delante del elemento que representa al filete.

Si por el contrario, los catetos del filete son de tamaño diferente, se cola primero la dimensión

del cateto vertical y luego la del cateto horizontal.

Cuando el cordón de soldadura debe tener una longitud determinada, este dato se coloca detrás del símbolo que representa al filete.

Para indicar la ubicación del cordón de soldadura y su longitud en la pieza, se puede representar con un sombreado como lo muestra la figura siguiente.

La ubicación y longitud del cordón de soldadura también puede mostrarse en el plano

recurriendo a las flechas de cotas como lo muestra la figura siguiente.

Cuando la soldadura a realizarse es intermitente, en el símbolo para indicar la soldadura se

coloca la longitud del cordón y la separación o paso entre cordones detrás del símbolo que

representa al filete.

Si la soldadura a cada lado de la unión es simétrica, el símbolo que representa al filete se

coloca por arriba y por debajo de la línea de referencia alineados.

Si los cordones de soldadura intermitentes a cada lado de la unión están desfasados, los

símbolos que representan al filete a cada lado de la línea de referencia están también

desfasados.

Si se tiene que especificar soldaduras continuas con discontinuas que están combinadas, se

procede de la manera que lo muestra la figura siguiente.

El contorno del filete de soldadura obtenido por el mismo proceso de soldar, puede ser

indicado en el símbolo si es necesario, el contorno obtenido aproximadamente puede ser

plano, convexo o cóncavo. El símbolo suplementario para in dicar el contorno queda

expuesto en la figura siguiente.

Especificaciones basicas de juntas traslapadas

Al unir piezas se pueden encontrar juntas de traslape , juntas de traslape doble o juntas de

cortante múltiple

En las juntas de traslape simple en una conexión por aplastamiento el eje de los elementos

no coincide y las fuerzas aplicadas forman un par razón por el cual las fuerzas que

inicialmente no son colineales buscan serlo , lo cual hacen que las piezas tiendan a

flexionarse , resultando un esfuerzo de aplastamiento mayor que el normal en un lado de

cada pieza ,por esta razón este tipo de juntas no debe usarcé para conexiones principales y

se debe utilizar por lo menos dos conectores a lo largo de la línea de acción de la fuerza en

cada pieza para reducir la flexión . cada tornillo está sujeto a corte en un solo plano.

Las juntas de traslape doble tienen la ventaja sobre las juntas anteriores de cada tornillo está

sujeto a corte en dos planos y adicionalmente , como la condición de carga es simétrica (si

las platinas exteriores son de igual espesor ) no hay momento externo lo cual la flexión de

las piezas se disminuye . Sin embargo la distribución de esfuerzo de aplastamiento no es

totalmente uniforme debido a que se puede presentar una flexión mínima

Pueden existir también juntas de traslape múltiple en donde se une mas de tres piezas sin

embargo este tipo de juntas el conector puede ser muy largo y puede tener problemas de

flexión adicionalmente en el diseño de la capacidad del corte del tornillo es aconsejable tener

en cuenta solo dos aéreas de corte por tornillo ya que es poco probable que se presente falla

de la conexión en mas de dos cortes de planos simultáneamente.

GENERALIDADES Para reducir la excesiva cantidad de información contenida en los documentos y dibujos se han desarrollado LOS SIMBOLOS DE LA SOLDADURA, que reemplazan palabras escritas y detalles gráficos, para poder presentar la información de una manera clara y abreviada Los símbolos, esquematizados en los dibujos de Ingeniería, proporcionan la manera de interpretar la información de la soldadura que se aplicará en un determinado proceso Los símbolos usados en esta presentación son ilustrativos. Ellos buscan facilitar una comunicación efectiva entre diseñadores, suministradores y fabricantes de piezas soldadas. Las usuales limitaciones incluidas en las especificaciones, códigos y diseños están más allá del alcance de esta presentación Los simbología, acá presentada, es la adoptada por la AWS .(American Welding Society). Esta presentación es consistente con la Norma Internacional Standard: ISO 2553 La proyección de los esquemas es consistente con el sistema de proyección ASA; sistema de proyección del tercer cuadrante

Sistemas de Unidades

El sistema métrico o inglés se puede considerar como estándar para dibujar estos símbolos. No se puede usar un sistema dual de unidades en una representación simbólica de soldadura. Lo que si se puede hacer, en caso de considerarlo conveniente, es incluir en el dibujo tablas de conversión de unidades. (ANSI Y14 Drafting Manual y AWS A2.3-75 Metric practice (SI) Guide for the Welding Industry)

Tipos básicos de juntas a soldar

SÍMBOLOS DE LA SOLDADURA La Sociedad Americana de la Soldadura (AWS), ha desarrollado un Estándar que describe los símbolos usados para la soldadura ws. El Standard de la AWS que se expone en esta presentación: AWS A2.4, “Símbolos para la Soldadura y Ensayos no Destructivos” , detalla todos los requisitos para representar estos símbolos. Representación de Símbolos básicos

Describen como será la configuración de la soldadura; es decir, se refiere al tipo y forma de la soldadura que se aplicará en determinado proceso

Representación de Símbolos suplementario

Son símbolos adicionales que son empleados para adicionar información importante a tener en

cuenta al aplicar la soldadura

Términos acompañantes de los símbolos

Línea de referencia: Posición horizontal Flechas Símbolos básicos de soldadura, indica el tipo de soldadura Dimensiones de la soldadura y otros datos Símbolos suplementarios Símbolos de acabado Cola de la línea de referencia Especificaciones, procesos y otras referencias

Línea de referencia para ubicar símbolos Los símbolos básicos y suplementarios junto con la demás información necesaria para aplicar la soldadura, se ubican alrededor de: LINEA DE REFERENCIA STANDARD

Significado de la flecha de la línea de referencia La flecha conecta a la línea de referencia y sus símbolos con la junta a soldar. Es necesario identificar e interpretar claramente los términos:

Lado de la flecha

Otro lado de la flecha Ambos lados de la flecha

La flecha señala el centro del cordón de soldadura

Ubicación de la flecha con respecto al cordón de soldadura

Soldadura en la zona de punto de contacto de la flecha

Soldadura en la zona opuesta del punto de contacto de la flecha

Soldadura en ambas zonas: en la de contacto de la flecha y en la opuesta

Cuadro para la identificación de algunos procesos de soldadura

Símbolo de soldadura de respaldo Se aplica en numerosos tipos de soldadura para describir que la penetración va más allá de la superficie de respaldo de la unión. El símbolo de refuerzo siempre aparece relleno de negro. El relleno puede ir dimensionado a la izquierda del símbolo

Soldadura de campo

Es la soldadura que se realiza en el punto de instalación de la pieza. No en el taller de fabricación

Soldadura de contorno

La soldadura se aplica alrededor de la pieza

Línea de referencia quebrada

CONSTRUCCION DE LOS SIMBOLOS

A continuación se describe la construcción de los símbolos: Filetes, biseles, Chaflanes en V, chaflanes en J o ensanchados etc. Perpendicularidad línea símbolo-línea de referencia

La línea del símbolo, perpendicular a la línea de referencia, se coloca a la izquierda independiente del sentido de la flecha.

Ubicación de la información acerca de los símbolos

La información, acerca de los símbolos de soldadura, se debe colocar a lo largo de la línea de referencia para ser leídos de izquierda a derecha

Combinación de símbolos La combinación se hace, en una sola línea de referencia, cuando se aplica más de una soldadura

Combinación en una línea de referencia

A continuación se muestra un ejemplo de combinación de símbolos con aplicaciones de línea de referencia quebrada.

Penetración de la soldadura

La sigla “ CP ”, indica penetración completa, independiente del tipo de junta o de tipo de soldadura

Tipos especiales de soldadura: En este caso la información a lo largo de la línea puede indicar que se remita a un dibujo específico en otro lugar del mismo o de otro plano

Ubicación de la Información suplementaria

Se usa líneas de referencia adicional para ubicar información suplementaria. Ejemplo: Alguna simbología sobre ensayos y pruebas de soldadura se puede ubicar en una segunda o tercera línea

SOLDADURA DE FILETE Terminología de una unión soldada en filete

Partes de una soldadura de filete

Soldadura de filete con fusión incompleta en la raíz

Soldadura de filete convexo

Soldadura de filete cóncavo

Soldadura en filete con fusión incompleta

Junta en T con apertura de raíz

Dimensiones de la soldadura de filete

Las medidas de altura y ancho del filete se ubican a la izquierda del símbolo. La medida del extremo izquierdo es la altura. La longitud del filete y la distancia entre centros de intervalos de soldadura se colocan a la derecha del símbolo. La primera medida, de la derecha del símbolo, corresponde a la longitud del filete; luego, va un guión que separa la medida entre centros de intervalos.

Una práctica común es la aplicación de soldadura en intervalos intermitentes, en lugar de continua, para disminuir la tensión y la distorsión entre los materiales. Así mismo, para ahorrar material y tiempo en la aplicación de la soldadura

Si a la derecha no hay dimensión, implica que la soldadura es continua a lo largo de toda la unión

Dimensiones de soldaduras en filete: 2D

Dimensiones de soldaduras en filete: 3D

Soldaduras en filete: Por intervalos continuos e intermitentes

Ubicación de las medidas: Si las dimensiones y características del filete es la misma en todas las piezas del dibujo, no es necesario colocar símbolos en cada soldadura. Mejor se coloca un solo símbolo con una nota general para todas las soldaduras del dibujo. En caso contrario, cada soldadura debe acompañarse de su símbolo con sus respectivas dimensiones

Representación de las medidas en pulgadas

Unidades de las medidas:Si los filetes de ambos lados tienen la misma dimensión, ambos deben ser dimensionados. Las unidades pueden ser pulgadas o milímetros, según las unidades a utilizar en el dibujo

Filetes opuestos con dimensiones iguales o distintas

Designación de tamaños de filetes: Si el tamaño de los filetes es igual o desigual, siempre se deben colocar las dimensiones en ambos lados

Representación de tamaños y longitud de los filetes

Dirección de la soldadura: La dirección y ubicaciones de los cordones localizados de la soldadura se especifican con esquemas

Señalización de la localización definida y/o aproximada del cordón

Soldadura de filete con penetración en ranura y en agujeros

Soldadura de filete en ranuras y agujeros

No. Filetes: Representación de filete doble para una junta o doble filete para dos juntas

Filete doble para una o dos juntas Representación de la forma de acabado de superficie:Representación del contorno o forma de acabado del filete: Convexo, cóncavo, liso etc.

Preparación de acabado: La operación a realizar para dar el acabado se representa con una letra que significa maquinado, martillado, etc.

Representación de acabado del filete

SOLDADURA DE TAPON Este tipo de uniones se realiza en elementos traslapados por llenado de agujeros de miembro superior conectado a un miembro de respaldo.

Aplicación de simbología en soldadura tapón

Simbología con dimensiones en la soldadura tapón

SOLDADURA DE MUESCA

Su representación y características son muy similares a la soldadura de tapón circular. Solo cambia la forma del agujero

SOLDADURA DE PUNTO

Representación de la soldadura de punto. El punto puede tener dimensiones. A cambio de la dimensión, se acostumbra colocar el valor mínimo de resistencia al corte que debe soportar el punto de soldadura

Dimensionamiento de la soldadura de punto

SODADURA DE COSTURA

El dimensionamiento de soldaduras de costura es muy similar al de la soldadura de punto

Aplicación de símbolos en soldadura de costura