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Diseño de uniones en estructura metálica

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Diseño de uniones en estructura metálicaMáster en Ingeniería Agronómica.

Escuela de Ingenieros Agrónomos (Ciudad Real). Universidad de Castilla La Mancha.

Tema 4. Uniones soldadas.


IndiceingenieriaRural

Introducción.1.

Tipos de soldaduras.2.

Disposiciones constructivas.3.

Dimensionamiento de los cordones de soldadura.

4.

Defectos y control de soldadura.5.

Tipología de uniones soldadas.6.


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Introducción

NormativaLos procedimientos de diseño, cálculo, ejecución y mantenimiento de uniones en estructuras metálicas mediante soldadura vienen recogidos en el CTE a través del DB SE-A.

Las prescripciones indicadas son aplicables cuando los elementos a unir tienen al menos 4 mm de espesor y son de aceros estructurales soldables.


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Introducción

Las características mecánicas de los materiales de aportación (acero de soldadura) serán en todos los casos superiores a las del material base (acero del perfil a unir).

Las calidades de los materiales de aportación, ajustadas a la norma UNE-EN ISO 14555:1999 se consideran aceptables.

Normativa


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Se llama soldadura a la unión de dos piezas metálicas de igual o parecida composición, de forma que la unión quede rígida y estanca.

Esto se consigue bien por el efecto de fusiónque proporciona la aportación de calor, bien por la aportación de otro metal de enlace opor la combinación de ambos efectos.

Introducción

Definición


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En las soldaduras por fusión el calor proporcionado funde los extremos de las piezas y al solidificar se produce la unión.

Tipos:

Introducción

Soldadura autógena (con soplete)-Soldadura con arco eléctrico-Es la que se utiliza en estructuras metálicas.


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Soldadura con arco eléctrico con electrodo metálico revestido.

Introducción


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Introducción

Elementos de una soldadura

Garganta «a»-La altura del mayor triángulo isósceles que se puede inscribir en la sección del cordón. Es función del espesor de las piezas a unir.

Longitud eficaz «L»-La longitud real del cordón de soldadura.


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Introducción

Garganta de soldadura


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Tipos de soldadura

Soldadura en ángulo-Soldadura a tope de penetración total-

Por el tipo de soldadura#

Soldadura a tope de penetración parcial-

Unión a tope (en prolongación)-Unión a tope en T-

Por el tipo de unión#

Unión por solape-


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Tipos de soldadura


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No se preparan los bordes de las piezas antes de soldar.

-

Soldadura en ánguloTipos de soldadura

La penetración del cordón se debe a la fusión del material al soldar.

-

No se admiten uniones a tope o en prolongación.

-

El ángulo de las caras a unir estará comprendido entre 60º y 120º.

-


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Soldadura en ánguloTipos de soldadura

Unión en T-

Unión en solape-


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Se preparan los bordes de las piezas para facilitar la penetración del cordón.

-

Soldadura a topeTipos de soldadura

De penetración completa.x

La soldadura alcanza todo el espesor de la unión.

De penetración parcial.xLa soldadura no alcanza todo el espesor de la unión.


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Soldadura a topeTipos de soldadura


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Disposiciones constructivas

Soldaduras en ánguloEl espesor de garganta de un cordón de soldadura en ángulo no será menor de 3 mm.

-

Los cordones deben, si es posible, prolongarse rodeando las esquinas, con el mismo espesor de garganta y longitud dos veces dicho espesor.

-


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Soldaduras en ánguloComo espesor de garganta del cordón de soldadura, se toma:

-


Este espesor es función del espesor mínimo de las chapas soldadas (EAE, EC-3).

amin amax

emin ≤ 10 mm 3 mm0,7·emin10<emin ≤ 20 mm 4,5 mm

emin > 20 mm 5,6 mm


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Soldaduras en ánguloDisposiciones constructivas


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La longitud efectiva de un cordón de soldadura en ángulo será la total del cordón siempre que se mantenga el espesor de garganta nominal. No se consideran cordones cuya longitud sea inferior a 40 mm o a 6·a.

-

En cordones laterales solicitados a tracción se recomienda que la longitudsea superior a la anchura de la pieza unida (b) o a 15·a.

-


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Los cordones de soldadura en ángulo pueden ser continuos o discontinuos(intermitentes).

-

Los cordones discontinuos se utilizan solo para unir entre sí elementos de secciones sencillas formando piezas de mayor complejidad.

-

Los cordones discontinuos no deben utilizarse en ambientes corrosivos y siempre han de cumplir las siguientes limitaciones:

-


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En tracción, -{ }mm 200 ;t16 ;t16L 11 ⋅⋅≤

{ }b,750 ;b75.0L 1o ⋅⋅≥


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En compresión -{ }b,750 ;b75.0L 1o ⋅⋅≥

{ }mm 200 b;0,25 ;t21 ;t12L 11 ⋅⋅⋅≤


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No se utilizará un solo cordón de soldadura en ángulo para transmitir esfuerzos de tracción perpendiculares a su eje longitudinal, aunque sí como parte de un grupo perimetral a una sección hueca.

-


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Soldaduras a topeNo se empleará un solo cordón de soldadura a tope con penetración parcialpara transmitir esfuerzos de tracción perpendiculares a su eje longitudinal, aunque sí como parte de un grupo perimetral a una sección hueca.

-

Tipos de preparación de bordes parapenetración total:

x

Espesor de chapa inferior a 4 mm: No hace faltapreparar bordes.

-

Espesor de chapa entre 4 y 20 mm: Bordes en V.-Espesor de chapa mayor a 20 mm: Bordes en X (a doble cara).

-


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Soldaduras a topePara garantizar que la profundidad de la zona afectada por la fusión y mezcla alcanza todo el espesor de las piezas unidas, además de preparar los bordes, al soldar por una cara se realizará un cordón de cierre o colocará un elemento recogedor de raíz.

-


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Dimensionamiento de los cordones de soldadura

Soldaduras a topeSi la soldadura es de penetración totalno es necesario ninguna comprobación.

-

La resistencia de cálculo será igual a la de la más débil de las piezas unidas.

-


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Soldaduras en ánguloAl verificar la resistencia de un cordón de soldadura en ángulo se cumplirá que la resultante de todas las fuerzas transmitidas por el cordón por unidad de longitud (Fw,Ed) no supera el valor de su resistencia de cálculo (Fw,Rd), con independencia de la orientación del cordón.

-

Rd,wEd,w F

LF

≤



Soldaduras en ánguloEn un cordón en ángulo la comprobación de resistencia por unidad de longitud es:

-

2Mw

uRd,w 3

faFγ⋅β⋅

⋅=

a: garganta del cordón de soldadura.-fu: resistencia última del acero de la chapa de menor resistencia de la unión.

-

Acero fu (N/mm2)

S235 360

ßw

0,80

S275 430 0,85

S355 510 0,90

ßw: coeficiente de correlación, dado por:-

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Soldaduras en ánguloComo longitud del cordón se tomará la nominal.

-

En uniones por solape de longitudes superiores a 150·a, la resistencia de cálculo se reducirá utilizando el coeficiente:

-

0,1a150

L2,02,1Lw ≤⋅

⋅−=β

L: longitud total del solape en la dirección del esfuerzo.


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Soldaduras a tope con penetración parcialEn uniones a tope con penetración parcial la resistencia de cálculo se determinará como la de los cordones de soldadura en ángulo, teniendo en cuenta:

-

Si existe preparación de bordes en U, V, J o recto, se tomará como espesor de garganta a el canto nominal de la preparación menos 2 mm.

x


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Soldaduras a tope con penetración parcial

Si la soldadura es en T se comprobará como una soldadura a tope con penetración total si se cumple:

x

En caso contrario se comprobará con una soldadura en ángulo si se cumplen las condiciones correspondientes.

anom,1 + anom,2 ≥ t

cnom ≤ t/5

cnom ≤ 3 mm


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Defectos y control de soldaduras


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Tipología de uniones soldadas

Unión de barras de cercha.1.Unión articulada viga-pilar con soldadura directa al alma.

2.

Unión rígida viga-pilar con soldadura directa.

3.

Unión articulada viga-pilar. Apoyo sobre casquillo angular.

4.

Unión articulada viga-pilar. Apoyo sobre casquillo rigidizado.

5.

Unión articulada viga-pilar con doble casquillo rigidizado.

6.


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Unión de barras de cercha.1.

Se comprobará la resistencia de las soldaduras laterales al esfuerzo axial.


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Articulación viga-pilar con soldadura directa al alma.2.

VEd

Se comprobará la resistencia de la soldadura al cortante.

-

La longitud de la soldadura del alma será inferior a 2/3 del canto de la viga.

-


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Unión rígida viga-pilar con soldadura directa.3.

Se comprobará la rigidez de la unión:-

Se dimensionarán las soldaduras del alma para aguantar el esfuerzo cortante.

-

Se dimensionarán las soldaduras del alapara que ofrezcan la misma resistenciaque la sección del ala de la viga.

-

Flexión por tracción en las alas del pilar.xFluencia por tracción en el alma del pilar.xAplastamiento por compresión en el alma del pilar.

x

Agotamiento por cortante en el alma del pilar.

x


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Flexión por tracción en las alas del pilar.x

Rigidizarb7,0b Si fbfb,ef →⋅≤

fccwcfbyb

2fcyc

cwcfb,ef t7r2ttftf

7r2tb ⋅+⋅+>/⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⋅⋅

⋅+⋅+=


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Fluencia por tracción en el alma del pilar.x

bef,t


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Rigidizar si Rd,tEd,t FF >

fbb

EdEd,t th

MF−

=0M

t,efwcyRd,t

b·t·fF

γ=

)rt·(5a·2·2tb cfcbfbt,ef +++=

siendo ab la garganta de soldadura que une el ala de la viga y la placa.


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El rigidizador tendrá un espesor tr y una anchura br (Ar=ar·br), de tal forma que la resistencia a tracción del alma será:

brbef,t( )

0M

rt,efwcyRd,t

A·nb·t·fF

γ+

=

siendo n el número de rigidizadores (en principio, n=2).


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Aplastamiento por compresión en el alma del pilar.

x

Rigidizar si Rd,cEd,c FF >

fbb

EdEd,c th

MF−

=

siendo

0M

c,efy

n0Mef,wcy

Rd,c

bf

··5,025,1·t·fF

γ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ σγ−

=

0M

c,efwcyRd,c

b·t·fF

γ≤


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Aplastamiento por compresión en el alma del pilar.

x

NEd,c

MEd,c

)rt·(5t·2a·2·2tb cfcpbfbc,ef ++++=

wcc

c,Ed

c

c,EdN z·

IM

AN

+=σ

NEd,c y MEd,c son los esfuerzos axial y momento sobre el pilar, Ac el área de la sección transversal e Ic su momento de inercia.


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x

Rigidizar siRd,wpEd,wp VV >

2VV

zMM

V Ed,2cEd,1cEd,2bEd,1bEd,wp

−−

−=

0M

vcyRd,wp 3

Af9,0V

γ⋅

⋅⋅=


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x


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Apoyo sobre casquillo angular.4.

Es la unión flexible más sencilla para vigas.

-

Recomendada para reacciones inferiores a 150 kN.

-

El angular se suelda en taller y la viga en obra.

-

No se recomienda si la viga está sometida a esfuerzos axiles.

-


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El casquillo de la parte superior es de montaje.

-

Se considera que la reacción VEd actúa sobre el extremo de la viga.

-

Se comprobará el ala del casquillo de angular a cortante.

-

Sería suficiente con el cordón de soldadura horizontal (pilar-angular), siendo válido si tiene una anchura de garganta de 0,7 veces el espesor del ala del angular.

-




También se sueldan por montajecordones verticales laterales.

-

La anchura del casquillo «b» será la anchura del ala de la viga más 30-40 mm.

-

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La separación «s» será 10-15 mm. -Si s<(t+r), no hay flexión en el angular.-La comprobación del ala del angular a cortante es:

-

0M

yRdEd 3

fbtVV

γ⋅

⋅⋅=≤

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Apoyo sobre casquillo rigidizado.5.

Si la reacción supera los 150 kN es necesario rigidizar el apoyo.

-

El apoyo ser realiza en taller soldando las chapas que forman la unión.

-

Casos:-

Alma de la viga perpendicular al rigidizador.

x

Alma de la viga en el mismo plano que el rigidizador.

x


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La posición de la reacción vertical VEdes conocida:

-

VEd VEd


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La chapa horizontal del apoyo no tiene misión resistente y se dimensiona con espesor similar al del ala de la viga.

-

Se calculan las soldaduras de unión entre el ala del pilar y el rigidizador para absorber el cortante VEd.

-

Se dimensiona el rigidizador (cartela vertical) considerando como sección resistente la altura AB del triángulo de la figura...

-




tr

VEd

15-20 mm

RH debe ser soportada por la soldadura horizontalque une chapa-cartela. Rc origina flexocompresión en la sección AB del rigidizador. ingenieriaRural

(mismo plano)




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(mismo plano)

VEdlr

br

a

mm 250200br −≈mm 300250lr −≈

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=α

r

r

lbarctg

α=

cosVR Ed

c α⋅= tgVR EdH

α⋅= cosbBA r




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(mismo plano)

VEdlr

br

a

Se dimensiona el rigidizador(cartela vertical) considerando como sección resistente la altura AB del triángulo de la figura:

Área de la sección resistente:x

Módulo resistente de la sección:xBAtA r ⋅=

6BAtW

2

r ⋅=




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(mismo plano)

Se trata de una sección solicitada a un axial excéntrico (dista AB/2 del cdg):

-

La verificación de resistencia de la sección es:

-

1fABtcos

V4fW

MfA

N

ydr

Ed

yd

Ed

yd

Ed ≤⋅⋅⋅α

⋅=

⋅+

⋅El mínimo espesor del rigidizador tr será: -

yd

Edr fABcos

V4t⋅⋅α

⋅≥




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(mismo plano)

Si resulta un rigidizador de gran espesor, se colocan dos cartelas:

-

La anchura de la placa de apoyo (b) será superior en 30-40 mm al ancho del ala de la viga.

-




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(plano perpendicular)

VEd

La posición de la reacción vertical es conocida:

α⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −= ·cos

2bde r

r

er

VEd

A

B

d




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VEd

er

VEd

A

B

d

La diferencia reside en la localización de la reacción vertical. La excentricidad respecto a la sección resistente es er.

Si se tiene la precaución de centrar la viga respecto a la placa horizontal, no existirá er y la sección resistente estará sometida solo a esfuerzo axial.




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La verificación de resistencia de la sección es:

-

El mínimo espesor del rigidizador tr será: -


1fABtcos

eV6fABtcos

VfW

MfA

N

yd

2

r

rEd

ydr

Ed

yd

Ed

yd

Ed ≤⋅⋅⋅α

⋅⋅+

⋅⋅⋅α=

⋅+

⋅

1AB

e61fABtcos

V r

ydr

Ed ≤⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅+⋅

⋅⋅⋅α

yd

rEd

r fABcosAB

e61Vt

⋅⋅α

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅+⋅

≥




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Soldaduras. -a1: Soldadura vertical que une el ala del pilar con el rigidizador. Debe resistir la reacción vertical VEd.

x

a2: Soldadura horizontal que une el rigidizador y la placa de apoyo. Debe resistir la componente horizontal de la reacción RH.

x

a1

a2

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El resto de cordones son de montaje.

x




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Soldaduras. -


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Articulación viga-pilar con doble casquillo angular.6.

a1 a1a2 a2 a2

a3

a3

Se debe asegurar que el pilar al que se une la viga articulada permita un giro suficiente, así como la flexibilidad del casquillo, lo que exige no disponer cordones horizontales de soldadura.


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Rd

Se comprobará la resistencia del angular (2L) solicitado a un esfuerzo axial Rd.

-


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Para la comprobación de las soldaduras se considerará la reacción situada en la cara de los casquillos soldados a la viga principal.

-

Rd


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En la unión de los angulares con el pilar(a1), la fuerza se transmite por simetría entre los cordones.

-


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En la unión de los angulares con la vigase origina un cortante sobre el cordón vertical (a2) y un momento torsor debido a la excentricidad, equivalente a un par de fuerzas sobre los cordones horizontales (a3).

-

2eRM d

t⋅

=

h2eR

hMF dt

H ⋅⋅

==


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