DISEO DE SOLDADURAS DE FILETE PARA MIEMBROS DE ARMADURAS

Si los miembros de una armadura soldada consisten en ngulos simples o dobles, o perfiles semejantes, y estn sujetos solamente a cargas axiales estticas, la Especificacin (J1.7) del AISC acepta que sus conexiones se diseen mediante los mismos procedimientos descritos en la seccin precedente. Los proyectistas pueden 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 como juzgue conveniente. (Por supuesto, podra no tener sentido poner toda la soldadura en un lado del miembro, tal como se hizo para el ngulo de la Figura 14.16, porque hay posibilidad de rotacin.) Deber observarse que el centroide de las soldaduras y el centroide del ngulo estticamente cargado no coinciden en la conexin mostrada en esta fi gura. Si una conexin soldada estuviera sujeta a esfuerzos variables (tales como los que ocurren en el miembro de un puente), se considera necesario colocar las soldaduras de modo que su centroide coincida con el centroide del miembro (si no, la torsin resultante debe tomarse en cuenta en el diseo). Si el miembro conectado es simtrico, las soldaduras se colocarn simtricamente; si el miembro no es simtrico, las soldaduras no deben ser simtricas. Se considera que la fuerza en un ngulo, como el mostrado en la Figura 14.17, acta a lo largo de su centro de gravedad. Si el centro de gravedad de la resistencia de la soldadura coincide con la fuerza del ngulo, la soldadura deber colocarse asimtricamente, por lo que en esta fi gura L1 debe ser mayor que L2. (Cuando se conectan ngulos mediante tornillos o remaches, es comn tener una excentricidad apreciable, pero en una junta soldada, sta puede eliminarse por completo.) La informacin necesaria para manejar este tipo de diseo de soldadura puede expresarse fcilmente en forma de ecuacin, pero aqu se presenta solamente la teora que respalda a esas ecuaciones. Para el ngulo mostrado en la Figura 14.17, la fuerza que acta a lo largo de la lnea L2 (designada aqu como P2) se puede determinar tomando momentos con respecto al punto A.

La fuerza en el miembro y la resistencia de la soldadura deben coincidir, y los momentos de ambos con respecto a un punto cualquiera deben valer cero. Si los momentos se toman con respecto al punto A, la fuerza P1 (que acta a lo largo de la lnea L1) se eliminar de la ecuacin y se puede determinar P2. De modo semejante, P1 se puede determinar tomando momentos con respecto al punto B o mediante V = 0. El Ejemplo 14-6 ilustra el diseo de soldaduras de filete de este tipo. Existen otras soluciones posibles para el diseo de las soldaduras del ngulo considerado en la Figura 14.17. Aunque la soldadura de 7/16 plg es la mayor permitida en los cantos redondeados de un ngulo de 1/2 plg y en su extremo, se podra utilizar una soldadura mayor en el otro lado contiguo a su lado saliente. Sin embargo, desde el punto de vista prctico, las soldaduras deben ser del mismo grueso, porque los diferentes grosores de las soldaduras retrasan el trabajo del soldador por tener que cambiar electrodos para proporcionar losdiferentes gruesos. Si intervienen cargas cclicas o del tipo de fatiga, y si no coinciden los centros de gravedad de las cargas y de las soldaduras, la vida til de la conexin puede reducirse severamente. El Apndice 3 de la Especificacin del AISC aborda el tema del diseo por fatiga.

Ejemplo 14-6Use Fy = 50 klb/plg2 y Fu = 65 klb/plg2, electrodos E70, y el proceso SMAW para disear las soldaduras de filete para el miembro a tensin trabajando a capacidad plena constituido por un ngulo de 5 * 3 * 1/2 plg mostrado en la Figura 14.18. Suponga que el miembro estar sujeto a una variacin repetida de esfuerzos, volviendo inconveniente cualquier excentricidad en la conexin. Revise la resistencia del miembro por bloque de cortante. Suponga que el miembro de la cuerda WT tiene una resistencia adecuada para desarrollar las resistencias de soldadura y que el espesor de su alma es de 1/2 plg. Suponga que U = 0.87.

SolucinFluencia a la tensin en la seccin totalPn = FyAg = (50 klb/plg2)(3.75 plg2) = 187.5 klb

Fractura por tensin de la seccin totalAe = UAg = (0.87)(3.75 plg2) = 3.26 plg2Pn = FuAe = (65 klb/plg2)(3.26 plg2) = 211.9 klb

Soldaduras dispuestas como se muestra en la Figura

Revisando la resistencia del bloque de cortante, suponiendo las dimensiones anteriormente descritas

CORTANTE Y TORSINLas soldaduras de filete se someten a menudo a la accin de cargas aplicadas excntricamente, por lo que las soldaduras quedan sujetas, ya sea a cortante y torsin, o bien, a cortante y flexin. La Figura 14.21 intenta mostrar al lector la diferencia entre las dos situaciones. El cortante y la torsin, mostrados en la parte (a) de la fi gura, son el tema de esta seccin, en tanto que el cortante y la flexin, mostrados en la parte (b) de la misma.Igual que para un grupo de tornillos cargados excntricamente la Especificacin del AISC proporciona la resistencia de diseo de las soldaduras, pero no especifica un mtodo de anlisis para soldaduras con carga excntrica. El mtodo a usar se deja al criterio del proyectista.

Mtodo Elstico

Inicialmente, presentamos el mtodo elstico que es muy conservador. En este mtodo, la friccin o resistencia al deslizamiento entre las partes conectadas se desprecia, stas se suponen totalmente rgidas, y se supone que las soldaduras son perfectamente elsticas. Para esta exposicin consideremos la mnsula soldada de la parte (a) de la Figura. Se supone que las piezas conectadas son completamente rgidas, como si fueran conexiones remachadas. El efecto de esta hiptesis es que toda la deformacin ocurre en la

soldadura. La soldadura est sujeta a una combinacin de cortante y torsin, como lo estaba el grupo de remaches cargados excntricamente de la Seccin 13.1. El esfuerzo ocasionado por la torsin se puede calcular a partir de la expresin ya conocida:

En esta expresin, T es el par de torsin, d es la distancia del centro de gravedad de la soldadura al punto que se considera, y J es el momento polar de inercia de la soldadura. Normalmente es ms conveniente descomponer la fuerza en sus componentes vertical y horizontal. En las expresiones siguientes, fh y fv son las componentes horizontal y vertical, respectivamente, de la fuerza f:

Observe que estas frmulas son casi idnticas a las utilizadas para determinar esfuerzos en los grupos de remaches sujetos a torsin. Estas componentes se combinan con el esfuerzo directo de corte usual, que se supone igual a la reaccin dividida entre la longitud total de las soldaduras. Para disear una soldadura sujeta a corte y torsin es conveniente considerar una soldadura de 1 plg, y calcular los esfuerzos en una soldadura de esa dimensin. Si la soldadura considerada estuviera sobre esforzada, se necesitara juna soldadura ms grande; si estuviera subesforzada, es conveniente una soldadura menor. Aunque los clculos probablemente muestren que la soldadura est sobreesforzada o subesforzada, los clculos no tienen que repetirse, porque puede establecerse una relacin para dar el tamao de soldadura para el cual la carga producira un esfuerzo calculado exactamente igual al esfuerzo de diseo. Observe que el uso de la soldadura de 1 plg simplifica las unidades, porque 1 plg de longitud de soldadura, es 1 plg cuadrada de soldadura, y los esfuerzos calculados pueden expresarse tanto en kilolibras por pulgada cuadrada como en kilolibras por pulgada de longitud. Si los clculos se basaran en alguna otra dimensin diferente de 1 plg de soldadura, deber tenerse mucho cuidado de conservar las unidades correctas, sobre todo al tener la dimensin fi nal de la soldadura. Para simplificar an ms los clculos, se supone que las soldaduras estn localizadas en los bordes a lo largo de los cuales se colocan los filetes, y no en los centros de sus gargantas efectivas. Como las dimensiones de las gargantas son pequeas, esta hiptesis cambia muy poco los resultados. El Ejemplo siguiente ilustra los clculos para determinar la dimensin de la soldadura necesaria para una conexin sujeta a combinacin de cortante y torsin.

Mtodo de Resistencia ltimaEl anlisis de conexiones soldadas excntricamente con el mtodo de resistencia ltima es ms realista que el procedimiento elstico ms conservador que se acaba de describir. Para el anlisis siguiente se considera la soldadura de filete cargada excntricamente mostrada en la Figura 14.23. Igual que en las conexiones atornilladas excntricas, las cargas tienden a ocasionar una rotacin y traslacin relativas entre las partes conectadas por la soldadura. Aun si la carga excntrica es de tal magnitud que ocasione la fluencia en la parte ms esforzada de la soldadura, la conexin entera no fluir. La carga se puede incrementar y las fibras menos esforzadas empezarn a resistir ms carga, pero la falla no ocurrir hasta que todas las fibras de la soldadura alcancen el estado de fluencia. La soldadura tender a rotar alrededor de su centro instantneo de rotacin. La posicin de este punto (que se indica con a letra O en la fi gura) depende de la posicin de la carga excntrica, de la geometra de la soldadura y de las deformaciones de los diferentes elementos de la soldadura. Si la carga excntrica Pu o Pa es vertical y si la soldadura es simtrica con respeto a un eje horizontal que pase por su centro de gravedad, el centro instantneo quedar localizado sobre el eje x horizontal. Cada elemento diferencial de la soldadura proporcionar una fuerza resistente R. Como se muestra en la Figura, se supone que cada una de esas fuerzas

resistentes acta perpendicularmente a una lnea trazada del centro instantneo al centro de gravedad del elemento de soldadura en cuestin. Se han efectuado estudios para determinar las fuerzas cortantes mximas que pueden resistir las soldaduras excntricas.4,5 Los resultados, que dependen de la relacin carga-deformacin de los elementos de la soldadura, se pueden representar por medio de curvas o frmulas. La ductilidad de la soldadura en su conjunto est regida por la deformacin mxima del elemento que primero alcanza su lmite. (El elemento situado a la mxima distancia del centro instantneo de la soldadura alcanza probablemente primero su lmite.) Igual que en las conexiones atornilladas cargadas excntricamente, la posicin del centro instantneo de rotacin se determina por tanteos. A diferencia de los grupos de tornillos cargados excntricamente, la resistencia y la deformacin de las soldaduras son dependientes del ngulo u que la fuerza en cada elemento forma con el eje de ese elemento. La deformacin de cada elemento es proporcional a su distancia desde el centro instantneo. Bajo el esfuerzo mximo, la deformacin de la soldadura es mx, que se determina con la siguiente expresin en la que w es el tamao del ala de la soldadura:

Se supone que la deformacin en un elemento especfico vara en forma directamente proporcional a su distancia desde el centro instantneo:

La resistencia nominal al cortante de un segmento de soldadura para una deformacin es

Los valores dados en las tablas de la Parte 8 del Manual del AISC se desarrollaron siguiendo el mtodo de la resistencia ltima. Usando las tablas, puede determinarse la resistencia nominal Rn de una conexin especfica a partir de la siguiente expresin en donde C es un coeficiente tabular, C1 es un coeficiente que depende del nmero de electrodo y se da en la Tabla anterior (Tabla 8-3 en el Manual del AISC), D es el tamao de la soldadura en dieciseisavos de pulgada y l es la longitud de la soldadura vertical:

El manual incluye tablas para cargas verticales e inclinadas (ngulos con la vertical de 0_ a 75_). Se advierte al usuario que la interpolacin para ngulos entre esos valores puede conducir a resultados no muy conservadores. Por lo tanto, se recomienda al usuario emplear el valor dado para el siguiente ngulo inferior. Si el tipo de arreglo para la conexin no est incluido en las tablas, se recomienda usar el mtodo elstico previamente descrito.

Ejemplo 14-9Repita el Ejemplo 14-8, usando las tablas AISC que se basan en el anlisis por resistencia ltima. La conexin est dibujada nuevamente en la Figura: