MINISTERIO POPULAR PARA LA EDUCACIN SUPERIOR UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL

SOLDADURAS Y PERNOS ESTRUCTURALESEstructuras de Acero PROF. Ing. Jess Medina Estudiantes: Oswaldo Russin CI 20 688 123 Vctor Salazar CI 20 578 400

Proyecto Final

Maracaibo, diciembre 2011

INDICESOLDADURASIntroduccin Definiciones Tipo de juntas Simbologa en soldaduras Calidad de soldaduras y pruebas Clasificaciones de los electrodos Electrodos 6010 y 7018

PERNOS ESTRUCTURALESIntroduccin Tipo de pernos Pernos de baja resistencia Pernos de alta resistencia Determinacin de la longitud en pernos Perforaciones en de agujeros para pernos de alta resistencia Tipo de conexiones Tipo de de falla en conexiones mecnicas

SOLDADURAS

La soldadura con arco sumergido es un proceso de unin de dos cuerpos por medio de un arco elctrico que en su desarrollo produce una coalicin de metales entre el material de aporte (alambre consumible) y la pieza de trabajo. Para el proceso de soldadura con arco sumergido se dispone en el mercado con alambres electrodos para la soldadura de aceros al carbn, aceros de baja aleacin, aceros de alto carbn, aceros de aleacin especial, aceros inoxidables y aleaciones especiales para la aplicacin de de recubrimientos. El alambre puede ser solido, y/o compuesto, similar al alambre tubular. Segn las especificaciones de las casas clasificadoras, los alambres y fundentes deben de cubrir los requisitos necesarios para el proceso de soldadura con arco sumergido como son, el nombre comercial de los alambres, fundente, composicin qumica y mtodo de elaboracin.

*Definiciones:Soldadura. La unin localizada del metal producida por el calentamiento y fusin apropiada con el uso de material de aporte (alambre electrodo y fundente). SAWP (Sumerged Arc Welding Process, Proceso de Soldadura con arco sumergido). Es un mtodo de soldadura con maquina gobernada automticamente. Incluye alimentacin y velocidad, donde el arco queda completamente cubierto por el fundente. Fundente. Material en forma de polvo y/o granitos, usado en soldadura de arco sumergido para proteger el charco de soldadura de los agentes contaminantes de la atmosfera, conformar y guiar el cordn en su formacin, contribuir a la limpieza del material base, modificar la composicin qumica del material aportado y proteger el cordn de soldadura de un rpido enfriamiento. Alambre electrodo. Alambre cobrizado embobinado en carretes especiales, usado en los procesos de soldadura elctrica automtica y semiautomtica de arco sumergido o con proteccin de gas. Intensidad de soldadura. Es el elemento con mayor influencia en el proceso de soldadora automtica, porque aumenta la velocidad del alambre a la medida de su fusin.

Penetracin. La distancia en que la zona de fusin se extiende por debajo de la superficie de la parte o partes q se han soldado.

TIPOS DE JUNTAS EN SOLDADURACada unin se diferencia de otra por el ngulo o por el tipo de bisel que la compone, y en consecuencia la soldadura se deposita segn las exigencias que impongan la preparacin de la costura y el tipo de material base. Normalmente el tipo de junta se relaciona con el espesor del material a unir y con las caractersticas del trabajo de la pieza de construccin. A continuacin se muestra la forma de norma que se usa para la preparacin de uniones con costuras en ngulo y juntas para costuras a tope.

SMBOLOS DE SOLDADURALas uniones a soldar se suelen presentar en los planos por medio de smbolos. El objetivo de los smbolos es el proporcionar en la forma ms clara y correcta la localizacin de la soldadura especificacin del proceso, tipo de soldadura, dimensin del cordn y otras indicaciones ms.

1. La completa informacin de una soldadura es dada siempre por una lnea de referencia, la cual en la parte delantera de una flecha, indica la localizacin de la soldadura, y por la parte trasera, las especificaciones del proceso y otras referencias. 2. En el centro de la lnea se pone el smbolo que indica el tipo de soldadura y otras informaciones de la unin. 3. La especificacin de la dimensin del cordn de soldadura se marca en la parte izquierda del smbolo. 4. Los smbolos suplementarios proporcionan otras informaciones extras para completar el trabajo. Ejemplo:

CALIDAD DE SOLDADURA Y PRUEBAS Los operadores deben sostener un examen de calificacin por parte de la casa encargada de la inspeccin de la obra en construccin. Todos los materiales como son: aceros, alambres, fundentes y aplicacin de la soldadura son sjuetos a inspeccin y aprobacin. Todas las pruebas de calificacin de los operadores se deben efectuar con el material de aporte y material base que la empresa usara para la obra. La empresa debe proporcionarlos datos de los fundentes, equipos y materiales a utilizar, y sus respectivas especificaciones precisas.

Las pruebas para soldaduras se dividen en Destructivas: Las probetas sern marcadas y numeradas. Al terminarse de soldar, las probetas sern trazadas, cortadas y preparadas mecnicamente, para efectuar los ensayos requeridos. No destructivas: Mtodo visual. El mtodo o prueba de lquidos penetrantes: se basa en el principio fsico conocido como capilaridad y consiste en la aplicacin de un lquido, con buenas caractersticas de penetracin en pequeas aberturas, sobre la superficie limpia del material a inspeccionar. Una vez que ha transcurrido un tiempo suficiente, como para que el lquido penetrante recin aplicado, penetre considerablemente en cualquier abertura superficial, se realiza una remocin o limpieza del exceso de lquido penetrante, mediante el uso de algn material absorbente (papel, trapo, etc.) y, a continuacin se aplica un lquido absorbente, comnmente llamado revelador, de color diferente al lquido penetrante, el cual absorber el lquido que haya penetrado en las aberturas superficiales. El mtodo de Ultrasonido se basa en la generacin, propagacin y deteccin de ondas elsticas (sonido) a travs de los materiales con un sensor. Este contiene un elemento piezo-elctrico, cuya funcin es convertir pulsos elctricos en pequeos movimientos o vibraciones, las cuales a su vez generan sonido, con una frecuencia en el rango de los megahertz (inaudible al odo humano). El sonido o las vibraciones, en forma de ondas elsticas, se propaga a travs del material hasta que pierde por completo su intensidad hasta que topa con una interfase, es decir algn otro material tal como el aire o el agua y, como consecuencia, las ondas pueden sufrir reflexin, refraccin, distorsin, etc. Lo cual puede traducirse en un cambio de intensidad, direccin y ngulo de propagacin de las ondas originales.

CLASIFICACIN DE LOS ELECTRODOSLa American Welding Society enumer los electrodos directamente segn sus caractersticas de aplicacin, tipo de corriente con que se debe usar, as como el tipo de depsito. Nomenclatura:

AWS YYXZ

Donde:YY significa un mnimo de resistencia en libras por pulgadas cuadradas. X significa la posibilidad de aplicacin 1: todas las posiciones 2: Posicin Plana y horizontal. 3: Solo soldable en posicin plana. Z significa la penetracin. 0: alta penetracin: para soldar nicamente con C.C. en corriente invertida (celulosa y sodio) 1: alta penetracin: para soldar en C.A. C.C. Polaridad invertida (celulosa y potasio). 2: mediana penetracin: para soldar en C.A. y C.C. Polaridad directa y polaridad invertida (titanio y sodio). 3: Ligera penetracin: Acabado terso para aplicarse con C.A.-C.C. directa o invertida (titanio y sodio). 4: Penetracin mediana: (polvo de hierro y titanio) Polaridad directa o invertida. 5: Bajo hidrogeno y sodio: Para soldar en C.C. Polaridad invertida. 6: Bajo hidrogeno y potasio: para soldar en C.A.-C.C. polaridad invertida. 7: Bajo hidrogeno, polvo de hierro, oxido de hierro: para soldar con C.C. polaridad directa. 8: Bajo hidrogeno y polvo de hierro: para soldar con C.C. polaridad invertida o con C.A.

Ejemplo:

AWS 601060: significa un mnimo de resistencia de 43,60 a 53.50 Kg/cm2 (60.00 libras por pulgada cuadrada.) 1: Significa la posibilidad de aplicacin, que en este caso es en todas las posiciones. 0: Significa alta penetracin y que se debe aplicar nicamente con polaridad invertida y corriente continua. Los significados del ndice adicional ms comunes son los siguientes: A1 -: Significa un contenido de molibdeno. B1 al B4: Significa un contenido de cromo molibdeno. C1 a C3: Significa un contenido de nquel. D1 a D2: Significa un contenido de manganeso-molibdeno. G: Para electrodos no clasificados. M - : Una clasificacin militar (generalmente para soldar aceros de grano fino y extra fino).

ELETRODOS 6010 Y 7018AWS 6010: Los electrodos que pertenecen a este grupo (E-6011 incluidos), se distinguen por la alta penetracin que es producida por la alta potencia del arco, debido al alto contenido de celulosa en el revestimiento (aproximadamente el 35% de su peso). Otra caracterstica especial de estos electrodos, es que durante la fusin producen un ruido parecido a un fuerte soplido, que se distinguen claramente entre todos los dems electrodos. Este soplido se produce durante la influencia del arco elctrico, que descompone la celulosa en gas carbnico (CO1) y vapor de agua (H2O). Otros componentes del revestimiento de los E-6010, adems de la celulosa (elemento primario), son generalmente usados: el dixido de titanio, disoxidantes metlicos tales como el fierro manganeso y otros como el magnesio, silicato de aluminio y silicatos de sodio. Sin embargo, estos electrodos son clasificados con el nombre de solo dos componentes: alta celulosa y sodio. Son recomendados para la mayora de aplicaciones de soldadura en uniones de acero al carbn, como son tuberas, tanques, construccin y reparacin naval, etc. Son recomendados para aplicaciones de soldadura en todas posiciones, haciendo uso exclusivamente de corriente continua o directa, con el tipo de polaridad invertida. AWS 7018: La composicin del revestimiento es similar a E-7015, excepto que el 7018 tiene una adicin de alto porcentaje de polvo de hierro, que vara entre un 25 y 40% del peso del revestimiento. Los componentes del revestimiento del E-7018, permiten la obtencin de soldadura en posicin vertical ascendente, ms rpida que cualquier tipo de electrodo, debido a la posibilidad de usarlos con rangos ms altos de corriente. La composicin del revestimiento de los electrodos de bajo hidrogeno es de suma importancia para merecer este nombre. Veamos n qu forma: la obtencin de un ptimo deposito de soldadura hecho con estos electrodos, es directamente relacionado con dos elementos muy importantes: el carbonato de calcio y la flurita, como veremos a continuacin.

PERNOS ESTRUCTURALESLos pernos son piezas metlicas largas de seccin constante cilndrica, normalmente hecha de acero o hierro. Se utilizan para sujetar piezas en una estructura, por lo general de gran volumen. Los dos tipos de pernos que se utilizan ms en estructuras de acero son el tornillo comn (A307) y el perno de alta resistencia (A325, A449, y A490).

TORNILLO COMN (PERNO DE BAJA RESISTENCIA)Tornillo A307: es conocido con una variedad de nombres: sin terminar, desbastado, comn, ordinario y maquinado. Se suministra en dos grados, A y B; el primero para usos generales y el ltimo para juntas en sistemas de tuberas. Estn hechos de acero de baja resistencia (acero con bajo contenido de carbono) y son los pernos ms econmicos. Poseen una resistencia mnima a la tensin de 4220 Kg/cm 2 . Estos tornillos se aprietan por medio de llaves de tuercas manuales de gran brazo que inducen en el tornillo tensiones iniciales relativamente pequeas y de valor impredecible. Se usan satisfactoriamente en marcos de edificios no sujetos a choques o vibraciones y en construcciones de acero laminado en caliente o formado en fro

PERNOS DE ALTA RESISTENCIAEl perno A325 se hace de acero medio al carbn, utilizndose tambin tanto en la construccin con aceros laminado como con aceros formados en fro. La resistencia a la tensin de este perno disminuye con el aumento de su dimetro, de manera que se especifican dos rangos de dimetros (Tabla 1-1). El perno A449, tambin de acero medio al carbn, se suministra en tres rangos de dimetros.

El perno A490 se hace de aleacin de acero con un solo rango de resistencia a la tensin. Debe mencionarse que las propiedades de tensin se basan en un rea de esfuerzos que es mayor que el rea de la seccin transversal en raz de la rosca, pero menor que el rea sin roscar. La resistencia del tornillo considerando esta rea es aproximadamente la misma que la del espcimen de prueba. Las especificaciones para los pernos A325 y A490, escritas por el consejo de Investigaciones de Uniones Estructurales Remachadas y Atornilladas, requieren que estos pernos se instalen con una tensin inicial aproximadamente igual al 70% de la resistencia mnima a la tensin inicial e incluye al perno A449.

Diagramas de esfuerzo-deformacin para los distintos grados de pernos de alta resistencia.

PROPIEDADES DE LOS PERNOS ESTRUCTURALES

Resistencia a la tensin. Ton/cm 2 Designacin ASTM Dimetro del tornillo mm

Mnima

Mxima

Resistenci a mnima a la fluencia ton/cm 2 . 0.2% Desplazam iento

Prueba de carga, medicin de longitud, ton/cm 2 *

Acero bajo al carbn: A307 Grado A Grado B Pernos estructurales. Todos Todos 4.2 4.2 7.0

Alta resistencia: Acero medio al carbn: A325 y A449 A325 y A449 A449 Aleacin de acero: A490 13-38 10.50 12.60 9.10 8.40 13-25 28-38 44-76 8.4 7.35 6.30 6.44 5.67 4.16 5.95 5.18 3.65

*En el rea

4D-2.475n 2 donde D = dimetro nominal y n = nmero de hilos por pulgada.

DETERMINACIN DE LA LONGITUD DEL PERNOLa longitud del perno a utilizar est en funcin de los espesores de las lminas a conectar, del espesor de las arandelas y del dimetro del perno. En efecto, la longitud del perno ser la sumatoria de los espesores de las lminas a conectar (longitud de agarre), ms el espesor de las arandelas, ms un valor tabulado que vara en funcin del dimetro.TABLA 1.2

Dimetro nominal del perno (pulg) 1/2 5/8 3/4 7/8 1 1 1/8 1 1 3/8 1/1/2

Valor aadido a la longitud de agarre (pulg) 11/16 7/8 1 1 1 1 1 1/8 1/4 1/2 5/8

1 3/4 1 7/8

PERFORACIONES DE AGUJEROS PARA PERNOS DE ALTA RESISTENCIAExisten tres tipos de agujeros que se pueden utilizar para alojar los pernos de alta resistencia:

Agujeros estndar: los agujeros estndar son aquellos en los que se aumenta en 1/16 el dimetro nominal del perno. Esto con el fin de brindar una holgura en lo referente a montajes estructurales. Son recomendados para la mayora de las aplicaciones.

Agujeros sobredimensionados: proporcionan una mayor holgura para alojar los pernos de alta resistencia. Se aumenta en 3/16 el dimetro nominal del perno a alojar.

Agujeros de ranura (corta, larga): los agujeros de ranura corta y larga son aquellos en los que se permite un ajuste en una direccin en particular, y dependiendo de la direccin de la carga la ranura puede ser vertical u horizontal.

Dependiendo del dimetro del perno de alta resistencia, se establecen las dimensiones nominales de los agujeros:

TIPOS DE CONEXIONESEl tipo de conexin depende del esfuerzo al que estn sometidos los pernos, y stos pueden ser: corte, tensin y la combinacin de tensin y corte. En la conexin de corte, los pernos son cargados con acciones de corte axial o corte excntrico. Si la lnea de accin de la carga aplicada pasa a travs del centroide del conjunto de pernos, entonces la junta es cargada con corte axial. En corte excntrico, la fuerza de corte no pasa a travs de este centroide, y por tanto, produce un momento torsional sobre la junta empernada, que incrementa los esfuerzos de corte en el perno.

Corte axial:

Corte excntrico:

El tipo de conexin ms comn, sin embargo, es aquella en la cual los pernos estn sometidos a traccin y corte combinados, como se expresa en la figura.

TIPOS DE FALLA EN LOS CONECTORES MECNICOSFalla por traccin.El apriete de las tuercas en los pernos origina fuerzas de pre-traccin. Si a estos esfuerzos iniciales se suman los debidos a las fuerzas exteriores de traccin sobre los conectores, y se supera su resistencia al agotamiento en traccin, sobreviene este tipo de falla.

Falla por corte.Se produce cuando el desplazamiento entre las planchas origina elevadas tensiones de corte en uno o ms planos del conector. Cuando la rosca de los pernos est incluida en los planos de corte, se exige una reduccin de las tensiones admisibles de diseo a corte.

Falla por aplastamiento del conector.En la prctica, esta falla tiene slo una remota posibilidad de ocurrencia, debido a que el acero de los pernos es de calidad superior al de las planchas que conectan, y el confinamiento dentro de las perforaciones aumenta su ductilidad. Pero si se materializara una conexin con pernos A307 y planchas de alto rendimiento, podra ocurrir este tipo de falla. Por lo tanto, este tipo de conexin debe evitarse. En la siguiente figura se presentan los distintos tipos de falla: