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TEMA 10. UNIONES SOLDADAS

1. INTRODUCCIÓN.

Las uniones son las zonas más delicadas de cualquier estructura metálica. En las estructuras de hormigón armado in situ las uniones se materializan de un modo más o menos sencillo, por solape o anclaje de armaduras en el nudo, consiguiendo uniones normalmente consideradas como rígidas (ver figura 1).

Figura 1. Nudo rígido de hormigón armado en la

unión de un pilar con la cimentación Por el contrario en estructuras metálicas tenemos piezas prefabricadas que habrá que enlazar para buscar una determinada capacidad de absorción y transmisión de esfuerzos flectores, cortantes, axiles y torsores. Numerosos accidentes se deben en estructuras metálicas a uniones mal proyectadas o mal ejecutadas. Deberán de concebirse del modo más sencillo posible, procurando unificar y tipificar al máximo los diferentes modelos de uniones a emplear dentro del mismo proyecto.

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El coste de las uniones metálicas es importante, y representan aproximadamente el 40% del coste de la estructura metálica de un edificio. Su análisis por tanto es la parte más difícil de la construcción metálica, ya que en ellas se produce una concentración de esfuerzos. Dichos esfuerzos deben pasar de una pieza a otra a través de elementos muy concretos, que son los medios de enlace (soldaduras o tornillos), produciéndose una concentración de tensiones muy importante (ver figura 2). La distribución real de tensiones en una unión sólo se puede obtener por análisis experimental o empleando medios numéricos en el campo elastoplástico (elementos finitos). De los resultados obtenidos se desprenden procedimientos simplificados que son los que habitualmente se utilizan en la práctica.

Figura 2. Nudo rígido metálico en la unión de vigas con un pilar interior

El estudio de una determinada unión incluye su concepción, el análisis de los esfuerzos que ha de resistir y, en función de éstos, la comprobación de los elementos y medios de unión que la componen (cordones de soldaduras o tornillos, cartelas, casquillos, etc). 2. CLASIFICACIÓN DE LAS UNIONES EN FUNCIÓN DE SU RIGIDEZ. Se clasifican en función de su rigidez, en tres tipos:

1. Uniones rígidas: deben ser capaces de transmitir íntegramente todas las fuerzas y momentos obtenidos en el cálculo.

2. Uniones semirrígidas: Son capaces de absorber un determinado porcentaje del momento que se transmite entre las piezas que

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forman la unión, y todas las fuerzas que se canalizan desde la pieza apoyada sobre la de apoyo, para conseguir el equilibrio.

3. Uniones articuladas: no transmiten apenas momentos, aunque sí deben transmitir todas las fuerzas desde la pieza apoyada sobre la de apoyo, para conseguir el equilibrio.

Por tanto una unión siempre debe transmitir íntegramente todas las fuerzas que recibe la pieza apoyada para que la estructura se mantenga en pie (cortante y axil), y transmitirá un mayor o menor porcentaje de los momentos en función de cómo se realice el enlace. En la siguiente figura se muestra claramente la diferencia entre tres tipos de unión para una misma conexión viga-pilar realizada con tornillos (figura 3).

Figura 3. Curvas momento-rotación de unión articulada, semirrígida y rígida

En dicha figura se observan las curvas momento/rotación (M/Ø) de los resultados de ensayos realizados con tres series de modelos de conexiones atornilladas. Las curvas A, B y C relacionan el momento aplicado al extremo de la viga y el giro. Se observa una diferencia muy acusada en el comportamiento de las tres uniones. La curva A pertenece al caso de una viga atornillada por su alma al ala del pilar. El momento transmitido es muy pequeño, es decir es

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una unión casi articulada. El momento transmitido es más o menos un 15% del momento de empotramiento perfecto. Si la articulación fuese perfecta la curva sería una recta, que coincidiría con el eje horizontal inferior de abscisas de la figura. La curva B es una unión donde, aparte del alma, se enlazan además las dos alas al pilar. Dicha unión es una unión semirrígida, donde se absorbe un determinado porcentaje del momento de empotramiento perfecto (en torno al 70%). La curva C es una unión donde el ala se enlaza con más tornillos, con un acartelamiento más potente. Es una unión que se puede considerar como rígida, donde el momento transmitido es prácticamente el 100% del momento de empotramiento perfecto. El mismo razonamiento se podría hacer para uniones soldadas análogamente. En defecto de análisis más precisos las uniones se pueden considerar:

a) Articuladas: las uniones por soldadura (o mediante tornillos) del alma de una viga metálica en doble T sin unión de las alas al pilar (figura 4).

Figura 4a

b) Rígidas: las uniones soldadas de vigas en doble T a pilares, soldando toda la longitud de alma y alas de la viga al pilar, en las que se materialice la continuidad de las alas a través del

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pilar mediante rigidizadores de dimensiones análogas a las de las alas de la viga (figura 4b).

Figura 4b

3. UNIONES QUE PUEDEN EXISTIR EN UN EDIFICIO.

Las uniones entre piezas metálicas que hay que diseñar en el proyecto son:

1.) Unión de forjado unidireccional con viga, que puede ser:

a. Forjado apoyado por encima de la viga (apenas requiere cálculo, sólo detallar adecuadamente el enlace, figura 5).

Figura 5. FU apoyado sobre vigas, articulado

b. Forjado apoyado dentro del canto de la viga (se suele diseñar como unión articulada, figura 6).

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Figura 6. FU enrasado con vigas, articulado

c. Forjado enrasado con las vigas, con continuidad de momentos flectores (figura 7). La soldadura del alma transmite el cortante, y el flector se transmite a través de las alas, empleando una chapa para materializar la continuidad entre las dos viguetas.

Figura 7. FU enrasado con vigas, con continuidad de

momentos flectores

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2.) Unión de viga metálica de planta intermedia con pilar metálico:

a. Semirrígidas (figuras 8 y 9). Se calculan a efectos

prácticos como rígidas (transmiten el 100% del empotramiento perfecto).

b. Articuladas (figuras 10 y 11) c. Rígidas (figura 12)

Figura 8. Nudo interior semirrígido viga IPN-pilar 2UPN

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Figura 9. Nudo interior semirrígido viga IPN-pilar HEB

Figura 10. Nudo interior articulado viga IPN-pilar 2UPN

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Figura 11. Nudo interior articulado viga IPN-pilar HEB

Figura 12. Nudo interior rígido viga IPN-pilar HEB

3.) Unión de viga de última planta con pilar (figura 13). Se

resenta como ejemplo el caso de nudo de cubierta semirrígido entre viga IPN y pilar HEB.

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Figura 13. Nudo de cubierta semirrígido viga IPN-pilar HEB

4.) Unión de forjado reticular o losa maciza con pilar: se materializan con crucetas de punzonamiento, como uniones semirrígidas (figura 14). A efectos de cálculo se pueden considerar rígidas.

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Figura 14. Crucetas de punzonamiento

5.) Uniones de pilar con cimentación, normalmente rígida; figura 15 (pilar HEB) y figura 16 (pilar 2UPN)

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Figura 15. Arranque de pilar HEB

empotrado en cimentación

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Figura 15. Arranque de pilar HEB empotrado en cimentación (continuación)

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Figura 16. Arranque de pilar 2UPN empotrado en cimentación

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Figura 16. Arranque de pilar 2UPN empotrado en cimentación (continuación)

6.) Unión de zanca de escalera con pilar, unión articulada o semirrígida (se materializa como una unión viga-pilar, análoga a las figuras 10-11-12-13)

7.) Anclaje lateral de vigas con pilares de hormigón armado, pantallas antisísmicas de hormigón armado, muros portantes de hormigón armado (figura 17)

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Figura 17. Anclaje lateral de viga a pantalla antisísmica/muro/pilar de HA

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8.) Unión de cruz de San Andrés con nudo de pórtico viga-pilar, unión semirrígida (figura 18)

Figura 18. Unión de cruz de San Andrés con nudo de pórtico

9.) Embrochalamiento entre vigas (figura 19). El detalle sirve

también para la unión en continuidad entre vanos de viguetas sobre viga de carga, con vigueta B de menor canto.

Figura 19. Embrochalamiento entre vigas,

con continuidad de esfuerzos flectores

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10.) Apoyo de viga (de alma llena o de celosía) en cabeza de pilar de hormigón o en cabeza de muro (figura 20)

Figura 20. Apoyo de viga en celosía en cabeza de pilar de hormigón armado

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11.) Apoyo de viga en cajeado de muro de HA (figura 21)

Figura 21. Apoyo de viga en cajeado de muro de hormigón armado

12.) Nudos en celosías (figura 22)

Tubo estructural 150.70.5Diagonales

15070

Tubo estructural 150.70.5Diagonales

15070

Tubo estructural 200.150.13Cordón superior

200

150

a a

a a

a a

aa

Figura 22. Nudo soldado entre diagonales y cordón superior de celosía

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4. CÁLCULO DE UNIONES SOLDADAS. Hay dos tipos de soldaduras: a tope y en ángulo. Las soldaduras a tope pueden ser con penetración total o con penetración parcial (ver figura 22).

Figura 22. Soldadura a tope y forma de preparación En las soldaduras a tope con penetración total la soldadura abarca todo el espesor de la chapa de la pieza a unir. Estas uniones no precisan cálculo. Las soldaduras a tope con penetración parcial, que se emplean poco, sí precisan cálculo (ver CTE). Las soldaduras en ángulo son las que más se realizan en edificación, distinguiéndose dos tipos:

a) En T, por ejemplo las soldaduras de unión de una viga IPN con un pilar (ver figura 23).

Figura 23. Soldadura en ángulo en T en unión viga-pilar

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b) A solape, donde se enlazan dos chapas una sobre otra, con cordones laterales (paralelos a la dirección de la fuerza), frontales (normales a la dirección de la fuerza) u oblicuos; un ejemplo de unión en ángulo a solape es la unión de una placa de transición con las alas superiores de dos vanos de viguetas para darles continuidad sobre una viga de carga (ver figura 24).

Figura 24. Soldadura en ángulo a solape para materializar la continuidad entre dos vanos de viguetas

En las uniones soldadas es mucho más importante una ejecución correcta que un cálculo más o menos riguroso. Cálculo de soldaduras en ángulo Se define la garganta “a” como la máxima altura del triángulo isósceles inscribible en la sección transversal de la soldadura (ver figura 25).

Figura 25

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Un espesor de garganta “a” no será menor a 3.0mm (por cuestiones de ejecución del cordón, es el espesor mínimo ejecutable). Además “a” estará entre 0.3tmax y 0.7tmin, siendo “tmax” el espesor de la chapa más gruesa a unir con el cordón, y “tmin” el espesor de la chapa más delgada a unir con el cordón. El límite dado de 0.3tmax es para tener una resistencia mínima en el cordón con respecto a la chapa más gruesa. El límite dado de 0.3tmin se establece por dos cuestiones: por cuestión de resistencia, pues un cordón más grande de 0.7tmin no sería eficaz en todo su espesor; y por cuestión constructiva en uniones a solape, donde un cordón de espesor de garganta superior a 0.7tmin no se puede construir pues rebosaría con respecto al espesor de la chapa. Las soldaduras se calculan según las tensiones que existen en su plano de garganta, que es el plano bisector del triángulo isósceles antes descrito. En la figura 26 se observan las cuatro componentes tensionales que se dan en el cordón (σII, σ┴, τII y τ┴).

Figura 26 donde:

• σII: tensión normal paralela al eje longitudinal del cordón de soldadura. No actúa en el plano de garganta, ni interviene en los cálculos de comprobación de la soldadura

• σ┴: tensión normal perpendicular al plano de garganta • τII: tensión tangencial al plano de garganta, contenida en él y

paralela al eje longitudinal del cordón de soldadura • τ┴: tensión tangencial al plano de garganta, contenida en él y

perpendicular al eje longitudinal del cordón de soldadura

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La comprobación de un cordón de soldadura en ángulo pasa por las siguientes fases: 1º) Descomponer los esfuerzos que actúan en la unión (momentos flectores, axiles, cortantes y torsores) en fuerzas actuando sobre los planos de garganta de cada cordón existente en la unión. 2º) Con las fuerzas actuando sobre el plano de garganta se calculan las componentes tensionales σ┴, τII y τ┴. 3º) Se deben cumplir las dos expresiones siguientes (ver CTE, apartado 8.6.2.3):

donde:

• fu: tensión de rotura del acero de las piezas a unir (ver tabla 8.1 del CTE)

• βw: coeficiente de correlación (tabla 8.1 del CTE)

• γM2: coeficiente parcial de seguridad relativo a la resistencia de los medios de unión → γM2 = 1.25

En las siguientes páginas se presentan dos ejemplos de cálculo de uniones soldadas en ángulo: 1. Cálculo de soldaduras en ángulo en unión de viguetas de forjado unidireccional con viga de carga, con continuidad de momentos flectores entre vanos de viguetas mediante placa de transición. 2. Cálculo de soldaduras en ángulo en unión empotrada de viga de carga con pilar.