Teoria de Metalicas Proyecto
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 1
UNIVERSIDAD AUTONOMA TOMAS FRIAS
FACULTAD DE INGENIERIA
CARRERA DE INGENIERIA CIVIL
ENSAYO A TRACCIÓN DE MIEMBROS METÁLICOS
1 OBJETIVOS
El objetivo del ensayo a tracción es determinar aspectos importantes de la resistencia
y alargamiento de materiales, que puedan servir para el control de calidad las
especificaciones de los materiales y los cálculos de las piezas sometidas a esfuerzos.
Determinar la falla por fluencia y fractura de la placa en cuestión por unión de
soldadura
INTRODUCCION
El ensayo a tracción es la forma básica de obtener información sobre el
comportamiento mecánico de los materiales. Mediante una máquina de ensayos se
deforma una muestra o probeta del material a estudiar, aplicando la fuerza
uniaxialmente en el sentido del eje de la muestra. A medida que se va deformando la
muestra, se va registrando la fuerza (carga), llegando generalmente hasta la fractura
de la pieza. Así pues, el resultado inmediato es una curva de carga frente a
alargamiento, que transformados en tensión y deformación, en función de la geometría
de la probeta ensayada, aportan una información más general.
Esta práctica tiene el OBJETIVO inmediato de ilustrar, mediante la experiencia, las
propiedades mecánicas de los materiales que se derivan a partir de un ensayo a
tracción.
Los objetivos añadidos son:
1.- Conocer cómo se fijan las condiciones de ensayo, cómo se realiza el ensayo y qué
información se puede extraer a partir de los datos registrados y cómo.
2.- Utilizar una Máquina de Ensayos Mecánicos y tener una visión de su potencial,
versatilidad y posibilidades para caracterizar mecánicamente los materiales.
2 MARCO TEORICO
El ensayo de tracción tiene por objetivo definir la resistencia elástica, resistencia
última y plasticidad del material cuando se le somete a
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 2
fuerzas uniaxiales. Se requiere una máquina, prensa hidráulica por lo general, capaz
de:
a) Alcanzar la fuerza suficiente para producir la fractura de la probeta.
b) Controlar la velocidad de aumento de fuerzas.
c) Registrar las fuerzas, F, que se aplican y los alargamientos, ΔL, que se observan
en la probeta.
Un esquema de la máquina de ensayo de tracción se muestra en la Figura
Máquina de Ensayo de Tracción.
La máquina de ensayo impone la deformación desplazando el cabezal móvil a una
velocidad seleccionable. La celda de carga conectada a la mordaza fija entrega una
señal que representa la carga aplicada, las máquinas están conectadas a un ordenador
que registra el desplazamiento y la carga leída. Si representamos la carga frente al
desplazamiento obtendremos una curva como la mostrada en la figura 2.
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 3
La barra a ensayar se sujeta por sus extremos al cabezal móvil de la máquina de
ensayos y a la célula de carga, respectivamente. Las mordazas se sujeción deben
mantener firme a la muestra durante el ensayo, mientras se aplica la carga, impidiendo
el deslizamiento. A su vez, no deben influir en el ensayo introduciendo tensiones que
causen la rotura en los puntos de sujeción. Para que el ensayo se considere válido la
rotura debe ocurrir dentro de la longitud calibrada, en la parte central de la probeta.
A partir de las dimensiones iniciales de la probeta, se transforman la fuerza en
tensión y el alargamiento en deformación, que nos permite caracterizar las
propiedades mecánicas que se derivan de este ensayo.
De tal forma que la curva típica sería tensión vs. deformación, tal y como se muestra
en la figura 3.
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 4
Figura 3: Curva típica de tracción hasta la fractura, punto F. La resistencia a la
tracción TS está indicada en el punto M. Los insertos circulares representan la
geometría de la probeta deformada envarios puntos de la curva.
1.- En la curva podemos distinguir dos regiones:
- Zona elástica: La región a bajas deformaciones (hasta el punto P), donde se cumple la
Ley de Hooke: σ = E ε (E = modulo elástico).
- Zona plástica: A partir del punto P. Se pierde el comportamiento lineal, el valor de
tensión para el cual esta transición ocurre, es decir, se pasa de deformación elástica a
plástica, es el Límite de Elasticidad, σy, del material.
2.- Después de iniciarse la deformación plástica, la tensión necesaria para continuar la
deformación en los metales aumenta hasta un máximo, punto M, Resistencia a
tracción (RT ó TS), y después disminuye hasta que finalmente se produce la fractura,
punto F. La Resistencia a Tracción es la tensión en el máximo del diagrama tensión-
deformación nominales. Esto corresponde a la máxima tensión que puede ser
soportada por una estructura a tracción; si esta tensión es aplicada y mantenida, se
producirá la rotura. Hasta llegar a este punto, toda la deformación es uniforme en la
región estrecha de la probeta. Sin embargo, cuando se alcanza la tensión máxima, se
empieza a formar una disminución localizada en el área de la sección transversal en
algún punto de la probeta, lo cual se denomina estricción, y toda la deformación
subsiguiente está confinada en la estricción. La fractura ocurre en la estricción. La
tensión de fractura o bien de rotura corresponde a la tensión en la fractura.
DEFORMACIÓN ELÁSTICA
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 5
Definimos elasticidad como la propiedad de un material en virtud de la cual las
deformaciones causadas por la aplicación de una fuerza desaparecen cuando cesa la
acción de la fuerza. "Un cuerpo completamente elástico se concibe como uno de los
que recobra completamente su forma y dimensiones originales al retirarse la carga".
ej: caso de un resorte al cual le aplicamos una fuerza.
El grado con que una estructura se deforma depende de la magnitud de la tensión
impuesta. Para muchos metales sometidos a esfuerzos de tracción pequeños, la tensión
y la deformación son proporcionales según la relación
σ = Eε
Esta relación se conoce con el nombre de ley de Hooke, y la constante de
proporcionalidad, E (MPa) es el módulo de elasticidad, o módulo de Young.
Cuando se cumple que la deformación es proporcional a la tensión, la deformación se
denomina deformación elástica; al representar la tensión en el eje de coordenadas en
función de la deformación en el eje de abscisas se obtiene una relación lineal:
La pendiente de este segmento lineal corresponde al módulo de elasticidad
E. Este módulo puede ser interpretado como la rigidez, o sea, la resistencia de un
material a la deformación elástica. Cuanto mayor es el módulo, más rígido es el
material, o sea, menor es la deformación elástica que se origina cuando se aplica una
determinada tensión.
DEFORMACIÓN PLÁSTICA
Definimos como plasticidad a aquella propiedad que permite al material soportar una
deformación permanente sin fracturarse. Todo cuerpo al soportar una fuerza aplicada
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 6
trata de deformarse en el sentido de aplicación de la fuerza. En el caso del ensayo de
tracción, la fuerza se aplica en dirección del eje de ella y por eso se denomina axial, la
probeta se alargara en dirección de su longitud y se encogerá en el sentido o plano
perpendicular. Aunque el esfuerzo y la deformación ocurren simultáneamente en el
ensayo, los dos conceptos son completamente distintos.
Para la mayoría de los materiales metálicos, la deformación elástica únicamente
persiste hasta deformaciones de alrededor de 0.005. A medida que el material se
deforma más allá de este punto, la tensión deja de ser proporcional a la deformación y
ocurre deformación plástica, la cual es permanente, es decir no recuperable. En la
figura 4 se traza esquemáticamente el comportamiento tensióndeformación en la
región plástica para un metal típico. La transición elastoplástica es gradual para la
mayoría de los metales; se empieza a notar cierta curvatura al comienzo de la
deformación plástica, la cual aumenta rápidamente al aumentar la carga.
Figura 4: (a) Curva de tracción típica de un metal que muestra las deformaciones
elástica y plástica, el limite proporcional P y el limite elástico σy, determinado como la
tensión para una deformación plástica del 0.002. (b) Curva de tracción típica de
algunos aceros que presentan el fenómeno de la discontinuidad de la fluencia.
CALCULO DEL LÍMITE ELÁSTICO
Para conocer el nivel de tensiones para el cual empieza la deformación elástica, o sea,
cuando ocurre el fenómeno de fluencia, tenemos que tener en cuenta dos tipos de
transición elastoplástica:
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 7
1.- Los metales que experimentan esta transición de forma gradual. El punto de
fluencia puede determinarse como la desviación inicial de la linealidad de la curva
tensión-deformación (punto P en la figura 4ª). En tales casos, la posición de este punto
no puede ser determinada con precisión, por este motivo se ha establecido una
convención por la cual se traza una línea recta paralela a la línea recta paralela a la
línea elástica del diagrama de la tensión-deformación desplazada por una determinada
deformación, usualmente 0.002. La tensión correspondiente a la intersección de esta
línea con el diagrama tensióndeformación cuando éste se curva se denomina límite
elástico, σy.
2.- Para aquellos materiales que tienen una región elástica no lineal, la utilización del
método anterior no es posible, y la práctica usual es definir el límite elástico como la
tensión necesaria para producir una determinada deformación plástica.
Algunos aceros y otros materiales exhiben el tipo de diagrama tensióndeformación
mostrado en la Figura 9b. La transición elastoplástica está muy bien definida y ocurre
de forma abrupta y se denomina fenómeno de discontinuidad del punto de fluencia.
En el límite de fluencia superior, la deformación plástica se inicia con una disminución
de la tensión. La deformación prosigue bajo una tensión que fluctúa ligeramente
alrededor de un valor constante, denominado punto de fluencia inferior. En los metales
en que ocurre este fenómeno, el límite elástico se toma como el promedio de la tensión
asociada con el límite de fluencia inferior, ya que está bien definido y es poco sensible
al procedimiento seguido en el ensayo.
DUCTILIDAD
La ductilidad es otra importante propiedad mecánica. Es una medida del grado de
deformación plástica que puede ser soportada hasta la fractura. Un material que
experimenta poca o ninguna deformación plástica se denomina frágil.
La ductilidad puede expresarse cuantitativamente como alargamiento relativo
porcentual, o bien mediante el porcentaje de reducción de área. El alargamiento
relativo porcentual a rotura, %EL, es el porcentaje de deformación plástica a rotura,
o bien
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 8
donde lf es la longitud en el momento de la fractura y l0 es la longitud de prueba
original.
Figura 5: Representación esquemática de los diagramas de tracción de materiales
frágiles, y dúctiles ensayados hasta la fractura.
TENACIDAD
La tenacidad de un material es un término mecánico que se utiliza en varios
contextos; en sentido amplio, es una medida de la capacidad de un material de
absorber energía antes de la fractura. La geometría de la probeta así como la manera
con que se aplica la carga son importantes en la determinación de la tenacidad.
RESILIENCIA
Medida de la capacidad de un material de absorber energía elástica antes de la
deformación plástica.
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 9
2.1 ACEROS ESTRUCTURALES MODERNOS
GRADOS Y TIPOS DE ACEROS ESTRUCTURALES
Un gran número de grados de acero estructural están disponibles para los perfiles,
placas y perfiles huecos estructurales y tuberías en el mercado. Los más importantes
se discuten brevemente a continuación.
Grados de acero para perfiles y placas
(TABLA 1)
La ASTM aprobó las normas para las placas y laminados en caliente que son A36,
A572, A242, A588, A709, A852, A514, A913 y A992. El ASTM A709 es único,
define los aceros aptos para la construcción de puentes, los distintos grados de
acero por debajo delA709 tienen equivalentes como A36, etc.
ASTM A36: El A36 ha sido uno de los grados de acero primarios para todos los
tipos de estructuras. Se han especificado mínimos de Fy y Fu de 36 y 58 ksi (2,530
y 4,080 kg/cm2). Casi todos los tamaños y tipos de perfiles y placas están todavía
disponibles en el A36 (excepto los perfiles IR, W ó H), aunque el esfuerzo de
fluencia mínimo especificado baja a 32 ksi (2,250 kg/cm2) para espesores de placa
de más de 8 pulgadas (203 mm).
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 10
ASTM A529: El A529 es muy utilizado por la industria de la construcción metálica,
también es un grado muy común para barras, perfiles como los ángulos, canales
pequeño. El A529 básico incluye grado 50 para los perfiles de ASTM en los grupos 1
y 2, placas de hasta una pulgada de espesor y 12 pulgadas de ancho y barras hasta
2-1/2 pulgadas de diámetro. Fy y Fu y los mínimos son de 50 y 70 ksi (3,515 y 4,920
kg/cm2).
ASTM A572: El A572 está disponible en varios grados, dependiendo del tamaño
del perfil y el espesor de la placa. Grado 50, con Fy = 50 ksi y Fu = 65 ksi (3,515 y
4,570 kg/cm2 respectivamente) está disponible en todos los tamaños de perfiles y
espesor de la placa hasta 4 pulgadas. Este es el grado de acero estructural más
usado en el mercado de los EE UU actualmente, a pesar de que está siendo
rápidamente reemplazado por A992 para perfiles W.
ASTM A588: Este acero para intemperie fue aprobado en 1968, también conocido
como “patinable” está disponible en varios grados con pequeñas variaciones en su
química. El límite de fluencia mínimo especificado y resistencia a la tracción en
todos los grupos de ASTM de perfiles estructurales y de planchas en espesores de
4 pulgadas y menos de 50 y 70 ksi (3,515 y 4,920 kg/cm2) respectivamente.
ASTM A992: El ASTM A992 es el acero más reciente (1998) adicionalmente a la
lista de los aceros estructurales. Está destinado para la construcción, y se aplica en
perfiles W de patín ancho actualmente. Para todos los efectos prácticos, esto es
A572 grado 50, con requisitos adicionales. Específicamente, además de hacer
hincapié en un determinado límite de fluencia mínimo de 50 ksi (3,515 kg/cm2). El
ASTM A992 también ofrece un límite superior para el límite de fluencia Fy de 65
ksi (4,600 kg/cm2). La relación de resistencias, Fy/Fu, no es mayor de 0,85, y el
equivalente de carbono no supera los 0.50. Este acero ha sido efectivamente
producido en los Estados Unidos desde mediados de 1997, y era entonces 9
conocido como " A572 Grado 50 Mejorado". El material también puede ser
ordenado como "A572 con requisitos especiales, de conformidad con AISC el
Boletín Técnico N ° 3" (AISC A 572-50). El ASTMA992 ofrece una excelente
soldabilidad y las características de ductilidad.
Grados de acero para secciones estructurales huecas
y tubos.
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 11
Las especificaciones de acero estructural para las secciones huecas estructurales
(HSS) son ASTM A500, A501, A618 y A847, para tubos de acero es ASTM A53.
Los más importantes se discuten a continuación.
ASTM A53: A53 está disponible en los tipos E y S, donde E designa a una
resistencia a la soldadura y S a tubos sin costura. El grado B es apto para usos
estructurales, con el esfuerzo de fluencia y la resistencia a la tensión de 35 y 50
ksi (2,460 kg/cm2 y 3,515 kg/cm2)
ASTM 500: A500 está disponible para perfiles redondos formados en frío HSS en
tres grados, y también en tres grados para cuadrados o rectangulares formados en
frío HSS. Las propiedades de HSS cuadrados y rectangulares difieren de las del
HSS redondos. El grado más común del esfuerzo de fluencia y resistencia a la
tracción se encuentra en el orden de los 46 y 58 ksi (3,250 y 4,100 kg/cm2)
ASTM A501: A501 es idéntico a la A36 para todos los efectos prácticos. Se utiliza
para las secciones circulares, así como HSS cuadrados y rectangulares.
Otros tipos de Acero.
A veces es necesario el uso de los aceros con normas no nacionales. En estos casos
es fundamental para el diseñador de cerciorarse de que todas las propiedades de
los materiales satisfagan las necesidades de diseño y de compras, incluyendo la
química, la metalurgia, y las propiedades mecánicas equivalentes a los criterios
pertinentes. Los aceros pueden incluir los grados de aceros producidos en Canadá,
los cuales son producidos en una variedad bajo las Canadian Standards Association
(CSA), los requisitos son generalmente muy cerca de las contrapartes de EE.UU. en
la mayoría de los grados. Por ejemplo, CSA G40.21-350W es prácticamente idéntico
al A572 (50); G40.21-350A es el mismo que A588.
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 12
Los grados de acero que se producen fuera del mercado de América del Norte
pueden tener una variedad de países, como su origen. Los requisitos que se aplican a
las calidades de acero nacional y productos se aplican igualmente a esos materiales.
2.2 ANALISIS DE MIEMBROS A TRACCION
DISEÑO POR RESISTENCIA DE MIEMBROS A TRACCION
Un miembro ductil de acero, sin agujeros y sometido a una carga de tensión puede resistir, sin
fracturarse, una carga mayor a la correspondiente al producto del área de su sección
transversal y del esfuerzo de fluencia del acero gracias al endurecimiento por deformación.
Sin embargo, un miembro a tracción cargado hasta el endurecimiento, se alargará
considerablemente y restara utilidad a este, pudiendo además causar la falla del sistema
estructural del que forma parte el miembro. Por otra parte, si tenemos un miembro a tensión
con agujeros para tornillos, éste puede fallar por fractura en la sección neta que pasa por los
agujeros. Esta carga de falla puede ser más pequeña que la carga requeria para plastificar la
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 13
sección bruta alejada de los agujeros. Se debe tener en cuenta que la parte del miembro que
tiene un área transversal reducida por los agujeros, es muy corta comparada con su longitud
total. Aunque la condición de endurecimiento por deformación se alcanza rápidamente en la
porción de área neta del miembro, la plastificación en esa zona no es realmente un estado
límite de importancia, ya que el cambio total en la longitud del miembro, debido a esa
plastificación en una parte tan corta puede ser insignificante.
Para el estado límite de fluencia la sección bruta (con la idea de prevenir alargamiento
excesivo del miembro).
Es la expresión anterior Fu es el esfuerzo de tensión mínimo especificado y Ae es el área neta
efectiva que se supone resiste la tensión en la sección a través de los agujeros. Esta área
puede ser algo más pequeña que el área neta real, An, debido a las concentraciones de
esfuerzo.
2.3 TIPOS Y DISEÑO DE CONEXIONES
2.3.1 CONEXIONES ATORNILLADAS
TIPOS DE TORNILLOS
Se analizaron los resultados de más de 3500 ensayos realizados en todo el mundo para
formular requisitos para las uniones atornilladas (Pekoz, 1990). Se consideraron las
Recomendaciones Europeas (1987) y las Normas Británicas (1992), las cuales se modificaron
según resultó adecuado. Debido a que los requisitos se aplican a numerosas uniones atornilladas
y tipos de sujetadores, éstos implican un mayor grado de conservadurismo que lo habitual en el
resto de esta Especificación. La intención es que estos requisitos se utilicen cuando no haya
una cantidad suficiente de resultados de ensayos disponibles para una aplicación determinada.
Se puede obtener un mayor grado de precisión ensayando cualquier aplicación dada (AISI,
1992).
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 14
Para lograr un comportamiento satisfactorio es importante la adecuada colocación de los
tornillos. Generalmente se utilizan herramientas eléctricas con controles de torque ajustables
y limitaciones a la profundidad de penetración.
Los ensayos de uniones atornilladas utilizados para formular los requisitos incluyeron probetas
con un solo sujetador y también probetas con múltiples Comentario sobre la Especificación
para Acero Conformado en Frío, AISI, 1996
elementos individuales. De esta manera se logra redundancia para el caso de falta de torque,
exceso de torque, etc. y se limita la distorsión de las uniones solapadas de miembros planos no
conformados tales como flejes.
Para mayor conveniencia del diseñador, la Tabla C-E4-1 presenta la correspondencia entre la
designación numérica utilizada habitualmente para los tornillos y su diámetro nominal. En la
Figura C-E4-1 se indica la forma de medir el diámetro nominal
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 15
TIPOS DE TORNILLOS.-
Existen varios tipos que pueden usarse para conectar miembros de acero, estos son:
Tornillos ordinarios o comunes.- Estos tornillos los designa la ASTM como tornillos A307 y se
fabrican con aceros al carbono con características de esfuerzos y deformaciones muy
parecidas a la del acero A36. Estas disponibles en diámetros que van de 5/8 pulg hasta 1 ½ pulg
en incrementos de 1/8 pulg.
Tornillos de alta resistencia.- estos tornillos se fabrican a base de acero al carbono tratado
térmicamente y aceros aleados; tienen resistencias a la tensión de dos o más veces la de los
tornillos ordinarios. Existen dos tipos básicos, los A325 (hechos con acero al carbono tratado
térmicamente) y los A490 de mayor resistencia (también tratados térmicamente, pero hechos
con acero aleado).
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 16
TIPOS DE FALLA EN CONEXIONES ATORNILLADAS
FLUENCIA DE LA SECCION BRUTA
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 17
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 18
FRACTURA EN LA SECCION NETA EFECTIVA DE ELEMENTOS CONECTADOS
2.3.2 CONEXIONES SOLDADAS
TIPOS DE SOLDADURA
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 19
En las construcciones soldadas para edificación, aproximadamente el 80% de las
soldaduras son en ángulo y el 15% soldaduras a tope. El 5% restante son soldaduras de
tapón, de ranura y por puntos.
Soldaduras a Tope
Una soldadura a tope se efectúa en la sección transversal de las chapas que están en
contacto en un tope o unión en T. Los bordes de la chapa suelen tener que prepararen
antes de la soldadura, tal como puede verse en la figura 4b. En algunos casos, si el
espesor de la chapa es inferior a 5 mm, puede prescindirse de la preparación del
borde (véase la figura 4a). Soldaduras a tope con penetración completa
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 20
Los bordes de la chapa biselados en una soldadura a tope pueden tomar diversas
formas, tal como puede verse en la figura 5.
Para las soldaduras a tope, puede distinguirse entre:
• Soldadura a tope con penetración completa, en la que hay una penetración total y
fusión de la soldadura y el metal de base en todo el espesor de la unión (véase la
figura 4).
• Soldadura a tope con penetración parcial, que presenta una penetración de la
soldadura inferior al espesor total de la unión (véase la figura 6).
Soldadura en Ángulo
Una soldadura en ángulo es una soldadura de sección transversal aproximadamente
triangular que se aplica en el perfil de la superficie de las chapas. No hace falta
preparar los bordes. Por ello las soldaduras en ángulo son generalmente más baratas
que las soldaduras a tope. Según la posición relativa de las piezas a soldar, existen
tres tipos de aplicaciones con soldaduras en ángulo:
• unión de solape, en la que las piezas soldadas están en planos paralelos (véase la
figura 7a).
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 21
• unión en T, en la que las piezas soldadas son más o menos perpendiculares (véase la
figura 7b).
• unión de esquina, en la que las piezas son también más o menos perpendiculares
(véase la figura 7c). Para mejorar la resistencia y la rigidez de la unión, el extremo
exterior suele estar soldado a tope (véase la figura 8).
Las soldaduras en ángulo que pueden efectuarse en una única pasada son
especialmente baratas; en el taller pueden efectuarse a menudo soldaduras de 8
mm, pero si estas soldaduras tienen que realizarse en la obra, esta cifra puede pasar a
ser 6 mm, por
Soldaduras a tope con penetración parcial
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 22
SOLADADURA EN ANGULO
Soldaduras de Tapón y de Ranura
En la construcción de edificación raramente se utilizan soldaduras de tapón o de
ranura (véase la figura 9). Su principal función es prevenir el pandeo o la separación
de chapas solapadas.
Soldaduras por Puntos
Las soldaduras por puntos también se utilizan poco en la construcción de edificación.
Las piezas a soldar, que deben ser delgadas, se fijan mediante dos electrodos (véase
la figura 10). La corriente que pasa por los electrodos funde las piezas localmente, y la
presión ejercida por los electrodos las mantiene juntas conformando un punto fundido.
Una línea de tales puntos constituye la unión.
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 23
Soldaduras de ranura y de tapón
Unión de esquina con soldaduras a tope
y en ángulo
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 24
Soldadura Por Puntos
CLASIFICACION DE LAS SOLDADURAS
El metal de base es el acero que se suelda. • El metal de aportación o metal de soldadura es el material del electrodo utilizado en el proceso de soldadura. La figura 11 muestra la terminología utilizada para describir las varias piezas de la soldadura: • la raíz es el punto del cordón alcanzado por la penetración del metal de aportación.
44
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 25
Las partes de los cordones
• La hipotenusa del triángulo es la superficie exterior de la soldadura.
• El borde es la línea de la superficie exterior de la soldadura entre el metal de
aportación y el metal de base.
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 26
• La zona afectada por el calor es una parte del metal de base que no ha fundido con el
metal de aportación, pero que soporta un calentamiento y enfriamiento rápidos
durante el paso del arco voltaico. En esta zona, el metal de base está sujeto a un
tratamiento que lo endurece y por ello podría volverse frágil. El perfil de la sección
transversal de una soldadura en ángulo puede ser convexo o cóncavo (véase la figura
12).
Para el cálculo, se utilizan dos parámetros geométricos de la soldadura:
• El espesor de la garganta, a, es la distancia mínima desde la raíz a la superficie del
cordón ignorando la zona convexa. La figura 13 muestra el espesor de la garganta de
una soldadura a tope y una soldadura en ángulo.
• La longitud es la dimensión del cordón en la dirección del desplazamiento del arco de
soldadura. La figura 13 muestra soldaduras para las cuáles la longitud l es la longitud
total de las chapas; para la unión de solape de la figura 2 l sería la suma de dos veces
la longitud solapada más la anchura de la chapa más pequeña.
Espesor de garganta de diversas soldaduras
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 27
REQUISITOS DE LA LRFD INPECCION DE LAS SOLDADURAS
Las soldaduras, bulones, tornillos, remaches y otros dispositivos especiales tales como
costuras y adhesivos para metal son los medios de unión más difundidos en las construcciones
de acero conformado en frío (Brockenbrough, 1995). El Capítulo E de la edición 1996 de la
Especificación AISI contiene requisitos para las uniones soldadas, uniones abulonadas y
uniones atornilladas. Los requisitos de diseño para el empleo de tornillos fueron desarrollados
en 1993 y por primera vez se incluyen en esta edición de la Especificación. Las siguientes
observaciones tratan la aplicación de remaches y otros dispositivos especiales:
(a) Remaches
Aunque el remachado en caliente es poco utilizado en las construcciones de acero conformado
en frío, el remachado en frío está considerablemente difundido, particularmente en formas
especiales tales como remaches ciegos (para su aplicación desde un solo lado), remaches
tubulares (para incrementar la superficie portante), remaches de corte elevado y remaches
explosivos. Para el cálculo de uniones remachadas en frío a modo de guía se pueden utilizar los
requisitos de AISI para uniones abulonadas, excepto que la resistencia al corte de los
remaches puede diferir considerablemente de la resistencia al corte de los bulones. Se puede
obtener información adicional sobre la resistencia de los remaches consultando a sus
fabricantes o realizando ensayos.
Los dispositivos especiales incluyen:
(1) costuras metálicas para las cuales se utilizan herramientas especialmente desarrolladas
similares a las engrampadoras comunes de oficina y (2) uniones por medio de herramientas
especiales que estiran las planchas para formar proyecciones que se encastran.
La mayoría de estas conexiones son dispositivos patentados; la información sobre su
resistencia se debe obtener de los fabricantes o a partir de ensayos realizados o encargados
por el usuario. Para estos ensayos se deben utilizar los lineamientos dados en el Capítulo F de
la Especificación.
Si en los planos de diseño no está detallada cada una de las conexiones, los planos y/o
especificaciones técnicas deben contener información adecuada y datos sobre los requisitos de
diseño para diseñar adecuadamente los detalles de cada conexión.
Los requisitos para el cálculo por ASD de la Edición 1996 de la Especificación
AISI para uniones soldadas y abulonadas se basan en la edición 1986 de la
Especificación, con algunas revisiones y adiciones que se discutirán en las secciones siguientes,
mientras que los requisitos para el cálculo por LRFD se basan en la edición
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 28
1991 de la Especificación. En lo que se refiere al método LRFD, los factores de resistencia
fueron derivados para un índice de confiabilidad meta β0 = 3,5 para las uniones sometidas a
cargas gravitatorias. Para la resistencia a la tracción de los conectores utilizados para unir
tableros de cubierta y paneles de tabiques a correas y 114 Comentario sobre la
Especificación para Acero Conformado en Frío, AISI, 1996 cintas, para determinar los
factores φ se consideraron dos casos, es decir, (1) 1,2D +
1,6L con β0 = 3,5 y (2) 1,17W - 0,9D con β0 = 2,5. El Caso (2) representa las cargas que actúan
en sentidos contrarios conforme a la combinación de cargas (6) de la
Sección A6.1.2 de la Especificación, con la aplicación de un factor de reducción igual a 0,9 para
el factor de carga correspondiente a la carga de viento nominal en base a la excepción de la
Sección A6.1.2 (AISI, 1996). Los tornillos con carga de levantamiento debida al viento también
se pueden diseñar para un índice de confiabilidad meta β0 =
2,5. Otros datos estadísticos para desarrollar los criterios de AISI para el diseño de
conexiones por LRFD fueron documentados por Hsiao, Yu y galambos (1998a) y resumidos en el
Manual de Diseño para LRFD (AISI, 1991).
E2 Uniones soldadas
Las soldaduras usadas en las construcciones de acero conformado en frío se pueden clasificar
como soldaduras por fusión (o soldaduras por arco) y soldaduras de resistencia. Las soldaduras
por fusión se utilizan para conectar entre sí los miembros de acero conformado en frío y
laminado en caliente (como en las uniones de los paneles que forman las losas a las vigas de un
pórtico de acero). Se utilizan en soldaduras de ranura, puntos de soldadura por arco, cordones
de soldadura por arco, soldaduras de filete y soldaduras de ranura biselada.
Los requisitos de diseño contenidos en esta Especificación para las uniones soldadas por
fusión se basan fundamentalmente en evidencia experimental obtenida a partir de un extenso
programa de ensayos realizado en la Universidad de Cornell. Los resultados de este programa
fueron informados por Pekoz y McGuire (1979) y resumidos por Yu (1991). Estos requisitos
cubren todos los modos de falla posibles, mientras que los requisitos anteriores se ocupaban
fundamentalmente de la falla por corte.
En la mayoría de los ensayos informados por Pekoz y McGuire (1979) el inicio de la fluencia no
estaba bien definido o estaba muy próximo a la falla. Por lo tanto, en los requisitos de esta
sección se utiliza la rotura y no la fluencia como criterio de falla por ser un criterio más
confiable.
Además, las investigaciones de Cornell proporcionaron la base experimental para el
Código AWS de Soldadura Estructural para Planchas de Acero (AWS, 1989). En la mayoría de
los casos los requisitos del Código AWS coinciden con esta sección de la
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 29
Especificación.
Los ensayos de las uniones soldadas que sirvieron de base para los requisitos de las
Secciones E2.1 a E2.5 de la Especificación fueron realizados en secciones con una sola plancha
o con doble plancha. Ver la Figura E2.2 de la Especificación. El mayor espesor total de las
platabandas fue de aproximadamente 0,15 in. (3,81 mm). Sin embargo, en la Especificación
AISI se extendió la validez de las ecuaciones a las uniones soldadas en las cuales el espesor de
la parte conectada más delgada es de 0,18 in. (4,57 mm) o menos. Para los puntos de soldadura
por arco el máximo espesor de una sola plancha (Figura E2.2(C) de la Especificación) y el
espesor combinado de dos
planchas (Figura E2.2(D) de la Especificación) se fijan en 0,15 in. (3,81 mm).
Los términos utilizados en esta sección de la Especificación coinciden con la nomenclatura
normalizada dada en el Código AWS (AWS, 1989).
En la Parte IV del Manual de Diseño (AISI, 1996) se incluyen tablas de diseño y ejemplos de
cálculo de uniones soldadas.
E2.1 Soldaduras de ranura en uniones a tope
Las ecuaciones de diseño para determinar la resistencia nominal de las soldaduras de ranura en
las uniones a tope se tomaron de la Especificación AISC para LRFD (AISC, 1993). Por lo tanto,
la definición dada por AISC para el espesor efectivo de la garganta, te
, también es aplicable a esta sección de la Especificación.
E2.2 Puntos de soldadura por arco
Los puntos de soldadura por arco utilizados para conectar planchas delgadas son similares a las
soldaduras de tapón utilizadas para planchas relativamente gruesas.
La diferencia entre las soldaduras de tapón y los puntos de soldadura por arco es que las
primeras se efectúan con orificios preperforados, mientras que para las segundas no se
requieren estos orificios. En cambio con el arco se quema un orificio en la plancha superior que
luego se rellena con metal fundido para unirla con la plancha inferior o con un miembro del
pórtico.
E2.2.1 Corte
Los ensayos de Cornell (Pekoz y McGuire, 1979) identificaron cuatro modos de falla para los
puntos de soldadura por arco, todos los cuales se tratan en esta sección de la Especificación.
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 30
Estos modos de falla son: (1) falla por corte de las soldaduras en el área fundida, (2)
desgarramiento de la plancha a lo largo del contorno de la soldadura que estira la plancha en el
borde de ataque de la soldadura, (3) desgarramiento de la plancha combinado con pandeo cerca
del borde de salida de la soldadura, y (4) corte de la plancha detrás de la soldadura.
Se debe observar que muchas fallas, especialmente los desgarramientos de la plancha, pueden
estar precedidas o acompañadas por considerables deformaciones inelásticas fuera del plano
del tipo indicado en la Figura C-E2.2-
1. Este comportamiento es similar al observado en placas anchas conectadas mediante
pasadores. Se debe evitar este comportamiento disponiendo las soldaduras con una menor
separación. Cuando se usan puntos de soldadura por arco para conectar dos planchas a un
miembro de un pórtico como se ilustra en la Figura E2.2(D) de la Especificación, también se
debe considerar la posible falla por corte entre las planchas delgadas.
Figura C-E2.2-1 Distorsión fuera del plano de una unión soldada
El requisito que limita el espesor a 0,15 in. (3,81 mm) se debe al rango del programa de ensayos
que sirvió como base para estos requisitos. En las planchasde menos de 0,028 in. (0,711 mm) de
espesor se requieren arandelas para evitar que las planchas se quemen excesivamente y se
obtengan soldaduras de menor calidad.
En comparación con las ediciones anteriores, en la edición 1996 de la
Especificación se introdujeron varias revisiones menores referidas a la determinación de la
resistencia nominal al corte de las soldaduras (Ecuación
E2.2.1-1 de la Especificación) y a la limitación de las relaciones Fu/Fsy para utilizar las
Ecuaciones E2.2.1-6a y E.2.2.1-6b. Se revisó la Ecuación E2.2.1-1 de la Especificación para que
fuera consistente con el informe de las investigaciones (Pekoz y McGuire, 1979), y se
modificaron las relaciones Fu/Fsy limitantes para que fueran consistentes con la Sección
A3.3.1 de la Especificación
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 31
AREA NETA EFECTIVA PARA MIEMBROS A TRACCION
Cordones de soldadura por arco
El comportamiento general de los cordones de soldadura por arco es similar al de los puntos
desoldadura por arco. En los ensayos de Cornell no se observaron fallas por corte simple de los
cordones de soldadura por arco (Pekoz y McGuire, 1979). Por lo tanto, la Ecuación E2.3-1 de la
Especificación, la cual considera la falla de las soldaduras por corte, se adoptó de los
requisitos AWS para soldaduras de planchas de acero (AWS, 1989).
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 32
La intención de la Ecuación E2.3-2 es impedir la falla por combinación de desgarramiento por
tracción y corte de las platabandas.
E2.4 Soldaduras de filete
En las soldaduras de filete de las muestras con uniones solapadas ensayadas en las
investigaciones de Cornell (Pekoz y McGuire, 1979), la dimensión w1 del canto sobre el borde
de la plancha generalmente era igual al espesor de la plancha; el otro canto, w2, con frecuencia
era dos o tres veces mayor que w1 (ver Figura E2.4(A) de la Especificación). En este tipo de
uniones la garganta de la soldadura de filete normalmente es mayor que la garganta de las
soldaduras de filete convencionales del mismo tamaño. Se halló que habitualmente la falla
última de las uniones con soldadura de filete ocurren por desgarramiento de la placa adyacente
a la soldadura.
Ver Figura C-E2.4-1.
En la mayoría de los casos la mayor resistencia del material de las soldaduras impide la falla
por corte de las mismas, y por lo tanto los requisitos de esta sección de la Especificación se
basan en el desgarramiento de las planchas. Debido a que en las investigaciones de Cornell se
ensayaron muestras de hasta 0,15 in. (3,81 mm) de espesor (Pekoz y McGuire, 1979), el último
requisito de esta sección es para cubrir la posibilidad de que para espesores superiores a 0,15
in. (3,81 mm) la dimensión de la garganta sea inferior al espesor de la platabanda y el
desgarramiento se produzca en la soldadura en vez de en el material de las planchas.
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ESTRUCTURAS METALICAS Página 33
DISEÑO POR RESISTENCIA DE MIEMBROS METALICOS A TRACCION
CALCULOS
Los calculos se realiza con la especificaciones tecnicas de ACEROS AREQUIPA que fue averiguada en las
ferreterias BRASIL Y SODIMAC de la calle Chayanta
![Page 34: Teoria de Metalicas Proyecto](https://reader034.fdocuments.es/reader034/viewer/2022050802/5695d0241a28ab9b02912919/html5/thumbnails/34.jpg)
ESTRUCTURAS METALICAS Página 34
P
LACA A-36 (2x1200x2400mm)
Para el experimento es la dimensión (40x10x0.2cm)
Fy=2550 kg/cm62
Fμ=4080-5610 kg/cm^2
Por fluencia
Espesor (e=2mm=0.2cm)
Donde Ø=0.9
Por fractura
Espesor (e=2mm=0.2cm)
Donde Ø=0.75
![Page 35: Teoria de Metalicas Proyecto](https://reader034.fdocuments.es/reader034/viewer/2022050802/5695d0241a28ab9b02912919/html5/thumbnails/35.jpg)
ESTRUCTURAS METALICAS Página 35
ANGULAR (ANGULO) A-36 (2 ½ x 2 ½ x 1/4 )plg
(2 ½ x 2 ½ x 1/4plg) =(6.35x6.35x0.635cm)
Fy=2530 kg/cm^2
Fμ=4080-5620 kg/cm^2
Por fluencia
Espesor (e= 1/4 plg = 0.635cm)
Donde Ø=0.9
Por fractura
Espesor (e= 1/4 plg = 0.635cm)
Donde Ø=0.75
![Page 36: Teoria de Metalicas Proyecto](https://reader034.fdocuments.es/reader034/viewer/2022050802/5695d0241a28ab9b02912919/html5/thumbnails/36.jpg)
ESTRUCTURAS METALICAS Página 36
Por fluencia
Por fractura
Entones la placa fallara antes que el angular
![Page 37: Teoria de Metalicas Proyecto](https://reader034.fdocuments.es/reader034/viewer/2022050802/5695d0241a28ab9b02912919/html5/thumbnails/37.jpg)
ESTRUCTURAS METALICAS Página 37
![Page 38: Teoria de Metalicas Proyecto](https://reader034.fdocuments.es/reader034/viewer/2022050802/5695d0241a28ab9b02912919/html5/thumbnails/38.jpg)
ESTRUCTURAS METALICAS Página 38