Torsión y Flexión en un as Soldadas
Resistencia a la soldadura Número de electrodo AWS
Resistencia a la rotura a la tensión Sut
MPa (kpsi)
Resistencia a la fluencia Sy
Elongación (%)
MPa (kpsi)
E60xx
427 (60)
345(50)
17- 25
E70xx
482 (70)
393(57)
22
E80xx
551 (80)
462(67)
19
E90xx
620 (90)
531(77)
14 – 17
760 (110)
670(97)
xx E110xx
Los diámetros varían entre 1/16 y 5/16 in o 2 a 8 mm
AWS: American Welding Society . 2 o 3 primeros dígitos: Resistencia a la tensión (kpsi – ksi) Penúltimo dígito: Posición del soldado: 1. Plana, horizontal, vertical y elevada 2. Filetes planos y horizontales horizontales 3. Solo en posición posición plana plana Último dígito: Variables de la técnica de soldado como fuente de corriente. Usamos el esfuerzo cortante permisible 2
Propiedades de aplicación de varios electrodos Clasificación
Penetración
Aplicación Básica
E6010
Profunda
Buenas propiedades mecánicas, Especialmente en pases múltiples, como en edificios, puentes, recipientes a presión y tuberías Bueno ara filetes horizontales de alta velocidad y un solo pase. Fácil de manejar. Especialmente para casos de pobre ajuste.
E6011 e ia
E6012
Media
Para obtener soldaduras de buena calidad dentro del metal
E6020
Profunda media
E6027
Media
Para soldaduras de filete horizontal en secciones pesadas. Electrodo de polvo de hierro. Rápido y fácil de manejar.
E6013
3
Carga de torsión Esfuerzo cortante directo (o transversal) en la soldadura P= 20 KN
d
V A
Fuerza Area
cor tan te
total de la g arg anta
Esfuerzo cortante de torsión en la soldadura
Tr Donde:
t
r = distancia desde el centroide del grupo de soldadura hasta el punto mas apartado en la soldadura, m T = J =
par de torsión aplicado a la soldadura, N-m momento de inercia del área polar, m 4
La sección critica para carga de torsión es la sección de la garganta, como lo es para carga paralela y transversal 4
Carga de torsión La relación entre el momento polar de inercia unitario y el momento polar de la soldadura de filete es
J t e J u
0.707he J u
Donde: Ju = momento polar de inercia del área unitaria, m 3 e es a orma, ara ev ar a a a e cumplir lo siguiente:
d t S sy
a a carga e ors n, se e e
soldadura
A continuación damos los valores del momento polar de inercia del área polar unitaria para nueve grupo de soldadura. Usando esta tabla se simplifica la obtención de la carga de torsión
5
Geometría y Parámetros de soldadura(1) Dimensiones de la soldadura
Flexión
Torsión
6
Geometría y Parámetros de soldadura(2) Dimensiones de la soldadura
Flexión
Torsión
7
Geometría y Parámetros de soldadura(3) Dimensiones de la soldadura
Flexión
Torsión
8
Geometría y Parámetros de soldadura(4) Dimensiones de la soldadura
Flexión
Torsión
9
Geometría y Parámetros de soldadura(5) Dimensiones de la soldadura
Flexión
Torsión
10
Flexión En flexión la junta soldada experimenta un esfuerzo cortante transversal, así como un esfuerzo normal El esfuerzo cortante directo (o transversal) es el mismo que se dio para carga paralela y transversal
P t e Lw
P 0.707 he Lw
1.414 P he Lw
El momento M produce un esfuerzo flexionante normal s en las soldaduras. Comúnmente se sobre el área de la garganta
I t e I u Lw
0.707 he I u Lw
Donde: Iu =
momento de inercia del área unitaria ,m 2
Lw =
longitud de la soldadura ,m 11
Flexión A continuación damos los valores del momento de inercia del área unitaria para nueve grupos de soldadura Iu La fuerza por unidad de longitud de la soldadura es
W ´
Donde:
Pa I u
, El esfuerzo normal debido a la flexión es
Donde: c =
Mc I
distancia desde el eje neutral hasta la fibra exterior, m
12
Flexión Una vez que se conocen el esfuerzo cortante y el normal, se pueden determinar los esfuerzo cortantes principales por medio de la ecuación O los esfuerzos normales principales por medio de la ecuación
2
,
max min
,
1 2
1, 2
principales se puede determinar la teoría del esfuerzo cortante máximo (MSST)
Donde:
y xy2 x 4
y x
2
1
2
y xy2 x 4
2
n s
Sy =
esfuerzo de fluencia del material ns = fator de seguridad
Una vez que se obtienen tales esfuerzos principales también se puede determinar la teoría de la energía de distorsión (DET)
octoedro
2 3
1
13
Ejemplo 1 Una ménsula se suelda a una viga. Suponga una carga constante de 20 KN y longitudes de soldadura l1 = 150 mm y l = 100 mm . Asimismo suponga el número de electrodo como E60XX y una soldadura de filete. longitud del cateto de soldadura para la carga excéntrica que se muestra. Determine la longitud Considerando la torsión pero no la flexión, para un factor de seguridad de 2.5 2
<
Solución >
La suma de las áreas soldadas es Ai t e l 1 l 2 0 .707 he 150 100 176.8he 250t e
El centroide del grupo de soldaduras de las ecuaciones es
El par de torsión que se aplica es
14
Ejemplo 1 De la tabla considerando la torsión y la soldadura que se presenta
El momento polar de inercia del área unitaria es:
Las fórmulas que se proporcionan en la tabla de Geometría y Parámetros de soldadura se pueden derivar usando el teorema de los ejes paralelos
I x ' I x Ad
2 y
I y ' I y Ad x2
15
Ejemplo 1 Para la soldadura 1 De la ecuación
Coordenadas del centroide del filete de soldadura
I x' I x Ld y2
2
Y
150 l 2 l 1 y 1 150105 75 416,250 mm3 I x 12 12 2 l 13
3
2
'
De la ecuación
I y ' I y Ld x
2
2 y
'
2
1
1
3
,
El momento polar de área unitaria para la soldadura 1 es:
J u 1 I x I y 476,250 mm3 '
'
Para la soldadura 2 De la ecuación I
x
I x ' l 2 45 202,500mm 2
'
I x Ld y2
De la ecuación I ' I y Ld y
2 x I y '
3
2
100 3 2 l 2 x 100 50 20 173 , 333 mm 3 12 2 12 3
l 2
16
Ejemplo 1 El momento polar de área unitaria para la soldadura 2 es: J u 2 I x I y 375,833mm3 '
'
De esta forma, el momento polar de inercia del área unitaria para la soldadura 1 y 2 es J u J u 1 J u 2 852,083mm 3
Este es el mismo resultado que el que se obtuvo usando la fórmula de la tabla El momento polar de inercia del área es e
u
.
e
u
,
e
se ex resa en m me ros a a cuar a o enc a
Esfuerzo cortante por carga transversal, son iguales
P= 20 en KN los puntos A y B
dA
dB
P A
20,000 176.8he
113.1 MPa he
17
Ejemplo 1 Los componentes del esfuerzo cortante de torsión en el punto A son:
Esfuerzo cortante de torsión
tAx
T 45 J
tAx tAy
tAy
Ax
Ay
tBx
5.6 106 45 418.3 MPa MPa he 602,514 he
T 80
tAx
J
80 418.3 743 .7 MPa MPa 45 he he
. he
Pa
113.1 743.7 856.8 MPa MPa dA tAy he he he
tB A
2
Ax
2 y Ay
1 he
418 .3 2 856 . 8 2 MPa
953 . 5 he
MPa 18
Ejemplo 1 Los componentes del esfuerzo cortante de torsión en el punto B son: tBx
B
T 105 J
Esfuerzo cortante de torsión
5.6106 105 976.1 MPa MPa he 602,514he
tAx tAy
976.1 185.9 20 MPa MPa J he 105 he T 20
tBy
A A
Bx
By
tBx
976.1 MPa he
185 .9 113.1 6 72 .82 10 Pa dB tBy MPa he he he 2
B
2 Bx
2 By
tBx
2
976 .1 72.82 978.8 MPa MPa h h h e e e
Como
y B A Este se selecciona para el diseño
tB
19
Ejemplo 1 La resistencia a la fluencia para el electrodo E60XX es de 50 Ksi La resistencia de un elemento de máquina es:
permisible
0,40S y
0,40 S y 0,4050 103 20 Ksi 138.0 MPa
El factor de seguridad es: ermisible
permisible
n s
,
permisible
138.0 978.8 he
Puesto que el factor de seguridad es 2.5, se tiene:
he
978.82.5 138.0
17.73mm
20
Practica Domiciliaria
1.-Dos placas de acero están soldadas a la viga por soldaduras de filete. Las dimensiones longitudinales se dan en milímetros. La carga vertical es de 10 KN, esta carga esta dividida por igual entre los dos lados. Si se usa una barra e so a ura, ser e y un factor de seguridad de 3 ¿Qué tamaño de soldadura debe especificarse? 2.-El bastidor de una bicicleta está hecho de tubos circulares soldados con un diámetro exterior de 30mm y un espesor de pared de 2,5mm. Un ciclista que va colina arriba durante una carrera jala verticalmente hacia arriba del manubrio derecho para compensar por el gran empuje hacia abajo sobre el pedal derecho. Al hacer eso aplica un par de torsión de 500N-m al bastidor de la bicicleta. Ignorando el cortante directo, ¿Cuál es la longitud de una parte del espesor de pared del tubo de 2,5mm que se tiene que cubrir por la soldadura, si el esfuerzo a la fluencia por cortante es de 180 MPa en el material de soldadura, y se aplican 250 N-m a cada soldadura? 21
Practica Domiciliaria
3.-Un electrodo AWS número E100XX sirve para soldar la ménsula a la placa, la ménsula tiene un espesor de 1 pulgada como se muestra. Encuentre la carga máxima F considerando que puede soportar un factor de seguridad de 3,5 contra la fluencia. ¿Cuál es el esfuerzo máximo en la soldadura y donde ocurre? Las dimensiones se dan en pulgadas
4.-Se muestra un tubo soldado a un soporte fijo. Hállese el momento de torsión T que puede aplicarse si el esfuerzo cortante permisible en la soldadura es de 20,000Lbr/pulg2 .
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