DISEÑO DE SOLDADURAS DE FILETE PARA MIEMBROS DE ARMADURAS Si los miembros de una armadura soldada consisten en ángulos simples o dobles, o perfiles semejantes, y están sujetos solamente a cargas axiales estáticas, la Especificación (J1.7 del !"S# acepta $ue sus conexiones se dise%en mediante los mismos procedimientos descritos en la sección precedente. &os proyectistas pueden selec seleccio ciona narr el espes espesor or de la solda soldadu dura, ra, calcu calcula larr la long longit itud ud total total de la sold soldad adur uraa nece necesar saria, ia, y colo colocar car los los cord cordon ones es de sold soldad adura ura alred alreded edor or de los los extre extremo moss de los los miembros como ju'gue coneniente. ()or supuesto, podr*a no tener sentido poner toda la soldadura en un lado del miembro, tal como se +i'o para el ángulo á ngulo de la igura 1-.1, por$ue +ay posibilidad de rotación. /eberá obserarse $ue el centroide de las soldaduras y el centroide del ángulo estáticamente cargado no coinciden en la conexión mostrada en esta fi gura. Si una conexión soldada estuiera sujeta a esfuer'os ariables (tales como los $ue ocurren en el miembro de un puente, se considera necesario colocar las soldaduras de modo modo $ue su centroide centroide coincida con el centroide del miembro (si no, la torsión resultante debe tomarse en cuenta en el dise%o. Si el miembro conectado es sim0trico, las soldaduras se colocarán sim0tricamente si el miembro no es sim0trico, las soldaduras no deben ser sim0tricas. Se considera $ue la fuer'a en un ángulo, como el mostrado en la igura 1-.17, act2a a lo largo de su centro de graedad. Si el centro de gra graed edad ad de la resis resisten tenci ciaa de la sold soldad adur uraa coin coincid cidee con con la fuer' fuer'aa del del ángu ángulo lo,, la soldad soldadura ura deberá colocars colocarsee asim0tri asim0tricam camente ente,, por lo $ue en esta fi gura gura L1 L1 debe ser mayor $ue L $ue L3. 3. (#uando se conectan ángulos mediante tornillos o remac+es, es com2n tener una excentricidad apreciable, pero en una junta soldada, 0sta puede eliminarse por completo. &a información necesaria para manejar este tipo de dise%o de soldadura puede expresarse fácilmente en forma de ecuación, pero a$u* se presenta solamente la teor*a $ue respalda a esas ecuaciones. )ara el ángulo mostrado en la igura 1-.17, la fuer'a $ue act2a a lo largo de la l*nea L l*nea L3 3 (designada a$u* como P como P 3 3 se puede determinar tomando momentos con respecto al punto A punto A..
&a fuer'a en el miembro y la resistencia de la soldadura deben coincidir, y los momentos de ambos con respecto a un punto cual$uiera deben aler cero. Si los momentos se toman con respecto al punto A, la fuer'a P 1 ($ue act2a a lo largo de la l*nea L1 se eliminará de la ecuación y se puede determinar P 3. /e modo semejante, P 1 se puede determinar tomando momentos con respecto al punto B o mediante 4V 5 6. El Ejemplo 1- ilustra el dise%o de soldaduras de filete de este tipo. Existen otras soluciones posibles para el dise%o de las soldaduras del ángulo considerado en la igura 1-.17. !un$ue la soldadura de 781 plg es la mayor permitida en los cantos redondeados de un ángulo de 183 plg y en su extremo, se podr*a utili'ar una soldadura mayor en el otro lado contiguo a su lado saliente. Sin embargo, desde el punto de ista práctico, las soldaduras deben ser del mismo grueso, por$ue los diferentes grosores de las soldaduras retrasan el trabajo del soldador por tener $ue cambiar electrodos para proporcionar los diferentes gruesos. Si interienen cargas c*clicas o del tipo de fatiga, y si no coinciden los centros de graedad de las cargas y de las soldaduras, la ida 2til de la conexión puede reducirse seeramente. El !p0ndice 9 de la Especificación del !"S# aborda el tema del dise%o por fatiga.
Ejemplo 14-6 :se Fy 5 ;6 para dise%ar las soldaduras de filete para el miembro a tensión trabajando a capacidad plena constituido por un ángulo de ; ? 9 ? 183 plg mostrado en la igura 1-.1@. Suponga $ue el miembro estará sujeto a una ariación repetida de esfuer'os, oliendo inconeniente cual$uier excentricidad en la conexión. Aeise la resistencia del miembro por blo$ue de cortante. Suponga $ue el miembro de la cuerda >B tiene una resistencia adecuada para desarrollar las resistencias de soldadura y $ue el espesor de su alma es de 183 plg. Suponga $ue U 5 6.@7.
Solución
luencia a la tensión en la sección total Pn 5 FyAg 5 (;6
Soldaduras dispuestas como se muestra en la igura
Aeisando la resistencia del blo$ue de cortante, suponiendo las dimensiones anteriormente descritas
CORTANTE Y TORSIÓN &as soldaduras de filete se someten a menudo a la acción de cargas aplicadas exc0ntricamente, por lo $ue las soldaduras $uedan sujetas, ya sea a cortante y torsión, o bien, a cortante y flexión. &a igura 1-.31 intenta mostrar al lector la diferencia entre las dos situaciones. El cortante y la torsión, mostrados en la parte (a de la fi gura, son el tema de esta sección, en tanto $ue el cortante y la flexión, mostrados en la parte (b de la misma. "gual $ue para un grupo de tornillos cargados exc0ntricamente la Especificación del !"S# proporciona la resistencia de dise%o de las soldaduras, pero no especifica un m0todo de análisis para soldaduras con carga exc0ntrica. El m0todo a usar se deja al criterio del proyectista.
Méo!o El"#$%o "nicialmente, presentamos el m0todo elástico $ue es muy conserador. En este m0todo, la fricción o resistencia al desli'amiento entre las partes conectadas se desprecia, 0stas se suponen totalmente r*gidas, y se supone $ue las soldaduras son perfectamente elásticas. )ara esta exposición consideremos la m0nsula soldada de la parte (a de la igura. Se supone $ue las pie'as conectadas son completamente r*gidas, como si fueran conexiones remac+adas. El efecto de esta +ipótesis es $ue toda la deformación ocurre en la
soldadura. &a soldadura está sujeta a una combinación de cortante y torsión, como lo estaba el grupo de remac+es cargados exc0ntricamente de la Sección 19.1. El esfuer'o ocasionado por la torsión se puede calcular a partir de la expresión ya conocidaD
En esta expresión, T es el par de torsión, d es la distancia del centro de graedad de la soldadura al punto $ue se considera, y J es el momento polar de inercia de la soldadura. ormalmente es más coneniente descomponer la fuer'a en sus componentes ertical y +ori'ontal. En las expresiones siguientes, fh y fv son las componentes +ori'ontal y ertical, respectiamente, de la fuer'a f D
Fbsere $ue estas fórmulas son casi id0nticas a las utili'adas para determinar esfuer'os en los grupos de remac+es sujetos a torsión. Estas componentes se combinan con el esfuer'o directo de corte usual, $ue se supone igual a la reacción diidida entre la longitud total de las soldaduras. )ara dise%ar una soldadura sujeta a corte y torsión es coneniente considerar una soldadura de 1 plg, y calcular los esfuer'os en una soldadura de esa dimensión. Si la soldadura considerada estuiera sobre esfor'ada, se necesitar*a juna soldadura más grande si estuiera subesfor'ada, es coneniente una soldadura menor. !un$ue los cálculos probablemente muestren $ue la soldadura está sobreesfor'ada o subesfor'ada, los cálculos no tienen $ue repetirse, por$ue puede establecerse una relación para dar el tama%o de soldadura para el cual la carga producir*a un esfuer'o calculado exactamente igual al esfuer'o de dise%o. Fbsere $ue el uso de la soldadura de 1 plg simplifica las unidades, por$ue 1 plg de longitud de soldadura, es 1 plg cuadrada de soldadura, y los esfuer'os calculados pueden expresarse tanto en
Méo!o !e Re#$#e&%$' (l$m' El análisis de conexiones soldadas exc0ntricamente con el m0todo de resistencia 2ltima es más realista $ue el procedimiento elástico más conserador $ue se acaba de describir. )ara el análisis siguiente se considera la soldadura de filete cargada exc0ntricamente mostrada en la igura 1-.39. "gual $ue en las conexiones atornilladas exc0ntricas, las cargas tienden a ocasionar una rotación y traslación relatias entre las partes conectadas por la soldadura. !un si la carga exc0ntrica es de tal magnitud $ue ocasione la fluencia en la parte más esfor'ada de la soldadura, la conexión entera no fluirá. &a carga se puede incrementar y las fibras menos esfor'adas empe'arán a resistir más carga, pero la falla no ocurrirá +asta $ue todas las fibras de la soldadura alcancen el estado de fluencia. &a soldadura tenderá a rotar alrededor de su centro instantáneo de rotación. &a posición
de este punto ($ue se indica con a letra F en la fi gura depende de la posición de la carga exc0ntrica, de la geometr*a de la soldadura y de las deformaciones de los diferentes elementos de la soldadura. Si la carga exc0ntrica Pu o Pa es ertical y si la soldadura es sim0trica con respeto a un eje +ori'ontal $ue pase por su centro de graedad, el centro instantáneo $uedará locali'ado sobre el eje x +ori'ontal. #ada elemento diferencial de la soldadura proporcionará una fuer'a resistente R. #omo se muestra en la igura, se supone $ue cada una de esas fuer'as
resistentes actúa perpendicularmente a una línea trazada del centro instantáneo al centro de gravedad del elemento de soldadura en cuestión. Se han efectuado estudios para determinar las fuerzas cortantes máximas que pueden resistir las soldaduras excéntricas.4, !os resultados, que dependen de la relación carga"deformación de los elementos de la soldadura, se pueden representar por medio de curvas o fórmulas. !a ductilidad de la soldadura en su con#unto está regida por la deformación máxima del elemento que primero alcanza su límite. $%l elemento situado a la máxima distancia del centro instantáneo de la soldadura alcanza pro&a&lemente primero su límite.' (gual que en las conexiones atornilladas cargadas excéntricamente, la posición del centro instantáneo de rotación se determina por tanteos. ) diferencia de los grupos de tornillos cargados excéntricamente, la resistencia * la deformación de las soldaduras son dependientes del ángulo u que la fuerza en cada elemento forma con el e#e de ese elemento. !a deformación de cada elemento es proporcional a su distancia desde el centro instantáneo. +a#o el esfuerzo máximo, la deformación de la soldadura es máx , que se determina con la siguiente expresión en la que w es el tama-o del ala de la soldadura
Se supone que la deformación en un elemento especí/co varía en forma directamente proporcional a su distancia desde el centro instantáneo
!a resistencia nominal al cortante de un segmento de soldadura para una deformación es
!os valores dados en las ta&las de la 0arte 1 del 2anual del )(S3 se desarrollaron siguiendo el método de la resistencia última. sando las ta&las, puede determinarse la resistencia nominal Rn de una conexión especí/ca a partir de la siguiente expresión en donde C es un coe/ciente ta&ular, C5 es un coe/ciente que depende del número de electrodo * se da en la 6a&la anterior $6a&la 1"7 en el 2anual del )(S3', D es el tama-o de la soldadura en dieciseisavos de pulgada * l es la longitud de la soldadura vertical
%l manual inclu*e ta&las para cargas verticales e inclinadas $ángulos con la vertical de 89 a :9'. Se advierte al usuario que la interpolación para ángulos entre esos valores puede conducir a resultados no mu* conservadores. 0or lo tanto, se recomienda al usuario emplear el valor dado para el siguiente ángulo inferior. Si el tipo de arreglo para la conexión no está incluido en las ta&las, se recomienda usar el método elástico previamente descrito. Ejemplo 14-9
;epita el %#emplo 54"1, usando las ta&las )(S3 que se &asan en el análisis por resistencia última. !a conexión está di&u#ada nuevamente en la
