APUNTES DE UNIONES PERMANENTES. SOLDADURA
Antiguamente las partes metálicas estructurales de grandes espesores se unían mediante
roblones.
Los roblones son remaches grandes de diámetro superior a 10 mm.
Los roblones se introducían normalmente en caliente (se solían caldear en hornillos de
carbón hasta alcanzar el rojo-blanco, a una temperatura adecuada para moldearlos) a través de
los agujeros de las chapas metálicas de la unión a realizar. Posteriormente, la punta del mismo
(la parte opuesta a la cabeza), se comprimía mecánicamente con herramientas accionadas con
aire comprimido hasta darle la misma forma que la cabeza. De esta forma las chapas metálicas
quedan unidas, incrementándose la fuerza de la unión al acortarse los pasadores una vez que se
enfrían adquiriendo la temperatura ambiente.
Para uniones entre chapas de pequeños espesores se utilizan remaches que se unen al
metal mediante deformación plástica en frio.
Las ventajas de las uniones remachadas/roblonadas son:
• Se trata de un método de unión barato y automatizable.
• Es válido para unión de materiales diferentes y para dos o más piezas.
• Existe una gran variedad de modelos y materiales de remaches, lo que permite acabados más estéticos que con las uniones atornilladas.
• Permite las uniones ciegas, es decir, la unión cuando sólo es accesible la cara externa de una de las piezas.
Como principales inconvenientes destacar:
• No es adecuado para piezas de gran espesor.
• La resistencia alcanzable con un remache es inferior a la que se puede conseguir con un tornillo.
• La unión no es desmontable, lo que dificulta el mantenimiento.
• La unión no es estanca.
Cálculo de las uniones roblonadas
- Por agotamiento del roblón
Comenzamos la comprobación y cálculo de uniones roblonadas, considerando en
primer lugar el fallo de la unión por agotamiento debido a la rotura del roblón.
Como norma general, en las uniones roblonadas se recomienda que el roblón no
trabaje nunca sometido a esfuerzo de tracción que actúe en dirección paralela al eje
longitudinal del roblón, sino que trabaje solicitado a esfuerzos que sean transversales
a su eje, llamados esfuerzos de cortante.
- Solicitación de agotamiento a cortante (Púltimo):
Como se ha dicho, habitualmente las uniones roblonadas se diseñarán para que
los roblones trabajen sólo a cortante debido a la carga actuante (P) perpendicular a su
eje.
El valor de esta carga (P), a efectos de comprobación de la resistencia del roblón,
deberá estar ponderado por los correspondientes coeficientes de mayoración de la
carga o coeficientes de seguridad.
Esta carga (P) de tipo cortante va a generar una tensión de cortadura (τ) en la
sección del roblón, de valor:
P
Aτ =
Siendo Av el área de la sección del roblón que interviene a resistencia en el
cortante. En esta ocasión, coincide con el área transversal de la sección cilíndrica del
roblón: Av = π·d2/4
siendo d el diámetro del roblón.
Por otro lado, según el criterio de Von-Mises, la tensión cortante límite (τlím) que
puede soportar el bulón estará condicionada por el límite elástico (σe) del material, a
partir de la siguiente expresión:
lim3
eστ =
siendo (σe) el límite elástico del material del vástago del roblón. Como norma
general, se recomienda emplear bulones de aceros con un límite elástico de al
menos, σe =2600 kg/cm2.
La condición para que no se produzca el agotamiento de la espiga del roblón es
que su tensión de cortadura (τ) no alcance la tensión de cortante límite (τlím) del
material, es decir:
τ < τlím
o sea que se cumpla que,
lim2
4
P
dτ τ
π= <
⋅
Si denominamos n al número de roblones o secciones transversales que resisten
conjuntamente al esfuerzo cortante, el valor del esfuerzo cortante último (Púltimo) de
agotamiento del roblón a cortante, es el dado por la siguiente expresión:
Púltimo = τlím · n · π · d2 / 4
siendo d el diámetro de la sección del roblón, n el número de roblones que forman
la unión y (τlím) la tensión límite a cortante, cuyo valor se calculaba como:
lim
3
eστ =
- Solicitación de agotamiento a tracción (Túltimo):
Cuando excepcionalmente y por razones constructivas una unión roblonada esté
solicitada a tracción, entonces se considerará como solicitación de agotamiento de la
unión, suponiendo la unión roblonada constituida por n roblones resistiendo
conjuntamente, a la dada por la siguiente expresión:
Túltimo = 0,25· n · σe · π · d2 / 4
siendo (σe) el límite elástico del roblón y (d) el diámetro de su sección.
No obstante, como ya se ha comentado, deberán evitarse las uniones en las que
los roblones puedan estar solicitados sólo a esfuerzos de tracción.
Por último, y sólo cuando excepcionalmente un roblón pueda estar solicitado
simultáneamente a esfuerzos de tracción y cortante, se deberá comprobar que se
cumple la siguiente condición:
(T/Túltimo)2 + (P/Púltimo)2 ≤ 1
donde,
T es el esfuerzo ponderado de tracción que actúa sobre el roblón;
P es el esfuerzo ponderado a cortante que actúa sobre el roblón;
Túltimo es la solicitación de agotamiento a tracción del roblón;
Púltimo es la solicitación de agotamiento a esfuerzo cortante del roblón.
- Por aplastamiento de las paredes del agujero Por otro lado, la carga a cortante (P) que actúa sobre la unión roblonada también
incide presionando el vástago del roblón contra las paredes del agujero donde va
alojado.
Esta solicitación origina un aplastamiento de las paredes del agujero debida a la
presión que ejerce el roblón, según se puede apreciar en la figura adjunta.
Esta situación de esfuerzos origina una tensión en la propia pared del agujero, cuyo
valor puede estimarse como:
σ = P / (d·e)
donde (d) es el diámetro del vástago del roblón, y (e) es el espesor de la chapa.
Y por tanto, para que no se produzca el agotamiento de la unión debido a una
sobrepresión de las paredes del agujero, se deberá asegurar que se cumpla que:
σ < σadm
donde (σadm) es la tensión máxima admisible por aplastamiento del material de la
chapa. A falta de información sobre la tensión máxima admisible por aplastamiento
de la chapa, se puede considerar como tensión límite (σadm) la resistencia de cálculo
del acero de la chapa.
Soldadura
Los problemas que presentan el roblonado son la mala distribución tensional en la
junta, mal aprovechamiento de los materiales en piezas traccionadas, poca seguridad de
rigidez en las uniones, ya que los roblones pueden quedar "sueltos" e imposibilidad de realizar
un cálculo exacto, así como medios de construcción costosos.
Todos estos inconvenientes han hecho que el roblonado sea sustituido por otros
métodos de unión como el atornillado y la soldadura.
La soldadura irrumpió en 1910 cuando mejorada su técnica fue sustituyendo
paulatinamente al roblonado.
La soldadura a sustituido de forma generalizada al remachado como método de unión
permanente en estructuras.
La soldadura es un proceso de unión entre metales por la acción de calor, hasta que el
material de aportación funde, uniendo ambas superficies, o hasta que el propio material de las
piezas se funde y las une.
La representación simbólica de las uniones soldadas en los planos técnicos está definida
en la norma UNE-EN ISO 2553:2014 “Soldeo y procesos afines. Representación simbólica en los
planos. Uniones soldadas”.
Esfuerzos sobre soldaduras
Soldaduras a tope
Carga de tensión por tracción o compresión. F
h lσ =
⋅
Carga de tensión por cortante. F
h lτ =
⋅
Soldaduras de filete
Todos los cálculos de seguridad en las
soldaduras a filete se hacen en el
plano de garganta.
Y si nos encontramos en un plano xy. La tensión total a tracción y compresión tiene los
siguientes componentes:
yx
x y
MMNy x
A I Iσ = + ⋅ + ⋅
El código técnico expone en su documento básico SA las características que deben cumplir las
soldaduras para construcción para que cumplan los requisitos de seguridad. Se expone a
continuación algunos puntos del mismo.
Criterios de seguridad establecido por el CTE. Fuente: Documento Básico SE-A Acero 8.6
Documento Básico SE-A Acero 8.6
Esfuerzos en uniones soldadas sujetas a torsión
El área total de la garganta de las soldaduras es: 1 2 1 1 2 2A A A b d b d= + = ⋅ + ⋅
donde 1 1 2 20,707 0,707b h y b h= ⋅ = ⋅
El momento de inercia respecto al centroide de cada elemento
3 3
1 1 1 11
12 12G x y
b d d bJ I I
⋅ ⋅= + = +
3 3
2 2 2 21
12 12G x y
b d d bJ I I
⋅ ⋅= + = +
El centroide del grupo de soldaduras se encuentra ubicado en
En el dibujo vemos un voladizo sobre el que
actúa una fuerza F. El voladizo se encuentra
sujeto por dos cordones de soldadura.
Sobre el punto A actúa:
F
Aτ = y
M r
Jτ ⋅′ =
1 1 2 2 1 1 2 2A x A x A y A y
x yA A
⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅= =
El momento polar del conjunto se calcula mediante el teorema de los ejes paralelos
1 12 2 2 22 2
1 1 1 2 2( ) ( ) ( )r x x y y y y x x = − + = − + −
Y el momento polar es:
2 2
1 1 1 2 2 2( ) ( )
G GJ J A r J A r= + + +
Valor que necesitamos para calcular el esfuerzo cortante por el momento torsor.
Esfuerzos en uniones soldadas sujetas a flexión
En este caso las solicitudes a las que está expuesta la soldadura se componen de una fuerza
cortante de magnitud τ=F/2bh y un momento flector que produce tensiones de compresión
y tracción y cortante en la garganta.
Carga de tensión por momento flector. f f
p
M Mr
W Iσ = = ⋅
Carga de tensión tangencial por momento flector. 2
2
0,7072
dMM c
dI h bτ
⋅⋅′ = =⋅ ⋅ ⋅
Siendo 0,707 h el paso de la sección en el plano a la sección de la garganta.
Carga de tensión tangencial por la fuerza F.
F
Aτ =
1. Comprobar la seguridad de la unión UPN300 a un soporte con los cordones laterales
exteriores que se indican. Acero S275 JR.
La resistencia de la unión será suficiente si verifica:
2 2 2
23( ) / ( )u w M
fσ τ τ β γ⊥ ⊥ + + ≤ � y 20,9 /u Mfσ γ⊥ ≤
Para calcular los momentos de inercia necesitamos conocer primero donde se sitúa el centro
de masas.
Tensiones en las soldaduras producidas por las cortantes.
3
2
160 1047,06 (tensión cortante eje z)
3400
zz
V NtmmA
⋅= = =
3
2
80 1023,53 (tensión cortante)
3400
y
y
VNt
mmA
⋅= = =
El área total de las soldaduras es: 22 100 11 240 5 3400i iA a l mm= ⋅ = ⋅ ⋅ + ⋅ =∑
c.d.g
2 100 11 52,5 31133,97 155,5
3400 2y mm z mm
⋅ ⋅ ⋅= = = =
Momentos de inercia
32 2 4100 11
2 100 11 (52,5 33,97) 240 5 33,97 397348012
zI mm
⋅= + ⋅ ⋅ − + ⋅ ⋅ =
32 4240 5
2 100 11 155, 5 5895655012
yI m m
⋅= ⋅ ⋅ ⋅ + =
462930030p y xI I I m m= + =
Los esfuerzos a los que están sometidos los cordones de soldadura
son los siguientes:
80 (cortante horizontal)
160 (cortante vertical)
N 100 (Axil)
Momento torsor M 160 (102,5 33,97) 80 155,5 22964,8
Momento flector M 160 200 100 150 47000
Momento flector M 80 200 100 (102
y
z
x
tx
y
z
V KN
V KN
KN
mmKN
mmKN
=
==
= ⋅ − + ⋅ == ⋅ + ⋅ =
= ⋅ − ⋅ − 33,97) 9147 mmKN=
3
2
3
2
22964,8 10: 155.5 56,75 (hacia la derecha)
62930030
22964,8 10( 31,47) 11,49 (ascendente)
62930030
y
z
Ntensiones en B tmm
Ntmm
⋅= ⋅ =
⋅= ⋅ − = −
3
2
3
2
22964,8 10: ( 155.5) 56,75 (hacia la izquierda)
62930030
22964,8 10( 31,47) 11,49 ( )
62930030
y
z
Ntensiones enC tmm
Nt ascendentemm
⋅= ⋅ − = −
⋅= ⋅ − = −
3
2
3
2
22964,8 10: ( 155.5) 56,75 (hacia la izquierda)
62930030
22964,8 10(68,53) 25,01 ( )
62930030
y
z
Ntensiones en D tmm
Nt descendentemm
⋅= ⋅ − = −
⋅= ⋅ =
Se suman las tensiones tangenciales por esfuerzo de cizalla con las producidas por el momento
torsor.
2
2
: 47,06 25,01 72,07
23,53 56,75 80, 28
N
a
Ntotal tensiones en A t normalmm
Nt paralelamm
= + = ↓ ⊥
= + = → �
2
2
: 47,06 11, 49 35,57
23,53 56,75 80, 28
N
a
Ntotal tensiones en B t normalmm
Nt paralelamm
= − = ↓ ⊥
= + = → �
2
2
: 47,06 11,49 35,57
23,53 56,75 33,22
N
a
Ntotal tensiones enC t normalmm
Nt paralelamm
= − = ↓ ⊥
= − = − ← �
Momento torsor M 22964,8tx mmKN= produce las siguientes
tensiones de cortadura:
txy
ptT
txpz
p
Mt z
IMt r
MIt y
I
= ⋅= ⋅ = ⋅
r r
3
2
3
2
22964,8 10: 155.5 56,75 ( la derecha)
62930030
22964,8 1068,53 25,01 ( )
62930030
y
z
Ntensiones en A t haciamm
Nt descendentemm
⋅= ⋅ =
⋅= ⋅ =
2
2
: 47,06 25,01 72,07
23,53 56,75 33,22
N
a
Ntotal tensiones en D t normalmm
Nt paralelamm
= + = ↓ ⊥
= − = − ← �
Determinamos ahora las tensiones normales en estos puntos:
yz
z y
MMNy z
A I Iσ = + ⋅ + ⋅
3 6 6
2
100 10 47 10 9,147 10: 155,5 31, 47 225,8 ( )
3400 58956550 3973480Nnormal en B n tracción
mm
⋅ ⋅ ⋅= + ⋅ + ⋅ =
3 6 6
2
100 10 47 10 9,147 10: 155,5 31, 47 22,06 ( )
3400 58956550 3973480Nnormal enC n compresión
mm
⋅ ⋅ ⋅= − ⋅ + ⋅ = −
3 6 6
2
100 10 47 10 9,147 10: 155,5 68,53 252, 4 ( )
3400 58956550 3973480Nnormal en D n compresión
mm
⋅ ⋅ ⋅= − ⋅ − ⋅ = −
Pasamos estas tensiones al plano de garganta
En el punto A:
En el punto B:
En el punto C:
En el punto D:
El punto más solicitado es el B en conjunto y el D en tensión normal.
Para comprobar si la unión es suficiente para aguantar las cargas necesitamos los valores:
2u w Mf yβ γ
Por tratarse de acero S275, 2430 / 0,85u w
f N mm y β= =
El factor de seguridad 2 1, 25Mγ =
Para que la unión sea segura debe cumplir:
2 2 22 22
4303( ) / ( ) 328,39 407,7
0,85 1, 25u w M
N Nfmm mm
σ τ τ β γ⊥ ⊥ + + ≤ < = ⋅�
Y también cumple: 20,9 /u Mfσ γ⊥ ≤
2 2
430229 0,9 309,6
1, 25N N
mm mm< =
2. En el dibujo se representa un apoyo rigizado en ménsula que recibe la reacción vertical
máxima de una viga carrilera de 400 KN. Comprobar las soldaduras suponiendo acero S 275
JR.
La resistencia de la unión será suficiente si verifica:
2 2 2
23( ) / ( )u w Mfσ τ τ β γ⊥ ⊥ + + ≤ � y 20,9 /u Mfσ γ⊥ ≤
Momento de inercia respecto del c.d.g.
32 2 4250 6
180 20 (75) 2 250 6 (290 125 75) 6017500012
I mm ⋅= ⋅ ⋅ + + ⋅ ⋅ − − =
Claramente el punto más desfavorable es en el extremo inferior de los cordones laterales.
Pasando al plano de garganta (tn=0)
2 2
1 1121,27 121,27
2 2N Nn n
mm mmσ τ⊥ ⊥= = = =
Comprobamos si cumple:
2430 0,85 ( 275) 1, 25u wNf acero S
mmβ γ= = =
2180 20 2 250 6 6600i iA a l mm= ⋅ = ⋅ + ⋅ ⋅ =∑
Determinación del c.d.g.
180 20 0 2 250 6 (290 125)75
6600z mm
⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ −= =
No se tiene en cuenta la contribución en sentido del espesor
2 2 22
2
430121,27 3 (121,27 60,60 ) 264,27 404,7
0,85 1,25
430121,27 0,9 309,6
1,25
Nmm
Nmm
σ ⊥
+ ⋅ + = < =⋅
= ≤ =
Luego si que cumple.