Autor
Damià Milanés
Profesor en los Másters de Estructuras Metálicas y Mixtas en Edificación, Cimentaciones y Estructuras de Contención y en Estructuras de Edificación con CYPE en en Zigurat Global Institute of Technology.
¿Las soldaduras se calculan?
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Así es como iniciamos prácticamente todas las sesiones en vivo del Máster Internacional de Estructuras Metálicas y Mixtas de Zigurat, haciéndonos preguntas. La respuesta a la misma, en este caso, es afirmativa. Sí, las soldaduras entre elementos estructurales de acero no solo deben calcularse sino que, además, también deben diseñarse, siendo esta etapa inicial de diseño no menos importante:
- Diseño de la soldadura: decidir qué elementos soldamos. ¿Soldamos únicamente el alma? ¿Soldamos alma y también las alas-patines?
- Cálculo de la soldadura: se debe comprobar que el plano resistente de la soldadura “plano de garganta” sea capaz de soportar las tensiones de trabajo que se generan definiendo su longitud, espesor de garganta y tipo de electrodo.
Ésta será una conexión que capaz de transmitir momento flector y esfuerzo de corte. Es lo que conocemos como una “Conexión a momento”.
Transmisión de momento flector “Ley de Navier”
Debido a la presencia del momento flector y de acuerdo a la ley de Navier se genera una distribución de tensiones normales al plano abatido de las soldaduras que son máximas en las fibras más alejadas:
Conociendo la inercia de toda la distribución de área de los planos abatidos de las soldaduras...
... somos capaces de conocer la tensión normal máxima que se producirá en el cordón tipo (1). Aplicando Navier obtenemos la tensión “n1”:
Aplicando semejanza de triángulos, logramos obtener los valores de tensión para la soldadura (2) y soldadura (3):
Transmisión de esfuerzo cortante "Ley de Collignon"
En este caso consideramos que el esfuerzo de corte es absorbido de forma uniforme por los cordones a lado y lado del alma, soldaduras tipo (3). Obtenemos la tensión tangencial como el esfuerzo dividido por el área del plano abatido:
Hasta ahora hemos obtenido las tensiones en los planos abatidos de los cordones de soldadura. Solo nos queda pendiente repercutir dichas tensiones en el plano resistente o plano de garganta de la soldadura que es el plano a 45º respecto a la horizontal:
Una vez obtenidas en las tensiones en el plano de garganta “σ, τn y τa” obtenemos la tensión resultante o de comparación con Von Mises, solicitación que deberá ser menor a la resistencia del cordón. Proponemos pues la siguiente inecuación:
En el Máster nos apoyamos continuamente en hojas de cálculo que nos permiten entender los conceptos que hay detrás de cualquier comprobación y, al mismo tiempo, nos permite realizar sucesivas iteraciones de forma ágil.
Introducimos números y nos apoyamos en una de estas hojas de soporte:
Input data
Propiedades mecánicas de los planos abatidos de las soldaduras
Comprobación cordones tipo (1), los más solicitados a flexión
Hoy en día disponemos de multitud de herramientas que nos permiten hacer este tipo de comprobaciones en uniones soldadas. Herramientas como CypeConnect, Idea Statica y la nueva herramienta de cálculo de conexiones por elementos finitos, CypeConnectSteel, herramienta que dispondrá de conexión con aplicaciones de cálculo como Cype3d y Cypecad y con herramientas de detallado-modelado-fabricación de estructura metálica como StrubimSteel.
Vemos cómo es la operativa con estas herramientas.
CypeConnect
Seleccionamos el tipo de conexión, introducimos los perfiles de las barras y esfuerzos y dimensionamos la unión. En este caso podemos jugar con las longitudes de los cordones de soldadura, espesores de garganta, electrodos utilizados....
Tipo de conexión en CypeConnect
Fisonomía del nudo en CypeConnect
Pudiendo extraer los listados de comprobación de la conexión y, de forma específica, de los cordones de soldadura implicados.
Fijémonos como el programa determina la tensión de comparación de Von Mises para cada cordón y evalúa el aprovechamiento del mismo:
Listados comprobación soldaduras en CypeConnect
Idea Statica
Seleccionamos el tipo de conexión:
Tipo de conexión en IdeaStatica
Fisonomía del nudo en IdeaStatica
Pudiendo evaluar tensión equivalentes en la conexión así como las comprobaciones específicas para los cordones de soldadura (Método direccional):
Evaluación de deformaciones en la conexión
Obtención de los listados de comprobación de las soldaduras
Cype Connect Steel
Como ya introducíamos más arriba, nueva herramienta con motor de cálculo basado en elementos finitos que permitirá el diseño y cálculo de conexiones metálicas. Dispondrá de integración con software de detallado-modelado en acero,
Modelado de la conexión en StruBIM Steel (website de Cype)
Cálculo de la conexión con Cype Connect Steel (website de Cype)
Nuevo motor de elementos finitos para conexiones de Cype (website Cype)
Os dejamos un enlace con más información sobre esta nueva herramienta: https://blog.bimserver.center/es/cype-connect-steel-la-nueva-aplicacion-para-el-analisis-de-uniones-complejas-en-estructuras-metalicas-con-el-metodo-de-elementos-finitos/
Con todas estas herramientas puestas a disposición de los alumnos en el Máster Internacional de Estructuras Metálicas y Mixtas de Zigurat, el alumno consigue llevar a la práctica un proceso de aprendizaje significativo partiendo de sus conocimientos previos, haciéndose preguntas tal y como hemos arrancado el artículo de hoy, proponiendo hipótesis y generando nuevos conocimientos soportados en las ideas previas...
