Torsión y Flexión en Juntas Soldadas C4 2012B

Torsión y Flexión en JuntasSoldadas

Ing. Arturo Gamarra

Chinchay

design_machine_gama2006@yah

oo.es

2

Resistencia a la soldaduraE6013

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 horizontales3. Solo en posición plana

Último dígito: Variables de la técnica de soldado como fuente de corriente.

Los electrodos que se usan en la soldadura de arco se identifican por la letra E

Usamos el esfuerzo cortante permisible

Número de

electrodo AWSResistencia a la

rotura a la tensión Sut

MPa (kpsi)

Resistencia a la fluencia Sy

MPa (kpsi)

Elongación (%)

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

E100xx 689 (100) 600(87) 13 – 16

E110xx 760 (110) 670(97)

Los diámetros varían entre 1/16 y 5/16 in o 2 a 8 mm

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Propiedades de aplicación de varios electrodos

E6013

Clasificación Penetración Aplicación Básica

E6010 Profunda Buenas propiedades mecánicas, Especialmente en pases múltiples, como en edificios, puentes, recipientes a presión y tuberíasE6011 Profunda

E6012Media

Bueno para filetes horizontales de alta velocidad y un solo pase. Fácil de manejar. Especialmente para casos de pobre ajuste.

E6013Media Para obtener soldaduras de buena

calidad dentro del metal

E6020 Profunda mediaPara soldaduras de filete horizontal en secciones pesadas.

E6027 MediaElectrodo de polvo de hierro. Rápido y fácil de manejar.

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Carga de torsión

r = distancia desde el centroide del grupo de soldadura hasta el punto mas apartado en la soldadura, m

T = par de torsión aplicado a la soldadura, N-m

Donde:

Esfuerzo cortante directo (o transversal) en la soldadura

P= 20 KNantagladetotalArea

tecorFuerza

A

Vd

arg

tan

Esfuerzo cortante de torsión en la soldadura

J

Trt

J = momento de inercia del área polar, m4

La sección critica para carga de torsión es la sección de la garganta, como lo es para carga paralela y transversal

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Carga de torsión

Ju = momento polar de inercia del área unitaria, m3

Donde:

La relación entre el momento polar de inercia unitario y el momento polar de la soldadura de filete es

ueue JhJtJ 707.0

De esta forma, para evitar la falla debida a carga de torsión, se debe cumplir lo siguiente:

soldadurasytd S

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

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Geometría y Parámetros de soldadura(1)Dimensiones de la soldadura

Flexión Torsión

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Flexión Torsión

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Flexión Torsión

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Flexión Torsión

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Flexión Torsión

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Flexión

Iu = momento de inercia del área unitaria ,m2

Donde:

En flexión la junta soldada experimenta un esfuerzo cortante transversal, así como un esfuerzo normal

El momento M produce un esfuerzo flexionante normal s en las soldaduras. Comúnmente se

supone que el esfuerzo actúa como una normal sobre el área de la garganta

El esfuerzo cortante directo (o transversal) es el mismo que se dio para carga paralela y transversal wewewe Lh

P

Lh

P

Lt

P 414.1

707.0

wuewue LIhLItI 707.0

Lw = longitud de la soldadura ,m

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Flexión

a = distancia desde la pared hasta la carga aplicada, m

Donde:

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

uI

PaW ´

El esfuerzo normal debido a la flexión es

I

McDonde:

c = distancia desde el eje neutral hasta la fibra exterior, m

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FlexiónUna 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

2

21minmax4

,, xy

yx

2

2

2142

, xy

yxyx

Una vez que se obtienen tales esfuerzos principales se puede determinar la teoría del esfuerzo cortante máximo (MSST)

Una vez que se obtienen tales esfuerzos principales también se puede determinar la teoría de la energía de distorsión (DET)

s

y

n

S 21

Donde: Sy = esfuerzo de fluencia del material

ns = factor de seguridad

13

2 octoedro

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Ejemplo 1Una ménsula se suelda a una viga. Suponga una carga constante de 20 KN y longitudes de soldadura l1 = 150 mm y l2 = 100 mm . Asimismo suponga el número de electrodo como E60XX y una soldadura de filete.Determine la longitud del cateto de soldadura para la carga excéntrica que se muestra. Considerando la torsión pero no la flexión, para un factor de seguridad de 2.5

< Solución >

La suma de las áreas soldadas es

eeeei thhlltA 2508.176100150707.021

El centroide del grupo de soldaduras de las ecuaciones es

El par de torsión que se aplica es

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Ejemplo 1De 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

2' yxx

AdII 2

' xyyAdII

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Ejemplo 1

De la ecuación

El momento polar de área unitaria para la soldadura 1 es:

Para la soldadura 1

2' yxx

LdII

2' xyy

LdII

Coordenadas del centroide del filete de soldadura

x

Y

1

2 32

32

11

3

1 250,4167510515012

150

212' mm

lyl

lI

x

De la ecuación

322

1 000,6020150' mmxlIy

3

1250,476'' mmIIJ

yxu

Para la soldadura 2

De la ecuación 2' yxx

LdII 32

2 500,20245' mmlIx

De la ecuación2

' xyyLdII

3232

2

3

2 333,173205010012

100

212' mm

lx

lI

y

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Ejemplo 1

De esta forma, el momento polar de inercia del área unitaria para la soldadura 1 y 2 es

El momento polar de área unitaria para la soldadura 2 es:

3

2833,375'' mmIIJ

yxu

3

21083,852 mmJJJ uuu

Este es el mismo resultado que el que se obtuvo usando la fórmula de la tabla

El momento polar de inercia del área es

eueue hJhJtJ 514,602707.0 J se expresa en milímetros a la cuarta potencia

P= 20 KNEsfuerzo cortante por carga transversal, en los puntos A y B son iguales

MPahhA

P

ee

dBdA

1.113

8.176

000,20

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Ejemplo 1Los componentes del esfuerzo cortante de torsión en el punto A son:

Esfuerzo cortante de torsión

ttAx

ttAy

ttBx

ttBy

MPah

MPahJ

T

ee

tAx

3.418

514,602

45106.545 6

MPa

hMPa

hJ

T

ee

tAy

7.7433.418

45

8080

MPahe

tAxAx

3.418

MPah

MPahh eee

tAydAAy

8.8567.7431.113

MPah

MPah ee

AyAxA

5.9538.8563.418

1 2222

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Ejemplo 1

Los componentes del esfuerzo cortante de torsión en el punto B son:

Esfuerzo cortante de torsión

ttAx

ttAy

ttBx

ttBy

MPah

MPahJ

T

ee

tBx

1.976

514,602

105106.5105 6

MPah

MPahJ

T

ee

tBy

9.1851.976

105

2020

MPahe

tBxBx

1.976

MPah

Pahh eee

tBydBBy

82.7210

1.1139.185 6

MPah

MPahh eee

ByBxB

8.97882.721.97622

22

AB AB

AB Como

Este se selecciona para el diseño

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La resistencia a la fluencia para el electrodo E60XX es de 50 Ksi

Ejemplo 1

La resistencia de un elemento de máquina es:

ypermisible S40,0

ypermisible S40,0

MPaKsiSypermisible 0.13820105040,040,0 3

El factor de seguridad es:

e

B

permisible

s

h

n8.978

0.138

Puesto que el factor de seguridad es 2.5, se tiene:

mmhe 73.17

0.138

5.28.978

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Cálculos de Elementos de Maquinas I

Practica Domiciliaria № 4

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 de soldadura, serie E60 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?

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Diseño de Elementos de Maquinas I

Practica Domiciliaria № 4

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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