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25-5-2015 SISTEMAS ESTRUCTURALES DE ACERO Conexiones soldadas y atornilladas INTEGRANTES DE EQUIPO: HERNANDEZ CAMACHO CINTHIA ROXANA SARAVIA TAPIA NESTOR WILLIAMS SILVERIO CAN JONATHAN SURIEL SOSA GOMEZ JUAN MANUEL UITZ CAAMAL ANAHI GUADALUPE

Conexiones Atornilladas y Soldadas

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investigacion de lo que son las conexiones en estructuras de acero y su importnacia

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  • 25-5-2015

    SISTEMAS ESTRUCTURALES DE

    ACERO Conexiones soldadas y atornilladas

    INTEGRANTES DE EQUIPO:

    HERNANDEZ CAMACHO CINTHIA ROXANA SARAVIA TAPIA NESTOR WILLIAMS SILVERIO CAN JONATHAN SURIEL SOSA GOMEZ JUAN MANUEL UITZ CAAMAL ANAHI GUADALUPE

  • Contenido 1. CONEXIONES .......................................................................................................................................... 3

    2. CONEXIONES ATORNILLADAS ..........................................................................................................25

    2.1 CONEXIONES ATORNILLADAS SIMPLES ......................................................................................25

    2.1.1 TAMAOS DE AGUJEROS PARA TORNILLOS .......................................................................25

    2.1.2 CONEXIONES POR CORTANTE: MODOS DE FALLA ............................................................26

    2.1.3 RESISTENCIA POR APLASTAMIENTO Y REQUISITOS DE ESPACIAMIENTO Y DISTANCIAS A BORDES ......................................................................................................................28

    2.1.4 TORNILLOS ORDINARIOS O ESTNDAR (A307) ...................................................................29

    2.1.5 TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA .......................................................................................31

    2.1.6 DETALLES ESTRUCTURALES...................................................................................................40

    3. CONEXIONES SOLDADAS ...................................................................................................................41

    3.1 VENTAJAS DE LA SOLDADURA .......................................................................................................41

    3.2 PROCESOS DE SOLDADURA ...........................................................................................................42

    3.3 SOLDADURA DE ARCO .....................................................................................................................42

    3.4 TIPOS DE SOLDADURAS ..................................................................................................................44

    3.5 POSICIONES DE SOLDADO ..............................................................................................................46

    3.6 TIPOS DE JUNTAS ..............................................................................................................................47

    3.7 SMBOLOS BSICOS DE SOLDADURA ..........................................................................................47

    3.8 MATERIALES CONSUMIBLES DE LA SOLDADURA .....................................................................50

    3.9 METALES DE APORTE .......................................................................................................................50

    3.10 ELECTRODOS PARA SOLDADURA DE ARCO ............................................................................50

    3.11 CLASIFICACIN AWS-ASTM DE LOS ELECTRODOS DE ACERO AL CARBONO ................50

    3.12 USO DE LOS ELECTRODOS DE ACERO AL CARBONO PARA SOLDADURA DE ARCO. ...51

    3.13 RESISTENCIA DE DISEO ..............................................................................................................55

  • 1. CONEXIONES

    El diseo y fabricacin de las conexiones es uno de los aspectos trascendentales y

    ms difciles de resolver en un proyecto resuelto con estructura de acero. Las

    conexiones deben ser capaces de transmitir cargas axiales, fuerzas cortantes y

    momentos flexionantes. Algunas veces, las juntas se disean para transmitir un solo

    tipo de accin, mientras que en otras ocasiones, como suele ocurrir en los casos en

    que se desea establecer continuidad entre los elementos unidos, la junta debe

    tener capacidad para transmitir una combinacin de diferentes efectos, por ejemplo:

    cortante y momento flexionante. La experiencia de la construccin de estructuras

    soldadas ha demostrado que las conexiones entre vigas y columnas de seccin

    transversal l (laminadas o soldadas), que son secciones abiertas, son ms fciles

    de hacer que la conexin de una columna tipo cajn y una viga de seccin trasversal

    l. En la secciones l se tiene acceso para depositar la soldadura por varios lados,

    mientras que en las secciones en cajn existe mayor dificultad al tener perfiles

    completamente cerrados, pero sus propiedades geomtricas son ms favorables que

    las de las secciones l.

    Las conexiones atornilladas presentan las siguientes ventajas: proceso en frio,

    rapidez en el atornillado, menos mano de obra especializada, facilitan la inspeccin

    visual y la sustitucin de los tornillos que se han daado o la reposicin de estos.

    Las conexiones soldadas son sencillas y econmicas, debido a que se eliminan

    elementos de unin, se obtienen estructuras ms rgidas o continuas y requieren

    menos trabajo en taller. Sus desventajas principales son: mayor supervisin en obra,

    aplicacin de calor durante el proceso de soldadura, requieren mano de obra

    calificada y dificultan la inspeccin visual.

    Las juntas bien diseadas deben cumplir adicionalmente con los siguientes

    requisitos:

    Sencillez. Cuando ms sencilla es una junta, menos posibilidades existen de

    que la conexin resulte con defectos, puesto que se tienen menos puntos

    crticos y zonas potenciales de falla. El hecho de que las juntas sean sencillas,

    aumenta la rapidez de montaje y hace posible que esto pude efectuarse con

  • un nmero mnimo de personal especializado. Es necesario procurar no

    solamente que la junta sea sencilla sino que tambin las preparaciones, que

    son necesarias hacer en las piezas, no sean complicadas.

    Continuidad. El empleo de juntas que aseguran un grado de continuidad,

    supone siempre un ahorro de material en los elementos estructurales que

    forman parte de la estructura debido a la posibilidad de proyectarla como

    continua.

    Economa. El costo de las juntas, puede representar una parte importante del

    costo total de una estructura de acero, de manera que, es de inters

    mantenerlo dentro de lmites razonables. Por lo tanto, el proyectista debe

    cuidar minuciosamente los diferentes factores que determinan el costo de una

    junta. Los principales materiales que integran el costo de las conexiones son:

    o Costo de los elementos que forman la junta: soldadura, tornillos, placas

    o retazos de perfiles laminados (ngulos de asiento o mnsulas, perfiles

    T, etc.).

    o Costo de la mano de obra necesaria para fabricar la junta con las

    preparaciones que requieran los elementos que la forman.

    o El costo del equipo de montaje cuando el tipo de junta obliga a que la

    pieza sea sostenida mientras se efectan las uniones en campo.

  • 2. CONEXIONES ATORNILLADAS

    2.1 CONEXIONES ATORNILLADAS SIMPLES

    Durante muchos aos el mtodo aceptado para conectar los miembros de una

    estructura de acero fue el remachado. Sin embargo, en aos recientes, el uso de

    remaches ha declinado rpidamente debido al tremendo incremento experimentado

    por la soldadura, y ms recientemente, por el atornillado con pernos o tornillos de alta

    resistencia.

    El montaje de estructuras de acero por medio de tornillos, es un proceso que adems

    de ser muy rpido requiere mano de obra menos especializada que cuando se trabaja

    con remaches o con soldadura. Aunque el costo de adquisicin de un tornillo de alta

    resistencia es varias veces mayor que el de un remache, el costo total de la

    construccin atornillada, es menor que el de la construccin remachada, debido a los

    menores costos por mano de obra y equipo y al menor nmero de tornillos requeridos

    para resistir las mismas cargas.

    2.1.1 TAMAOS DE AGUJEROS PARA TORNILLOS

    Dimetro

    del tornillo

    (plg)

    Dimetro

    del tornillo

    (mm)

    Dimensiones de los agujeros

    Estndar

    (ST)

    (dimetro)

    Sobredimensionados

    (SD) (dimetro)

    De ranura corta

    (AC) (ancho x

    long)

    De ranura larga

    (AL) (ancho x

    long)

    1/2

    5/8

    3/4

    7/8

    1

    1 1/8

    12.7

    15.9

    19

    22.2

    25.4

    28.5

    12.7

    17.5

    20.6

    23.8

    27

    d + 1.6

    15.9

    20.6

    23.8

    27

    31.8

    d + 7.9

    14.3 x 17.6

    17.5 x 22.2

    20.6 x 25.4

    23.8 x 28.6

    27 x 33.3 (d+1.6) x

    (d+9.5)

    14.3 x 31.8

    17.5 x 39.7

    20.6 x 47.6

    23.8 x 55.6

    27 x 63.5 (d+1.6) x

    (2.5xd)

    Los casos en que pueden usarse los diversos tipos de agujeros agrandados se

    describen a continuacin:

  • Los agujeros sobredimensionados pueden usarse en todas las placas de una

    conexin siempre que la carga aplicada no exceda a la resistencia permisible

    al deslizamiento. No deben utilizarse en juntas tipo aplastamiento. Es

    necesario usar roldanas endurecidas sobre estos agujeros holgados en las

    placas exteriores.

    Los agujeros de ranura corta pueden usarse independientemente de la

    direccin de la carga aplicada si la resistencia permisible por deslizamiento es

    mayor que la fuerza aplicada. Si la carga se aplica en una direccin

    aproximadamente normal (entre 80 y 100) a la ranura, estos agujeros pueden

    usarse en algunas o todas las capas de las conexiones por aplastamiento.

    Usar roldanas (endurecidas si se usan tornillos de alta resistencia) sobre los

    agujeros de ranura corta en las capas exteriores.

    Los agujeros de ranura larga pueden usarse en cualquiera, pero slo en

    una de las partes conectadas y en cualquier superficie de contacto en

    conexiones tipo friccin o tipo aplastamiento. En las juntas tipo friccin estos

    agujeros pueden usarse en cualquier direccin, pero en las juntas de tipo

    aplastamiento las cargas deben ser normales (entre 80 y 100) a los ejes de

    los agujeros. Si se usan los agujeros de ranura larga en una capa exterior es

    necesario cubrirlos con roldanas o con una barra continua. En conexiones con

    tornillos de alta resistencia, las roldanas o la barra no tienen que ser

    endurecidas, pero deben ser de material estructural y no deben ser menores

    de 5/16 plg (7.9 mm) en su espesor.

    2.1.2 CONEXIONES POR CORTANTE: MODOS DE FALLA

    Falla en el sujetador Considerando la junta traslapada, puede suponerse que la falla del sujetador ocurre como se muestra. El esfuerzo cortante promedio en este caso ser:

    =

    =

    2

    4

  • Falla de las partes conectadas Otros modos de falla en las conexiones de cortante, implican la falla de las partes conectadas y caen en dos categoras generales:

    Falla que resulta de la tensin, cortante o flexin excesivas en las partes conectadas. Cuando se conecta un miembro en tensin, las tensiones en el rea total y en el rea neta efectiva deben investigarse. Al depender de la configuracin de la conexin, el bloque de cortante tambin tendra que ser considerado. El bloque de cortante tambin debe examinarse en las conexiones de viga a columna en las que el patn superior de la viga est despatinado. Al depender de los tipos de conexin y carga, los elementos de la conexin como placas de nudo y ngulos pueden requerir de un anlisis por cortante, tensin, flexin o bloque de cortante. El diseo de una conexin de un miembro en tensin se hace, por lo regular, en paralelo con el diseo del miembro mismo, ya que los dos procesos son interdependientes.

    Falla en la parte conectada debido al aplastamiento ejercido por los

    sujetadores. Si el agujero es ligeramente ms grande que el sujetador y este se supone colocado sueltamente en el agujero, el contacto entre el sujetador y la parte conectada existir sobre aproximadamente, la mitad de la circunferencia del sujetador cuando se aplique una carga.

  • 2.1.3 RESISTENCIA POR APLASTAMIENTO Y REQUISITOS DE ESPACIAMIENTO Y DISTANCIAS A BORDES

    Resistencia por aplastamiento La resistencia por aplastamiento es independiente del tipo de sujetador, porque el esfuerzo en consideracin es sobre la parte conectada y no sobre el sujetador. Por esta razn, la resistencia por aplastamiento, as como los requisitos por espaciamiento o separacin, que son tambin independientes del tipo de sujetador, sern considerados antes que la resistencia por cortante y tensin de los tornillos. La resistencia por aplastamiento deber ser revisada para ambos tipos de conexiones por aplastamiento y por deslizamiento crtico. El uso de agujeros sobredimensionados, alargados cortos y alargados largos que sean paralelos a la lnea de fuerza estar restringidos en las conexiones a deslizamiento crtico por la Seccin J3.2 del AISC. La resistencia por aplastamiento de los agujeros de tornillos es Rn donde: = 0.75 y Rn es la resistencia nominal al aplastamiento determinada como sigue:

    Para un tornillo en una conexin hecha con agujeros estndar, agujeros alargados cortos y largos independientes de la direccin de la carga, o con un agujero alargado largo que tenga la ranura paralela a la direccin de la fuerza de aplastamiento:

    Cuando la deformacin en el agujero del tornillo es causada por la carga de servicio y es una consideracin de diseo:

    Cuando la deformacin en el agujero del tornillo es causada por la carga de servicio y no es una consideracin de diseo:

    Para un tornillo en una conexin hecha con agujeros alargados largos que

    tenga la ranura perpendicular a la direccin de la fuerza:

    donde: Rn = Resistencia nominal de aplastamiento del material conectado (kg) Fu = Resistencia de tensin mnima especificada en la parte crtica (kg/cm) Lc = Distancia libre en la direccin de la fuerza, entre el borde del agujero y el borde del agujero adyacente o del borde del material (cm) d = Dimetro del tornillo (cm) t = Espesor del material conectado (cm)

  • En las conexiones, la resistencia por aplastamiento deber ser tomada como la sumatoria de las resistencias por aplastamiento de los tornillos individuales. Para prevenir un alargamiento excesivo del agujero, se fija un lmite superior a la carga de aplastamiento dada por las ecuaciones siguientes. Este lmite superior es proporcional al esfuerzo de fractura multiplicado por el rea proyectada de aplastamiento:

    Donde: C = Una constante d = Dimetro del tornillo t = Espesor de la parte conectada Requisitos de separacin y distancia a bordes Para mantener ciertas distancias libres entre las tuercas de los tornillos y proporcionar espacio para las llaves de su instalacin, requiere que la separacin centro a centro de los sujetadores (en cualquier direccin) sea no menor que 2 2/3 y de preferencia no menor que 3d, donde d es el dimetro del sujetador. Tabla de distancia mnima al borde en mm del centro del agujero estndar al borde

    de la parte conectada.

    2.1.4 TORNILLOS ORDINARIOS O ESTNDAR (A307)

    Estos tornillos, tambin conocidos como tornillos no acabados son designados como ASTM A307 y se fabrican con aceros al carbono con caractersticas de esfuerzos y deformaciones muy parecidas al del acero A36. Estn disponibles en dimetros que van de 3/8 plg (9.5 mm) hasta 1 plg (38mm) en incrementos de 1/8 plg (3 mm). Los tornillos A307 tienen relativamente grandes tolerancias en el vstago y en las dimensiones de la cuerda. Se usan principalmente en estructuras ligeras sujetas a

  • cargas estticas y en miembros secundarios (largueros, correas, riostras, plataformas, armaduras pequeas, etc.). En edificaciones no son utilizadas. Este tipo de tornillos difieren de los tornillos de alta resistencia no solo en las propiedades materiales, sino tambin en que no tomamos en cuenta la fuerza de apriete resultante del apriete de los tornillos. Resistencia de diseo por tensin en tornillos estndar La resistencia de diseo a tensin de los tornillos A307 es R donde el factor de resistencia es 0.75 y la resistencia nominal por tensin es:

    =

    Tabla 2.3 Resistencia a Tensin ltima para Tornillos Estndar (A-307)

    Resistencia de diseo por cortante en tornillos estndar La resistencia de diseo por cortante de los tornillos A307 es R donde el factor de resistencia es 0.75 y la resistencia nominal por cortante es:

    =

    Tabla 2.4 Resistencia a Corte Simple para Tornillos Estndar

  • 2.1.5 TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA

    Los tornillos de alta resistencia, para juntas estructurales, se tienen en dos grados: ASTM A325 y ASTM A490. Estos tornillos se fabrican a base de acero al carbono tratado trmicamente y aceros aleados, tienen resistencias a la tensin de dos o ms veces la de los tornillos ordinarios. Los tornillos de alta resistencia se usan para todo tipo de estructuras, desde pequeos edificios hasta rascacielos y puentes monumentales. Los tornillos A490 son ms caros que los tornillos A325, pero, por lo regular, se requiere un nmero menor de ellos. Ventajas de los tornillos de alta resistencia

    Entre las muchas ventajas de los tornillos de alta resistencia, que en parte explican su gran xito, estn las siguientes:

    Las cuadrillas de hombres necesarias para atornillar, son menores que las que

    se necesitan para remachar. Dos parejas de atornilladores pueden fcilmente colocar el doble de tornillos en un da, que el nmero de remaches colocados por una cuadrilla normal de cuatro remachadores, resultando un montaje de acero estructural ms rpido.

    En comparacin con los remaches, se requiere menor nmero de tornillos para

    proporcionar la misma resistencia. Unas buenas juntas atornilladas pueden realizarlas hombres con mucho menor

    entrenamiento y experiencia que los necesarios para producir conexiones soldadas o remachadas de calidad semejante. La instalacin apropiada de tornillos de alta resistencia puede aprenderse en cuestin de horas.

    No se requieren pernos de montaje que deben removerse despus

    (dependiendo de las especificaciones) como en las juntas soldadas. Resulta menos ruidoso en comparacin con el remachado.

    Se requiere equipo ms barato para realizar conexiones atornilladas.

    No existe riesgo de fuego ni peligro por el lanzamiento de los remaches

    calientes.

    Las pruebas hechas en juntas remachadas, y en juntas atornilladas, bajo condiciones idnticas, muestran definitivamente que las juntas atornilladas tienen una mayor resistencia a la fatiga. Su resistencia a la fatiga es igual o mayor que la obtenida con juntas soldadas equivalentes.

    Donde las estructuras se alteran o desensamblan posteriormente, los cambios

    en las conexiones son muy sencillos por la facilidad para quitar los tornillos.

  • Resistencia de diseo por tensin ltima de tornillos de alta Resistencia La resistencia de diseo por tensin de los tornillos A325 y A490 es R, donde el factor de resistencia es 0.75. Igual que para los tornillos comunes, la resistencia nominal por tensin de los tornillos de alta resistencia est dada por el esfuerzo de tensin ltimo multiplicado por el rea nominal del tornillo. Tabla 2.6 Resistencia de Diseo a Tensin ltima de Tornillos de Alta Resistencia

    Tornillos apretados sin holgura y tornillos completamente Tensados Segn el LRFD, no todos los tornillos de alta resistencia tienen que tensarse completamente, dicho proceso es caro as como su inspeccin. Algunos tornillos requieren apretarse slo hasta quedar con apriete ajustado (snugtight). Esto se logra cuando todos los paos de una conexin estn en contacto firme entre s. En general se obtiene con el esfuerzo total realizado por un operario con una llave manual o el apretado que se efecta despus de unos pocos golpes con una llave de impacto. Los tornillos de alta resistencia quedan sometidos a fuertes esfuerzos de tensin en el vstago, desarrollando as una confiable presin de apriete. El esfuerzo cortante es transferido por friccin bajo carga de trabajo. Los tornillos de alta resistencia son preferidos como sujetadores en conexiones de campo, en situaciones donde se tienen inversiones de esfuerzos con la posibilidad de que se generen problemas de fatiga, bajo cargas de impacto y en otras aplicaciones donde no es conveniente tener deslizamiento en la junta. En una conexin tipo friccin o crtica al deslizamiento, los pernos no estn realmente sometidos a cortante ni aplastamiento, ya que no ocurre ningn desplazamiento bajo cargas de servicio. Sin embargo, se especifica por conveniencia un esfuerzo cortante.

  • Conexiones tipo friccin y tipo aplastamiento en tornillos de alta Resistencia Conexiones tipo friccin Como se mencion anteriormente, los tornillos de alta resistencia pueden apretarse hasta que se alcanzan esfuerzos extremadamente altos de tensin, de manera que las partes conectadas quedan fuertemente afianzadas entre la tuerca del tornillo y su cabeza; se tiene entonces una considerable resistencia al deslizamiento en la superficie de contacto. Esta resistencia es igual a la fuerza al apretar multiplicada por el coeficiente de friccin. El propsito de una fuerza de tensin tan grande es el de alcanzar la fuerza de apriete. Se dice que tales tornillos estn plenamente tensionados.

    Conexiones tipo aplastamiento Si la fuerza cortante es menor que la resistencia permisible por friccin, la conexin se denomina tipo friccin. Si la carga excede a la resistencia por friccin, habr un deslizamiento entre los miembros con un posible degollamiento de los tornillos y al mismo tiempo las partes conectadas empujarn sobre los tornillos. Mtodos para tensar completamente los tornillos de alta Resistencia Existen varios mtodos para apretarlos. Estos mtodos, incluido el mtodo del giro de la tuerca, el de la llave calibrada y el uso de tornillos de diseo alternativo, as como

  • los indicadores directos de tensin, los permite sin preferencia las especificaciones LRFD.

    Mtodo del giro de la tuerca. Los tornillos se aprietan ajustados y luego se les da un giro de 1/3 o de una vuelta completa, dependiendo de la longitud de stos y de la inclinacin de las superficies entre sus cabezas y tuercas. (La magnitud del giro puede controlarse fcilmente marcando la posicin apretada sin holgura con pintura o crayn)

    Mtodo de la llave calibrada. En ste mtodo los tornillos se aprietan con una

    llave de impacto ajustada para detenerse cuando se alcanza el par necesario para lograr la tensin deseada de acuerdo con el dimetro y la clasificacin de la ASTM del tornillo. Es necesario que las llaves se calibren diariamente y que se usen rondanas endurecidas. Deben protegerse los tornillos del polvo y de la humedad en la obra.

    Indicador directo de tensin. El indicador directo de tensin consiste en una

    rondana endurecida con protuberancias en una de sus caras en forma de pequeos arcos. Los arcos se aplanan conforme se aprieta el tornillo. La magnitud de la abertura en cualquier momento es una medida de la tensin en el tornillo. En los tornillos completamente tensados las aberturas deben medir 0.4 mm o menos.

    Tornillos de diseo alternativo. Adems de los mtodos anteriores existen

    algunos tornillos de diseo alternativo que pueden tensarse satisfactoriamente. Los tornillos con extremos rasurados que se extienden ms all de la porcin roscada son un ejemplo. Se usan boquillas especiales en las llaves para apretar las tuercas hasta que se degollan los extremos rasurados.

    Accin de apalancamiento En la mayor parte de las conexiones en las que los sujetadores estn sometidas a las fuerzas de tensin, la flexibilidad de las partes conectadas puede conducir a las deformaciones que incrementan la tensin aplicada a los sujetadores. Una conexin colgante como el tipo que se emple en el anlisis precedente, est sometida a esta clase de comportamiento. La tensin adicional se llama accin de apalancamiento y est ilustrado en la figura, que muestra las fuerzas sobre un cuerpo libre del colgante. Antes de que la carga externa sea aplicada, si el patn es suficientemente flexible para deformarse como se muestra, las fuerzas de compresin se desplazarn hacia los bordes del patn. Esta redistribucin cambiar la relacin entre todas las fuerzas y la tensin en el tornillo aumentar. Sin embargo, si las partes conectadas son suficientemente rgidas, este desplazamiento de las fuerzas no se presentar y no se tendr accin de apalancamiento. El valor mximo de la fuerza de apalancamiento se alcanzar cuando slo las esquinas del patn permanezcan en contacto con la otra parte conectada.

  • Conectores con cortante y tensin combinados

    En la mayora de las situaciones en las que un tornillo est sometido a cortante y tensin, la conexin est cargada excntricamente y tal caso ser estudiado en un captulo posterior. Sin embargo, en algunas conexiones simples los sujetadores estn en un estado de carga combinada. La figura 2.27 muestra un segmento de T estructural conectado al patn de una columna con el fin de unir un miembro de arriostramiento. Este ltimo elemento est orientado de manera que la lnea de accin de la fuerza en el miembro pasa por el centro de gravedad de la conexin. La componente vertical de la carga someter los sujetadores a cortante y la componente horizontal generar tensin (con la posible inclusin de fuerzas de apalancamiento). Como la lnea de accin de la carga acta a travs del centro de gravedad de la conexin, puede suponerse que cada sujetador toma una porcin igual de cada componente.

  • Como en todos los otros casos de carga combinada, puede usarse el enfoque de una frmula de interaccin. Las resistencias por cortante y por tensin para tornillos tipo aplastamiento se basan en los resultados de pruebas y pueden tomarse de la curva elptica de interaccin. La ecuacin de esta curva es:

    Conexiones excntricas En una conexin excntrica la resultante de las cargas aplicadas no pasa por el centro de gravedad de los sujetadores o las soldaduras. Si la conexin tiene un plano de simetra, el centroide del rea de corte de los sujetadores o las soldaduras se usa como punto de referencia, y la distancia perpendicular de la lnea de accin de la carga al centroide se llama excentricidad. Aunque una gran mayora de las conexiones estn cargadas excntricamente, en muchos casos la excentricidad es pequea sin embargo, se recomienda revisar. La conexin de la viga con ngulo que se muestra en la figura siguiente, es una conexin excntrica tpica. Esta conexin en forma atornillada o soldada, se usa comnmente para conectar vigas a columnas. Aunque las excentricidades en este tipo de conexin son, por lo regular, despreciables, ellas existen y se emplean aqu como ilustracin.

  • Dos conexiones diferentes estn en realidad presentes: la unin de la viga a los ngulos y la unin de los ngulos a la columna. Esas conexiones ilustran las dos categoras bsicas de las conexiones excntricas: aquellas que generan solo cortante en los sujetadores y aquellas que generan cortante y tensin. Conexiones excntricas atornilladas: slo cortante La conexin de la mnsula de la columna que se muestra en la figura 2.31 es un ejemplo de una conexin atornillada sometida a un cortante excntrico. Existen dos enfoques para la solucin de este problema: el anlisis tradicional elstico y el ms exacto (pero ms complejo) por anlisis de resistencia ltima. Ambos sern ilustrados.

  • Conexiones excntricas atornilladas: cortante ms tensin En una conexin como la de la figura 2.40, de una mnsula formada por un mun de T estructural, una carga excntrica crea un par que incrementar la tensin en la fila superior de los sujetadores, y la disminuir en la fila inferior. Si los sujetadores son tornillos sin tensin inicial, los tornillos superiores quedarn sometidos a la tensin y los inferiores no sern afectados.

    Independientemente del tipo de sujetador, cada uno recibir una porcin igual de carga cortante. Si los sujetadores son tornillos de alta resistencia pretensionados, la superficie de contacto entre el patn de la columna y el patn de la mnsula estar uniformemente comprimida entes de que se aplique la carga externa. La presin de apoyo ser igual a la tensin total de los tornillos, dividida entre el rea de contacto. Conforme la carga P es gradualmente aplicada, la compresin en la parte superior ser aliviada y la presin en el fondo se incrementar, como se presenta en la figura 2.41a. Cuando la compresin en la parte superior ha sido completamente vencida, las componentes se separarn y el par Pe ser resistido por las fuerzas de tensin en los tornillos y por la compresin sobre la superficie restante de contacto, como se presenta en la figura 2.41b. Al acercarse la carga ltima, las fuerzas en los tornillos se aproximarn a sus resistencias ltimas de tensin. Usaremos en esta tesis un mtodo simplificado, conservador. Se supone que el eje neutro de la conexin pasa por el centroide de las reas de los tornillos. Los tornillos arriba de este eje estn sometidos a la tensin y los tornillos abajo del eje se supone que se encuentran sometidos a fuerzas de compresin, como se muestra en la figura 2.41c. Se supone que cada tornillo ha alcanzado un valor ltimo de r.

  • 2.1.6 DETALLES ESTRUCTURALES

  • 3. CONEXIONES SOLDADAS La soldadura estructural es un proceso por medio del cual las partes por conectarse son calentadas y fundidas, con metal fundido de aportacin agregado a la junta. Por ejemplo, el miembro en tensin con junta traslapada que se muestra en la figura 3.1a puede construirse al soldarse a travs de los extremos de ambas partes conectadas. Una relativamente pequea profundidad de material se fundir y, al enfriarse, el acero estructural y el metal de aportacin actuarn como una parte continua donde ellos se unen. El metal adicional es depositado por un electrodo especial, que es parte de un circuito elctrico que incluye a la parte conectada o metal base.

    3.1 VENTAJAS DE LA SOLDADURA

    Actualmente es posible aprovechar las grandes ventajas que la soldadura ofrece, ya que los temores de fatiga e inspeccin se han eliminado casi por completo. A continuacin se dan algunas de las muchas ventajas de la soldadura:

    I. Se logra simplicidad en los detalles de diseo, eficiencia y peso mnimo ya que la soldadura proporciona la transferencia ms directa del esfuerzo de un miembro a otro.

    II. Los costos de fabricacin se reducen porque manipulan menos partes y se

    eliminan las operaciones de punzonado, limado y taladrado. III. Se logra un ahorro en peso en los miembros principales a tensin ya que no es

    necesaria una reduccin en rea por agujeros de tornillos. Se obtiene tambin un ahorro adicional debido a que se requieren menos partes conectoras.

    IV. La soldadura proporciona el nico procedimiento para conectar placas

    inherentemente hermticas al aire y al agua y por tanto es ideal en tanques de almacenamiento de agua, de aceite, en barcos, etc.

    V. La soldadura permite el uso de las lneas de conexin con una continuidad que

    mejora la apariencia estructural y arquitectnica y que reduce concentraciones de esfuerzos debido a discontinuidades locales.

  • VI. Una fabricacin simple resulta prctica para aquellas juntas en que un miembro se une a una superficie curva o inclinada, como en las conexiones de tubos estructurales.

    VII. La soldadura simplifica el refuerzo y reparacin de estructuras existentes

    atornilladas o soldadas.

    3.2 PROCESOS DE SOLDADURA

    En los procesos de soldadura ms comunes, hay varias fuentes diferentes de calor y diversos mtodos para controlarlo y enfocarlo. Se han desarrollado, de hecho, ms de 40 procedimientos diferentes de soldadura basados en calor. Sin embargo, estos distintos procesos pueden agruparse en tres categoras: el proceso de soldadura de arco, que obtiene calor de un arco elctrico y lo mantiene entre dos electrodos o entre un electrodo y la pieza de trabajo; el proceso de soldadura a gas que obtiene el calor en forma de una llama, mediante la mezcla de oxgeno y algn otro gas combustible, que generalmente es el acetileno; y el proceso de soldadura por resistencia, que obtiene el calor de la resistencia que ofrece la pieza de trabajo al paso de una corriente elctrica. Dos de los procedimientos usados para soldar metales, los mtodos de arco y de gas, pueden aplicarse tambin para cortar y ranurar metales.

    3.3 SOLDADURA DE ARCO

    La soldadura de arco o soldadura elctrica es el proceso de ms amplia aceptacin como el mejor, el ms econmico, el ms natural y el ms prctico para unir metales. En el proceso de soldadura manual por arco que es de uso ms comn, el soldador obtiene un electrodo adecuado, sujeta el cable de tierra a la pieza de trabajo, y ajusta la corriente elctrica para hacer saltar el arco, es decir, para crear una corriente intensa que salte entre el electrodo y el metal. En seguida mueve el electrodo a lo largo de las lneas de unin del metal que ha de soldar, dando suficiente tiempo paraque el calor del arco funda el metal. El metal fundido, procedente del electrodo, o metal de aporte, se deposita en la junta, y, junto con el metal fundido de los bordes, se solidifica para formar una junta slida. El soldador selecciona el electrodo que ha de usar para producir el arco de acuerdo con las especificaciones del trabajo. Existen varios procedimientos de soldadura de arco. La soldadura por arco de carbn es la primera tcnica moderna de soldadura. En este proceso se establece un arco entre un electrodo de carbn puro y la pieza de trabajo conectada a tierra, o entre dos electrodos de carbn que casi se unen cerca de la superficie por soldar. Los electrodos de carbn no se consumen en el proceso. Si se necesita metal de aporte para realizar la soldadura, deben usarse electrodos metlicos para soldar. En la actualidad, empero, el proceso del arco de carbn se aplica primordialmente para cortar o ranurar metales.

  • Al proceso del arco de carbn le sigui rpidamente el desarrollo de la soldadura por arco metlico, en la cual se utiliza una varilla de metal consumible como electrodo. Al principio los electrodos eran varillas metlicas desnudas, y esto causaba problemas significativos para la estabilizacin del arco. El desarrollo de los recubrimientos en los electrodos, conocidos comnmente como fundente, resolvi en gran parte los problemas de estabilizacin del arco, y condujo a lo que se conoce como soldadura de arco metlico protegido, que es el proceso elctrico de utilizacin ms amplia. Al calentarse, el fundente se evapora, formando una barrera protectora en torno al arco y a la soldadura. El gas protector impide que el oxgeno y el nitrgeno del aire formen con el metal soldado xidos y nitruros debilitadores. El desarrollo del proceso manual de arco metlico protegido pronto se aplic a las mquinas soldadoras semiautomticas y automticas. El desarrollo posterior de los conceptos que respaldaban la soldadura de arco metlico protegido condujo a la soldadura de arco con atmsfera protectora de gas. Existen dos de estos procedimientos. En ambos, los gases protectores se obtienen de una fuente separada (un cilindro), y el arco se establece entre electrodos metlicos desnudos y la pieza de trabajo aterrizada o conectada a tierra. Los gases salen de un collarn protector enfrente del electrodo y en torno al mismo, para formar la atmsfera protectora. En la soldadura de arco de tungsteno con gas, los electrodos son de tungsteno no consumible. La atmsfera protectora se forma por medio de gases de

  • aporte externo, y el metal de aporte necesario se suministra por medio de varillas de soldadura. En la soldadura de arco metlico con gas, el electrodo es un metal de aporte continuo, protegido por gases de aportacin externa. La soldadura por arco metlico protegido se hace normalmente a mano y es el proceso usado universalmente para soldadura de campo. Para la soldadura de taller suele utilizarse un proceso automtico o semiautomtico. El principal, entre esos procesos es el de la soldadura por arco sumergido (SAS). En este proceso, el extremo del electrodo y el arco quedan sumergidos en un fundente granular que se funde y forma una proteccin gaseosa. Se tiene mayor penetracin en el metal base que con la soldadura por arco metlico protegido y resulta entonces, una resistencia superior. Otros procesos que se emplean con regularidad para soldaduras de taller, incluyen el arco metlico protegido por gas, el arco de ncleo fundente y la soldadura con electro-escoria.

    3.4 TIPOS DE SOLDADURAS

    Uno de los aspectos del diseo de juntas es el correspondiente al tipo de soldadura que se utiliza en la junta. Existen cinco tipos bsicos de soldadura: la de cordn, la ondeada, la de filete, la de tapn, y la de ranura. La seleccin del tipo de soldadura est tan ligada a la eficiencia de la junta como el diseo mismo de esta. Se elige un tipo de soldadura con preferencia sobre otro por razn de su relacin especfica con la eficiencia de la junta. Las soldaduras de cordn se hacen en una sola pasada, con el metal de aporte sin movimiento hacia uno u otro lado. Esta soldadura se utiliza principalmente para reconstruir superficies desgastadas, y en muy pocos casos se emplea para juntas. En la figura 3.3 aparece ilustrado este tipo de soldadura.

    Las soldaduras ondeadas se logran haciendo un cordn con algo de movimiento hacia uno y otro lado (figura 3.4). El ancho del cordn depende del diseo o de la necesidad. Entre estas soldaduras hay tambin varios tipos, como el de zigzag, el circular, el

  • oscilante y otros. Las soldaduras ondeadas tambin se usan primordialmente para la reconstruccin de superficies.

    Las soldaduras de filete son similares a las de ranura, pero se hacen con mayor rapidez que stas, y a menudo se las prefiere en condiciones similares por razones de economa. Empero, las soldaduras de un solo filete no son a veces tan resistentes como las soldaduras de ranura, si bien una soldadura de doble filete se compara favorablemente en cuanto a resistencia. Las juntas soldadas de filete son simples de preparar desde el punto de vista de preparacin y ajuste del borde, aunque a veces requieren de ms soldadura que las juntas soldadas de ranura. Las soldaduras de filete se combinan a menudo con otras soldaduras para mejorar las distribuciones e esfuerzo, como por ejemplo, en una junta en T. Las soldaduras de filetes cncavos tienen su mxima eficacia cuando la direccin del esfuerzo es transversal a la junta.

    Las soldaduras de tapn y de agujero alargado sirven principalmente para hacer las veces de los remaches. Se emplean para unir por fusin dos piezas de metal cuyos bordes, por alguna razn, no pueden fundirse. Puede soldarse un crculo interior (de tapn), o una abertura o ranura alargada, dejando las orillas libres.

  • Las soldaduras de ranura se hacen entre la ranura que queda entre dos piezas de metal. Estas soldaduras se emplean en muchas combinaciones, dependiendo de la accesibilidad, de la economa, del diseo, y del tipo de proceso de soldadura que se aplique.

    3.5 POSICIONES DE SOLDADO

    Las soldaduras se clasifican respecto a la posicin en que se realizan como: plana, horizontal, vertical y hacia arriba. La posicin plana es por su puesto, la ms fcil. El metal fundido se mantiene en posicin (hasta que comienza a solidificarse) por la fuerza de gravedad. Esta posicin permite tambin lograr los mximos regmenes de depsito. La siguiente, en cuanto a facilidad de aplicacin, es la soldadura horizontal, en la cual la fuerza de la gravedad ayuda tambin en cierto grado.

  • 3.6 TIPOS DE JUNTAS

    Existen cinco estilos bsicos de juntas: la junta a traslape, la junta a tope, la de esquina, la de borde y la junta en T. Las juntas a traslape estn formadas en esencia por dos piezas de metal solapadas o traslapadas, que se unen por fusin mediante soldadura de puntos, de filete, de tapn o de agujero alargado. La soldadura de una junta a tope est comprendida entre los planos de las superficies de las dos partes. Las juntas a tope pueden ser simples, escuadradas, biseladas, en V, de ranuras de una sola J, de ranura de una sola U, o dobles. Las juntas de esquina son lo que implica su nombre: soldadas hechas entre dos partes situadas a un ngulo de 90 grados. Estas pueden ser de medio traslape, de esquina a esquina, o de insercin completa, y pueden prepararse para formar un solo bisel, una sola V, o ranuras de una sola U. Las juntas de borde o juntas de orilla, resultan de la fusin de la superficie adyacente de cada parte, de manera que la soldadura quede dentro de los planos superficiales de ambas partes.

    3.7 SMBOLOS BSICOS DE SOLDADURA

  • 3.8 MATERIALES CONSUMIBLES DE LA SOLDADURA

    Los materiales consumibles de la soldadura son los que se van gastando al hacer los trabajos de soldadura, tales como los electrodos, las varillas de soldadura, los fundentes, los gases combustibles y los gases de proteccin aplicados exteriormente.

    3.9 METALES DE APORTE

    En esencia, todos los metales de aporte que se estudian en este captulo se clasifican de acuerdo con una de las especificaciones que han desarrollado conjuntamente las sociedades AWS-ASTM (American Welding Society-American Society for Testing and Materials), Subcomit sobre metales de aporte. Mediante las especificaciones de los metales de aporte, el usuario recibe la informacin de que en cierto electrodo o varilla de soldadura puede producir un metal de soldadura de propiedades mecnicas especficas. Al mismo tiempo, el sistema de especificaciones clasifica a los electrodos para las diversas posiciones de aplicacin de la soldadura, en cuanto a su capacidad para penetrar adecuadamente en el fondo de la raz de una junta, y en cuanto a suministro de energa (corriente alterna o directa).

    3.10 ELECTRODOS PARA SOLDADURA DE ARCO

    El desarrollo de electrodos recubiertos con fundente, capaces de producir soldaduras con propiedades fsicas que igualen o sobrepasen las del metal de base, ha convertido a la soldadura de arco en el proceso de soldadura ms generalizado. Antes del desarrollo del electrodo recubierto, los gases atmosfricos que rodeaban la zona de soldadura de alta temperatura, formaban xidos y nitruros con el metal de la soldadura. En general, los xidos tienen baja resistencia a la tensin, y baja ductilidad, por lo cual tienden a reducir las propiedades normales de los metales de base. Los materiales de recubrimiento de los electrodos permiten lograr en forma automtica una accin de limpieza y desoxidante en el crter fundido. Al arder el recubrimiento en el arco, libera una atmsfera gaseosa, inerte, que protege el extremo fundido del electrodo, a la vez que protege la fosa de soldadura fundida. Esta atmsfera impide que el oxgeno y el nitrgeno perjudiciales se pongan en contacto con el rea fundida de soldadura, en tanto que el residuo de recubrimiento quemado forma una escoria para cubrir el metal de soldadura depositado. Esta escoria tambin asla a la soldadura del oxgeno y el nitrgeno, ya que se ha enfriado hasta una temperatura en la que ya no se forman xidos y nitruros. Adicionalmente, la escoria hace que sea ms lento el enfriamiento, con lo que se obtiene una soldadura ms dctil.

    3.11 CLASIFICACIN AWS-ASTM DE LOS ELECTRODOS DE ACERO AL CARBONO

    Esta clasificacin est formada por una serie de cuatro o cinco dgitos (figura 3-31) que lleva como prefijo la letra E. La E indica que se emplea en la soldadura elctrica.

  • Los nmeros que van a la izquierda de los dos ltimos dgitos, multiplicados por 1000, dan la resistencia mnima a la tensin del metal depositado (alivio de esfuerzos); el dgito situado junto al ltimo nmero indica el suministro de energa, el tipo de escoria, el tipo de arco, la penetracin, y la presencia de polvo de hierro. Para obtener datos relacionados con la interpretacin ms detallada de stos nmeros de clasificacin.

    3.12 USO DE LOS ELECTRODOS DE ACERO AL CARBONO PARA SOLDADURA DE ARCO.

    Los electrodos para soldadura de arco para soldar aceros con contenido bajo y

    medio de carbono llevan los nmeros de clasificacin AWS E-4510 y E-6010,

  • E-6011, E6012, E6013, E7014, E7015, E7016, E7018, E6020, E6024, E6027 y E7028. El electrodo E4510 es un electrodo desnudo; los dems, todos ellos de la serie E-6000, son electrodos recubiertos.

    Los electrodos AWS E-45XX son desnudos, y tienen una resistencia a la

    tensin de 45,000 lb/plg en la situacin ya aliviada de esfuerzos. Como los electrodos desnudos se usan muy raramente, nos ocuparemos principalmente de los electrodos de la serie E-60XX.

    Los electrodos AWS E-6010 estn recubiertos con sodio con alto contenido de

    celulosa. Pueden usarse para soldar en todas las posiciones con corriente directa de polaridad invertida. Son adecuados en forma ptima para la soldadura vertical y la soladura hacia arriba, as como para algunas aplicaciones con lmina metlica.

    El espesor del recubrimiento se mantiene al mnimo, con objeto de facilitar la

    aplicacin de la soldadura en las posiciones vertical y de sobrecabeza, pero es suficiente para desarrollar la proteccin necesaria para lograr un depsito de alta calidad. Algunos recubrimientos tienen una pequea cantidad (menos del 10% en peso del recubrimiento) de polvo de hierro, para mejorar las caractersticas del arco.

    El arco tiene una caracterstica excavadora que da por resultado una

    penetracin profunda. Esto requiere una diestra manipulacin del electrodo por parte del operador, para reducir al mnimo el chisporroteo y la tendencia a la socavacin. La escoria que se forma es delgada, y se elimina fcilmente. El perfil de las soldaduras de filete es ms o menos convexo en los depsitos horizontales y verticales. Los cordones depositados por los electrodos E-6010 muestran una ondulacin ms bien tosca.

    El electrodo E-6010 es excelente para el punteado profesional por su ductilidad

    y su cualidad de penetracin profunda. Sus propiedades fsicas son excelentes, y, cuando se le aplica correctamente, sus depsitos satisfacen las normas ms exigentes de inspeccin.

    Los electrodos AWS E-6011 estn recubiertos con potasio de alto contenido de

    celulosa. A veces se les describe como la contraparte del tipo E-6010. Las caractersticas de trabajo de los electrodos son bastante semejantes; empero, los electrodos E-6011 pueden usarse con resultados igualmente buenos con corriente alterna o con corriente directa. Estos electrodos producen un potente arco excavador, que da como resultado una penetracin profunda. Si bien el recubrimiento de los electrodos E-6011 es ligeramente ms grueso que el de los electrodos E-6010, la escoria resultante y los perfiles de los cordones son similares.

    Los electrodos AWS E-6012 estn recubiertos con sodio de alto contenido de Titanio. Estn diseados para soldadura de uso general en todas las posiciones, ya sea con corriente directa o con corriente alterna. Se recomiendan especficamente para las aplicaciones de soldadura horizontales y pendiente abajo. Un electrodo E-6012 tiene un arco relativamente silencioso,

  • con penetracin media, y sin chisporroteo. El buen engrosamiento que produce, y el no llevar a un exceso de penetracin, hacen a este electrodo excelente bajos condiciones pobres de ajuste.

    Como el arco es de alta estabilidad, los cordones tienen buena apariencia, y

    estn relativamente libres de socavacin. Las soldaduras de filete tienen generalmente perfil convexo, con ondulacin uniforme y tersa en la posicin horizontal y vertical hacia abajo. La escoria cubre completamente al cordn y puede desprenderse con facilidad.

    Cuando se le usa con corriente directa debe preferirse la polaridad directa. Se

    utiliza muy especialmente en donde la apariencia y el alto rgimen de depsito son ms importantes que la ductilidad mxima. Por ejemplo, este electrodo es particularmente adecuado para hacer cordones altamente satisfactorios en lmina metlica, cuando las soldaduras de una sola pasada deben someterse a una inspeccin radiogrfica.

    Algunos electrodos patentados del tipo E-6012 tienen una pequea cantidad de

    polvo de hierro en el recubrimiento, para mejorar las caractersticas del arco.

    Los electrodos AWS E-6013 estn recubiertos con potasio de alto contenido de titanio, pueden usarse en todas las posiciones, con ca o cd. Estos electrodos son similares a los E-6012, pero producen menos chisporroteo, y tienden a socavar menos. Los cordones son de ondulacin muy fina, y su aspecto es superior al de los cordones producidos con los electrodos E-6012.

    El desprendimiento de las escorias se facilita ms con los electrodos E-6013, y

    el arco es muy estable. Esto facilita el establecimiento y la conservacin del arco, an con los electrodos de dimetro muy pequeo (1/16 y 5/64) y hace que los E-6013 sean ideales para soldar metales delgados. El arco es blando, y la penetracin muy ligera.

    Las propiedades mecnicas de los electrodos E-6013 son ligeramente mejores

    que las de los electrodos E-6012. Lo mismo puede decirse de su calidad radiogrfica.

    Cambiando de uno a otro fabricante, los electrodos del tipo E-6013 pueden

    resultar diferentes en cuanto a la naturaleza del paso del metal fundido en la corriente del arco.

    Algunos fabricantes componen en cierta forma sus recubrimientos, con lo cual

    obtienen una transferencia globular, mientras que otros producen una transferencia de roco fino. Ordinariamente se prefiere la transferencia de roco fino para los depsitos verticales o aplicados hacia arriba. La cantidad de chisporroteo de este electrodo vara tambin con las diferentes marcas. Algunos fabricantes han introducido adems pequeas cantidades de polvo de hierro en los recubrimientos de los electrodos E-6013.

    Los electrodos AWS E-7014 tienen un recubrimiento similar al de los tipos E-

    6012 y E-6013. Sin embargo, el recubrimiento de este tipo de electrodo es

  • considerablemente ms grueso, ya que contiene una cantidad substancial de polvo de hierro (30% del peso del recubrimiento). La presencia de polvo de hierro permite usar corrientes de trabajo ms altas, lo cual se traduce en mejores regmenes de depsito y mejores velocidades de aplicacin. El recubrimiento de mayor espesor no lo hace tan idealmente adecuado para la produccin de soldadura fuera de posicin en material de calibre delgado; sin embargo, se le puede utilizar adecuadamente cuando algn trabajo ocasional lo demande. Sus caractersticas de trabajo hacen que este electrodo sea particularmente adecuado para la produccin de soldaduras en productos de forma irregular, en los que se encuentran aplicaciones de soldadura fuera de posicin.

    Las propiedades mecnicas del metal de la soldadura de los electrodos E-7014

    se comparan favorablemente con las de los metales de los electrodos E-6012 y E-6013.

    El contorno de las soldaduras de filete vara desde plano a ligeramente

    convexo. El desprendimiento de la escoria es muy fcil y a veces se limpia sola la soldadura. La penetracin de poca profundidad, y la rpida solidificacin, hacen que este tipo de electrodo sea muy adecuado para resolver situaciones de ajuste pobre.

  • 3.13 RESISTENCIA DE DISEO

    En las soldaduras el material del electrodo deber tener propiedades del metal base. Si las propiedades son comparables se dice que el metal de aportacin es compatible con el metal base. La tabla 3.3 (que es la Tabla J2.5 de las especificaciones LRFD) proporciona las resistencias nominales de varios tipos de soldaduras incluyendo las de filete, de tapn, de muesca y las de ranura con penetracin completa y parcial. La resistencia de diseo de una soldadura especfica se toma como el menor de los valores Fw (Fw es la resistencia nominal de la soldadura) y fBM es la resistencia nominal del metal base.