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El experto en soldadura Duane Miller escribió un par de excelentes artículos para las ediciones de febrero y marzo de 2024 de la revista STRUCTURE. Los artículos describieron 10 condiciones en las que las soldaduras pueden experimentar una carga desigual. Estas condiciones pueden ser problemáticas si no se evitan o se les presta especial atención en el diseño. La suposición común de que las cargas aplicadas causan tensiones uniformes en una soldadura no se aplica a estas condiciones. Sin embargo, ¿qué sucede si se utiliza un enfoque de diseño que nunca parte de tal suposición? El diseño de conexiones mediante análisis inelástico, por ejemplo utilizando el método de elementos finitos basado en componentes (CBFEM), como el implementado en IDEA StatiCa Connection, no hace suposiciones amplias sobre la distribución de la tensión en las soldaduras ni en ningún otro componente. Las tensiones surgen naturalmente en el análisis basado en la rigidez de los distintos componentes de la conexión. Este artículo recorre cada una de las 10 condiciones de Miller para identificar qué atención especial requieren al diseñar mediante análisis inelástico.
Diez condiciones más frecuentes que involucran soldaduras con carga desigual
En su serie de dos partes 2024 STRUCTURE sobre soldaduras cargadas de manera desigual (números de febrero y marzo), el autor Duane Miller resumió las siguientes condiciones comunes encontradas.
Condición 1: Carga desigual debido a la flexión sobre la raíz de las soldaduras de filete o de ranura PJP
Condición 2: Carga desigual debido a una única soldadura transversal en una junta traslapada con carga terminal
Condición 3: Carga desigual debido al corto espacio entre soldaduras transversales en conexiones cargadas en los extremos
Condición 4: Carga desigual debido al retraso por corte
Condición 5: Carga desigual debido a una soldadura larga en una conexión cargada en los extremos
Condición 6: Carga desigual porque el grupo de soldadura está cargado de manera desigual
Condición 7: Carga desigual porque la soldadura une un miembro rígido a un miembro flexible
Condición 8: Carga desigual porque las soldaduras transversales se combinan con soldaduras longitudinales
Condición 9: Carga desigual porque la soldadura es parte de una conexión tubular
Condición 10: Carga desigual porque las soldaduras se combinan con pernos o remaches
La primera condición es una carga desigual debido a la flexión alrededor de la raíz de una soldadura de filete o de ranura PJP. La segunda condición es una soldadura transversal única en una junta traslapada cargada en los extremos, donde existe la posibilidad de que se produzca una carga desigual debido a la flexión alrededor de la raíz si la deflexión de las partes traslapadas no está suficientemente restringida. El modelado de soldaduras varía en los enfoques de análisis inelástico, pero en CBFEM, las soldaduras de filete y las soldaduras de ranura PJP se modelan utilizando restricciones multipunto y un elemento de casco de soldadura equivalente que se aproxima al comportamiento elastoplástico de la soldadura. Un aspecto importante de este enfoque de modelado es que da como resultado una rigidez a la flexión cero alrededor de la raíz de la soldadura. Como resultado, no se pueden desarrollar tensiones de flexión y, para los detalles que se muestran en el artículo de Miller, el análisis no se ejecutará porque la falta de rigidez a la flexión hace que el modelo sea inestable. Sin embargo, en algunos casos, la conexión puede no depender de la rigidez a la flexión de la soldadura para ser estable, y pueden desarrollarse deformaciones por flexión alrededor de la raíz de una soldadura. Las deformaciones por flexión deben evitarse mediante la inspección de la forma desviada del modelo de análisis y el detalle adecuado de la conexión.
En la tercera condición, la carga desigual se debe al corto espacio entre soldaduras transversales en conexiones cargadas en los extremos. Usando el CBFEM, el espaciado tiene un efecto mínimo sobre la resistencia de las soldaduras. Considere la conexión que se muestra en la Figura 1. Sin no linealidad geométrica, las condiciones de contorno y la excentricidad dan como resultado una flexión significativa en las placas. La flexión se reduce con la no linealidad geométrica debido a los efectos de la membrana, pero el espaciamiento corto no tiene ningún efecto sobre las soldaduras. Para espacios muy cortos (por ejemplo, superposición de 1/2 pulgada), las placas ceden, lo que limita la resistencia, pero nuevamente la evaluación de las soldaduras no se ve afectada. La evaluación de la resistencia mediante análisis inelástico elimina la necesidad de verificar ciertos estados límite capturados por el modelo, pero no elimina la necesidad de satisfacer requisitos detallados como el requisito de la Sección J2.2b(f) de la Especificación AISC que prescribe una distancia mínima de superposición.
El retraso por corte es la preocupación en la cuarta condición. Si bien existe un retraso por corte en conexiones como la junta traslapada cargada en los extremos que se muestra en la Figura 2, no está claro si el retraso por corte afecta la resistencia de la conexión. Los análisis CBFEM no detectan ninguna reducción en la resistencia de la soldadura debido al retraso por corte para esta conexión, pero tampoco lo hizo una serie reciente de experimentos físicos realizados por el autor. No obstante, al igual que para la tercera condición, los requisitos detallados de la American Welding Society (AWS) deben cumplirse incluso cuando se evalúa la resistencia mediante análisis inelástico. Específicamente, AWS D1.1 Cláusula 4.9.2 especifica que la longitud de cada soldadura de filete no debe ser menor que la distancia perpendicular entre ellas si las soldaduras de filete longitudinales se usan solas en juntas traslapadas de conexiones extremas de barras planas o miembros de placa.
Las soldaduras largas en conexiones cargadas en los extremos experimentan una carga desigual debido a la compatibilidad de tensiones entre las piezas conectadas. La tensión cerca de los extremos de las soldaduras es mayor que cerca del centro y la diferencia depende de la rigidez relativa entre las soldaduras y las partes conectadas. En el diseño tradicional, esta quinta condición de soldadura con carga desigual se soluciona utilizando una longitud efectiva reducida para soldaduras largas. En el diseño mediante análisis inelástico, las rigideces de las soldaduras y las piezas conectadas se modelan explícitamente y se exige la compatibilidad de deformaciones. Por lo tanto, los resultados capturan con mayor precisión el efecto de la carga desigual que la ecuación aproximada. En la Figura 3 se muestra una comparación entre los resultados de los análisis CBFEM y el diseño tradicional basado en un estudio más amplio.
La sexta condición es cuando el grupo de soldadura está cargado de manera desigual o excéntrica. En el diseño tradicional, esta condición a menudo se aborda utilizando el método del centro de rotación instantáneo a través de tablas en la Parte 8 del Manual AISC. El método del centro instantáneo de rotación es en sí mismo un método de análisis no lineal que garantiza que se cumplan el equilibrio y la compatibilidad de deformación, al mismo tiempo que incorpora el efecto beneficioso del factor de aumento de resistencia direccional. Las comparaciones entre el método del centro de rotación instantáneo y el CBFEM para conexiones de placas de soporte han demostrado que el CBFEM captura de manera conservadora la carga desigual.
Las condiciones 7 a 10 presentan múltiples rutas de carga posibles, y la carga desigual surge porque algunas rutas son más rígidas o más fuertes que otras. El diseño mediante análisis inelástico es muy adecuado para evaluar adecuadamente estas condiciones porque la rigidez de todos los componentes se modela explícitamente y se impone la compatibilidad de deformaciones y el equilibrio.
Soldar un miembro rígido a un miembro flexible es la séptima condición. Una placa bajo tensión soldada a través del ala de una sección en forma de I, como se muestra en la Figura 4, es un ejemplo clásico de la Condición 7. La soldadura entre la placa y el ala está cargada de manera desigual porque una mayor porción de la carga es atraída hacia la trayectoria más rígida directamente a través del ala y hacia el alma. Cuando se modela utilizando el CBFEM, las tensiones de soldadura son más altas en el alma del miembro en forma de I. Estas soldaduras alcanzan primero su plena utilización, lo que indica que se ha alcanzado la resistencia de la conexión, incluso cuando las partes de la soldadura cerca de las puntas de las bridas no están a su máxima capacidad. La novena condición, soldaduras que forman parte de una conexión tubular, es otro ejemplo de soldadura de un miembro rígido a un miembro flexible. Nuevamente, el CBFEM puede detectar la carga desigual y calcular la utilización de las soldaduras en consecuencia.
En la octava condición, las soldaduras transversales se combinan con soldaduras longitudinales y se produce una carga desigual porque las conexiones soldadas con soldaduras transversales son más fuertes pero menos dúctiles que conexiones similares hechas con soldaduras longitudinales. La especificación AISC proporciona la ecuación J2-6 para grupos de soldadura cargados concéntricamente como este. Incluso sin la implementación de esta ecuación, el CBFEM captura bien el efecto ya que el comportamiento subyacente se modela e incorpora en las comprobaciones de resistencia (Fig. 5).
La décima y última condición de carga desigual ocurre cuando las soldaduras se combinan con pernos o remaches. La Sección J1.8 de la Especificación AISC permite que los pernos y las soldaduras se consideren como carga compartida solo en el diseño de conexiones de corte en una superficie de contacto común donde se considera la compatibilidad de deformaciones entre los pernos y las soldaduras. Las comprobaciones de resistencia de pernos y soldaduras son independientes en el CBFEM sin ningún manejo especial cuando los pernos y las soldaduras comparten carga. Dado el modelado explícito de la rigidez de pernos, soldaduras, miembros y elementos de conexión, la compatibilidad de deformaciones siempre se considera en el CBFEM. Cuando los pernos y las soldaduras comparten la carga, la resistencia requerida de cada uno se basa en su rigidez relativa. El resultado son resistencias generales similares a las obtenidas utilizando el método aproximado también presentado en la Sección J1.8 de la Especificación AISC. Sin embargo, el CBFEM generalmente no prohíbe compartir cargas entre pernos y soldaduras en conexiones a tensión. El usuario debe evitar casos como este modelando pernos o soldaduras en conexiones de tensión, incluso si ambos están presentes en la conexión física.
Las soldaduras con carga desigual, como las evaluadas en los artículos originales de Miller y revisadas aquí, merecen especial atención porque pueden ser menos eficientes que las soldaduras con carga uniforme y porque violan los supuestos comunes en los enfoques de diseño tradicionales. El diseño mediante análisis inelástico proporciona un camino a seguir para estas soldaduras porque los modelos de análisis bien definidos nunca asumen que las soldaduras estén cargadas de manera uniforme. Además, el análisis inelástico se puede utilizar para identificar si es necesario tomar medidas para mitigar los efectos de la carga desigual y, cuando sea necesario, ayudar a determinar la mejor estrategia de mitigación. ■
Sobre el autor
Mark Denavit es profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la Universidad de Tennessee, Knoxville.
Referencias
https://www.ideastatica.com/support-center/long-bolted-and-welded-connections-aisc
https://www.ideastatica.com/support-center/bracket-plate-connections-aisc
