UNIONES SOLDADAS Y ATORNILLADAS

Se llama soldadura a la unión de dos piezas metálicas de igual o parecida composición, de forma
que la unión quede rígida y estanca. Esto se consigue bien por el efecto de fusión que proporciona la
aportación de calor, bien por la aportación de otro metal de enlace o por la combinación de ambos
efectos. Existen cerca de cuarenta sistemas de soldar, pero el más importante para las estructuras
metálicas es el sistema de soldadura por fusión. En las soldaduras por fusión el calor proporcionado
funde los extremos de las piezas y al solidificar se produce la unión.
Existen diferentes tipos de soldadura por fusión, pero los más utilizados son dos:
· Soldadura autógena
· Soldadura por arco eléctrico, que es la que se utiliza en estructuras metálicas.
Desde el punto de vista práctico quiere decir que para obtener soldaduras uniformes es
imprescindible mantener constante la separación de los electrodos durante el proceso del soldeo.
Los procedimientos de soldadura en arco pueden agruparse en tres:
· Con electrodos de carbono.
· Con electrodos de tungsteno en atmósfera de hidrógeno (soldadura al hidrógeno atómico).
· Soldadura con electrodo metálico.
Los principales tipos de revestimiento de los electrodos son los siguientes:

Uniones soldadas a tope y de filete

Es la más utilizada y consiste en unir las chapas situadas en el mismo plano para chapas superiores
a 6 mm o para soldar por ambos lados,
hay que preparar los bordes. El objetivo
de esta soldadura es conseguir una
penetración completa y que constituya
una transición lo más perfecta posible
entre los elementos soldados.
Algunas soldaduras a tope típicas: (a) soldadura a tope cuadrada, un lado; (b) soldadura de bisel
único; (c) soldadura a tope en V único; (d) soldadura a tope en U único; (e) soldadura con a tope
único; (f) soldadura a tope en V doble para secciones más gruesas.

Esfuerzos y resistencia en uniones soldadas

La adaptación de las propiedades de los electrodos a las del metal matriz no es tan importante como
la velocidad, la habilidad del operador y el aspecto de la unión completa. Las propiedades de los
electrodos varían considerablemente, pero la tabla 5-7 relaciona las propiedades mínimas para
algunas clases de electrodos.

Es preferible, al proyectar componentes soldados, seleccionar un acero que produzca una rápida y
económica soldadura, aunque esto pueda exigir el sacrificio de otras cualidades, tales como su aptitud
de mecanización. Bajo condiciones apropiadas, todos los aceros pueden soldarse, pero se obtendrán
los mejores resultados si se escogen aceros que tengan unas especificaciones AISI entre C1014 y
C1023. Todos estos aceros, cuando están laminados en caliente, tienen una resistencia a la tracción
comprendida entre 4.200 y 5.000 k/cm2.

El proyectista podrá escoger coeficientes de seguridad o tensiones de trabajo permisibles con más
confianza, si está al tanto de los valores que emplean otros. Una de las mejores especificaciones que
se puede emplear es la norma para la construcción de edificios del American Institute of Steel
Construction (AISC), que se ha revisado recientemente.

*Sistemas de numeración especificados por la American Welding Society (AWS) para los electrodos.
Este sistema emplea un prefijo E delante de un sistema de numeración de cuatro o cinco dígitos, en
los que las dos o tres primeras filas designan la resistencia a la tracción aproximada. El último dígito
indica ciertas variables en la técnica de la soldadura, como el tipo de corriente. El penúltimo dígito
indica la posición de la soldadura como, por ejemplo, plana, vertical o superior.
Las tensiones permisibles se basan ahora en el límite de fluencia en vez de en el límite de rotura, y
la norma permite el empleo de una diversidad de aceros estructurales ASTM, con límites de fluencia
variables desde 2.300 a 3.500 kg/cm2. Con tal de que los esfuerzos sean los mismos, la norma
permite la misma tensión en el metal de la soldadura y en el metal base. Para estos aceros ASTM
Sy=0,5 Sm. La tabla 5-8 relaciona las fórmulas especificadas por la norma para poder calcular estas
tensiones permisibles en diversas condiciones de carga. Los coeficientes de seguridad que emplea
esta norma se calculan fácilmente. Para tracción n=1/0,60=1,67. Para cizalladura
n=0,577/0,40=1,44, si aceptamos la teoría de la energía de distorsión como criterio de fallo.
Tabla 5-8: Tensiones permitidas por la norma AISC para el metal de soldadura.

Carga estática y a la fatiga en uniones soldadas

La fatiga es el mecanismo mediante el cual las fisuras se

incrementan en una estructura. El crecimiento tan solo se produce
bajo tensiones cíclicas. La rotura final se produce normalmente en
zonas sometidas a tensión de tracción cuando la sección transversal
reducida se hace insuficiente para soportar la carga máxima sin que
se produzca la rotura. En condiciones de servicio normales, las
fisuras no se propagan mientras la carga sobre la estructura sea
estacionaria. Muchas estructuras, tales como pórticos de edificios,
no experimentan la suficiente tensión cíclica como para originar
problemas de fatiga. Este no es el caso de otras estructuras, tales
como puentes, grúas y plataformas petrolíferas, en las que la carga
dinámica constituye una proporción mayor de la carga total.
En las estructuras metálicas soldadas, es casi seguro que las roturas de fatiga comenzarán a
propagarse a partir de las soldaduras y no desde otras uniones, debido a que:
• La mayor parte de los procesos de soldadura dejan minúsculas discontinuidades metalúrgicas a partir
de las que pueden propagarse las fisuras. Como resultado de ello, el período inicial, que normalmente
es necesario para que aparezca una fisura en un material forjado, es o muy corto o inexistente. De
esta manera, las fisuras pasan la mayor parte de su vida propagándose, es decir, haciéndose más
largas.
La resistencia a la fatiga de un componente soldado se define como el rango de tensión (∆σR) que,
fluctuando a una amplitud constante, origina el agotamiento del componente tras un número
especificado de ciclos (N). El rango de tensión es la diferencia entre los puntos máximo y mínimo del
ciclo. El número de ciclos hasta la rotura se denomina resistencia o vida a la fatiga.
• La resistencia a la fatiga de la unión. Esta resistencia es primordialmente una función de la geometría
y se define mediante el parámetro "a", que varía de unión a unión.

Uniones atornilladas
Estas son un mecanismo que sirve para transmitir esfuerzos entre los elementos estructurales que
unen. Es un sistema barato, simple, y reversible y además no requiere la electricidad que sí es
necesaria para realizar una unión por soldadura. Como puntos negativos son su degradación por los
esfuerzos a lo largo del tiempo, la limitación de los materiales de la unión (por ejemplo por procesos
de oxidación).
Su diseño se puede realizar a partir de toda la literatura, normas y códigos existentes y además
los tornillos están a su vez normalizados (tipo, hélice, paso etc.). Sin embargo, en este post como
solo quiero hacer una breve introducción del tema, obviaremos lo anterior y trataremos los tornillos
como simples cilindros.
Pues bien, sin más dilación os voy a proponer el siguiente enunciado de un problema que puede
servirnos para ver su cálculo de una manera simple y en cuanto a estática se refiere:
Sea la placa triangular de la figura, sujeta a una fuerza Q = 2 kN. Se busca determinar el diámetro
mínimo que deben de tener los tornillos de anclaje de la placa, para que esta no colapse, teniendo
en cuenta que se debe respetar un coeficiente de seguridad de 1,5.
En la EAE y el EC3 las uniones atornilladas se clasifican, en función de la manera de trabajar de los
tornillos, en cinco categorías (en el CTE no se explicita esta clasificación). Cada una de estas
categorías precisa de unas comprobaciones determinadas. Si los tornillos están solicitados en
dirección normal a su eje (cortante) tenemos:
Categoría A: Trabajan a cortadura y aplastamiento. Para uniones de esta categoría se permiten
tornillos de cualquier calidad, incluso de alta resistencia sin pretensar o pretensados pero sin
controlar su par de apriete.
Categoría B: Resistentes al deslizamiento en E.L.S. En esta categoría se utilizarán tornillos de alta
resistencia pretensados con apretado controlado.
Categoría C: resistentes al deslizamiento en E.L.U.
En el caso de tornillos solicitados según la dirección de su eje (tracción), tenemos:
Categoría D: Uniones con tornillos sin pretensar. Para esta categoría se utilizarán tornillos ordinarios
o de alta resistencia, aunque no se requiere pretensado. Categoría E: Uniones con tornillos
pretensados de alta resistencia. Se utilizarán sólo tornillos de alta resistencia con apretado
controlado.
Esfuerzos y resistencia en uniones atornilladas

a) Uniones atornilladas no pretensadas:

Para los tornillos de uniones no pretensadas el par de apriete necesario será aquel que logre la
condición de contacto ajustado de las superficies alrededor de la zona de contacto de cada tornillo.

La condición de contacto ajustado se considera que es el proporcionado por un operario utilizando

una llave o herramienta normal sin prolongador, o equivalente al punto en que una llave neumática
empieza a impactar. Para conseguir una buena condición de contacto es aconsejable proceder a
un apretado progresivo de tornillos desde los más interiores hacia fuera.
b) Uniones atornilladas pretensadas:
Para las uniones pretensadas se usarán los tipos de tornillos 8.8 y 10.9 o superiores, de acuerdo a
la clasificación indicada en el apartado 2 "Clases de tornillos" de este tutorial.

El pretensado se realizará una vez obtenida la condición de contacto ajustado y se realizará de

forma ordenada y progresiva entre todos los tornillos que constituyen la unión.
El esfuerzo de pretensado (N0) que debe obtenerse en la espiga del tornillo se corresponde al 70%
de la resistencia a tracción (fub) multiplicada por su área resistente (As) de la sección del tornillo:
N0 = 0,7 · fub · As

A partir de ese punto, los elementos estarán totalmente descargados y el tornillo absorberá toda la
carga axial externa, es decir Fe=0 y Ft=P. En cualquier caso, se considera que el tornillo falla bajo
carga estática cuando su tensión normal Ft/At alcanza un valor denominado “tensión de prueba”,
indicado en la Tabla 2 en función del grado del tornillo. Esta tensión, algo inferior a la tensión de
fluencia, corresponde al valor a partir del cual el tornillo entra en régimen plástico (se recuerda que la
tensión de fluencia el tornillo corresponde a una deformación permanente del 0,2%). En el tornillo
existen zonas de concentración de tensiones en la unión cabeza-vástago y en las roscas (ver Figura
8), pero no se tienen en cuenta aquí al tratarse del cálculo a fallo estático de un material dúctil.
Carga estática y a la fatiga en uniones atornilladas
En las normas para pernos, la resistencia se especifica mediante cantidades ASTM mínimas, la
resistencia mínima de prueba o la carga mínima de prueba (Sp), la resistencia mínima de tensión
(Sut) y la resistencia a la fluencia (Sy). La carga de prueba de un tornillo es la carga máxima que un
tornillo puede soportar sin adquirir una deformación permanente. La resistencia de prueba es el valor
límite del esfuerzo que se determina usando la carga de prueba y el área de esfuerzo de tensión.
Aunque la resistencia de prueba y la resistencia a la fluencia tienen algo en común, usualmente la
resistencia a la fluencia es más alta debido a que se basa en una deformación permanente de 0.2%.
8 La resistencia de prueba SP, como se define por las especificaciones de la Society of Automotive
Engineers (SAE), la American Society for Testing and Materials (ASTM) y la International
Organization for Standardizaron (ISO), define los grados de tornillos o clases en la que se especifica
el material, el tratamiento calorífico y la resistencia de prueba mínima para el tornillo. Los números
de grado SAE varían de 1 al 8; y los números de grado métrico, de 4.6 a 12.9 (los números más altos
indican una resistencia mayor).
Esfuerzo de torsión Los elementos de unión roscados durante el apriete están sujetos a esfuerzos
torsionales que pueden calcularse con la ecuación 1. Al aplicar un par de apriete T, el esfuerzo
cortante mayor se producirá en la sección menor del tornillo, que generalmente es la parte roscada.
Pudiera ser que el tornillo tuviera un diámetro inferior a dr, por lo que éste sería el de cálculo.
Shigley[I] proporciona una ecuación para el par de torsión en el tornillo relacionada con la tensión del
perno.
T = KFid Donde: d es el diámetro nominal del tornillo, Fi es la tensión inicial o precarga aplicada al
tornillo, K es el coeficiente del par de torsión, que depende de la uniformidad de la superficie, de la
precisión y del grado de lubricación.
Uniones con tornillos cargadas con flexión. En la Figura 3-4 se ilustra una falla por flexión de los
elementos atornillados, mientras que en la Figura 3-5 se puede ver la flexión tanto en el tornillo como
en los elementos unidos. Figura 3-4 Fallo por flexión de los elementos unidos.

El momento flexionante es aproximadamente M = F t / 2, donde F es la fuerza cortante y t el espesor

total de las partes conectadas, o como se verá en el apartado 3.2, el agarre. El esfuerzo flexionante
en los elementos es el siguiente: σ = 32 M π d 3 Ecuación 2 Esta manera de calcular el esfuerzo
flexionante es una suposición, porque no se sabe con exactitud cómo se distribuye la carga en el
tornillo o las deformaciones relativas de éste y los elementos. El esfuerzo de flexión es muy
desfavorable y peligroso en una unión atornillada. El tornillo nunca debe trabajar a flexión. Aunque la
Ecuación 2 puede usarse para determinar el esfuerzo flexionante, en raras ocasiones se emplea en
el diseño; en vez de eso su efecto se compensa mediante un incremento del factor de seguridad. La
carga de flexión puede influir bastante en el fenómeno de separación de los elementos atornillados.
La Figura 3-5 muestra como es la separación de junta con esfuerzo de flexión.