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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA
UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETAFACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
ESTRUCTURAS DE ACEROPERNOS Y SOLDADURAS
INTEGRANTE(S):
C.I.:Valbuena, Ayeisha
C.I.: 18.428.303
MARACAIBO, AGOSTO DE 2012
Pernos
Definición
Pieza metálica, normalmente de acero o hierro, larga, cilíndrica, semejante a un tornillo pero de
mayores dimensiones, con un extremo de cabeza redonda y otro extremo que suele ser roscado.
En este extremo se enrosca una chaveta, tuerca, o remache, y permite sujetar una o más piezas
en una estructura, por lo general de gran volumen.
Partes
Cabeza: es la forma limitada dimensionalmente, llevada a efecto en uno de los extremos
del perno, que cumple la función de proveer una superficie de apoyo.
Núcleo: es la porción no roscada de la longitud del perno situada debajo de la cabeza,
cumple la función de evitar el movimiento circular del perno y facilitar el acoplamiento de
éste durante su instalación.
Caña: es la elaboración de forma helicoidal, ejecutada en el exterior o interior de una
superficie de revolución generalmente cilíndrica o cónica
Especificaciones
Los pernos para máquina, se fabrican de acero al bajo carbón y son el tipo más barato de que se
dispone para hacer conexiones. Sus esfuerzos permisibles son apreciablemente menores que los
de los remaches o los tornillos maquinados.
los pernos maquinados se preparan de hierro hexagonal y sus cuerdas se cortan con un dado.
Son maquinados con tolerancias reducidas para obtener ajustes casi exactos en los agujeros. A
pesar de ser mucho más satisfactorios que los tornillos para máquina para resistir el corte, son
utilizados en la actualidad con muy poca frecuencia.
Los pernos con estrías son aquellos que tienen cabezas de remache estándar y tienen realzadas
aletas o nervaduras espaciadas uniformemente alrededor de las espigas. Estos tornillos son
usualmente considerados con resistencia igual a la de los remaches estándar de la misma medida.
Los pernos de alta resistencia se fabrican de acero al medio carbón tratado térmicamente, de
aleaciones especiales de acero y su resistencia a la tensión es varias veces la de los tornillos
ordinarios. Los tornillos de alta resistencia son los más utilizados actualmente.
Los dos tipos básicos de pernos de alta resistencia son designados por astm como a325 y a490.
Estos pernos tienen cabeza hexagonal y se usan con tuercas hexagonales no terminadas. Pernos
a325 son de acero con mediano contenido de carbono, tratados al calor, su esfuerzo a la fluencia
varía aproximadamente entre 5700 a 6470 kgf/cm2, dependiendo del diámetro.
Los pernos a490 son también tratados al calor, pero son de acero aleado con un esfuerzo de
fluencia de 8085 a 9140 kgf/cm2, dependiendo del diámetro. Los pernos a449 son usados
ocasionalmente cuando se necesitan diámetros mayores de 1½" hasta 3".
Descripción
Tensión permisible
Ft (psi)
Cortante permisible fv (psi)
Conexión tipo fricción
Conexión tipo aplastamiento
Tornillos a325 y a449 cuando la cuerda se incluye de los planos
de corte.40.000 15.000 15.000
Tornillos a325 y a449 cuando la cuerda se excluye de los planos
de corte.40.000 15.000 22.000
Tornillos a490 cuando la cuerda se incluye de los planos de corte.
54.000 20.000 22.500
Tornillos a490 cuando la cuerda se excluye de los planos de corte.
54.000 20.000 32.000
Numero de grado
sae
Rango del diámetro
(inch)
Carga de prueba (kpsi)
Esfuerzo de ruptura (kpsi)
MaterialMarcado de
la cabeza
12¼ - 1½ ¼ - ¾
7/8 - 1½ 55 33 74 60
Acero de bajo carbono ó
acero al carbono
5¼ - 1 11/8 -
1½ 85 74 120 105
Acero al carbono, templado y
revenido
5.2 ¼ - 1 85 120
Acero de bajo carbono
martensítico, templado y
revenido
7 ¼ - 1½ 105 133
Acero al carbono aleado,
templado y revenido
8 ¼ - 1½ 120 150
Acero al carbono aleado,
templado y revenido
8.2 ¼ - 1 120 150
Acero de bajo carbono
martensítico, templado y
revenido
Designación Rango del Carga de Esfuerzo Material Marcado de
astmdiámetro
(inch)prueba (kpsi)
de ruptura (kpsi)
la cabeza
A307 ¼ a 4- -
Acero de bajo carbono
A325 tipo 1½ a 1 11/8 a
1½85 74 120 105
Acero al carbono, templado y revenido
A325 tipo 2½ a 1 11/8 a
1½85 74 120 105
Acero de bajo carbono
martensítico, templado y revenido
A325 tipo 3½ a 1 11/8 a
1½85 74 120 105
Acero recubierto, templado y revenido
A354 grado bc
- - -Acero aleado,
templado y revenido
A354 grado bd
¼ a 4 120 150Acero aleado,
templado y revenido
A449¼ a 1 11/8 a 1½ 1¾ a 3
85 74 55 120 105 90Acero al carbono,
templado y revenido
A490 tipo 1 ½ a 1½ 120 150Acero aleado,
templado y revenido
A490 tipo 3 - - -Acero recubierto,
templado y revenido
Clase Rango del diámetro
Carga de prueba
Esfuerzo de ruptura
Material Marcado de la cabeza
(inch) (kpsi) (kpsi)
4.6 M5 - m36 225 400
Acero de bajo carbono ó
acero al carbono
4.8 M1.6 - m16 310 420
Acero de bajo carbono ó
acero al carbono
5.8 M5 - m24 380 520
Acero de bajo carbono ó
acero al carbono
8.8 M16 - m36 600 830
Acero al carbono, templado y
revenido
9.8 M1.6 - m16 650 900
Acero al carbono, templado y
revenido
10.9 M5 - m36 830 1040
Acero de bajo carbono
martensítico, templado y
revenido
12.9 M1.6 - m36 970 1220
Acero aleado, templado y
revenido
Marca a.s. grado
Especificación Algunos usos recomendados
Resistencia a la tracción
Límite de fluencia
DurezaSae Iso Astm
resistenciagrado clase
mínima [kg/mm2]
mínima [kg/mm2]
3,6
Para requerimientos menores de resistencia, metalmecánica, motores eléctricos, línea blanca. Electrónica, usos generales.
34 20 53 - 70 rb
J429 grado 1 ¼ " a 1
½ "
4,6A307
grado a y b
Para requerimientos de resistencia media, construcción de máquinas livianas, automotriz (piezas no afectas a fuertes tensiones), máquinas agrícolas, estructuras livianas.
42 23 70 - 95 rb
8,8 A449
Para requerimientos de alta resistencia a la tracción, ruedas de vehículos, partes de motores de tracción, cajas de cambio, máquinas herramientas, matrices
80 64 22 - 32 rc
tipo 1
A325
Para requerimientos de alta resistencia a la tracción y otros, especialmente para juntas estructurales exigidas mecánicamente. Debe trabajar con tu y golilla de la misma calidad
Hasta 1 85 de 1 1/8 a 1 ½
74
Hasta 1 65 de 1 1/8 a 1 ½ 57
Hasta 1 23 - 35 rc
de 1 1/8 a 1 ½ 19 -
31 rc
A490
Para requerimientos de alta resistencia a la tracción y alta temperatura. Debe trabajar con tu y golilla de la misma calidad
105 81 32 - 38 rc
grado 8
8 10,9
Para requerimientos de alta resistencia a la tracción, flexión, cizalle, etc. Culata de motores, paquete de resortes, pernos para ruedas vehículos pesados, bielas, etc.
105 88 31 - 38 rc
Soldadura
Se denomina así a todos los procesos de unión de metales que se realizan por fusión localizada de las partes a unir, mediante la aplicación conveniente de calor o presión. Puede ser con y sin aporte de material a las piezas unidas, donde este material de aporte es de igual o de diferente tipo a las partes que se unirán. Es importante tener en cuenta que la soldadura cambia la estructura física de los materiales que se suelden, debido a que cambia alguna de las propiedades de los materiales que se están uniendo.
La soldadura se logra a través de la fusión que simplemente es un proceso físico en donde se realiza un cambio de estado de la materia de sólido a líquido, mediante la acción del calor. Cuando se calienta un sólido, se transfiere calor a los átomos que vibran con más rapidez a medida que gana energía.
La mayoría de los procesos de soldadura requieren la generación de altas temperaturas para hacer posible la unión de los metales envueltos. El tipo de fuente de calor, o en otros términos, la forma de producir la fusión, es básicamente lo que describe el tipo de proceso los cuales se agrupan en tres categorías: welding o soldadura fuerte, soldering y brazing, soldaduras débiles.
Elementos de aporte
La unión de metales de la soldadura se puede realizar con o sin elementos de aporte, este elemento consiste en un material con propiedades físicas o químicas similares a las del material base (metales a unir).
Existen varios tipos de elementos de aporte para cada proceso de soldadura. Para el proceso de soldadura mig el material de aporte corresponde a un alambre desnudo continuo (acero) el cual es suministrado por la boquilla de la pistola de soldadura.
Por otro lado, el material de aporte para la soldadura de arco eléctrico corresponde a electrodos, los cuales están clasificados en cinco grupos principales: de acero suave, de acero de alto carbono, de acero de aleación especial, de hierro fundido y los no ferrosos. La mayor parte de soldadura por arco es hecha con electrodos en el grupo de acero suave.
El electrodo revestido tiene una capa gruesa de varios elementos químicos tales como celulosa, dióxido de titanio, polvo de sílice, carbonato de calcio, y otros. Estos ingredientes son ligados con silicato de sodio. Cada una de las substancias en el revestimiento es ideado para servir una función específica en el proceso de soldadura. En general, sus objetivos primarios son los de facilitar el establecimiento del arco, estabilizar el arco, mejorar la apariencia y penetración de la soldadura, reducir salpicadura, y proteger el metal fundido contra oxidación o contaminación por la atmósfera circundante.
Para la identificación de estos electrodos, es necesario tener en cuenta los siguientes aspectos como: la calidad de soldadura requerida, la posición de la soldadura, el diseño de la junta, la velocidad de soldadura, la composición del metal por soldar.
También estos elementos de aportes pueden ser en forma de láminas, arandelas o polvo, las láminas se aplican y se pre sitúan antes de comenzar a soldar, de manera que cuando está fundido se aplica presión y se elimina el exceso de material aportado. Las arandelas, se aplican en los metales con anterioridad, si es necesario, de manera que cuando comenzamos a soldar, se funda a lo largo de toda la superficie de los metales. El polvo también se aplica en la unión mecanizada con anterioridad, de manera que cuando comenzamos a soldar, se funda a lo largo de toda la unión.
Tipos de Soldadura
Según las características de las soldaduras su forma de ejecución, la posición de las piezas a unir,
entre otras, se pueden clasificar en:
Según los tipos de juntas.
Depende de la posición de las piezas a unir. Según el tipo de juntas, las soldaduras son:
A tope: es la usada comúnmente para la unión de hilos o alambres. Los extremos a soldar
se colocan a tope y cuando se aplica presión sobre dichos extremos, se hace pasar la corriente, se
ensanchan las zonas soldadas, fluyendo los materiales base hacia el exterior.
De solape: es descrita como la protrusión del metal de la soldadura por delante del talón o
de la raíz de la soldadura. Aparece cuando el metal soldado inunda la junta y yace en la superficie
del metal adyacente.
De esquina:
En t: esta unión se usa extensamente en la industria y se le llama unión t por que se
asemeja a la letra (t). Esta unión se puedes definir como: la unión entre miembros que se
encuentran formando ángulos rectos.
Según los tipos de soldaduras.
Soldadura de ranura: se usan cuando las piezas a unir están alineadas en un mismo
plano o en, y tienen sus bordes previamente preparados. Esta preparación puede ser en paralelo
(recta), en bisel sencillo o doble, en v, en u o en j. La ranura puede ser de penetración completa o
parcial y las piezas pueden tener espesores iguales o diferentes
Soldadura de entalladura o de penetración: en que el metal de aporte es colocado entre
los elementos. Es el mejor método en cuanto a estética, pues la soldadura reconstituye la sección
de la pieza conectada y además aminora los esfuerzos de efectos alternados, que pueden causar
fatiga del material; sin embargo, tiene una baja tolerancia de ajuste de elementos y un costo
elevado de preparación de la superficie
Soldadura de filete: en que el metal de aporte es colocado externamente a los elementos
a ser conectados. Es el tipo de soldadura más simple y por tanto el mas empleado.
Soldadura de tapón o canal: se usan ocasionalmente en juntas de solape, como
resistencia adicional, y van totalmente rellenas de material de aporte. Se les emplea usualmente
para conectar planchas, disminuyendo la luz individual de los miembros o bien para eliminar los
huecos dejados por los pernos que se utilizan para sujetar las planchas durante la ejecución de las
soldaduras, manteniéndolas firmemente en su posición hasta finalizar la conexión.
Soldadura de muesca: se aplica sobre la cara interna de las hendiduras en una de las
planchas de la conexión, asegurando una mejor transferencia de esfuerzos cortantes
Según las posiciones para soldar.
Las soldaduras de ranura o las de filete toman diferentes denominaciones según la posición que
ocupa el operario con respecto a la junta durante la ejecución de la soldadura, se encuentran:
Soldadura plana: cuando el cordón es horizontal y el metal de aporte se vierte desde
encima. Es la posición ideal para soldar.
Soldadura horizontal: el cordón es depositado sobre la intersección de un plano vertical
con otro horizontal, pero depositando el metal de aporte sobre la cara superior del miembro
horizontal.
Soldaduras sobre la cabeza: el material de aporte no se deposita por la gravedad, por
tanto, el operario tiene dificultad para realizar un buen trabajo.
Soldadura vertical:
Bisel
El bisel es un corte inclinado en el borde de una lámina o tubo con el fin de realizar un buen proceso de soldadura; cumple una función importante en este proceso, debido a que en ocasiones el soldador no posee el nivel de penetración suficiente por parte del material de porte en la zona de la soldadura, que conlleva a una mala unión soldada. Este biselado se hace normalmente con la ayuda de la pulidora o del esmeril, ya sea en las dos láminas a unir o en solo una de ellas.
Electrodos
En la soldadura, el electrodo es un dispositivo que conduce electricidad y puede actuar también como metal de aporte. Un electrodo es usado para conducir corriente a través de la pieza de trabajo y fusionar dos piezas. Dependiendo del proceso, el electrodo puede ser consumible, en el caso de la soldadura con gas metal o la soldadura blindada, o no consumible, como la soldadura con gas tungsteno
Los tipos más utilizados para soldadura son los siguientes:
Electrodos desnudos
En estos electrodos el material fundido no está protegido contra la acción de los gases de la atmósfera tales como el oxígeno y nitrógeno; por ello la soldadura resulta de calidad inferior. Solamente se utilizan en los cordones secundarios y para las cargas estáticas.
Electrodos revestidos
Éstos son los que se emplean generalmente en las estructuras metálicas. El electrodo se encuentra protegido mediante un revestimiento compuesto de varias sustancias distintas según las características que se desee dar al material de la soldadura.
Electrodo con alma: se aplican a la soldadura en cualquier posición y se caracteriza por un arco permanente.
Identificación de los Electrodos
Para los electrodos de acero dulce y los aceros de baja aleación: las dos primeras cifras de un número de cuatro cifras, o las tres primeras cifras de un número de cinco cifras designan resistencia a la tracción:
E-60xx Significa una resistencia a la tracción de 60,000 libras por pulgada cuadrada.
(42,2 kg./mm2).
E-70xx Significa una resistencia a la tracción de 70,000 libras por pulgada cuadrada. (49,2kg./mm2).
E-100xx Significa una resistencia a la tracción de 100,000 libras por pulgada cuadrada.
(70,3kg./mm2).
Lenguaje de la soldadura
Simbología básica
Leyenda
Contorno Trasero o de
respaldo
Soldadura de
inserción
Canal de fusión
Soldadura completa
Soldadura de campo
Plano Convexo Cóncavo
De flanja Soldadura de ranura
De borde Esquinada
Cuadrada
Sesgada V De bisel U J De llama en v
FileteClavija o ranura
De perno De punto De costuraDe
respaldoDe
superficie
Controles de calidad de la soldadura
Ensayos no destructivos
Ensayos visuales
Se pueden hacer a simple vista o con el uso de aparatos como una lupa, calibrador, etc., para inspeccionar si la soldadura tiene defectos.
Ensayos con rayos x o rayos gamma
Se toman fotografías radiográficas de la soldadura. Los defectos se ven en una forma muy similar a la cual se aprecian los huesos rotos en una radiografía de una ser humano. Este método se suele utilizar en tubos y calderas grandes. Se utiliza equipo de rayos X y máquina de revelado de placas radiográficas.
Ensayos magnéticos
Las pruebas magnéticas son de dos tipos: se espolvorea hierro pulverizado en la soldadura. Después, se establece una carga magnética a través de la soldadura; las partículas de hierro se acumulan en las grietas o fallas. Se mezclan limaduras de hierro con petróleo; se limpia y pule la superficie de la soldadura y se aplica esta mezcla con una brocha. Se magnetiza la soldadura con una fuerte corriente eléctrica. Si hay una grieta o falla en la soldadura, las partículas de hierro se adherirán en los bordes de la grieta y producirá una línea oscura como del diámetro de un cabello.
Pruebas con colorantes penetrantes
Estos colorantes o tintes vienen en botes pequeños en aerosol, con su estuche y se pueden llevar a cualquier parte. El colorante es un excelente método para detectar grietas superficiales que no se aprecian a simple vista.
Pruebas con estetoscopio o de sonido
El inspector golpea la soldadura con un martillo pequeño y escucha con el estetoscopio. El sonido le indica si la soldadura tiene defectos. Se necesitan muchos años de experiencia para
hacer esta prueba con exactitud. En la actualidad, se emplea el equipo para pruebas sónicas.
Ejercicio de pernos
En la figura mostrada, la fuerza neta dirigida hacia abajo “p” es de 26,4 kn en cada placa lateral de la ménsula. La distancia “a” es de 0,75 m. Determine el tamaño requerido de los pernos astm a325 (alta resistencia) para afianzar la ménsula. Considere que la conexión es tipo apoyo sin roscas en el plano cortante.
Solución:
Objetivo: especificar el tamaño de los pernos en la junta.
Datos:
P= 26,4 kn
P
TENSION EN LABANDA
MOTOR
75mm75mm
100mm 100mm
COLUMNA
A= 0,75 m.Perno astm a325Conexión tipo apoyo.
Análisis: Para determinar la fuerza cortante en cada perno producida por la fuerza cortante vertical
directa p= 26,4 kn, se supondrá que cada uno de los pernos soporta una parte igual de la carga. Entonces se utilizarán las ecuaciones siguientes:
Estas para calcular las fuerzas que actúan en el perno sometido a mayor esfuerzo para resistir la carga del momento, donde:
Las fuerzas resultantes se combinarán vectorialmente para determinar la carga resultante en el perno sometido a mayor esfuerzo. Entonces se calculará el tamaño del perno basado en la fuerza cortante permisible para los pernos astm a325.
Resultados:
Fuerza cortante directa:La fuerza total dirigida hacia abajo se reparte entre los seis pernos. Por consiguiente, la carga en cada uno llamada rp, es:
Fuerzas que resiste el momento:
P
El momento en la junta es:
Calculo de pernos:
Perno 1:
Investigando los otros cinco pernos de la misma manera, se ve que el perno 1 es el que soporta el esfuerzo máximo. Entonces se determinará su diámetro para limitar el esfuerzo cortante a 207 mpa para los pernos astm a325 (tabulado)
El tamaño métrico más aproximado es el de 16mm, siendo su tamaño estándar más aproximado es el de 5/8”
PM
R1R2
R3R4 R5
R6
Ejercicio de soldaduraSe forma una junta traslapada aplicando dos soldaduras de filete de 3/8 “ a todo lo ancho de dos placas de acero astm a36 de ½” como se muestra en la figura. Se utiliza el método de arco de metal protegido, con un electrodo e60. Calcule la carga permisible “p” que se puede aplicar a la junta.
Solución:
Objetivo: calcular la carga permisible p en la junta.
Datos:Placas de acero astm a36Electrodo e60Método de arco de metal protegido
Análisis:
Se supone que la carga se distribuye por igual en todas las partes de la soldadura, de modo que se
puede utilizar la ecuación con
Sea τ igual al esfuerzo permisible de 18ksi (tabulado), el espesor t es
Ahora se puede resolver para p.
PP
⅜ in
½in⅜ in
½in
PP4in
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