Método de la tensión nominal y la tensión en el punto caliente para la evaluación de soldaduras en el AEF
Yurii Shumak
Las tensiones de soldadura en las uniones soldadas son esenciales para la resistencia y la seguridad de las estructuras soldadas de acero o aluminio. Existen diferentes enfoques para definir las tensiones de soldadura en el AEF. Los métodos de tensión nominal y de punto caliente son los más populares entre ellos. Estos enfoques tienen algunas diferencias fundamentales en la precisión que proporcionan y el esfuerzo de trabajo que requieren.
La principal diferencia puede describirse como que el método de tensión de punto caliente incorpora la tensión geométrica de medida más competente, frente a la tensión nominal de medida más limitada. Debido a este hecho, el método del punto caliente requiere menos categorías de detalle que la tensión nominal para proporcionar una versatilidad comparable.
Método de la tensión nominal
El método de la tensión nominal se utiliza en el AEF para evaluar la distribución de tensiones y valorar la integridad estructural de los componentes soldados. Con él se analiza principalmente la resistencia y el comportamiento a fatiga de las soldaduras.
El método de la tensión nominal simplifica la compleja geometría de una unión soldada en una representación equivalente, lo que permite a los ingenieros estimar las tensiones alrededor de la soldadura. Es importante tener en cuenta que el método de la tensión nominal aproxima el estado de tensión en una unión soldada. Pueden emplearse técnicas más avanzadas, como el método de la tensión en el punto caliente o el método de la entalla efectiva, para evaluar mejor la distribución de tensiones en las soldaduras.
Método del punto caliente de tensión
El método de los puntos calientes de tensión (HSS), también denominado enfoque de tensión estructural o tensión geométrica, es una técnica utilizada para evaluar la integridad estructural de los componentes soldados en el análisis de elementos finitos. Se emplea habitualmente en el campo de la ingeniería para evaluar el comportamiento a la fatiga de las uniones soldadas, centrándose en identificar esos lugares críticos de concentración de tensiones en la punta o la raíz de la soldadura, conocidos como «puntos calientes», donde es más probable que se produzcan daños por fatiga.
Al centrarse en las zonas críticas propensas a la concentración de tensiones, el método HSS proporciona una evaluación más precisa del comportamiento ante la fatiga de las uniones soldadas. Permite a los ingenieros optimizar el diseño, seleccionar los materiales adecuados y determinar los detalles de soldadura necesarios para mejorar la durabilidad y fiabilidad de las estructuras soldadas.
Tipos de método de tensión en puntos calientes según las recomendaciones de fatiga del IIW
Por defecto, la configuración de los puntos de referencia se basa en las Recomendaciones sobre fatiga del Instituto Internacional de Soldadura (IIW ) IIW-1823-07/XIII-2151r4-07/XV-1254r4-07 Dic. 2008. Según estas normas, la tensión del punto caliente se describe utilizando dos o tres valores de tensión o deformación en puntos de referencia concretos alejados de la punta de la soldadura en la dirección de la tensión. Existen varias formas de identificar los puntos críticos o puntos calientes, entre ellas la medición de varios puntos diferentes, el análisis de los resultados de un análisis MEF previo y la experimentación de componentes existentes que hayan fallado.
Existen dos tipos diferentes de puntos críticos, los llamados tipos «a»y «b», que dependen de la ubicación del punto crítico.
El tipo «a» puede determinarse como tensión de punto caliente estructural transversal a la punta de la soldadura en la superficie de la placa. Mientras que el tipo «b» puede determinarse como tensión de punto caliente estructural transversal a la punta de la soldadura en el borde de la placa.
Uso de la tensión en puntos calientes en las normas industriales
El método de la tensión en el punto caliente (HSS) es un AEF de uso común para determinar el factor de concentración de tensiones en la punta de la soldadura. Se utiliza en varias normas industriales para la resistencia y la fatiga de las soldaduras, entre ellas:
- DIN 15018,
- DVS 1608 y DVS 1612,
- DNV-RP-C203 Fatiga,
- EN13001,
- Eurocódigo 3 Fatiga (EN1993-1-9, 2005),
- FEM 1.001 (3ª edición, 1998),
- FKM – Evaluación analítica de la resistencia,
- DNV OS-C101-LRFD Resistencia de la soldadura,
- DNV OS-C201-WSD Resistencia de la soldadura,
- Resistencia de la soldadura según el Eurocódigo 3 (EN1993-1-8, 2005).
Las tensiones de las soldaduras con estas normas pueden calcularse tanto con el método de la tensión nominal como con el método de la tensión en el punto caliente. La elección de la metodología en cada caso depende de la tarea de ingeniería y del nivel de complejidad e importancia de los elementos estructurales.
Implementación en SDC Verifier
El análisis de tensiones en puntos calientes está disponible en la versión Enterprise de SDC Verifier y puede utilizarse de forma inmediata en una comprobación de fatiga como ASME VIII (Div2, 2010) (Código de calderas y recipientes a presión), DIN 15018 (1984) (Grúas. Estructuras de acero. Verificación y análisis), DVS 1608 (junio de 2010), DVS 1612 (agosto de 2014), DNV OS-C101-LRFD Resistencia de soldaduras (2011), DNV OS-C201-WSD Resistencia de soldaduras (2011), DNV-RP-C203 Fatiga (2016), EN 13001 (2018) (Seguridad de grúas – Diseño general), Eurocódigo3 Fatiga (EN 1993-1-9, 2005), FEM 1.001 (3ª, 1998) (Reglas para el diseño de aparatos de elevación), FKM (5ª, 2003) y FKM (6ª, 2012).
La herramienta de búsqueda de soldaduras tiene una pestaña de tensiones de puntos calientes en la que el ingeniero puede establecer ubicaciones de puntos calientes para interpolar las tensiones según los puntos de referencia para calcular las tensiones de puntos calientes y utilizar los datos en posteriores cálculos de fatiga, fórmulas personalizadas y comprobaciones.
La tensión del punto caliente se calcula utilizando la fórmula y las recomendaciones de fatiga del IIW. Para una interpolación correcta de las tensiones, los puntos de referencia no deben estar en el mismo elemento y el primer punto de interpolación no debe estar en el elemento de la pieza soldada.
Además de las ubicaciones de los puntos calientes que se definen en el Buscador de soldaduras, cada Trabajo tiene ajustes adicionales que influyen en el resultado de la tensión de los puntos calientes:
- Utilizar tensiones simples fuera de las ubicaciones: muestra los valores de las tensiones simples de todos los elementos que no se utilizan en las ubicaciones de puntos calientes definidas en el Buscador de soldaduras. Muestra 0 si está desactivado;
- Utilizar datos medios de las esquinas: utilice las tensiones medias superior/inferior de todos los elementos adjuntos en la esquina del elemento donde se calcula el punto caliente.
En las fórmulas de la norma, es posible comprobar si el punto de interés del elemento tiene ajustes de localización de puntos calientes definidos en Weld Finder utilizando Elemento.IsHotSpotCalculated (o Elemento.IsHotSpotCalculado[número de punto] para un punto de interés específico). Por ejemplo, es posible elegir entre utilizar el resultado de Tensión de punto caliente o Tensión de soldadura si no se ha definido la ubicación del punto caliente.
Conclusión
Siempre se recomienda consultar los códigos, normas y directrices de diseño pertinentes específicos de la aplicación y la industria que se esté considerando para garantizar que las soldaduras cumplen los requisitos de seguridad y calidad necesarios. Es importante tener en cuenta que la elección entre el método de la tensión en el punto caliente y el método de la tensión nominal depende de la aplicación específica, la complejidad de la estructura y el nivel de precisión deseado. En algunos casos, puede emplearse una combinación de ambos métodos para garantizar un análisis exhaustivo de la fatiga.
En las normas, se recomienda utilizar estos dos métodos para poder analizar estructuras y conexiones más complejas y obtener resultados más precisos. Realizar estos análisis con AEF implica numerosos pasos que consumen tiempo y esfuerzo, y con SDC Verifier, todos estos procedimientos se automatizan, ahorrando tiempo a los ingenieros para otras tareas no rutinarias.
