Las conexiones soldadas (y la tensión de soldadura en ellas) son de crucial importancia para la seguridad y la durabilidad de las estructuras de acero. Aquí mostraremos una teoría y un enfoque de AEF para el cálculo de la tensión de soldadura
Introducción
Soldadura – es un proceso de fabricación, que une materiales (normalmente metales) mediante el alto calentamiento. Es uno de los métodos más populares en el diseño de estructuras de acero por varias razones principales:
- Soldadura: es el método de unión que crea un verdadero miembro estructural de una sola pieza a partir de varios componentes, que se transfieren las cargas eficazmente entre sí;
- Se necesita una cantidad mínima de material para soldar a fin de proporcionar una conexión eficaz.
Aunque este enfoque conocido desde hace tiempo nos facilita la vida, las conexiones soldadas siguen siendo los componentes críticos de la seguridad y la durabilidad de las estructuras de acero. Cuando se produce un fallo en una conexión soldada, ésta deja de ser capaz de transferir las cargas (reacciones) de un elemento estructural a otro y, por tanto, de desempeñar la funcionalidad prevista en su diseño. En algunos casos puede incluso provocar el colapso total de la propia estructura, por lo que el ingeniero debe tener conocimientos en metalurgia, diseño de soldaduras, proceso de soldadura, fatiga, variables del procedimiento de soldadura, etc., para prevenir estas situaciones. Afortunadamente, se dispone de los códigos / normas de diseño adecuados (por ejemplo, IIW, Eurocódigo 3, DNV, FKM, DVS, etc.) y especifican los requisitos mínimos que deben cumplirse, por ejemplo, en la comprobación de la resistencia de las soldaduras y la comprobación de la fatiga de las mismas.
Ambas comprobaciones son imposibles sin la tensión de soldadura calculada en la conexión interesada, que puede calcularse fácilmente mediante el análisis por elementos finitos utilizando un paquete CAE general, como Ansys, Femap, Simcenter 3D, etc.
Enfoque del análisis por elementos finitos (AEF) a las tensiones de soldadura
Para calcular la tensión de soldadura pueden utilizarse modelos con elementos de placa delgada o de cáscara, o bien con elementos sólidos, en función de la complejidad de la tarea.
El primer método (con elementos de placa), que se basa en el enfoque de modelado relativamente simplificado, es el más común y no requiere modelar las soldaduras.
Esta opción está permitida por la mayoría de las normas, por ejemplo, el Instituto Internacional de Soldadura(IIW) y Det Norske Veritas y Germanischer Lloyd (DNV GL) (véase más abajo):
La norma IIW no prescribe la modelización de las soldaduras para los modelos simplificados, salvo en los casos en que los resultados se vean afectados por una flexión local, por ejemplo, debido a un desplazamiento entre placas o a una pequeña distancia entre soldaduras ajustadas.
Si su modelo FE contiene este caso excepcional, entonces las soldaduras pueden incluirse mediante elementos de placa verticales o inclinados que tengan la rigidez adecuada o introduciendo ecuaciones de restricción o enlaces rígidos para acoplar los desplazamientos de los nodos (vea algunos ejemplos más abajo).
DNV GL permite el método B (véase más abajo) para la modelización con elementos de casco sin ninguna soldadura incluida en el modelo:
En este caso, se recomienda realizar el tratamiento pertinente de los resultados: la tensión se toma en el punto de lectura a 0,5 t de la línea de intersección (véase más abajo).
Según la experiencia en ingeniería, este método proporciona resultados cercanos a la realidad, pero si se requieren resultados mucho más precisos, sobre todo para casos complejos, pueden utilizarse elementos sólidos prismáticos. Este tipo de elementos tiene una función de desplazamiento que permite gradientes de tensión pronunciados, así como la flexión de la placa con una distribución lineal de la tensión en la dirección del espesor de la placa.
Requiere la modelización volumétrica de las soldaduras, que proporciona la tensión de la soldadura sobre su sección transversal. Sin embargo, a menudo es una «tarea difícil» debido a la forma de la soldadura que hay que analizar, que influye de manera crucial en los resultados (es decir, en la tensión de la soldadura).
Inconveniente de la AEF
Junto con una ventaja tan grande como el análisis por elementos finitos, vienen un par de inconvenientes importantes:
1. Todos los programas que se basan en el enfoque del método de los elementos finitos (por ejemplo, Ansys, Femap, Simcenter 3D, etc.) proporcionan las tensiones en el sistema de coordenadas del elemento local, mientras que las tensiones calculadas deben orientarse en la dirección de la soldadura para realizar una comprobación de la resistencia o la fatiga de las soldaduras (véase más adelante);
X – paralela a la soldadura.
Y – perpendicular a la soldadura.
2. Los ingenieros deben definir / encontrar manualmente todas las soldaduras en el modelo.
En modelos con sólo varias soldaduras no es relativamente difícil dedicar algo de tiempo a definirlas / encontrarlas, reorientar las tensiones en los elementos finitos en la dirección de la soldadura y ejecutar después las comprobaciones necesarias. Sin embargo, este proceso debe repetirse para el gran número de casos de carga prescritos por las normas, lo que hace que ya no sea tan sencillo, mientras que en el caso de cientos / miles de conexiones soldadas, que suelen incluir las estructuras reales, este proceso se convierte en una tarea compleja que requiere mucho tiempo.
Solución SDC Verifier para el análisis por elementos finitos de soldaduras
Esta aburrida rutina de ingeniería está completamente automatizada en SDC Verifier, que funciona directamente dentro de su software de AEF favorito.
¿Cómo lo afrontamos?
Después se reconocen automáticamente todas las soldaduras con ayuda de herramienta Weld Finder (sólo en unos pocos clics), todas las tensiones de su modelo se convierten automáticamente en la dirección de la soldadura, sin reorientación. Weld Finder forma parte de las herramientas de reconocimiento de SDC Verifier. Por lo tanto, las tensiones de soldadura se implementan como una categoría independiente. Todas las tablas/trazados de tensiones también pueden crearse para las tensiones de soldadura:
La primera tabla siguiente muestra las tensiones extremas en la orientación del elemento estándar y la segunda tabla muestra las tensiones convertidas en la dirección de la soldadura:
En el gráfico de la izquierda se muestran las tensiones en la dirección del elemento y en el de la derecha las tensiones de la soldadura. Puede ver que sólo se convierten los elementos de soldadura. Para los elementos que no pertenecen a la soldadura, las tensiones se muestran en la dirección estándar del elemento:
Para evitar confusiones, el usuario también puede trazar sólo las tensiones en los elementos de soldadura (utilizando Selector basado en reglas):
Además, excepto de la lista ya implementada de normas para la verificación de soldaduras (como DNV, Eurocódigo 3, EN13001, FEM 1.001, FKM, DVS, DIN 15018, ASME VII etc.), puede crear sus comprobaciones personalizadasen las que es posible utilizar las tensiones de soldadura mediante la variable Sweld. Así, por ejemplo, se pueden tener en cuenta fácilmente las diferentes tensiones admisibles para la tensión de cizallamiento y las tensiones normales paralelas y perpendiculares a la orientación de la soldadura:
Y para comprobaciones de fatiga en soldadurasse puede calcular la variación de tensión(SweldDelta) de un grupo de resultados en las direcciones paralela, cortante y perpendicular, como se muestra en el ejemplo siguiente:
Otros parámetros de soldadura, necesarios para la ejecución de la comprobación de la resistencia de la soldadura, pueden configurarse fácilmente, por ejemplo, en la herramienta de configuración de la resistencia de la soldadura del buscador de soldaduras:
Dependiendo de los tipos de soldadura (por ejemplo, soldaduras en ángulo / soldaduras en ángulo dobles, soldaduras en ranura con penetración parcial / total, etc.) y del tamaño de la soldadura (patas, profundidad de penetración, etc.), los resultados de la comprobación de la resistencia son diferentes, por lo que también es posible tener en cuenta estos detalles.
Tome nota: El tamaño de una soldadura en ángulo suele determinarse midiendo el tamaño del tramo, aunque la soldadura se diseñe determinando el tamaño de garganta necesario. En el caso de una soldadura en ángulo de pata igual y cara plana aplicada a chapas perpendiculares entre sí (90°), la dimensión de la garganta se calcula multiplicando el tamaño de la pata por 0,707 (es decir, seno 45°).
Conclusión
SDC Verifier le permite comprobar rápidamente las tensiones de las soldaduras directamente dentro de su software de AEF favorito, como Ansys, Femap, Simcenter 3D y realizar las comprobaciones necesarias de las soldaduras según las normas de la industria de la ingeniería(DNV, Eurocódigo 3, EN13001, FEM 1.001, FKM, DVS, DIN 15018, ASME VII, etc.) ¡de forma automática! El reconocimiento completamente automático de todas las soldaduras de su modelo, en combinación con estas capacidades, ¡puede ahorrarle días, semanas o incluso meses!
