El límite de resistencia corregido con la resistencia constante σ e o τ e de la conexión por perno viene determinado para el tipo, diseño, material y carga de la junta seleccionados a partir de la fórmula:
σ e = σ' e k a k b k c k d k e k f [MPa, lpc]
donde:
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σ' e |
límite de resistencia básica de una barra de prueba del material seleccionado [MPa, lpc] |
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k a |
factor de superficie [-] |
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k b |
factor de tamaño [-] |
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k c |
factor de fiabilidad [-] |
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k d |
factor de temperatura de funcionamiento [-] |
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k e |
factor modificado de concentración de tensión [-] |
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k f |
factor de efectos diversos [-] |
1. Límite de resistencia básica σ' e
Si no dispone de los resultados de las pruebas del material seleccionado para la unión por soldadura y no conoce el valor exacto del límite de resistencia básica, puede calcular su valor. El cálculo diseña el límite básico de resistencia mediante las siguientes fórmulas empíricas.
σ' e ≈ 0.5 S U - para plegado invertido
σ' e ≈ 0.4 S U - para tracción invertida - presión
σ' e ≈ 0.28 S U - para torsión invertida (corte)
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S u |
tensión máxima de tracción [MPa, lpc] |
2. Factor de superficie k a
Para describir la dependencia del límite de resistencia en la calidad de la superficie, la resistencia a la fatiga de la pieza con carga de fatiga asciende con el aumento de la calidad de la superficie. Este efecto se aprecia más en materiales de alta calidad. Utilice curvas experimentales para describir el efecto que la calidad de la superficie tiene en el límite de resistencia según la resistencia del material y para distintas superficies maquinadas.
La siguiente curva para uniones por soldadura de calidad estándar se utiliza para determinar el factor ka.
3. Factor de tamaño k b
El tamaño de la junta no afecta a la resistencia a la fatiga de las uniones por soldadura cargadas con tracción invertida (presión), Por lo tanto, el factor de tamaño para este tipo de carga es k b = 1.
Cuando la junta está cargada con plegado invertido o torsión (de corte), su tamaño puede afectar en gran medida a su resistencia a la fatiga. La resistencia disminuye cuando las cotas de la junta aumentan.
La determinación de la relación exacta entre el tamaño de la soldadura y la resistencia a la fatiga de la junta solo se puede realizar mediante pruebas de fatiga experimentales en la unión por soldadura especificada. Resulta prácticamente imposible. Por ello, se ha desarrollado un procedimiento teórico simplificado que tiene su origen en las pruebas de fatiga experimentales realizadas en barras de prueba uniformes de distintos diámetros. Este procedimiento permite estimar el tamaño aproximado del factor k b , según la teoría que recoge que el diámetro comparativo virtual de una barra de prueba se puede asignar a la sección concreta de la soldadura.
A continuación se incluyen las fórmulas de cálculo para la determinación del factor k b .
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- Unidades imperiales |
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- unidades métricas |
siempre que se cumpla lo siguiente:
k b ≥ 0.6
k b = 1 para
donde la fórmula se utiliza para el cálculo del diámetro comparativo virtual:
4. Factor de fiabilidad k c
Este factor representa la influencia de la fiabilidad requerida de la junta en combinación con el valor de la resistencia a la fatiga. El valor del factor se incluye en el rango <0,5 ... 1> y disminuye con el aumento de los requisitos de fiabilidad. El valor de k c = 1 corresponde a una fiabilidad del 50 por ciento, es decir, un 50 de probabilidad de que falle la unión por soldadura cargada con la fatiga especifica.
La práctica habitual nos dice que lo más común es disponer de piezas mecánicas con un 95 por ciento de fiabilidad. En el caso de que el fallo de las juntas pueda suponer una amenaza para las vidas humanas o provocar pérdidas económicas significativas, se deberá seleccionar una unión por soldadura con mayor fiabilidad.
5. Factor de temperatura de funcionamiento k d
El efecto que la temperatura de funcionamiento tiene sobre el límite de resistencia depende en gran medida de las propiedades del material utilizado. El límite de resistencia de los aceros estructurales de uso común que funcionan en el rango aproximado de -20 a 200 °C no depende en exceso de la temperatura y, por tanto, se puede utilizar el factor k d = 1.
Los diseños que tienen en cuenta los fallos de fatiga a altas temperaturas suponen un problema complejo, ya que, en general, surgen interacciones entre la deformación, la fatiga y las inestabilidades metalúrgicas. La información teórica que describe este problema no es lo suficientemente completa. Utilice los resultados de las pruebas experimentales para un buen cálculo del factor k d .
6. Factor modificado de concentración de tensión k e
En las juntas se originan concentraciones de altas tensiones locales cuando la unión por soldadura tiene carga de fatiga debido al efecto de la muesca de la soldadura. Estas concentraciones reducen considerablemente la resistencia a la fatiga de la junta. El factor modificado de concentración de tensión viene determinado por la fórmula k e = 1/K, donde el factor K de reducción de resistencia a la fatiga depende del tipo, la forma, el diseño, la calidad y la carga de unión de la soldadura. A continuación, se proporcionan los valores recomendados del factor de concentración de tensión para los tipos y las cargas de soldadura seleccionados.
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Tipo de soldadura, método de carga |
K |
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Soldadura a tope final cargada con plegado y tracción (presión) |
1.2 |
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Soldadura a tope final con torsión (de corte) |
1.8 |
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Junta en T con soldadura a tope de doble cara |
2.0 |
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Soldadura de empalme con carga perpendicular |
1.5 |
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Soldadura de empalme con carga paralela al eje de soldadura |
2.7 |
Si se tiene en cuenta la aparición de concentraciones de tensión local, las piezas más peligrosas de la unión por soldadura son las transiciones entre la soldadura y el material básico. Por este motivo, se debe tener cuidado y utilizar un diseño de soldadura adecuado, así como una mecanización perfecta de las caras de transición y las uniones por soldadura están cargadas con fatiga. La raíz mal soldada de una soldadura a tope o un hueco no soldado en la raíz de una soldadura de empalme podrían influir negativamente en la vida útil de la fatiga de la soldadura. Tenga en cuenta la calidad del diseño de la soldadura al definir un factor de tamaño de concentración de tensión.
7. Factor de efectos diversos k f
Todos los demás efectos que pueden reducir o aumentar la resistencia a la fatiga de la unión por soldadura (la influencia de la corrosión, por ejemplo) se incluyen en este factor.