Soldadura frente a tornillo: coste, capacidad e inspección comparados en una misma unión

Pregunta a un delineante si soldar o atornillar una unión y normalmente obtienes una respuesta de cultura de taller: este fabricante suelda todo, aquel montador atornilla todo. Ambos pueden tener razón, porque la respuesta honesta no es una comparación sino tres, y rara vez coinciden. Una pregunta cuál unión resiste más carga. Otra pregunta cuál cuesta menos fabricar. Otra pregunta cuál cuesta más demostrar que es sana. Una soldadura puede ganar la primera, perder la segunda y cambiar la tercera según dónde se haga el trabajo.

La forma más limpia de ver las tres a la vez es dejar de discutir en general y diseñar la misma unión de las dos maneras. Así que eso es lo que hacemos aquí: una chapa, una reacción mayorada, comprobada una vez con un grupo de tornillos y otra con una soldadura en ángulo según AISC 360, tomando la demanda de un análisis real de CalcSteel en lugar de suponerla. Luego alineamos las dos en capacidad, en coste y en inspección, y dejamos que los números digan dónde encaja cada una.

La demanda no es inventada. Una viga simplemente apoyada de 8 m de luz soporta una carga uniforme mayorada de 50 kN/m, y el motor de CalcSteel devuelve una reacción en el apoyo de 200 kN, exactamente la forma cerrada wL/2. Esa reacción es el cortante que la unión de extremo debe entregar al apoyo, así que V_u = 200 kN es el número que ambos medios de unión deben superar.

El elemento conectado es el mismo en los dos diseños: una chapa de 10 mm, 200 mm de canto, en acero A36 (F_y = 250 MPa, F_u = 400 MPa). En el diseño atornillado la chapa se taladra y se atornilla al apoyo; en el diseño soldado la misma chapa se une a él mediante soldadura en ángulo a lo largo de sus dos bordes verticales. Mantener la chapa idéntica es lo que hace justa la comparación: solo cambia el medio de unión.

Tomemos tornillos M20 A325 (Grupo A) a cortante simple, con la rosca en el plano de corte, la hipótesis habitual y conservadora. La Tabla J3.2 de AISC 360 da una tensión nominal de cortante F_nv = 372 MPa (54 ksi), y el área del tornillo es A_b = πd²/4 = 314 mm². El cortante nominal por tornillo es F_nvA_b, y con el factor de resistencia φ = 0,75 la resistencia de diseño es φR_n = 87,7 kN por tornillo.

Dividiendo la demanda por ese escalón, 200 / 87,7 = 2,3, así que necesitamos 3 tornillos, lo que da un cortante de diseño del grupo de 3 × 87,7 = 263 kN, un 76 por ciento de aprovechamiento. El cortante del tornillo gobierna el medio de unión aquí: el techo de aplastamiento y desgarro de la chapa es de 144 kN por tornillo, muy por encima de 87,7 kN, así que los tornillos fallan antes que los agujeros. Esas comprobaciones de la chapa siguen siendo obligatorias, y se tratan en la guía de aplastamiento y desgarro; son una propiedad de la chapa, no de la decisión de atornillar.

Ahora soldamos la misma chapa al apoyo con un cordón en ángulo a lo largo de cada uno de sus dos bordes verticales, una longitud total de soldadura L_w = 400 mm. Con electrodos E70XX (F_EXX = 483 MPa, 70 ksi) y la reacción actuando paralela al eje de la soldadura, la resistencia de diseño por unidad de longitud es φ(0,60 F_EXX)(0,707 w), donde w es el cateto. Despejando la demanda, la unión necesita un cateto de solo 3,2 mm.

Aquí está el matiz que ocultan las tablas: no puedes usarlo. La Tabla J2.4 de AISC 360 fija un cordón mínimo de 5 mm para una chapa de 10 mm, impuesto por la velocidad de enfriamiento, no por la demanda, así que gobierna el mínimo de la norma. Un cordón de 5 mm sobre 400 mm entrega 307 kN, un 65 por ciento de aprovechamiento, y esa capacidad la obtienes gratis. El cateto máximo en un borde de 10 mm sería de 8 mm, y el metal base (rotura por cortante de la chapa a lo largo de las soldaduras, 720 kN) nunca gobierna. Consulta la guía de resistencia de la soldadura en ángulo para el incremento de resistencia direccional cuando la carga actúa transversal a la soldadura en lugar de a lo largo de ella.

Alinea los dos diseños y la sorpresa es lo poco que los separa: 263 kN atornillada, 307 kN soldada, ambas superando la demanda de 200 kN con margen. En esta unión ordinaria, la capacidad no es el factor decisivo. Cualquiera de los dos medios de unión funciona, y elegir solo por resistencia sería elegir por ruido.

La capacidad sí empieza a decidir en los extremos. Cuando la demanda sube y la chapa es gruesa, una soldadura se mantiene compacta donde un grupo de tornillos necesitaría muchas filas y una chapa más larga, así que la soldadura gana por geometría. Cuando el material es delgado, recubierto o de difícil acceso con un electrodo, ganan los tornillos. Pero para el amplio término medio de las uniones de cortante cotidianas, ambas aterrizan en el mismo sitio, que es exactamente por qué la decisión real se traslada a las dos columnas siguientes.

Los dos medios de unión no construyen capacidad de la misma forma. Los tornillos vienen en escalones discretos: 87,7 kN, 87,7 × 2, 87,7 × 3, y así sucesivamente. No puedes comprar 2,3 tornillos, así que redondeas a 3 y superas la demanda. Las soldaduras son un dial continuo: cateto y longitud se intercambian entre sí de forma suave, así que en principio ajustas la soldadura a la carga.

En la práctica la soldadura tiene su propio mínimo. El cateto de 3,2 mm que pide la demanda queda por debajo del cordón mínimo de 5 mm, así que el dial queda fijado en su extremo bajo y la unión queda sobredimensionada por la norma, no por ti. La lección va en los dos sentidos: en una unión poco cargada el cordón mínimo hace que la soldadura sea barata y resistente por defecto, mientras que una unión muy cargada premia el escalado suave de la soldadura, ya que un cateto mayor o un recorrido más largo añaden capacidad sin añadir ni un solo agujero ni tornillo.

Es tentador pensar que elegir un medio de unión resuelve la unión. No es así. El aplastamiento, el desgarro, el cortante de bloque y la rotura de la sección neta son estados límite de la chapa, y la chapa es común a los dos diseños. Atornilla la chapa y sigues comprobando el aplastamiento en cada agujero y el cortante de bloque a través del grupo de tornillos. Suelda la chapa y los agujeros desaparecen, pero la plastificación por cortante de la sección bruta y la rotura por cortante de la chapa, y la resistencia del metal base en la línea de fusión, siguen en la lista.

Así que cambiar de tornillos a soldadura mueve el eslabón más débil, no borra la cadena. Las comprobaciones de detalle viven en sus propias guías: aplastamiento y desgarro del tornillo, cortante de bloque y sección neta frente a bruta, y efecto palanca cuando la unión transmite tracción en lugar de cortante puro. Lo que importa para esta comparación es solo que las comprobaciones del elemento son un gasto compartido, que se paga con cualquiera de los dos medios de unión que elijas.

El coste, no la resistencia, es lo que suele decidir, y no es un número único, se invierte con dónde se hace el trabajo. En el taller una soldadura es barata: la pieza se fija plana, el proceso puede estar semi o totalmente automatizado, y no hay patrón de taladrado que coordinar entre dos partes. En obra el balance se invierte. Un tornillo entra con una llave en minutos, con una cuadrilla que no necesita certificación de soldadura, una fuente de energía, gas de protección, preparación de bordes ni una carpa contra el viento y la lluvia.

Esa es la vieja regla del fabricante con una razón detrás: soldar en el taller, atornillar en obra. La soldadura en obra es la esquina cara de la matriz, y es cara antes de que ocurra una sola inspección, por el acceso, la posición, el clima y la mano de obra certificada que necesita. Por el lado del material el compromiso es menor y apunta en sentido contrario: los tornillos añaden herrajes que compras por caja, las soldaduras añaden consumibles y energía, así que por unión el herraje del medio de unión rara vez es lo que inclina la decisión. La mano de obra y el lugar sí.

La tercera comparación es la que olvidan los presupuestos. Un tornillo con apriete ajustado, que es todo lo que necesita una unión de cortante típica, se verifica con una comprobación visual: las capas están en contacto firme y la tuerca está puesta. Un tornillo pretensado o de deslizamiento crítico necesita un método de instalación verificado, giro de tuerca, arandelas indicadoras de tracción directa, tornillos de rotura controlada o una llave calibrada, según la Especificación RCSC y el Capítulo N de AISC 360. En cualquier caso la evidencia está en la superficie, barata de ver y barata de repetir.

Una soldadura es otra factura. Cada soldadura recibe una inspección visual certificada según AWS D1.1, y más allá de eso la categoría de demanda exige ensayos no destructivos: partículas magnéticas o líquidos penetrantes para defectos superficiales, ultrasonidos o radiografía para soldaduras de penetración completa en ranura. Eso significa un inspector cualificado, más tiempo, sensibilidad al clima y al acceso, y defectos que pueden esconderse dentro del metal donde solo los ensayos no destructivos los encuentran. La unión que fue la más barata de soldar en el taller puede convertirse en la más cara de demostrar, y ese coste es real aunque nunca aparezca en el plano de montaje.

Junta las tres columnas y sale una regla de trabajo. Recurre a tornillos cuando:

• el trabajo está en obra y la velocidad de montaje importa;
• la unión pueda desmontarse más tarde (obras provisionales, montaje por fases, futura ampliación);
• el trabajo en caliente sea un peligro, cerca de galvanizados, recubrimientos o contenidos inflamables;
• el material sea delgado o recubierto y quieras evitar distorsión y perforación por sobrecalentamiento.

Recurre a soldaduras cuando:

• el trabajo esté en el taller, donde la soldadura es más barata y mejor controlada;
• la unión deba ser compacta o rígida, una unión a momento, un rigidizador, un miembro armado sin espacio para un grupo de tornillos;
• el acceso para el tornillo sea malo o se busque un aspecto limpio, sin agujeros.

Dos matices anulan la regla. Bajo fatiga, las soldaduras introducen concentraciones de tensión y exigen un detallado cuidadoso, mientras que un tornillo de deslizamiento crítico correctamente pretensado puede ser la opción más tranquila. Y nunca compartas un mismo camino de carga entre tornillos y soldaduras: tienen rigideces muy distintas, así que no atraen carga en proporción a su resistencia, y una llega primero. Deja que cada elemento sea todo atornillado o todo soldado.

El lado del tornillo de la comparación esconde una segunda decisión: cuánto pretensar. Apriete ajustado y deslizamiento crítico no son el mismo tornillo, y la pretensión objetivo fija tanto la fuerza de apriete como el método de instalación que un inspector verificará después. Usa la calculadora de abajo para ver cómo el grado y el diámetro del tornillo determinan la pretensión y el par de apriete, y luego relaciónalo con la columna de inspección de arriba: cuanta más pretensión dependa de la unión, más hay que demostrar la instalación.

La unión resuelta está en AISC 360, pero la comparación es independiente de la norma, solo cambia la notación. En EN 1993-1-8 un tornillo a cortante es F_v,Rd = α_v f_ub A / γ_M2, la misma idea de F_nvA_b con la seguridad llevada por un factor parcial en lugar de φ. Una soldadura en ángulo usa el método direccional o el simplificado, con una resistencia de diseño a cortante f_vw,d = f_u / (√3 β_w γ_M2), y el factor de correlación β_w hace el papel del ajuste del electrodo.

ABNT NBR 8800 sigue el mismo formato tipo LRFD que AISC, con factores de resistencia sobre el cortante del tornillo y sobre el metal de soldadura. La conclusión es que la decisión de tres columnas, capacidad, coste, inspección, es idéntica entre normas; lo que cambia entre ellas es el factor exacto y la tabla del cordón mínimo, no la lógica de cuándo soldar y cuándo atornillar.

• Dimensionar la soldadura por la demanda y olvidar el mínimo. La carga pedía 3,2 mm, pero gobierna el cordón mínimo de 5 mm. Especificar el cateto menor es una infracción de la norma, no una optimización.
• Compartir un mismo camino de carga entre tornillos y soldaduras. Sus rigideces difieren, así que no comparten carga por resistencia; el camino más rígido se sobrecarga primero. Haz cada elemento todo atornillado o todo soldado.
• Confundir apriete ajustado con pretensado. Pretensar cada tornillo malgasta dinero en uniones que solo necesitan apriete ajustado; dejar ajustada una unión de deslizamiento crítico o de fatiga es inseguro. Ajusta la clase a la demanda.
• Soldar en obra acero recubierto o galvanizado sin preparación. El zinc y la pintura generan porosidad y humos; la soldadura que pasó sobre chapa desnuda puede fallar sobre una recubierta.
• Inspeccionar lo que no toca. Pedir ultrasonidos sobre una soldadura en ángulo, u omitir la verificación de la pretensión en una unión de deslizamiento crítico, gasta el presupuesto de inspección donde no compra seguridad.