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• Rickter Hernandez

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Conexiones atornilladas y rotulas

ANTECEDENTES Las juntas que se obtienen usando tornillos de alta resistencia son superiores a las remachadas en rendimiento y economía y son el principal método para conectar miembros estructurales de acero en las obras. C. Batho y E.H. Bateman sostuvieron por primera vez en 1934 que los tornillos de alta resistencia podrían emplearse satisfactoriamente para el ensamble de estructuras de acero, pero fue hasta 1947 que el Research Council on Riveted and Bolted Structural Joints of the Engineerin Foundation fue establecido (consejo para la investigación de juntas estructurales remachadas y atornilladas de la fundación de ingeniería). Este grupo publicó sus primeras especificaciones en 1951 y los tornillos de alta resistencia fueron aceptados rápidamente por arquitectos e ingenieros de puentes para estructuras sometidas a cargas, tanto estáticas como dinámicas. Estos tornillos no solo se convirtieron en el principal tipo de conector de campo sino que se encontró que poseían muchas aplicaciones en conexiones de taller. En la construcción del puente Mackinac en Michigan se usaron más de un millón de tornillos de alta resistencia. DESCRIPCION DEL ARTÍCULO En el presente artículo se dan los temas de conexiones atornilladas y rotulas. En lo referente al tema de conexiones atornilladas se dan las clasificaciones de los tornillos utilizados en estructuras asi como las ventajas de su utilización; de igual forma se dan algunas tablas en las que se plasman las tensiones requeridas de los tornillos así como los diámetros de los agujeros y la distancia entre ellos. Se dan algunas recomendaciones para el tensado de los tornillos, también se dan los tipos de juntas de conexiones atornilladas. En cuanto al tema de rótulas, se da la definición breve, asimismo se incluyen ciertos inventos en estructuras donde son utilizadas las rótulas para mejorar la eficiencia de las conexiones. INTRODUCCION Durante muchos años el método aceptado para conectar los miembros de una estructura de acero fue el remachado. Sin embargo, en años recientes, el uso de remaches ha declinado rápidamente debido al tremendo auge experimentado por la soldadura, y más recientemente, por el atornillado con pernos o tornillos de alta resistencia. El montaje de estructuras de acero por medio de tornillos es un proceso que además de ser muy rápido requiere mano de obra menos especializada que cuando se trabaja con remaches o soldadura. Estos factores, en estados unidos de Norteamérica donde la mano de obra es sumamente cara, dan a las juntas atornilladas una ventaja económica, en comparación con los otros tipos de conexión. CONTENIDO CONEXIONES ATORNILLADAS TIPOS DE TORNILLOS Existen varios tipos de tornillos que pueden usarse para conectar miembros de acero: Tornillos ordinarios o comunes: los designa la ASTM como tornillos A307 y se fabrican con aceros al carbono con características de esfuerzos y deformaciones muy parecidas a las del acero A36. Están disponibles en diámetros que van de 5/8” en incrementos de 1/8”. Este tipo de tornillos son usados principalmente en estructuras ligeras sujetas a cargas estáticas y en miembros secundarios (pielargueros, correas, riostras, plataformas, armaduras pequeñas, etc.). Tornillos de alta resistencia: estos tornillos se fabrican a base de acero al carbono tratado térmicamente y aceros aleados; tienen resistencias a la tensión de dos o más veces la de los tornillos ordinarios. Existen dos tipos básicos, los A325 y los A490 de mayor resistencia. Los tornillos de alta resistencia se usan para todo tipo de estructuras, desde pequeños edificios hasta rascacielos y puentes monumentales. En ocasiones se fabrican tornillos de alta resistencia a partir de acero A449 con diámetros no mayores a 1 ½” que es el diámetro máximo de los A325 y A490. VENTAJAS DE LOS TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA * Las cuadrillas de hombres necesarias para atornillar, son menores que las que se necesitan para remachar. * En comparación con los remaches, se requiere menor numero de tornillos para proporcionar la misma resistencia. * No se requiere mano de obra especializada para realizar el trabajo. * No se requieren pernos de montaje que deben removerse después como en las juntas soldadas. * Resulta menos ruidoso en comparación con el remachado. * Más económico. * No hay riesgo

de fuego ni peligro por el lanzamiento de los remaches calientes. * Mayor resistencia a la fatiga. * Donde las estructuras se alternan o desensamblan posteriormente, los cambios en las conexiones son muy sencillos por la facilidad para quitar los tornillos. TORNILLOS APRETADOS SIN HOLGURA Y TORNILLOS COMPLETAMENTE TENSADOS Los pernos apretados sin holgura son usados cuando las superficies están en contacto firme entre sí y deben ser claramente identificados en los planos de diseño como en los de montaje; para conseguir el apriete es suficiente el esfuerzo de un operario con llave manual o el conseguido por unos pocos golpes con una llave de impacto. Cuando se aplican cargas a tornillos apretados sin holgura puede haber un pequeño deslizamiento ya que los agujeros poseen mayor dimensión respecto a los vástagos de los pernos, de esta manera es posible un asentamiento contra el perno; este comportamiento no es apropiado en casos de fatiga. Para casos de fatiga es necesario utilizar pernos completamente tensados, esto no permite que la conexión se deslice, este tipo de conexiones son llamadas de deslizamiento crítico. Los pernos completamente tensados conllevan un proceso muy caro, así como su inspección, es por esto que solo deben usarse cuando sean necesarios, es decir cuando las cargas de trabajo ocasionen un gran cambio de esfuerzos con la posibilidad de problemas de fatiga. Los tornillos apretados sin holgura tienen ventajas sobre los completamente tensados ya que un obrero puede apretar apropiadamente los pernos a una condición sin holgura con una llave de mango o con solo unos cuántos golpes con una llave de impacto, la inspección es sólo visual, puede remplazarse las herramientas manuales por eléctricas, eliminando la necesidad de aire comprimido en la obra. La siguiente tabla presenta las tensiones necesarias para pernos en juntas tipo fricción y en juntas sujetas a tensión directa; para estar completamente tensados los pernos A325 o A490 deben apretarse por lo menos al 70% de la resistencia a la tensión mínima especificada. TENSION (en klb) REQUERIDA EN LOS TORNILLOS PARA CONEXIONES TIPO FRICCION Y PARA CONEXIONES SUJETAS A TENSION DIRECTA | TAMAÑO DEL TORNILLO | TORNILLOS A325 | TORNILLOS A490 | ½ | 12 | 15 | 5/8 | 19 | 24 | ¾ | 28 | 35 | 7/8 | 39 | 49 | 1 | 51 | 64 | 1 1/8 | 56 | 80 | 1 ¼ | 71 | 102 | 1 3/8 | 85 | 121 | 1 ½ | 103 | 148 | MÉTODOS PARA TENSAR COMPLETAMENTE LOS TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA Método del giro de la tuerca: Los pernos se aprietan sin holgura y luego se les da un giro de 1/3 o una vuelta completa, dependiendo de la longitud de éstos y de la inclinación de las superficies entre sus cabezas y tuercas. La magnitud de giro pude controlarse fácilmente marcado la posición con marcador o rayador de metal. Método de la llave calibrada: En este método los tornillos se aprietan con una llave de impacto para detenerse cuando se alcanza el par necesario para logra la tension deseada de acuerdo con el diámetro y la clasificación de la ASTM del tornillo. Indicador directo de tensión: Consiste en una roldana o arandela endurecida con protuberancias en forma de pequeños arcos, los cuales a medida que se aplica la carga se aplanan, la apertura es proporcional a la tensión aplicada al perno; se usa una cinta calibrada para medir la abertura, para pernos completamente tensados la separación debe medir 0,015 pulgadas o menos. Tornillos de diseño alternativo: Los tornillos con extremos ranurados que se extienden mas allá de la porción roscada llamados “perno indicador de carga” son un ejemplo. Se usan boquillas especiales en las llaves para apretar las tuercas hasta que se degollan los extremos ranurados. Este método de apretar tornillos es bastante satisfactorio y conducirá a menores costos de mano de obra. CONEXIONES TIPO FRICCIÓN Y TIPO APLASTAMIENTO Cuando los tornillos de alta resistencia se tensan por completo, las partes conectadas quedan abrazadas fuertemente entre sí, se tiene entonces una considerable resistencia al deslizamiento en la superficie de contacto. Esta resistencia es igual a la fuerza al apretar multiplicada por el coeficiente de fricción. Si la fuerza cortante es menor que la resistencia permisible por fricción, la conexión se denomina tipo fricción. Si la carga excede a la resistencia por fricción,

habrá un deslizamiento entre los miembros con un posible degollamiento de los tornillos y al mismo tiempo las partes conectadas empujaran sobre los tornillos. DIMENSIONES NOMINALES DE LOS AGUJEROS | Dimensiones de los agujeros | Diámetro del tornillo | Estándar (diámetro) | Agrandado (diámetro) | De ranura corta (anchoxlongitud) | De ranura larga (anchoxlongitud) | ½ | 9/16 | 5/8 | 9/16 x 11/16 | 9/16 x 1 ¼ | 5/8 | 11/16 | 13/16 | 11/16 x 7/8 | 11/16 x 1 9/16 | ¾ | 13/16 | 15/16 | 13/16 x 1 | 13/16 x 1 7/8 | 7/8 | 15/16 | 1 1/16 | 15/16 x 1 1/8 | 15/16 x 2 3/16 | 1 | 1 1/16 | 1 ¼ | 1 1/16 x 1 5/16 | 1 1/16 x 2 ½ | >1 1/8 | d+1/16 | d+5/16 | (d+1/16)x(d+3/8) | (d+1/16)x(2.5xd) | TIPOS DE JUNTAS Junta traslapada: Este tipo de junta tiene el inconveniente de que el eje de gravedad de la fuerza en un miembro no es colineal con el eje de gravedad de la fuerza en el otro miembro. Se presenta un par que causa una flexión que no es de desearse en la conexión como se muestra en la figura. La junta a tope: Se forma cuando se conectan tres miembros. Si la resistencia al deslizamiento entre los miembros es insignificante, los miembros se deslizarán un poco y tenderán a degollar simultáneamente a los tornillos en los dos planos de contacto entre los miembros. Los miembros se apoyan sobre los tornillos y se dice que éstos se encuentran sometidos a cortante doble y aplastamiento. Ventajas de la junta a tope: * Los miembros se arreglan en forma tal que la fuerza cortante P se reparte en dos partes. * Se tiene una condición de carga mas simétrica. Conexiones de plano doble: En este tipo de conexiones los tornillos están sujetos a cortante simple y aplastamiento, pero el momento flexionante no se presenta. SEPARACIÓN Y DISTANCIAS A BORDES DE TORNILLOS Separación mínima: Los tornillos deben colocarse a una distancia suficiente entre sí para permitir su instalación eficiente y prevenir fallas por tensión en los miembros entre los tornillos. La especificación LRFD estipula una distancia mínima centro a centro para agujeros holgados o de ranura, igual a no menos de 2 2/3 diámetros (de preferencia 3d). VALORES DEL INCREMENTO C1 DE ESPACIAMIENTO PARA DETERMINAR LAS SEPARACIONES MINIMAS DE AGUJEROS AGRANDADOS | | | Agujeros de ranura | | | | Paralelo a la ínea de fuerza | ínearo nominal del tornillo | agujeros agrandados | Perpendicular a la ínea de fuerza | De ranura corta | De ranura larga | 1 1/8 | ¼ | 0 | 5/16 | 1 ½ d – 1/16 | Distancias mínimas al borde: Como recomendación los tornillos no deben ubicarse demasiado cerca de los bordes de un miembro por dos razones que son las siguientes: El punzonado de agujeros demasiado cercanos a los bordes ocasiona que el acero opuesto al agujero se agriete y la segunda razón se aplica a los extremos de los miembros donde existe el peligro de que el sujetador desgarre al metal. Se puede determinar la aplicación para la práctica común el colocar el sujetador a una distancia mínima del borde de la placa igual a 1.5 o 2 veces el diámetro del sujetador, logrando así una resistencia al cortante del metal en la zona por lo menos igual a la de los sujetadores. DISTANCIAS MINIMAS A BORES [a]pulg.(CENTRO DEL AGUJERO ESTÁNDAR [b] AL BORDE DE LA PARTE CONECTADA | Diametro nominal del tornillo remache(plg) | En bordes recortados mecánicamente | En bordes laminados de placas, perfiles o barras o bordes cortados con gas [c] | ½ | 7/8 | ¾ | 5/8 | 1 1/8 | 7/8 |

¾|1¼|1| 7/8 | 1 ½[d] | 1 1/8 | 1 | 1 ¾[d] | 1 ¼ | 1 1/8 | 2 | 1 ½ | 1 ¼ | 2 ¼ | 1 5/8 | Mayores de 1 ¼ | 1 ¾ x Diámetro | 1 ¼ x Diámetro | La distancia mínima al borde del centro de un agujero holgado o de un agujero ranurado al borde de una parte conectada deber ser igual a la distancia mínima requerida para un agujero estándar más un incremento C2. VALORES DEL INCREMENTO C2 PARA DISTANCIAS AL BORDE DE AGUJEROS AGRANDADOS en pulg. | Diámetro nominal del conector (pulg) | Agujeros agrandados | Agujeros de ranura | | | Perpendicular al borde | Paralela al borde | | | De ranura corta | De ranura larga [a] | |