• Author / Uploaded
• Melvinia Shields

• Categories
• Tornillo
• Fatiga (Material)
• Acero
• Tensión (Mecánica)
• Materiales

Citation preview

ESOL

CESOL

UNIDAD DIDÁCTICA 8. ELEMENTOS DE FIJACIÓN. TORNILLOS

DISEÑO Y CÁLCULO DE UNIONES EN ESTRUCTURAS DE ACERO

En la elaboración de este texto han colaborado: D. Luis Miguel Ramos Prieto D. Alfonso Fuente García

Este texto es propiedad integral de la Asociación Española de Soldadura y Tecnologías de Unión, en adelante CESOL. Queda terminantemente prohibida cualquier reproducción del mismo sin autorización expresa por parte de CESOL.

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................ 1 1.1. CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS DE FIJACIÓN ............................................................................ 2 2. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DEL MATERIAL ................................................................................ 4 3. TIPOLOGÍAS DE TORNILLOS .............................................................................................................. 6 3.1. TORNILLOS CALIBRADOS .................................................................................................................. 7 3.2. TORNILLOS ORDINARIOS .................................................................................................................. 8 3.2.1. DIMENSIONES GEOMÉTRICAS ................................................................................................... 9 3.3. TORNILLOS PRETENSADOS ............................................................................................................. 10 3.3.1. SISTEMAS HR Y HV................................................................................................................... 12 3.3.2. CARACTERÍSTICAS MÉCÁNICAS DEL CONJUNTO ..................................................................... 13 3.3.3. DIMENSIONES GEOMÉTRICAS ................................................................................................. 15 4. DISPOSICIONES GEOMÉTRICAS DE LOS TALADROS ......................................................................... 16 5. CATEGORIAS DE LAS CONEXIONES ATORNILLADAS ........................................................................ 20 6. RESISTENCIA DE CÁLCULO DE LOS TORNILLOS. TORNILLOS SIN PRETENSAR. .................................. 23 6.1. RESISTENCIA AL CORTE ................................................................................................................... 26 6.1.1. RESISTENCIA AL CORTANTE ..................................................................................................... 26 6.1.2. RESISTENCIA AL APLASTAMIENTO .......................................................................................... 29 6.2. RESISTENCIA A LA TRACCIÓN .......................................................................................................... 31 6.3. RESISTENCIA AL CORTE Y TRACCIÓN COMBINADAS ....................................................................... 33 7. RESISTENCIA DE CÁLCULO DE LOS TORNILLOS. TORNILLOS CON PRECARGA. ................................. 34 7.1. RESISTENCIA A LA TRACCIÓN .......................................................................................................... 34 7.1.1. FUERZA DE PRETENSADO ........................................................................................................ 35 7.2. RESISTENCIA AL CORTE ................................................................................................................... 35 7.2.1. RESISTENCIA DE CÁLCULO AL DESLIZAMIENTO ....................................................................... 36 7.3. RESISTENCIA A LA TRACCIÓN Y AL CORTE COMBINADOS ............................................................... 36 8. RESISTENCIA DE UN GRUPO DE TORNILLOS .................................................................................... 38 8.1. FALLO DE LA PLACA......................................................................................................................... 38 8.1.1. RESISTENCIA DE LA SECCIÓN BRUTA ....................................................................................... 39 8.1.2. RESISTENCIA DE LA SECCIÓN NETA ......................................................................................... 40 8.1.3. ANGULARES UNIDOS POR UN LADO ....................................................................................... 41 8.2. RESISTENCIA AL DESGARRO ............................................................................................................ 43 8.3. DISTRIBUCIÓN DE FUERZAS ENTRE ELEMENTOS DE FIJACIÓN EN EL ESTADO LÍMITE ÚLTIMO ....... 44 8.4. UNIONES PLANAS EXCENTRICAS .................................................................................................... 45 Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2–Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8. III

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

9. METODOS DE ASEGURAMIENTO DEL PAR DE APRIETE ................................................................... 47 9.1. MÉTODO DEL PAR TORSOR ............................................................................................................. 48 9.2. MÉTODO COMBINADO ................................................................................................................... 50 9.3. MÉTODO DEL APRIETE HRC............................................................................................................. 51 9.4. MÉTODO DE INDICADOR DIRECTO DE TENSIÓN (DTI) ..................................................................... 53 10. ACABADO DE LOS TORNILLOS ...................................................................................................... 54 ANEXO A. NORMAS DE APLICACIÓN PARA TORNILLOS, TUERCAS Y ARANDELAS ................................ 56

Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8.

IV

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

1. INTRODUCCIÓN Como ya se ha comentado en anteriores unidades didácticas, en la construcción de estructuras de acero, el elemento de unión más común es el tornillo. En particular, su uso es casi exclusivo en estructuras desmontables, uniones provisionales y uniones de montaje con requisitos especiales. El termino tornillo incluye muchos elementos de fijación (tornillos para madera, autorroscantes, autotaladrantes…), que no son utilizados para las uniones de estructuras de acero, pudiéndose denominar como tornillo estructural, la tornillería que se utiliza para unir los elementos principales de las estructuras de acero. En terminología anglosajona, los términos utilizados serán bolt y screw, estableciendo como diferencia entre ellos la forma de fijación sobre los materiales, que para el caso de bolt es mediante una tuerca, y para el caso de screw será mediante rosca en el material.

Figura 1-1. Diferencias entre “bolt” y “screw”

Asimismo al referirnos a tornillo, normalmente se expresa el conjunto de elementos de fijación, es decir, el conjunto tornillo-tuerca-arandela. Se indica en la siguiente figura, la descripción de las principales partes de un elemento de fijación

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 1

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

Figura 1.2. Partes de un elemento de fijación

1.1. CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS DE FIJACIÓN Existe también un error muy común de confundir y mezclar las diversas clasificaciones acerca de los elementos de fijación. Podemos establecer que los tornillos se pueden clasificar atendiendo a las siguientes categorías: -

-

-

Calidades del material / Características mecánicas del material o Baja resistencia: 4.6, 4.8, 5.6, 5.8 y 6.8 o Alta resistencia: 8.8 y 10.9 Formas de transmisión de los esfuerzos o Tornillos precargados: se les aplica una precarga, y trasmiten la carga por descompresión de las chapas y fricción o Tornillos no precargados: trasmiten la carga por tracción, cortante y aplastamiento Tipología de tornillos: Según normas/estándar de los tornillos, donde se recogen las dimensiones, especificaciones y condiciones de suministro. o Tornillos calibrados: Según EN 14399-8 Conjuntos de elementos de fijación estructurales de alta resistencia para precarga. Sistema HV. Conjuntos de tornillo calibrado y tuerca de cabeza hexagonal o Tornillos ordinarios: DIN 931 según EN 4014 o Tornillos pretensados: Según EN 14399-1 Conjuntos de elementos de fijación estructurales de alta resistencia para precarga.

Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

2

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

La especificación de los tornillos debe especificar todos estos conceptos. Por ejemplo: 1. Perno de cabeza hexagonal ISO 4014 – M12x80 – 8.8 2. Tornillo de cabeza hexagonal EN 14399-3 – M16x80 – 10.9 – HR Es un error que nos solicitasen para el primer caso “tornillos 8.8” sin indicar la norma de los tornillos, pudiendo entregar un tornillo para precarga, o en el segundo caso, se solicitasen “tornillos pretensados”, cuando es posible que utilizar tornillo EN 14399-3 sin precarga. Elementos de fijación

Tornillos ordinarios (EN 4014)

Tornillos pretensados (EN 14399)

Características mecánicas del material

Sin precarga

4.6 5.6

X X

6.8

X

8.8 10.9

X X

8.8 10.9

X X

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Transmisión de la carga Con precarga

X X

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 3

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

2. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DEL MATERIAL Las calidades de los aceros utilizados están normalizadas según la norma UNE EN ISO 898-1 Características mecánicas de los elementos de fijación de acero al carbono y acero aleado Parte 1: Pernos, tornillos y bulones con clases de calidad especificadas. Rosca de paso grueso y rosca de paso fino y se indican en la tabla siguiente. En la notación empleada para la designación de las calidades, la primera cifra designa la centésima parte de la resistencia a la rotura f ub en N/mm2 y la segunda, tras el punto decimal, expresada en décimas, es el factor por el cual hay que multiplicar la resistencia a la rotura para obtener el límite elástico (f y ). Ejemplo, a la calidad 4.6 corresponden: f ub = 400 N/mm2y f y = 0,6 · 400 = 240 N/mm2.

De acuerdo con la resistencia de los tornillos, arandelas y tuercas se pueden distinguir: -

Tornillos, arandelas y tuercas de baja resistencia (calidades 4.6, 4.8, 5.6, 5.8 y 6.8) Tornillos, arandelas y tuercas de alta resistencia (calidades 8.8 y 10.9)

Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

4

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

Como podemos observar en la tabla siguiente los tornillos de alta resistencia, presentan un menor alargamiento a la rotura (el límite elástico tiene un valor más cercano a la carga de rotura)

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 5

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

3. TIPOLOGÍAS DE TORNILLOS De acuerdo con la tipología de tornillos existen tres tipos utilizados en estructuras de acero: tornillos ordinarios, tornillos calibrados y tornillos pretensados. Como hemos visto anteriormente esta diferenciación se basa dimensiones de los mismos, y en el apartado en EN 1993-1-8§3.1, nos remite a una serie de normas que definen los elementos de fijación. Las más importantes y que se tratarán en la presente unidad didáctica son: •

Tornillos pretensados: EN 14399-1 Conjuntos de elementos de fijación estructurales de alta resistencia para precarga. Parte 1: Requisitos generales.

•

Tornillos ordinarios: EN ISO 4014 Pernos de cabeza hexagonal. Productos de clases A y B. (ISO 4014:1999)

Todas las normas que indican en EN 1993-1-8§1.2.4, se enumeran en el Anexo A, de la presente unidad didáctica. EN 1993-1-8§3.1 Tornillos, tuercas y arandelas 3.1.1 Generalidades (1) Todos los tornillos, tuercas y arandelas deberían cumplir con el apartado 1.2.4 Normas para consulta: Grupo 4 (2) Las reglas que se dan en esta norma son válidas para las clases de tornillos indicadas en la tabla 3.1 (3) El límite elástico f yb y la resistencia última a tracción f ub para los tornillos de las clases 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.8, 8.8, y 10.9 se da en la tabla 3.1. Estos valores deberían adoptarse como los valores característicos en los cálculos.

Con respecto a la forma de transmisión de la carga, las normas que establecen las formas de uso de los tornillos son: •

EN 15048: Uniones atornilladas estructurales sin precarga

•

EN 14399-1 Conjuntos de elementos de fijación estructurales de alta resistencia para precarga

Los elementos de fijación recogidos en la norma EN 14399-1, son aptos para utilizarse con o sin precarga, como se indica en la norma EN 15048 Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

6

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

UNE-EN 15048§INTRODUCCIÓN Las reglas para el diseño y la realización de uniones atornilladas con tornillos estructurales de baja o de alta resistencia y sin precarga, se definen por ejemplo en la Norma EN 1993-1-8 (Eurocódigo 3) y en el proyecto de Norma prEN 1090-2. Las partes de esta norma europea relativas a las uniones atornilladas estructurales especifican los requisitos generales que garantizan que los conjuntos de tornillo/tuerca/arandela son adecuados para ser utilizados en uniones estructurales sin precarga. Estos conjuntos se pueden utilizar en uniones sometidas a esfuerzo cortante y en uniones sometidas a tracción, cuando no se requiere precarga. Los elementos de fijación estructurales que cumplen los requisitos de esta parte de esta norma europea han sido diseñados para que resistan la aplicación de cargas de tracción mínimas de f ub × A s que se definen en la Norma EN 1993-1-8. Los elementos de fijación estructurales que cumplen los requisitos de la Norma EN 14399-1 son adecuados para ser utilizados en uniones estructurales atornilladas con y sin precarga. Esta norma europea trata sobre los elementos de fijación estructurales previstos para ser utilizados sólo como conjuntos sin precarga.

3.1. TORNILLOS CALIBRADOS No es muy habitual el uso de tornillos calibrados en estructuras de acero, se aplican de forma más habitual en diseño de maquinaría donde es necesario un mayor ajuste entre tornillo y agujero, o en aplicaciones donde sea necesario mayor precisión. La norma que recoge las especificaciones de estos tornillos es: EN 14399-8 Conjuntos de elementos de fijación estructurales de alta resistencia para precarga. Parte 8: Sistema HV. Conjuntos de tornillo calibrado y tuerca de cabeza hexagonal.

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 7

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

3.2. TORNILLOS ORDINARIOS La diferencia entre los tornillos ordinarios y los tornillos calibrados está basada en sus características geométricas. En los tornillos ordinarios el diámetro de la caña es igual al de la rosca, mientras que en los calibrados el diámetro de la caña es mayor. Los tornillos ordinarios juntos con taladros con holguras nominales satisfacen las necesidades de la mayoría de las uniones estructurales en acero. Estos tornillos presentan ventajas sobre las uniones con tornillos pretensados con precarga, debido a los menores costes de ejecución y control.

Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

8

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

3.2.1. DIMENSIONES GEOMÉTRICAS

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 9

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

3.3. TORNILLOS PRETENSADOS Como se indica en la EN 1993-1-8, únicamente pueden utilizarse como tornillos pretensados los que se encuentren dentro de la norma EN 14399, y su apriete se realizará según se indica en la EN 1090-2 EN 1993-1-8§3.1.2 3.1.2 Tornillos pretensados (1) Sólo pueden utilizarse como tornillos pretensados los tornillos de las clases 8.8 y 10.9 que cumplan con los requisitos de las normas citadas en el apartado 1.2.4 Normas para consulta: Grupo 4 para tornillos estructurales de alta resistencia para precarga con apriete controlado de acuerdo con las normas citadas en el apartado 1.2.7 Normas para consulta: Grupo 7. Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

10

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

La resistencia de las uniones en las que se emplean tornillos pretensados se debe al aprovechamiento de las fuerzas de rozamiento desarrolladas al introducir una precarga en los tornillos (figura 3.1). La unión se diseña de forma que las cargas externas, no superan la precarga que actúa sobre la unión (y por lo tanto las partes continúan unida, sin ningún movimiento relativo). La precarga (normalmente realizada mediante la aplicación de un momento torsor), origina en la caña del tornillo un esfuerzo de tracción elevado, el cual comprime las piezas a unir, dando lugar a esfuerzos de rozamiento que se oponen al deslizamiento de ambas superficies.

Figura 3.1. Transmisión de fuerzas en un tornillo con precarga

Los tornillos pretensados provocan a lo largo de las secciones que unen una distribución de tensiones más favorable que los otros medios de unión. En la figura 3.2 se representan las leyes de repartición de tensiones para la misma unión con tornillos no pretensados y pretensados, pretensando los tornillos se reducen sensiblemente las tensiones existentes en las proximidades del agujero.

Figura 3.2. Reparto de tensiones en tornillos sin o con precarga.

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 11

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

La magnitud de las fuerzas que se pueden transmitir depende fundamentalmente de: 1. La fuerza de tracción en el cuerpo del tornillo. 2. El coeficiente de rozamiento entre las superficies. Es importante destacar que en este tipo de uniones se pretende conseguir que los tornillos no trabajen a corte y, por consiguiente, no será preciso calcularlos para esta solicitación. Este tipo de transmisión de la carga tiene las siguientes ventajas son: •

Su mayor rigidez

•

Su comportamiento bajo solicitaciones de fatiga también es mejor que el de las uniones atornilladas resistentes por corte. El apriete en las uniones atornilladas, reduce la carga de fatiga del elemento de unión. Para cargas cíclicas, el elemento de fijación no se somete a la amplitud completa de la carga, como resultado, la vida de fatiga del elemento de fijación se puede aumentar o-si las tensiones se encuentra dentro del límite inferior de endurancia se puede prolongar indefinidamente.

•

Siempre y cuando las cargas externas de unión no exceda la presión de apriete, el elemento de fijación no estará sometido a ningún movimiento y no puede aflojarse

A estas ventajas hay que contraponer los costes de las uniones ejecutadas con precarga. La preparación de las superficies de las piezas y el control del apriete requieren bastante especialización. Los costes son mayores que los de las uniones resistentes por corte, será también necesario utilizar mayor número de elementos de fijación. Por todo ello, únicamente se utilizan uniones con precarga cuando es importante la rigidez de la unión, cuando las cargas cambian de signo o cuando existe solicitación de fatiga

3.3.1. SISTEMAS HR Y HV Existen dos tipos de sistemas de conjuntos de tornillos pretensados, los sistemas HR y HV. Estos sistemas han surgido de los diferentes enfoques para lograr la ductilidad necesaria, en el conjunto de perno con precarga/tuerca/arandela. En la norma EN 14399, se acordó incorporar ambos enfoques, con las siguientes características: •

El sistema HR está especificado en la norma EN 14399-3, y sigue el enfoque británico/francés. Utiliza tuercas más gruesas, y mayores longitudes de la rosca en conjunto del tornillo para conseguir la ductilidad necesaria por el alargamiento del perno. Estos tornillos son menos sensibles a un apriete excesivo, aunque sigue siendo importante el control del apriete

•

El sistema HV está especificado en la norma EN 14399-4, y sigue el enfoque alemán basado en la DIN 6914. Utiliza tuercas más finas, y menores longitudes de la parte roscada, se consigue la ductilidad necesaria por deformación plástica dentro de las roscas de la tuerca. Es posible su utilización como precargado o no precargado. Estos tornillos son más sensibles a un apriete excesivo, y requieren de mayores controles de la ejecución.

Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

12

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

En España, es habitual el sistema HV. Se recogen en la siguiente tabla, las partes que componen los conjuntos de tornillo/tuerca/arandela. Tabla 1 − Sistemas de conjuntos de tornillo/tuerca/arandela

Conjunto de Conjunto de tornillo/tuerca/arandela tornillo/tuerca/arandela Sistema HR Sistema HV EN 14399-1

Requisitos generales Conjuntos de tornillo/tuerca

EN 14399-3

EN 14399-4

HR

HV

Marcado Clases de calidad

8.8/8

10.9/10

10.9/10

Arandela(s)

EN 14399-5 o EN 14399-6

EN 14399-5 o EN 14399-6

Marcado Ensayo de precarga

H EN 14399-2

H EN 14399-2

aptitud

a

la

3.3.2. CARACTERÍSTICAS MÉCÁNICAS DEL CONJUNTO Las características mecánicas se rigen principalmente por la norma EN ISO 898-1 Características mecánicas de los elementos de fijación de acero al carbono y acero aleado Parte 1: Pernos, tornillos y bulones con clases de calidad especificadas. Rosca de paso grueso y rosca de paso fino, según se ha indicado en el apartado 2 de la presente unidad didáctica.

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 13

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

EN 14399-1§4.4.3 Propiedades mecánicas de los componentes del conjunto Las propiedades mecánicas de los componentes del conjunto deben cumplir las normas indicadas en las tablas 2 a 4. La clase de calidad de los tornillos debe ser 8.8 ó 10.9 de acuerdo con la Norma EN ISO 898-1. La clase de calidad de las tuercas debe ser 8 ó 10 de acuerdo con la Norma EN 20898-2. Tabla 2 − Tornillos Características mecánicas Norma Porcentaje de alargamiento después de la rotura Resistencia mínima a la tracción

EN ISO 898-1 EN ISO 898-1

Límite convencional de elasticidad al 0,2% de alargamiento no EN ISO 898-1 proporcional Tensión con carga de prueba EN ISO 898-1 Resistencia a la carga en cuña

EN ISO 898-1

Dureza Resistencia al impacto

EN ISO 898-1 EN 14399-3 y EN 14399-4

Tabla 3 − Tuercas Características mecánicas

Norma

Tensión con carga de prueba

EN 14399-3 para sistema HR y EN 20898-2 para sistema HV

Dureza

EN 14399-3 para sistema HR y EN 20898-2 para sistema HV

Tabla 4 − Arandelas Características mecánicas Dureza

Revisión 2–Agosto 2016

Norma EN 14399-5 y EN 14399-6

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

14

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

3.3.3. DIMENSIONES GEOMÉTRICAS

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 15

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

4. DISPOSICIONES GEOMÉTRICAS DE LOS TALADROS Los agujeros de los elementos de fijación pueden ser nominales, sobredimensionados, ovalados cortos y ovalados largos. Las dimensiones de estos taladros se indican en la norma EN 1090-2 EN 1090-2§6.6.1 Dimensión de los agujeros Este capítulo se aplica a la obtención de agujeros para las uniones con elementos de fijación mecánicos y bulones. La definición del diámetro nominal del agujero combinada con el diámetro nominal del perno a utilizar en el agujero determina si el agujero es “normal” o “tamaño extra”. Los términos “corto” y “largo” aplicados a agujeros ovalados se refieren a dos tipos de agujeros utilizados para el cálculo estructural de pernos precargados. Estos términos pueden utilizarse también para designar holguras para los pernos no precargados. Deberían especificarse dimensiones especiales para juntas de dilatación. Las holguras nominales para pernos y para bulones no previstos para actuar en condiciones ajustadas deben ser las especificadas en la tabla 11. La holgura nominal se define como: − la diferencia entre el diámetro nominal del agujero y el diámetro nominal del perno para los agujeros redondos; − la diferencia entre respectivamente la longitud o la anchura del agujero y el diámetro nominal del perno para los agujeros ovalados. Tabla 11 − Holguras nominales para pernos y bulones (mm) Diámetro nominal del perno o bulón d (mm) Agujeros redondos normalesa Agujeros redondos de tamaño extra Agujeros ovalados cortos (sobre la longitud)d

12

14

18

20

1

3 4

Agujeros ovalados largos (sobre la longitud)d a

16

b,c

22

24

2

27 y más

3

4 6

6 8

8 10

1,5 d

Para aplicaciones tales como torres y mástiles la holgura nominal para agujeros redondos debe

reducirse en 0,5 mm, salvo que se especifique lo contrario. b

Para los elementos de fijación recubiertos, puede aumentarse en 1 mm la holgura nominal por el

espesor del recubrimiento del elemento de fijación. c

Los pernos con diámetro nominal de 12 mm y 14 mm, o los pernos de cabeza embutida pueden

utilizarse también en agujeros de 2 mm de holgura en las condiciones dadas en la Norma EN 1993-1-8. d

Para los pernos en agujeros ovalados las holguras nominales a través de la anchura deben ser las

mismas que las holguras sobre diámetro especificadas para agujeros redondos normales.

Para pernos de ajuste el diámetro nominal del agujero debe ser igual que el diámetro de la espiga del perno. Las distancias al borde y separaciones entre tornillos máximas dadas en la tabla 3.3 de la norma EN 1993-1-8, vienen determinadas por: •

La exposición a la corrosión. En función del ambiente donde se sitúe la estructura, será necesario adoptar unas distancias. Para un acero no expuesto a la corrosión no hay límites en las distancias al borde y separaciones entre tornillos.

Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

16

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

•

El tipo de acero, de forma que los aceros con resistencia mejorada a la corrosión según EN 10025-5, podemos considerar distancias a los bordes y separaciones máximas superiores al resto de los aceros.

•

El espesor de los elementos a unir

Las separaciones máximas serán las indicadas en EN 1993-1-8§Tabla 3.3, que se muestra a continuación.

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 17

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

Tabla 3.3 − Separación mínima y máxima, distancias al borde frontal y al borde lateral

Distancias y Mínimo separaciones, véase la figura 3.1

Distancia al borde 1,2d 0 frontal e 1 Distancia al borde 1,2d 0 lateral e 2

Máximo1) 2) 3) Estructuras realizadas con aceros Estructuras realizadas conformes con la Norma EN 10025, con aceros conformes excepto aceros de acuerdo con la Norma con la Norma EN 10025-5 EN 10025-5 Acero expuesto a las inclemencias meteorológicas u otras influencias corrosivas 4t + 40 mm 4t + 40 mm

Acero no expuesto a las inclemencias meteorológicas u otras influencias corrosivas

Acero sin proteger

El mayor de 8t o 125 mm El mayor de 8t o 125 mm

Distancia e 3 en 1,5d 0 4) agujeros alargados Distancia e 4 en 1,5d 0 4) agujeros alargados Separación p 1 2,2d 0

El menor de 14t o El menor de 14t o El menor de 14t mín o 200 mm 200 mm 175 mm

Separación p 1,0

El menor de 14t o 200 mm

Separación p 1,i

El menor de 28t o 400 mm El menor de El menor de 14t o El menor de 14t mín . o 14t o 200 mm 200 mm 175 mm

Separación p 2 5)

2,4d 0

1) Los valores máximos para separaciones, distancias al borde lateral y distancias al borde frontal son ilimitados, excepto en los siguientes casos: − para elementos sometidos a compresión, con el fin de evitar el pandeo local y para prevenir la corrosión en los elementos expuestos (los valores límite se indican en la tabla) y; − para elementos a tracción expuestos para prevenir la corrosión (los valores límite se indican en la tabla). 2) La resistencia al pandeo local de la chapa a compresión entre los elementos de fijación debería calcularse de acuerdo con la Norma EN 1993-1-1 utilizando 0,6 p 1 como longitud de pandeo. No es necesario comprobar el pandeo local entre elementos de fijación si p 1 /t es menor que 9 ε. La distancia al borde no debería superar los requisitos del pandeo local para una parte saliente en los elementos sometidos a compresión, véase la Norma EN 1993-1-1. Este requisito no afecta a la distancia al extremo. 3) t es el espesor de la parte saliente conectada más delgada. 4) Los límites dimensionales para los agujeros alargados se indican en la normativa citada en el apartado 1.2.7 Normas para consulta: Grupo 7. 5) Para filas de elementos de fijación al tresbolillo puede utilizarse una separación entre líneas mínima de p 2 = 1,2d 0 , siempre que la distancia mínima L, entre dos elementos de fijación cualesquiera sea igual o mayor que 2,4d 0 , véase la figura 3.1(b). Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

18

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

Establecidas las dimensiones mínimas y máximas que indica la norma, es conveniente señalar, que será necesario tener en cuenta los medios para realizar el apriete, y el acceso adecuado a los elementos a unir, siendo necesario en la mayoría de las situaciones establecer valores superiores a los indicados en la tabla EN 1993-1-8§Tabla 3.3. La norma EAE establece como recomendación que la distancia libre alrededor del agujero sea 2d. EAE§58.4. Disposiciones constructivas Para que los tornillos puedan apretarse sin dificultad, se recomienda que la distancia m del eje del taladro a cualquier superficie paralela a dicho eje, figura 58.4.c no sea inferior a 2d, siendo d el diámetro del tornillo.

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 19

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

5. CATEGORIAS ATORNILLADAS

DE

LAS

CONEXIONES

Para las conexiones atornilladas se establecen 5 categorías o clases de uniones designadas por las letras A, B, C, D y E. Las categorías A, B y C corresponden a uniones solicitadas a esfuerzos de cortadura, y las categorías D y E, a uniones solicitadas a tracción. •

Categoría A: Tornillos sin pretensar, resistiendo a cortante y aplastamiento

•

Categoría B: Tornillos pretensar, resistiendo a deslizamiento en el Estado Límite de Servicio, y a cortante y aplastamiento en el Estado Límite Último

•

Categoria C: Tornillos pretensados, resistiendo a deslizamiento y aplastamiento en el Estado Límite Último

• •

Categoría D: Tornillos sin pretensar, no deberían utilizarse en situaciones de fatiga Categoría E: Tornillos pretensados solicitados a tracción.

Las categorías A, B y C corresponden a uniones solicitadas a esfuerzos de cortadura, se indica a continuación la explicación de las categorías a corte que recoge la norma EN 1993-1-8 EN 1993-1-8§3.4.1 Conexiones a cortante (1) Las conexiones atornilladas solicitadas a cortante deberían calcularse de acuerdo con una de las siguientes categorías: a) Categoría A: Resistentes al aplastamiento En esta categoría deberían utilizarse tornillos desde la clase 4.6 hasta la clase 10.9 inclusive. No se requiere ni pretensado ni condiciones especiales para las superficies de contacto. La carga última de cálculo a cortante no debería superar la resistencia de cálculo a cortante, obtenida del apartado 3.6, ni la resistencia de cálculo a aplastamiento, obtenida en los apartados 3.6 y 3.7. b) Categoría B: Resistentes al deslizamiento en el estado límite de servicio En esta categoría se deberían utilizar tornillos pretensados de acuerdo con el punto (1) del apartado 3.1.2. No se debería producir deslizamiento en el estado límite de servicio. La carga cortante de cálculo en servicio no debería superar la resistencia de cálculo al deslizamiento, obtenida del apartado 3.9. La carga última de cálculo a cortante no debería superar la resistencia de cálculo a cortante, obtenida del apartado 3.6, ni la resistencia de cálculo a aplastamiento, obtenida en los apartados 3.6 y 3.7. c) Categoría C: Resistentes al deslizamiento en el estado límite último En esta categoría se deberían utilizar tornillos pretensados de acuerdo con el punto (1) del apartado 3.1.2. No debería producirse deslizamiento en el estado límite último. La carga última de cálculo a cortante no debería superar la resistencia de cálculo al deslizamiento, obtenida en el apartado 3.9, ni la resistencia de cálculo a aplastamiento, obtenida en los apartados 3.6 y 3.7. Adicionalmente, para una unión a tracción, la resistencia plástica de cálculo de la sección transversal neta en la zona de los agujeros de los tornillos N net,Rd, (véase 6.2 de la Norma EN 1993-1-1), debería comprobarse en el estado límite último. Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

20

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

Las categorías D y E, se refieren a conexiones solicitadas a tracción. Se indica a continuación la explicación de las categorías a tracción que recoge la norma EN 1993-1-8 EN 1993-1-8§3.4.2 Conexiones a tracción (1) Las conexiones atornilladas solicitadas a tracción deberían calcularse de acuerdo con una de las siguientes categorías: a) Categoría D: Sin pretensar En esta categoría deberían utilizarse tornillos desde la clase 4.6 hasta la clase 10.9 inclusive. No se requiere pretensado. Esta categoría no debería utilizarse cuando las conexiones estén frecuentemente sometidas a variaciones del esfuerzo de tracción. Sin embargo, pueden utilizarse en uniones diseñadas para resistir cargas ordinarias de viento. b) Categoría E: Pretensadas En esta categoría deberían utilizarse tornillos pretensados de las clases 8.8 y 10.9 con apriete controlado de acuerdo con las normas citadas en el apartado 1.2.7 Normas para consulta: Grupo 7. La comprobaciones de cálculo de cada una de categorías de las uniones, se indican en la tabla 3.2 de la norma EN 1993-1-8, indicando si es requerido el pretensado en esa categoría, y las clases de tornillos que pueden utilizarse en esa unión Tabla 3.2 − Categorías de las conexiones atornilladas

Categoría A Resistentes al aplastamiento

Criterios Conexiones a cortante F v,Ed ≤ F v,Rd F v,Ed ≤ F b,Rd

Comentarios

No se requiere pretensado. Pueden utilizarse tornillos de clases 4.6 hasta 10.9.

B resistentes al deslizamiento en estado límite de servicio

F v,Ed,ser ≤ F s,Rd,ser Deberían utilizarse tornillos pretensados de F v,Ed ≤ F v,Rd clases 8.8 o 10.9. Para la resistencia al deslizamiento en estado F v,Ed ≤ F b,Rd límite de servicio, véase el apartado 3.9.

C resistentes al deslizamiento en estado límite último

F v,Ed ≤ F s,Rd F v,Ed ≤ F b,Rd ΣF v,Ed ≤ N net,Rd

Deberían utilizarse tornillos pretensados de clases 8.8 o 10.9. Para la resistencia al deslizamiento en estado límite último, véase el apartado 3.9. N net,Rd véase el punto c) del apartado (1)

Conexiones a tracción D sin pretensar

F t,Ed ≤ F t,Rd F t,Ed ≤ B p,Rd

No se requiere pretensado. Pueden utilizarse tornillos de clases 4.6 hasta 10.9. B p,Rd véase la tabla 3.4.

E pretensadas

F t,Ed ≤ F t,Rd F t,Ed ≤ B p,Rd

Deberían utilizarse tornillos pretensados de clases 8.8 o 10.9. B p,Rd véase la tabla 3.4.

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 21

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

La fuerza de cálculo a tracción F t,Ed debería incluir cualquier fuerza debida al efecto de palanca, véase el apartado 3.11. Los tornillos sometidos tanto a cortante como a tracción deberían satisfacer también los criterios dados en la tabla 3.4. NOTA Si no se utiliza explícitamente el pretensado en los cálculos del proyecto para las resistencias al deslizamiento pero se requiere por motivos de ejecución o como medida de calidad (por ejemplo, durabilidad), entonces el nivel de pretensado puede especificarse en el anexo nacional.

Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

22

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

6. RESISTENCIA DE CÁLCULO DE LOS TORNILLOS. TORNILLOS SIN PRETENSAR. Las categorías para los tornillos sin pretensar sometidos a cortante es la A, y para los tornillos sometidos a tracción a D. Las uniones de categoría B, aun estando pretensadas, no es condición de agotamiento el deslizamiento en Estado Límite Ultimo, por lo tanto se calcularán a cortante y aplastamiento. Las fórmulas empleadas para su cálculo se recogen en EN 1993-1-8§Tabla 3.4 − Resistencia de cálculo para elementos de fijación individuales sometidos a cortante y/o tracción, que se muestra a continuación. El fallo de tornillo solicitado a esfuerzo cortante puede producirse por: •

Colapso debido a la cortadura de una o más secciones del tornillo (figura 6.1a)

•

Colapso provocado por una presión entre la caña del tornillo y las paredes de las chapas. El fallo se puede producir por aplastamiento o flexión en el tornillo, aplastamiento de la chapa o por ambos efectos (figuras 6.1b y 6.1e)

• •

Desgarro de la chapa (figura 6.1d) Colapso por fallo a tracción de la chapa (figura 6.1f)

Si el tornillo está solicitado a esfuerzo de tracción, se pueden por colapso del tornillo (figura 6.1c) o por esfuerzos de palanca adicionales. La presencia de tracciones axiles reduce la resistencia a corte, y viceversa.

Figura 6.1. Modos de fallo de una unión Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 23

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

Figura 6.2. Distintos modos de fallo de probetas sometidas a aplastamiento. Fuente: “On the bearing resistance of bolted connections” Primož Može, Darko Beg University of Ljubljana.

Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

24

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

Modo de fallo

Tornillos

Resistencia a α f A Fv , Rd = v ub cortante por el plano γM2 de cortante − cuando el plano de cortante pasa por la parte roscada del tornillo (A es el área traccionada del tornillo A s ): − para las clases 4.6, 5.6 y 8.8: α v = 0,6 − para las clases 4.8, 5.8, 6.8 y 10.9: α v = 0,5 − cuando el plano de cortante pasa por la parte no roscada del tornillo (A es el área bruta de la sección transversal del tornillo): α v = 0,6

Resistencia a 1),2), 3) aplastamiento

Fb , Rd =

k1α b fu dt

γM2

donde α b es el menor de α d , f ub /f u o 1,0;

En la dirección de transmisión de la carga:

e1 ; 3d 0 p1 1 αb − - para tornillos interiores: = 3d 0 4 − para tornillos de extremo:

αb =

En la dirección perpendicular a la transmisión de la carga: -

Resistencia tracción2)

a

e2 p − 1, 7;1, 4 2 − 1, 7; 2,5 d0 d0 p2 − 1, 7; 2,5 para tornillos interiores: k 1 es el menor de 1, 4 d0 k f A = 2 ub S γM2 para tornillos de borde: k 1 es el menor de

Ft , Rd

2,8

donde k 2 =0,63 para tornillos de cabeza avellanada, en otros casos k 2 = 0,9.

Resistencia a punzonamiento

B p , Rd = 0, 6p d mt p fu / γ M 2

Cortante y tracción combinadas

Fv , Ed Fv , Rd

+

Ft , Ed 1, 4 Ft , Rd

≤ 1, 0

1) La resistencia a aplastamiento F b,Rd para tornillos − en agujeros con holgura es 0,8 veces la resistencia a aplastamiento de tornillos en agujeros normalizados; − en agujeros alargados, donde el eje longitudinal del agujero alargado es perpendicular a la dirección de la transferencia de fuerza, es 0,6 veces la resistencia a aplastamiento de tornillos en agujeros redondos normalizados. 2) Para tornillos de cabeza avellanada: − la resistencia a aplastamiento F b,Rd debería estar basada en un espesor de chapa t igual al espesor de la chapa unida menos la mitad de la profundidad del avellanado; − para la determinación de la resistencia a tracción F t,Rd el ángulo y la profundidad del avellanado deberían ser conformes a la normativa citada en el apartado 1.2.4 Normas para consulta: Grupo 4; de lo contrario la resistencia a tracción F t,Rd debería ajustarse adecuadamente. 3) Cuando la carga que llega a un tornillo no es paralela al borde, la resistencia a aplastamiento puede verificarse de manera separada para la componente de la carga paralela al borde y para la componente perpendicular al borde. Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 25

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

En el presente apartado se expondrán con más detalle las fórmulas indicadas en la anterior tabla.

6.1. RESISTENCIA AL CORTE La transmisión de esfuerzos de corte se realiza primeramente por fricción entre las chapas, y un vez superado el rozamiento, por una presión lateral que se transmite por contacto entre las chapas. La principal acción en el tornillo de una unión sometida a corte como se muestra en la figura 6.3 es una cortadura en el plano de su sección transversal, causada por el mecanismo de apoyo entre las chapas solicitadas por fuerzas opuestas. La distribución elástica de estas tensiones de apoyo y de las que se producen en el tornillo es compleja. Sin embargo, para un estado plástico totalmente desarrollado la distribución de la tensión tangencial es efectivamente uniforme, con lo que la resistencia a la cortadura es el producto del área de la sección transversal del tornillo en el plano de corte y la resistencia a la cortadura del material.

Figura 6.3. Transmisión de los esfuerzos de corte

6.1.1. RESISTENCIA AL CORTANTE En una unión atornillada sometida a una fuerza de corte (V), el reparto de la fuerza para cada uno de los tornillos está en función de la posición del tornillo dentro de la unión, cargándose más los tornillos extremos que los centrales. Esta diferencia se acentuará a medida que aumentamos la longitud total de la unión, y sus separaciones. Si aumentamos el valor de la carga, y no tener un reparto equitativo de la carga, los tornillos se deforman plásticamente, de forma que la distribución tangencial de las tensiones se equilibra en todos los tornillos. Se ha podido determinar de forma experimental que los tornillos resisten por igual el esfuerzo, siempre que no se trate una unión larga, que se explicará a continuación Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

26

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

Para la comprobación a corte de un tornillo, siempre hay que verificar donde se sitúa el plano de corte, si en la espiga o en la parte roscada. Si se excluyen los filetes del plano de corte puede utilizarse el área de la espiga. Si no, debe utilizarse el área resistente a tracción. Es una práctica bastante habitual utilizar el área más pequeña y no excluir los filetes del plano de corte. La resistencia a cortadura por cada plano de corte se establecerá como:

Fv , Rd =

α v fub A γM2

α v = 0,6 para tornillos 4.6, 5.6 y 8.8, e igual a 0,5 para tornillos 4.8, 5.8, 6.8 y 10.9. cuando el plano de cortante pasa por la parte no roscada del tornillo: α v = 0,6 es la tensión de rotura del acero del tornillo f ub A es el área de cálculo a cortante del tornillo, que corresponderá al área de la caña si el plano de corte pasa por la zona de la caña, o al área resistente del tornillo si el plano de corte pasa por la zona roscada. (Figura 6.4) es un coeficiente parcial de seguridad (1,25) γ M2 El tornillo al ser cortado por las chapas resiste a simple o doble cortadura (figuras 6.3 y 6.4), según el número de planos de corte en el tornillo. Hay que tener en cuenta que para simple cortadura, se produce un esfuerzo de flexión adicional en el tornillo de valor F t 1 , por lo que esas uniones son menos aconsejables.

Figura 6.4 Solicitaciones a doble y simple cortadura. Planos de corte en el tornillo (caña y zona roscada)

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 27

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

Figura 6.5. Test sobre pletinas unidas por un solo lado. Fuente: “On the bearing resistance of bolted connections” Primož Može, Darko Beg University of Ljubljana.

Existen varias situaciones en las que no será posible considerar la distribución entre todos los tornillos a cortante de forma, que será necesario reducir la resistencia a cortante: •

En uniones largas será necesario reducir la resistencia de cálculo a cortante, con un coeficiente β Lf EN 1993-1-8§3.8 Uniones largas (1) Cuando la distancia L j entre centros de los elementos de fijación inicial y final en una unión, medida en la dirección de transmisión de la fuerza (véase la figura 3.7), sea mayor que 15 d, la resistencia de cálculo a cortante F v,Rd de todos los elementos de fijación, calculado de acuerdo con la tabla 3.4, debería reducirse multiplicándola por un coeficiente de reducción β Lf ; dado por la expresión:

β Lf = 1 − siendo

L j − 15d 200d

β Lf ≤ 1, 0 y β Lf ≥ 0, 75

(2) La condición del punto (1) del apartado 3.8 no es aplicable cuando hay una distribución uniforme de la transferencia de fuerzas en toda la longitud de la unión, por ejemplo, la transferencia de la fuerza cortante entre el alma y el ala de una sección.

Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

28

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

•

Si los tornillos deben atravesar forros intermedios con espesores t p > d/3, se reducirá la resistencia a cortadura

EN 1993-1-8§3.6.1(12) Tornillos y remaches 12) Cuando los tornillos o los remaches que transmiten el esfuerzo cortante y de aplastamiento pasan a través del forro de espesor total t p más de un tercio del diámetro nominal d, véase la figura 3.4, la resistencia de cálculo a cortante F v,Rd calculada como se especifica en la tabla 3.4 debería multiplicarse por un coeficiente de reducción β p dado por:

= βp

9d siendoβ p ≤ 1 8d + 3t p

6.1.2. RESISTENCIA AL APLASTAMIENTO La fluencia debida a la presión entre la espiga del tornillo y el material de la chapa puede originar una deformación excesiva de ésta alrededor del agujero del tornillo y, del propio tornillo. La capacidad de resistencia de la chapa al aplastamiento dependerá entonces de las distancias de los agujeros a los bordes libres de la placa, de la distancia entre agujeros, la dirección de la fuerza, la relación entre las tensiones entre el acero de los tornillos y de las chapas, el tipo de taladros (nominales, ovalados). La distribución de las tensiones a lo sobre chapa en contacto con el tornillo no es uniforme, sin embargo los cálculos, hacen referencia al valor medio de la tensión, considerando además que el área que resiste la presión se supone que es el producto del espesor de la chapa por el diámetro nominal del tornillo. Si la resistencia a corte es mayor que la resistencia a aplastamiento de las chapas, la capacidad de deformación de la unión es muy grande. La unión presenta un comportamiento “dúctil”. Cuando el agotamiento se debe a cortadura en los tornillos, la capacidad de deformación de la unión es muy pequeña y la unión presenta un comportamiento “frágil”. La resistencia de aplastamiento de un tornillo vendrá dada por la siguiente expresión: Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 29

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

Fb , Rd = αb

k1

k1α b fu dt

γM2

es el menor de α d , f ub /f u o 1,0;

αd =

e1 para tornillos de extremo en la dirección de transmisión de la carga 3d 0

= αd

p1 1 − para tornillos interiores en la dirección de transmisión de la carga 3d 0 4

es el menor de 2,8

e2 p − 1, 7;1, 4 2 − 1, 7; 2,5 para tornillos de borde en la dirección d0 d0

perpendicular a la transmisión de la carga k1

es el menor de 1, 4

p2 − 1, 7; 2,5 para tornillos interiores en la dirección perpendicular a d0

la transmisión de la carga fu es la tensión de rotura del acero de las piezas a unir d es el diámetro de la caña del tornillo t es el espesor mínimo de las chapas a unir es un coeficiente parcial de seguridad (1,25) γ M2 tensión de rotura del acero de los tornillos f ub distancia del agujero al borde de la chapa en la dirección de la fuerza que se transmite e1 es la separación entre agujeros en la dirección de la fuerza que se transmite p1 d0 es el diámetro del agujero En uniones a simple cortadura, con una única fila de tornillos, la resistencia a aplastamiento será menor por el efecto de la flexión en los tornillos, en este caso tendremos que utilizar la siguiente expresión. EN 1993-1-8§3.6.1(10) Tornillos y remaches (10) En uniones de solape único con una única fila de tornillos, véase la figura 3.3, los tornillos deberían estar provistos de arandelas tanto bajo la cabeza como bajo la tuerca. La resistencia de cálculo a aplastamiento F b,Rd para cada tornillo debería limitarse a: F b,Rd ≤ 1,5 f u d t / γ M2 NOTA: No deberían utilizarse un único roblón en uniones de solape único.

Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

30

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

6.2. RESISTENCIA A LA TRACCIÓN La solicitación de tracción de los tornillos, no se produce solamente en uniones sometidas a esfuerzo axil, sino que la distribución de esfuerzos dentro de la unión (como se pudo comprobar en la unidad didáctica 7), hace que en muchas ocasiones los tornillos trabajen a tracción. Este es el caso de los empalmes de vigas realizados con chapa frontal, en que los esfuerzos de flexión provocan tracciones en el vástago de los tornillos.

Figura 6.6 Efecto palanca en las alas de un perfil

La resistencia a la tracción de un tornillo disminuye cuando la línea de acción de la fuerza aplicada es excéntrica. Como se indica en la norma EN 1993-1-8, estas fuerzas de palanca se tienen que considerar siempre. Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 31

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

EN 1993-1-8§3.11 Fuerzas de palanca (1) Los elementos de fijación que deban soportar un esfuerzo de tracción aplicado deberían diseñarse para resistir la fuerza adicional debida al efecto palanca, donde este pueda darse. NOTA Las reglas dadas en el apartado 6.2.4 consideran implícitamente las fuerzas de palanca

Figura 6.7 Fuerzas de palanca. Ensayo sobre un casquillo en T sometido a esfuerzos de tracción.

Para un tornillo no pretensado, la resistencia a la tracción se calculará por la expresión:

Ft , Rd =

k2 fub AS γM2

k 2 =0,63 para tornillos de cabeza avellanada, en otros casos k 2 = 0,9 es la tensión de rotura del acero del tornillo f ub es el área resistente del tornillo As es un coeficiente parcial de seguridad (1,25) γ M2 También será necesario comprobar la resistencia a punzonamiento de la cabeza del tornillo o la tuerca que viene dada por la siguiente expresión:

B p , Rd = 0, 6p d mt p fu / γ M 2 dm tuerca tp fu γ M2

menor valor de la distancia media entre vértices y caras de la cabeza del tornillo o la espesor de la placa que se encuentra bajo el tornillo o tuerca es la tensión de rotura del acero de las piezas a unir es un coeficiente parcial de seguridad (1,25)

Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

32

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

6.3. RESISTENCIA AL CORTE Y TRACCIÓN COMBINADAS La presencia de esfuerzos de tracción reduce la resistencia a corte, y viceversa. A través de ensayos se ha obtenido las expresión matemática que cuantifica la interacción en el tornillo entre los esfuerzos de tracción y cortante. La expresión de la resistencia de los tornillos será:

Fv , Ed Fv , Rd F v,Ed F v,Rd F t,Ed F t,Rd

+

Ft , Ed 1, 4 Ft , Rd

≤ 1, 0

esfuerzo cortante de cálculo solicitante resistencia a cortadura del tornillo esfuerzo axil de cálculo solicitante, incluyendo las tracciones debidas al efecto palanca resistencia a la tracción del tornillo

La relación de tipo lineal, no indica que un tornillo solicitado al máximo de su resistencia a tracción, se podrá aplicar un esfuerzo cortante de hasta casi el 30% de su resistencia a cortante.

Figura 6.8 Interacción en una unión sometida a esfuerzos de tracción y cortadura de forma combinada

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 33

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

7. RESISTENCIA DE CÁLCULO DE LOS TORNILLOS. TORNILLOS CON PRECARGA. Las uniones que se encuentran en las categorías B y C para tornillos sometidos a cortante, y E para tornillos sometidos a tracción, se comprobarán según este apartado. Las uniones de categoría B están pretensadas, pero no es condición de agotamiento el deslizamiento en Estado Límite Ultimo, por lo tanto se calcularán a cortante y aplastamiento en Estado Límite Ultimo. Los tornillos pretensados ejercen una fuerza de compresión entre chapas unidas. Ésta da lugar a una elevada resistencia por rozamiento, que permite la transmisión de carga entre las piezas unidas. (figura 7.1)

Figura 7.1 Esquema de distribución de fuerzas internas de un tornillo con precarga μ F p,Cd

7.1. RESISTENCIA A LA TRACCIÓN Los tornillos con precarga, el pretensado inicial aprieta las chapas, de manera que cuando el esfuerzo solicitante de tracción tiende a separarlas, al ser las chapas más rígidas que el tornillo, este apenas entra en carga. Cuando las chapas se separan el tornillo tomará toda la carga, es por esta razón por la que el fallo de la unión se considera cuando al separarse las chapas, que se produce en el momento que la solicitación de tracción sobre el tornillo es el valor de la fuerza de pretensado. con lo cual tomaremos como resistencia a tracción del tornillo Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

34

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

7.1.1. FUERZA DE PRETENSADO La tensión inducida en los tornillos por el pretensado debe ser el 70% la tensión de prueba o tensión última de rotura del tornillo. Por lo que se obtendrá a partir de: F p,C = 0,7 f ub A s EN 1993-1-8§3.9(2) Conexiones resistentes al deslizamiento utilizando tornillos 8.8 o 10.9 (2) Para tornillos de las clases 8.8 y 10.9 conformes con las normas citadas en el apartado 1.2.4 Normas para consulta: Grupo 4, con apriete controlado de acuerdo con las normas citadas en el apartado 1.2.7 Normas para consulta: Grupo 7, la fuerza de pretensado F p,C a utilizar en la ecuación (3.6) debería tomarse como: F p,C = 0,7 f ub A s Tabla 3.7 − Coeficiente de rozamiento, μ, para tornillos pretensados Clase de la superficie de rozamiento (véase 1.2.7 Normas para consulta: Grupo 7) A

Coeficiente de rozamiento μ

B C

0,4 0,3

D

0,2

0,5

NOTA 1 Los requisitos para el ensayo e inspección se dan en la norma citada en el apartado 1.2.7 Normas para consulta: Grupo 7. NOTA 2 La clasificación de cualquier otro tratamiento de superficie debería basarse en probetas de ensayo representativas de las superficies empleadas en la estructura, utilizando el procedimiento explicado en la norma citada en el apartado 1.2.7 Normas para consulta: Grupo 7. NOTA 3 Las definiciones de la clase de la superficie de rozamiento vienen dadas en la norma citada en el apartado 1.2.7 Normas para consulta: Grupo 7. NOTA 4 Con tratamientos de superficie pintada puede darse una pérdida de pretensado con el tiempo.

7.2. RESISTENCIA AL CORTE Los tornillos de alta resistencia a los que hemos aplicado una precarga sin deslizamiento en ELU (uniones en categoría C), no están sometidos a cortadura por lo cual no será necesario calcularlos bajo esta solicitación. Los tornillos de uniones en categoría B, pueden deslizar en el estado límite último, con lo cual será necesario calcularlos a cortadura (corte y aplastamiento) según lo establecido en el apartado 6.1 de la presente unidad didáctica. En estado límite de servicio, se calcularán a deslizamiento según este apartado. Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 35

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

7.2.1. RESISTENCIA DE CÁLCULO AL DESLIZAMIENTO Los tornillos de alta resistencia en uniones solicitadas a cortadura transmiten la fuerza mediante rozamiento entre las superficies en contacto. La resistencia de cálculo a deslizamiento de uniones con tornillos pretensados solicitados únicamente a esfuerzo cortante es igual a: EN 1993-1-8§3.9 Conexiones resistentes al deslizamiento utilizando tornillos 8.8 o 10.9 3.9.1 Resistencia de cálculo al deslizamiento (1) La resistencia de cálculo al deslizamiento de un tornillo pretensado de la clase 8.8 o 10.9 debería tomarse como:

Fs , Rd =

k s nµ

γM3

Fp ,C

Donde es un valor dado en la tabla 3.6; ks n es el número de planos de rozamiento; μ es el coeficiente de rozamiento obtenido bien mediante ensayos específicos para la superficie de rozamiento de acuerdo con las normas citadas en el apartado 1.2.7 Normas para consulta: Grupo 7 o bien según tabla 3.7 cuando proceda. Tabla 3.6 − Valores de k s Descripción ks Tornillos en agujeros normalizados

1,0

Tornillos en agujeros con holguras o agujeros alargados cortos con el eje del 0,85 alargamiento en dirección perpendicular a la de transferencia de la carga Tornillos en agujeros alargados largos con el eje del alargamiento en dirección 0,7 perpendicular a la de transferencia de la carga Tornillos en agujeros alargados cortos con el eje del alargamiento en dirección 0,76 paralela a la de transmisión de la carga Tornillos en agujeros alargados largos con el eje del alargamiento en dirección 0,63 paralela a la de transmisión de la carga

7.3. RESISTENCIA A LA TRACCIÓN Y AL CORTE COMBINADOS En el caso de la unión esté sometida a esfuerzos de tracción y cortante combinados, deberá cumplir lo siguiente: •

que la solicitación de tracción no supere a la fuerza de pretensado, y

•

que el esfuerzo cortante de cálculo por tornillo sea inferior a su resistencia a deslizamiento, calculada según el siguiente apartado de la norma.

Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

36

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

EN 1993-1-8§3.9.2 Tracción y cortante combinados (1) Si una conexión resistente al deslizamiento está sometida a un esfuerzo de tracción, F t,Ed o F t,Ed,ser , además del esfuerzo cortante, F v,Ed o F v,Ed,ser , que tiende a producir deslizamiento, la resistencia de cálculo al deslizamiento de cada tornillo debería tomarse como sigue: para una conexión de la categoría B:

Fs , Rd , ser =

para una conexión de la categoría C:

Fs , Rd =

k s nµ ( Fp ,C − 0,8 Ft , Ed , ser )

γ M 3, ser

k s nµ ( Fp ,C − 0,8 Ft , Ed )

γM3

(2) Si, en una conexión sometida a momento, una fuerza de contacto en el lado comprimido compensa el esfuerzo de tracción aplicado no se requiere ninguna reducción de la resistencia al deslizamiento.

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 37

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

8. RESISTENCIA DE UN GRUPO DE TORNILLOS La resistencia de un grupo de tornillos resistiendo conjuntamente la acción de un esfuerzo, no se obtiene directamente como la suma de la resistencia de cada uno de los tornillos. Habrá que tener en cuenta la relación entre la resistencia al cortante y aplastamiento, según indica la norma EN 1993-1-8 EN 1993-1-8§3.7 Grupo de elementos de fijación (1) La resistencia de cálculo de un grupo de elementos de fijación se puede tomar como la suma de las resistencia de cálculo a aplastamiento de cada elemento de fijación por separado F b,Rd siempre y cuando la resistencia a cortante F v,Rd de cada elemento de fijación por separado sea mayor o igual que la resistencia de cálculo a aplastamiento F b,Rd . De lo contrario, la resistencia de cálculo de un grupo de elementos de fijación debería calcularse como el número de elementos de fijación multiplicado por la menor de las resistencias de cálculo de todos los elementos de fijación. Por lo tanto tendremos

VEd ≤ FRd FRd es la resistencia del grupo de tornillos

EN 1993-1-8, §3.7(1)

Si ( Fb , Rd ) ≤ Fv , Rd max

entonces FRd =

Si ( Fb , Rd ) ≤ Fv , Rd < ( Fb , Rd ) min max

entonces FRd = ns ( Fb , Rd ) min

Si Fv , Rd ≤ ( Fb , Rd ) min

entonces FRd = ns Fv , Rd

∑F

b , Rd

Además el fallo de la unión puede producirse por colapso de la chapa, al presentarse una tracción excesiva:

8.1. FALLO DE LA PLACA La distribución de tensiones en la zona del agujero en la fase elástica, presenta una tensión máxima en la zona próxima al agujero. En la fase plástica se produce una redistribución de tensiones que permite utilizar en el cálculo una tensión media para la placa. (figura 8.1) EN 1993-1-8§3.10 Deducciones debidas a los agujeros de los elementos de fijación 3.10.1 Generalidades (1) En el cálculo de los elementos, la deducción por los agujeros de los elementos de fijación debería llevarse a cabo según la Norma EN 1993-1-1

Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

38

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

Figura 8.1 Distribución de tensiones de una chapa traccionada en la zona del agujero

Teniendo en cuenta estos aspectos la resistencia a tracción se calculará de acuerdo con lo indicado en EN 1993-1-1 EN 1993-1-1§6.2.3 Esfuerzo axil de tracción (1)P El valor de cálculo del esfuerzo axil de tracción N Ed en cada sección transversal debe cumplir:

N Ed ≤ 1, 0 N t , Rd (2) Para secciones con agujeros, la resistencia de cálculo a tracción Nt,Rd debería tomarse como el menor de: a) la resistencia plástica de cálculo de la sección transversal bruta:

N pl , Rd =

Af y

γM0

b) la resistencia última de cálculo de la sección transversal neta, considerando los agujeros para los elementos de unión

N u , Rd =

0,9 Anet f u

γM2

8.1.1. RESISTENCIA DE LA SECCIÓN BRUTA Para el cálculo de la sección bruta no será necesario descontar los taladros. EN 1993-1-1§6.2.2.1 Sección transversal bruta (1) Las propiedades de la sección transversal bruta deberían determinarse utilizando las dimensiones nominales. No es necesario deducir los agujeros para los elementos de unión, pero sí deberían considerarse otros agujeros o aberturas mayores ejecutados con otro fin. No deberían incluirse los elementos de empalme.

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 39

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

8.1.2. RESISTENCIA DE LA SECCIÓN NETA Para el cálculo de la sección neta será necesario descontar los taladros, según se indica en la norma EN 1993-1-1 EN 1993-1-1§6.2.2.2 Área neta (1) El área neta de una sección transversal debería obtenerse a partir del área bruta descontando las áreas correspondientes a todos los agujeros y otras aberturas. (2) Para calcular las propiedades de la sección neta, la deducción por un agujero debería ser el área bruta de éste en el plano de su eje. En el caso de agujeros avellanados, debería considerarse la porción avellanada. (3) Siempre que los agujeros de los elementos de unión no estén dispuestos al tresbolillo, el área total a deducir para los agujeros debería ser la suma máxima de áreas de las secciones de los agujeros en cualquier sección transversal perpendicular al eje del elemento (véase plano de rotura 2 en la figura 6.1). NOTA La suma máxima denota la posición de la línea crítica de rotura.

(4) Cuando los agujeros de los elementos de unión están dispuestos al tresbolillo, el área total a deducir debería ser la mayor de: a) la deducción para agujeros no dispuestos al tresbolillo, dada en el punto (3);



b) t  nd 0 − ∑



s2   4p 

donde s es el paso del tresbolillo, la distancia entre centros de dos agujeros consecutivos en la línea en zig-zag, medida paralelamente al eje del elemento; p es la distancia entre centros de los mismos agujeros consecutivos, medida perpendicularmente al eje del elemento; t es el espesor; n es el número de agujeros existentes en cualquier diagonal o línea en zig-zag a través del elemento o parte del mismo, véase la figura 6.1. d 0 es el diámetro del agujero (5) En un angular o en otro elemento con agujeros en más de un plano, la distancia p debería medirse a lo largo de la línea media del espesor del material (véase la figura 6.2).

Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

40

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

8.1.3. ANGULARES UNIDOS POR UN LADO En el caso de barras asimétricas o unidas asimétricamente, como los angulares unidos por una ala, la excentricidad de los tornillos en las uniones en los extremos y el efecto de la distancia al borde determinan la capacidad de la barra. EN 1993-1-8§3.10.3 Angulares unidos por un lado y otros elementos asimétricamente unidos en tracción (1) La excentricidad en las uniones, véase el punto (1) del apartado 2.7, y los efectos de la separación y la distancia al borde de los tornillos, debería tenerse en cuenta al determinar el valor de cálculo de la resistencia de: - elementos asimétricos; - elementos simétricos que están unidos asimétricamente, tales como angulares conectados por un lado. (2) Un angular único a tracción unido por una única fila de tornillos en un lado, véase la figura 3.9, puede tratarse como cargado concéntricamente en una sección neta eficaz para la cual el valor de cálculo último de la resistencia debería determinarse de la siguiente manera: Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 41

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

con 1 tornillo N u ,R d =

2 ( e2 − 0,5d 0 ) t · fu

γM2

con 2 tornillo N u ,R d =

β 2 Anet · fu γM2

con 3 tornillo N u ,R d =

β3 Anet · fu γM2

donde: β 2 y β 3 Coeficientes de reducción que dependen de la separación p 1 tal y como se indica en la tabla 3.8. Para valores intermedios de p 1 el valor de β puede determinarse por interpolación lineal. Área neta del angular. Para un angular de lados desiguales unidos por su lado menor, A net A net se podrá tomar igual al área neta de la sección de un angular equivalente de lados iguales del mismo tamaño del lado menor. Tabla 3.8: Coeficientes de reducción β 2 y β 3 Separación 2 tornillos

p1 β2

3 ó más tornillos

Revisión 2–Agosto 2016

β3

≤ 2,5 d o 0,4

≥ 5,0 d o 0,7

0,5

0,7

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

42

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

8.2. RESISTENCIA AL DESGARRO La resistencia al desgarro se tomará como la menor resistencia a rotura del bloque material que une cualquiera de las líneas entre agujeros extendida a los bordes más cercanos. Se contabilizarán las resistencias en tracción o cortadura de las áreas netas de chapa que correspondan a cada tipo de desgarro. En la figura 3.8 de la norma EN 1993-1-8, se muestra que existirán diferentes situaciones en función del tipo solicitación y el bloque elegido. EN 1993-1-8§3.10.2 Arrancamiento de bloque (desgarro) (1) El arrancamiento de bloque o desgarro consiste en el fallo a cortante en la fila de tornillos situada a lo largo del plano que delimita el esfuerzo a cortante del grupo de agujeros acompañado por la rotura a tracción de la fila de agujeros situada a lo largo del plano que delimita el esfuerzo a tracción del grupo de tornillos. La figura 3.8 muestra el arrancamiento del bloque (2) Para un grupo de tornillos simétrico sujeto a cargas concéntricas el valor de cálculo de la resistencia al arrancamiento de bloque, V eff,1,Rd viene dada por:

Veff ,1, Rd =

f u Ant / γ M 2 + (1/ 3) f y Anv / γ M 0

donde es el área neta sometida a tracción; A nt A nv es el área neta sometida a cortante (3) Para un grupo de tornillos sujeto a cargas excéntricas el valor de cálculo de la resistencia al arrancamiento de bloque, V eff,2,Rd viene dada por:

= Veff ,2, Rd 0,5 f u Ant / γ M 2 + (1/ 3) f y Anv / γ M 0

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 43

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

Figura 8.2 Rotura por arrancamiento en bloque

8.3. DISTRIBUCIÓN DE FUERZAS ENTRE ELEMENTOS DE FIJACIÓN EN EL ESTADO LÍMITE ÚLTIMO La distribución de fuerzas puede tomarse como elástica o plástica, salvo en una serie de casos que se indican en EN 1993-1-8§3.12(2), en los que solamente está permitida la distribución elástica.

Figura 8.3. Ejemplo de distribución elástica (tradicional) y distribución plástica de las resistencias de los tornillos para una unión con chapa frontal (extraído de Joint in Steel construction – Moment connections) Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

44

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

EN 1993-1-8§3.12 Distribución de fuerzas entre elementos de fijación en el estado límite último (1) Cuando se aplica un momento a una unión, la distribución de fuerzas internas puede ser tanto lineal (es decir, proporcional a la distancia desde el centro de rotación), o plástica (es decir, cualquier distribución que esté en equilibrio es aceptable, siempre que no se superen las resistencia de los componentes y que la ductilidad de los componentes sea suficiente). (2) La distribución elástica lineal de fuerzas internas debería utilizarse en los siguientes casos: - cuando los tornillos se utilizan creando una conexión de categoría C resistente al deslizamiento - en conexiones a cortante donde el valor de cálculo de la resistencia a cortante F v,Rd de un elemento de fijación es menor que el valor de cálculo de la resistencia a aplastamiento F b,Rd . - en conexiones sujetas a impactos, vibraciones o casos de inversión de cargas (excepto con cargas de viento). (3) Cuando una unión está sometida únicamente a una carga cortante concéntrica, se puede asumir que la carga está uniformemente distribuida entre los elementos de fijación, siempre que el tamaño y la clase de los elementos de fijación sea la misma.

8.4. UNIONES PLANAS EXCENTRICAS En este tipo de uniones se consideran las placas infinitamente rígidas y los tornillos elásticos, de forma que la fuerza P n se reparte uniformemente entre todos los tornillos, mientras que el momento torsor que se produce en el centro de la unión se distribuye de forma proporcional al radio vector que une el punto con el centro de rotación. EAE§60.2. Uniones planas excéntricas Son uniones planas, soldadas o atornilladas, en las que la fuerza a transmitir F w,Ed pasa a una cierta distancia l del centro de gravedad del grupo de cordones de soldadura o de los tornillos (figura 60.2). Si el estudio de la unión se realiza por métodos plásticos, se supondrá que una de las piezas a unir se mueve con respecto a la otra girando alrededor de un cierto centro instantáneo de rotación, figura 60.2, a determinar.

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 45

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

La deformación en cada punto de los cordones de soldadura o en cada tornillo se supondrá proporcional a la longitud del radio vector que une el punto con el centro instantáneo de rotación y normal a él. La tensión media en cada punto τ w se puede determinar a partir de la bibliografía especializada. La posición del centro instantáneo de rotación se determinará imponiendo las condiciones de equilibrio. 60.2.2. Uniones planas excéntricas atornilladas De la misma forma, el giro relativo entre las piezas a unir origina un esfuerzo en cada tornillo F i,Ed , proporcional a la longitud del radio vector que une el punto con el centro instantáneo de rotación y normal a él. Sea:

= I 'p

∑

n i =1

( yi2 + zi2 )

la suma de los cuadrados de las longitudes de los n radios vectores. Las componentes F iy,Ed y F iz,Ed del esfuerzo F i,Ed en cada tornillo ocasionado por el momento M Ed , vienen dadas por:

Fiy , Ed =

M Ed zi ; I 'p

Fiz , Ed =

M Ed yi I 'p

donde z i e y i son las coordenadas del eje del tornillo correspondiente. Estas componentes deberán sumarse vectorialmente a las originadas por F Ed supuesta actuando en el centro de gravedad de los tornillos. La unión será segura si en el tornillo más desfavorable, que frecuentemente es el más alejado del centro de gravedad del conjunto de todos ellos, se cumple la condición: F Ed ≤ F Rd donde F Rd es la resistencia del tornillo, calculada de acuerdo con lo dispuesto en el Artículo 58

Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

46

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

9. METODOS DE ASEGURAMIENTO DEL PAR DE APRIETE Es un punto fundamental realizar un apriete correcto en la unión atornillada para asegurar el correcto funcionamiento de la unión. Las distribuciones de esfuerzos están en función de numerosos aspectos: el contacto entre las superficies, del proceso de apriete, del coeficiente de rozamiento entre superficie, del engrasado de los tornillos… y será necesario seguir correctamente las indicaciones de ejecución que establece la norma EN 1090-2. Para tornillos no precargados, es necesario que sus componentes presenten un contacto firme, realizando el apriete normalmente desde los tornillos centrales a los extremos. La unión debe alcanzar la condición de apretado a tope, pero sin sobrepretensar los tornillos, según se indican en EN 1090-2 EN 1090-2§8.3 Apriete de los pernos no precargados Los componentes unidos deben formar un conjunto tal que consigan un contacto firme. Pueden utilizarse cuñas para completar el ajuste. Para productos constituyentes con t ≥ 4 mm para placas y chapas, y para t ≥ 8 mm para perfiles, salvo que se especifique un apoyo de contacto completo, se pueden dejar separaciones residuales de hasta 4 mm en los bordes con la condición de que el apoyo de contacto se alcance en la parte central de una unión. Cada conjunto de elementos de fijación debe llevarse, al menos, a la condición de apretado a tope (snug-tight), poniéndose un cuidado especial en evitar el sobre-apriete especialmente en pernos cortos y M12. El proceso de apriete debe realizarse perno a perno del grupo, arrancando de la parte más rígida de la unión y moviéndose progresivamente hacia la parte menos rígida. Para alcanzar una condición de apretado a tope uniforme, puede ser necesario más de un ciclo de apriete. NOTA 1 La parte más rígida de una unión con cubrejuntas de un perfil en I está comúnmente en la mitad del grupo de pernos de unión. Las partes más rígidas de las uniones con placa de extremo de los perfiles en I están usualmente cerca de las alas. NOTA 2 El término “apretado a tope” puede interpretarse generalmente como el apriete alcanzable por el esfuerzo de una persona que utiliza una llave de tamaño normal sin brazo de prolongación, y puede establecerse como el punto en el cual comienza a golpear una llave neumática.

Para los tornillos precargados, será necesario aplicar una precarga que corresponde con el 70% de la tensión de tracción. F p,C = 0,7 f ub A s . Como se indica en EN 1090-2 este apriete es posible realizarlo según cuatro métodos: •

Método del par torsor

•

Método combinado

• •

Método del apriete HRC Método de indicador directo de tensión (DTI)

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 47

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

EN 1090-2§8.5 Apriete de pernos precargados 8.5.1 Generalidades Salvo que se especifique lo contrario, la fuerza del precargado mínima nominal F p,C debe tomarse igual a: F p,C = 0,7 f ub A s donde f ub es la resistencia última nominal del material del perno y A s es el área de tensión del perno definidas en la Norma EN 1993-1-8 y especificadas en la tabla 19. Este nivel de precarga debe utilizarse para todas las uniones precargadas resistentes al deslizamiento y para todas las demás uniones precargadas, salvo que se especifique un nivel de precargado más bajo. En este último caso, también deben especificarse los conjuntos de elementos de fijación, el método de apriete, los parámetros de apriete y los requisitos de inspección. NOTA El precargado puede utilizarse para la resistencia al deslizamiento, para uniones sísmicas, para la resistencia a la fatiga, para fines de ejecución, o como una medida de calidad (por ejemplo, la durabilidad).

Se pueden utilizar todos los métodos de apriete indicados en la tabla 20 salvo que se especifiquen restricciones sobre su uso. La clase k (condición de calibración de suministro) del conjunto de elementos de fijación debe estar de acuerdo con la tabla 20 para el método utilizado. Tabla 20 − Clases – k para los métodos de apriete Método de apriete Clases - k Método del par torsor Método combinado Método del apriete HRC

K2 K2 o K1 K0 con tuerca HRD sólo o K2

Método de indicador directo de tensión (DTI)

K2, K1 o K0

9.1. MÉTODO DEL PAR TORSOR En este método deducimos el pretensado a partir de un momento aplicado mediante una llave dinamométrica. Si se conociera la geometría de la cabeza del tornillo y el coeficiente de rozamiento entre las varias superficies en contacto, podría estimarse la tracción inducida por un determinado momento torsor. El momento torsor que se aplica se determina con la expresión. M t = k d F p,Cd donde Mt d F p,Cd k

es el momento torsor aplicado (Nmm) es el diámetro del tornillo (mm) es el esfuerzo axil pretensado que ha de conseguirse del tornillo (N) es el coeficiente de rozamiento entre las superficies en contacto

Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

48

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

Debido a la incertidumbre en la distribución de las presiones de contacto, y las variaciones que los coeficientes de rozamiento, es conveniente utilizar la anterior regla únicamente como una regla aproximada. En la práctica, los valores de k medidos para tornillos nuevos varían entre 0,12 y 0,20. Es habitual utilizar un valor k = 0,18 para tornillos acabados de entregar, ligeramente lubricados, y el valor de k = 0,14 para tornillos con rosca lubricada con sulfuro de molibdeno. Lo dicho anteriormente indica que se obtendrá una gran diferencia en el pretensado del tornillo, puesto que el valor de k no es conocido con precisión. Si el coeficiente k es muy bajo, existe el peligro de rotura del tornillo. Si k es inesperadamente grande, no se obtendrá el pretensado deseado. Por todo ello, no se aconseja de forma preferente el uso del método del par torsor, Este método de apriete requiere una llave calibrada, que puede ser manual o neumática, esta última para tornillos de gran diámetro. EN 1090-2§8.5.2 Valores de referencia del par torsor Los valores de referencia del par torsor M r,i a utilizar para una fuerza de precargado mínima nominal F p,C se determinan para cada tipo de combinación de perno y tuerca utilizada por una de las opciones siguientes: a) valores basados en clases-k declaradas por el fabricante del elemento de fijación de acuerdo con las partes correspondientes de la Norma 14399: con k m para la clase K2 1) M r,2 = k m d F p,C con k m para la clase K1 2) M r,1 = k m d F p,C b) valores determinados de acuerdo con el anexo H: con M m determinado de acuerdo con el procedimiento 1) M r,test = M m correspondiente al método de apriete que se va a emplear.

El método de apriete se realizará en dos fases, realizar el apriete para el 75% del par torsor en la primera fase (desde los tornillos centrales a los extremos), y en una segunda aplicar un ajuste hasta el 110% del par torsor establecido. EN 1090-2§8.5.3 Método del par torsor Los pernos deben apretarse utilizando una llave dinamométrica que ofrezca un intervalo de funcionamiento adecuado. Se pueden utilizar llaves de funcionamiento manual o mecánico, indistintamente. Las llaves de impacto se pueden utilizar para el primer paso del apretado de cada perno. El par torsor de apriete debe aplicarse continua y suavemente. El apriete por medio del método de par torsor comprende al menos los dos pasos siguientes: a) un primer paso de apriete: la llave debe ajustarse a un valor de par torsor de Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 49

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

aproximadamente 0,75 M r,i con M r,i = M r,2 ó M r,test . Este primer paso debe completarse para todos los pernos de una unión antes de comenzar el segundo paso; b) un segundo paso de apriete: la llave debe ajustarse hasta un valor de par torsor de 1,10 M r,i con M r,i = M r,2 ó M r,test . NOTA La utilización del coeficiente 1,10 con M r,2 es equivalente a (1 + 1,65 Vk) con Vk= 0,06 para la clase K2.

Las llaves dinamométricas utilizadas en todas las etapas del método del par torsor deben ser capaces de una precisión de ±4% de acuerdo con la Norma EN ISO 6789. Cada llave debe mantenerse según la Norma EN ISO 6789, y en caso de llaves neumáticas, debe verificarse cada vez que se cambie la longitud de la manguera. Para llaves dinamométricas utilizadas en la primera etapa del método combinado estos requisitos se modifican al ±10% para la precisión y anualmente para la periodicidad. La verificación debe realizarse después de cualquier incidente que ocurra durante el uso (impacto importante, caída, sobrecarga, etc.) y que afecte a la llave. En el método del par torsor, es conveniente que sea reapretado después de un plazo de algunos días.

9.2. MÉTODO COMBINADO Este método combina los métodos del par torsor y método del “cuarto de vuelta”. Este último no ha sido recogido como válido por la EN 1090, se basa en una rotación predeterminada de la tuerca, y presentaba el inconveniente de que cuando las chapas no son planas y paralelas no se alcanza el pretensado si el operario no está atento a suprimir los intersticios. El método combinado tiene dos etapas: 1. Primeramente, se aprietan todos los tornillos hasta el 75% del pretensado total utilizando llave dinamométrica. Puesto que sólo se aplica el 75% del pretensado, el peligro de sobrecarga debido a un rozamiento entre tuerca y rosca inesperadamente bajo es pequeño, y se consigue una fuerza de apriete suficientemente grande para cerrar cualquier intersticio entre las chapas. 2. Después se aplica un giro adicional, en función del espesor a apretar y del diámetro del tornillo. Este método presenta buen comportamiento frente a las variaciones en el rozamiento entre la tuerca y la rosca, y a las variaciones en la rigidez del conjunto de las chapas. (Aplicando el 75% del momento torsor se puede garantizar mejor que las chapas encajarán sin huelgo que mediante el método del cuarto de vuelta)

Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

50

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

EN 1090-2§8.5.4 Método combinado El apriete por el método combinado comprende dos pasos: a) un primer paso de apriete, utilizando una llave dinamométrica que ofrezca un intervalo de funcionamiento adecuado. La llave debe ajustarse hasta un valor del par torsor de aproximadamente 0,75 M r,i con M r,i = M r,2 ó M r,1 ó M r,test . Este primer paso debe completarse para todos los pernos de una unión antes de comenzar el segundo paso; Cuando se utiliza M r,1 , para simplificación puede utilizarse M r,1 = 0,13 d F p,C salvo que se especifique lo contrario. b) un segundo paso de apriete en el que se aplica un giro parcial especificado a la parte girada del montaje. La posición de la tuerca con respecto a los filetes de rosca del perno debe marcarse después del primer paso, utilizando un lápiz marcador o una pintura de marcado, de manera que la rotación final de la tuerca con respecto a la rosca en este segundo paso pueda determinarse fácilmente. El segundo paso debe estar de acuerdo con los valores que se dan en la tabla 21, salvo que se especifique lo contrario.

9.3. MÉTODO DEL APRIETE HRC Los pernos HRC presenta una ranura y un resalte para el control del momento de torsión al final de la parte roscada, figura 9.1.

Figura 9.1 Tornillo HRC

Cuando el momento torsor alcanza el valor concreto determinado por la ranura de ruptura, se rompe el extremo del tornillo y se detiene el apriete. Este tipo de tornillo tiene estas ventajas: Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 51

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

• • •

elimina la necesidad de una segunda persona (sujetando la cabeza si se aprieta la tuerca o viceversa) durante el apriete de los tornillos. elimina la posibilidad de error por parte del operario y la comprobación es muy rápida. no hay que calibrar la herramienta y las condiciones de campo no afectan el apriete.

Su aplicación sigue lo establecido en EN 1090-2§8.5.5 EN 1090-2§8.5.5 Método HRC Los pernos HRC deben apretarse utilizando una llave de cizalla específica equipada con dos manguitos coaxiales que reaccionan por par torsor uno contra otro. El casquillo exterior que ajusta la tuerca gira en el sentido de las agujas de un reloj. El casquillo interior que ajusta el extremo de la ranura del perno gira en sentido contrario a las agujas del reloj. NOTA 1 La llave de cizalla o cortadura funciona como sigue: − durante la operación de apriete de un conjunto de elementos de fijación, el casquillo en giro es el que encuentra la resistencia menor para ello; − desde el comienzo y justo hasta la última etapa del apriete, el casquillo exterior sobre la tuerca gira en el sentido de las agujas del reloj mientras que el casquillo exterior mantiene el extremo de la ranura sin girar, resultando que el conjunto de elementos de fijación se aprieta progresivamente por el par torsor incrementado que se aplica a la tuerca; − en la última etapa del apriete, es decir cuando se alcanza la meseta de la resistencia a torsión de la sección cuello de rotura, el casquillo interior gira en el sentido contrario a las agujas del reloj mientras que el casquillo exterior sobre la tuerca proporciona la reacción sin giro; − la instalación del conjunto de elementos de fijación se completa cuando el extremo de la ranura rompe por esfuerzo cortante la sección cuello de rotura.

Los requisitos de precarga especificados se controlan por el propio perno HRC por medio de las características mecánicas de torsión y geométricas junto con las condiciones de lubricación. El equipamiento no necesita calibración. Con el fin de garantizar que el precargado en los pernos instalados totalmente cumplen el requisito de precarga mínima especificada, el proceso de instalación del perno comprende generalmente dos pasos de apriete; en ambos se utiliza la llave de cizalla. El primer paso de apriete se alcanza a más tardar cuando la llave de cizalla para el giro del casquillo exterior se detiene. Si se especifica, este primer paso se repite las veces que sea necesario. Este primer paso debe completarse para todos los pernos de la unión antes de comenzar el segundo paso. NOTA 2 Una guía del fabricante del equipo puede dar información adicional sobre cómo identificar si se ha producido el preapriete, por ejemplo, cambios en el sonido de la llave de cizalla, o si son adecuados otros métodos de preapriete.

El segundo paso de apriete se alcanza cuando el extremo de la ranura del perno se rompe por cortadura en el cuello de rotura. Si las condiciones de montaje son tales que no es posible utilizar la llave de cizalla sobre el conjunto de elementos de fijación HRC, es decir por falta de espacio, el apriete debe realizarse utilizando un procedimiento de acuerdo al método de control del par torsor, véase el apartado 8.5.3, con la ayuda de información de clase K2 o utilizando un indicador directo de tensión, véase el apartado 8.5.6. Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

52

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

9.4. MÉTODO DE INDICADOR DIRECTO DE TENSIÓN (DTI) Es una arandela especialmente endurecida con resaltes en una cara (figura 9.2), que cumple con la norma EN 14399-9. Los resaltes empujan contra la cara inferior de la cabeza del tornillo, dejando un hueco. Al apretar el tornillo se achatan los resaltes y se reduce el hueco. A una holgura promedio especificada, medida mediante una galga de espesores, la tracción inducida de la espiga no será inferior que la tracción mínima requerida por la normativa. Todos los tornillos deben apretarse según las especificaciones del fabricante y hasta el huelgo indicador de tracción recomendado, según se verifica en los ensayos de calibrado. El apriete debe efectuarse de forma progresiva desde el centro de la unión hasta los bordes libres, para evitar que se aflojen las fijaciones apretadas anteriormente. El apriete hasta alcanzar el huelgo indicado debe efectuarse en dos etapas según se indica en la norma EN 14399-9.

Figura 9.2. Indicador directo de tensión (DTI)

EN 1090-2§ Método del indicador directo de tensión Este apartado es aplicable a las arandelas compresibles, tales como los indicadores directos de tensión de acuerdo con la Norma EN 14399-9, que indican al menos la precarga mínima requerida que hay que alcanzar, controlando la fuerza sobre el perno. No contempla los indicadores que se fijan en la torsión. No es aplicable a la medición directa de la precarga del perno mediante el uso de instrumentos hidráulicos. Los indicadores directos de tensión y sus arandelas asociadas deben montarse como se especifica en el anexo J. El primer paso del apriete para alcanzar una condición de apretado a tope uniforme de un conjunto de elementos fijación debe coincidir con el comienzo de la deformación inicial de los salientes del DTI. Este primer paso debe ser completado para todos los pernos de una unión antes de iniciar el segundo paso. El segundo paso del apriete debe ser como se especifica en la Norma EN 14399-9 y en el anexo J. Las separaciones medidas en las arandelas indicadoras pueden promediarse para establecer la aceptabilidad del conjunto de elementos de fijación.

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 53

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

10. ACABADO DE LOS TORNILLOS El acero es el metal más empleado en la fabricación de tornillos. Satisface la mayor parte de las demandas de las principales industrias en términos de calidad técnica y económica para determinados usos. Sin embargo, existen una serie de limitaciones. Por ejemplo, los aceros comunes no son muy resistentes a la corrosión. Generalmente, la función de los tornillos forma parte del soporte de la carga, por lo que una exposición prolongada puede dar lugar a daños en la integridad de la estructura con el consiguiente coste de reparación y/o sustitución. Además muchos tornillos trabajan a la intemperie. Por esta razón se utiliza la galvanización en caliente como uno de los métodos que se utilizan para mejorar la resistencia a la corrosión de los tornillos mediante un pequeño recubrimiento sobre la superficie. El galvanizado permite el recubrimiento de los tornillos mediante su inmersión en un baño de cinc fundido. La técnica de cincado electrolítico o mecánico es la que más se utiliza para el recubrimiento anticorrosivo de los tornillos. Esta técnica consiste en depositar sobre la pieza una capa de cinc mediante corriente continua a partir de una disolución salina que contiene cinc. El proceso se utiliza para proteger piezas más pequeñas, cuando requieren un acabado más uniforme que el proporcionado por el galvanizado en caliente. No obstante, los espesores de la capa de cinc son pequeños y, por tanto, su durabilidad es más reducida. El cinc que recubre la superficie de un tornillo no afecta la resistencia estática del mismo, pero le añade una resistencia de fricción en la rosca. Puede reducirse substancialmente este efecto utilizando lubricantes en la rosca de los tornillos galvanizados, como por ejemplo bisulfuro de molibdeno o cera de abeja. Algunas veces los fabricantes engrasan los tornillos protegidos. Aunque el galvanizado proporciona al tornillo una excelente protección contra la corrosión, puede aumentar su susceptibilidad a la corrosión bajo tensión a la fragilización por hidrógeno. Otro proceso de protección anticorrosiva lo constituye el tratamiento llamado pavonado. El pavonado es un acabado negro o azulado, brillante o mate, para piezas de acero, de gran duración, efecto decorativo y resistencia a la corrosión. El pavonado atrae y retiene los aceites lubricantes. El revestimiento no aumenta ni disminuye las dimensiones de los metales tratados, por lo que las tolerancias para el ajuste de piezas no se ven afectadas. Además, las superficies tratadas pueden ser soldadas, enceradas, barnizadas o pintadas. Se obtiene un revestimiento mate cuando se aplica sobre una superficie tratada con chorro de arena o con un mordiente químico, y un revestimiento brillante sobre una superficie pulida o lisa. Los colores que se pueden obtener varían del negro al azulado, según la clase de aleación tratada.

Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

54

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

Para situaciones de mayor protección anticorrosiva se utiliza tornillería fabricada con acero inoxidable que lógicamente es más cara, e incluso para casos más específicos se fabrican tornillos de titanio cuya resistencia anticorrosiva es casi total Las normas que especifican los requisitos de los recubrimientos de los elementos de fijación son las siguientes: • •

EN ISO 4042 Elementos de fijación. Recubrimientos electrolíticos. (ISO 4042:1999). EN ISO 10684 Elementos de fijación. Recubrimientos por galvanización en caliente (ISO 10684:2004).

EN 1090-2§5.6 Elementos de fijación mecánicos 5.6 Elementos de fijación mecánicos 5.6.1 Generalidades La resistencia a la corrosión de los conectores, elementos de fijación y arandelas de estanquidad debe ser comparable a la especificada para los componentes unidos. Los revestimientos galvanizados por inmersión en caliente de los elementos de fijación deben cumplir la Norma EN ISO 10684. Los recubrimientos electrolíticos de los elementos de fijación deben cumplir la Norma EN ISO 4042. Los revestimientos de protección de componentes para los elementos de fijación mecánicos deben cumplir con los requisitos de la norma de producto correspondiente o, en ausencia de ésta, con la recomendación del fabricante. NOTA Se llama la atención sobre el riesgo de fragilización por hidrógeno durante el recubrimiento electrolítico o galvanización por inmersión en caliente de pernos 10.9.

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 55

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

ANEXO A. NORMAS DE APLICACIÓN PARA TORNILLOS, TUERCAS Y ARANDELAS EN 14399-1:2002 Conjuntos de elementos de fijación estructurales de alta resistencia para precarga. Parte 1: Requisitos generales. EN 14399-2:2002 Conjuntos de elementos de fijación estructurales de alta resistencia para precarga. Parte 2: Ensayo de aptitud a la precarga. EN 14399-3:2002 Conjuntos de elementos de fijación estructurales de alta resistencia para precarga. Parte 3: Sistema HR. Conjuntos de tornillo y tuerca de cabeza hexagonal. EN 14399-4:2002 Conjuntos de elementos de fijación estructurales de alta resistencia para precarga. Parte 4: Sistema HV. Conjuntos de tornillo y tuerca de cabeza hexagonal. EN 14399-5:2002 Conjuntos de elementos de fijación estructurales de alta resistencia para precarga. Parte 5: Arandelas planas. EN 14399-6:2002 Conjuntos de elementos de fijación estructurales de alta resistencia para precarga. Parte 6: Arandelas planas achaflanadas. EN ISO 898-1:1999 Características mecánicas de los elementos de fijación de acero al carbono y acero aleado. Parte 1: Pernos, tornillos y bulones con clases de calidad especificadas. Rosca de paso grueso y rosca de paso fino (ISO 898-1:1999). EN 20898-2:1993 Características mecánicas de los elementos de fijación. Parte 2: Tuercas con valores de carga de prueba especificados. Rosca de paso grueso. (ISO 898-2:1992). EN ISO 2320:1997 Tuercas hexagonales autofrenadas de acero. Propiedades de funcionamiento. Ensayos de par y fuerza de apriete y par de autofrenado. (ISO 2320:1997). EN ISO 4014:2000 Pernos de cabeza hexagonal. Productos de clases A y B. (ISO 4014:1999). EN ISO 4016:2000 Pernos de cabeza hexagonal. Productos de clase C. (ISO 4016:1999). EN ISO 4017:2000 Tornillos de cabeza hexagonal. Productos de clases A y B. (ISO 4017:1999). EN ISO 4018:2000 Tornillos de cabeza hexagonal. Productos de clase C. (ISO 4018:1999). EN ISO 4032:2000 Tuercas hexagonales, tipo 1. Productos de clases A y B. (ISO 4032:1999). EN ISO 4033:2000 Tuercas hexagonales, tipo 2. Productos de clases A y B. (ISO 4033:1999). EN ISO 4034:2000 Tuercas hexagonales. Producto de clase C. (ISO 4034:1999). Revisión 2–Agosto 2016

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero Módulo III. Unidad didáctica 8

56

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN – CESOL

EN ISO 7040:1997 Tuercas hexagonales autofrenadas, (con anillo no metálico), de tipo 1. Clases de calidad 5, 8 y 10. EN ISO 7042:1997 Tuercas hexagonales autofrenadas todo metal, de tipo 2. Clases de calidad 5, 8, 10 y 12. EN ISO 7719:1997 Tuercas hexagonales autofrenadas todo metal, de tipo 1. Clases de calidad 5, 8 y 10. ISO 286-2:1988 Sistema ISO de tolerancias y ajustes. Parte 2: Tablas de los grados de tolerancia normalizados y de las desviaciones límite de los agujeros y de los ejes. ISO 1891:1979 Pernos, tornillos, tuercas y accesorios. Terminología y nomenclatura. Edición trilingüe. EN ISO 7089:2000 Arandelas planas. Serie normal. Producto de clase A. EN ISO 7090:2000 Arandelas planas achaflanadas. Serie normal. Producto de clase A. EN ISO 7091:2000 Arandelas planas. Serie normal. Producto de clase C. EN ISO 10511:1997 Tuercas hexagonales delgadas autofrenadas (con anillo no metálico). EN ISO 10512:1997 Tuercas hexagonales autofrenadas (con anillo no metálico), de tipo 1, con rosca métrica de paso fino. Clases de calidad 6, 8 y 10. EN ISO 10513:1997 Tuercas hexagonales autofrenadas todo metal, de tipo 2, de rosca métrica de paso fino. Clases de calidad 8, 10 y 12.

Diseño y cálculo de uniones en estructuras de acero

Revisión 2 –Agosto 2016

Módulo III. Unidad didáctica 8 57