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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?

Madrid 15/11/2018 Construtec A.Arnedo www.infraestructurasytransporte.sener

Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?

Índice

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Tipos de tornillos estructurales.

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Posición de EAE/Eurocódigo 3 parte 1.8 y EN 1090-2.

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Aplicaciones en casos de vibraciones/Fatiga.

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Problemática del tornillo pretensado. Métodos de pretensado.

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Recomendaciones

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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?

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Las uniones atornilladas de estructuras metálicas se deben diseñar de acuerdo con Eurocódigo3 : EN 1993 parte 1.8.

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En la instrucción española EAE se siguen los criterios y requisitos y hay más información complementaria.

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La ejecución debe estar de acuerdo con EN 1090-2 , ya obligatoria. Es esencial establecer la Clase de Ejecución.

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Existen muchos tipos de uniones y tornillos pero no todas son aplicables y válidas a las estructuras metálicas. No se puede usar la calidad 12.9 No se deben usar taladros ciegos

No se deben soldar tornillos ni tuercas Sólo se pretensan las calidades 8.8 y 10.9

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En la tabla adjunta se indica las calidades según EN 1993 1-8

En algunas normas nacionales (EAE) se prescinde del 4.8

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ƒ Las fórmulas de resistencia del tornillo a cortante y tracción se complementan con las de aplastamiento de la chapa, y eventualmente con las de punzonamiento. ƒ Previamente hay que cumplir las reglas de diseño ( agujeros, separación a bordes, distancias mutuas etc.) ƒ Hay que cumplir TODOS los requisitos pero la prioridad si es posible debe ser : - Inicio de plastificación de la barra - Rotura de sección neta de la barra - Aplastamiento de la chapa - Rotura del tornillo ƒ

En diseño antisísmico esto es obligatorio en las uniones

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ƒ Cuando existe cortante y tracción es necesario verificar la interacción. Eso se evita con tornillo pretensado. El rozamiento impide que el tornillo trabaje a cortante. ƒ Cuando se introduce un esfuerzo previo de tracción , que equivale a una compresión entre las chapas, se crea una fuerza de rozamiento entre ellas. ƒ Esa fuerza de rozamiento solo depende de la fuerza de contacto entre chapas y del estado de las superficies F = μ N0 ƒ El valor de N0 es el pretensado y el del rozamiento μ es el que se establece en EN 1090-2

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Que el esfuerzo exterior supere la fuerza de rozamiento no implica la ruina de la unión, después de deslizar se trabaja como un tronillo ordinario.

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Si no hay deslizamiento se tienen ventajas en el estado límite de servicio ELS.

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No hay contacto del vástago con el agujero, en caso de carga variable alternativa.

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El pretensado no es gratis. ¿ Cuando hay que recurrir al pretensado ? ƒ En caso de vibraciones ( plataformas de equipos, pasarelas, torres exteriores) por riesgo de aflojamiento de la tuerca. ƒ En caso de sismo, sobre todo cuando se usan factores de reducción del espectro. ( Aunque se tendrá por eso menor “damping” en un análisis lineal )

ƒ Para ganar en rigidez inicial de la unión, evitando la fase de deslizamiento para contacto chapa/espiga. ƒ Para evitar la interacción cortante/tracción. El tornillo sólo está sometido a tracción. ƒ

Para acciones repetidas que producen fatiga. La variación de la tracción en el tornillo se reduce del orden de una décima parte.

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¾ Ejemplos donde no es necesario usar uniones pretensadas : Nave industrial para almacén o taller, sin puente grúa. Pórticos de soportes de tuberías, sin transitorios.

Edificio de viviendas. Almacén de CC.NN de clase I Hall de intercambiador de aeropuerto.

¾ Que los tornillos no se pretensen no quiere decir que no se aprieten. Ver requisitos en EN 1090-2. ( “Snug tight condition”)

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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar? Al ser el conjunto chapas-tornillo una estructura de dos componentes en serie su rigidez es la suma de ambas. Una fuerza exterior vertical producirá un desplazamiento común y la fracción tomada por cada elemento será proporcional a su rigidez particular.

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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar? En la guía interna mecánica de F.Artigas TF/TF/N -9271 de SENER (1999) se ilustra bien ese diagrama :

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Uniones atornilladas Aquí la curva esfuerzo en el tornillo y esfuerzo exterior que le corresponde.

Adviértase que a carga exterior nula el tornillo está traccionado con N0 y el aumento correspondiente es solo una pequeña fracción ( 1/9 ) de la F exterior. Es decir la mayor parte (8/9) se emplea en descomprimir las chapas. Esto es así hasta despegue. Por efecto de apalancamiento puede haber variaciones antes del despegue. Lo esencial es que el despegue se produzca antes que la rotura del tornillo o la plastificación completa de el chapa. ©SENER Ingeniería y Sistemas, S.A. – Barcelona 2018

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Uniones atornilladas De cara a fatiga una ventaja importante es JUSTAMENTE esa reducción de la variación de tensión en el tornillo. Otra no menor es la ausencia de cortante en el vástago. Se resiste por rozamiento y sólo hay tracción.

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Uniones atornilladas En la evaluación de la seguridad frente a fatiga lo que cuenta es la variación de tensiones (carrera, “range”) y número de ciclos.

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Uniones atornilladas En tornillos no pretensados además de que la variación de tracción se la lleva íntegramente el tornillo hay tensión tangencial.

No puede haber zona de rosca en el plano de corte. El signo del cortante se debe mantener. Por todo esto es conveniente recurrir al pretensado siempre que haya carga de fatiga. Atención !! No hay que olvidar el efecto local en los agujeros.

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Uniones atornilladas El efecto palanca en la uniones implica un aumento de tracción en los tornillos.

Ese aumento depende de la rigidez y geometría de la placa de contacto. En el cálculo de estado límite ultimo ULS no se necesita determinar su valor, pero en evaluaciones de fatiga es imprescindible.

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Aparte de un cálculo MEF hay fórmulas directas aproximadas para determinar la fuerza de apalancamiento. Por ejemplo :

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En el mejor y tradicional tratado sobre tornillos, de Kulak, Fisher, Struik de 1987 se dan varias formulas, algunas más simples.

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En la comprobación ULS según EN 1993 parte 1.8 , reproducido en la Instrucción EAE no es necesario considerar las dichosas “prying forces”, ya está incluido todo en el planteamiento. Se han considerado implícitamente.

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Métodos de pretensado de tornillos •

Para conseguir el valor de pretensado No = 0.70 fub As hay dos grandes grupos :

- Tracción directa - Apriete de tuerca, giro relativo cabeza/tuerca • •

El primer grupo es propio de producciones en serie y no se suele usar en estructuras civiles En el segundo grupo hay varias opciones : - Par de apriete - Giro de tuerca - Método mixto o combinado

- Arandela indicadora

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La problemática del apriete según F.Quintero El método usual es España es el del par de apriete con llave dinamométrica. Se aplica un par torsor que vale Mt = 0.18 d N0 en un estado de suministro ligeramente engrasado, pero que debe ser fijado por el fabricante. Una tercera parte del trabajo ejercido se gasta en vencer el rozamiento en la rosca, del orden de la mitad se consume en el de la parte que gira y la chapa, el resto se emplea en tensar el tornillo y comprimir la chapa , es decir en almacenar energía elástica. Ese coeficiente 0.18 PUEDE SER MUY DIFERENTE. En tornillos oxidados o sucios puede ser tan alto como 0.40. En tornillos muy lubricados tan bajo como 0.09

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La problemática del apriete según F.Quintero Si se aplica ese valor nominal de Mt no calibrado adecuadamente puede ocurrir : ƒ

Pretensado insuficiente si k> 0.18. Lo cual invalidad los cálculo de capacidad de la unión frente a cortante (DESLIZAMIENTO)

ƒ

Pretensado excesivo si k < 0.18 , ROTURA del tornillo en la operación , o peor aún quedar sin margen cuando entre en carga la unión.

Cuando además se tiene esfuerzos de palanca y problemas de desajuste de las llaves dinamométricas la situación se complica aún más. En AISC no tienen esos problemas. No usan llaves dinamométricas y consiguen el esfuerzo de pretensado exclusivamente estableciendo un determinado giro de tuerca que depende del diámetro del tornillo y del espesor total de las chapas a unir,

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La problemática del apriete según F.Quintero Cuando se controla el pretensado por giro de tuerca : a= 90 + t + d hay que partir de un ajuste previo que garantice un buen contacto ( t es el espesor de las chapas y d es el diámetro del tornillo). Esto puede conseguirse con la denominada “snug tight condition” con pequeños pares de apriete (entre 50 y 150 mN) sin holguras mayores de 4mm en bordes y 2 mm interiores.

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El método del par de apriete. Se debe usar una llave dinamométrica que ofrezca un intervalo de funcionamiento adecuado. El par torsor debe aplicarse continua y suavemente.

Según 8.5.3 de EN 1090-2 se requieren al menos los pasos siguientes: En un primer paso de apriete: la llave debe ajustarse a un valor de par torsor del 0,75 del nominal. Este primer paso debe completarse para todos los pernos de una unión antes de comenzar el segundo paso En un segundo paso de apriete: la llave debe ajustarse hasta un valor de par torsor de 1,10 del nominal Las llaves dinamométricas utilizadas en todas las etapas del método del par torsor deben ser capaces de una precisión del ±4% de acuerdo con EN ISO 6789. (***)

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El método del par de apriete. Un conjunto de elementos de fijación para el que la tuerca gira más de 15º por la aplicación del par de inspección se considera como infra-apretado (