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• Sergio Elizalde

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1.4. Uniones atornilladas Las uniones en general se pueden clasificar atendiendo a diferentes aspectos:  



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Uniones fijas como las realizadas por medio de soldadura o remaches o uniones desmontables ejecutadas mediante tornillos. Uniones de continuidad (rígidas) transmiten momentos además del axil y cortante, uniones articuladas (flexibles) que no transmiten momentos y uniones semirrígidas que se sitúan en una situación intermedia entre los dos casos extremos. Uniones de fuerza que transmiten esfuerzos entre las piezas unidas, uniones de atado cuya función es mantener en su posición a las piezas y empalmes que representan uniones de fuerza en piezas en prolongación. Uniones de resistencia total, capaces de transmitir un momento flector superior al que agotaría la pieza unida, uniones de resistencia parcial cuando su momento resistente es inferior al de la pieza o uniones articuladas que apenas transmiten momentos. Uniones con comportamiento dúctil capaces de desarrollar una rótula plástica y uniones con comportamiento frágil cuando no lo son.

RECOMENDACIONES PARA EJECUCION DE UNIONES. No consentir otros empalmes que los indicados en los planos. Minimizar el número de uniones en obra. Las piezas a unir deben presentarse rectas y planas para un buen contacto Aún para esfuerzos escasos, la unión debe absorber 1/3 de la solicitación que absorbería las piezas unidas. Evitar en la medida de lo posible, el utilizar uniones a cortadura simple.

UNIONES CON REMACHES (TORNILLOS) CARGADOS.

En una unión mediante remaches (tornillos) se tienen dos hipótesis fundamentales: a). - La carga aplicada pasa por el centro de gravedad de un grupo o conjunto de remaches (tornillos), y cada remache transmite una fuerza igual a su capacidad de resistencia a cortante o a la presión de contacto, dependiendo de cual sea menor. b). - La unión es de material dúctil (considerando las placas por unir perfectamente rígidas).

1.4.1.- Tipos de uniones remachadas (atornilladas). De acuerdo con la disposición de los elementos por unir existen dos tipos de uniones:

a). - Juntas a solape. b). - Juntas a tope.

En una unión por solape las placas por unir se colocan una sobre otra, y se unen entre si mediante una o varias filas de remaches según se muestra en la figura (1.1),

Figura (1.1).- Unión a solape con una fila de remaches (tornillos).

En una unión a tope las dos placas a unir están en el mismo plano, con sus bordes a tope, y se sujetan mediante dos placas, una a cada lado de las placas a unir, llamadas “cubrejuntas”, las cuales se atornillan a cada una de las placas principales como se indica en las figuras (1.2).

Figura (1.2). - Unión a tope simple.

TIPOS DE ELEMENTOS MECÁNICOS DE UNIÓN Remaches Los remaches o roblones (figura 3) son elementos mecánicos de unión en desuso para la construcción industrial. En la instrucción EAE se ha suprimido toda referencia a estos elementos y en caso de precisar su estudio en alguna unión, recomienda el empleo de normas anteriores como la EM-62, la MV-103 ó la EA-95. Aquí se dan datos y recomendaciones tomadas de dichas normas.

- Diámetro del agujero = Diámetro de la espiga del remache + 1mm

- Longitud de espiga

- La suma de espesores de las piezas a unir ≤ 4,5·d

TORNILLOS Los tornillos a emplear en uniones de estructuras de acero serán preferentemente de alguno de los grados 4.6, 5.6, 6.8, 8.8 ó 10.9. No se utilizarán tornillos de grado inferior al 4.6 ni de grado superior al 10.9 sin demostración experimental de que son adecuados para la unión en la que se prevé su uso. Los valores nominales del límite elástico fyb y de la resistencia última a tracción fub para adoptar como valores característicos en los cálculos en cada tipo de tornillo se dan en la tabla 1.

AGUJEROS PARA TORNILLOS Los agujeros para tornillos se efectuarán preferentemente mediante taladro. El diámetro estándar de los agujeros será igual al del vástago del tornillo más:   

1mm para tornillos de 12 y 14mm de diámetro; 1 ó 2mm para tornillos de 16 a 24mm; 2 ó 3mm para tornillos de 27mm o mayores.

En uniones atornilladas resistentes por rozamiento pueden emplearse agujeros a sobremedida o agujeros rasgados, cortos o largos, para facilitar el montaje de las piezas.

Si se utilizan agujeros a sobremedida, el diámetro del taladro será igual al del vástago de los tornillos más:    

3mm para tornillos de 12mm; 4mm para tornillos de 12 a 22mm; 6mm para tornillos de 24mm; 8mm para tornillos de 27mm o mayores.

La anchura de los agujeros rasgados cortos o largos en dirección normal al esfuerzo será igual al diámetro de los agujeros estándar correspondientes. En la dirección del esfuerzo, la distancia e, (figura 4), para agujeros rasgados cortos será igual a: (d + 4) mm para tornillos de 12 ó 14mm; (d + 6) mm para tornillos de 16 a 22mm; (d + 8) mm para tornillos de 24mm; (d + 10) mm para 27mm y mayores. Para agujeros rasgados largos tomar: e = 2,5·d (mm) d: diámetro del vástago del tornillo

SEPARACIONES ENTRE AGUJEROS La separación p1 entre centros de tornillos (figura 5) en la dirección de la transmisión de la carga será al menos de 2,2·d0

p1≥2,2 . d o

La separación p2 entre filas de tornillos, medido perpendicularmente a la dirección de la transmisión de la carga será al menos de 3,0·d0

p2≥3,0 . d o En el caso de elementos comprimidos las separaciones p1 y p2 no deberán superar al menor valor de 14·t ó 200mm

14. t

p1; p2 ≤

200 mm

En el caso de elementos traccionados la separación p1,i entre centros de tornillos en filas interiores (figura 6) puede ser doble del valor dado para elementos comprimidos, siempre que la separación p1,0 en la fila exterior en cada borde no supere el valor dado para los elementos a compresión.

1.5 Esfuerzos y resistencia en uniones atornilladas. ESFUERZOS Y RESISTENCIAS EN UNIONES REMACHADAS (ATORNILLADAS). En la siguiente figura se presentan los modos de falla por carga cortante en la unión, siendo estas: a) Corte de los remaches, b) falla por tensión de los elementos, c) falla por compresión de las placas, d) desgarramiento por cortante, e) desgarramiento por tensión de las placas.

El análisis usual en las uniones remachadas implica lo siguiente:

1.- Aplastamiento del perno (todos los remaches participan)

2.- Aplastamiento de las placas (todos los agujeros participan) 3.- Cortante de un perno (todos los pernos participan) 4.- Distinguir entre cortante de la rosca y del cuerpo 5.- Fluencia por tensión de los elementos a lo largo de los agujeros de los pernos 6.- Verificación de la capacidad de los elementos

CARGA AXIAL A la unión precargada de la Figura 3 se le aplica una carga axial externa P (Figura 5a), dando lugar a una deformación Δδ (Figura 5b). Las nuevas cargas en el tornillo y los elementos pasan a ser: F e = F p - k e . Δδ

(2a)

F t = F p - k t . Δδ

δδ mi

P

(2b)

δδ Δmf Δδ

δδ bi

δδ bf

a)

b)

Figura 5. Análisis de la introducción de una carga axial externa en el tornillo precargado.

Es decir, la carga de tracción del tornillo aumenta en Kt·Δδ y la carga de compresión de los elementos unidos disminuye en Ke·Δδ. Se cumple además que la carga externa es igual a la suma de las variaciones de carga en tornillo y elementos unidos: P = ( K e + K t ) ·Δδ

(3)

En este punto se define la “constante de rigidez de la unión” C: C=

Kt K e+ K t

(4)

Sustituyendo la ecuación (4) en las expresiones (2): F e = F p - ¿) · P

(5a)

Ft = F p + C · P

(5b)

De estas expresiones se deduce que el tornillo sólo se lleva un “porcentaje C” de la carga axial externa P aplicada, mientras los elementos absorben el porcentaje restante “1-C”. En el diagrama de la unión de la Figura 6 se observa gráficamente este fenómeno.

Figura 6. Diagrama de la unión de la unión precargada sometida a una carga axial externa P.

Evidentemente, las expresiones sólo son válidas mientras los elementos a unir no se separen, es decir mientras Fe>0. Esto sucederá siempre y cuando se cumpla (ver Figura 7):

A partir de ese punto, los elementos estarán totalmente descargados y el tornillo absorberá toda la carga axial externa, es decir Fe=0 y Ft=P. En cualquier caso, se considera que el tornillo falla bajo carga estática cuando su tensión normal Ft/At alcanza un valor denominado “tensión de prueba”, indicado en la Tabla 2 en función del grado del tornillo. Esta tensión, algo inferior a la tensión de fluencia, corresponde al valor a partir del cual el tornillo entra en régimen plástico (se recuerda que la tensión de fluencia el tornillo corresponde a una deformación permanente del 0,2%). En el tornillo existen zonas de concentración de tensiones en la unión cabeza-vástago y en las roscas (ver Figura 8), pero no se tienen en cuenta aquí al tratarse del cálculo a fallo estático de un material dúctil.

Si la carga axial externa P es variable en el tiempo en lugar de constante, el análisis debe ser a fatiga. En este caso, el tornillo presentará una tensión con componente media y alterna: la precarga Fp crea una tensión media; la carga C∙P que soporta el tornillo debido a la carga axial externa P crea una tensión media y/o alterna, dependiendo de la naturaleza de P. Por tanto, la carga media y alterna en el tornillo, Ftm y Ftr, son:

Donde Pm y Pr son la componente media y alterna de la carga axial externa P. Como consecuencia, se consigue que el tornillo precargado tenga una mejor respuesta a fatiga en comparación a un tornillo no precargado. La Figura 9 ilustra, a modo de ejemplo, cómo un tornillo tiene una duración 6

finita ( 1, puede considerarse estadísticamente según la confiabilidad seleccionada, que la unión es segura por fatiga. F.S = 1, significa que el caso está en el límite.

Bibliografía http://biblioteca.uns.edu.pe/saladocentes/archivoz/curzoz/uniones_atornilladas.pdf http://repositorio.upct.es/bitstream/handle/10317/6798/tfg-dam-est.pdf? sequence=1&isAllowed=y https://ocw.ehu.eus/pluginfile.php/15412/mod_resource/content/3/Tema%2015%20%20Uniones %20atornilladas%20%282%29.pdf