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09/09/2015

DISEÑO DE UNIONES ATORNILLADAS Prof.: WILMER CRUZ G. SEMESTRE III - 2015

INTRODUCCIÓN 

TODAS LAS UNIONES TENDRÁN UNA RESISTENCIA DE CÁLCULO TAL QUE LA ESTRUCTURA SE COMPORTE SATISFACTORIAMENTE Y SEA CAPAZ DE CUMPLIR TODOS LOS REQUISITOS BÁSICOS PARA EL CÁLCULO.



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.



DESIGNACIÓN DE LOS TORNILLOS: ◦ T = TORNILLO ORDINARIO ◦ TC = TORNILLO CALIBRADO ◦ TR = TORNILLO DE ALTA RESISTENCIA.

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CLASES DE TORNILLOS 

LA CALIDAD DEL ACERO EMPLEADO EN LA FABRICACIÓN DE LOS TORNILLOS MARCA EL TIPO DE TORNILLO.



LA NOTACIÓN DE LOS TORNILLOS SEGÚN ISO 898.

4.8 1era

Centésima parte de la resistencia a la rotura (Fub)

2da Factor multiplicador en decimas para obtener el limite elástico (Fyb). EJEMPLO : Fub = 400 N/mm2, es su resistencia a la rotura. Fyb = 0,8 x 400 = 320 N/mm2, es su limite elástico.

CLASES DE TORNILLOS 



VALORES NOMINALES DEL LÍMITE ELÁSTICO FYb Y DE LA RESISTENCIA ÚLTIMA A TRACCIÓN FUb DEL ACERO EMPLEADO EN LA FABRICACIÓN DEL TORNILLO.

LOS TORNILLOS DE CLASE 8.8 Y 10.9 O SUPERIOR SON DENOMINADOS TAMBIÉN "TORNILLOS DE ALTA RESISTENCIA", SIENDO LOS "TORNILLOS ORDINARIOS" LAS DEMÁS DE CLASE INFERIOR.

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COEFICIENTES PARCIALES DE SEGURIDAD 

EL COEFICIENTE DE SEGURIDAD LOS VALORES SIGUIENTES:

γM SE TOMARÁ SEGÚN

• γMb : Resistencia de tornillos 1,25 • γMr : Resistencia de roblones 1,25 • γMp : Resistencia de bulones 1,25 • γMs : Resistencia al deslizamiento 1,25 (ELU); 1,1 (ELS)

AGUJEROS PARA TORNILLOS 

LOS AGUJEROS PARA ALOJAR LOS TORNILLOS SE REALIZARÁN PREFERIBLEMENTE MEDIANTE TALADROS.



MEDIANTE PUNZONADO SOLO CUANDO EL DIÁMETRO DEL AGUJERO SEA DE MAYOR DIMENSIÓN QUE EL ESPESOR DE LA PIEZA, QUE EL ESPESOR DE LA PIEZA NO SEA SUPERIOR A 15 MM Y ADEMÁS QUE LA UNIÓN NO VAYA A ESTAR SOMETIDA A ESFUERZOS DE FATIGA.



LAS DIMENSIONES DEL DIÁMETRO DE LOS AGUJEROS SERÁ IGUAL, EN CADA CASO, AL DEL VÁSTAGO DEL TORNILLO MÁS: - 1 mm para tornillos de 12 y 14 mm de diámetro; - 1 ó 2 mm para tornillos de 16 a 24 mm; - 2 ó 3 mm para tornillos de diámetro de 27 mm o mayores.



LOS AGUJEROS DE LOS TORNILLOS DE 12 Y 14 MM TAMBIÉN PODRÁN TENER UNA HOLGURA DE 2 MM SIEMPRE Y CUANDO LA RESISTENCIA DEL GRUPO DE TORNILLOS A APLASTAMIENTO SEA INFERIOR A LA DE CORTANTE.

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AGUJEROS PARA TORNILLOS AGUJEROS RASGADOS CORTOS O LARGOS: EL DIÁMETRO DEL TALADRO SERÁ IGUAL AL DEL VÁSTAGO DE LOS TORNILLOS MÁS: - 3 mm para tornillos de 12 mm; - 4 mm para tornillos de 14 a 22 mm; - 6 mm para tornillos de 24 mm; - 8 mm para tornillos de 27 mm o mayores. PARA AGUJEROS RASGADOS CORTOS (e): (d + 4) mm para tornillos de 12 ó 14 mm; (d + 6) mm para tornillos de 16 a 22 mm; (d + 8) mm para tornillos de 24 mm; (d + 10) mm para tornillos de 27 mm y mayores. PARA AGUJEROS RASGADOS LARGOS (e): e = 2,5·d mm, siendo correspondiente.

d

el diámetro del vástago del tornillo

DISPOSICIONES EN EL MONTAJE 

DISTANCIAS A LOS BORDES

e1 ≥ 1,2 x do e2 ≥ 1,5 x do do = Diámetro del agujero SI LAS PIEZAS ESTÁN EXPUESTAS A UN AMBIENTE AGRESIVO U OTRAS INFLUENCIAS CORROSIVAS, ENTONCES LAS MÁXIMAS DISTANCIAS SERÁN: e1 y e2 = 40 mm + 4t (Donde t es el espesor de la pieza más delgada a unir)

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DISPOSICIONES EN EL MONTAJE 

SEPARACIÓN ENTRE AGUJEROS

p1 ≥ 2,2 x do p2 ≥ 3 x do

do = Diámetro del agujero

DISPOSICIONES EN EL MONTAJE 

SEPARACIÓN ENTRE AGUJEROS EN EL CASO DE ELEMENTOS COMPRIMIDOS, LAS SEPARACIONES P1 Y P2 NO DEBERÁN SUPERAR AL MENOR VALOR DE (14x t) Ó 200 mm.

p1 ; p2 ≤ 200 mm ó (14 x t)

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DISPOSICIONES EN EL MONTAJE 

SEPARACIÓN ENTRE AGUJEROS EN EL CASO DE ELEMENTOS TRACCIONADOS LA SEPARACIÓN P1,I ENTRE CENTROS DE TORNILLOS EN FILAS INTERIORES 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, P1,i ≤ (28 x t) ó 400 mm, si se cumple que P1,0 ≤ (14 x t) ó 200 mm

CATEGORÍAS DE LAS UNIONES ATORNILLADAS LAS UNIONES ATORNILLADAS SE CLASIFICAN, EN FUNCIÓN DE LA MANERA DE TRABAJAR DE LOS TORNILLOS, EN CINCO CATEGORÍAS. CATEGORÍAS A, B Y C; UNIONES EN LAS QUE LOS TORNILLOS ESTÁN SOLICITADOS EN DIRECCIÓN NORMAL A SU EJE. CATEGORÍAS D Y E: UNIONES EN LAS QUE LOS TORNILLOS ESTÁN SOLICITADOS EN LA PROPIA DIRECCIÓN DE SU EJE. CATEGORÍA A: Son uniones en las que los tornillos, bien sean de tipo ordinarios o de alta resistencia, trabajan a cortante y aplastamiento. CATEGORÍA B: Son uniones realizadas con tornillos de alta resistencia pretensados, con superficies en contacto preparadas, que se desea que no deslicen en el estado límite de servicio (ELS). El esfuerzo Fs,Ed a transmitir, deberá cumplir que:

Fs,Ed ≤ Fs,Rd siendo

Fs,Rd

el valor máximo de resistencia

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CATEGORÍAS DE LAS UNIONES ATORNILLADAS CATEGORÍA C: Son uniones realizadas con tornillos de alta resistencia pretensados, con superficies en contacto preparadas, que se desea que no deslicen en el estado límite último (ELU). El esfuerzo Fs,Ed a transmitir, calculado en estado límite último (ELU), deberá cumplir:

Fs,Ed ≤ Fs,Rd

siendo Fs,Rd el valor máximo de resistencia .

En esta categoría se comprobará además que en estado límite último (ELU) se cumple que:  La unión resiste a cortante y aplastamiento. Esta condición podrá considerarse satisfecha si el espesor tmin de la pieza más delgada a unir es superior al valor d/2,4 si las piezas son de acero S235 ó S275, o bien superior al valor d/3,1 si las piezas son de acero S355; El esfuerzo a transmitir Fs,Ed, es inferior a la resistencia plástica del área neta de la pieza:

Fs,Ed ≤ (Anet ·x fy )/ γM0

CATEGORÍAS DE LAS UNIONES ATORNILLADAS CATEGORÍA D: Son uniones realizadas con tornillos ordinarios o de alta resistencia trabajando a tracción. Si se emplean tornillos de alta resistencia, no es preciso que estén pretensados ni que las superficies en contacto estén preparadas. No se recomienda el uso de uniones de esta categoría cuando hayan de estar sometidas a variaciones frecuentes del esfuerzo de tracción a transmitir, aunque se admite su uso si dichos esfuerzos de tracción son debidos únicamente a cargas de viento. CATEGORÍA E: Son uniones realizadas con tornillos de alta resistencia pretensados trabajando a tracción. El pretensado mejora la rigidez de la unión en estado límite de servicio y la resistencia a fatiga, aunque esta última dependerá en gran medida de los detalles constructivos y de las tolerancias del ajuste entre piezas. Sólo es preciso preparar las superficies si la unión está sometida a esfuerzos normales al eje de los tornillos, además de a tracción (Uniones de categorías E+B ó E+C).

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CATEGORÍAS DE LAS UNIONES ATORNILLADAS TABLA DE LAS CATEGORÍAS

CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE UN TORNILLO 

Cuando un tornillo está solicitado en dirección normal a su eje por un esfuerzo cortante Fv,Ed , este esfuerzo que lo solicita, Fv,Ed no podrá ser mayor que el menor de los dos valores siguientes: RESISTENCIA A CORTANTE Y APLASTAMIENTO:

- La resistencia a cortante del tornillo, Fv,Rd - La resistencia a aplastamiento de la pieza en la zona contigua al tornillo Fb,Rd

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CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE UN TORNILLO RESISTENCIA A CORTANTE Y APLASTAMIENTO: a)



Cálculo de la resistencia a cortante (Fv,Rd): Si el plano de corte pasa por la parte roscada del tornillo, la resistencia a cortante Fv,Rd viene dada por la expresión siguiente, según la calidad del tornillo: TORNILLO DE GRADOS 4,6 5,6 y 8,8



TORNILLO DE GRADOS 4,8 5,8 6,8 y 10,9

Donde As es el área resistente a tracción del tornillo (Ver tabla) fub es la tensión última a tracción del tornillo γMb es el coeficiente parcial de seguridad :

CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE UN TORNILLO RESISTENCIA A CORTANTE Y APLASTAMIENTO: Cálculo de la resistencia a cortante (Fv,Rd): Si el plano de corte pasa por la parte no roscada del tornillo la resistencia a cortante Fv,Rd viene dada por la expresión siguiente:

Donde A es el área del vástago del tornillo. fub es la tensión última a tracción del tornillo γMb es el coeficiente parcial de seguridad :

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CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE UN TORNILLO RESISTENCIA A CORTANTE Y APLASTAMIENTO: En la siguiente tabla se indica la resistencia a simple cortante en kN de los tornillos de diámetros y grados más usuales cuando los planos de corte no pasan por la zona roscada del vástago.

Resistencia a simple cortante en kN de los tornillos más usuales

CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE UN TORNILLO RESISTENCIA A CORTANTE Y APLASTAMIENTO: b)

Cálculo de la resistencia al aplastamiento (Fb,Rd): La resistencia a aplastamiento de la pieza en la zona contigua al tornillo, Fb,Rd viene dada por la siguiente expresión:

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CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE UN TORNILLO RESISTENCIA A CORTANTE Y APLASTAMIENTO: En la siguiente tabla se indica la resistencia a aplastamiento de una pieza de 10 mm de espesor contra tornillos de los diámetros más usuales, tomando para las distancias a bordes y entre tornillos los valores que se indican en la misma.

Resistencia a aplastamiento en kN para chapas de 10 mm de espesor

CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE UN TORNILLO RESISTENCIA A TRACCIÓN: La resistencia a tracción de la unión tornillo-placa Bt.Rd se tomará como la menor de la resistencia a tracción de cálculo Ft.Rd y la resistencia a punzonamiento entre la cabeza del tornillo y la tuerca Bp.Rd.

Donde Bt.Rd: Resistencia a tracción de la unión tornillo-placa. Bp.Rd: Resistencia al punzonamiento de la chapa. fu: dm: tp:

Resistencia última de la chapa. Menor media de la dimensión entre caras y entre vértices de la cabeza del __tornillo o la tuerca. Espesor de la placa bajo la cabeza del tornillo o bajo la tuerca.

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CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE UN TORNILLO RESISTENCIA A CORTANTE + TRACCIÓN: Los tornillos solicitados simultáneamente a esfuerzos cortante y axial deben cumplir además de las condiciones de resistencia individual, la condición de interacción:

Donde Fv,Ed es el esfuerzo cortante que actúa sobre el tornillo. Fv,Rd es la resistencia a cortante del tornillo. Ft,Ed es el esfuerzo axial que actúa sobre el tornillo. Ft,Rd es la resistencia a tracción del tornillo.

CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE UN TORNILLO EJERCICIO: Identifique la condición a la cual se encuentra sometido el tornillo.

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CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE UN TORNILLO EJERCICIO: Identifique la condición a la cual se encuentra sometido el tornillo.

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