LOS TORNILLOS ESTRUCTURALES

1. Definición:

Barra metálica de sección transversal circular, con una cabeza en un extremo y un cuerpo o espiga roscada en el otro para recibir la tuerca, son usados para unir elementos de acero, se introducen en agujeros perforados en estos elementos y las tuercas aprietan en el lado roscado.

El tamaño nominal de un tornillo es el diámetro ‘d’ de la espiga del tornillo en la parte sin roscar

2. Ensamblado:

3. Tipos de uniones:

4. Clasificación:a. con base en el material y la resistencia

- tornillo ordinario. ASTM A325- tornillo de alta resistencia. Tienen cabeza hexagonal de uso pesado, sus diámetros

van de ½’’ a 1 ½’’ cumplen con los requisitos de dos grados principales de resistencia.

la especificación ASTM A325-97: tornillo estructural de acero con un tratamiento térmico con resistencia mínima a la tensión de 120/105 ksi

la especificación ASTM A490-97 : tornillo estructural de acero con un tratamiento térmico con resistencia mínima a la tensión de 150 ksi para aplicaciones de cargas más grandes.

Tipos de tornillosA325 A490-con contenido medio de carbono tratado térmicamente.-se permite galvanizar (según ASTM)-son usados comúnmente en edificios como los de ¾” y 7/8”

-con aleaciones tratado térmicamente-no se permite galvanizar (según ASTM)- son usados en puentes como los de 7/8” y 1”- para unir materiales con esfuerzo de fluencia menor a 40 ksi

5. las tuercas:

Las usadas son tuercas hexagonales pesadas del mismo tamaño nominal que el de la cabeza dl tornillo para que el montador utilice una sola llave para la cabeza y para la tuerca.

- ASTM A563 Grado C: se utiliza con mayor frecuencia en el atornillado de estructuras (recomendado usar con el tornillo A325)

- ASTM A563 Grado DH, recomendada para el uso con el tornillo estructural 490.

6. Las redondas: Su función principal es aportar una superficie endurecida no abrasiva (q no actúe sobre el materia con diferentes clases de esfuerzos) bajo el elemento atornillado. Las especificaciones exigen que se utilice redondas endurecidas bajo el elemento atornillado

- Para los Tornillos A490 se requieren redondas endurecidas bajo la cabeza del tornillo y bajo la tuerca.

- Cuando la cara externa de la unión atornillada tiene una pendiente mayor a 1/20 ( como los patines ahusados (fusiforme, conde superficie inclinada) de los perfiles I y C) se debe utilizar una redonda biselada ( con un corte inclinado) contra la superficie inclinada del patín para conformar un asiento perpendicular para la tuerca o el tornillo

7. El marcado De acuerdo con las especificaciones ASTM, los tornillos, tuercas y redondas de alta resistencia deben de marcarse de manera distintiva. En la cabeza del tornillo, ejemplo

8. Longitud del tornillo:

Es igual a la suma del agarre (suma de los espesores de los elementos a unir) más las tolerancias para lar redondas y L’ , y después se redondea al siguiente incremento de ¼”( ½” para longitudes mayores a 5”), por lo general la mayor longitud de tornillos disponible es de 8”.

Por lo general los tornillos de alta resistencia tienen cabeza en frio hasta 9” y en caliente para longitudes superiores.

9. Propiedades mecánicas de los tornillos.- esta influido fuertemente por la presencia del roscado, su influencia no es proporcional ni

al diámetro ni al área de la espiga, por ello para analizar el comportamiento de los tornillos se usa fuerza total y no esfuerzos.

- Las propiedades mecánicas de los tornillos de alta resistencia A325 y A490 se determinan al aplicar carga de tensión axial a un tornillo de tamaño completo.

- Dado que el material del tornillo nuestra un comportamiento carga-deformación que no tiene un punto de fluencia bien definido, se utiliza una desviación de 0.2% y se considera que este valor es equivalente a la resistencia a la fluencia del tornillo.

- A325 es : 120 Ksi para los de ½” a 1” de diámetro.

Según ASTM 2003 el esfuerzo último para tornilloEn Tornillo A325 En Tornillo A490- 120Ksi para los de ½” a 1” de diámetro y

105 con el método de 0.2% de desviación 130 105 ksi para los de 1 1/8” a 1 ½” de diámetro

150 ksi mínimo y con el método de 0.2% de desviación 130 ksi para todos los diámetros

10. Agujeros en los tornillos Son de un diámetro mayor al diámetro nominal del tornillo generalmente en 1/16” , esto da un cierto juego en el agujero , que compensa pequeñas faltas de alineación de la ubicación del agujero o del ensamble y que ayuda a instalar los tornillos en el taller o en el campo.

TIPOS DE AGUJEROS

a. STD: agujero estándar. b. OVS: agujero sobredimensionado.c. SSL: agujero de ranura corta. d. LSL: agujero de ranura larga.

Para crear los agujeros en los elementos a unir se puede hacer mediante:

Punzando: si el espesor del material es menor o igual al diámetro nominal del tornillo más 1/8”, el punzonamiento hace que la pieza metálica se estire y

la extensión del estiramiento depende del espesor del metal y del número de agujeros.

Si el espesor es mayor es necesario subpunzonar los agujeros 1/16” más pequeños y luego agrandarlos.

Taladrado: si el espesor del material es muy grueso o de muy alta resistencia.

11. Espaciamiento entre tornillosUna línea de tornillos se le denomina una fila de tornillos que se colocan de manera paralela a la línea de esfuerzos (por lo general paralelos al eje longitudinal).Filas A, B, C y D

El espaciamiento mínimo: la distancia ‘d’ entre los centros de dos agujeros para tornillos adyacentes en cualquier dirección no debe ser menor a 2 2/3 (pero es preferible 3) veces el diámetro nominal del tornillo, este espaciamiento es determinado por el espacio que necesitan para que entren las llaves para apretar las tuercas. Y la otra condición es que si los agujeros se

punzona muy cerca pueda que el metal entre ambos agujeros se dañe.

El espaciamiento máximo: se basa en el espacio necesario para mantener los miembros de metal a unir en contacto estrecho, ya que el polvo y el agua puede que se acumule y oxide al acero, el acero oxidado aumenta su volumen , se podrían desarrollar altos esfuerzos locales y las placas de los elementos podrían pandearse.

12. Cargas en los tornillos:

a. Existen tres esfuerzos que actúan en cualquier punto de la superficie ( un normal y dos ortogonales)

b. Existen seis componentes de esfuerzos sobre la sección transversal al eje del tornillo.

c. Debido a que todas las placas están unidas y la relación longitud a diámetro del tornillo es pequeña, los momentos de torsión y flexión son despreciables.

d. Las componentes transversales al eje nos dan una resultante.13. conexiones atornilladas con fuerza cortante en las uniones a tope:

a. Se desarrolla una fuerza de agarre en las placas, producto del pretensado del tornillo, luego se produce una fuerza de fricción proporcional a la fuerza de agarre y al área de la superficie en contacto.

b. ETAPA 1: La carga axial se transfiere de una placa a otra como si hubiese sido cortada a partir de un bloque sólido. Siempre que se pueda transferir la carga mediante la fricción todos los tornillos participaran de igual manera

c. ETAPA 2: La carga p iguala y después excede a la fuerza de fricción, provocando un deslizamiento que hace que las placas se apoyen contra los costados opuestos de los tornillos .

d. ETAPA 3: La transferencia de la carga ‘p’ entre las placas se efectúa en realidad mediante cortante sobre el tornillo en la superficie en contacto. , además del cortante y el aplastamiento, el tornillo sujeta una ligera rotación. los tornillos y las placas inicialmente se deforman de manera elástica, conforme aumenta la carga ambos fluyen y la rigidez de la unión disminuye provocando la falla de la placa.

14. Modos de falla:

Existen la falla de las partes unidas y las fallas del tornillo. Algunos posibles modos de falla que pueden controlar la resistencia de una conexión atornillada son.

- Fractura por tensión de los elementos placa unidos- Fluencia por tensión de los elementos placa unidos- Falla por cortante del tornillo- Falla por aplastamiento de los elementos placa unidos

o Ovalamiento del agujero del tornilloo Desgarramiento por cortante de los elementos placa unidos.

- Falla por aplastamiento del tornillo- Aislamiento de la rosca del tornillo o de la tuerca.- Falla por tensión del tornillo.- Falla por flexión del tornillo- Deslizamiento de los elementos placa unidos