Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?

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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?

Barcelona 15/05/2019

Construmat

A.Arnedo

©SENER Ingeniería y Sistemas, S.A. – Barcelona 2018


• Tipos de tornillos estructurales.

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

• Aplicaciones en casos de vibraciones/Fatiga.

• Problemática del tornillo pretensado. Métodos de

pretensado.

• Recomendaciones

Índice



• Las uniones atornilladas de estructuras metálicas se deben diseñar de

acuerdo con Eurocódigo3 : EN 1993 parte 1.8.

• En la instrucción española EAE se siguen los criterios y requisitos y hay

más información complementaria.

• La ejecución debe estar de acuerdo con EN 1090-2 , ya obligatoria. Es

esencial establecer la Clase de Ejecución.

• Existen muchos tipos de uniones y tornillos pero no todas son aplicables

y válidas a las estructuras metálicas.

• SÓLO SE DEBE USAR EN 14399 ( tiene varias partes )

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



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

En algunas normas nacionales (EAE) se prescinde del 4.8



▪ 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.

▪ Previamente hay que cumplir las reglas de diseño ( agujeros, separación

a bordes, distancias mutuas etc.)

▪ 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

▪ En diseño antisísmico esto es obligatorio en las uniones



▪ 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.

▪ Cuando se introduce un esfuerzo previo de tracción , que equivale a una

compresión entre las chapas, se crea una fuerza de rozamiento entre

ellas.

▪ Esa fuerza de rozamiento solo depende de la fuerza de contacto entre

chapas y del estado de las superficies

F = μ N0

▪ El valor de N0 es el pretensado y el del rozamiento μ es el que se

establece en EN 1090-2



• 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.

• Si no hay deslizamiento se tienen ventajas en

el estado límite de servicio ELS.

• No hay contacto del vástago con el agujero,

en caso de carga variable alternativa.



El pretensado no es gratis.

¿ Cuando hay que recurrir al pretensado ?

▪ En caso de vibraciones ( plataformas de equipos, pasarelas, torres

exteriores) por riesgo de aflojamiento de la tuerca.

▪ 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 )

▪ Para ganar en rigidez inicial de la unión, evitando la fase de

deslizamiento para contacto chapa/espiga.

▪ Para evitar la interacción cortante/tracción. El tornillo sólo está

sometido a tracción.

▪ Para acciones repetidas que producen fatiga. La variación de la tracción

en el tornillo se reduce del orden de una décima parte.



➢ 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 CCNN de clase I

Hall de intercambiador de aeropuerto.

➢ Que los tornillos no se pretensen no quiere decir que no se aprieten. Ver

requisitos en EN 1090-2. ( “Snug tight condition”)



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.



En la guía interna mecánica de F.Artigas TF/TF/N -9271 de SENER (1999) se

ilustra bien ese diagrama :



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.

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.




En la evaluación de la seguridad frente a fatiga lo que cuenta es la variación de tensiones

(carrera, “range”) y número de ciclos.




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.




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.




• Aparte de un cálculo MEF hay fórmulas directas aproximadas para determinar la

fuerza de apalancamiento. Por ejemplo :

• En el mejor y tradicional tratado sobre tornillos, de Kulak, Fisher, Struik de 1987

se dan varias formulas, algunas más simples.

• 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.



• 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

Métodos de pretensado de tornillos



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



Si se aplica ese valor nominal de Mt no calibrado adecuadamente puede

ocurrir :

▪ Pretensado insuficiente si k> 0.18. Lo cual invalidad los cálculo de

capacidad de la unión frente a cortante (DESLIZAMIENTO)

▪ 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,




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.




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. (***)



Pese a todo es preferible usar otros métodos de apriete para abaratar costes y evitar problemas.

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 (<100%) y debe ser

reapretado hasta el 100% del par requerido.

Un par reducido , del 0.75 supone un limite inferior aceptable , lo que lleva también a

valores equivalentes del esfuerzo de pretensado N0 menor. Aquí los pares (m N) que se

usan en la primera etapa del método combinado .




• Adviértase que hay dos diferentes sistemas de conjuntos tornillo/tuerca de

alta resistencia que implican pares distintos, no solo por clase.

- EN 14399-3 Sistema HR

- EN 14399-4 Sistema HV

Esto no afecta al cálculo pero puede complicar el montaje y el suministro.

Atención !! Siempre se puede recurrir al anejo H para determinar por

ensayo el par de apriete.

• El sistema más tradicional ( dentro de lo que cabe, 1960) es el HV , de

fabricantes alemanes, con facilidad de suministro para calidades 10.9 , que es

lo que va bien en diseño.

• El sistema HR , fabricantes ingleses y franceses sobre todo , tiene más

longitud roscada y mayor tuerca, se parece más a ASTM. En principio hay las

dos clases de calidad 8.8 ( A325 ) y 10.9 ( A495 ) pero suele ser difícil

encontrarlo en esa ultima clase.




El apriete por el método combinado comprende dos pasos:

• Un primer paso , utilizando una llave dinamométrica ajustada hasta unvalor del par torsor de aproximadamente 0,75 del nominal. Este primer pasodebe completarse para todos los pernos de una unión antes de comenzar elsegundo paso;

Por simplificación puede utilizarse Mt= 0,13 d N0

• En el segundo paso se aplica un giro parcial especificado a la parte girada (

suele ser la tuerca). 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 manera que la rotación final de la tuerca en

este segundo paso pueda determinarse fácilmente.

El método combinado o mixto



El método combinado o mixto.

El segundo paso, el giro de tuerca, debe estar de acuerdo con los valores que

se dan en la tabla :

Espesor total nominal “t” de las

partes a unir (incluidos todos

los forros y arandelas)

d = diámetro del tornillo

Giro adicional a aplicar durante el segundo

paso de apretado

Grados Giro parcial

t < 2 d 60 1/6

2 d < t < 6 d 90 1/4

6 d < t < 10 d 120 1/3

NOTA Cuando la superficie situada debajo de la cabeza de la tuerca o del perno

(considerando las arandelas de espesor variable, si se utilizan) no está perpendicular al eje del

perno, el ángulo de giro requerido debe determinarse mediante ensayos.



• Los tornillos se aprietan utilizando una llave de cizalla específica

equipada con dos manguitos coaxiales que reaccionan por par torsor uno

contra otro. La parte exterior al cuello se corta en el apretado final.

• Se describe en el apartado 8.5.5 de EN 1090-2.

El método HRC



• Ese primer paso se debe completar en todos los tornillos de una unión

antes de proceder al paso dos.

• En el paso dos, la precarga completa se logra cuando todas las secciones

de cuello se han cortado.

• Tanto los tornillos como la llave son específicos de cada fabricante, que

debe cumplir con EN 14399-10.

El método HRC



Los indicadores de tensión directa son arandelas especialmente endurecidas

con protuberancias en una cara. Las protuberancias se apoyan contra la parte

inferior de la cabeza del perno, dejando un espacio entre la cabeza y la cara

de la arandela.

1. Indicador de tensión directa

2. Arandela enfrentada a la tuerca

3. Holgura

4. Arandela según la Norma EN 14399-6

El método de la arandela indicadora DTI



Los DTI están disponibles en acero con resistencia mejorada a la corrosión

atmosférica , pero su uso está prohibido por EN 1090-2 porque se crean

fisuras que se convertirían en inicios de corrosión.

El anejo J de EN 1090-2 trata este método de apriete.




La holgura del indicador debe verificarse utilizando el calibre de espesores

como una herramienta de inspección tipo “no pasa”. El calibre debe

apuntarse al centro del perno como se indica en la figura.




Además de cumplir todos los requisitos de resistencia a tracción y cortante

del tornillo y aplastamiento y punzonamiento de chapa en este caso se

aplica el apartado 3.9 del EC3 parte 1.8.

Atención !! En las comprobaciones los esfuerzos se calculan :

- Con cargas factorizadas para ELU.

- Cargas de servicio para ELS.

Uniones resistentes al deslizamiento con tornillos

pretensados.



- ks es un valor que tiene en cuenta la configuración . Lo normal es que

valga la unidad, pero con agujeros rasgados o de mayor diámetro que el

normal es menor. ( tabla 3.6).

- n es el número de superficies en contacto. Atención !! en la clásica

disposición de “doble cortadura” vale 2.

- μ es el coeficiente de rozamiento entre chapas. Depende de que

acabado tenga la superficie de las misma.

- γM3 = 1.25 ; γM3,ser =1.10

- Fp,C es la fuerza de pretensado de cálculo.

Atención !! Se toma igual a N0/γM7 = 0.7 fub As /γM7 pero puede

establecerse un valor menor ( artículo 8.5.1 de EN 1090-2) y entonces hay

que tenerlo en cuenta en los cálculos, en la ejecución y control. Adviértase

que γM7 =1.10 es el valor recomendado.


pretensados.



Adviértase que el requisito de exigir y controlar el acabado de superficies de

contacto implica un coste.

En el anejo H de EN 1090-2 hay un método experimental para obtener el

coeficiente de rozamiento μ.

Aquí la “explicación” de la tabla anterior de la EAE


pretensados.



Ejemplo de diseño : Nudo de pórtico. Alzado



Ejemplo de diseño : Nudo de pórtico. Planta



Ejemplo de diseño : Nudo extremo de cercha. Alzado



Ejemplo de diseño : Nudo extremo de cercha , frente.



❑ El diseño de uniones atornilladas se basa en reglas relativamente simples en

las que se supone que los tornillos sólo pueden trabajar a cortante y a

tracción.

❑ Para que efectivamente sea así es necesario cumplir con los límites de

separaciones mutuas, distancias a borde y diámetros de agujeros que fijan

las normas.

❑ El cumplimiento de la norma aplicable no es un tema trivial.

❑ Errores de graves consecuencias se ha producido por disposiciones

geométricas de tornillos incorrectas. Por ejemplo propiciando no solo la

debilidad de la unión sino también formas de fallos frágiles, como el desgarro

o el pandeo local de forros.

Recomendaciones finales.



❑ Es importante elegir bien el material y el diámetro. En general es

preferible un número menor de tornillos de mayor diámetro y resistencia

que al revés.

❑ Aquí hay que recordar que la máxima calidad es 10.9 ( ISO 898 ) o su

equivalente A490 (ASTM) . Está prohibida la calidad 12.9 por su menor

ductilidad.

❑ Un consejo tradicional es que el espesor de las chapas a unir iguale o

supere al diámetro del tornillo. Excepto en de unión de correas

galvanizadas, interesa un diámetro mínimo de 16 mm para disponer de

una resistencia local de aplastamiento adecuada.

❑ En uniones viga-pilar y empalmes con placa de testa es mejor estar en el

caso 1, plastificación de chapa de testa.




❑ En placas de testa, cartelas y rigidizadores aunque el acero de perfiles sea

S275JR es ventajoso usar 355 J2 .

❑ En el proyecto hay que incluir la redacción de las especificaciones Mejor

ponerlas también en forma de notas en los planos.

❑ No pedir por pedir. Establecer la clase de ejecución de acuerdo con el

sentido común y el coste de la estructura.

❑ No pretensar los tornillos si no es necesario.

No olvidar la protección. Los tornillos se deben pedir galvanizados en caliente

pero además se deben pintar al final con intumescente si es el caso o con la

pintura de acabado y parcheo del remate final de la estructura




Gracias

La manera de ver el futuro

Alfredo Arnedo Pena (15-05-2019)

[email protected]

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