Alumno: Carlos Guiñez Montecinos

Profesor: Alberto Barría Durán

Asignatura: Resistencia de materiales II

INACAP CHILLANIngeniería en Maquinaria, Vehículos Automotrices y Sistemas Electrónicos.

Introducción.

Toda estructura construida, consta de partes individualizadas, las cuales

necesitan estar unidas para formar una estructura, por lo que se necesita una fijación

para estas.

Dependiendo del tipo de material o de las tensiones a las cuales estará sometida

se utilizara un tipo de unión establecidas para cierto tipo de esfuerzos ya sean

cortantes, pandeo, tracción, entre otros. Estas uniones han sido utilizadas a lo largo de

toda la vida empezando con las ataduras de cuero de animal para atar las rocas

afiladas a una vara para poder cazar, hasta la actualidad para la construcción de

automóviles de lujo o grandes rascacielos.

A continuación se desglosaran los distintos tipos de uniones más utilizados en la

actualidad en la industria de la automoción y la construcción de grandes edificios.

Uniones mecánicas

Como todo en la vida, las uniones se pueden clasificar según diferentes criterios:

estáticas, articuladas, fijas, desmontables, grandes, pequeñas, bonitas o feas. Aún así,

la clasificación más común para las uniones es entre uniones fijas y uniones

desmontables; existiendo para cada tipo otros muchos tipos y clasificaciones. A

continuación explico un poco por encima, procurando un enfoque práctico y sencillo

para un buen entendimiento y una posible aplicación en diseños electrónicos y su

posterior mecanizado.

Uniones fijas:

Las uniones fijas son aquellas uniones

cuyos elementos de unión son imposibles de separar

sin producir algún desperfecto o rotura en alguno de

ellos.

Las uniones fijas más comunes hoy en

día son las uniones fijas soldadas, las remachadas y

por roblones, por ajuste a presión y mediante

adhesivos. Las uniones fijas se utilizan cuando

estamos seguros que no se va a realizar un

desmontaje posterior.

Con la salvedad de la unión mediante adhesivo, las uniones fijas normalmente se

utilizan cuando la unión entre los dos elementos debe aguantar esfuerzos mecánicos

importantes. Vamos a ver ahora con un poquito de profundidad las diferentes opciones

para este tipo de uniones mecánicas.

Uniones fijas por remaches:

El remache, como elemento de fijación, consiste

en un tubo cilíndrico, con una cabeza en un

extremo y que al deformar el extremo opuesto,

mediante presión o un golpe, se obtiene otra

cabeza que ejerce presión sobre la cara opuesta

de la fijación, en consecuencia los elementos

implicados en esta unión quedan unidos con una

presión que dependerá de la presión aplicada por

el propio remache y las propiedades del material. A este proceso se le conoce como

remachado o roblonado.

Los remaches acostumbran a ser de metal, acero de bajo contenido en carbono, o de

aluminio por ser más dúctiles. Un ejemplo de uso que se me pasa ahora mismo por la

cabeza es la fijación de la matrícula en los automóviles. Otro ejemplo de su uso es la

fijación de chapas en estructuras en la industria aeronáutica.

Un tipo específico de remaches son los roblones, remaches con diámetro superior a

10mm y que a la hora de efectuar el remachado se calientan para facilitar su

deformación.

Tensión de cortadura del remache:

T=

Tensión de tracción de la chapa:

σ=

Donde:

T y σ son las tensiones de cortadura y tracción soportadas por remaches y

chapas respectivamente

Tadm y σadm son las tensiones de cortadura y tracción admisibles de cada

material

F es la fuerza de tracción que se ejerce sobre las chapas

N es el número total de remaches que realizan la unión

So es la superficie circular del remache

e es el espesor de las chapas

H es la anchura de la chapa.

Uniones soldadas

Se llama soldadura a la unión de 2 o más piezas metálicas de igual o semejante

composición, de forma que la unión quede rígida. Esto es conseguido por la fusión de

los materiales o por la ayuda de otro componente externo.

En las soldaduras por fusión el calor proporcionado funde los extremos de las

piezas y al solidificar se produce la unión. Existen variados tipos de soldaduras por

fusión, dentro de las más utilizadas y conocidas son:

Soldadura autógena

Soldadura por arco eléctrico

Clasificación de los tipos de soldadura

Se pueden distinguir primeramente los siguientes tipos de soldadura:

Soldadura heterogénea; se efectúa con materiales de distinta composición, con o

sin metal de aportación; o entre metales iguales pero con distinto metal de aportación,

esta puede ser blanda o fuerte.

Soldadura homogénea. Los materiales que se sueldan y el metal de aportación,

si lo hay, son de la misma naturaleza. Puede ser oxiacetilénica, eléctrica (por arco

voltaico o por resistencia), entre otros. Si no hay metal de aportación, las soldaduras

homogéneas se denominan autógenas.

Se entiende por soldadura autógena la que se realiza sin metal de aportación, lo

que quiere decir que los materiales se unen por fusión de ellos mismos, y cuando se

enfrían forman un solo componente.

σ=

La soldadura se puede realizar a tope o a solape

A tope: en la que los dos extremos que se pretenden soldar están situados en el mismo

plano. Cuando se suelda a tope, el cordón debe ser continuo a todo lo largo de la unión

y con completa penetración. En uniones de fuerza el cordón de soldadura debe

realizarse por ambas caras. Es la posición más usual y recomendable.

A solape: realizando el cordón a lo largo de dos juntas solapadas. Se le llama también

soldadura con recubrimiento.

La tensión que soportan los cordones de soldadura se calculan con las

siguientes ecuaciones:

Soldadura a tope σ=

Soldadura a solape σ=

Donde:

F; es la fuerza de tracción ejercida.

L; es la anchura del cordón de soldadura.

e; es el espesor de las chapas.

σmax ; la tensión máxima admisible del material.

Uniones desmontables o atornilladas

Estás uniones las utilizamos en el caso de que necesitemos unir dos o más

piezas y que tengan la facilidad de desmontarse sin necesidad de dañar las piezas.

Uniones desmontables con elementos roscados (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.  Como norma general, no se

utilizarán tornillos de grado inferior al  4.6  ni de grado superior al  10.9  sin

demostración experimental que son adecuados para la unión en la que se prevé su

uso.

La calidad del acero empleado en la fabricación de los tornillos marca el tipo

de tornillos, en la siguiente tabla se dan a conocer los valores nominales del límite

elástico fyb y de la resistencia de última atracción fub del acero empleado en la

fabricación del tornillo. 

Valores nominales del límite elástico fyb y de la resistencia a tracción

última fub de tornillos

Tipo de tornillo 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 10.9

fyb (N/mm2) 240 320 300 400 480 640 900

fub (N/mm2) 400 400 500 500 600 800 1000

Los tornillos de grado 8.8 y 10.9 o superior a este grado se le denomina tornillos de alta

resistencia.

Calculo de la resistencia de un tornillo

Resistencia a cortante y aplastamiento 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:

- La resistencia a cortante del tornillo, Fv,Rd

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

 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:

Fv,Rd =   0,6 * fub * As

γMb

Tornillo de Grados 4.8,  5.8,  6.8  y  10.9:

Fv,Rd =   0,5 * fub * As

γMb

Donde:

As   es el área resistente a tracción del tornillo.

fub   es la tensión última a tracción del tornillo.

γMb   es el coeficiente parcial de seguridad.

 

Por otro lado, 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:

Fv,Rd =   0,6 * fub * A

γMb

En la siguiente tabla se dan a conocer la resistencia a simple cortante en kN de

los tornillos de diámetros y grados más usados cuando los planos de corte no pasan

por la zona roscada del vástago.

Calculo de la resistencia al aplastamiento Fb,Rd

La resistencia al aplastamiento de la pieza en la zona contigua al tornillo Fb,Rd está dada

por la siguiente expresión:

Fb, Rd=

Donde:

d: diámetro del tornillo;

t: espesor de la chapa;

e1: distancia al extremo frontal;

d0: diámetro del agujero;

p1: separación entre tornillos;

As: área resistente a tracción;

A: área de la sección transversal.

En esta tabla se dan a conocer la resistencia a aplastamiento

Uniones con bulones

Los bulones son elementos de acero, los cuales han

recibido algún tipo de tratamiento térmico para

mejorar sus prestaciones mecánicas y durabilidad de

uso.

Para facilitar las labores de montaje de estos

elementos, son en la mayoría de los casos de

geometría cilíndrica y de sección llena para

ofrecer la máxima resistencia al montaje.

Como se ha dicho, es muy común su uso para aquellos tipos de uniones entre

piezas o componentes mecánicos que se requieren que sean desmontables por sus

características de uso.

Unos ejemplos de pasadores conocidos son los bulones de los pistones dentro de

un motor los cuales permiten mantener fijo el pistón a la biela del motor.

Calidad de acero ara los bulones.

En la siguiente tabla se indican los valores del límite elástico fyb mínimo y la

resistencia última a tracción fub del acero empleado en la fabricación del bulos, según

el tipo de tratamiento al que se ha sometido y al diámetro de esté.

Tabla 1.  Calidad de acero para bulones

Estado Temple y Revenido Normalizado

  d ≤ 16 mm16 mm < d ≤ 40

mm

40 mm < d ≤

100 mmd ≤ 16 mm

16 mm < d ≤

100 mm

Designació

n

fyb

(N/mm2

fub

(N/mm2

fyb

(N/mm2

fub

(N/mm2

fyb

(N/mm2

fub

(N/mm2

fyb

(N/mm2

fub

(N/mm2

fyb

(N/mm2

fub

(N/mm2)

) ) ) ) ) ) ) ) )

C 22 340500 a

650290

470 a

620-- -- 240 430 210 410

C 25 370550 a

700320

500 a

650-- -- 260 470 230 440

C 30 400600 a

750350

550 a

700300 (*)

500 a

550 (*)280 510 250 480

C 35 430630 a

780380

600 a

750320

550 a

700300 550 270 520

C 40 460650 a

800400

630 a

780350

600 a

750320 580 290 550

C 45 490700 a

850430

650 a

800370

630 a

780340 620 305 580

C 50 520750 a

900460

700 a

850400

650 a

800355 650 320 610

C 55 550800 a

950490

750 a

900420

700 a

850370 680 330 640

C 60 580852 a

1000520

800 a

950450

750 a

900380 710 340 670

Esfuerzo cortante

Cuando un bulón esté dispuesto en la unión de tal manera que sólo esté

sometido a un esfuerzo cortante (FE,b), o esfuerzo de cortadura, entonces la

resistencia (FR,b) de dicho bulón de diámetro " d ", sección transversal "A" y fabricado

de un tipo de acero que tenga una resistencia última a tracción  fub, viene

determinada por la siguiente expresión:

FR,b = 0,6 · A · fub / γMb

Donde Ymb es el coeficiente parcial para la resistencia del acero del que está

fabricado el bulón. En este caso, para uniones con bulón, se tiene que este coeficiente

de seguridad vale Ybm = 1,25

Entonces se tendrá que el bulón empleado de diámetro “d”resistirá con garantías a la

solicitación FEb, que actua sobre el bulón, si se cumple que:

FR,b > FE,b

Donde:

FRb es la resistencia cortante del bulón, calculada según la expresión anterior.

FEb es el valor del esfuerzo cortante que actúa sobre el bulón.

Conclusión:

A lo largo de este trabajo se han presentado las comprobaciones a realizar para

cada tipo de unión, para esfuerzos de tracción, corte, flexión, entre otros.