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Análisis de uniones atornilladas según diferentes códigos del acero

/ 31 May 2023 / por: Yurii Shumak

Comprobaciones de pernos

Las uniones atornilladas se utilizan habitualmente para unir dos o más componentes en aplicaciones de ingeniería mecánica. Las uniones atornilladas han demostrado ser conexiones eficaces y seguras, con varias opciones de modificación del diseño que garantizan el mejor ajuste para la estabilidad general de la estructura. Existen varios tipos de uniones atornilladas, entre las que se incluyen:

• Junta solapada: Una junta solapada se crea cuando se atornillan dos chapas superpuestas. Este tipo de unión se utiliza habitualmente en trabajos de chapa metálica.
• Junta a tope: Una junta a tope se crea cuando dos placas se colocan extremo con extremo y se atornillan. Este tipo de unión se utiliza habitualmente en aplicaciones estructurales.
• Junta en T: Una junta en T se crea cuando una placa se coloca perpendicularmente a otra y se atornillan. Este tipo de unión se utiliza habitualmente en aplicaciones estructurales.
• Junta de esquina: Una junta de esquina se crea cuando dos placas se colocan en ángulo recto entre sí y se atornillan. Este tipo de junta se utiliza habitualmente en aplicaciones estructurales.
• Junta de borde: Una junta de borde se crea cuando dos chapas se colocan borde con borde y se atornillan. Este tipo de unión se utiliza habitualmente en trabajos de chapa metálica.
• Junta de brida: Una junta de brida se crea cuando se atornillan dos bridas. Este tipo de unión se utiliza habitualmente en tuberías y otras aplicaciones industriales.

El análisis del rendimiento de una unión atornillada implica la precarga aplicada a los pernos, el material de los pernos, las dimensiones del perno y de los materiales que se unen, y las cargas aplicadas a la unión durante su funcionamiento.

Algunos análisis estándar realizados en uniones atornilladas incluyen análisis de precarga, tensión, fatiga, elementos finitos (FEA) y par de apriete. El análisis de precarga implica el cálculo de la precarga necesaria para una junta determinada en función de las cargas que experimentará durante su funcionamiento. El análisis de tensiones implica el cálculo de las tensiones y deformaciones en el perno, la tuerca y otros componentes de la junta, lo que ayuda a determinar si la junta puede soportar las cargas aplicadas sin fallos ni deformaciones permanentes. El análisis de fatiga implica calcular la vida a fatiga de una unión atornillada basándose en los ciclos de carga que se espera que experimente durante su vida útil para determinar el programa de mantenimiento necesario para la unión y predecir cuándo puede ser necesario sustituirla. El análisis por elementos finitos puede ayudar a optimizar el diseño de la junta y a identificar posibles modos de fallo y zonas críticas. El análisis del par de apriete implica calcular el par necesario para alcanzar la precarga deseada en una unión atornillada. En general, un análisis exhaustivo de una unión atornillada implica tener en cuenta múltiples factores y realizar numerosos tipos de investigación para garantizar que la unión sea segura y fiable durante su funcionamiento.

Mejores prácticas de diseño de conexiones atornilladas

El diseño de conexiones atornilladas es un aspecto crucial de muchos proyectos de ingeniería, y es esencial seguir las mejores prácticas para garantizar la seguridad, la fiabilidad y la eficacia. Normalmente, los ingenieros tienen que seleccionar el tipo correcto de perno en función de la aplicación. Por ejemplo, pernos de alta resistencia: para cargas elevadas. Además, pernos resistentes a la corrosión – para entornos en los que se espera una exposición a la humedad u otras sustancias corrosivas. También es crucial determinar el tamaño y la cantidad de pernos adecuados en función de las cargas y tensiones previstas en la unión.

Debe determinarse la correcta instalación de los pernos para garantizar la seguridad y fiabilidad de la unión. Esto incluye utilizar las especificaciones de par de apriete adecuadas, lubricar los pernos cuando sea necesario y asegurarse de que los pernos se aprietan a la tensión correcta. Además, los ingenieros deben tener en cuenta los efectos de fuerzas externas como el viento o la actividad sísmica. Estas fuerzas pueden ejercer una tensión adicional sobre la junta y pueden requerir pernos o refuerzos adicionales. Posteriormente, es necesario realizar inspecciones periódicas para asegurarse de que los pernos siguen en buen estado y son capaces de soportar las cargas previstas. Las inspecciones deben incluir la comprobación de signos de corrosión o daños en los pernos, así como la comprobación de la tensión de los pernos para asegurarse de que no se han aflojado con el tiempo. Siguiendo estas buenas prácticas, los ingenieros pueden diseñar conexiones atornilladas que sean seguras, fiables y eficientes.

Comprobación de pernos AISC 360-10

AISC 360-10 Capítulo J3. Pernos y piezas roscadas es una norma desarrollada por el Instituto Americano de la Construcción en Acero (AISC) que proporciona directrices para el diseño de uniones atornilladas en estructuras de acero. La norma abarca una amplia gama de tipos de uniones atornilladas, incluidas las uniones solapadas, las uniones en T y las uniones críticas divididas.

AISC 360-10

AISC 360-10 Bolt Check se implementa en SDC Verifier. La norma especifica el uso de pernos de alta resistencia, que se agrupan en función de la resistencia del material, como se indica a continuación:

La norma también cubre el uso de conexiones con deslizamiento crítico, que dependen de la fricción entre las superficies atornilladas para transmitir la carga.

AISC 360-10 considera varios tipos de cargas en el diseño de uniones atornilladas. En SDC Verifier, estas comprobaciones según AISC 360-10 pueden realizarse rápidamente:

• Resistencia a la tracción y al cizallamiento de pernos y piezas roscadas
• Tensión y cizallamiento combinados en conexiones tipo rodamiento
• Pernos de alta resistencia en conexiones con deslizamiento crítico
• Resistencia en los agujeros de los pernos

Ambos métodos de verificación de pernos, prescritos por AISC 360-10 – ASD y LRFD están implementados en SDC Verifier.

Comprobación de pernos Eurocódigo 3

EN 1993, Eurocódigo 3: Diseño de estructuras de acero, Capítulo 1-8 es una norma europea que proporciona directrices para el diseño de uniones atornilladas en estructuras de acero. Ha sido elaborada por el Comité Técnico CEN/TC250 «Eurocódigos estructurales». La norma abarca una amplia gama de tipos de uniones atornilladas, incluidas las uniones solapadas, las uniones a tope y las uniones en T, así como las uniones de brida y las uniones de carril-grúa.

EN 1993-1-8

Pernos Eurocódigo 3 (EN 1993-1-8, 2005) – Verificación de pernos según la norma EN 1993-1-8:2005. (Sección 3 Conexiones realizadas con pernos, remaches o pasadores) se implementa en SDC Verifier . Para los requisitos de la norma EN 1993-1-8 se pueden realizar comprobaciones de la conexión a cortante para el tipo de cojinete, resistencia al deslizamiento en estado de servicio, resistencia al deslizamiento en estado final; y para la conexión a tracción: para pernos no precargados, y precargados.

Todos los pernos, tuercas y arandelas deben cumplir las normas de referencia 1.2.4: Grupo 4. Pernos, tuercas y arandelas, donde se enumeran todos los capítulos de las normas industriales pertinentes.
Las normas de esta verificación de pernos son válidas para las clases de pernos que figuran en la tabla siguiente.

Para la comprobación de pernos EN 1993-1-8, se pueden realizar las siguientes comprobaciones en SDC Verifier:

• Conexión a cortante
  • A. tipo de rodamiento;
  • B. Resistencia al deslizamiento en servicio;
  • C. Resistencia al deslizamiento en el límite;
• Conexión de tensión
  • D. no precargado;
  • E. precargado.

Comprobación de pernos VDI 2230

En la norma VDI 2230 Cálculo sistemático de uniones atornilladas de alta resistencia se determinan las tensiones, la conformidad, la fuerza a través de un tornillo y una placa, las cargas de montaje, las cargas de servicio y la resistencia a la fatiga del tornillo. Fue publicada por la Asociación de Ingenieros Alemanes (VDI) en 1976 y desde entonces ha sido revisada varias veces. Inicialmente, la norma se desarrolló para la industria del automóvil, pero hoy en día se utiliza ampliamente en todas las industrias a nivel internacional para verificar las uniones atornilladas de alta resistencia. No sólo el cálculo en sí, sino también la información detallada del cálculo junto con la explicación de las relaciones entre fuerzas, momentos y deformaciones.

VDI 2230

La norma establece una directriz para las uniones atornilladas métricas ISO con el fin de evitar fallos potenciales como la cesión de los pernos por sobreesfuerzo, el aplastamiento de las placas de apriete, la pérdida de precarga de la unión atornillada por empotramiento, aplastamiento y deslizamiento, el desprendimiento de la rosca y los fallos por fatiga de los pernos. La VDI cubre las uniones atornilladas de alta resistencia con cargas constantes o alternas. La norma VDI 2230, Parte1 cubre las directrices para uniones atornilladas de alta resistencia con cargas constantes o alternas, fabricadas en acero, M4-M39. En la directriz VDI 2230, parte 1, se tratan las uniones atornilladas que deben transmitir cargas de trabajo constantes o alternas y que están diseñadas con pernos de alta resistencia. En la figura siguiente se muestra la geometría de la junta con las cargas aplicadas correspondientes, así como el procedimiento de cálculo sugerido.

SDC Verifier dispone de una biblioteca de pernos especial para la comprobación de pernos VDI 2230

Otras normas Bolt

Las normas para la verificación de pernos varían según los países y las regiones. Una parte de ellas se basa en el AISC y el Eurocódigo con anexos, pero la otra parte es autónoma. Es esencial utilizar los requisitos de las normas pertinentes para la aplicación específica y el lugar donde se vaya a utilizar la unión atornillada. He aquí algunos ejemplos de diferentes códigos para comprobaciones de pernos que se utilizan ampliamente en las industrias de elevación de cargas pesadas, petróleo y gas, marítima y de alta mar, entre otras.

• ISO 10721-2:1999 (Estructuras de acero – Parte 2: Fabricación y montaje – Sección 4.7 Pernos, tuercas y arandelas) Norma internacional de ISO para estructuras de acero.
• ASME BTH-1 – 2020 (Diseño de dispositivos de elevación por debajo del gancho) es una norma estadounidense para el diseño de dispositivos de elevación por debajo del gancho. Esta norma proporciona unos requisitos mínimos de diseño estructural y mecánico. Las conexiones atornilladas se basan únicamente en los orificios del polipasto.
• NSTS 080307 (Sistema de Transporte Espacial de la NASA: Criterios del transbordador espacial para pernos precargados). Esta norma presenta un conjunto esencial y obligatorio de métodos y criterios que debe cumplir todo perno pretensado. También proporciona criterios y procedimientos sugeridos que deben comprenderse y tenerse en cuenta en el diseño y análisis de las conexiones pretensadas.
• ASTM A325M-00 Especificación estándar para pernos de alta resistencia para uniones de acero estructural [Métrico].
• Normas canadienses para pernos. CSA S16, Diseño de estructuras de acero, en el capítulo S16-09 se especifican los requisitos para pernos de acero, cabezas de pernos, tuercas y arandelas.
• CSA A23.3-04 (Diseño de estructuras de hormigón. Anexo D (informativo) Anclaje) es la norma canadiense para el diseño de estructuras de hormigón. Esta norma se refiere principalmente a los pernos de anclaje. Algunos requisitos de esta norma son conformes al Código Nacional de la Construcción de Canadá.
• BS 5950 (Uso estructural de la carpintería metálica en la edificación) es una norma británica para el uso estructural de la carpintería metálica en la edificación. Esta norma en concreto ofrece recomendaciones para el diseño de secciones laminadas y soldadas, incluidas las uniones atornilladas. La estructura de la norma es similar a la del Eurocódigo.
• AS 4100 (Estructuras de acero. Sección 9.2 Diseño de pernos) es la norma australiana para estructuras de acero. Esta norma proporciona los requisitos mínimos para el diseño de uniones atornilladas en estructuras utilizando el método de diseño de estados límite. Se aplica a edificios, estructuras y grúas de acero.
• JIS B 8821 (Normas de cálculo para estructuras de acero de grúas) es la norma japonesa para el cálculo de estructuras de acero de grúas. Las estructuras de grúas se especifican en JIS B 0146-1.
• CoP – SuoS (Código de prácticas para el uso estructural del acero. Sección 9.3 Conexiones atornilladas) es la norma de Hong Kong. Esta norma proporciona recomendaciones para el diseño de edificios y estructuras de acero. Esta norma utiliza el método de diseño de estados límite.
• GB 50017 (Norma para el diseño de estructuras de acero. Sección 11 Conexiones) es la norma nacional china. Todos los cálculos, excepto los de fatiga, se basan en el LRFD.
• Norma india IS 800 (2007) Construcción general en acero – Código de buenas prácticas (Sección 10 Conexiones. 10.3 Pernos de tipo portante) Es el documento principal para cualquier diseño estructural e influye en muchos otros códigos relativos a las estructuras de acero. Esta norma sólo ofrece una orientación general sobre las distintas cargas que deben tenerse en cuenta en el diseño.
• La IS 4000 es una norma india para pernos de alta resistencia en estructuras de acero (primera revisión) adoptada en 1992 por la Oficina de Normas Indias.
• El Código Egipcio de Prácticas para la Construcción en Acero (ECP) contiene requisitos para los pernos según la LRFD y la ASD.

Comparación para comprobaciones de uniones atornilladas AISC 360-10, EN 1993-1-8, VDI 2230

SDC Verifier implementa estas normas ampliamente utilizadas en muchas industrias a nivel mundial para la verificación de estructuras con uniones atornilladas. A continuación se muestra la comparación general de las verificaciones de uniones atornilladas AISC 360-10, EN 1993-1-8 (Eurocódigo de verificación de uniones atornilladas) y VDI 2230 preparada por nuestro equipo de ingenieros.

Resumen

SDC Verifier incorpora comprobaciones de pernos AISC 360-10, Eurocódigo 3, VDI 2230 y los ingenieros pueden ejecutar estas comprobaciones utilizando la versión completa de SDC Verifier o una aplicación dedicada a la comprobación de pernos.

Además de las normas de pernos preimplementadas, SDC Verifier ofrece a los ingenieros estructurales la flexibilidad de crear comprobaciones de pernos personalizadas a través del editor de fórmulas. Las comprobaciones pueden crearse completamente desde cero o basarse en las normas de pernos ya implementadas. Aprovechando el editor de fórmulas, los ingenieros pueden adaptar con precisión las comprobaciones de pernos para satisfacer los requisitos específicos de sus proyectos, garantizando resultados precisos y fiables.

Aplicación Bolt Check

Gracias a las funciones de simulación de elementos finitos de SDC Verifier, combinadas con una biblioteca de normas cada vez mayor, cualquier diseño puede simularse y comprobarse de acuerdo con las normas del sector. Además, el número de funciones diversas destinadas a optimizar la estructura y ahorrar tiempo a los ingenieros aumenta continuamente según las demandas de los usuarios.