Cálculos de la resistencia de los pernos: Comprender los fundamentos
Yevheniia Sidakova
Los pernos desempeñan un papel fundamental en las conexiones de carga de innumerables conjuntos mecánicos y estructurales, desde máquinas sencillas hasta edificios altísimos. Pero detrás de cada conexión atornillada fiable hay una cuidadosa consideración de las fuerzas a las que se enfrentarán. Tanto si un tornillo mantiene unidos los componentes de un motor como si soporta las vigas de un puente, es fundamental comprender la mecánica que subyace a los cálculos de resistencia de los tornillos.
Este artículo explora los fundamentos de la resistencia de los pernos, centrándose específicamente en la resistencia a la tracción, la resistencia al cizallamiento y la carga de prueba, conceptos que guían a los ingenieros en el diseño de conexiones que funcionen de forma fiable, incluso en condiciones exigentes.
Lea nuestros posts anteriores sobre tornillos:
- Normas para tornillos: Una guía completa
- Comprender las especificaciones de los pernos: Guía para principiantes
¿Qué es la resistencia de los pernos?
La resistencia de los pernos se refiere a la capacidad de un perno para soportar fuerzas sin romperse ni deformarse. Existen diferentes tipos de condiciones de carga que pueden experimentar los pernos, como la tensión (fuerza de tracción) y el cizallamiento (fuerza de deslizamiento). Para garantizar el cumplimiento de las normas industriales relativas a la resistencia de los pernos, a menudo se realizan comprobaciones de los pernos utilizando el Eurocódigo 3 (EN1993) para las estructuras de acero europeas y el AISC 360-10 en EE.UU.
Estas normas proporcionan criterios específicos para evaluar la resistencia de los pernos, por lo que es crucial seguirlos a la hora de diseñar uniones at ornilladas que puedan soportar cargas operativas de forma segura. Comprender los parámetros de resistencia en estas condiciones es crucial para diseñar uniones atornilladas que puedan soportar cargas operativas con seguridad.
Resistencia a la tracción
La resistencia a la tracción se refiere a la cantidad máxima de fuerza de tracción (arrastre) que puede soportar un perno antes de fracturarse. Es uno de los aspectos más fundamentales de la resistencia de un tornillo y está directamente relacionada con las propiedades del material y el diámetro del tornillo, y debe corresponderse con normas como la AISC 360-10. La resistencia a la tracción suele expresarse en megapascales (MPa) o libras por pulgada cuadrada (PSI).
Para calcular la resistencia a la tracción de un tornillo, se utiliza la siguiente ecuación:
P = St × As
Dónde:
- P= Carga de tracción- una medida directa de la carga de la abrazadera (lbs., N).
- St= resistencia a la tracción del material – una medida genérica de la resistencia del material (psi, MPa).
- As= Área de tensión de tracción para el sujetador o área del material (pulg2, mm2).
Nota: El área de tensión de tracción tiene en cuenta el efecto del roscado y es diferente del área nominal de la sección transversal. Puede calcularse utilizando fórmulas de normas como el Machinery’s Handbook.
Resistencia al cizallamiento
Resistencia al cizallamiento Se refiere a la tensión máxima que puede soportar un elemento de fijación antes de fracturarse cuando se aplica en ángulo recto con respecto a su eje.
Este tipo de fuerza es habitual en las uniones atornilladas sometidas a cargas laterales (de lado). Un perno suele tener una resistencia al cizallamiento menor que su resistencia a la tracción, y este parámetro es crucial para aplicaciones en las que los pernos están sometidos a cargas de cizallamiento, como en marcos estructurales o juntas de maquinaria.
La resistencia al cizallamiento puede calcularse mediante la siguiente ecuación:
Dónde:
- Fs es la fuerza cortante
- A es el área de la sección transversal del perno
- n es el número de tornillos
Idea práctica: En una configuración de doble cizallamiento, los pernos suelen experimentar una mayor resistencia al cizallamiento. Al diseñar uniones atornilladas, asegúrese de que se evalúan la trayectoria de la carga y la disposición de los pernos para determinar si es aplicable una configuración de cizallamiento simple o doble.
Carga de prueba
El carga de prueba es la fuerza máxima que puede soportar un perno sin experimentar una deformación permanente. Sirve como umbral de seguridad, garantizando que el perno no se estirará ni deformará en las condiciones de carga previstas. La carga de prueba suele especificarse como un porcentaje del límite elástico del perno, que suele oscilar entre el 85% y el 95%.
La ecuación para la carga de prueba es
Fp = At x Sp
Dónde:
- Fp es la carga de prueba (la carga máxima que puede soportar el perno sin deformación permanente),
- At es el área de tensión de tracción del perno (es el área efectiva que resiste la carga, teniendo en cuenta el roscado),
- Sp es la resistencia o tensión de prueba (la tensión máxima que puede soportar el material sin deformación plástica).
Importante: Superar la carga de prueba puede provocar el alargamiento del perno, lo que es especialmente crítico evitar en aplicaciones sensibles a la fatiga, en las que el perno está sometido a cargas cíclicas.
Grados de pernos relacionados con la resistencia
Además, identificar las calidades de los tornillos es esencial para garantizar la aplicación correcta en función de su resistencia y dureza. He aquí un breve resumen:
| Grado | Resistencia a la tracción | Límite elástico | Carga de prueba |
| Grado 1 | 60.000 psi (415 MPa) | 36.000 psi (250 MPa) | 33.000 psi (230 MPa) |
| Grado 2 | 74.000 psi (510 MPa) | 57.000 psi (395 MPa) | 55.000 psi (380 MPa) |
| Grado 5 | 120.000 psi (830 MPa) | 92.000 psi (635 MPa) | 85.000 psi (590 MPa) |
| Grado 8 | 150.000 psi (1.035 MPa) | 130.000 psi (895 MPa) | 120.000 psi (825 MPa) |
| Grado 8.2 | 150.000 psi (1.035 MPa) | 120.000 psi (825 MPa) | 120.000 psi (825 MPa) |
| Grado 9 | 180.000 psi (1.240 MPa) | 140.000 psi (965 MPa) | 140.000 psi (965 MPa) |
| Clase 8.8 | 830 MPa (120.000 psi) | 640 MPa (93.000 psi) | 600 MPa (87.000 psi) |
| Clase 10.9 | 1.040 MPa (151.000 psi) | 940 MPa (136.000 psi) | 830 MPa (120.000 psi) |
| Clase 12.9 | 1.220 MPa (176.000 psi) | 1.220 MPa (176.000 psi) | 970 MPa (140.000 psi) |
Cada grado refleja la capacidad del tornillo para soportar tensiones en diferentes condiciones. Seleccionar el grado adecuado garantiza la seguridad y la fiabilidad en las aplicaciones de ingeniería.
Consideraciones prácticas para los ingenieros
Al realizar los cálculos de resistencia de los pernos, debe tener en cuenta no sólo los parámetros de resistencia individuales, sino también las condiciones específicas en las que se utilizará el perno. He aquí algunas consideraciones clave, mencionadas en el artículo anterior:
- Selección del material: Las propiedades del material del tornillo afectan significativamente a las cargas de tracción, cizallamiento y prueba. Los materiales de alta resistencia, como los aceros aleados, ofrecen mayores capacidades de carga que los aceros al carbono estándar, lo que los hace más adecuados para entornos de alta tensión.
- Grado del perno: Los grados más altos (por ejemplo, 10.9, 12.9) corresponden a pernos con mayor resistencia a la tracción y al límite elástico, utilizados en aplicaciones que exigen una elevada relación resistencia-peso.
- Tipo de rosca: Los pernos de rosca fina suelen ofrecer una mayor resistencia a la tracción que los de rosca gruesa debido a su mayor área de tensión efectiva. Comprender el paso y el diámetro de la rosca es esencial a la hora de determinar la resistencia de los pernos.
- Precarga: Precargar un perno garantiza que permanezca en tensión, reduciendo el riesgo de fallo por fatiga en condiciones de carga dinámica. Una precarga adecuada también puede evitar que se afloje durante el funcionamiento. Herramientas como la aplicación de verificación de pernos SDC Verifier ayudan a automatizar la verificación de pernos en software como Ansys, Femap y Simcenter 3D, garantizando una precarga óptima.
- Apriete por torsión: Un apriete adecuado del par de apriete es fundamental para conseguir la precarga deseada en las uniones atornilladas. Un apriete insuficiente puede provocar una precarga insuficiente, aumentando el riesgo de fatiga, mientras que un apriete excesivo puede provocar el fallo del perno debido a la elasticidad. Consulte las tablas de par de apriete como orientación.
- Condiciones ambientales: La corrosión, las temperaturas extremas y las vibraciones pueden afectar al rendimiento de los pernos con el paso del tiempo. Seleccionar materiales con revestimientos resistentes a la corrosión o aleaciones tratadas térmicamente garantiza la fiabilidad a largo plazo en entornos difíciles.
Conclusión
En las aplicaciones de ingeniería, calcular con precisión la resistencia de los pernos es fundamental para garantizar la seguridad y fiabilidad de las uniones atornilladas. Al comprender parámetros clave como la resistencia a la tracción, la resistencia al cizallamiento y la carga de prueba, los ingenieros pueden tomar decisiones informadas a la hora de seleccionar y diseñar pernos para aplicaciones específicas. Cada uno de estos parámetros desempeña un papel distinto en el comportamiento de un tornillo en diferentes condiciones de carga, y juntos garantizan que los tornillos funcionen de forma óptima dentro de los límites de diseño previstos.
