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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
Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
• 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
©SENER Ingeniería y Sistemas, S.A. – Barcelona 2018
Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
• 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
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
En la tabla adjunta se indica las calidades según EN 1993 1-8
En algunas normas nacionales (EAE) se prescinde del 4.8
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
▪ 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
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
▪ 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
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• 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.
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
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.
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
➢ 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”)
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
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.
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En la guía interna mecánica de F.Artigas TF/TF/N -9271 de SENER (1999) se
ilustra bien ese diagrama :
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
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
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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.
Uniones atornilladas
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
En la evaluación de la seguridad frente a fatiga lo que cuenta es la variación de tensiones
(carrera, “range”) y número de ciclos.
Uniones atornilladas
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
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.
Uniones atornilladas
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
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.
Uniones atornilladas
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
• 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.
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• 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
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
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
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
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,
La problemática del apriete según F.Quintero
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
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.
La problemática del apriete según F.Quintero
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
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. (***)
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
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 .
El método del par de apriete.
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
• 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 método del par de apriete.
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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
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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.
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• 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
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• 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
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
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
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
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.
El método de la arandela indicadora DTI
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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.
El método de la arandela indicadora DTI
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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.
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- 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.
Uniones resistentes al deslizamiento con tornillos
pretensados.
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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
Uniones resistentes al deslizamiento con tornillos
pretensados.
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
Ejemplo de diseño : Nudo de pórtico. Alzado
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
Ejemplo de diseño : Nudo de pórtico. Planta
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
Ejemplo de diseño : Nudo extremo de cercha. Alzado
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
Ejemplo de diseño : Nudo extremo de cercha , frente.
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
❑ 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.
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
❑ 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.
Recomendaciones finales.
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
❑ 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
Recomendaciones finales.
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Uniones atornilladas: ¿Pretensar o no pretensar?
Gracias
La manera de ver el futuro
Alfredo Arnedo Pena (15-05-2019)