6 Tornillos Deslizamiento Critico

Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología - U.N.T. Asignatura: ESTRUCTURAS METALICAS y de MADERA

UNIONES DE DESLIZAMIENTO CRITICO

1- UNIONES DE DESLIZAMIENTO CRITICO Las uniones de deslizamiento crítico, también llamadas uniones antideslizantes, pertenecen a la categoría de uniones modernas, junto con la soldadura. Son muy eficientes, y presentan algunas ventajas respecto a estas últimas, como ser: • • •

Requieren de una mano de obra menos especializada Pueden desarmarse sin generar cortes o rotura en los elementos metálicos Son adecuadas para soportar cargas dinámicas

Su principio de funcionamiento consiste en aplicar una alta compresión a las chapas o elementos a unir, de manera que ante las solicitaciones no puedan desplazarse una respecto a otra. Esta fuerza de compresión se logra realizando un ajuste muy importante en las tuercas, generando tensiones de tracción muy elevadas en los bulones que componen la unión. Por ello es que necesitamos utilizar solamente tornillos de alta resistencia en este tipo de uniones. De acuerdo a este concepto, podríamos decir que cuando unimos 2 chapas con un bulón, conforme a cuanto apretamos la tuerca, se definen 2 situaciones: a) Ajuste sin juego (o ajuste simple): es el máximo ajuste que el operario puede lograr con la llave de tuerca ordinaria. Las chapas quedan en contacto firme. Este ajuste se permite en uniones tipo aplastamiento (como las vistas) que trabajan al corte, o tracción, o combinación de ambas. b) Ajuste con bulón totalmente traccionado: este ajuste se logra cuando el vástago queda traccionado con una tensión del 70% de la tensión de rotura del acero (Fu). Estos valores están dados en la Tabla J.3.1del Reglamento Cirsoc 301 EL.

FaCET – U.N.T.

Estructuras Metálicas y de Madera

Los bulones traccionados con estos valores no tienen tendencia a aflojarse, pero debemos tener mas precaución cuando la unión este sometida a cargas vibratorias. Se puede realizar un punto de soldadura entre la tuerca y el bulón, o colocar doble tuerca. Para lograr estas fuerzas de tracción en el bulón se puede aplicar uno de los siguientes métodos: 1) Sobregiro de la tuerca: los bulones se aprietan con la llave ordinaria, se hace una marca en esa posición inicial, y luego se le da un sobregiro de 1/3 de vuelta (usando una llave de mayor brazo) 2) Llave calibrada: es una llave de impacto que detiene el ajuste al alcanzar el par necesario para la tracción establecida en el tornillo. 3) Indicador Directo de Tracción: son arandelas planas que tienen unos salientes, que se aplanan (o achatan) cuando se llega a la tensión establecida. Al aplanarse esa protuberancia, aparece una silicona de color que indica esa situación. 4) Bulón Calibrado: el vástago del bulón tiene una hendidura para debilitar la sección. Se hace girar en sentido contrario vástago y tuerca, y al alcanzar el par previsto para la tracción se corta el vástago en la zona debilitada.

1.1- Generalidades – Funcionamiento: Cuando los bulones están apretados con las fuerzas antes indicadas, las chapas o elementos a unir quedan fuertemente comprimidas, y aparece una resistencia al deslizamiento entre ellas. De esta manera se “transforma” la fuerza axial de tracción en el bulón, en una fuerza de roce entre las chapas. Este es el principio de funcionamiento de estas uniones.

Desde el punto de vista estático, tenemos: La resistencia al deslizamiento = T. μ

siendo:

T = fuerza de apriete del bulón (tracción)

Uniones de Deslizamiento Crítico – Ing. Julio Grellet

Página 2

FaCET – U.N.T.

Estructuras Metálicas y de Madera

μ = coeficiente de roce entre las chapas Vemos claramente que esta resistencia al deslizamiento depende de la tracción que le demos al tornillo, y del coeficiente de roce μ Si la fuerza a transmitir es menor que la resistencia al deslizamiento, no habrá deslizamiento en la unión. Para que exista una buena fricción, las chapas en la zona de la unión deben estar limpias y libres de escamas, polvo, rebarbas, que impidan un pleno contacto entre los elementos a unir. El CIRSOC 301 EL considera los siguientes valores de μ:. • • •

μ =0.33 para superficie limpiada con cepillo de acero y sin revestimientos (pinturas). μ ≤ 0.50 para superficie es tratada con chorro de arena o soplete oxiacetilénico. μ = 0.19 en el caso de chapas galvanizadas.

1.2- Dimensionado de la Unión: Generalmente la unión debe dimensionarse con las cargas de servicio, salvo casos especiales donde el proyectista considere que no habrá deslizamiento hasta la falla. En este caso estaríamos dimensionando por estado último con solicitaciones producidas por las cargas mayoradas.

1.3- Uniones de Deslizamiento Crítico proyectadas para Cargas de Servicio: 1.3.1- Uniones solicitadas a Corte: Se dimensionan en base a la “Resistencia de Diseño al Corte” que en realidad es la fuerza que puede transmitir la unión por rozamiento, ya que, recordemos, el bulón no trabaja al corte. Esta “Resistencia de Diseño al Corte” vale: Rd = Ø .Fv . Ab .(10-1) Ø : Factor de resistencia = 1 para agujeros normales, holgados, ovalados cortos u ovalados largos (con eje mayor normal a la dirección de la fuerza) = 0.85 para ovalados largos (con eje mayor paralelo a la dirección de la fuerza) Ab = área bruta del vástago del bulón [cm2] Fv = resistencia al deslizamiento crítico para cargas de servicio = T. μ [MPa] Fv se indican en la Tabla A-J.3.2 del Reglamento

Uniones de Deslizamiento Crítico – Ing. Julio Grellet

Página 3

FaCET – U.N.T.

Estructuras Metálicas y de Madera

Los valores de esta Tabla corresponden a un coeficiente μ= 0,33. Para valores mayores ó menores de 0,33, el valor de Fv se afectará por la misma relación μ’/0.33, siendo μ’ el coeficiente de roce distinto de 0,33. Para el caso de agujeros ovalados largos con el eje mayor paralelo a la dirección de la fuerza, el Factor de Resistencia Ø es menor porque un pequeño deslizamiento en esta unión puede provocar deformaciones en la estructura que modifiquen las solicitaciones de sección. Por eso es necesario en este caso una mayor seguridad. El Reglamento especifica que: “las uniones de deslizamiento crítico proyectadas para cargas de servicio, deben verificarse como uniones tipo aplastamiento (al corte y al aplastamiento) para cargas mayoradas”, de manera que si son superadas las cargas de servicio, la unión no falle y quede trabajando como unión al corte y aplastamiento. 1.3.2- Unión solicitadas a Corte y Tracción combinadas: Cuando la unión esté sometida a tracción, además del corte, este efecto se opone al pretensado del bulón, por lo que se disminuye la capacidad de transmitir corte por fricción. En este caso, la Resistencia de Diseño vale: Rd1 = Rd .(1- T/0,8Tb. Nb) Es decir es la misma Resistencia de Diseño calculada para el caso de corte puro, afectada por un coeficiente ˂ 1 T = fuerza de tracción que actúa en la unión debido a las cargas de servicio {KN} Tb = fuerza de pretensado mínima del bulón, obtenido de la Tabla J.3.1 Nb = número de bulones solicitados con T 1.4- Uniones de Deslizamiento Crítico proyectadas para Cargas Mayoradas

(estado último): 1.4.1- Uniones solicitadas a Corte: La resistencia de diseño al deslizamiento deberá ser mayor o igual que la fuerza requerida de corte debida a las cargas mayoradas: Rd = Ø . Rstr

siendo Rstr = Resistencia Nominal al deslizamiento [KN]

Luego: Rd = 1,13. Ø. μ. Tb . Ns . Nb

donde:

Tb = fuerza de tracción mínima del bulón dada en la Tabla J.3.1, en [kN]. Ns = cantidad de superficies de rozamiento. Nb = número de bulones de la unión. μ = coeficiente medio de rozamiento para las Clases A, B, o C, según corresponda, o el que surja de ensayos. (a) Para superficies Clase A (superficies de acero limpias con cepillo metálico libres depolvo, óxido o cascarillas de laminación y no pintadas, o superficies con recubrimientos Clase A en acero limpiado con chorro de arena) μ = 0,33 (b) Para superficies Clase B (superficies de acero limpiadas con chorro de arena y no pintadas o superficies con recubrimiento Clase B en acero limpiado con chorro de arena) μ = 0,50 (c) Para superficies Clase C (superficies galvanizadas por inmersión en caliente y con superficies ásperas), μ = 0,35

Uniones de Deslizamiento Crítico – Ing. Julio Grellet

Página 4

FaCET – U.N.T.

Estructuras Metálicas y de Madera

Ø = el factor de resistencia (a) Para agujeros normales (b) Para agujeros holgados y ovalados cortos (c) Para agujeros ovalados largos con eje mayor perpendicular a la dirección de la fuerza (d) Para agujeros ovalados largos con eje mayor // a la dirección de la fuerza

Ø = 1,0 Ø = 0,85 Ø = 0,70 Ø = 0,60

1,13 = factor de seguridad adicional considerado para el servicio. 1.4.2- Uniónes solicitadas a Corte y Tracción combinadas: Cuando la unión de deslizamiento crítico esté solicitada por una fuerza de tracción Tu (además de la fuerza de corte), que reduzca la fuerza de apriete del bulón, y por ende la presión entre las superficies en contacto, la resistencia de diseño al rozamiento será disminuida por un coeficiente. La expresión resulta: Rd1 = Rd .[1- Tu / (1,13 Tb. Nb)]

siendo:

Tu = es la resistencia a tracción requerida bajo cargas mayoradas [kN] Rd = resistencia de diseño al corte, cuando hay corte puro [KN] Tb = fuerza de tracción mínima del bulón dada en la Tabla J.3.1 en [kN]. Nb = cantidad de bulones cargados con la fuerza de tracción Tu.

2- SOLICITACIONES EN LAS UNIONES Las uniones en general, pueden estar solicitadas a: a) fuerzas axiales (coincidentes con el centro de gravedad de la unión) b) corte y momento en el plano (cargas excéntricas) c) corte y tracción 2.1- Uniones solicitadas a fuerza axial: En este caso el eje de acción de la fuerza, que puede ser de compresión o tracción, coincide con el centro de gravedad de la unión.

La junta solapada (a) presenta una excentricidad que puede producir una flexión en la unión. Se usa solamente para uniones menores. Es conveniente colocar por lo menos 2 filas de bulones (caso b) para disminuir esa flexión.

Uniones de Deslizamiento Crítico – Ing. Julio Grellet

Página 5

FaCET – U.N.T.

Estructuras Metálicas y de Madera

(b) La unión con doble corte tiene simetría en la transmisión de la carga, como se ve en la figura (c)

(c) 2.2- Uniones solicitadas a corte y momento en el plano: Hay uniones donde la carga es excéntrica, ó esta solicitada a una fuerza y un momento torsor. En esos casos se debe determinar las fuerzas actuantes resultantes sobre cada bulón para encontrar el mas solicitado.

La fuerza P trasladada al eje de la unión solicita a todos los bulones por igual (si todos son del mismo diámetro), así tenemos: PPI = P / n° de bulones El momento torsor (M= P.e) generará fuerzas distintas en los bulones, proporcionales a su distancia al c.g. de la unión. Así tendremos: PM1 / e1 = PM2 / e2 = . . . . . . . = PMi / ei = k El momento equilibrante de M será la suma de los productos de las fuerzas en cada bulón por su correspondiente distancia la c.g. M = Σ (PMi . ei) = Σ (k . ei . ei) = k Σ ei2

Uniones de Deslizamiento Crítico – Ing. Julio Grellet

luego k = M / Σ ei2

Página 6

FaCET – U.N.T.

Estructuras Metálicas y de Madera

La fuerza en el bulón i debida a M será: PM1 = ( ei . M) / Σ ei2 La fuerza resultante en el bulón será la resultante entre las debidas a P y M, es decir: Pi = Se dimensiona la unión con los bulones mas solicitados (en este caso los extremos), pero se adopta el mismo diámetro para todos por simplicidad constructiva.

En otras uniones no resulta tan evidente cuales son los bulones mas solicitados, y hay que determinar la fuerza para varios de ellos, como el caso de los bulones de cubrejuntas de alma en el empalme de vigas. Veamos en la figura siguiente:

Si P resulta muy grande se puede aumentar el diámetro (si es posible) ó el número de bulones, y/o modificar su distribución. La incidencia del bulón sobre la fuerza de corte, se disminuye solo aumentando el número de bulones; en cambio la incidencia del momento puede disminuirse además modificando la distribución, aumentando las distancias de los bulones al c.g. de la unión.

2.3- Uniones solicitadas a corte y tracción: Hay casos de uniones donde los bulones están solicitados a tracción y corte, como el caso de figura siguiente:

Uniones de Deslizamiento Crítico – Ing. Julio Grellet

Página 7

FaCET – U.N.T.

Estructuras Metálicas y de Madera

El caso (a) los bulones están traccionados por la componente PH y sometidos a corte por la componente Pv. La fuerza en cada bulón se obtiene dividiendo PH ó Pv por el numero de bulones. Esto se puede hacer ya que la fuerza solicitante pasa por el c.g. de la unión. El dimensionado del bulón se hace con la formula correspondiente para la combinación de corte y tracción, que vimos para las uniones tipo aplastamiento, o la expresión para las uniones de deslizamiento crítico solicitadas a este estado combinado de tensiones.

En el caso dado en la figura (b) tenemos:

La fuerza P trasladada al plano de la unión produce corte en los bulones, que se distribuye en partes iguales. El momento M tracciona los bulones superiores y comprime las chapas. La fuerza de tracción se obtiene de la misma manera que en el caso que vimos en 3.8.2.

3- PROCEDIMIENTO PARA PROYECTO DE UNIONES CON BULONES: Por lo general, las dimensiones de los elementos a unir (espesor, ancho) ya están establecidos a partir del cálculo de la estructura. Para el proyecto o diseño de estas uniones, podemos seguir el siguiente procedimiento:

(1) Definir el tipo de unión: tipo aplastamiento ó tipo deslizamiento critico. (2) Definir la clase de dimensionado a realizar: en estado de servicio ó en estado último (3) Seleccionar el diámetro y longitud del bulón: El diámetro está en función del espesor de las chapas a unir, y del espacio disponible, se puede tomar como límite superior el valor que ya vimos en el punto 2.6.3 (para remaches):

t = espesor menor de las chapas a unir [cm] d = diámetro del bulón [cm]

Uniones de Deslizamiento Crítico – Ing. Julio Grellet

Página 8

FaCET – U.N.T.

Estructuras Metálicas y de Madera

También como referencia conviene que: d≥(Σt)/5. También es bueno lograr que la resistencia al corte sea igual (o muy similar) a la resistencia al aplastamiento Con respecto a la longitud del bulón se determina en función del espesor total de las chapas a unir, siempre tratando que la parte roscada del bulón quede fuera de los planos de corte. (4) Determinación de la Resistencia de Diseño del bulón según el tipo y número de secciones de corte ó rozamiento. (5) Determinación del número de bulones necesarios: se divide la fuerza requerida (última o de servicio, según corresponda) por la Resistencia de Diseño del bulón. (6) Distribución de los bulones. Se debe lograr que el c.g. de la unión coincida con la línea de acción de la fuerza requerida, y que se cumplan las distancias mínimas entre centros de bulones y bordes. No superar los 6 bulones por fila (7) En barras traccionadas verificar los estados límites en las secciones debilitadas por los agujeros.

Uniones de Deslizamiento Crítico – Ing. Julio Grellet

Página 9