Ya vimos el modo de falla de un conector cuando es sometido a corte. Pero, en la realidad, se pueden encontrar dos tipos de tornillos trabajando a cortante. Los cuales se tratan a continuación;
Tornillos comunes u ordinarios:
Son designados como ASTM A307, y se fabrican con acero al carbono con características de esfuerzos y deformaciones muy parecidas al del acero A36. Se usan principalmente en estructuras ligeras y en miembros secundarios (largueros, riostras, plataformas, armadura pequeñas, etc) (McCormac, 1991).
Según las NTC-DF, la resistencia de diseño por cortante Rc, de los tornillos A307 es, Rc = FRATRVc
Donde, FR = factor de resistencia, ATR = área nominal del tornillo, Vc = resistencia
nominal al cortante del tornillo.
Los factores de resistencia y las resistencias nominales del tornillo, se dan en la tabla siguiente: FR VT (kg/cm2) FR VC (kg/cm2) 0.75 3160 0.60 1900 0.75 6330 0.65 3800 0.75 6330 0.65 5060 0.75 7900 0.65 4750 0.75 7900 0.65 6330 0.75 0.56Fu 0.65 0.45Fu 0.75 0.56Fu 0.65 0.60Fu
Elementos de unión Resistencia nominal en tensión Resistenci nominal en conexiones por cortante
Tornillos A307
Partes roscadas que satisfacen los requisitos de, cuando la rosca no está fuera de los planos de corte Partes roscadas que satisfacen los requisitos de, cuando la rosca está fuera de los planos de corte Tornillos A325, cuando la rosca no está fuera de los planos de corte Tornillos A325, cuando la rosca está fuera de los planos de corte Tornillos A490, cuando la rosca no está fuera de los planos de corte Tornillos A490, cuando la rosca está fuera de los planos de corte
Tabla 6.3 Resistencias y factores de tornillos ordinarios (Arnal y Betancourt, 1999)
Tornillos de Alta Resistencia;
Se tienen en dos grados: ASTM A325 y ASTM A490. Los A325 se fabrican con acero al carbono tratado térmicamente y, los A490 son de mayor resistencia, ya que, se fabrican
PROFESOR M.C. JORGE AGUILAR CARBONEY FACULTAD DE INGENIERÍA también tratados térmicamente , pero con acero aleado. Se usan en pequeños edificios, rascacielos, puentes monumentales, etc (McCormac, 1991).
La resistencia de diseño por cortante, es igual que para los tornillos comunes; a diferencia de que, la resistencia por cortante de los A325 y A490 depende de si las roscas están en un plano de corte o no, ver figura 6.6.
En vez de usar un área transversal reducida cuando la porción roscada está sometida al cortante, el esfuerzo cortante último se multiplica por un factor de 0.75, que es la razón aproximada del área roscada al área no roscada (Segui, 2000).
Figura 6.6 Posición de las roscas de un tornillo
La resistencia nominal al cortante del tornillo VC, para cada caso, están dadas en la
tabla 6.3.
Ejemplo: Un miembro en tensión, formado por un perfil doble de ángulo, está conectado a una placa de nudo de 3/8” de espesor como se muestra en la figura. Los ángulos son 5 x 3 x 5/16 con los lados largos espalda con espalda. Todo el acero usado es A36. Los tornillos A325 son de 7/8” de diámetro. Calcule la resistencia de diseño de la conexión con base en el cortante de los tornillos. Considere que la rosca está incluida en el plano de corte.
De la tabla de las NTC, y para un tornillo A325, FR = 0.65 y Vc = 3,800 kg/cm2
Para un tornillo la resistencia de diseño por cortante es, ATR = ∏d2/4 = [∏(2.22 cm)2]/4 = 3.87 cm2
La resistencia por cortante total (para los 6 tornillos) es,
Rc = 6(9,558.9 kg) =
57,353.40 kg
CONEXIONES POR FRICCIÓN:
Las conexiones hechas con tornillos de alta resistencia, son las únicas que no permitirán un deslizamiento entre los elementos que unen.
‘En ciertos casos, los tornillos A325 y A490 son instalados con tal grado de apriete que quedan sometidos a unas fuerzas extremadamente grandes de tensión. El propósito de una fuerza de tensión tan grande es el de alcanzar la fuerza de apriete que anule el deslizamiento entre las placas’ (Segui, 2000).
‘Cuando una tuerca gira y avanza a lo largo de las roscas de un tornillo, las partes conectadas sufren compresión (fuerza N) y el tornillo se alarga’ (Segui, 2000). Si se aplica una fuerza P externa, se desarrolla una fuerza de fricción entre las partes conectadas, igual a,
F = μN
Donde, μ = coeficiente de fricción estática entre las partes conectadas, y, N = fuerza normal de compresión que actúa sobre las superficies internas.
Lo anterior se ilustra en la siguiente figura,
Figura 6.7 Conexiones por fricción (Segui, 2000)
En tanto que, la carga P, no exceda la fuerza de fricción F, no habrá aplastamiento o cortante.
Para que una conexión hecha con tornillos de alta resistencia, se considere que trabaja por fricción, todos los tornillos A325 o A490 deben apretarse hasta que haya en ellos una tensión no menor que la indicada, según las NTC-DF en la siguiente tabla;
PROFESOR M.C. JORGE AGUILAR CARBONEY FACULTAD DE INGENIERÍA mm pulg 12.7 1/2 15.9 5/8 19.1 3/4 22.2 7/8 25.4 1 28.6 1 1/8 31.8 1 1/4 34.9 1 3/8 38.1 1 1/2
Diámetro del tornillo Tensión mínima para tornillos A325 Tensión mínima para tornillos A490
(Ton) (Ton) 5.4 8.6 12.7 17.7 23.1 25.4 32.2 38.6 29.0 36.3 46.3 54.9 6.80 10.9 15.9 22.2 67.1 46.7
Tabla 6.4 Tensión mínima en tornillos de alta resistencia (Arnal y Betancourt, 1999)
INSTALACIÓN,
¿exactamente como se alcanza esta alta tensión? En la actualidad, se utilizan los siguientes métodos:
Método del giro de la tuerca.- Los tornillos se aprietan sin holgura (con el esfuerzo total de un hombre que utilice una llave de tuercas ordinaria, con todas las partes de la conexión en contacto firme), y luego se les da un giro de 1/3 o de una vuelta completa, dependiendo de la longitud de éstos y de la inclinación de las superficies entre sus cabezas y tuercas (McCormac, 1991).
Método de la llave calibrada.- Para este fin se usan llaves de torsión (torquímetro) ajustadas para detenerse cuando se alcanza el par necesario para lograr la tensión deseada de acuerdo con el diámetro y la clasificación ASTM del tornillo (McCormac, 1991).
Método del indicador directo.- El indicador directo de tensión consiste en una roldana endurecida con protuberancias en una de sus caras en forma de pequeños arcos. Los arcos se aplanan conforme se aprieta el tornillo. La magnitud de la abertura en cualquier momento es una medida de la tensión en el tornillo. En los tornillos completamente tensados las aberturas deben medir 0.015 plg o menos (McCormac, 1991).
Método del tornillo de diseño alternativo.- Son tornillos especialmente diseñados, cuyas puntas se tuercen cuando la tensión apropiada se ha alcanzado (Segui, 2000).
Las conexiones tipo fricción deben revisarse por cargas de servicio y por cargas factorizadas. (1) La resistencia de diseño por deslizamiento F, debe ser igual o mayor que la fuerza calculada de deslizamiento P. (2) La resistencia de diseño, considerada la conexión como tipo cortante, debe ser igual o mayor que la fuerza factorizada. Es decir; aunque las conexiones tipo fricción, teóricamente, no están sometidas al cortante y al aplastamiento, dichas conexiones deben tener suficiente resistencia por cortante y aplastamiento en el caso que una sobrecarga pueda generar un deslizamiento.
Nota: la resistencia por cortante de una conexión tipo fricción (con tornillos de alta resistencia), ha sido tratada en temas anteriores.