Principios de las juntas atornilladas
Las uniones atornilladas conectan miembros estructurales sujetándolos entre sí mediante pernos que aplican fuerza de compresión a las partes unidas, asegurando la estabilidad bajo diversas cargas. Las configuraciones comunes incluyen juntas superpuestas, donde las placas superpuestas se sujetan con pernos que pasan a través de orificios alineados, creando un único plano de corte; juntas a tope, que alinean los extremos de las placas con las placas de empalme en ambos lados para lograr una simetría de doble corte; y conjuntos de sujeción, donde los pernos comprimen múltiples capas para formar una pila unificada que resiste la separación. Estas configuraciones distribuyen cargas a través del sujetador y los materiales sujetos, y la elección depende de la geometría de la aplicación y la dirección de la fuerza.[98][99]
Un principio clave en las uniones atornilladas es la precarga, la fuerza de tracción inicial inducida en el perno durante el apriete, que comprime las piezas sujetas y genera fricción para resistir la separación o el aflojamiento de la unión bajo cargas de servicio. Esta precarga, generalmente establecida en 70% o más de la resistencia a la tracción del perno para sujetadores de alta resistencia, minimiza el movimiento relativo entre las piezas, mejora la resistencia a la fatiga y garantiza que la unión se comporte elásticamente manteniendo las cargas externas dentro del rango de precarga. Sin una precarga adecuada, las articulaciones pueden experimentar deslizamiento, aflojamiento inducido por vibraciones o distribución desigual de la tensión, lo que lleva a un rendimiento reducido.[98][99][7]
Las cargas en las uniones atornilladas siguen trayectorias específicas según su orientación relativa al eje del perno, incluida la tensión axial paralela al eje, que alarga el perno y reduce la fuerza de sujeción; corte transversal perpendicular al eje, que intenta deslizar las piezas entre sí; y carga combinada, donde la flexión introduce componentes tanto de tensión como de corte. En el modo de agarre por fricción, las cargas de corte se transfieren principalmente a través de la resistencia por fricción en las superficies de contacto, dependiendo de la precarga para evitar el deslizamiento, mientras que el modo de soporte permite el deslizamiento inicial hasta que el vástago del perno soporta la carga directamente contra los bordes del orificio, distribuyendo el corte a través de la deformación por contacto. La relación de rigidez de la unión (rigidez del perno kb=AbEblbk_b = \frac{A_b E_b}{l_b}kb=lbAbEb versus rigidez de agarre kgk_gkg) determina cómo se dividen las cargas, y el perno generalmente ve una fracción C=kbkb+kgC = \frac{k_b}{k_b + k_g}C=kb+kgkb de la carga externa aplicada agregada a precarga en casos de tensión.[98][99][7]
La fuerza de precarga FPLF_{PL}FPL se logra y controla comúnmente mediante el torque aplicado TTT, usando la relación aproximada T=KdnomFPLT = K d_{nom} F_{PL}T=KdnomFPL, donde dnomd_{nom}dnom es el diámetro nominal del perno y KKK es el factor de tuerca (o torque) que tiene en cuenta las pérdidas por fricción. Reordenado, FPL=TKdnomF_{PL} = \frac{T}{K d_{nom}}FPL=KdnomT; Los valores típicos de KKK oscilan entre 0,12 para roscas lubricadas con sistema antiagarrotamiento y 0,30 para conjuntos no enchapados, lo que refleja variaciones en la fricción de la rosca, la fricción debajo del cabezal y la lubricación. Esta fórmula empírica se deriva del equilibrio de par en un sistema de tornillo: el par total supera la fricción de la rosca (Tt=FPLrtft/cosαT_t = F_{PL} r_t f_t / \cos \alphaTt=FPLrtft/cosα), la fricción debajo de la cabeza (Tc=FPLrcfcT_c = F_{PL} r_c f_cTc=FPLrcfc), y la torsión helicoidal componente de paso de rosca (Tp=FPLptanλ/(2π)T_p = F_{PL} p \tan \lambda / (2\pi)Tp=FPLptanλ/(2π)), dando la expresión completa T=FPL(rtft+rcfccosα+ptanλ/(2π))T = F_{PL} (r_t f_t + r_c f_c \cos \alpha + p \tan \lambda / (2\pi))T=FPL(rtft+rcfccosα+ptanλ/(2π)), que se simplifica a T≈KdnomFPLT \approx K d_{nom} F_{PL}T≈KdnomFPL con K=rtft+rcfccosα+ptanλdnomK = \frac{r_t f_t + r_c f_c \cos \alpha + p \tan \lambda}{d_{nom}}K=dnomrtft+rcfccosα+ptanλ, donde rtr_trt y rcr_crc son radios medios, ftf_tft y fcf_cfc son coeficientes de fricción (0,1–0,2), α=30∘\alpha = 30^\circα=30∘ es el medio ángulo de la rosca, λ\lambdaλ es el ángulo de avance y ppp es el paso de la rosca, aunque aproximadamente el 90% del torque se disipa como fricción, lo que hace que la determinación precisa de KKK sea experimental. Esta relación garantiza una sujeción constante pero introduce una variabilidad del 25 al 30 % si cambian condiciones como el revestimiento o la limpieza.
Las secuencias de montaje adecuadas durante el apriete son esenciales para lograr una precarga uniforme en varios pernos, evitando una compresión desigual o una interacción elástica donde al apretar un perno se relajan los adyacentes. Para uniones con bridas, se recomienda ampliamente el patrón de estrella (o heredado), comenzando con pernos numerados secuencialmente alrededor del círculo (por ejemplo, 1 a 12), apretando en pasadas: primero al 20-30% del torque objetivo siguiendo la secuencia en estrella (1-7-4-10, luego 2-8-5-11, etc., para una distribución uniforme), segundo al 50-70%, tercero al 100% y barridos circulares finales al máximo. apriete hasta que no se produzca rotación de la tuerca. Este método, estandarizado en ASME PCC-1 para bridas con límite de presión, minimiza la dispersión de pernos, el aplastamiento de juntas y la desalineación, y es aplicable a todos los tipos de bridas ASME B16.5 y B16.47 independientemente del material de la junta.[100][98]
Consideraciones de diseño y fallas
En el diseño de uniones atornilladas, los ingenieros incorporan un factor de seguridad para tener en cuenta las incertidumbres en las propiedades de los materiales, las condiciones de carga y las tolerancias de fabricación. Para cargas estáticas, se aplica un factor de seguridad típico de 4 a 8 para garantizar que la resistencia máxima exceda la carga permitida, proporcionando un margen contra la sobrecarga en aplicaciones estructurales.[101] Bajo cargas cíclicas, la vida a fatiga se convierte en una preocupación principal, ya que los ciclos de tensión repetidos pueden iniciar grietas incluso por debajo del límite elástico; El diseño tiene como objetivo limitar los rangos de tensión para extender la resistencia, a menudo apuntando a millones de ciclos basados en curvas S-N derivadas de las pruebas. La exposición ambiental influye aún más en el diseño, en particular el riesgo de fragilización por hidrógeno en aceros de alta resistencia, donde el hidrógeno atómico procedente de fuentes como la galvanoplastia o la corrosión se difunde en el metal bajo tensión de tracción, lo que reduce la ductilidad y promueve la fractura frágil; la mitigación implica seleccionar aceros con una dureza inferior a 39 HRC y hornearlos para eliminar el hidrógeno interno.[103]
Los modos de falla comunes en los pernos incluyen la sobrecarga por tracción, donde la fuerza axial excesiva excede la resistencia a la tracción última, lo que resulta en una fractura dúctil en el vástago o las roscas. El agrietamiento por fatiga surge de la carga cíclica que causa un crecimiento progresivo de grietas debido a concentraciones de tensión, como las raíces de las roscas, y que a menudo representan hasta el 90 % de las fallas de pernos en aplicaciones dinámicas debido a una precarga inadecuada que permite el deslizamiento de las juntas. Las fallas inducidas por la corrosión, como el agrietamiento por corrosión bajo tensión, ocurren cuando las tensiones de tracción se combinan con agentes ambientales (por ejemplo, cloruros), lo que lleva a la propagación intergranular; el aflojamiento por vibración es otro modo predominante, impulsado por el movimiento relativo entre superficies de contacto que reduce la fricción y la precarga con el tiempo. Los incidentes históricos, como las fracturas frágiles en los barcos Liberty durante la década de 1940, resaltan cómo las bajas temperaturas y las impurezas exacerbaron la fragilidad de los componentes de acero, lo que subraya la necesidad de seleccionar materiales en entornos marinos hostiles.[104][103][105]
Para mitigar estos riesgos, las características de torsión predominantes en las tuercas de seguridad proporcionan una fricción inicial para resistir la rotación, mientras que los adhesivos de bloqueo de roscas (por ejemplo, compuestos anaeróbicos) llenan los espacios y curan para evitar el movimiento relativo. Las arandelas de seguridad, como las de tipo cuña, mantienen la fuerza de sujeción al contrarrestar el empotramiento y la relajación inducida por la vibración, superando a las arandelas divididas tradicionales que pueden acelerar el aflojamiento. Estándares como la serie ASME B18 guían las especificaciones dimensionales y de rendimiento para garantizar la compatibilidad y confiabilidad en el diseño.[106][107][3]