La seguridad y la vida útil de un marco de acero estructural dependen críticamente del rendimiento de sus conexiones. Mientras que las vigas y columnas cargan las cargas primarias, son las articulaciones atornilladas las que transfieren tensiones entre los miembros y proporcionan la estabilidad general del marco. Una combinación de nuez y tornillos no seleccionadas puede introducir concentraciones de estrés, reducir la ductilidad o acelerar la corrosión, en última instancia comprometer la integridad estructural.

Normas de gobierno y propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas de los sujetadores estructurales se definen por normas materiales que aseguran la coherencia y el rendimiento predecible bajo carga. Los estándares de gobierno en América del Norte son desarrollados por ASTM International y respaldados por la AISC, mientras que las regiones métricas dependen de ISO 898-1 y EN 14399. Entendimiento de estos estándares es el punto de partida para cualquier especificación de cierre.

Normativos norteamericanos: ASTM F3125

Los tornillos estructurales de alta resistencia se rigen por ASTM F3125, que sustituyen las características A325 y A490. F3125 Grado A325 cubre los tornillos de acero medio-carbono con una resistencia mínima de 120 ksi para diámetros de hasta 1 pulg. y 105 ksi para diámetros más grandes.

Normas métricas: ISO 898-1 y EN 14399

En sistemas métricos, los tornillos se clasifican por clases de propiedad definidas en ISO 898-1. Los tornillos clase 8.8 tienen una fuerza mínima de tensil de 800 MPa, y los tornillos Clase 10.9 alcanzan 1000 MPa. Los tornillos clase 12.9 ofrecen la máxima resistencia pero a menudo se limitan en aplicaciones estructurales debido a la menor ductilidad y la susceptibilidad de embrittlement.

Identificación y Trazabilidad de grado

Los indicadores de la contraproducción son un medio visual de identificación de grado en el campo. Un tornillo ASTM F3125 Grade A325 está marcado A325, y un tornillo de grado A490 está marcado A490, junto con el símbolo del fabricante.

Mecanismos de transferencia de carga y tipología de conexión

La selección de una combinación de nuez y pernos se dicta por cómo las fuerzas de transferencia de conexión. Las conexiones estructurales se clasifican como tipo de rodamientos, deslizamiento crítico o controlado por la tensión, cada una con requisitos de fijación distintos y protocolos de instalación.

Conexiones de tipo cojinete

En las conexiones de rodamientos, las cargas se transfieren a través del cojinete de pernos contra el lado del agujero. La fuerza de cojinete de pernos y la fuerza de cojinete de la placa gobiernan el diseño. Los hilos pueden ser incluidos o excluidos del plano de cojinete. Cuando se excluyen los hilos, lo que significa que la manguijilla no está lista, el área de cierre de carga.

Conexiones de deslizamiento vertical

Las conexiones de deslizamiento se basan en la fuerza de sujeción de la ensamblaje atornillada para transferir la carga a través de la fricción entre las superficies descoloridas. La resistencia al resbalaje es una función de pretensión del tornillo y el coeficiente de deslizamiento de la superficie, que se clasifica como Clase A, B o C por la especificación AISC.

Conexiones de tensión

Los tornillos cargados en tensión axial se encuentran en conexiones de punto final, empalmes de brida y zonas de prying. La capacidad de tensil del perno está determinada por su área de tensión de tracción, y las fuerzas de rosca introducidos por la deformación de las bridas conectadas deben ser incluidas en el diseño.

Selección de materiales para las condiciones de servicio

El entorno de servicio es un factor decisivo en la selección de materiales más rápidas. La exposición a la corrosión, los extremos de temperatura y el contacto químico afectan el rendimiento a largo plazo y deben evaluarse durante el proceso de especificación.

Aceros de carbono y aleación

Los tornillos ASTM A325 y A490 están fabricados con aceros de carbono medio y aleación, respectivamente, y son tratados con calor (encajados y templados) para lograr sus propiedades mecánicas. Los tornillos planos o ligeramente aceitosados son adecuados para entornos interiores, secos. Para la exposición exterior, los revestimientos protectores son obligatorios.

Aceleradores de acero en tiempo

Las calidades de acero templado (A325 Tipo 3 y A490 Tipo 3) forman una patina de óxido estable que reduce las tasas de corrosión en condiciones atmosféricas adecuadas. Estos tornillos contienen cobre, cromo y níquel para ajustar las características de corrosión de los miembros de acero templado. Cuando se utilizan los tornillos Tipo 3, los frutos secos también deben ajustarse a los requisitos de acero tipo 3.

Acero inoxidable

Los tornillos de acero inoxidable Austenitic (ASTM A193 Grade B8, Clase 1 o 2) se especifican para entornos de alta corrosión como estructuras marinas, plantas de aguas residuales e instalaciones químicas. Grado B8 (Tipo 304) y B8M (Tipo 316) ofrecen una buena resistencia a la corrosión general. Sin embargo, su resistencia al rendimiento es aproximadamente el 50% de un tornillo de acero al carbono comparable.

Protección de las rejas y la corrosión

La selección de un sistema de revestimiento debe equilibrar la protección de la corrosión con los requisitos mecánicos del sujetador. La galvanización de la cubeta caliente (HDG) es el método más común para los tornillos estructurales, proporcionando una capa gruesa y sacrificial de zinc. La galvanización mecánica es una alternativa que evita las altas temperaturas de HDG, reduciendo el riesgo de embriaguez de hidrógeno en los hilos de alta resistencia al corro.

Efectos de temperatura

Los tornillos estructurales utilizados en aplicaciones de baja temperatura deben cumplir con los requisitos de impacto de Charpy V para evitar fracturas de hervidor. Los tornillos ASTM A490 tienen requisitos de resistencia a 70 °F, pero para temperaturas de servicio inferiores a -20°F, tornillos de grado A325 o especialmente probados Los tornillos A320 Grade L7 son a menudo especificados.

Diseño geométrico: Clasificación, Espaciado y Tipos de Hole

La disposición de los pernos dentro de una conexión se rige por estados límite que incluyen rotura de lana de pernos, desgarro, fractura de sección neta y ruptura de la cierva de bloques. La especificación AISC proporciona requisitos mínimos y máximos de espaciamiento y distancia de borde para asegurar que estos estados límite se aborden adecuadamente.

Dimensiones estándar de los agujeros y variaciones permisibles

Los agujeros estándar para los tornillos estructurales se perforan o perforan 1/16 pulg. más grande que el diámetro nominal de los tornillos hasta 1 pulg. diámetro. Agujeros extras, permitidos sólo en conexiones de deslizamiento crítico, permiten una mayor tolerancia de la erección pero requieren lavados endurecidos sobre el agujero. Los agujeros ranurados proporcionan ajuste longitudinal pero deben tener el eje de ranura orientado perpendicular a la dirección de la carga minimización de los problemas de servicio.

Requisitos de distancia y de Pitch

La distancia desde el centro de un agujero de perno hasta el borde de la parte conectada debe ser suficiente para evitar la desgarro. Las distancias mínimas de los bordes se especifican en la tabla AISC 360 J3.4 y varían por diámetro de perno y tipo de borde (secado, rodado o cortado de gas). El campo, o centro-a-centro espaciamiento de pernos, se limita a un mínimo de 2/3 veces el diámetro de la fijación de la fijación nominal

Participación y Compatibilidad de la Asamblea

La unión de una tuerca a un perno implica más que asegurar que los hilos se ajusten. La tuerca debe desarrollar la capacidad de tracción completa del perno sin desnudamiento de hilos o expansión radial.

Thread Fit y Pitch

Los hilos de tosca unificados (UNC) son estándar para sujetadores estructurales en los Estados Unidos. Los hilos gruesos métricos (ISO 261) se utilizan internacionalmente. El ajuste de la cuerda define la debilidad o la rigidez entre los flancos. Para conjuntos estructurales, Clase 2A (bolt) y Clase 2B (nut) proporcionan un ajuste de funcionamiento libre que acomoda los espesores de recubrimiento normales y el manejo de campo.

Compatibilidad de carga de la manta

La altura de la tuerca determina el área de la tijera disponible para despojar los hilos internos. ASTM A563 Grade DH Las tuercas pesadas tienen una altura mínima de 5/8 veces el diámetro nominal del tornillo para los hilos gruesos. Esta geometría normalmente asegura que el perno se fracturará en tensión antes de la tira de los hilos nuez, siempre que la carga de la prueba de nuez sea igual o mayor que la fuerza mínima del perno.

  • ASTM F3125 Grado A325 perno: ASTM A563 Grado DH o DH3 nuez (heavy hex). Para conjuntos galvanizados con dip caliente, use nueces Grado DH con hilos superpuestos por ASTM A563.
  • ASTM F3125 Grado A490 perno: ASTM A563 Grado de DH nuez (heavy hex). La cocción debe ser aprobada para la aplicación de alta resistencia; HDG generalmente se evita.
  • STM F1554 barra de anclaje (Grado 55 o 105): ASTM A563 Grado DH nut para Grado 105; Grado A o C para Grado 36.
  • ISO 898-1 Clase 10.9 perno: ISO 898-2 Clase 10 nuez, estilo 2 (heavy hex).
  • ISO 898-1 Clase 8.8 perno: ISO 898-2 Clase 8 nuez, estilo 1.

Control de lubricación y tensión de torque

El par aplicado a una tuerca se consume principalmente por fricción bajo la cara nuez y en los hilos, con sólo alrededor del 10% del par convertido en pretensión de pernos. Las variaciones en la fricción causan dispersión significativa en la relación torque-tensión. La lubricación reduce la fricción y mejora la consistencia.

Metodología de instalación y control de calidad

La instalación adecuada es esencial para desarrollar la pretensión necesaria para articulaciones con deslizamiento crítico y control de tensión. La especificación RCSC para articulaciones estructurales que utilizan Bolts de alta resistencia reconoce cuatro métodos de pretensión aceptados.

Instalación de montaje de punta

Una articulación es muy fuerte cuando todas las pliegues se introducen en contacto firme sin lagunas visibles. Esta condición se logra por algunos impactos de una llave de impacto o el esfuerzo completo de un trabajador usando una llave de empuje. La punta de punta es aceptable para las conexiones de tipo de cojinete usando agujeros estándar a menos que el diseño requiera pretensión.

Método de la derivación de la gota

Después de que todas las pliegues se llevan a una condición de punta, la nuez se gira una fracción adicional predeterminada de un giro relativo al perno. Esta rotación se traduce en la pretensión de perno requerida. La rotación necesaria depende de la longitud del perno y la pendiente de la cara nuez relativa a los hilos del perno. Para los tornillos con una longitud igual o menor a cuatro veces el diámetro, un tornillo de giro normal es el perno.

Método de Wrench calibrado

La llave de torque o las llaves de impacto se fijan para ofrecer un par determinado mediante pruebas para cada tamaño de perno, grado, lubricación y lote. La llave debe ser calibrada diariamente, y una prueba de verificación de par en tres pernos del lote se realiza al menos una vez por día. La nuez se gira hasta que la llave indica que se ha alcanzado el par de objetivo.

Indicadores de tensión directa

Los DTIs son lavados endurecidos con protrusiones que se aplanan a medida que se aprieta el perno. La brecha entre la lavadora y la superficie de rodamiento se comprueba con un medidor de tacos para confirmar que se ha alcanzado la pretensión especificada. Los DTIs por ASTM F959 están disponibles para los tornillos A325 y A490 y proporcionan una indicación fiable y visual de la pretensión independiente del método de pardo.

Protocolos de inspección y verificación

Después de la instalación, se realizan los siguientes controles de inspección de campo. La cara de nuez debe ser rociada, y los hilos de perno deben protruir al menos un hilo completo más allá de la cara nuez. No más de tres hilos deben protruir en articulaciones estructurales. Cualquier nuez que se puede girar a mano después de la pretensión indica un montaje fallido que debe ser reemplazado.

Durabilidad a largo plazo y gestión del ciclo de vida

La durabilidad de una conexión atornillada depende de detalles de diseño que se extienden más allá de la instalación inicial. Los dispositivos entre los plies pueden atrapar la humedad y acelerar la corrosión. Se recomienda sellar las superficies descolorantes o detallar las vías de drenaje para estructuras expuestas. El aislamiento galvánico debe ser proporcionado cuando se unen los metales disimilares, como los tornillos de acero inoxidable de los miembros de carbono.

Las articulaciones crítica-de fatiga requieren un detalle cuidadoso para reducir las concentraciones de estrés. El radio de raíz de hilo, la transición de la cabeza a la fractura, y la longitud de la manija influencian la vida de fatiga de un perno. El pretensión mejora la resistencia a la fatiga reduciendo el componente de estrés alternado. Los hilos deben ser excluidos del plano de la manta donde la fatiga gobierna, y el desapagado del eje de la carga [LT]

Las varillas ancladas incorporadas en hormigón presentan un conjunto diferente de retos de durabilidad. La porción de la varilla que pasa por la grout y la placa base es susceptible a la corrosión si no es adecuadamente recubierta o manguiada. ASTM F1554 cubre tres grados (36, 55 y 105) y ofrece tres opciones de protección de la corrosión: lisa, galvanizada, o con una capacidad de zinc adicional.

La inspección periódica de los ayunos en servicio se recomienda para estructuras con largas vidas de diseño. Los puentes, grúas y edificios industriales deben tener un plan de inspección de conexión atornillado. Los aros de la ganancia, los tornillos rotos o la mancha de la corrosión indican la necesidad de remediación. En sistemas de resistencia sísmica, los tornillos en las conexiones de tiempo de finalización pueden estar sujetos a deformación del equipo.

La selección de la combinación correcta de nuez y pernos para el acero estructural requiere una evaluación sistemática de las cargas de diseño, tipología de conexión, entorno de servicio y limitaciones de instalación.El proceso comienza con el código de construcción aplicable y las normas materiales, que definen las propiedades mecánicas mínimas y requisitos geométricos.