Todo lo que necesita saber sobre fijaciones

Las fijaciones son un componente común con el que todo el mundo debería estar familiarizado.

En este artículo, presentaremos los elementos de fijación desde cuatro perspectivas: clasificación de los elementos de fijación, identificación e inspección de roscas, requisitos de materiales, requisitos de tratamiento térmico y requisitos de rendimiento mecánico de pernos, tornillos y espárragos, así como los tipos y la estructura de los pernos para estructuras de acero.

I. Clasificación de los elementos de fijación

¿Qué son las fijaciones?

Las fijaciones son componentes mecánicos utilizados para unir de forma segura dos o más piezas o componentes en una sola unidad. También suelen denominarse piezas estándar en el mercado.

Tipos de fijaciones:

Los elementos de fijación suelen incluir los doce tipos de piezas siguientes: Pernos, espárragos, tornillos, tuercas, tornillos autorroscantes, tornillos para madera, arandelas, anillos de retención, pasadores, remaches, conjuntos completos y pares de conexión, así como clavos de soldadura.

(1) Pernos:

Los pernos son un tipo de elemento de fijación formado por una cabeza y un tornillo (cilindro con rosca exterior) que necesita una tuerca para fijar dos piezas con orificios pasantes. Este tipo de unión se conoce como conexión por pernos y es una conexión desmontable, ya que las dos partes pueden separarse si se desenrosca la tuerca del tornillo.

Como se muestra a continuación:

Fig. 2-1-1 rosca completa del tornillo de cabeza hexagonal exterior

Fig. 2-1-2 Medio diente de tornillo hexagonal con cabeza cilíndrica

(2) Stud:

Un espárrago es un elemento de fijación que tiene roscas externas en ambos extremos y carece de cabeza. Cuando se conecta, un extremo se enrosca en una pieza con un orificio roscado interno, mientras que el otro extremo pasa a través de una pieza con un orificio pasante, y luego se fija con una tuerca. El resultado es un conjunto firmemente conectado.

Este tipo de conexión se denomina conexión por espárrago y, al igual que la conexión por perno, es una conexión desmontable. Los espárragos se utilizan principalmente cuando una de las partes conectadas es gruesa, requiere una estructura compacta o el desmontaje frecuente hace que una unión atornillada no sea adecuada.

Como se muestra a continuación:

Fig. 2-2-3 espárrago de doble cabeza

Fig. 2-2-4 espárrago de rosca entera

(3) Tornillo:

Un tornillo es un elemento de fijación formado por una cabeza y un tornillo. Puede dividirse en tres categorías en función de su finalidad: tornillo para estructuras de acero, tornillo de fijación y tornillo para usos especiales.

Los tornillos de máquina se utilizan principalmente para sujetar una pieza con un orificio roscado fijo a una pieza con un orificio pasante sin necesidad de tuerca (este tipo de conexión se conoce como conexión atornillada y también es una conexión desmontable). Los tornillos de máquina también pueden utilizarse con tuercas para fijar dos piezas con orificios pasantes.

Los tornillos de ajuste se utilizan principalmente para fijar la posición relativa entre dos piezas.

Los tornillos especiales, como los cáncamos, se utilizan para elevar componentes.

Como se muestra a continuación:

Fig. 2-3-5 tornillo de cabeza plana

Fig. 2-3-6 tornillo de fijación con hexágono interior

Fig. 2-3-7 cáncamo

(4) Tuerca:

Una tuerca es un componente que tiene un orificio roscado interno y suele tener forma de columna hexagonal plana, columna cuadrada plana o forma cilíndrica plana.

Las tuercas se utilizan para fijar y conectar dos piezas en una sola unidad con pernos, espárragos o tornillos para estructuras de acero.

Como se muestra a continuación:

Fig. 2-4-8 tuerca hexagonal

(5) Tornillo autorroscante:

Un tornillo autorroscante es similar a un tornillo, pero tiene una rosca especial diseñada específicamente para tornillos autorroscantes.

Se utiliza para fijar y conectar dos componentes metálicos finos en una sola unidad. Es necesario perforar previamente pequeños orificios en los componentes. Como el tornillo tiene un alto nivel de dureza, puede enroscarse directamente en el orificio del componente para formar las roscas internas correspondientes en el componente.

Este tipo de conexión es también una conexión extraíble.

Como se muestra a continuación:

Fig. 2-5-9 Tornillo autorroscante

(6) Tornillos para madera:

Un tornillo para madera es similar a un tornillo, pero tiene una rosca especial diseñada específicamente para su uso en madera. Puede atornillarse directamente en un componente o pieza de madera para conectar firmemente una pieza metálica (o no metálica) con un orificio pasante al componente de madera.

Este tipo de conexión es también una conexión extraíble.

Como se muestra a continuación:

Fig. 2-7-10 Tornillo de cabeza hexagonal para madera

(7) Arandela:

Una arandela es un tipo de fijación con forma circular plana.

Se coloca entre la superficie de apoyo de los pernos, tornillos o tuercas y la superficie de las piezas conectadas para aumentar la superficie de contacto, reducir la presión por unidad de superficie y proteger de daños la superficie de las piezas conectadas. Otro tipo de arandela elástica también puede evitar que la tuerca se afloje.

Como se muestra a continuación:

Fig. 2-7-11 Arandela plana

2-7-12 arandela elástica

(8) Anillo de retención:

Un anillo de retención se instala en la ranura del eje o en la ranura del orificio de las estructuras y equipos de acero para evitar el movimiento de las piezas del eje o del orificio de izquierda a derecha.

Como se muestra a continuación:

Fig. 2-8-13 anillo de retención

(9) Pin:

Los pasadores se utilizan principalmente para posicionar piezas y algunos también pueden utilizarse para conectar, fijar, transmitir potencia o bloquear otros elementos de fijación.

Como se muestra a continuación:

Fig. 2-9-14 clavija

(10) Remaches:

Los remaches son elementos de fijación formados por una cabeza y una varilla clavada y se utilizan para unir de forma segura dos piezas o componentes con orificios pasantes en una sola unidad. Este tipo de conexión se denomina conexión por remache y también se conoce como remachado.

Los remaches forman una conexión inamovible, ya que deben destruirse para separar las dos partes conectadas.

Como se muestra a continuación:

Fig. 2-10-15 remache de media cabeza redonda

(11) Par de montaje y conexión:

Un ensamblaje se refiere a un elemento de fijación que se suministra como una combinación, como un tornillo de máquina (o perno, tornillo autorroscante) y una arandela plana (o arandela elásticaarandela de seguridad).

Por par de unión se entiende un elemento de fijación formado por un tornillo, una tuerca y una arandela especiales, como un par de unión de tornillo hexagonal grande de alta resistencia para estructuras de acero.

Como se muestra a continuación:

Fig. 2-11-16 Conjunto de tornillos de máquina

Fig. 2-11-17 Unión por tornillos de torsión de una estructura de acero

(12) Tack:

Una tachuela es un cierre único formado por una varilla pulida y una cabeza de clavo (o sin cabeza de clavo) que se une fijamente a una pieza o componente mediante soldadura, con el fin de conectarlo con otras piezas.

Como se muestra a continuación:

Fig. 2-12-18 clavo de soldadura

II. Identificación e inspección de roscas

1. Finalidad y características del hilo:

Las roscas se encuentran habitualmente en diversas aplicaciones, como aviones, coches, tuberías de agua y el uso cotidiano del gas.

En la mayoría de los casos, las roscas sirven como conexiones de fijación y facilitan la transferencia de fuerza y movimiento.

Aunque existen varios tipos de roscas para fines especiales, su número es limitado.

La durabilidad y sencillez de las roscas, combinadas con su rendimiento fiable, fácil desmontaje y cómoda fabricación, las convierten en un componente crucial en todo tipo de productos electromecánicos.

Para que un hilo funcione eficazmente, debe poseer dos cualidades esenciales:

• La capacidad de hilarse con facilidad;
• Fuerza adecuada.

2. Clasificación de las roscas

a. Los hilos pueden clasificarse en cuatro tipos en función de sus características estructurales y usos:

• Rosca ordinaria (rosca de fijación): Tiene forma de diente triangular y se utiliza para unir o fijar piezas. Las roscas ordinarias pueden dividirse a su vez en roscas gruesas y finas en función de su paso. Las roscas finas tienen una mayor fuerza de conexión.
• Rosca de transmisión: Su forma de diente incluye formas trapezoidales, rectangulares, en forma de sierra y triangulares.
• Rosca de estanqueidad: Se utiliza para sellar conexiones, principalmente roscas de tubos, roscas cónicas y roscas cónicas de tubos.
• Rosca especial: Utilizada para fines específicos.

b. Los hilos también pueden dividirse en función de la región (país) en roscas métricashilos británicos e hilos americanos.

Las roscas británicas y americanas se denominan colectivamente roscas británicas y tienen un ángulo de perfil del diente de 60° y 55°. Utilizan tamaños en pulgadas para su diámetro, paso y otros parámetros relevantes.

En nuestro país, el ángulo del perfil del diente está normalizado en 60° y las series de diámetro y paso se miden en milímetros. Este tipo de rosca se denomina rosca ordinaria.

3. Perfil de rosca común

4. Términos básicos de la rosca

Una rosca es una formación continua a lo largo de una superficie cilíndrica o cónica determinada.

• Rosca exterior: Rosca formada en la superficie exterior de un cilindro o cono.
• Rosca interior: Rosca formada en la superficie interior de un cilindro o cono.
• Diámetro mayor: Diámetro de un cilindro o cono imaginario tangente a la parte superior de una rosca exterior o a la parte inferior de una rosca interior.
• Diámetro pequeño: Diámetro de un cilindro o cono imaginario tangente a la parte inferior de una rosca exterior o a la parte superior de una rosca interior.
• Diámetro medio: El diámetro de un cilindro o cono imaginario que pasa por la ranura del perfil del diente donde la anchura de la protuberancia es igual. Este cilindro o cono imaginario se denomina cilindro de diámetro de paso o cono de diámetro de paso.

• Rosca a derechas: Rosca que se enrosca al girar en el sentido de las agujas del reloj.
• Rosca a izquierdas: Rosca que se enrosca al girar en sentido contrario a las agujas del reloj.
• Ángulo del perfil: Ángulo entre dos caras adyacentes del diente en el perfil de la rosca.
• Paso: Distancia a lo largo del eje entre dos puntos correspondientes de la línea de paso de dos dientes adyacentes.

5. Marcado de roscas

Marcado de roscas métricas:

En general, una designación de rosca métrica completa debe abarcar los tres aspectos siguientes:

A representa el código del tipo de hilo, que indica las características del hilo;

B se refiere al tamaño de la rosca, que generalmente incluye el diámetro y el paso. En el caso de las roscas multihilo, también debe incluir el paso y el número de hilos;

C se refiere a la precisión de la rosca, que viene determinada por la zona de tolerancia de cada diámetro (incluida la posición y el tamaño de la zona de tolerancia) y la longitud de atornillado.

Marcado de rosca en pulgadas:

6. Medición del hilo

Para la medición de roscas estándar en general, se utilizan calibres de anillo roscado o calibres de tapón.

Dado que existen numerosos parámetros de rosca, no resulta práctico medir cada uno de ellos por separado. Normalmente, se utilizan calibradores de roscas (calibradores de anillos roscados y calibradores de tapones roscados) para realizar una evaluación exhaustiva de la rosca.

Este método de inspección, conocido como aceptación de montaje simulada, no sólo es cómodo y fiable, sino que también cumple los requisitos de precisión de las roscas típicas.

Como resultado, se ha convertido en el método de aceptación más utilizado en la producción real.

7. Medida de la rosca (diámetro de paso)

En las conexiones roscadas, el diámetro de paso es el único factor que determina el ajuste de la rosca, por lo que es crucial juzgar correctamente las cualificaciones del diámetro de paso.

Para garantizar el rendimiento de servicio básico de la rosca, la norma debe especificar el principio de juicio de calificación del diámetro de paso: "El diámetro de paso real de la rosca no puede superar el diámetro de paso del perfil de diente sólido máximo. El diámetro de paso único de cualquier parte de la rosca real no podrá superar el diámetro de paso del perfil sólido mínimo."

Actualmente, existen dos métodos convenientes para medir el diámetro de paso simple: utilizando un micrómetro de diámetro de paso de rosca, o utilizando el método de tres agujas (que es el adoptado por nuestra empresa).

8. Grado de ajuste de la rosca:

El ajuste de roscas se refiere al grado de apriete o aflojamiento entre las roscas de los tornillos.

La clase de ajuste, por su parte, se refiere a la combinación especificada de tolerancia y desviación para roscas internas y externas.

(1) Para roscas unificadas en pulgadas:

Las roscas exteriores tienen tres clases: Clase 1A, Clase 2A y Clase 3A.

Las roscas internas también tienen tres clases: Clase 1B, Clase 2B y Clase 3B, todas ellas de ajuste libre.

Cuanto mayor sea el número de clase, más ajustado será el ajuste.

En los hilos ingleses, sólo la Clase 1A y la Clase 2A tienen desviaciones especificadas. La Clase 3A tiene una desviación cero, y la Clase 1A y la Clase 2A tienen igual desviación.

Cuanto mayor sea el número de clase, menor será la tolerancia, como se muestra en la figura.

• Clase 1A y Clase 1B tienen una tolerancia muy floja y son adecuadas para ajustes de tolerancia de roscas internas y externas.
• Las clases 2A y 2B son los grados de tolerancia de roscas más utilizados en las series británicas. fijaciones mecánicas.
• Las clases 3A y 3B tienen el ajuste más apretado y son adecuadas para elementos de fijación con tolerancias estrechas, en particular para diseños de seguridad crítica.
• Las roscas exteriores tienen desviaciones de ajuste especificadas para Clase 1A y Clase 2A, pero no para Clase 3A.

La tolerancia para la Clase 1A es 50% mayor que la de la Clase 2A y 75% mayor que la de la Clase 3A. Para roscas internas, la tolerancia para la Clase 2B es 30% mayor que la de la Clase 2A.

La tolerancia para la Clase 1B es 50% superior a la de la Clase 2B y 75% superior a la de la Clase 3B.

(2) Los grados de rosca comunes para roscas métricas externas son 4H, 6E, 6G y 6H, mientras que los grados de rosca comunes para roscas internas son 6G, 6H y 7H.

El grado de precisión de las roscas estándar japonesas se divide en tres grados: I, II y III, siendo el grado II el más utilizado.

En los hilos métricos, la desviación básica de H y h es cero, mientras que la desviación básica de G es positiva, y la desviación básica de e, f y g es negativa, como se muestra en la figura.

• H es la posición de la zona de tolerancia más utilizada para roscas internas, y generalmente no se utiliza para recubrimientos superficiales o capas de fosfatado muy finas. El uso de la desviación básica de la posición G es poco frecuente, y se utiliza principalmente para revestimientos más gruesos.
• La zona de tolerancia G se utiliza a menudo para el chapado con un revestimiento fino de 6-9um. Por ejemplo, cuando los planos del producto exigen pernos 6H, las roscas deben chaparse con la zona de tolerancia 6G.
• Las mejores combinaciones de ajuste de roscas son H/G, H/H o G/H. Para elementos de fijación refinados, como pernos y tuercas, se recomienda utilizar 6H/6G.

Grado de precisión medio de rosca ordinaria

Tuerca: 6H

Perno: 6 g

Grado de precisión medio de los hilos con recubrimiento grueso

Tuerca: 6G

Perno: 6e

Grado de alta precisión

Tuerca: 4H

Perno: 4h, 6h

M6-P1. 0	Diámetro exterior	Diámetro efectivo
6e	5.76-5.94	5.178-5.29
8g	5.694-5.974	5.144-5.324
6g	5.794-5.974	5.212-5.324
6h	5.82-6.00	5.238-5.350
4h	5.868-6.00	5.275-5.350

9. Hilo común especial

1). Rosca autorroscante: es un tipo de rosca ancha con gran paso.

GB/T5280 JIS B1007

Especificaciones	Paso del diente
ST 1,5	0.5
ST 1.9	0.6
ST 2.2	0.8
ST 2.6	0.9
ST 2.9	11
ST 3.3	1.3
ST 3,5	1.3
ST 3.9	1.3
ST 4.2	14
ST 4.8	1.6
ST 5.5	1.8
ST 6.3	1.8
ST 8	2.1
ST 9.5	2.1

Especificaciones	2	2.5	3	35	4	45	5	6	8
Número de dientes	Dientes AB	40	28	24	20	18	16	14	12
Un diente			24	18	16	14	12	10	9

Especificaciones	Número de dientes
	Dientes AB	Un diente
2	40
2.5	28
3	24	24
35	20	18
4	18	16
45	16	14
5		12
6	14	10
8	12	9

2) Rosca autorroscante de bloqueo (rosca triangular)

GB6559

3.) Rosca para clavos de paneles de pared (Rosca rápida)

GB/T14210

4) Hilo de madera:

Ver Fig. 1-1-32 para el perfil de la rosca y el tamaño del tornillo para madera (CB / T922-1986)

Fig. 1-1-32 Perfil de rosca para tornillo de madera

III. Requisitos de materiales, requisitos de tratamiento térmico y requisitos de rendimiento mecánico de pernos, tornillos y espárragos

Requisitos de materiales para pernos, tornillos y espárragos

Nivel de rendimiento	Materiales y tratamiento térmico	Composición química /%					Temperatura de templado ℃ min
		C		Pmax	Smax	Bmax
		min	max
4.6	Acero al carbono o acero al carbono con elementos añadidos	-	0.55	0.05	0.06	nada	-
4.8
5.6		0.13	0.55	0.05	0.06		-
5.8		-	0.55	0.05	0.06
6.8		0.15	0.55	0.05	0.06
8.8	El cobre aleado al carbono (por ejemplo, cobre, manganeso o cromo) con elementos añadidos es templado y revenido	0.15	0.40	0.025	0.025	0.003	425
	Acero al carbono medio, templado y revenido	0.25	0.55	0.025	0.025
	Acero aleado tipo y temple	0.20	0.55	0.025	0.025

Nivel de rendimiento	Materiales y tratamiento térmico	Composición química/%					Temperatura de templado ℃ min
		C		Pmax	Smax	Bmax
		min	max
9.8	Los aceros aleados al carbono con elementos añadidos (como boro, manganeso o cromo) se inflaman y templan	0.15	0.40	0.025	0.025	0.003	425
	Acero al carbono medio, templado y revenido	0.25	0.55	0.025	0.025
	Acero aleado templado y revenido	0.20	0.55	0.025	0.025
10.9	Acero aleado al carbono con elementos añadidos (como boro, manganeso o cromo), templado y revenido	0.20	0.55	0.025	0.025	0.003	425 (340 anulados)
	Acero al carbono medio, templado y revenido	0.25	0.55	0.025	0.025
	Acero aleado templado y revenido	0.20	0.55	0.025	0.025
12.9	Acero aleado, velocidad de ignición y revenido	0.30	0.50	0.025	0.025	0.003	425
12.9	Los aceros aleados al carbono con elementos añadidos (como boro, manganeso, cromo o molibdeno) se templan y revenen.	0.28	0.50	0.025	0.025	0.003	380

Propiedades mecánicas y físicas de los pernos, tornillos y espárragos

Subartículo	Propiedades mecánicas y físicas		4.6	4.8	5.6	5.8	6.8	8.8		9.8	10.9	12.9/12.9
								d≤M6	d≥M16
1	Resistencia nominal a la tracción rmpA	nominal	400		500		600	800		900	1000	1200
		min	400	420	500	520	600	800	830	900	1040	1220
2	Baja límite elástico rmpA	nominal	240		300
		min	240		300
3	La tensión de 0,2% de alargamiento no proporcional se especifica para la probeta mecanizada.RP0,2 Mpa	nominal						640	640	720	900	1080
		min						640	660	720	940	1100
4	La tensión de alargamiento no proporcional especificada del tornillo es 0,0048d.RXY Mpa	nominal		320		400	480
		min		340		420	480
5	Tensión garantizada MPa		225	310	280	380	440	580	600	650	830	970
	Coeficiente de esfuerzo certificado		0.94	0.91	0.93	0.90	0.92	0.91	0.91	0.90	0.88	0.88

Subartículo	Propiedades mecánicas y físicas		4.6	4.8		5.6	5.8		6.8	8.8		9.8	10.9	12.9/12.9
										d≤M6	d≥M16
6	Alargamiento tras fractura de la probeta mecanizada Af%		22			20				12	12	10	9	8
7	Reducción de la superficie de la probeta mecanizada Z% min									52		48	48	44
8	Alargamiento tras la rotura de la fijación A1% min		un	0.24		un	0.22		0.2
9	Firmeza de la cabeza		Nueva grieta terminal
10	Dureza Vickers HVF ≥ 98N	min	120	130		155	160		190	250	255	290	320	385
			220						250	320	335	360	380	435
11	Dureza Brinell HRB F=30D2	min	114	124		147	152		181	238	242	276	304	366
		max	209						238	304	318	342	361	414
12	Dureza RockwellHRB	min	67		71	79		82	89
		max	95.0						99.5
	Dureza Rockwell	min								22	23	28	32	39

IV. Tipos y estructura de los pernos para estructuras de acero

1. Visión general de la unión atornillada de estructuras de acero

La unión atornillada para estructuras de acero es un método de conexión de dos o más piezas o componentes de estructuras de acero en una sola unidad mediante pernos. Este tipo de conexión es el método más sencillo para preensamblar componentes e instalar estructuras.

Unión atornillada completa de uniones viga-columna

La unión por pernos se utilizó por primera vez en la instalación de estructuras metálicas. Sin embargo, a finales de la década de 1930, fue sustituida gradualmente por conexiones de remaches y solo se utilizó como método de fijación temporal durante el montaje de componentes.

El método de conexión con pernos de alta resistencia surgió en la década de 1950. Estos pernos están fabricados con acero de carbono medio o acero de aleación de carbono medio y tienen una resistencia entre 2 y 3 veces superior a la de los pernos ordinarios.

La unión atornillada de alta resistencia tiene las ventajas de ser cómoda de construir, segura y fiable. Se utiliza en la fabricación e instalación de estructuras de acero en fábricas metalúrgicas desde la década de 1960.

Unión atornillada completa de empalme de vigas

2. Especificación del tornillo

Las especificaciones más comunes de los tornillos utilizados en estructuras de acero son M12, M16, M20, M24 y M30. La letra "M" representa el símbolo del tornillo y el número es el diámetro nominal.

Los pernos se dividen en 10 grados en función de su rendimiento: 3,6, 4,6, 4,8, 5,6, 5,8, 6,8, 8,8, 9,8, 10,9 y 12,9. Los tornillos con grados superiores a 8,8 se fabrican con acero aleado con bajo contenido en carbono o acero con contenido medio en carbono y se someten a un tratamiento térmico (temple y revenido). Se denominan tornillos de alta resistencia. Los tornillos de calidad inferior a 8,8 (excepto 8,8) se denominan tornillos ordinarios.

La tabla siguiente muestra el grado de rendimiento y las propiedades mecánicas de los tornillos.

propiedades mecánicas		Nivel de rendimiento
		3.6	4.6	4.8	5.6		5.8		6.8		88				9.8	10.9			12.9
											≤M16		≥M16
Resistencia a la tracción, MPa	Valor nominal	300	400		500				600		800		800		900	1000			1200
	Valor pequeño	330	400	420	500		520						830
Dureza Rockwell	HRB										HRC
	valor mínimo	52	67	70	80		83		89		22		25		28	34			39
	Máximo	95							99		32		35		37	41			44
Punto de fluencia, MPa	Valor nominal	180				240		320		300		400		480
	valor mínimo	190						340				420
límite elásticoMPa	Valor nominal														640	640	720	900		1080
	Tensión mínima															660		940		1000
Tensión de garantíaSp.Mpa		180				230		310		280		380		440	580	600	660	830		970

El grado de rendimiento del perno se compone de dos partes de números, que representan respectivamente la resistencia nominal a la tracción del perno y el coeficiente de elasticidad del material.

Por ejemplo, el significado de los tornillos con grado de rendimiento de 4,6 es: el número en la primera parte (4 en 4,6) es 1 / 100 de la resistencia a la tracción nominal (n / mm²) de material del tornillo, es decir, fu ≥ 400N / mm²;

El número de la segunda parte (6 en 4.6) es 10 veces el coeficiente de rendimiento de material del tornilloes decir, fy / fu = 0,6;

Producto de dos números (4) × 6 = "24") es 1 / 10 del límite elástico nominal (o límite elástico) (n / mm²) del material del perno, lo que significa fy ≥ 240n / mm².

Según su nivel de precisión de fabricación, los pernos ordinarios utilizados en estructuras de acero pueden clasificarse en tres grados: A, B y C.

Los tornillos de grado B se consideran refinados y suelen utilizarse en productos mecánicos, mientras que los de grado C se consideran toscos.

A menos que se especifique lo contrario, los pernos ordinarios utilizados en estructuras de acero suelen ser pernos gruesos de grado C con un grado de rendimiento de 4,6 o 4,8.

El valor de cálculo de la resistencia de las uniones atornilladas debe tomarse de la tabla 3.4.1-4 del código GB50017-2003 para el cálculo de estructuras de acero.

Tabla 3.4.1-4 valor de diseño de resistencia de conexión atornillada (n / mm²)

Grado de rendimiento del perno, grado del perno de anclaje y acero del componente		Perno común						Supositorio de radio	Perno de alta resistencia de la conexión del cojinete de presión
		Tornillo grado C			Pernos de grado A y B
		Tracción	Resistencia al cizallamiento	Cojinete de presión	tracción	Resistencia al cizallamiento	Cojinete de presión	tracción	tracción	Resistencia al cizallamiento	Cojinete de presión
Perno común	Niveles 4.6 y 4.8	170	140
	Nivel 5.6				210	190
	Grado 8.8				400	320
Perno de anclaje	Acero Q235						un	140
	Acero Q345							180
Tornillo de mariposa de alta resistencia	Grado 8.8								400	250
	Nivel 10.9								500	310
componente	Acero Q235		un	305			405				470
	Acero Q345			385			510				590
	Acero Q390			400			530				615
	Acero Q420			425			560				615

Tabla 3.4.1-5 valor de diseño de resistencia de conexión por remache (n / mm²)

Grado de acero de los clavos Willow y grado de acero de los componentes		Sacar el clavo	Resistencia al cizallamiento		Cojinete de presión
			Agujero tipo I	Agujero de clase II	Agujero tipo I	Agujero de clase II
remache	BL2 o BL3	120	185	155
componente	Acero Q235				450	365
	Acero Q345				565	460

3. Clasificación de los tornillos

Los pernos se conocen con diversos nombres, como tornillos, clavos de perno, piezas estándar, fijaciones, etc.

En un sentido general, los pernos pueden englobar una gama de elementos de fijación que incluye pernos ordinarios, pernos de alta resistencia, pernos de anclaje, pernos de expansión, anclajes químicos, tornillos, espárragos, etc.

Si consideramos los tornillos de forma más específica, podemos dividirlos en dos categorías: tornillos ordinarios y tornillos de alta resistencia.

(1) Unión atornillada común

Los pernos ordinarios pueden dividirse a su vez en pernos brutos y refinados en función de su precisión de fabricación.

Además, los pernos ordinarios también pueden clasificarse en varios tipos, como pernos de cabeza hexagonal, pernos prisioneros, pernos de cabeza avellanada y otros.

La imagen de arriba muestra tornillos de cabeza avellanada

Perno áspero

Los tornillos de clase C suelen ser tornillos toscos fabricados con acero estructural al carbono.

Para garantizar una penetración suave de los pernos en los orificios de los tornillos, el diámetro del orificio debe ser de 1,0 a 2,0 mm mayor que el diámetro nominal (d) de los pernos, lo que da lugar a un orificio de clase II.

La distancia entre los orificios de los tornillos debe estar dispuesta de forma que facilite el apriete con una llave.

Cuando se utilizan pernos en bruto para conectar los componentes de pilares, vigas y cerchas de cubierta, debe adoptarse una estructura de conexión con placas de soporte.

En este caso, el perno está sometido a tracción y su fuerza de cizallamiento es soportada por la placa de apoyo (como se ilustra en el diagrama adjunto).

El bajo grado de resistencia de los materiales utilizados en los pernos rugosos restringe su uso en conexiones estructurales. Sin embargo, los pernos rugosos se siguen utilizando habitualmente en la conexión de vigas secundarias para plataformas de trabajo, vigas de revestimiento de muros, vigas de tejado, soportes y soportes articulados con poca fuerza cortante.

La figura anterior muestra tornillos ordinarios.

Los pernos rugosos también se utilizan con frecuencia en el premontaje de estructuras de acero en talleres, la fijación previa de componentes remachados antes del remachado, el montaje previo a la unión atornillada de alta resistencia y la fijación temporal antes de la soldadura de nodos.

Cuando se utilicen pernos rugosos como pernos de fijación permanente, deben apretarse después de una alineación adecuada y deben tomarse medidas para evitar que se aflojen.

La figura anterior ilustra el método de bloqueo de doble tuerca para el perno de la base de la columna.

Perno refinado

Los pernos de grados A y B se consideran pernos refinados y normalmente requieren orificios de clase I. El diámetro del orificio debe ser de 0,3 a 0,5 mm mayor que el diámetro nominal (d) del tornillo.

Las uniones atornilladas refinadas se utilizan en algunas uniones estructurales que suelen desmontarse y volverse a montar.

Los pernos refinados se utilizan principalmente en productos mecánicos y no suelen emplearse en la construcción de estructuras de acero.

(2) Unión atornillada de alta resistencia

Los tornillos fabricados con acero de alta resistencia o que requieren una precarga elevada se denominan tornillos de alta resistencia.

Estos pernos generan tensión y transmiten fuerzas externas a través de la fricción.

Por el contrario, una unión atornillada tradicional transmite la fuerza de cizallamiento a través de la resistencia al cizallamiento del tornillo y la presión portante de la pared del orificio.

Al apretar la tuerca, la tensión es mínima y puede despreciarse.

Además de su alta resistencia material, un tornillo de alta resistencia también aplica una tensión significativa, lo que produce una presión de extrusión entre los componentes de conexión, proporcionando una fuerte fricción perpendicular a la dirección del tornillo.

Además, factores como la tensión, el coeficiente de antideslizamiento y el tipo de acero influyen directamente en la capacidad portante de un perno de alta resistencia.

Principio de funcionamiento del perno de alta resistencia

Los pernos de alta resistencia se clasifican principalmente en dos categorías en función de sus condiciones de esfuerzo: tipo fricción y tipo presión.

En cuanto al proceso de construcción, los pernos de alta resistencia se dividen en dos tipos: pernos de alta resistencia a la torsión y pernos hexagonales de alta resistencia.

Perno de alta resistencia a la torsión y perno hexagonal de alta resistencia

La unión atornillada de alta resistencia de tipo fricción transfiere la fuerza externa a través de la fricción generada en la superficie de contacto del chapa de acero después de que la capa de la placa de conexión esté firmemente adherida por la presión de apriete del perno. La superficie del componente se somete a chorro de arena para crear un color rojo superficie oxidadaque proporciona un alto coeficiente de fricción y reduce el número de pernos de conexión necesarios. El diámetro del orificio para un perno de alta resistencia de tipo fricción debe ser de 1,5 a 2,0 mm mayor que el diámetro nominal (d) del perno.

Por el contrario, la unión atornillada de alta resistencia que soporta la presión transfiere la tensión mediante la combinación de la fricción entre los componentes, la fuerza de cizallamiento del eje central del tornillo y la presión de apoyo del componente. El diámetro del orificio para este tipo de perno debe ser de 1,0 a 1,5 mm mayor que el diámetro nominal (d) del perno. Los orificios se taladran con un CNC perforación máquina y plantilla de perforación.

En esencia, los pernos de alta resistencia de tipo fricción y de tipo presión son el mismo perno, con la diferencia de que en el diseño se tiene en cuenta el deslizamiento. La superficie de fricción del perno de alta resistencia de tipo fricción no puede deslizarse y el tornillo no soporta el cizallamiento. Si la superficie de fricción se desliza, se considera que ha alcanzado el estado de fallo de diseño, que es una tecnología relativamente establecida y fiable. Por otro lado, la superficie de fricción del perno de alta resistencia que soporta la presión puede deslizarse y el tornillo también soporta el cizallamiento, siendo el fallo final similar al de un perno ordinario (fallo por cizallamiento del perno o fallo por compresión de la placa de acero).

El perno hexagonal grande de alta resistencia se compone de un perno de alta resistencia, una tuerca y dos arandelas, formando un par de conexión de pernos de alta resistencia. Durante la construcción, la estructura se fija temporalmente con pernos en bruto y, a continuación, se instalan los pernos de alta resistencia uno a uno desde el centro del grupo de pernos, empezando por el apriete inicial, seguido del reapriete y, por último, el apriete final.

La figura anterior muestra pares de uniones atornilladas de gran resistencia y cabeza hexagonal de diferentes longitudes.

Al instalar el par de conexión de pernos de alta resistencia de cabeza hexagonal grande, debe colocarse una arandela a ambos lados del perno. El valor del par de apriete inicial debe ser 50% del valor del par de apriete final, mientras que el valor del par de reapriete debe ser igual al valor del par de apriete final.

La fórmula para calcular el valor final del par de apriete es:

TC = k * Pc * d

Dónde

• Tc es el valor final del par de apriete, en n - m;
• k es el coeficiente de par;
• Pc es la pretensión de construcción, en kN;
• d es el diámetro de la rosca del perno de alta resistencia, en mm.

Para el apriete debe utilizarse una llave dinamométrica, que debe calibrarse antes de cada uso.

La pareja de tornillos de alta resistencia a la torsión está formada por un tornillo de alta resistencia, una tuerca y una arandela.

Tipo cizalladura torsional perno de alta resistencia

Llave eléctrica de torsión

Principio de instalación de un perno de alta resistencia al cizallamiento por torsión

Al instalar el par de conexión de pernos de alta resistencia de tipo cizallamiento torsional, sólo debe colocarse una arandela en un lado de la tuerca.

La fórmula para calcular el valor inicial del par de apriete es:

Tc = 0,065 * Pc * d

Dónde

• Tc es el valor inicial del par de apriete, en n - m;
• Pc es la pretensión de construcción, en kn;
• d es el diámetro de la rosca del perno de alta resistencia, en mm.

Por último, se debe utilizar una llave especializada para desenroscar la cabeza de la flor del ciruelo hasta que se rompa.

La inspección de calidad debe centrarse en supervisar e inspeccionar el proceso de construcción.

(3) Perno de anclaje

Un perno de anclaje, también conocido como tornillo de anclaje o alambre de anclaje, se utiliza para conectar la base de una columna de una estructura de acero a una cimentación de hormigón. Los aceros redondos Q235 y Q345 se utilizan habitualmente para este fin.

Existen diferentes tipos de pernos de anclaje, y si el diámetro es superior a 24 mm, debe utilizarse una placa de anclaje.

Durante la instalación, el grupo de pernos de anclaje debe fijarse con el armazón de acero e instalarse junto con la jaula de refuerzo de atado antes de verter el hormigón. La cabeza del perno debe quedar expuesta a la superficie del hormigón durante una longitud determinada.

Una vez que el hormigón ha alcanzado un cierto nivel de resistencia, debe instalarse la base de acero de la columna y debe realizarse una inyección secundaria en la parte inferior de la columna.

Grupo de pernos de anclaje fijo con bastidor de acero

Esquema del perno de anclaje

La imagen muestra la base de un pilar de una estructura de acero antes de la inyección secundaria, con un manguito de goma utilizado para proteger la parte superior del perno de anclaje de la rosca.

(4) Perno de anclaje químico

El perno de anclaje químico es un nuevo tipo de material de fijación que consiste en un agente químico y una varilla metálica. Se utiliza para instalar conectores de otras estructuras en estructuras de hormigón existentes.

Se puede utilizar para la instalación de piezas post-incrustadas en diversas construcciones de estructuras de acero, como muros cortina y mármol colgado en seco. Además, puede utilizarse para la instalación de equipos, la instalación de barandillas de carreteras y puentes, el refuerzo y la transformación de edificios, y otras aplicaciones.

Tornillo y agente de anclaje químico

El perno de anclaje químico es un nuevo tipo de perno de anclaje que sigue al perno de anclaje de expansión. Se trata de un componente compuesto que se asegura y fija en el sustrato de hormigón perforado mediante un adhesivo químico especial y un tornillo, consiguiendo así el anclaje de las piezas fijas.

El perno de anclaje químico tiene una gran capacidad de resistencia a la extracción y puede sustituir a la barra de anclaje empotrada. A menudo se utiliza para solucionar el problema de olvidarse de instalar las piezas empotradas de una estructura de acero en la obra después de haber vertido el hormigón. El perno de anclaje químico puede utilizarse para corregir esta situación.

Los pasos de construcción del perno de anclaje químico son los siguientes:

• De acuerdo con los requisitos de diseño de ingeniería, perfore agujeros en las posiciones designadas en el material de base (como el hormigón). El diámetro del orificio, la profundidad y el diámetro del perno deben ser determinados por técnicos profesionales o pruebas de campo.
• Taladre los agujeros con un taladro de percusión o un taladro de agua.
• Limpie el polvo de los orificios de perforación con un cilindro de aire especial, un cepillo o una máquina de aire comprimido. Esta operación debe repetirse al menos tres veces para asegurarse de que no queda polvo ni agua en el orificio.
• Asegúrese de que la superficie del perno esté limpia, seca y libre de aceite o mampostería.
• Compruebe si el paquete de anclaje del tubo de vidrio presenta alguna anomalía, como daños o solidificación del agente. Introduzca la cabeza redonda del paquete en el orificio de anclaje con la cabeza hacia fuera y empújelo hasta el fondo del orificio.
• Utilizando un taladro eléctrico y un accesorio de instalación especial, inserte el tornillo en el fondo del orificio girándolo con fuerza. No deben utilizarse métodos de impacto.
• Una vez que el tornillo alcance el fondo del orificio o la posición marcada en el perno, deje de girar inmediatamente, retire el accesorio de instalación y evite perturbar el gel hasta que se haya curado por completo. Un exceso de rotación puede provocar una pérdida de pegamento y afectar a la fuerza de anclaje.

(El tiempo de rotación no debe superar los 30 segundos, la velocidad de rotación debe estar comprendida entre 300 y 750 rpm, la velocidad de propulsión del perno debe ser de unos 2 cm/s, y no se permiten los métodos de impacto).

(5) Perno de expansión

La función de un perno de expansión es similar a la de un perno de anclaje químico, y se utiliza para aplicaciones de anclaje con menos tensión.

Pernos de expansión de diferentes especificaciones

Los pernos de expansión no deben utilizarse en piezas con grietas o en piezas propensas a agrietarse en estructuras de hormigón.

Al diseñar estructuras portantes principales, tuberías importantes, operaciones de alta velocidad, soportar cargas de impacto y grandes vibraciones, los pernos de expansión deben seleccionarse en función de la fuerza de tracción y la fuerza de cizalladura de diseño calculadas.

4. Disposición y requisitos de construcción de los pernos

La disposición de los tornillos puede dividirse en dos categorías: paralela y escalonada.

Disposición paralela: esta disposición es sencilla, ordenada y compacta. El tamaño de la placa de conexión utilizada es pequeño, pero da lugar a un debilitamiento significativo de la sección del componente.

Disposición escalonada: esta disposición no es tan compacta, pero el tamaño de la placa de conexión utilizada es mayor, lo que se traduce en un menor debilitamiento de la sección del elemento.

Requisitos de estrés

Dirección vertical de la tensión: Para evitar la concentración de tensiones en los pernos y el debilitamiento excesivo de la sección, así como para reducir la capacidad portante, la distancia del borde y la distancia del extremo de los pernos no deben ser demasiado pequeñas.

Dirección de la acción de la fuerza: Para evitar la rotura o el cizallamiento de la placa, la distancia final no debe ser demasiado pequeña.

Para elementos de compresión: Para evitar el pandeo de las placas de conexión, la distancia intermedia no debe ser demasiado grande.

Requisitos de construcción:

• La distancia entre los bordes y la distancia intermedia de los pernos no debe ser demasiado grande para evitar que queden sueltos entre las placas, la intrusión de humedad y la corrosión del acero.
• Para facilitar el apriete de la tuerca con una llave, el paso del tornillo no debe ser inferior a 3 veces el diámetro del tornillo.

De acuerdo con estos requisitos, la separación admisible de los pernos y los valores de diseño pertinentes se especifican en el código GB50017-2017 para el diseño de estructuras de acero.

Tabla 8.3.4 distancias máximas y mínimas admisibles de los pernos o remaches

nombre	Posición y dirección					Distancia máxima permitida (la que sea menor)	Distancia mínima admisible
Espacio central	Fila exterior (vertical o a lo largo de la dirección de la fuerza interna)					8d O 12t	34d
	Fila central	Dirección de la fuerza interna vertical				16d O 24t
		A lo largo de la dirección de la fuerza interna		Miembro bajo presión		12d o 18t
				Tensión miembro		16d o 24d。
	A lo largo de la dirección de la diagonal
Distancia del centro al borde del componente	A lo largo de la dirección de la fuerza interna					4d o 8t	2d
	Dirección de la fuerza interna vertical		Cortante o manual corte con gas borde				1.5d
			Borde rodante, corte automático por gas o borde de sierra		Perno de alta resistencia
					Otros pernos o clavos		1.2d

Nota:

1. d₀ Es el diámetro del agujero del perno o clavo, y t es el espesor de la chapa exterior.

2. La distancia máxima entre el borde de la placa de acero y el perno o remache conectado al miembro rígido (como el ángulo de acero, el canal de acero, etc.) puede adoptarse de acuerdo con el valor de la fila central.