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¿Cómo calcular la resistencia al cizallamiento de los pernos?

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La resistencia al cizallamiento de un perno se refiere a su capacidad para soportar la fuerza máxima de cizallamiento sin romperse cuando se somete a una fuerza externa lateral. Podemos entender el método de cálculo, las normas y algunos valores específicos de la resistencia al cizallamiento de los pernos.

En primer lugar, la fórmula para calcular la resistencia al cizallamiento de un tornillo es W=P/F=P/ab, donde P es la carga de rotura (N), F es el área de solapamiento (cm^2), a es la longitud del solapamiento (cm) y b es la anchura del solapamiento (cm). Esto implica que la resistencia al cizallamiento del tornillo está relacionada con su tamaño y forma. Midiendo estos parámetros y aplicando la fórmula anterior, se puede calcular la resistencia al cizallamiento del tornillo.

En segundo lugar, la resistencia al cizallamiento de un tornillo también está relacionada con su grado de material. Por ejemplo, un tornillo de grado 4.8 tiene una resistencia al cizallamiento de aproximadamente la mitad de su resistencia a la tracción, mientras que un tornillo de grado 12.9 tiene una resistencia al cizallamiento de 900 MPa. Esto indica que los pernos de diferentes grados tienen diferentes niveles de resistencia al cizallamiento.

Además, el valor de diseño de la resistencia al cizallamiento de los pernos se determina mediante datos estadísticos procedentes de ensayos de conexión, lo que implica que la resistencia al cizallamiento real de los pernos en uso puede variar en función de las condiciones específicas y los resultados de los ensayos.

¿Qué métodos existen para calcular la resistencia al cizallamiento de los pernos?

Los métodos de cálculo de la resistencia al cizallamiento de los pernos incluyen principalmente el análisis de elementos finitos y los ensayos experimentales.

Análisis de elementos finitos es un método que predice el comportamiento de materiales o estructuras sometidos a fuerzas mediante el establecimiento de un modelo matemático. Puede evaluar el comportamiento a cortante de los pernos sin destrucción real. Este método puede utilizarse en el diseño y la optimización de tipos específicos de pernos, como los pernos ciegos, mediante la simulación del comportamiento de resistencia de los pernos sometidos a una fuerza de cizalladura pura para estudiar su rendimiento de carga.

Las pruebas experimentales evalúan mediante la carga real y la observación del modo de fallo del perno, que puede reflejar directamente la resistencia al cizallamiento real del perno.

Los escenarios de aplicación de estos dos métodos tienen cada uno su propio énfasis. El análisis de elementos finitos es adecuado para la fase inicial del diseño de pernos, en la que es necesario evaluar el impacto de los distintos esquemas de diseño en el comportamiento a cortante de los pernos, así como predecir y optimizar el comportamiento de los pernos durante el proceso de diseño.

Las pruebas experimentales se aplican más a menudo en la fase posterior del desarrollo del producto, y sirven para verificar la precisión y fiabilidad del diseño, garantizando que el producto atornillado pueda cumplir los requisitos de rendimiento en aplicaciones reales.

Unión atornillada bajo esfuerzo cortante de trabajo

Como se muestra en la Figura 1-8, esta conexión utiliza un perno para resistir la carga de trabajo F a través de un orificio perforado. Suponiendo que cada tornillo recibe una carga de trabajo igual, la fuerza cortante recibida por cada tornillo es F.

Por lo tanto, la condición de resistencia a la compresión entre la varilla del perno y la pared del agujero es:

Las condiciones para la resistencia al cizallamiento de los pernos son:

En la fórmula:

F representa el esfuerzo cortante operativo ejercido sobre el perno, en Newtons;

d0 representa el diámetro de la cara de cizallamiento del perno, que puede tomarse como el diámetro del orificio del perno, en milímetros;

[τ] representa la resistencia al cizallamiento admisible de la rosca, en MPa, para el acero

Dónde:

[S]τes el factor de seguridad según la Tabla 1-9;

Lmin representa la altura mínima del vástago del tornillo apretado por la pared del agujero, en milímetros.

Durante el diseño, Lmin debe ser mayor o igual que 1,25d; i representa el número de caras de cizalladura en el vástago del tornillo. En la figura 1-1b, i=2, y en la figura 1-8, i=1.

Figura 1-8: Estrecha Conexión de pernos Sometido a esfuerzo cortante en funcionamiento

El esfuerzo cortante requerido para los pernos suele ser de 60Mpa.

Especificaciones de los pernosÁrea de la sección transversal de tensión (mm²)
M10.46
M22.07
M35.03
M48.78
M514.2
M620.1
M836.6
M1058.0
M1284.3
M14115
M16157
M18192
M20245
M22303
M24353
M27459
M30561
M33694
M36817
M39976

Cómo ajustar la resistencia al cizallamiento de los pernos en función de las condiciones de funcionamiento

En aplicaciones prácticas, el ajuste de la resistencia al cizallamiento de los tornillos para cumplir requisitos específicos basados en las condiciones de uso puede lograrse de varias maneras:

Elija el tipo de tornillo adecuado: Dependiendo de la situación de uso, elija tornillos de alta resistencia o tornillos normales. Los pernos de alta resistencia son adecuados para conectar estructuras importantes, como puentes y estructuras de acero, donde es necesario garantizar la fiabilidad y seguridad de las conexiones. Los pernos ordinarios se utilizan más en equipos mecánicos generales y mobiliario.

Calcular el esfuerzo cortante del tornillo: Simplificado a partir de la fórmula F = A × (F / A), el esfuerzo cortante del tornillo es igual a la fuerza a la que está sometido el tornillo. Este paso ayuda a comprender la fuerza de cizallamiento máxima que puede soportar un perno bajo una carga específica, proporcionando una base para la selección posterior.

Considera la deformabilidad del perno: Para resolver el problema de la deformabilidad insuficiente de los conectores de cizalladura de los pernos, se pueden utilizar conectores de cizalladura con alta deformabilidad para mejorar su rendimiento. Este diseño puede mejorar la adaptabilidad y fiabilidad del perno sin sacrificar mucha resistencia.

Ajuste el factor de seguridad: Dependiendo de la resistencia del tornillo y de las condiciones de uso previstas, el factor de seguridad debe ajustarse adecuadamente. Por ejemplo, el esfuerzo cortante admisible Ít puede calcularse dividiendo el esfuerzo cortante por el factor de seguridad. El ajuste del factor de seguridad puede optimizar el rendimiento del perno al tiempo que garantiza la seguridad.

Tenga en cuenta los factores medioambientales: En el caso de los tornillos de alta resistencia que están expuestos a largo plazo a entornos difíciles, como los utilizados en la energía eólica, hay que prestar especial atención a sus condiciones de mantenimiento y estabilidad. En este caso, pueden ser necesarios materiales o revestimientos especiales para mejorar la resistencia a la corrosión y la durabilidad del tornillo.

Siga los procedimientos técnicos: En referencia a los procedimientos técnicos para las uniones atornilladas de alta resistencia en estructuras de acero, medidas como el aumento de la superficie de fricción del revestimiento y su coeficiente de resistencia al deslizamiento, el aumento de las uniones a tracción y de las uniones atornilladas de placas extremas pueden mejorar eficazmente el rendimiento y la fiabilidad de las uniones atornilladas.

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