En Construcción.

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Ajuste y Apriete de Conexiones Atornilladas: Control de Calidad Crucial en Estructuras Metálicas

Las conexiones atornilladas son un elemento fundamental en el montaje de estructuras metálicas, ya que unen los diferentes elementos estructurales (vigas, columnas, diagonales, placas, etc.) y transmiten las cargas entre ellos. Un correcto ajuste y apriete de estas conexiones es esencial para garantizar la seguridad, estabilidad y durabilidad de la estructura. Un apriete inadecuado, ya sea por defecto (pernos flojos) o por exceso (pernos sobretensionados), puede comprometer la capacidad de carga de la conexión, generar deformaciones, fatiga prematura, e incluso el colapso de la estructura.

En Colombia, la Norma Sismo Resistente NSR-10, en su Título F (Estructuras Metálicas), establece requisitos para el diseño, fabricación y montaje de conexiones atornilladas, incluyendo los tipos de pernos a utilizar, los métodos de apriete permitidos y los procedimientos de inspección. La NSR-10 remite generalmente a normas internacionales reconocidas como la especificación del Research Council on Structural Connections (RCSC) "Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts", que es la base para muchas de las prácticas de diseño y control de calidad de conexiones atornilladas en el mundo. También se utiliza, en menor medida, la norma del American Institute of Steel Construction (AISC).

Tipos de Conexiones Atornilladas

Las conexiones atornilladas en estructuras metálicas se pueden clasificar en dos tipos principales, según su comportamiento mecánico:

• Conexiones tipo aplastamiento (bearing-type connections): En estas conexiones, la carga se transmite principalmente por contacto directo (aplastamiento) entre las placas conectadas y el vástago del perno. El apriete de los pernos no es tan crítico como en las conexiones por fricción, pero se debe asegurar un apriete "ajustado" (snug-tight) para evitar el movimiento relativo entre las placas.
• Conexiones por fricción (slip-critical connections): En estas conexiones, la carga se transmite principalmente por fricción entre las superficies de contacto de las placas conectadas. El apriete de los pernos genera una fuerza de precarga que crea la fricción necesaria para evitar el deslizamiento entre las placas. El control del apriete es crucial en este tipo de conexiones, ya que un apriete insuficiente puede provocar el deslizamiento de la conexión bajo carga, mientras que un apriete excesivo puede dañar los pernos o las placas.

Las conexiones por fricción se utilizan en situaciones donde el deslizamiento de la conexión no es admisible, como en estructuras sometidas a cargas dinámicas o cíclicas (puentes, grúas, torres de transmisión), en uniones donde el deslizamiento podría afectar la estabilidad de la estructura, o en estructuras sismo resistentes.

Tipos de Pernos de Alta Resistencia

Los pernos de alta resistencia más comúnmente utilizados en estructuras metálicas son:

• ASTM A325 (NTC 4951 en Colombia): Son pernos de acero de medio carbono, tratados térmicamente, con una resistencia a la tracción mínima de 120 ksi (para diámetros hasta 1 pulgada) o 105 ksi (para diámetros mayores a 1 pulgada). Son los pernos más utilizados en conexiones estructurales.
• ASTM A490 (No hay equivalente exacto NTC, se usa directamente la ASTM): Son pernos de acero aleado, tratados térmicamente, con una resistencia a la tracción mínima de 150 ksi. Se utilizan en aplicaciones donde se requiere una mayor resistencia que la proporcionada por los pernos A325.
• ASTM F3125: Es una norma más reciente que consolida varias especificaciones de pernos, incluyendo A325 y A490, como grados dentro de la misma norma.

Estos pernos se utilizan generalmente con tuercas pesadas hexagonales (heavy hex nuts) y arandelas endurecidas (hardened washers) para asegurar una distribución uniforme de la carga y prevenir daños en las placas conectadas.

Métodos de Apriete de Conexiones Atornilladas

Existen varios métodos para apretar los pernos de alta resistencia en conexiones estructurales. La selección del método depende del tipo de conexión (aplastamiento o fricción), los requisitos de la norma aplicable y las herramientas disponibles.

1. Apriete Ajustado (Snug-Tight)

Este método se utiliza principalmente en conexiones tipo aplastamiento. Consiste en apretar los pernos hasta que las superficies de contacto de las placas queden firmemente en contacto. Se puede lograr con una llave de impacto o con una llave manual, aplicando el máximo esfuerzo de un operario. No se requiere un control preciso del torque o la tensión en este método, pero se debe asegurar que todas las placas estén en contacto firme.

2. Método de la Vuelta de Tuerca (Turn-of-Nut Method)

Este método se utiliza en conexiones por fricción y en algunas conexiones tipo aplastamiento (cuando se especifica). Consiste en apretar primero los pernos hasta la condición de "ajustado" (snug-tight) y luego aplicar un giro adicional a la tuerca, según el diámetro del perno, la longitud del perno y la pendiente de la superficie bajo la tuerca o la cabeza del perno. La norma RCSC y la AISC 360 proporcionan tablas que especifican el giro adicional requerido para cada caso. Este método es relativamente sencillo y no requiere herramientas especiales, pero requiere una buena capacitación del personal y un control visual para verificar que se ha aplicado el giro correcto.

3. Método del Indicador Directo de Tensión (DTI - Direct Tension Indicator)

Este método utiliza arandelas especiales, conocidas como DTI, que tienen protuberancias en una de sus caras. Al apretar el perno, las protuberancias se comprimen. Se utiliza una galga de espesores (feeler gauge) para medir la separación entre la arandela y la superficie de la placa o la cabeza del perno/tuerca. Cuando la separación alcanza un valor especificado, se considera que el perno ha alcanzado la tensión requerida.

4. Método del Perno con Control de Torsión (TC Bolt - Tension Control Bolt)

Este método utiliza pernos especiales, conocidos como TC bolts o "twist-off bolts", que tienen una extensión ranurada en el extremo del vástago. Se utiliza una llave eléctrica especial que sujeta la tuerca y gira el vástago del perno. Cuando el perno alcanza la tensión requerida, la extensión ranurada se rompe. Este método proporciona un control visual directo de que el perno ha sido apretado correctamente.

5. Método del Torque Controlado (Calibrated Wrench Method)

Este método utiliza una llave dinamométrica (llave de torque) calibrada para aplicar un torque específico al perno. El torque requerido se determina mediante pruebas previas, utilizando un dispositivo de calibración que mide la relación entre el torque aplicado y la tensión inducida en el perno. Este método es menos común que los anteriores, ya que es más sensible a las variaciones en las condiciones de lubricación y fricción de las roscas.

Es importante mencionar que, independientemente del método de apriete utilizado, se debe seguir una secuencia de apriete adecuada para asegurar una distribución uniforme de la carga en la conexión. Generalmente, se comienza apretando los pernos en el centro de la conexión y se avanza hacia los extremos, siguiendo un patrón alterno o cruzado.

Inspección de Conexiones Atornilladas

La inspección de conexiones atornilladas es un paso crucial en el control de calidad del montaje de estructuras metálicas. La inspección debe verificar que:

• Se han utilizado los pernos, tuercas y arandelas correctos (tipo, grado, diámetro, longitud).
• Los pernos están correctamente instalados (con la longitud de rosca adecuada sobresaliendo de la tuerca).
• Las superficies de contacto de las placas están limpias y libres de rebabas, óxido, pintura u otros contaminantes (especialmente importante en conexiones por fricción).
• Los pernos han sido apretados según el método especificado.
• No hay pernos flojos, dañados o faltantes.
• La conexión en su conjunto está correctamente alineada y ajustada.

La inspección de conexiones atornilladas puede incluir:

Inspección Visual

• Verificar el tipo, grado, diámetro y longitud de los pernos.
• Verificar la presencia y el tipo de tuercas y arandelas.
• Verificar que la longitud de rosca que sobresale de la tuerca sea la adecuada (generalmente, al menos uno o dos hilos completos).
• Verificar que no haya pernos flojos, dañados o faltantes.
• Verificar la limpieza de las superficies de contacto (en conexiones por fricción).
• Verificar la alineación y el ajuste general de la conexión.

Inspección del Apriete

La inspección del apriete depende del método de apriete utilizado:

• Apriete Ajustado (Snug-Tight): Se verifica visualmente que las placas estén en contacto firme y que no haya movimiento relativo entre ellas. Se puede utilizar una llave manual para verificar que los pernos no estén flojos.
• Método de la Vuelta de Tuerca: Se verifica visualmente que se haya aplicado el giro adicional correcto a la tuerca, después del apriete ajustado. Se pueden utilizar marcas en la tuerca y en el vástago del perno para facilitar esta verificación.
• Método del Indicador Directo de Tensión (DTI): Se utiliza una galga de espesores para verificar que la separación entre la arandela DTI y la superficie de la placa o la cabeza del perno/tuerca sea la especificada.
• Método del Perno con Control de Torsión (TC Bolt): Se verifica visualmente que la extensión ranurada del perno se haya roto.
• Método del Torque Controlado: Se puede realizar una inspección de verificación utilizando una llave dinamométrica calibrada para verificar que el torque residual en el perno esté dentro de un rango aceptable. Sin embargo, esta verificación no es tan confiable como los otros métodos, ya que el torque residual puede variar significativamente debido a factores como la fricción y la relajación del perno.

Inspección con Llave Dinamométrica (Verificación, no apriete)

Aunque el torque controlado no es el método preferido para el apriete, sí se puede usar una llave dinamométrica para *verificar* el apriete. Es importante tener en cuenta que esta verificación no es para *aplicar* el torque, sino para comprobar, de manera *aproximada*, si existe un apriete mínimo. Se aplica un torque menor al de apriete, y se verifica que el perno no gire. Si gira con ese torque menor, es una indicación de que el perno no fue apretado correctamente.

Documentación del Control de Calidad

Todos los aspectos del ajuste y apriete de conexiones atornilladas, así como su inspección, deben ser documentados. Esta documentación debe incluir:

• Planos de montaje: Que especifiquen el tipo, grado, diámetro y longitud de los pernos, así como el método de apriete a utilizar.
• Especificaciones técnicas: Que detallen los requisitos de las conexiones atornilladas.
• Procedimientos de apriete: Si se utilizan métodos especiales de apriete.
• Registros de calibración de las herramientas: (llaves dinamométricas, llaves de impacto, etc.).
• Informes de inspección: Que documenten los resultados de la inspección visual y la verificación del apriete, incluyendo la identificación de los pernos inspeccionados, el método de apriete utilizado, los resultados obtenidos y cualquier no conformidad detectada.
• Registros de no conformidades y acciones correctivas: Si se detectan pernos flojos, dañados o incorrectamente apretados, se debe documentar la no conformidad y las acciones correctivas tomadas (reapriete, reemplazo, etc.).

Responsabilidades

• Diseñador: Especificar el tipo de conexión, los pernos a utilizar y el método de apriete.
• Fabricante/Montador: Asegurar que los pernos se instalen y aprieten correctamente, siguiendo los planos, especificaciones y procedimientos aplicables. Capacitar al personal.
• Inspector de Calidad: Verificar que los pernos se hayan instalado y apretado correctamente, y documentar los resultados de la inspección.

Consideraciones Adicionales

Lubricación

La lubricación de los pernos puede afectar significativamente el torque requerido para alcanzar una determinada tensión en el perno. En general, los pernos de alta resistencia se deben instalar en la condición "as-received" (tal como se reciben del fabricante), sin agregar lubricantes adicionales, a menos que se especifique lo contrario en el proyecto o se utilicen métodos de apriete que requieran lubricación (como el método del torque controlado). Si se requiere lubricación, se debe utilizar el lubricante especificado por el fabricante del perno o por la norma aplicable, y se debe asegurar que la lubricación sea uniforme.

Reutilización de Pernos

La reutilización de pernos de alta resistencia, especialmente los pernos A490 y los TC bolts, generalmente no se recomienda, ya que el apriete inicial puede haber deformado permanentemente las roscas o haber reducido la resistencia del perno. La norma RCSC establece restricciones sobre la reutilización de pernos. En general, los pernos A325 pueden ser reutilizados si no han sido apretados más allá de su límite elástico, pero siempre es recomendable consultar las especificaciones del proyecto y las recomendaciones del fabricante.

Condiciones Climáticas

Las condiciones climáticas, como la temperatura y la humedad, pueden afectar el proceso de apriete de los pernos. Las temperaturas extremas pueden afectar la precisión de las llaves dinamométricas y la tensión inducida en los pernos. La humedad puede afectar la fricción entre las roscas y la corrosión de los pernos. Se deben tomar precauciones especiales en condiciones climáticas extremas.

Almacenamiento de pernos

Los pernos, tuercas y arandelas deben almacenarse en un lugar seco y protegido de la intemperie, para evitar la corrosión.

Capacitación del Personal

El personal involucrado en el ajuste y apriete de conexiones atornilladas debe estar debidamente capacitado en los procedimientos correctos, el uso de las herramientas y la inspección de las conexiones. La capacitación debe incluir tanto aspectos teóricos como prácticos, y se debe evaluar periódicamente la competencia del personal.

Consideraciones para Colombia y Bogotá

• NSR-10: Es fundamental cumplir con los requisitos de la NSR-10, Título F, y las normas a las que hace referencia (RCSC, AISC).
• Disponibilidad de pernos: Asegurarse de que los pernos de alta resistencia especificados (A325, A490, F3125) estén disponibles en el mercado colombiano.
• Calibración de herramientas: Asegurarse de que las llaves dinamométricas y otras herramientas de apriete estén calibradas por laboratorios acreditados.
• Capacitación: Enfatizar la importancia de la capacitación del personal en los métodos de apriete correctos y la inspección de conexiones atornilladas.

Tabla: Métodos de Apriete y su Aplicación

Tabla: Pernos de Alta Resistencia Comunes

Tabla: Ejemplo de secuencia de apriete

Lista de Verificación para Inspección de Conexiones Atornilladas