En Construcción.

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Montaje Atornillado según el Método de Conexión: Un Aspecto Clave en la Construcción de Estructuras Metálicas

El montaje atornillado es uno de los métodos más comunes para unir elementos estructurales de acero en la construcción de edificios, puentes, torres y otras estructuras metálicas. A diferencia de la soldadura, que crea una unión permanente, el montaje atornillado permite el ensamblaje y desensamblaje de los elementos, lo que facilita el transporte, la instalación y las posibles modificaciones o reparaciones futuras. La eficiencia, la seguridad y la calidad del montaje atornillado dependen en gran medida del método de conexión utilizado y del correcto ajuste y apriete de los pernos.

En Colombia, el montaje atornillado de estructuras metálicas debe cumplir con los requisitos establecidos en la Norma Sismo Resistente NSR-10, Título F (Estructuras Metálicas), y las normas técnicas a las que hace referencia, como las especificaciones del Research Council on Structural Connections (RCSC) y del American Institute of Steel Construction (AISC). Estas normas definen los tipos de pernos a utilizar, los métodos de apriete permitidos, los procedimientos de inspección y los criterios de aceptación.

Métodos de Conexión Atornillada

Como se mencionó en secciones anteriores, existen dos tipos principales de conexiones atornilladas en estructuras metálicas, según su comportamiento mecánico:

• Conexiones tipo aplastamiento (bearing-type connections): La carga se transmite por contacto directo (aplastamiento) entre las placas conectadas y el vástago del perno.
• Conexiones por fricción (slip-critical connections): La carga se transmite por fricción entre las superficies de contacto de las placas conectadas, generada por la precarga de los pernos.

La elección del tipo de conexión depende de las características del proyecto, las cargas a las que estará sometida la estructura y los requisitos de diseño. Las conexiones por fricción se utilizan cuando el deslizamiento de la conexión no es admisible, como en estructuras sometidas a cargas dinámicas o cíclicas, o en uniones donde el deslizamiento podría afectar la estabilidad de la estructura.

Independientemente del tipo de conexión, el objetivo del montaje atornillado es asegurar que los pernos se instalen correctamente y se aprieten a la tensión requerida, para que la conexión pueda transmitir las cargas de diseño de forma segura y eficiente.

Pernos de Alta Resistencia

Los pernos de alta resistencia utilizados en conexiones estructurales suelen ser de acero de medio carbono o aleado, tratados térmicamente para alcanzar una alta resistencia a la tracción. Los tipos más comunes son:

• ASTM A325 (NTC 4951 en Colombia): Pernos de acero de medio carbono.
• ASTM A490: Pernos de acero aleado, con mayor resistencia que los A325.
• ASTM F3125: Norma que consolida varias especificaciones, incluyendo grados equivalentes a A325 y A490.

Estos pernos se utilizan con tuercas hexagonales pesadas (heavy hex nuts) y arandelas endurecidas.

Métodos de Apriete y su Aplicación en el Montaje

Los métodos de apriete definen cómo se debe instalar y apretar el perno para alcanzar la tensión deseada. Cada método tiene sus propias ventajas, limitaciones y procedimientos específicos.

1. Apriete Ajustado (Snug-Tight)

• Descripción: Se aprietan 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.
• Aplicación: Conexiones tipo aplastamiento donde no se requiere una precarga específica en los pernos.
• Procedimiento:
  1. Alinear los agujeros de las placas a conectar.
  2. Insertar los pernos con sus arandelas (si aplican) y tuercas.
  3. Apretar los pernos con una llave de impacto o manual hasta que las placas estén firmemente en contacto. No se requiere un control preciso del torque, pero se debe asegurar que no haya movimiento relativo entre las placas.
• Inspección: Inspección visual para verificar que las placas estén en contacto firme y que no haya pernos flojos.

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

• Descripción: Se aprietan primero los pernos hasta la condición de "ajustado" (snug-tight) y luego se aplica 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.
• Aplicación: Conexiones por fricción y, en algunos casos, conexiones tipo aplastamiento (cuando se especifica).
• Procedimiento:
  1. Alinear los agujeros y colocar los pernos, arandelas y tuercas.
  2. Apretar los pernos hasta la condición de "ajustado" (snug-tight).
  3. Marcar la tuerca y el vástago del perno en una línea recta.
  4. Consultar la tabla de la norma RCSC (o AISC 360) para determinar el giro adicional requerido (1/3 de vuelta, 1/2 vuelta, 2/3 de vuelta, etc., según el diámetro, longitud y pendiente).
  5. Aplicar el giro adicional a la tuerca, utilizando una llave manual o una llave de impacto.
• Inspección: Inspección visual para verificar que se haya aplicado el giro adicional correcto a la tuerca, utilizando las marcas como referencia.

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

• Descripción: Se utilizan arandelas especiales (DTI) con protuberancias en una de sus caras. Al apretar el perno, las protuberancias se comprimen. Se mide la separación entre la arandela y la superficie con una galga de espesores.
• Aplicación: Conexiones por fricción.
• Procedimiento:
  1. Alinear los agujeros y colocar los pernos, arandelas DTI (con las protuberancias hacia la cabeza del perno o la tuerca, según el caso) y tuercas.
  2. Apretar los pernos hasta la condición de "ajustado" (snug-tight).
  3. Utilizar una galga de espesores para medir la separación entre la arandela DTI y la superficie.
  4. Continuar apretando el perno hasta que la separación alcance el valor especificado por el fabricante de la arandela DTI.
• Inspección: Verificación con la galga de espesores para asegurar que se ha alcanzado la separación correcta.

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

• Descripción: Se utilizan pernos especiales (TC bolts) con 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.
• Aplicación: Conexiones por fricción y algunas tipo aplastamiento.
• Procedimiento:
  1. Alinear los agujeros y colocar los pernos TC, arandelas y tuercas.
  2. Utilizar la llave eléctrica especial para apretar el perno. La llave sujetará la tuerca y girará el vástago del perno.
  3. Continuar apretando hasta que la extensión ranurada del perno se rompa.
• Inspección: Inspección visual para verificar que la extensión ranurada del perno se haya roto.

5. Método del Torque Controlado (Calibrated Wrench Method)

• Descripción: Se utiliza una llave dinamométrica calibrada para aplicar un torque específico al perno. El torque se determina previamente mediante pruebas.
• Aplicación: Menos común que los otros métodos. Puede usarse en conexiones por fricción o tipo aplastamiento, pero requiere una calibración previa y es sensible a las condiciones de lubricación.
• Procedimiento:
  1. Realizar pruebas previas con un dispositivo de calibración (como un Skidmore-Wilhelm) para determinar la relación entre el torque aplicado y la tensión inducida en el perno, para las condiciones específicas del proyecto (tipo de perno, lubricación, etc.).
  2. Alinear los agujeros, y colocar pernos arandelas y tuercas.
  3. Utilizar la llave dinamométrica calibrada para aplicar el torque determinado en las pruebas previas.
• Inspección: Verificación del torque aplicado con la llave dinamométrica (aunque no es una verificación directa de la tensión del perno). Se puede realizar una verificación adicional con otros métodos.

Secuencia de Apriete

Independientemente del método de apriete utilizado, es fundamental seguir una secuencia de apriete adecuada para asegurar una distribución uniforme de la carga en la conexión y evitar deformaciones o tensiones excesivas en los elementos conectados. La secuencia de apriete generalmente sigue estos principios:

• Comenzar por el centro: Apretar primero los pernos ubicados en el centro de la conexión y luego avanzar hacia los extremos.
• Patrón alterno o cruzado: Apretar los pernos siguiendo un patrón alterno o cruzado, para distribuir la carga de forma uniforme. No se deben apretar los pernos de forma consecutiva en una misma línea.
• Apretar en etapas: En conexiones con muchos pernos, se puede realizar el apriete en varias etapas, aplicando una fracción del torque o giro final en cada etapa.

Herramientas para el Apriete

Las herramientas más comunes utilizadas para el apriete de pernos en estructuras metálicas incluyen:

• Llaves manuales: Llaves fijas, llaves ajustables, llaves de golpe. Se utilizan principalmente para el apriete ajustado (snug-tight) y para aplicar el giro adicional en el método de la vuelta de tuerca.
• Llaves de impacto: Herramientas eléctricas o neumáticas que proporcionan un alto torque para el apriete de pernos. Se utilizan para el apriete ajustado y, en algunos casos, para aplicar el giro adicional en el método de la vuelta de tuerca (con control). No son adecuadas para el control preciso de la tensión del perno.
• Llaves dinamométricas (llaves de torque): Herramientas que permiten aplicar un torque específico al perno. Se utilizan en el método del torque controlado y para la verificación del torque residual en otros métodos. Deben ser calibradas periódicamente.
• Llaves eléctricas especiales para pernos TC: Diseñadas específicamente para apretar pernos con control de torsión (TC bolts).
• Dispositivos de calibración (Skidmore-Wilhelm o similar): Se utilizan para calibrar las llaves dinamométricas y para determinar la relación entre el torque aplicado y la tensión inducida en el perno en el método del torque controlado.
• Galga de espesores: Para verificar la compresión de las arandelas DTI.

Consideraciones Adicionales

Lubricación

Como se mencionó, la lubricación de los pernos puede afectar significativamente el torque requerido. Los pernos de alta resistencia generalmente se deben instalar en la condición "as-received", sin lubricantes adicionales, a menos que se especifique lo contrario. Si se requiere lubricación, se debe utilizar el lubricante especificado y aplicarlo de forma uniforme.

Reutilización de Pernos

La reutilización de pernos de alta resistencia, especialmente los A490 y los TC bolts, generalmente no se recomienda. Los pernos A325 pueden ser reutilizados en algunos casos, pero siempre se debe consultar la norma RCSC y las especificaciones del proyecto.

Condiciones Climáticas

Las temperaturas extremas pueden afectar la precisión de las llaves dinamométricas y la tensión inducida en los pernos. La humedad puede afectar la fricción y la corrosión. Se deben tomar precauciones especiales en condiciones climáticas extremas.

Pintura en las Superficies de Contacto (Conexiones por Fricción)

En las conexiones por fricción, las superficies de contacto deben estar limpias y libres de pintura, aceite, grasa, óxido o cualquier otro contaminante que pueda reducir la fricción. Si se requiere pintar las superficies de contacto, se deben utilizar pinturas calificadas para este propósito, que no reduzcan significativamente el coeficiente de fricción. La norma RCSC proporciona información sobre pinturas calificadas para superficies de contacto en conexiones por fricción.

Agujeros Sobredimensionados o Rasgados

En algunos casos, se pueden utilizar agujeros sobredimensionados o rasgados (oblongos) en las conexiones atornilladas para facilitar el montaje y permitir ciertas tolerancias. Sin embargo, el uso de agujeros sobredimensionados o rasgados puede reducir la capacidad de carga de la conexión, especialmente en conexiones por fricción. Se deben seguir las restricciones y requisitos establecidos en las normas aplicables (RCSC, AISC 360) para el uso de agujeros sobredimensionados o rasgados.

Documentación

• Planos de montaje: Deben indicar el tipo de conexión, el tipo de perno, el diámetro, la longitud y el método de apriete.
• Especificaciones técnicas: Deben complementar la información de los planos.
• Procedimientos de apriete: Si se requieren procedimientos especiales.
• Registros de inspección: Deben documentar la verificación del apriete.
• Certificados de calibración de herramientas: Para llaves dinamométricas y dispositivos de calibración.

Consideraciones para Colombia y Bogotá

• NSR-10: Cumplir con los requisitos del Título F y las normas referenciadas (RCSC, AISC).
• Disponibilidad de pernos: Asegurarse de que los pernos especificados (A325, A490, F3125) estén disponibles en el mercado colombiano.
• Capacitación: Capacitar al personal en los métodos de apriete correctos y la inspección de conexiones atornilladas.
• Calibración de herramientas: Asegurarse de que las herramientas de apriete estén calibradas por laboratorios acreditados.

Tabla: Ventajas y Desventajas de los Métodos de Apriete

Tabla: Resumen de Métodos de Apriete

Ejemplo: Procedimiento de Apriete por Vuelta de Tuerca (Simplificado)

Tabla: Inspección según el Método