Uniones atornilladas

Introducción

En esencia, las uniones atornilladas transfieren fuerzas de uno o más elementos a otros elementos y de ahí a las cimentaciones. Lo hacen mediante aplastamiento, tracción y, ocasionalmente, fricción. Son adecuadas para casi cualquier tipo de junta. Sin embargo, con frecuencia, la rigidez resultante de la junta no se reconsidera en el diseño global, lo que a veces no debería pasarse por alto. Los tornillos vienen en una gran variedad de tamaños (véase más abajo) y calidades (material del tornillo), según la norma y la región. En algunos países (no muy lejanos), tienen acceso tanto a tamaños métricos como imperiales, ¡lo que a veces puede ser un arma de doble filo! Como también he descubierto, existen aplicaciones para teléfonos inteligentes y vídeos de YouTube que ayudan a los especificadores e ingenieros...

Volviendo a mis clases de estructuras, una de las primeras uniones que estudiamos fue una unión atornillada "simple" tomada de un ejemplo de pórtico de acero. Para mostrar lo remoto que fue aquello, ¡usábamos lápiz y papel cuadriculado! Los cálculos resultantes no podían ocupar más de una cara de papel A4.

¡Cómo han cambiado las cosas!

En aquellos primeros días, nunca podría haber imaginado los cambios en los métodos y el razonamiento, pero ese es otro tema, para otro día y otro artículo.

Uniones atornilladas

La pregunta candente es: ¿puede una unión atornillada considerarse alguna vez "simple", aunque a menudo se describa como tal? Las uniones son complicadas (nos guste o no) y se necesita un ingeniero para comprenderlas y diseñarlas. Existen formas "simples", sin duda, y sí, las uniones todavía pueden diseñarse y verificarse mediante métodos tradicionales, sin lugar a dudas, y aquí es donde todo ingeniero de uniones debería comenzar su andadura, pero ¿existe una forma mejor?

Hay varias formas de abordar los diseños, pero muchas opciones simplifican en exceso el proceso al permitir una ventana estrecha de aplicabilidad o ignorar efectos clave; uno de los mayores problemas sigue siendo la dependencia de las fuerzas envolventes y los efectos de carga no coincidentes.  ¿Es esta una simplificación excesiva que realmente deberíamos evitar? ¡Probablemente! Muchas empresas han adoptado una serie de hojas de cálculo, pero esto también plantea dudas sobre la verificación y su actualización.

También recuerdo escribir reacciones en los extremos en un plano basándome únicamente en el cortante y en una combinación de carga – siempre para que el fabricante de acero diseñara la unión :-). Esos días han desaparecido definitivamente. Pero demasiados ingenieros intentan mantenerse en los métodos antiguos y mezclar el enfoque tradicional con los códigos y métodos modernos – lo que resulta en uniones deficientes, ineficientes y sobredimensionadas.

Ventajas e inconvenientes de las uniones atornilladas

Las uniones atornilladas son excelentes, ya que son relativamente fáciles de instalar, mantener e inspeccionar. Puede que no sean tan económicas de fabricar como se piensa, ya que pueden generar más material, tienen agujeros para tornillos (que cuestan más) y mayores concentraciones de tensiones. También pueden generar problemas en obra (hablo por experiencia), donde se envían los tornillos incorrectos (o ningún tornillo) con la viga. En algunas situaciones, pueden ofrecer cierta tranquilidad al proyectista, ya que, invariablemente, existe cierta capacidad adicional en una unión atornillada (si se realiza correctamente). Sin embargo, ¡ninguna unión es infalible! Muchos fallos se han atribuido a detalles deficientes de los tornillos – colocados al revés o con un montaje incorrecto para el uso previsto. Por lo tanto, es muy importante tener en cuenta las reglas de detallado y cualquier medida especial debe indicarse en los planos/información de producción/montaje.

Intentar simplificar el proceso eligiendo una unión "simple" puede resultar a menudo en una junta más costosa de fabricar.  Posiblemente sea el momento de considerar el coste del material y el CO₂ más que los costes de diseño...

Por el contrario, a medida que las uniones atornilladas se vuelven más complicadas – ya sea por la geometría o por las cargas aplicadas, o por ambas – resultan aún más difíciles de diseñar y verificar normativamente. Un enfoque simple, posiblemente descomponiendo una unión complicada en partes más sencillas, no funcionará.

Errores de diseño

Existen muchos posibles problemas que pueden surgir al diseñar una unión, pero con diferencia los más frecuentes en nuestro servicio de asistencia son las "sorprendentes" fuerzas de tracción en los tornillos cuando no se está aplicando ninguna fuerza de ese tipo al tornillo.

¿De dónde provienen estas fuerzas de tracción y estas tensiones de tracción? Le recomendaría que investigara las fuerzas de palanca que surgen de las placas flexibles en el diseño de su junta. ¡Estas pueden ser a veces más severas que las componentes de fuerza cortante! Como nota al margen, si desea ver cómo pueden afectar a su diseño, intente aumentar su material de acero en varios órdenes de magnitud y (si lo hace por pasos), podrá observar que a medida que disminuye la flexibilidad, las fuerzas en los tornillos tienden hacia el resultado "esperado".

Otro aspecto de las uniones atornilladas que puede presentarse es cuando se requieren uniones resistentes al deslizamiento o tornillos pretensados. Esto no solo afecta al enfoque de diseño, sino también a los trabajos en obra. Las pruebas y la certificación de dichos tornillos en obra son problemáticas y costosas. Cuando era un joven ingeniero, me dijeron que los evitara en la medida de lo posible – ¿me pregunto por qué?

Un tornillo generalmente pasa por un agujero para tornillo.  Estos se denominan agujeros de holgura.  A medida que aumentan los diámetros de los tornillos, también aumenta el diámetro del agujero de holgura (o debería).  Además, si se aplica un acabado de material o una preparación superficial, las holguras deben aumentarse; la galvanización es un buen ejemplo en este caso.

Mencioné al inicio de este artículo el enfoque con el que comencé una reacción en el extremo a partir de una combinación de carga simple, generalmente mayorada y luego redondeada al alza. Esto podría incluso haberse tabulado en función del tamaño de un elemento y su capacidad. Este enfoque sigue utilizándose hoy en día en muchos países y puede generar problemas en el diseño de uniones. El problema es de equilibrio: equilibrar la ingeniería con los detalles resultantes. El diseño estructural ha evolucionado y también el software utilizado. De hecho, podría argumentarse que una estructura no puede diseñarse (eficientemente) sin software. ¿Cuál es la mejor manera de utilizar todo este software para modelar y diseñar sus uniones atornilladas?

El enfoque CBFEM

¿Cómo aprovechamos en IDEA StatiCa la tecnología detrás del CBFEM?  Esta metodología está integrada en IDEA StatiCa Connection. Los tornillos se tratan como muelles no lineales dependientes. Esto permite modelar, calcular y verificar normativamente cualquier geometría de unión con cualquier carga aplicada. Además, se puede verificar la estabilidad y otros efectos – después de todo, ¡es poco probable que el enfoque "simple" sea suficiente!

Uno de los argumentos que se citan con frecuencia es que este es un enfoque de "usar un mazo para partir una nuez". Sin embargo, en versiones recientes, estamos facilitando aún más el modelado y diseño de uniones simples mediante el uso de IA, Programación Visual y mejoras de API, aprovechando la potencia de nuestros ordenadores para reducir el coste monetario y de CO₂ de las uniones sencillas.

A esto se añade la capacidad de extraer los efectos de carga/uniones de varias soluciones FEA/BIM importantes de proveedores como Autodesk, Trimble, CSi, Nemetshek, etc., lo que realmente impacta en la eficiencia y precisión, ya que los efectos de carga o la propia unión se transfieren a IDEA Connection a través de Checkbot – una especie de centro de intercambio de información fluido entre diferentes soluciones.

¡IDEA StatiCa Connection es lo mejor de ambos mundos! Le proporcionará resultados precisos y verificables que pueden ser objeto de verificación normativa.

¡Una cosa es segura: nunca volveré a tratar una unión atornillada como algo simple!