Uniones atornilladas. Requisitos y control de ejecución.

En la entrada de hoy, y como complemento al artículo redactado sobre control de ejecución de estructuras metálicas con uniones soldadas, quiero hablaros del control a realizar en estructuras con uniones atornilladas en conjuntos de tornillo normal y para pretensar, tuercas y arandelas.

Empezaremos hablando sobre los requisitos de los tornillos, que se incluyen en el artículo 10.4.1 del CTE DB SE-A y en arla EAE, normativas de referencia actuales, hasta que entre en vigor el nuevo código estructural. También hablaremos de las distintas categorías de uniones atornilladas que define la EAE, y posteriormente recordaremos lo indicado en estas normas sobre el control de ejecución.

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Utilización de tornillos (artículos 10.4.1 CTE SE-A – 29.2 y 76.3 EAE)

El diámetro nominal mínimo de los tornillos, según se especifica en el documento básico SE-A, debe ser al menos 12 mm, salvo que se especifique otra cosa en el proyecto.

La rosca puede estar incluida en el plano de corte excepto en el caso de que se utilice el tornillo como calibrado.

La espiga del tornillo debe salir de la rosca de la tuerca después del apriete y entre la superficie de apoyo de la tuerca y la parte no roscada de la espiga, además de la salida de rosca, debe haber:

  • Cuatro filetes de rosca completos para tornillos pretensados.
  • Un filete de rosca completo para tornillos sin pretensar.

El documento básico especifica que no deben soldarse los tornillos, salvo que lo indique el pliego de condiciones. Además, cuando los tornillos se dispongan en posición vertical, la tuerca se situará por debajo de la cabeza del tornillo.

Los tornillos utilizables a los efectos de la Instrucción EAE en uniones de estructuras de acero corresponden a los grados recogidos en la tabla 29.2.a de esta instrucción, con las especificaciones de límite elástico fyb, y resistencia a tracción fub que en la misma se indican.

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Tabla 29.2.a de la instrucción EAE

fyb: Tensión de limite elástico (N/mm2)

fub: Tensión de rotura (N/mm2)

Uniones no pretensadas

Los tornillos normalizados en las normas recogidas en la tabla siguiente se consideran tornillos utilizables a los efectos de la instrucción EAE. En la tabla se indican, para cada grupo normalizado de tornillos, las normas relativas a las tuercas y arandelas que pueden utilizarse con aquéllos. Esta tabla aplica a tornillos, tuercas y arandelas para conjuntos no pretensados, de acuerdo con UNE-EN 15048-1 y 2.

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Tabla 29.2.b de la instrucción EAE

Uniones pretensadas.

Podrán pretensarse únicamente los tornillos de grados 8.8 y 10.9. normalizados según UNE-EN 14399-1. En este caso, los conjuntos seguirán las partes aplicables de UNE-EN 14399: para tornillo y tuerca, partes 3, 4, 7, 8 y 10; para arandelas, partes 5 y 6.

Utilización de tuercas (Artículos 10.4.2 CTE DB SE-A y 29.2 y 76.4 de la EAE)

Los requisitos para las tuercas en uniones atornilladas son las siguientes:

  • Debe comprobarse antes de la colocación, que las tuercas pueden desplazarse libremente sobre el tornillo correspondiente.
  • Para asegurar las tuercas no serán precisas medidas adicionales al apriete normal, ni se deben soldar, salvo que así lo indique el pliego de condiciones.
  • En la tabla 29.2.b de la instrucción EAE (incluida en el apartado anterior) se indican, para cada grupo normalizado de tornillos, las normas relativas a las tuercas y arandelas que pueden utilizarse con aquéllos. Esta tabla aplica a tornillos, tuercas y arandelas para conjuntos no pretensados, de acuerdo con UNE-EN 15048.
  • En estructuras sometidas a vibraciones se tomarán medidas especiales para evitar la pérdida de la rosca y la eventual salida del tornillo. En este caso los tornillos de eje vertical tendrán su cabeza en la parte superior de la unión. Las tuercas de tornillos sin pretensar deberán estar dotadas de contratuercas u otro medio mecánico eficaz. En tornillos pretensados no es necesario utilizar contratuercas.

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Utilización de arandelas (Artículos 10.4.3 del CTE DB SE-A y 29.2 y 76.5 de la EAE)

En agujeros redondos normales y con tornillos sin pretensar, normalmente no es necesario utilizar arandelas, aunque su empleo puede reducir daños en los recubrimientos. El diámetro de las arandelas que se deben usar con agujeros sobredimensionados o de dimensiones especiales, así como los requisitos para el empleo de arandelas en cuña o arandelas que indican la presión, debe indicarse en el pliego de condiciones.

Si se utilizan arandelas bajo la cabeza de los tornillos, éstas deben ser achaflanadas y situarse con el chaflán hacia la cabeza del tornillo.

Para tornillos pretensados, se utilizarán arandelas planas endurecidas de la forma siguiente:

  • Para tornillos 10.9 debajo de la cabeza del tornillo y de la tuerca;
  • Para tornillos 8.8 debajo del elemento que se gira (la cabeza del tornillo o la tuerca).

Según la instrucción EAE, Las arandelas de la serie normal son las normalizadas en las UNE-EN ISO 7089, 7090 y 7091; las de la serie estrecha son las normalizadas en UNE-EN ISO 7092; las de la serie ancha son las normalizadas en UNE-EN ISO 7093-1 y 7093-2; finalmente, las de la serie extra ancha son las normalizadas en UNE-EN ISO 7094. Para el caso de arandelas en uniones pretensadas, será de aplicación lo indicado en las partes 5 y 6 de la norma UNE EN 14399.

Si se emplean arandelas indicadoras del pretensado del tornillo (IDT), estas se instalarán con los resaltos en contacto con la parte que no gire en el apriete. En todo caso se observarán las instrucciones del fabricante que deberán estar detalladas en el pliego de prescripciones técnicas particulares.

IDT

Categorías de uniones atornilladas. (Artículo 58.2 instrucción EAE)

La instrucción EAE clasifica las uniones en estructuras atornilladas, en función de la manera de trabajar de los tornillos, en cinco categorías. Tres de ellas corresponden a uniones en las que los tornillos están solicitados en dirección normal a su eje, categorías A, B y C; y otras dos, categorías D y E, a uniones en las que los tornillos están solicitados en dirección de su eje, esto es, a tracción.

Categoría A: Son uniones en las que los tornillos, ordinarios o de alta resistencia, trabajan a cortante y aplastamiento. Si los tornillos son de alta resistencia, calidades 8.8 ó 10.9, no es preciso que estén pretensados, ni que las superficies en contacto estén preparadas de manera especial. Su cálculo se efectuará de acuerdo con lo dispuesto en el apartado 58.6.

Categoría B: Son uniones realizadas con tornillos de alta resistencia pretensados, con superficies en contacto preparadas, que se desea que no deslicen en el estado límite de servicio.

Categoría C: Son uniones realizadas con tornillos de alta resistencia pretensados, con superficies en contacto preparadas, que se desea que no deslicen en el estado límite último.

Esta categoría de uniones se empleará cuando, para simplificar el montaje, se utilicen taladros a sobremedida o rasgados en la dirección del esfuerzo a transmitir, o cuando se estime que cualquier deslizamiento de la unión pueda deteriorar sensiblemente la resistencia o la rigidez de la estructura, o cuando los tornillos trabajen conjuntamente con cordones de soldadura en uniones híbridas.

Categoría D: Son uniones realizadas con tornillos ordinarios o de alta resistencia trabajando a tracción. Si se emplean tornillos de alta resistencia, no es preciso que estén pretensados ni que las superficies en contacto estén preparadas. No se recomienda el uso de uniones de esta categoría cuando hayan de estar sometidas a variaciones frecuentes del esfuerzo de tracción a transmitir, aunque se admite su uso si dichos esfuerzos de tracción son debidos únicamente a cargas de viento.

Categoría E: Son uniones realizadas con tornillos de alta resistencia pretensados trabajando a tracción. El pretensado mejora la rigidez de la unión en estado límite de servicio y la resistencia a fatiga, aunque esta última dependerá en gran medida de los detalles constructivos y de las tolerancias del ajuste entre piezas. Sólo es preciso preparar las superficies si la unión está sometida a esfuerzos normales al eje de los tornillos, además de a tracción (Uniones de categorías E+B ó E+C).

Especificaciones para agujeros u ojales para tornillos (Artículos 58.3 y 58.4 instrucción EAE)

Un tema importante a tener en cuenta en obra son las especificaciones para agujeros u ojales en los perfiles, que la instrucción EAE trata con las siguientes consideraciones.

Los agujeros para tornillos se efectuarán preferentemente mediante taladro. Se autoriza su ejecución mediante punzonado cuando el agujero sea de diámetro superior al espesor de la pieza, dicho espesor no sea superior a 15 mm y siempre que las piezas a unir no estén sometidas a solicitaciones de fatiga.

El diámetro estándar de los agujeros será igual al del vástago del tornillo más:

  • 1 mm para tornillos de 12 y 14 mm de diámetro;
  • 1 ó 2 mm para tornillos de 16 a 24 mm;
  • 2 ó 3 mm para tornillos de 27 mm o mayores.

Los agujeros de los tornillos de 12 y 14 mm también podrán tener una holgura de 2 mm siempre y cuando la resistencia del grupo de tornillos a aplastamiento sea inferior a la de cortante.

En uniones atornilladas resistentes por rozamiento pueden emplearse agujeros a sobremedida o agujeros rasgados, cortos o largos, para facilitar el montaje de las piezas. Para agujeros a sobremedida, el diámetro del taladro será igual al del vástago de los tornillos más:

  • 3 mm para tornillos de 12 mm;
  • 4 mm para tornillos de 14 a 22 mm;
  • 6 mm para tornillos de 24 mm;
  • 8 mm para tornillos de 27 mm o mayores.

Para los pernos de anclaje en placas de base pueden emplearse agujeros a sobremedida con las holguras que indique el proyectista, siempre que dichos taladros se tapen con cubrejuntas de dimensiones y espesor adecuados. Los agujeros en los cubrejuntas serán de diámetro estándar. En caso de que los pernos de anclaje hayan de resistir esfuerzos perpendiculares a su eje, los cubrejuntas deberán soldarse a la placa de base con una soldadura de resistencia suficiente para transmitir dichos esfuerzos.

La anchura de los agujeros rasgados cortos o largos en dirección normal al esfuerzo será igual al diámetro de los agujeros estándar correspondientes. En la dirección del esfuerzo, la distancia e, figura 58.3, para agujeros rasgados cortos será igual a:

  • (d + 4) mm para tornillos de 12 o 14 mm,
  • (d + 6) mm para tornillos de 16 a 22 mm,
  • (d + 8) mm para tornillos de 24 mm,
  • (d + 10) mm para tornillos de 27 mm y mayores.

Para agujeros rasgados largos será en todos los casos:

  • e = 2,5 d mm, siendo d el diámetro del vástago del tornillo correspondiente.

La Instrucción autoriza el empleo de agujeros rasgados largos cuando se quiera permitir el movimiento relativo entre las piezas a unir. En este caso, la longitud del taladro será fijada por el proyectista. En cualquier caso, para evitar problemas de durabilidad, los agujeros rasgados largos en las caras exteriores de las piezas deben cubrirse con cubrejuntas de dimensiones y espesor apropiados y con agujeros no mayores que los estándares.

En la tabla 58.4.a de la instrucción EAE se establecen los límites máximos y mínimos para las distancias de los agujeros y los bordes que se definen a continuación y en las figuras 58.4.a. y 58.4.b, siendo:

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Para que los tornillos puedan apretarse sin dificultad, se recomienda que la distancia m del eje del taladro a cualquier superficie paralela a dicho eje, no sea inferior a 2d, siendo d el diámetro del tornillo.

Apriete de los tornillos sin pretensar (Artículos 10.4.4 CTE DB SE-A y 76.6 EAE)

En el artículo 10.4.4 del DB SE-A se especifica que cada conjunto de tornillo, tuerca y arandela(s) debe alcanzar la condición de “apretado a tope” sin sobrepretensar los tornillos. Esta condición es la que conseguiría un hombre con una llave normal, sin brazo de prolongación.

Para los grupos grandes de tornillos el apriete debe realizarse desde los tornillos centrales hacia el exterior e incluso realizar algún ciclo de apriete adicional.

Según la instrucción EAE, es admisible que queden holguras locales de 2 mm separadas de la zona donde se disponen los tornillos. Para no superar ese límite es aconsejable proceder a un apretado progresivo de tornillos desde los más interiores hacia fuera.

Apriete de los tornillos pretensados (Artículos 10.4.5 CTE DB SE-A y 76.7 EAE)

Los tornillos de un grupo, antes de iniciar el pretensado, deben estar apretados como si fueran tornillos sin pretensar.

Con objeto de alcanzar un pretensado uniforme, el apriete se realizará progresivamente desde los tornillos centrales de un grupo hasta los bordes y posteriormente realizar ciclos adicionales de apriete. Pueden utilizarse lubricantes entre las tuercas y tornillos o entre las arandelas y el componente que gira, siempre que no se alcance la superficie de contacto, esté contemplado como posibilidad por el procedimiento y lo admita el pliego de condiciones.

Si un conjunto tornillo, tuerca y arandela (s) se ha apretado hasta el pretensado mínimo y luego aflojado, debe ser retirado y descartar su utilización, salvo que lo admita el pliego de condiciones.

El apriete se realizará siguiendo uno de los procedimientos que se indican a continuación, el cual, debe estar calibrado mediante ensayos de procedimiento adecuados.

  • Método de control del par torsor. Se utiliza una llave dinamométrica ajustada al par mínimo requerido para alcanzar el pretensado mínimo anteriormente especificado.
  • Método del giro de tuerca. Se marca la posición de “apretado a tope ” y luego se da el giro de la tuerca indicado en la tabla 10.1
  • Método del indicador directo de tensión. Las separaciones medidas en las arandelas indicadoras de tensión pueden promediarse para establecer la aceptabilidad del conjunto tornillo, tuerca y arandelas
  • Método combinado. Se realiza un apriete inicial por el método a), con una llave ajustada a un par torsor con el que alcance el 75% del pretensado mínimo definido en este apartado, a continuación, se marca la posición de la tuerca (como en el método b) y, por último, se da el giro de tuerca indicado en la tabla 10.2.

El huelgo máximo entre superficies de contacto está limitado a 1 mm En los casos en los que dicho huelgo supere ese valor y no alcance uno superior a 2 mm en ambientes corrosivos y 4 mm en ambientes interiores, cabe la posibilidad de utilizar el sistema de ajuste a base de forros.

El pretensado de los tornillos se iniciará una vez obtenida la condición de contacto ajustado y se realizará de forma ordenada y progresiva. Salvo indicación contraria del pliego de prescripciones técnicas particulares se considera que el esfuerzo de pretensado que debe obtenerse en la espiga del tornillo es el 70% de la resistencia a tracción del tornillo fub multiplicada por el área resistente As:

N0 = 0,7 fub As

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Este esfuerzo de pretensado puede obtenerse con uno de los siguientes métodos:

  • Llave dinamométrica (Artículo 76.7.1 EAE).
  • Arandela con indicación directa de tensión. (Artículo 76.7.2 EAE).
  • Método combinado. (Artículo 76.7.3 EAE).

 Uniones mecánicas (Artículo 10.8.5 CTE DB SE-A)

Todas las uniones mecánicas, pretensadas o sin pretensar tras el apriete inicial, y las superficies de rozamiento se comprobarán visualmente. Tras la comprobación de los criterios de aceptación, la unión debe rehacerse si la disconformidad proviene de que se excedan los criterios establecidos para los espesores de chapa, otras disconformidades podrán corregirse, debiendo volverse a inspeccionar tras su arreglo.

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Inspecciones en uniones con tornillos pretensados (Art. 10.8.5.1 DB SE-A y 91.2.2.7 EAE)

El documento básico SE-A, en su artículo 10.8.5.1, especifica la siguiente metodología de control:

  • El inspector estará presente como mínimo en la instalación del 10 % de los elementos de fijación, y presenciará la retirada y reinstalación de todos los tornillos a los que no se haya aplicado el método definido o si el ajuste del indicador final de la pretensión no está dentro de los límites especificados.
  • Posteriormente inspeccionará el grupo total de estos tornillos.
  • Cuando se haya aplicado el método de control del par de apriete, se comprobará el 10 % de los tornillos (con un mínimo de dos), aplicando de nuevo una llave dinamométrica capaz de dar una precisión del + 5 %. Si cualquier tuerca o tornillo gira 15 º por aplicación del par de inspección, se ensayarán todos los tornillos del grupo.
  • Las no conformidades se corregirán actuando sobre todos los tornillos de grupo no conforme, utilizando la secuencia correcta y hasta que todos ellos alcancen el par de apriete correcto.

En cambio, la instrucción EAE prioriza, en su artículo 91.2.2.7 el control de las uniones de los elementos principales, indicando lo siguiente:

  • El plan de autocontrol del constructor deberá considerar, en su caso, la comprobación de las uniones mediante fijación con elementos mecánicos, a las que se refiere el Artículo 76 de esta Instrucción EAE.
  • Dichas comprobaciones deberán incluir las correspondientes a la aplicación de los pares de apriete adecuados, de acuerdo con lo especificado en el proyecto y en esta Instrucción.
  • En el caso de tornillos pretensados se comprobará que el esfuerzo aplicado es superior al mínimo establecido.
  • Los criterios de aceptación o rechazo serán los definidos al efecto en esta Instrucción EAE.
  • El plan de autocontrol deberá fijar la frecuencia de las comprobaciones, que puede establecerse, en principio, en el 100% de las uniones entre elementos principales (vigas, pilares, chapas, etc.) y el 25% de las uniones en elementos secundarios (rigidizadores, triangulaciones secundarias, etc.).

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