INFORME ESTRUCTURAL

BASADO EN EL USO DE

ARANDELAS DE PRESION

DE ACUERDO A LA NORMATIVA AISC A325

Ingeniero Civil: José Bellido de Luna

INDICE

1. INTRODUCCIÓN_______________________________________________________3

2. DEFINICIONES GENERALES______________________________________________3

2.1. Pernos A 325 y A 490._____________________________________________________3

2.2. Arandelas, Tipos de arandelas._____________________________________________4

3. SISTEMAS DE APRIETE._________________________________________________6

4. REGULACION DEL USO DE ARANDELAS EN LA AISC A 325______________________7

5. ARANDELAS DE PRESIÓN_________________________________________10

6. CONCLUSIONES.__________________________________________________11

2

1. INTRODUCCIÓN

El presente trabajo se desarrolla con el objetivo de dar a conocer mayor

información acerca del uso de las arandelas de presión y arandelas en general,

de acuerdo a lo indicado en la norma AISC A 325.

2. DEFINICIONES GENERALES

2.1. Pernos A 325 y A 490.

Un perno A 325 es aquel que posee una resistencia mínima a la tracción de 120

ksi (8436kg/cm2) para diámetros de 1/2" a 1 " y de 105 ksi (7382 kg/cm2) para

diámetros de 1 1/8” hasta 1 1/2". y el A 490 posee una resistencia de 150 a 170

ksi (10546 a 11952 kg/cm2) desde ½” a 1 1/2 ",su uso está regulado por la

"Specification for Structural Joints using ASTM A 325 or A 490 bolts" conocida

comúnmente como ASTM A 325. Véase la Figura N° 1

Figura N° 1 Perno de alta resistencia.

3

2.2. Arandelas, Tipos de arandelas.

Una arandela es un disco delgado con un agujero central, que se coloca entre la cabeza del perno o de la tuerca y la superficie sobre la cual se desea ejercer la fuerza de apriete. Ver Figura N° 2

Figura N° 2 Detalle de arandela plana.

La principal función de la arandela es proteger la superficie exterior del material sobre la placa que se está ejerciendo la fuerza de apriete del perno y la tuerca a fin de evitar el desgaste de este material por el giro de la tuerca o de la cabeza del perno.

Adicionalmente la función de las arandelas puede resumirse del modo siguiente:

1.- Para soportar una carga de apriete, aumentando la superficie de fricción entre la cabeza del perno o la tuerca y la superficie que se pretende apretar.

2.- Como espaciador entre la superficie que se desea apretar cuando la longitud del perno es superior a la distancia entre la parte inferior de la cabeza del perno y o la tuerca y la superficie sobre las que se desea ejercer la fuerza de apriete.

3.- Como resorte, en el caso de las arandelas de presión para ejercer una mayor fuerza de retención, normalmente son utilizadas en combinación de Arandelas planas para tener un mejor soporte y ejercer la presión sobre una base más amplia. Ver Figura N° 3.

Figura N° 3 Detalle de arandela de presión.

4.- Como dispositivo indicador de precarga, en el caso de las arandelas de precarga que se aplastan cuando se supera la carga para cual fueron diseñadas.

5.- Como dispositivo de seguridad para impedir el aflojamiento de la fijación mediante

4

la prevención de desatornillar la rotación del dispositivo de anclaje.

Otros usos, ya como arandelas especiales, pueden ser: la Arandela de Sellado que genera un sellado contra agua, aire y aceites, la Arandela Espaciadora que ayuda a mantener distancias deseadas entre componentes, la Arandela de Insolación que protege contra corrosión, efectos térmicos y/o efectos eléctricos, la Arandela de Amortiguamiento que se utiliza para soportar o absorber vibraciones y Arandelas de Precisión

Un uso muy común también es para reducir el diámetro de la perforación de la placa, cuando esta es muy grande en comparación con el diámetro del perno a utilizar, con lo cual se obtiene un mayor soporte y agarre, al mismo tiempo que puede evitar la necesidad de reparar orificios perforados con mayor diámetro que el requerido .

La NORMA ASTM A -325 regula que las arandelas que se deben usar con los pernos de alta resistencia A -325 y A- 490 deben ser fabricadas cumpliendo la norma ASTM 436. Ver Figura N° 4

Figura N° 4 Detalle de arandela plana ASTM A 436.

5

3. SISTEMAS DE APRIETE.

Un sistema de apriete entre dos placas debe realizarse de acuerdo al detalle de

la figura N° 5.

Figura N° 5 Sistema de apriete.

Un sistema de apriete consta de un perno, con una arandela antes de la placas que une otra arandela entre la tuerca y la placa N°2 y una holgura que debe quedar en el perno que también está especificada en la ASTM A 325.El perno cuando es apretado comprime las placas que une a través de las arandelas y a su vez queda tensado.Existen cuatro métodos para lograr el apriete del sistema que también están regulados por la Norma ASTM A 325. A saber, el método de la llave calibrada (Control de Torque), el método de control de tensión, el método del giro de la tuerca, y el método DTI (Indicador de Tensión Directa). No es objetivo de este informe definir cada uno, pero basta con indicar que todos ellos cumplen la función de introducirle al perno la tensión necesaria para mantener el correcto apriete entre las dos placas indicado por el calculista.

6

4. REGULACION DEL USO DE ARANDELAS EN LA AISC A 325

La norma AISC regula el uso de las arandelas en su SECCIÓN 6.

Un resumen de cada uno de los puntos referidos a ello se realiza a continuación, sin ser una traducción directa de ellos.

6.1. En las uniones de apriete, en las cuales solo se consideren cargas estáticas y encontrándose los pernos trabajando solo a tracción directa no es necesario el uso de arandelas salvo lo indicado en las Secciones 6.1.1 y 6.1.2.

6.1.1. Cuando las superficies a unir tienen cierta inclinación:

Cuando la cara exterior de la unión tiene una pendiente mayor que 1:20 con respecto a un plano que es normal al eje del perno, se usará una arandela biselada para compensar la falta de paralelismo.

6.1.2. Orificio ranurado (En Chile se conocen como ojo Chino):

Cuando existe un orificio ranurado en el plano de la superficie de contacto, se debe usar una arandela de 5/16 pulgadas para cubrir el orificio.

Los orificios ranurados son los que se utilizan comúnmente para las uniones con deslizamiento.

6.2 Uniones pretensadas y juntas de deslizamiento crítico.

Acá se define como uniones pretensadas aquellas en las cuales se le proporciona un torque que tensa el perno con posterioridad al apriete.

Las arandelas no se requieren en las uniones pretensadas y las uniones de deslizamiento crítico, excepto lo indicado en las secciones 6.1.1, 6.1.2, 6.2.1, 6.2.2, 6.2.3, 6.2.4 y 6.2.5.

6.2.1 El límite elástico del material que se unirá con el perno es inferior a 2800 kg/cm2.

7

Cuando se usen pernos A 490 precargados ya sea con torque u otro método de precarga, en el material especificado de la conexión y este posea un límite elástico mínimo inferior a 2800 kg/cm2, se utilizará una arandela tanto bajo la cabeza del perno y como de la tuerca,

La arandela no es necesaria cuando se emplea un perno A 490 con cabeza redonda que cumpla con los requisitos del diámetro F1852.

Este punto es muy importante para el caso de Chile, el acero que se emplea acá en la gran mayoría de las estructuras es A 37 – 24 ES, entonces ellos significa que siempre serán necesarias las arandelas planas, tanto debajo de la cabeza del perno como de la tuerca.

Esta especificación se debe a lo comentado con anterioridad que la principal función de las arandelas es proteger la superficie de aprieta de un posible desgaste que genere tanto la cabeza como la tuerca al girar cuando se realiza el apriete, en aceros con limite de fluencia inferior a 2800 kg/cm2, es muy susceptible a sufrir este desgaste, y por tanto es INDISPENSABLE el uso de arandelas.

6.2.2. Llave de calibrado para pretensar:

Cuando se usan llaves calibradas para dar tensión (torque) deberá usarse una arandela en el elemento que se le está dando torque.

6.2.3. Métodos de control de tensión:

Cuando se emplee algún método de control de tensión, deberá emplearse siempre una arandela bajo la tuerca, como parte del conjunto de apriete.

6.2.4. Cuando se emplee un dispositivo de indicación de precarga (DTI).

Cuando se emplee un DTI se utilizarán arandelas de la siguiente manera:

(1) Cuando la tuerca está activada y el indicador de tensión directa se encuentra bajola cabeza del tornillo, deberá usarse una arandela debajo de la tuerca;

(2) Cuando la tuerca ya se giró y el indicador de tensión directa se encuentra enla tuerca, se usará una arandela entre la tuerca y el indicador de tensión directa;

(3) Cuando la cabeza del tornillo se activa y el indicador de tensión directa se encuentra debajo de la tuerca, se usará una arandela debajo de la cabeza del perno;

8

(4) Cuando la cabeza del tornillo se activa y el indicador de tensión directa se encuentra bajo la cabeza del tornillo, se usará una arandela entre el perno de cabeza y el indicador de tensión directa.

Esto se puede observar en la figura siguiente:

6.2.5. Agujero de gran tamaño o ranurado:

Cuando exista un orificio ranurado (ojo chino) o la perforación resultó mas ancha que lo indicado para el diámetro del perno. La arandela utilizada debe ser de

9

tamaño suficiente para cubrir completamente el agujero y además suministrar una superficie de agarre en el contorno del mismo.

Otras indicciones para el uso de arandelas regulada por la norma ASCI A 325 son las siguientes:

1.- Es importante que los planos de fabricación y detalles de conexión reflejen claramente el número y disposición de las arandelas a colocar.

2.- El espesor total de las arandelas en el agarre afecta a la longitud del tornillo por lo que ambas cosas deben estar debidamente especificadas en los planos estructurales.

3.- La función primaria de las arandelas es proporcionar una zona de elevada fricción superficial bajo el perno y la tuerca lo que es particularmente importante cuando se aplica un torque para el apriete del perno.

Las arandelas que cumplen los requisitos de la norma ASTM F436 proporcionan; tanto una zona de una elevada fricción superficial como un aumento de la superficie de contacto, aproximadamente 50 por ciento mayor que la proporcionada por la cabeza del perno pesado-hexagonal o la tuerca.

4.- Si se trabaja con aceros con un límite de fluencia Fy mayor que 40 ksi

(2800kg/cm2) se puede prescindir del uso de arandelas.

5. ARANDELAS DE PRESIÓN

Tal como se indico en el punto 2.2 la arandela de presión se utiliza para ejercer una mayor fuerza de retención, deben ser utilizadas en combinación de Arandelas planas para tener un mejor soporte y ejercer la presión sobre una base más amplia.

La Norma AISC A 325, no se refiere en ningún punto específico al uso de este tipo de arandela, por lo cual debe asumirse que es un dispositivo que puede usarse, SI EL INGENIERO CALCULISTA ASI LO ESTIMASE, no obstante a ello pueden inferirse algunas consideraciones elementales, estas serían:

1.- Si el perno fue tensado con cualquiera de los cuatro métodos sugeridos por la Norma AISC A 325, el mismo posee la tensión que es requerida por los elementos que se conectan. En tal caso NO se requiere de un dispositivo que ejerza una mayor presión.

10

2.- Si el apriete que proporciona la arandela de presión depende de sus condiciones de resorte, y estas son proporcionales a la Constante K del muelle x la distancia de acortamiento del mismo, al ser tan pequeña la distancia que se acorta esta arandela cuando es presionada, su aporte en apriete es marginal con respecto al apriete que proporciona el torque, utilizando cualquiera de los métodos sugeridos.

6. CONCLUSIONES.

Por todo lo anteriormente expuesto puede concluirse lo siguiente:

1.- La Norma AISC A 325, en ningún caso prohíbe el uso de las arandelas de presión.

2.- La Norma AISC A 325, regula el uso de las arandelas planas e indica que las mismas se requieren solo en el caso que se conecten aceros con una tensión de fluencia superior a los 2800 kg/cm2, o sea que en Chile donde los aceros a conectar normalmente son de 2400 kg/cm2, estas serían necesarias.

3.- El apriete que proporciona la arandela de presión es muy pequeño en comparación con el que proporciona un sistema de torque. Por lo que en el caso de emplear alguno de estos sistemas de apriete, NO sería necesario su uso.

4.- El ingeniero calculista tiene la potestad de especificar el uso de cualquier otro dispositivo aun cuando este no sea requerido por la norma en cuestión.

11