Guía definitiva para la fijación de pernos de alta resistencia: Más allá de los números de par

Guía completa para la fijación de pernos de alta resistencia: Conceptos básicos

El apriete de pernos de alta resistencia es un proceso esencial en la construcción moderna de acero, pero mucha gente no lo entiende del todo. El objetivo principal de apretar un tornillo estructural no es alcanzar un par de apriete específico, sino crear la cantidad adecuada de fuerza de apriete, denominada precarga. El par de apriete es sólo una forma indirecta de conseguirlo, y a menudo no es fiable. Esta guía explica los principios básicos, los métodos, los factores importantes y los procedimientos de comprobación necesarios para garantizar la seguridad estructural mediante una precarga adecuada. Desglosaremos los fundamentos científicos de la precarga, explicaremos los métodos de fijación estándar, analizaremos los fallos más comunes y sus causas, y describiremos los pasos de inspección y control de calidad necesarios para conseguir uniones atornilladas seguras y duraderas.

Conceptos básicos de la precarga

Para adquirir destreza en el atornillado de alta resistencia, hay que centrarse en el tornillo en sí, no sólo en la llave. Un tornillo apretado funciona como un muelle cuidadosamente estirado, y entender esta idea es clave para todo lo demás.

¿Qué es la precarga?

La precarga es la tensión que se crea en un tornillo cuando se aprieta la tuerca. Esta tensión estira el tornillo y, en respuesta, el tornillo sujeta las piezas de acero conectadas con una fuerza fuerte y mensurable. Esta fuerza de apriete es lo que realmente queremos conseguir. La precarga tiene tres objetivos principales:

• Crea una enorme fuerza de fricción entre las capas de una conexión de acero, impidiendo que la unión se deslice bajo cargas laterales. Así funciona una conexión con deslizamiento crítico.
• Mantiene las piezas unidas en contacto firme y continuo, proporcionando rigidez y evitando la separación cuando la conexión se enfrenta a fuerzas de tracción o apalancamiento.
• Mejora en gran medida la duración del tornillo bajo cargas repetidas. Al mantener una tensión inicial elevada, la precarga reduce la cantidad de tensión externa que experimenta el perno, evitando que se inicien y crezcan grietas.

Par, tensión y factor K

La relación entre el par de apriete aplicado a una tuerca y la tensión resultante del tornillo (precarga) sigue esta fórmula T = K x D x P.

• T = Par objetivo
• K = Factor de Tuerca (también llamado coeficiente de fricción)
• D = Diámetro del perno
• P = Precarga objetivo (tensión del perno)

Aunque esta fórmula parece sencilla, muestra por qué el par de apriete no es una forma fiable de medir la precarga. El valor "K", el factor de tuerca, no es constante. Representa la fricción en la superficie de contacto entre la tuerca y el acero y en el interior de las roscas entre el tornillo y la tuerca. Es importante destacar que la fricción consume la mayor parte de la energía durante el apriete. Los estudios demuestran que alrededor de 85-90% del par aplicado se destina a superar la fricción, y sólo 10-15% crean realmente una tensión útil en el tornillo.

El factor K cambia en función de muchas variables, como el tipo y la presencia de lubricación, el acabado superficial de las piezas, los grados del material y el estado de la rosca. Un cambio en cualquiera de estos factores alterará el factor K, lo que significa que el mismo par puede producir valores de precarga muy diferentes. Esta es la razón por la que los métodos que se basan únicamente en un valor de par estándar no están permitidos para uniones de alta tensión en los principales códigos estructurales.

Factores importantes de la precarga

Conseguir la precarga deseada de forma constante requiere un control estricto de todas las piezas y condiciones del conjunto de tornillos. Ignorar estas variables puede hacer inútil incluso la instalación más cuidadosa.

Por qué es importante la lubricación

La lubricación es probablemente el factor más importante para conseguir una precarga correcta. Los pernos de alta resistencia, como los que cumplen la norma ASTM F3125, vienen con lubricante aplicado por el fabricante. Este recubrimiento está diseñado para proporcionar un factor K constante y evitar el gripado, un tipo de soldadura en frío que puede producirse entre las roscas de la tuerca y el perno bajo alta presión, provocando el agarrotamiento o la rotura del perno.

Por experiencia, hemos observado diferencias significativas en la precarga cuando se ignora este principio. Por ejemplo, los pernos expuestos a la intemperie pueden perder su lubricante, lo que aumenta drásticamente la fricción y da lugar a una precarga baja para un par de apriete determinado. Por otro lado, la aplicación de un lubricante no aprobado, como un compuesto antiagarrotamiento genérico, puede reducir tanto la fricción que el tornillo se tensa en exceso y puede romperse. La regla es sencilla: utilice los tornillos, tuercas y arandelas tal y como los entrega el fabricante y protéjalos de la contaminación y la intemperie.

Estado de los componentes

Antes de la instalación, todas las piezas de fijación deben comprobarse visualmente para asegurarse de que cumplen los requisitos del proyecto y están en buenas condiciones.

• Pernos y tuercas: Verifique el grado correcto (como el grado A325, A490 o las designaciones más recientes F3125), el diámetro y la longitud. Asegúrese de que están almacenados en recipientes protegidos para mantenerlos libres de suciedad, óxido o daños en las roscas. Cualquier tornillo con las roscas visiblemente dañadas debe desecharse.
• Arandelas: Se requieren arandelas de acero endurecido (según ASTM F436) debajo de la pieza que se gira (normalmente la tuerca). Esto proporciona una superficie consistente, dura y lisa para normalizar la fricción. Para superficies con una inclinación superior a 1:20 respecto al eje del perno, deben utilizarse arandelas biseladas para proporcionar una superficie de apoyo cuadrada y evitar que el perno se doble.

Condiciones del agujero y de la superficie

El estado de las superficies de acero que se unen, conocidas como superficies de ensamblaje, afecta directamente a la estabilidad a largo plazo de la precarga. Cualquier material que pueda comprimirse, arrastrarse o deformarse con el tiempo provocará una pérdida de tensión del perno. Deben eliminarse las rebabas del borde del orificio del tornillo. La especificación del RCSC (Research Council on Structural Connections, Consejo de Investigación sobre Conexiones Estructurales) no permite, por lo general, la aplicación de pintura pesada, cascarilla u otros revestimientos en las superficies de contacto de las conexiones con deslizamiento crítico, a menos que su rendimiento se haya verificado mediante pruebas. Estos materiales pueden comprimirse lentamente bajo la elevada fuerza de apriete, provocando la relajación de la precarga y comprometiendo la resistencia al deslizamiento de la unión.

Métodos técnicos de fijación

La industria del acero estructural reconoce cuatro métodos principales para lograr la precarga mínima requerida. Cada uno de ellos se basa en un principio físico diferente y tiene sus propios procedimientos, equipos y requisitos de inspección. Todos los métodos parten del mismo punto: la condición de ajustado-apretado.

El estado de estrechez

El estado de apriete es el punto de partida para el tensado final de cualquier conexión de alta tensión o de deslizamiento crítico. Se define como el apriete que se consigue con todo el esfuerzo de una persona que utilice una llave de tubo estándar o el punto en el que una llave de impacto empieza a proporcionar impactos sólidos. El objetivo del apriete de los tornillos es poner en contacto todas las capas de acero de la unión, eliminando huecos y garantizando la solidez de todo el conjunto antes de aplicar la tensión final medida. Esto se hace normalmente en forma de estrella o entrecruzada para asegurar que la junta se cierra uniformemente.

Método 1: Vuelta de tuerca

Este método es uno de los más fiables porque depende de la geometría predecible del estiramiento del perno, no de la fricción variable del par de apriete. Una vez conseguida la condición de ajuste y apriete, el instalador utiliza un rotulador permanente para colocar una marca de coincidencia en la tuerca, la punta del perno y la superficie de acero adyacente. Esta marca proporciona una referencia visual. A continuación, se gira la tuerca una determinada cantidad con respecto al perno. Esta rotación requerida está especificada por el RCSC y depende de la relación longitud-diámetro del perno, como se muestra en la tabla siguiente.

Método 2: Llave calibrada

Este método utiliza una llave controlada por par para aplicar un valor de par objetivo. Sin embargo, como ya se ha comentado, la relación entre par y tensión no es fiable sin calibración. Por lo tanto, este método requiere un proceso crítico de verificación previa a la instalación. Cada día, utilizando el lote específico de elementos de fijación (perno, tuerca y arandela) que se va a instalar, se debe probar una muestra representativa de conjuntos en un calibrador de tensión de pernos, como un dispositivo Skidmore-Wilhelm. Este dispositivo mide directamente la precarga alcanzada para un par de apriete determinado. El operario aprieta el perno y registra el par necesario para alcanzar una tensión ligeramente superior a la precarga mínima requerida. Este valor de par se convierte en el par de instalación en el lugar de trabajo para ese lote de tornillos específico sólo para ese día.

Método 3: Tornillos Twist-Off (TC)

Los pernos Twist-Off, también conocidos como pernos de control de tensión, son un conjunto especial diseñado para una instalación e inspección rápidas. El perno tiene un extremo estriado que se extiende más allá de la parte roscada. Para su instalación se utiliza una llave eléctrica especializada. La llave tiene dos casquillos concéntricos: un casquillo exterior que gira la tuerca y un casquillo interior que sujeta el estriado. A medida que se aprieta la tuerca, la resistencia aumenta hasta alcanzar un nivel predeterminado, momento en el que la carga de torsión cizalla el extremo estriado del tornillo. Esto proporciona una indicación directa y fiable de que se ha alcanzado la tensión requerida.

Método 4: Indicadores directos de tensión (DTI)

Los indicadores de tensión directa son arandelas endurecidas especializadas con protuberancias en relieve en una cara. El DTI se coloca bajo la cabeza del tornillo o la tuerca, con las protuberancias apoyadas contra una superficie dura y plana (normalmente una arandela templada F436 estándar). Al apretar el tornillo, la fuerza de apriete aplana las protuberancias. La instalación está completa cuando la holgura restante se reduce a un valor específico, que es verificado por un inspector utilizando una galga de espesores. Si la galga no puede entrar en la holgura, el tornillo está bien tensado. Algunos DTI, conocidos como Squirting DTI, están rellenos de una silicona de color naranja brillante que se expulsa cuando se alcanza la tensión correcta, proporcionando una señal visual inmediata.

Comparación de los métodos

La elección del método adecuado depende de los requisitos del proyecto, la disponibilidad de equipos, la experiencia del personal y los procedimientos de inspección. La tabla siguiente ofrece una comparación.

Tabla 1: Comparación de los métodos de fijación con pernos de alta resistencia

Cómo se comportan las articulaciones y por qué fallan

Un tornillo bien instalado es sólo el principio. Entender cómo se comporta una junta a lo largo de su vida útil y cómo una fijación incorrecta conduce al fallo es esencial para cualquier profesional de las estructuras.

Pérdida de precarga con el tiempo

La precarga no siempre es permanente. Después de la instalación se produce una cierta pérdida de tensión, conocida como relajación. Es fundamental garantizar que, incluso después de esta pérdida, la precarga restante sea suficiente para los requisitos de diseño de la junta. Las causas principales son:

1. Empotramiento: Inmediatamente después del apriete, los diminutos puntos altos de las superficies roscadas y bajo la tuerca y la cabeza del tornillo se aplanan bajo la inmensa presión del rodamiento. Esta ligera deformación plástica provoca una pequeña pero previsible pérdida de estiramiento del tornillo y, por tanto, de precarga.
2. Aflojamiento por vibración: En articulaciones sometidas a vibraciones o cargas repetidas, especialmente aquellas con movimiento lateral, la tuerca puede girar gradualmente hacia atrás, causando una pérdida significativa de precarga. Una alta precarga es la mejor defensa contra esto, ya que aumenta la fricción que resiste este giro hacia atrás.
3. Fluencia de juntas/relajación de tensiones: En uniones con juntas u otros materiales blandos, o en conexiones que funcionan a altas temperaturas, los materiales pueden deformarse lentamente o "deslizarse" con el tiempo, reduciendo la distancia de apriete y haciendo que decaiga la precarga.

Formas habituales en que fallan los pernos

Casi todos los fallos de los tornillos en aplicaciones estructurales pueden atribuirse a una única causa: una precarga incorrecta o insuficiente.

• Fallo por fatiga: Es el modo de fallo más común de los tornillos sometidos a cargas repetidas. Un tornillo con baja precarga experimentará una gran parte de cualquier carga externa repetida, sometiéndolo a ciclos de alta tensión que conducen a la formación de grietas y, finalmente, a la rotura. Un tornillo con una precarga alta sólo experimenta una pequeña fracción de ese ciclo de carga externa, lo que mantiene su tensión baja y prolonga drásticamente su vida útil.
• Deslizamiento de la unión: En una conexión con deslizamiento crítico, el diseño depende de la fuerza de apriete de la precarga para generar la fricción suficiente para resistir las fuerzas de cizallamiento. Si la precarga está por debajo del mínimo especificado, la fuerza de sujeción será inadecuada. Bajo una carga de diseño, la fricción puede ser superada, y la unión se deslizará en el cojinete, un evento que constituye un fallo de servicio y no está permitido en este tipo de conexión.
• Fragilización por hidrógeno: Los tornillos de alta resistencia (normalmente los que tienen una resistencia a la tracción superior a 150 ksi, como el Grado A490) son susceptibles a este mecanismo de fallo. Aunque se trata principalmente de un problema relacionado con el material y la fabricación, las condiciones de campo pueden agravar el riesgo. Los átomos de hidrógeno pueden introducirse a partir de fuentes como procesos de revestimiento o entornos corrosivos. Estos átomos migran a zonas de gran tensión, como las raíces de la rosca de un perno tensado, y provocan una fractura frágil retardada sin previo aviso ni deformación.

Comprobación e inspección

La garantía de calidad no es opcional; es una parte esencial del proceso de atornillado de alta resistencia. Los principales códigos estructurales exigen procedimientos específicos de verificación e inspección para garantizar la seguridad pública.

Comprobación previa a la instalación

Antes de comenzar el atornillado del proyecto, debe realizarse una prueba de capacidad de rotación (RC). Esta prueba es requerida por la Especificación RCSC para cada lote de tornillería con capacidad de rotación. Se prueba una muestra de conjuntos (un perno, una tuerca y una arandela de los mismos lotes) en un calibrador de tensión. La prueba verifica dos cosas: en primer lugar, que el lubricante funciona correctamente y, en segundo lugar, que el conjunto puede alcanzar al menos 10% más que la precarga mínima requerida sin desprenderse ni romperse. Una prueba RC fallida requiere que todo el lote de elementos de fijación sea puesto en cuarentena y rechazado.

Inspección periódica de la instalación

Durante la instalación, la principal tarea del inspector es vigilar a las cuadrillas de atornilladores. El inspector debe verificar que las cuadrillas aplican sistemáticamente el procedimiento de instalación elegido y aprobado para cada tornillo. Esto incluye comprobar que las superficies están preparadas, que los componentes son correctos, que se sigue el patrón de apriete y que el método de tensado final se aplica de forma coherente y correcta.

Inspección después de la instalación

Una vez instalados y tensados los pernos, es necesario realizar una inspección final. La acción específica depende del método de instalación utilizado. No se utiliza una llave dinamométrica para la inspección a menos que el método de instalación haya sido la llave calibrada.

Tabla 2: Resumen de la inspección después de la instalación

Solución de problemas comunes

Incluso con procedimientos bien definidos, pueden surgir problemas sobre el terreno. Un profesional con experiencia puede diagnosticar y resolver rápidamente estos problemas habituales.

Guía de resolución de problemas

La siguiente tabla proporciona una guía de referencia rápida para los problemas comunes en el campo, sus causas probables y soluciones eficaces. Esta guía se ha elaborado a partir de años de observación sobre el terreno y resolución de problemas en proyectos de acero estructural.

Tabla 3: Guía de resolución de problemas de fijación de pernos de alta resistencia

Resumen

El éxito del apriete de pernos de alta resistencia es un proceso de ingeniería sistemático, no un simple apriete aleatorio de pernos. Toda la disciplina se rige por el principio único y fundamental de alcanzar una precarga objetivo. Comprendiendo la ciencia que separa el par de apriete de la tensión, controlando cuidadosamente variables como la lubricación y el estado de los componentes, y aplicando y verificando diligentemente uno de los métodos de instalación aceptados por la industria, podemos garantizar que cada tornillo cumpla su función como un muelle preciso de alta resistencia. Este enfoque técnico, orientado al detalle, no es una cuestión de preferencia; es fundamental para la seguridad, la durabilidad y el rendimiento a largo plazo de las estructuras de acero que forman la columna vertebral de nuestro mundo moderno.

• https://www.aisc.org/ Instituto Americano de Construcción en Acero (AISC)
• https://www.boltcouncil.org/ Consejo de Investigación sobre Conexiones Estructurales (RCSC)
• https://www.astm.org/ ASTM International - Normas para pernos estructurales
• https://www.iso.org/ ISO - Organización Internacional de Normalización
• https://www.portlandbolt.com/ Perno Portland - ASTM F3125 Recursos técnicos
• https://galvanizeit.org/ American Galvanizers Association - Actualizaciones de las especificaciones RCSC
• https://www.structuremag.org/ Revista STRUCTURE - Ingeniería estructural
• https://www.cisc-icca.ca/ Instituto Canadiense de Construcción en Acero
• https://en.wikipedia.org/wiki/Structural_engineering Wikipedia - Ingeniería estructural
• https://www.sciencedirect.com/ ScienceDirect - Investigación sobre conexiones estructurales