Un perno flojo no crea una unión débil, sino una unión diferente

El documento es una especificación de acero estructural para edificios y puentes. Es la RCSC Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts, de 11 de junio de 2020, 118 páginas disponibles gratuitamente en su totalidad. No dice nada de vehículos y aquí no se aplican sus cifras a ninguno. Se cita porque hace algo que casi ningún otro documento gratuito hace: define los dos tipos de unión a cortante uno junto a otro, en un mismo glosario.

Tampoco diagnosticamos el chasis de la foto, que no hemos visto en persona, ni nombramos ningún vehículo.

Dos definiciones, un glosario

Estas son, con las palabras de la especificación.

Mismos pernos, agujeros y placas. Cambia la ruta de carga. En una, la carga cruza como fricción entre dos superficies apretadas y el perno no la recibe como corte. En la otra, las placas se deslizan hasta que el metal toca metal; el vástago lleva la carga a través del juego y la pared del agujero la introduce en la placa.

También se define la magnitud decisiva. El coeficiente medio de deslizamiento es “the ratio of the frictional shear load at the faying surface to the total normal force when slip occurs”. Carga de corte por fricción dividida por fuerza normal. Sin fuerza normal no hay carga de fricción.

La ecuación lo dice con más claridad que cualquier frase

El apartado 5.4 da la resistencia nominal al deslizamiento por perno. Leer los términos basta.

• µ, coeficiente medio de deslizamiento según la superficie
• D_u, 1,13 para edificios y 1,00 para puentes
• h_f, factor de relleno, 1,0 o 0,85
• T_m, precarga mínima del perno
• n_s, número de planos de deslizamiento
• k_sc, reducción cuando los mismos pernos soportan también tracción aplicada

Todos se multiplican. Lo siguiente es nuestra lectura de la aritmética, no una frase de la norma, pero no hay ambigüedad: la resistencia al deslizamiento es directamente proporcional a la precarga. Reducir la precarga a la mitad reduce la resistencia a la mitad. Llevarla a cero no deja nada.

Por eso una unión sin apretar no es una versión algo peor de una apretada. Ha cambiado de categoría. Ahora rigen los criterios de la otra definición, sin que nadie los eligiera.

Cuánto se desplaza antes de que el perno toque el agujero

El comentario del apartado 4.1 responde con un número a la pregunta que plantea la foto.

¿Cuál es el juego? La tabla 3.1 da las dimensiones nominales; los juegos siguientes son nuestra resta.

El juego estándar es 1/16 in desde 1/2 hasta 7/8 in; a 1 in se duplica a 1/8 in y se mantiene. Ese salto es observación nuestra; la norma solo imprime los diámetros.

Para un perno de 3/4 in en agujero estándar: juego de 1/16 in. El máximo teórico, el doble, es 1/8 in, unos 3,2 mm. El observado, cerca de la mitad, es 1/32 in, aproximadamente 0,8 mm. En un agujero sobredimensionado el juego se triplica y el máximo teórico llega a 3/8 in, unos 9,5 mm.

Unos milímetros separan una unión que sujeta de otra donde el vástago apoya en la pared. El comentario añade que suele ocurrir antes de aplicar carga: “Acceptable inaccuracies in the location of holes within a pattern of bolts usually cause one or more bolts to be in bearing in the initial, unloaded condition.”

La superficie trabaja más que la clase del perno

El otro término es µ, que no es una propiedad del perno. La especificación da dos valores.

• Clase A, µ = 0,30. Superficies de acero sin pintar con cascarilla limpia, recubrimientos de clase A sobre acero granallado o galvanizado en caliente
• Clase B, µ = 0,50. Acero sin pintar granallado o recubrimientos de clase B sobre acero granallado

La clase B es cinco tercios de la A, según nuestra división; granallar las superficies aporta unos dos tercios más de resistencia que dejar la cascarilla. El perno no cambia. El galvanizado en caliente aparece en clase A, no B.

Es la segunda vez en una semana que la superficie de contacto importa más que el herraje. El otro caso fue una norma de conexión eléctrica que prohíbe las arandelas dentadas, porque la corriente cruza por las superficies preparadas y el perno solo mantiene presión. Misma geometría, dos funciones; en ambas, el perno aporta fuerza de apriete en vez de hacer el trabajo.

Dónde deja de permitirse el apriete ajustado

Las uniones ajustadas se permiten por defecto. El apartado 4.2 enumera dónde la precarga es obligatoria y el 4.3 dónde la unión debe ser crítica al deslizamiento. Dos entradas importan para cualquier estructura en movimiento.

• Se exigen uniones pretensadas bajo inversión significativa de carga y fatiga sin inversión de la dirección
• Se exigen uniones críticas al deslizamiento bajo fatiga con inversión de dirección, con agujeros sobredimensionados, con la mayoría de ranuras y cuando el deslizamiento perjudicaría el comportamiento de la estructura

El comentario explica el primer caso: “must be slip-critical joints since slip may result in back and forth movement of the joint and have potential for accelerated fatigue failure”. Movimiento de ida y vuelta: no un solo deslizamiento hasta el apoyo, sino llegar a la pared, volver y llegar otra vez.

Ese es el mecanismo de la foto y por eso se dañó el agujero y no el perno. Qué significa realmente el apriete ajustado en esta especificación es otra cuestión ya tratada.

Un agujero que creció es otro agujero

Dos disposiciones cierran el círculo. El tipo de agujero no es solo una descripción: los factores de resistencia cambian.

Dos observaciones nuestras: una ranura larga cuesta el treinta por ciento de la resistencia frente a un agujero estándar. Y los factores de tensión admisible son exactamente 1,50 dividido por los factores de carga: 1,50 ÷ 0,85 = 1,7647, impreso 1,76; 1,50 ÷ 0,70 = 2,1429, impreso 2,14. Dos filas, dos coincidencias exactas; la norma no declara la relación.

El comentario de la tabla 3.1 dice: “When the dimensions of bolt holes are such that they exceed these permitted variations, the bolt hole must be treated as the next larger type.” Un agujero agrandado no es un agujero estándar con una nota. Es sobredimensionado, con su reducción; si sigue creciendo, es una ranura.

Conclusiones

• La resistencia al deslizamiento es proporcional a la precarga. Como multiplicador, precarga cero da resistencia cero, no reducida
• Una unión sin precarga es otro caso de diseño, regido por corte del perno y aplastamiento del material
• La distancia a la pared es pequeña. El máximo teórico es dos veces el juego y lo observado, cerca de la mitad; para 3/4 in, unos 3,2 mm teóricos y menos de un milímetro práctico
• El juego estándar es 1/16 in hasta 7/8 in y se duplica a 1/8 in en 1 in
• La superficie lleva la fricción, no el perno. Granallada: 0,50; cascarilla: 0,30; galvanizado en caliente: clase inferior
• La fatiga con inversión es donde deja de admitirse el apriete ajustado, porque el deslizamiento se vuelve ida y vuelta
• Un agujero fuera de tolerancia se reclasifica al tipo siguiente, y cada paso cuesta resistencia
• Ninguna cifra pertenece a un vehículo. Es una especificación estructural citada por el razonamiento

Los pernos de la foto nunca llevaron la carga como se pretendía. Eran pasadores en agujeros algo sobredimensionados, y el bastidor era el elemento más blando en contacto.

Estas categorías no siempre existieron. La especificación apareció en 1951 como una regla para poner un perno donde había un remache, con toda unión pretensada sobre acero desnudo; la división llegó tres años después.

A veces una unión debe moverse y entonces la especificación cambia por completo: una norma federal exige apretar los pernos dejando que las piezas deslicen, sin mencionar par.

Este artículo no pertenece a un solo paso de los seis: abarca varios o aparece después del montaje. Las decisiones se explican en el artículo inglés Specifying a screw.

Preguntas frecuentes

¿Por qué un perno sin apretar daña el agujero en vez de soportar menos carga?

Porque la unión cambia de categoría. En RCSC, la resistencia al deslizamiento es producto del coeficiente, la precarga y otros factores; sin precarga es nula. Las placas se deslizan hasta que el vástago toca la pared, y la ruta se convierte en corte del perno y aplastamiento del material.

¿Cuánto puede deslizarse una unión atornillada?

El comentario del apartado 4.1 da un máximo teórico de dos veces el juego y una observación de laboratorio y campo de cerca de la mitad. Para un perno de 3/4 in en agujero estándar, el juego es 1/16 in: unos 3,2 mm teóricos y menos de un milímetro observado.

¿Cuál es el juego de un agujero estándar?

Según nuestra resta de la tabla 3.1, 1/16 in para pernos de 1/2 a 7/8 in y 1/8 in desde 1 in. Los sobredimensionados dan 1/8 in a 1/2 in, 3/16 in de 5/8 a 7/8 in, 1/4 in a 1 in y 5/16 in por encima.

¿Qué es una unión crítica al deslizamiento?

La especificación la define como una unión a corte, o corte con tracción, cuyos pernos proporcionan precarga — fuerza de apriete en las superficies — y cuyas superficies preparadas dan resistencia calculable al deslizamiento. La unión a corte/aplastamiento se diseña por resistencia al corte de los pernos y al aplastamiento de los materiales.

¿El acabado superficial cambia la capacidad?

Para deslizamiento, sí. El coeficiente medio es 0,30 para clase A, que incluye cascarilla limpia y galvanizado en caliente, y 0,50 para clase B, acero granallado sin pintar o recubrimiento B. Según nuestra división, B es cinco tercios de A sin cambiar el perno.

¿Cuándo exige la especificación precarga?

El apartado 4.2 la exige cuando lo manda el código aplicable, con inversión significativa de carga, fatiga sin inversión, conjuntos del grupo 120 bajo fatiga a tracción y grupos 144 o 150 bajo tracción o corte y tracción combinados.

¿Por qué la fatiga con inversión exige una unión crítica al deslizamiento?

El comentario dice que el deslizamiento puede causar movimiento de ida y vuelta y acelerar la fatiga. Un deslizamiento pone el perno contra el agujero; la inversión lo devuelve y lo lleva otra vez.

¿Qué ocurre si el agujero es mayor de lo permitido?

El comentario de la tabla 3.1 exige tratarlo como el tipo siguiente. No es solo documentación: el factor baja de 1,00 para estándar a 0,85 para sobredimensionado y 0,70 para ranura larga.

¿Se aplica esto a un coche o una máquina?

No directamente, y esta página no lo afirma. RCSC cubre uniones estructurales de edificios y puentes. Se cita porque distingue con especial claridad la unión por fricción de la unión por aplastamiento y puede leerse completa gratis.

Referencias

• RCSC, Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts, 11 June 2020. Completa, 118 páginas, gratuita. Glosario, tabla 3.1, apartados 4.1 a 4.3 y 5.4
• r/Justrolledintotheshop, donde una foto de pernos de brazo de suspensión sin apretar y sus daños originó la pregunta

La especificación RCSC se leyó completa; son 118 páginas de descarga gratuita. Es una especificación estructural para edificios y puentes. No se aplica a vehículos, máquinas ni otros casos, y ninguna cifra debe trasladarse a ellos. Se cita por cómo separa dos tipos de unión a corte, no por sus números. No diagnosticamos el chasis de la foto, que no hemos visto, ni nombramos marca o modelo. Son cálculos o lecturas nuestros, no afirmaciones de la especificación: la proporcionalidad directa a la precarga y el cero sin ella derivados de la ecuación 5.6; la razón de cinco tercios entre clases B y A; los juegos restados de la tabla 3.1 y su duplicación de 1/16 a 1/8 in en una pulgada; las distancias para 3/4 in; y que los factores admisibles son 1,50 dividido por los factores de carga, exacto en ambas filas. La ecuación 5.6, sus coeficientes y la tabla 3.1 se comprobaron contra imágenes renderizadas, no texto extraído. No se reproducen las precargas mínimas de la tabla 5.2, porque no hacen falta y son fáciles de sacar de contexto. Tampoco se ofrece la relación usual entre precarga y área resistente: verificarla requeriría pasos y una fórmula ausentes. No se leyeron AISC 360, EN 1090 ni ASTM F3125. Leímos la publicación del foro, no sus respuestas. El apriete ajustado y el giro de tuerca se tratan en una página anterior.