Existe un procedimiento para comprobar un perno a posteriori, y la especificación enumera por qué no funciona

Esta página no da consejos de inspección, apriete ni aceptación. Lee una sección de una especificación. La pregunta procede de un sitio público de preguntas sobre mecánica, consultado a través de su interfaz abierta, porque las herramientas de navegador que este sitio usa normalmente volvían a no estar disponibles. Leímos la pregunta y no sus respuestas, y aquí no aparece ningún nombre de usuario.

El par de arbitraje no es un número que se busca en una tabla

La sección es breve y condicional. Se aplica «cuando se sospecha tras la inspección… que los pernos de uniones pretensadas o de deslizamiento crítico no tienen la pretensión adecuada», e incluso entonces el procedimiento está permitido, no exigido. Siguen cuatro pasos numerados, y lo primero que se observa es que ninguno empieza con una cifra de par.

• Cinco conjuntos de perno y tuerca de cada combinación de diámetro, longitud, grado y lote en cuestión se colocan en un dispositivo de medición de la tensión del perno. El material bajo el elemento girado debe ser el mismo que en la instalación real, acero estructural o arandela templada
• Cada uno se aprieta parcialmente hasta aproximadamente el 15 por ciento de la pretensión especificada y después se pretensa hasta el mínimo especificado
• Se aplica una llave dinamométrica, y la magnitud registrada es el par necesario para girar la tuerca o la cabeza del perno cinco grados respecto de su componente de acoplamiento
• El par de arbitraje es entonces el promedio de los tres valores centrales, tras descartar el más alto y el más bajo
• Ese par se aplica al 10 por ciento de los conjuntos, pero no menos de dos, elegidos al azar en cada unión en disputa. Si nada gira, la unión se acepta

Así que el número se fabrica ese mismo día, a partir del lote real y sobre el material real, y luego se aplica a la unión. No es una propiedad del perno que hubiera podido imprimirse en una tabla.

Tres pequeños cálculos, nuestros y no de la especificación. Descartar el más alto y el más bajo de cinco y promediar el resto significa que se desecha el cuarenta por ciento de la muestra. Los cinco grados se glosan en el texto como aproximadamente una pulgada a un radio de doce pulgadas, y un doceavo de radián son 4,77 grados, de modo que el paréntesis es alrededor de un cuatro y medio por ciento menor que la cifra que explica. Y el diez por ciento con un mínimo de dos significa que, en cualquier unión de menos de veinte pernos, lo que manda es el mínimo.

El sentido es el de apriete

Esta es la parte que responde a la pregunta. El par registrado en el paso dos y el par aplicado en el paso cuatro están ambos explícitamente en el sentido de apriete. El procedimiento escrito nunca mide un par de aflojamiento.

Lo que mide es la resistencia a seguir avanzando. Un perno correctamente pretensado no se moverá cinco grados con el par de arbitraje, y uno flojo sí. La prueba no pregunta cuán apretado está el perno. Pregunta si el perno puede empujarse más allá de un umbral que uno correctamente instalado no habría cruzado.

Es una pregunta distinta de la que responde una medición al aflojar, y la diferencia importa porque despegar una unión y volver a apretarla no son simétricos. Este sitio ya ha tratado por qué par y tensión se correlacionan mal en cualquiera de los dos sentidos: una especificación de construcción en acero retiró su propia tabla de pares en 1954 tras encontrar variaciones de hasta el cuarenta por ciento, y la norma de herramientas mecánicas afirma claramente que las mediciones estáticas del par residual se correlacionan mal con el estado de la unión. Ninguna de las dos cosas se repite aquí.

El comentario enumera lo que falta

La mayoría de las especificaciones, tras exponer un procedimiento, se detienen. Esta se da la vuelta y detalla los motivos para desconfiar de él. Después de señalar que el arbitraje hereda todas las incertidumbres de la instalación controlada por par, dice que la fiabilidad se reduce aún más por la ausencia de muchos de los controles que mantienen bajo control la relación entre par y pretensión, y nombra tres.

Luego añade que en muchos casos el par de arbitraje tiene que obtenerse de pernos que «solo puede suponerse que son representativos» de los de la obra, o de pernos retirados de uniones terminadas. Y después viene la frase del principio de esta página, una admisión de error en ambos sentidos tan clara como probablemente vaya a imprimir nunca una especificación.

Hay otra disposición que conviene conocer. Si la pretensión debe verificarse después de transcurrido un periodo de tiempo y de exposición, la sección dice que se usará un procedimiento de arbitraje alternativo adecuado a la situación. Los cuatro pasos son para una disputa sobre una unión reciente, no para auditar una antigua.

El método preciso es una medición al aflojar, y consume el perno

El comentario describe a continuación qué hacer si de verdad se quiere la pretensión y no un indicador indirecto. Un extensómetro ultrasónico, o uno mecánico capaz de medir cambios en la longitud del perno, «puede producir una medición muy precisa de la pretensión real».

Y así es como se hace. «El método consiste en medir el cambio de longitud del perno durante la liberación de la tuerca», combinado con una calibración de carga del conjunto retirado o con un cálculo de la fuerza correspondiente a la recuperación elástica medida.

Así que el único método que sí mira en el sentido de aflojamiento lee el perno soltándolo. Y la consecuencia se indica de inmediato: «Se requiere reinstalar el conjunto liberado o instalar un conjunto de reemplazo. La liberación necesaria sugiere que el uso directo de extensómetros como herramienta de inspección se limite a los casos más críticos.»

Una respuesta precisa le cuesta la unión por la que preguntaba. El comentario incluso señala que la reinstalación puede obligar a sustituir el conjunto, salvo que el par pueda aplicarse con la lentitud suficiente para restablecer el alargamiento original. Esa es la forma de todo el problema en un párrafo: la medición barata va en el sentido equivocado y se admite que no es fiable, y la fiable es destructiva.

Qué sacar de esto

• Existe un procedimiento escrito para arbitrar un perno instalado; está permitido, no exigido, y solo después de que una inspección haya levantado sospechas
• El par de arbitraje se produce ese mismo día a partir de cinco conjuntos del lote en cuestión, sobre el mismo material que en la obra, no se busca en una tabla
• Es el par necesario para girar la tuerca o la cabeza cinco grados, y la especificación lo glosa como aproximadamente una pulgada a un radio de doce pulgadas, que son 4,77 grados según nuestro cálculo
• Se descartan el más alto y el más bajo y se promedian los tres centrales, así que se desecha el cuarenta por ciento de la muestra
• Tanto la medición como la prueba se hacen en el sentido de apriete. El procedimiento nunca mide un par de aflojamiento
• Se prueba el diez por ciento de una unión, con un mínimo de dos, así que por debajo de veinte pernos manda el mínimo
• El comentario nombra tres controles que faltan en una prueba a posteriori: arandelas templadas, atención a la lubricación y el efecto del tiempo y la exposición
• La especificación dice que el procedimiento puede rechazar pernos buenos y aceptar pernos malos, y lo ofrece como el más factible disponible
• La alternativa precisa mide el cambio de longitud durante la liberación de la tuerca, y exige después reinstalación o sustitución

La pregunta era por qué alguien mediría el par al aflojar. La respuesta escrita desde este rincón de la industria es que en general no se hace, que la comprobación aceptada empuja en el otro sentido y que el documento que la define prefiere decirle sus límites antes que dejar que la confunda con una medición.

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

¿Existe un procedimiento normalizado para comprobar un perno ya instalado?

En el atornillado de estructuras de acero existe uno, en la sección de arbitraje de la especificación. Se aplica cuando una inspección ha levantado la sospecha de que los pernos de uniones pretensadas o de deslizamiento crítico no tienen la pretensión adecuada, e incluso entonces el procedimiento está permitido, no exigido.

¿Qué es un par de arbitraje?

Un número producido por ensayo, no buscado en una tabla. Cinco conjuntos de perno y tuerca del diámetro, longitud, grado y lote en cuestión se pretensan en un dispositivo de medición de la tensión del perno, con el mismo material bajo el elemento girado que en la instalación real, y para cada uno se registra el par necesario para girar la tuerca o la cabeza cinco grados. Se descartan el más alto y el más bajo y se promedian los tres restantes.

¿Se mide al aflojar?

No. Tanto la medición en la muestra como la prueba en la unión se especifican en el sentido de apriete. El procedimiento registra el par necesario para hacer avanzar una fijación ya pretensada, no el par necesario para despegarla.

¿Cuántos pernos se prueban?

El diez por ciento de los conjuntos, pero no menos de dos, elegidos al azar en cada unión en disputa. Según nuestro cálculo, eso significa que el mínimo de dos manda en cualquier unión de menos de veinte pernos. Si nada gira con el par de arbitraje, la unión se acepta; si algo gira, se prueban todos los pernos de la unión.

¿Qué fiabilidad tiene?

La propia especificación lo responde. Su comentario dice que dicho arbitraje puede rechazar indebidamente conjuntos correctamente instalados o aceptar conjuntos que no lo fueron, y que el procedimiento se ofrece, a pesar de sus limitaciones, como el más factible disponible en este momento.

¿Qué controles faltan en una comprobación a posteriori?

El comentario nombra tres: el uso de arandelas templadas, una atención cuidadosa a la lubricación y la incertidumbre sobre el efecto del paso del tiempo y de la exposición en la condición instalada. También señala que el par de arbitraje a menudo tiene que salir de pernos que solo puede suponerse que son representativos, o de pernos retirados de uniones terminadas.

¿Hay un método más preciso?

El comentario describe la medición del cambio de longitud del perno con un extensómetro ultrasónico o mecánico, que según él puede producir una medición muy precisa de la pretensión real. La medición se toma durante la liberación de la tuerca, y después se requiere reinstalar el conjunto liberado o instalar uno de reemplazo.

¿Por qué no se usa ese método de forma habitual?

Por la liberación. El comentario afirma que la liberación necesaria sugiere que el uso directo de extensómetros como herramienta de inspección se limite a los casos más críticos, y señala que la reinstalación puede obligar a sustituir el conjunto salvo que el par pueda aplicarse con la lentitud suficiente para restablecer el alargamiento original.

¿Se aplica esto a una unión antigua?

Los cuatro pasos no están escritos para eso. La sección dice que, si se requiere verificar la pretensión después de transcurrido un periodo de tiempo y de exposición de las uniones terminadas, se usará un procedimiento de arbitraje alternativo adecuado a la situación concreta. No dice cuál es ese procedimiento.

Referencias

• Research Council on Structural Connections, Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts, 11 de junio de 2020, 118 páginas, gratuita y completa. Sección 10, Arbitration, y su comentario
• La pregunta, en un sitio público de preguntas sobre mecánica. Veintitrés votos, cinco respuestas

La especificación de 2020 se descargó completa y la sección 10 con su comentario se leyó íntegra; los pasajes citados se cotejaron con imágenes renderizadas de las dos páginas impresas que ocupan. Es la cuarta vez que este sitio usa este documento, después de la definición de snug-tight, la diferencia entre tipos de unión y los comentarios históricos. Ninguna de las tres tocó la sección 10, y aquí no se repite nada de ellas. Lo siguiente es aritmética nuestra, no afirmaciones de la especificación: que una pulgada a un radio de doce pulgadas son 4,77 grados y, por tanto, alrededor de un cuatro y medio por ciento menos que los cinco grados que pretende glosar; que descartar el más alto y el más bajo de cinco descarta el cuarenta por ciento de la muestra; y que un mínimo de dos sobre el diez por ciento manda en cualquier unión de menos de veinte pernos. La tabla 5.2 y sus valores de pretensión no se reproducen aquí deliberadamente, como en una página anterior que usa el mismo documento. Las secciones 9.1 a 9.3 se leyeron solo lo suficiente para establecer qué desencadena el arbitraje, y sus métodos de inspección no se resumen. El comentario a la sección 8.3.2, al que esta sección remite para las incertidumbres de la instalación controlada por par, es el pasaje que este sitio citó por separado por sus siete variables. Aquí no se dan consejos de inspección, apriete ni aceptación, no se nombra a ningún fabricante de equipos aunque el comentario menciona que varios producen equipos adecuados, y esta página no toma posición sobre si vale la pena hacer una medición al aflojar. La pregunta procede de un sitio público de preguntas sobre mecánica y no de las herramientas de foros que este sitio usa normalmente, que siguen sin estar disponibles. Leímos la pregunta y no sus respuestas, y aquí no aparece ningún nombre de usuario.