La unión se aflojó y la longitud era la correcta

Qué hace realmente la longitud

Una unión se sostiene por la fuerza de apriete que produce el estiramiento del tornillo. Ese estiramiento es elástico — el tornillo es un muelle que se ha estirado y trata de volver — y la parte del tornillo que se estira es la longitud apretada, la longitud sujeta entre la cabeza y el primer filete engranado.

Sin embargo, no es todo el muelle, y conviene ser exactos porque la aproximación se usa como si fuera el modelo. La VDI 2230 construye la flexibilidad elástica del tornillo como una serie de cinco partes: la cabeza, el vástago, la rosca libre cargada, la rosca engranada y la zona de la tuerca o del agujero roscado. La longitud apretada es la mayor de ellas y la que el diseñador fija directamente, y por eso domina el resultado — no porque el resto sea cero.

Por qué el tornillo corto pierde más de lo que se le dio

Bajo la cabeza y en las roscas, la rugosidad superficial se aplana bajo carga. Es el asentamiento de las superficies de contacto, y vale la pena entenderlo por una sola propiedad: es una distancia absoluta, no un porcentaje. Unas pocas micras de crestas aplanadas son unas pocas micras tanto si el tornillo es M2 como si es M12.

El estiramiento que almacena la fuerza de apriete no es absoluto. Crece con la longitud apretada. Por eso las mismas pocas micras quitan una fracción mucho mayor de la precarga a un tornillo corto que a uno largo — que es la misma razón por la que los tornillos pequeños pierden una parte mayor de su precarga, vista desde el otro extremo.

• Añadir longitud apretada suele ser más barato que añadir diámetro. Un separador o un resalte más largo alarga el muelle sin cambiar la rosca, el utillaje ni el agujero
• También es la respuesta a la fatiga. Un tornillo más largo y menos rígido asume una parte menor de una carga exterior fluctuante, porque la carga se reparte entre tornillo y unión según su rigidez relativa
• Nada de esto se aplica a la longitud que no está apretada. Un tornillo más largo cuyo exceso sobresale de la tuerca tiene el mismo muelle que antes

Entonces se especifica más largo — y aquí es donde falla

En un agujero ciego roscado, un tornillo demasiado largo toca fondo: el extremo llega al fondo del agujero antes de que la cabeza llegue a la superficie. El atornillador sigue encontrando resistencia, el par sigue subiendo, la llave sigue haciendo clic.

La misma aritmética muerde en el otro extremo del agujero. Un agujero roscado tiene un fondo, una salida donde se detuvo el macho y una profundidad roscada útil más corta que la profundidad taladrada — y el engranaje se cuenta en filetes útiles, no en milímetros de agujero.

Dos lugares donde la longitud no está donde se cree

• La referencia se mueve con la cabeza. En un tornillo de cabeza avellanada, la longitud indicada es la total, cabeza incluida; en la mayoría de las demás cabezas se mide bajo la cabeza. Así que «M3 × 10» es una cantidad distinta de tornillo útil según la cabeza, y es una de las cosas que una designación da por sabidas sin decirlo
• La salida de rosca no es rosca. Donde la rosca se une al vástago hay vueltas incompletas que no soportan carga. Si la salida queda dentro de la tuerca o del agujero roscado, el engranaje es más corto de lo que sugiere el plano, y lo es en el extremo más solicitado

De ahí vienen las convenciones de sobresaliente, y son convenciones más que una regla única: distintas normativas piden enrasado, un paso o dos, y los conocidos «dos filetes completos» son un hábito de taller, no un requisito ISO. Lo que tienen en común es la razón. Un tornillo que termina enrasado con la cara de la tuerca no dice nada por sí solo, porque las vueltas más cercanas al extremo son las incompletas — así que la comprobación consiste en exigir suficiente rosca visible para que la parte incompleta esté demostrablemente más allá de la tuerca. Qué convención se aplica es cuestión de la especificación que rige, no de la regla práctica.

Así que la pregunta no es cuánto de largo

• ¿Qué parte de esta longitud está apretada? Si es la mayor parte, la unión se comporta bien. Si la mayor parte está dentro de un agujero roscado o sobresale de una tuerca, la longitud no aporta lo que parece aportar
• ¿El agujero es ciego, y cuál es la profundidad roscada útil? No la profundidad taladrada — la profundidad antes de la salida del macho
• ¿Qué referencia usa la designación? Las cabezas avellanadas se miden en longitud total y las demás bajo la cabeza
• ¿Qué pone el techo a la precarga que se intenta conservar? La longitud decide cuánta sobrevive; la clase de resistencia decide cuánta se podía aplicar. Son dos mitades de una misma pregunta
• ¿Se espera que esta unión vea una carga fluctuante? Si es así, la longitud apretada es una variable de fatiga y no solo de montaje, y le corresponde un lugar más temprano en el orden de decisiones del que suele recibir (en inglés)

Un inciso: la cuestión del cortante, que suele ser la pregunta equivocada

Hay aquí dos diseños legítimos y no son intercambiables. Una unión crítica al deslizamiento transmite una carga lateral por rozamiento entre las caras apretadas, generado por la fuerza de apriete, y se diseña sobre la base de que no debe deslizar. Una unión por aplastamiento la transmite mediante cortante en el elemento de fijación y aplastamiento contra la pared del agujero, y la AISC deja claro que el mismo perno de alta resistencia sirve para ambas — los pernos apretados al contacto son aceptables para la mayoría de las uniones por aplastamiento.

Por eso la pregunta no es «¿está trabajando el tornillo como un pasador?», sino como cuál de las dos se diseñó esta unión. Una unión crítica al deslizamiento que ha deslizado ha perdido aquello en torno a lo cual se diseñó, y el movimiento en la interfaz es el mecanismo que deshace la precarga. Una unión por aplastamiento no ha fallado por apoyarse en sus pernos; ese es su trabajo.

Cuando el elemento de fijación sí transmite cortante, poner el vástago sin rosca en el plano de corte da más sección y ningún fondo de rosca que concentre tensiones — la AISC 360 asigna una tensión cortante nominal más alta a las roscas excluidas del plano de corte que a las incluidas, aproximadamente una relación de 0,83 en sentido inverso. Ambas opciones están permitidas; diseñar con el valor de roscas incluidas es una elección legítima, no un descuido. Pero sí significa que la longitud del vástago es una cota deliberada y no lo que sobre.

Cuánto resulta realmente esa cota tampoco es una elección libre: la norma de producto resta la longitud roscada y además cinco pasos, por lo que un perno corto parcialmente roscado tiene menos vástago que la resta que suele hacerse.

Este artículo trata el paso 2: rosca. El orden completo es sustrato, rosca, cabeza, accionamiento, acabado y documentación. El artículo inglés Specifying a screw explica por qué alterarlo genera retrabajo.

Preguntas frecuentes

¿Un tornillo más largo es más resistente?

Solo si la longitud adicional es longitud apretada. La VDI 2230 construye el muelle del tornillo a partir de cinco partes en serie —cabeza, vástago, rosca libre, rosca engranada y zona de la tuerca o del agujero roscado— y la longitud apretada es la mayor de ellas y la que el diseñador fija directamente. Una longitud apretada mayor almacena la misma fuerza de apriete en más estiramiento, lo que hace la unión menos sensible al asentamiento y deja al tornillo una parte menor de cualquier carga exterior fluctuante. La rosca que sobresale de la tuerca no aporta nada; la rosca engranada dentro de un agujero roscado sí contribuye, mediante una longitud sustitutiva.

¿Qué pasa si un tornillo es demasiado largo para un agujero ciego?

Toca fondo. El extremo del tornillo llega al fondo del agujero antes de que la cabeza llegue a la superficie, de modo que el par se gasta en empujar el tornillo contra el fondo en lugar de estirarlo contra la unión. En el caso límite, en que la cabeza nunca toca, no hay fuerza de apriete alguna; antes de eso, la precarga es lo que quede, que es impredecible y suele ser muy poco. En cualquier caso, la herramienta marca una cifra que describe algo distinto de la unión, y por eso conviene comprobarlo primero cuando una unión en agujero ciego se afloja sin causa evidente.

¿Por qué los tornillos pequeños pierden más precarga que los grandes?

Porque el asentamiento es una distancia absoluta y el estiramiento elástico no lo es. Unas pocas micras de rugosidad aplanada bajo la cabeza y en las roscas son unas pocas micras sea cual sea el tamaño, mientras que el estiramiento que almacena la fuerza de apriete crece con la longitud apretada. Por eso la misma pérdida quita una fracción mucho mayor de la precarga de un tornillo corto. Es una consecuencia geométrica, no un problema de calidad, y alargar la longitud apretada es el remedio directo.

¿Cuántos filetes deben sobresalir de la tuerca?

No hay una regla única. Distintas especificaciones piden enrasado, un paso o dos, y los conocidos «dos filetes completos» son un hábito de taller, no un requisito ISO. Lo que comparten es la razón: las vueltas más cercanas al extremo de un tornillo son las incompletas, así que un tornillo que termina enrasado con la cara de la tuerca no demuestra por sí solo que la tuerca esté completamente engranada. Qué convención se aplica es cuestión de la especificación que rige.

¿Debe estar el vástago sin rosca en el plano de corte?

Da más capacidad a cortante: el vástago tiene más sección que la rosca y ningún fondo de rosca que concentre tensiones, y la AISC 360 asigna una tensión cortante nominal más alta a las roscas excluidas del plano de corte. Pero ambas opciones están permitidas, y diseñar con el valor más bajo de roscas incluidas es una elección legítima. La pregunta previa es qué tipo de unión es: una unión crítica al deslizamiento transmite la carga por rozamiento entre las caras apretadas y se diseña para no deslizar, mientras que una unión por aplastamiento se diseña para transmitir cortante a través del elemento de fijación, y el mismo perno de alta resistencia sirve para ambas.

Referencias

• ASME B1.1 — Unified Inch Screw Threads (UN, UNR and UNJ Thread Form)
• VDI 2230 parte 1 — cálculo sistemático de uniones atornilladas muy solicitadas