Cálculo de resistencias al corte y resistencia a la tracción para tornillos
La resistencia al corte y la resistencia a la tracción son dos parámetros importantes para seleccionar y utilizar tornillos. Los tornillos se utilizan para conectar componentes por fricción y para soportar cargas mecánicas. Para garantizar que los tornillos cumplan con los requisitos de resistencia requeridos en una aplicación determinada, es importante saber qué son la resistencia al corte y la resistencia a la tracción y cómo se calculan.
Fuerza de los tornillos
En la selección de tornillos influyen muchos factores diferentes. Además del espesor y resistencia del sustrato, se deben tener en cuenta otros factores importantes como el material y diámetro del tornillo, la carga esperada, etc. Todos estos factores afectan la fuerza o resistencia de un tornillo. La resistencia del tornillo utilizado es de gran importancia. Esto se relaciona con la capacidad de los tornillos para resistir fuerzas de corte y fuerzas de tracción. La resistencia se especifica mediante marcas o sistemas de clasificación, que pueden variar según el sistema de normas utilizado y las normas nacionales. La clase de resistencia de un tornillo proporciona información sobre la resistencia a la tracción y el límite elástico. Los tornillos de acero están marcados de forma diferente a los tornillos de acero inoxidable. Los tornillos de acero están marcados con dos números (por ejemplo, 10,9), mientras que los tornillos de acero inoxidable están marcados con letras y números (por ejemplo, A4-80).
Resistencia de corte de tornillos
El cizallamiento o corte se produce cuando pares de fuerzas desplazadas actúan sobre el tornillo. Esto da como resultado fuerzas de corte que pueden provocar el alargamiento, la deformación o la torsión del tornillo. Los tornillos requieren una cierta resistencia al corte para contrarrestar estas fuerzas de corte. Esta resistencia al corte indica a qué carga se puede someter un tornillo sin ceder o destruirse. Se pueden ejercer sobre un tornillo al mismo tiempo fuerzas cortantes de diferente fuerza y dirección.
- Cizallamiento de la rosca: Este tipo de cizallamiento también se llama desforre de la rosca y se produce por cargas axiales, la cual se produce principalmente por la fuerza de precarga al apretar un tornillo.
- Cizallamiento del eje del tornillo causado por carga transversal
- Cizallamiento del eje del tornillo causado por rotación o momentos de torsión alrededor del eje del tornillo
Cómo calcular la resistencia al corte.
En general, existen diferentes métodos mediante los cuales se puede probar la resistencia al corte de los materiales. Generalmente se utilizan métodos de medición estandarizados, también denominados ensayos de corte. Los ensayos de corte someten la muestra de material a una fuerza de corte en constante aumento. La fuerza medida durante el corte de la muestra es la fuerza de corte máxima Fm de la cual se deriva la resistencia al corte.
En la práctica, sin embargo, los materiales no se agotan completamente hasta el límite de carga máxima, sino que siempre se tiene en cuenta un cierto margen de seguridad. Este margen de seguridad garantiza que la tensión de corte permitida (Trated) sea significativamente menor que la resistencia al corte real (TB). La tensión de corte nominal se determina utilizando el llamado factor de seguridad (v):
A partir de este esfuerzo o fuerza cortante nominal (Trated) se puede determinar la fuerza cortante nominal (Frated). El cálculo se realiza multiplicando la fuerza cortante admisible por la superficie de corte (S):
Sin embargo, hay que subrayar que en la práctica se prefiere diseñar una unión atornillada de modo que sobre el tornillo se ejerza solo una fuerza de tracción, pero no una fuerza de corte, para evitar un posible fallo debido a cargas de corte.
Resistencia a la tracción y límite elástico de los tornillos
Similar a la resistencia al corte, la resistencia a la tracción es una tensión que expresa la relación entre una fuerza (F) y un área (A), donde la fuerza es una fuerza de tracción (longitudinal al eje del tornillo).
La resistencia a la tracción de los tornillos indica cuánto puede estar expuesto el material del tornillo a la tensión de tracción. Indica la tensión máxima de tracción que el material puede soportar por milímetro cuadrado de su área de sección transversal.
La especificación de resistencia de los tornillos no solo proporciona información sobre la resistencia a la tracción, sino también sobre el límite elástico. El límite elástico se refiere a la tensión a la que un material experimenta la transición de deformación elástica a plástica. O en otras palabras: Es la tensión máxima que un material puede absorber antes de que invariablemente se deforme. Si el material no puede volver a su forma original después del alargamiento, se excede el límite elástico.
Determinación de la resistencia a la tracción mediante ensayos de tracción
La resistencia a la tracción (Rm) se determina mediante ensayos de tracción. Una prueba de tracción es un procedimiento estandarizado mediante el cual una muestra de material se estira en dirección longitudinal hasta que se rompe. Durante la prueba se miden la fuerza y el cambio de longitud (= alargamiento) de la muestra de material. La resistencia a la tracción se calcula a partir de la fuerza de tracción máxima alcanzada y el área de la sección transversal de la muestra de material. La resistencia a la tracción se especifica en N/mm2.
Calcular la resistencia a la tracción y el límite elástico de tornillos de acero
Como ya se mencionó, los tornillos están etiquetados con una clase de resistencia. Esta clase de resistencia proporciona información sobre su resistencia a la tracción, es decir, la fuerza de tracción que puede soportar un tornillo. Por lo tanto, la resistencia a la tracción de un tornillo se puede calcular fácilmente basándose en la clase de resistencia y el área de la sección transversal del tornillo.
Para determinar la resistencia a la tracción de tornillos de acero, el primer número de la especificación de resistencia se multiplica por un factor de 100. En la siguiente ilustración de ejemplo, se obtendría el siguiente cálculo:
Para calcular el límite elástico o el límite de alargamiento (Rp-0,2) de los tornillos de acero, primero se multiplican ambos números de la especificación de resistencia y luego se multiplican por un factor de 10. Con base en el ejemplo anterior (10.9), se obtiene el siguiente cálculo:
Calcular la resistencia a la tracción y el límite elástico de tornillos de acero inoxidable
En el caso de los tornillos de acero inoxidable, la especificación de la resistencia se diferencia en que los tornillos de acero inoxidable están marcados con una combinación de letras y números (p. ej., A4-80). La entrada a la izquierda del guion se refiere al tipo de tornillo de acero inoxidable utilizado. En el siguiente ejemplo, la denominación A4 indica que el tornillo de acero inoxidable está fabricado de acero inoxidable austenítico (acero V4A). Para determinar la resistencia a la tracción, el valor a la derecha del guion (80) se multiplica por un factor de 10:
El límite de alargamiento de los tornillos de acero inoxidable a menudo no se determina claramente en la prueba de tracción. Por este motivo, para el acero inoxidable se utiliza el límite de expansión del 0,2 % determinado en el ensayo de tracción. Este depende de la materia prima y lo proporciona el fabricante o debe estar referenciado desde una norma. DIN EN ISO 3506-1 contiene información sobre el límite de alargamiento determinado para A1 a A5 en combinación con las clases de resistencia 50-80 y los rangos de diámetro definidos.
Conversión de MPa a N/mm²
La resistencia a la tracción y la resistencia al corte se pueden especificar en diferentes unidades, concretamente en Megapascal (MPa) y Newton por milímetro cuadrado (N/mm2). Sin embargo, ambas unidades son equivalentes, porque 1 MPa corresponde a 1 N/mm2. Megapascal forma parte del sistema internacional de unidades (SI) y, por tanto, se utiliza ampliamente en muchos campos técnicos y científicos. El Newton por milímetro cuadrado se basa más bien en convenciones más antiguas y sigue estando muy extendido, especialmente en la ingeniería mecánica. En muchas aplicaciones técnicas, especialmente en la teoría de la resistencia, las fuerzas se miden en Newton (N) y las áreas de superficie en milímetros cuadrados (mm2). Por lo tanto, la unidad N/mm2 es una elección natural para calcular la resistencia a la tracción y la resistencia al corte.
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