Estudio técnico: Control del coeficiente de deslizamiento y verificación en campo de las conexiones atornilladas de alta resistencia en almacenes de acero

Introducción

1. Aclarar primero el tipo de conexión: permitir el deslizamiento y prohibirlo no son lo mismo

Las conexiones de tipo cojinete y las conexiones críticas al deslizamiento pueden utilizar ambas tornillos de alta resistencia, pero sus trayectorias de carga son distintas. Bajo esfuerzo cortante, una conexión de tipo cojinete puede experimentar inicialmente la eliminación del juego y un ligero deslizamiento; a continuación, la carga se transmite conjuntamente mediante el cortante en el tornillo, la presión de contacto contra la pared del agujero y la sección neta del elemento. Por contraste, una conexión crítica al deslizamiento exige que las superficies de contacto no experimenten ningún movimiento relativo que pueda afectar la habitabilidad o la seguridad bajo la condición de diseño especificada. La norma RCSC 2020 describe una junta crítica al deslizamiento como aquella en la que la fricción, generada por la fuerza de apriete de los conjuntos de tornillos pretensados, resiste la carga de diseño y evita el movimiento en las superficies de contacto. ^[1]

En consecuencia, una nota en el plano que indique únicamente «Utilizar pernos de alta resistencia grado 10.9» sigue omitiendo información esencial de diseño. Como mínimo, deben especificarse la categoría de conexión, el tratamiento de la superficie de contacto, el coeficiente de deslizamiento de diseño, el método de pretensado de los pernos y el nivel de inspección. En las uniones de almacén que soportan puentes grúa, transportadores, plataformas vibratorias, agujeros alargados o componentes sensibles a la deformación, la posibilidad de deslizamiento afecta directamente la elevación de las carriles, la rigidez del arriostramiento y las interfaces del revestimiento. En una revisión especializada de diseño, la primera tarea no consiste en verificar el par de apriete; consiste en confirmar que los documentos de diseño establezcan claramente el objetivo de rendimiento de «sin deslizamiento».

2. El coeficiente de deslizamiento no es una constante material; es el resultado del estado de la superficie

Muchos proyectos tratan el coeficiente de deslizamiento como una propiedad inherente del grado de acero, o incluso asumen que una superficie granallada es mejor simplemente porque es «más rugosa». En realidad, la resistencia al deslizamiento depende de la clase de la superficie de contacto, del perfil de rugosidad, del nivel de contaminación, del sistema de recubrimiento, del estado de curado, de la presión de montaje, de la relajación a largo plazo y de otros factores. El mismo acero puede comportarse de forma muy distinta tras distintos procesos de granallado, imprimaciones o entornos de almacenamiento.

El RCSC establece requisitos separados para superficies de contacto sin recubrimiento, limpiadas mediante granallado, galvanizadas en caliente y recubiertas y calificadas, y exige que el sistema de recubrimiento sea ensayado antes de su uso en una unión crítica al deslizamiento. Asimismo, advierte que la proyección excesiva (overspray) de un recubrimiento no calificado dentro del área del grupo de tornillos puede reducir sustancialmente la resistencia al deslizamiento. ^[1]La norma EN 1090-2:2018+A1:2024 aborda la preparación, el montaje y el apriete de las superficies de conexión desde la perspectiva de la ejecución de estructuras de acero. ^[2]En el taller de fabricación, el control de las superficies de contacto no puede limitarse a una nota en la hoja de proceso como «granallar hasta Sa 2,5». Los documentos también deben definir las zonas que deben permanecer sin pintar, la protección temporal permitida, el tiempo máximo antes del montaje y la respuesta requerida ante óxido incipiente, contaminación por aceite o exposición a la lluvia.

Uno de los errores más comunes en la evaluación del sitio es considerar una capa ligera y uniforme de óxido superficial como una capa antideslizante natural. Si dicho óxido es aceptable o no debe determinarse según la clase de superficie y la norma del proyecto especificadas en el diseño; no puede decidirse únicamente por su color. Otro problema frecuente es la protección insuficiente durante la aplicación general del recubrimiento, lo que permite que partículas de pintura de acabado o de imprimación rica en zinc penetren en el borde de la superficie de contacto. Aunque la contaminación pueda parecer discontinua, puede generar una interfaz débil. El procedimiento correcto consiste en definir la superficie de contacto como una zona independiente de control de calidad, utilizar plantillas de protección resistentes al granallado y a la pulverización, y vincular los números de los elementos, los números de las placas de conexión y los registros de inspección.

3. El núcleo del control de producción: proteger la ventana temporal entre una «superficie calificada» y un «ensamblaje completado»

Una vez que una superficie de unión ha sido sometida a granallado o arenado, su calidad no queda fijada de forma permanente. Durante la manipulación, el marcado, la reinspección de los orificios, el almacenamiento al aire libre y la espera para su montaje, la superficie aún puede contaminarse con sudor, fluido de corte, humos de diésel, lodo, agua u aceite anticorrosivo. En entornos costeros, de alta humedad o con condensación invernal, el estado de una chapa tratada puede cambiar en tan solo unas pocas horas.

El plan de producción debe situar el tratamiento de las superficies de contacto cerca del ensamblaje de prueba o del embarque, en lugar de completarlo semanas antes únicamente para maximizar la eficiencia de la línea de granallado. Las placas de conexión y los miembros principales deben almacenarse en zonas separadas, y el papel separador aceitoso no debe colocarse directamente entre las superficies de contacto. La elevación debe realizarse mediante orejas de izado o eslingas blandas que no entren en contacto con el área controlada. En los proyectos que utilicen superficies de contacto recubiertas, los registros deben identificar al fabricante del recubrimiento, el nombre del producto, el número de lote, el espesor del recubrimiento seco, el entorno de aplicación y el tiempo de curado; una imprimación del «mismo color» no constituye un sustituto válido de la evidencia de calificación.

La calidad geométrica de la superficie de contacto es igualmente importante. Las rebabas alrededor de los orificios, las escorias de corte con llama, la deformación local o las salpicaduras de soldadura pueden generar un contacto puntual entre las capas. En tal caso, la pretensión del perno se consume en aplanar dichos defectos, en lugar de convertirse de forma uniforme en fuerza de sujeción. Antes del montaje, verifique la planicidad de la superficie, el ajuste entre capas y la concéntrica de los orificios. Nunca utilice el apriete final para alinear placas claramente desalineadas; hacerlo haría que algunos pernos actuaran primero como dispositivos de alineación y provocaría una redistribución de la pretensión a medida que se aprietan los pernos adyacentes.

4. Por qué no se puede aplicar una tabla genérica «par de apriete–pretensión»

El par es solo una entrada al proceso de apriete; la pretensión es el resultado requerido por una conexión crítica ante deslizamiento. La mayor parte del par de entrada se consume en la fricción de la rosca y en la fricción bajo la superficie de apoyo de la tuerca. La proporción transformada en elongación axial del perno varía según la lubricación, el recubrimiento, la tolerancia de la rosca, la corrosión, la dureza de la arandela y el estado de la herramienta. La norma ISO 16047 especifica las condiciones de ensayo para la relación entre par y fuerza de apriete de los elementos de fijación roscados precisamente porque dicha relación debe medirse en condiciones controladas. ^[3]

El comentario del RCSC explica que, a menos que la relación se establezca específicamente para el lote de pernos, el diámetro y las condiciones de montaje, la dispersión entre el par y la pretensión puede ser muy grande. Por tanto, la especificación no acepta pretensiones deducidas directamente de una tabla genérica o una fórmula sencilla. ^[1]Esta es la causa raíz de algunos casos en los que «todas las lecturas de par pasaron, pero la conexión aún se deslizó»: el registro capturó la salida de la llave, no la condición real del sistema de sujeción.

El método de la llave calibrada no es intrínsecamente incorrecto, pero su calibración debe aplicarse al mismo día, lote, diámetro, condición de montaje y herramienta. La contaminación por polvo tras retirar los pernos del embalaje sellado, los cambios en la carga de la batería o la presión del aire, y el desgaste de la llave de vaso pueden invalidar la calibración original. No se debe añadir lubricante a los pernos de alta resistencia en campo, a menos que el sistema de sujeción y el procedimiento del proyecto lo permitan expresamente. Una lubricación insuficiente puede provocar soldadura en frío o fractura torsional; una lubricación excesiva puede generar una pretensión excesiva con el mismo par.

5. Verificación previa a la instalación: no es una inspección aleatoria de materiales, sino un ensayo de las condiciones reales de instalación

La verificación previa a la instalación debe realizarse en el sitio de instalación utilizando los conjuntos completos de pernos y las herramientas de apriete previstas para el trabajo. El objetivo no es la resistencia a la tracción de un solo perno, sino determinar si la combinación de «perno + tuerca + arandela + estado de la superficie + herramienta + método de apriete» puede lograr de forma consistente la pretensión especificada. La RCSC exige la verificación previa a la instalación para el método de instalación seleccionado y el uso de un dispositivo de medición de tensión en los pernos para confirmar el rendimiento del ensamblaje, al tiempo que permite identificar lubricación inadecuada, tuercas con roscas excesivamente profundas, componentes incompatibles y capacidad insuficiente de la herramienta. ^[1]

Durante la ejecución, primero confirme que los pernos, tuercas y arandelas sean de grados y tamaños compatibles y aprobados, y que la identificación del empaque y del lote no se haya mezclado. A continuación, verifique el rango del dispositivo de medición de tensión, las dimensiones del accesorio y su estado de calibración. El equipo real de montaje deberá luego completar el apriete mediante el método planificado de giro de tuerca, el método de llave calibrada, los pernos de control de tensión de tipo de torsión, los indicadores directos de tensión o una combinación aprobada. El registro deberá incluir, como mínimo, la fecha, el tamaño de la conexión, el lote, la cantidad de muestras, la identificación de la herramienta, el operador, el valor objetivo, los resultados medidos y cualquier condición anormal.

La verificación previa a la instalación tiene otro valor frecuentemente pasado por alto: antes de que se eleven los elementos, brinda a los instaladores y a los inspectores una comprensión común del «estado de apriete ajustado», las «marcas de coincidencia», la «rotación requerida», el «espacio libre en los indicadores de torsión (DTI)» o la «condición de desacoplamiento de las estrías». Si las partes esperan hasta que el trabajo esté en altura para debatir si el apriete es aceptable, los costos de retrabajo y los riesgos para la seguridad se multiplican. Esta verificación debe repetirse conforme al procedimiento del proyecto cuando el trabajo se extienda durante varios días, se cambien las herramientas, varíen los lotes o se modifiquen sustancialmente las condiciones de almacenamiento; una sola prueba no debe considerarse una aprobación permanente para todo el proyecto.

6. Seleccionar el método de apriete junto con su capacidad de inspección

El método del giro de la tuerca controla el apriete mediante el alargamiento del perno. Una vez que la unión alcanza la condición adecuada de ajuste firme, se aplica la rotación especificada. El RCSC considera que este método es generalmente capaz de producir una pretensión más fiable que un método que depende únicamente del par de apriete, pero requiere que las capas estén completamente en contacto, que el elemento girado se identifique claramente y que el apriete se realice de forma sistemática, comenzando desde la parte más rígida de la conexión y avanzando hacia afuera. ^[1]Para uniones cuya longitud del perno, condición de inclinación o disposición de arandelas caigan fuera de los límites tabulados normales, la rotación requerida debe confirmarse con un dispositivo adecuado de medición de tensión.

El método de la llave calibrada es adecuado para proyectos con una organización del trabajo estable y una gestión estricta de las herramientas. La frecuencia de calibración, el elemento girado y la salida de la herramienta deben permanecer dentro de las condiciones verificadas. Los pernos de control de tracción de tipo giro-desconexión ofrecen una señal visible de construcción cuando la estría se corta, y son eficientes para instalaciones a gran volumen; sin embargo, la desconexión de la estría no demuestra automáticamente que la superficie de contacto cumpla con los requisitos, ni sustituye el apriete firme ni el control por lote de montaje. Los indicadores directos de tracción proporcionan evidencia visible de la pretensión mediante la compresión de la protuberancia y la inspección con calibrador de espesores, pero la orientación de la arandela, el espesor del calibrador, el estado de la superficie de contacto y la ubicación de la inspección deben ser consistentes.

Ningún método de apriete puede garantizar la calidad de forma independiente de la gestión en el campo. Al seleccionar un método, el proyecto debe preguntarse si el equipo puede ejecutarlo de manera consistente, si los inspectores pueden observarlo durante la ejecución del trabajo, si el resultado deja evidencia verificable y si los pernos no conformes pueden identificarse y aislarse rápidamente. Para asientos de correas, la parte inferior de plataformas de equipos o uniones cercanas al revestimiento, donde el acceso es restringido, la inspeccionabilidad suele ser más importante que la productividad teórica de la herramienta.

7. La inspección debe centrarse en el proceso, no en el «reapriete» posterior a la instalación

Después de instalar los tornillos de alta resistencia, muchos proyectos aplican habitualmente una llave dinamométrica a cada tuerca y asumen que la ausencia de movimiento de la tuerca indica una pretensión adecuada. Esta práctica no puede reconstruir de forma fiable la pretensión real de instalación, ya que la fricción estática, el estado de las roscas y los cambios en las superficies con el tiempo afectan todos al par de desprendimiento. El RCSC analiza específicamente las limitaciones de la arbitraje del par tras la instalación y enfatiza que los inspectores deben observar la verificación previa a la instalación, confirmar el estado de apriete firme y presenciar de forma rutinaria la ejecución del método de apriete seleccionado. ^[1]

Un registro de inspección eficaz debe formar una cadena de pruebas: los documentos de diseño definen la categoría de conexión; los certificados de materiales establecen las especificaciones de montaje; los registros de almacenamiento confirman el embalaje y la protección; la inspección de las superficies de contacto confirma que la zona controlada está libre de sobrespray de recubrimiento, aceite y corrosión anormal; la verificación previa a la instalación demuestra que los conjuntos y herramientas del mismo lote pueden alcanzar la pretensión objetivo; los registros del proceso muestran que el personal realizó el apriete inicial y el apriete final en el orden requerido; y los informes de no conformidad indican que los conjuntos atascados, con roscas desgastadas, incompatibles o contaminados fueron aislados.

Para las conexiones críticas por deslizamiento, los inspectores también deben considerar el trabajo secundario posterior al ensamblaje. Las reparaciones por soldadura, la pintura de retoque, el corte o el esmerilado cerca de las superficies de contacto pueden reintroducir polvo, pintura o efectos térmicos en la zona de conexión. Dejar los elementos al aire libre durante un período prolongado antes del apriete final también puede modificar las condiciones de la superficie y de las roscas. La firma en obra no debe limitarse simplemente a indicar «pernos apretados»; debe certificar que «el sistema de conexión especificado en el diseño se completó bajo las condiciones verificadas.»

8. Incorporar los Controles Especiales en los documentos del proyecto para evitar que la responsabilidad quede sin asignar.

Los problemas de calidad en las conexiones críticas al deslizamiento no suelen deberse a que un trabajador olvide dar una vuelta. Surgen porque los documentos de diseño, adquisición, fabricación y montaje no utilizan el mismo lenguaje. Las notas de diseño especifican un coeficiente de deslizamiento, pero la orden de compra indica únicamente la clase del perno; el plano de taller marca la superficie de contacto, pero el programa de recubrimiento omite el límite de enmascaramiento; el procedimiento de montaje especifica el método de giro de la tuerca, pero el registro de campo solo incluye un casillero para «valor de par». Cada documento puede parecer completo aisladamente, pero el sistema no se cierra cuando se combinan.

El proyecto debe utilizar una hoja de control de pernos de alta resistencia de una sola página que enumere el número de junta, la categoría de conexión, el tipo de orificio, la clase de superficie de contacto o la calificación del recubrimiento, la norma de ensamblaje de pernos, el método de pretensado, la frecuencia de verificación previa a la instalación, los puntos de inspección del proceso y el nombre del registro final. Antes de que los elementos salgan del taller, el personal de producción debe verificar las superficies de contacto y su identificación comparándolas con dicha hoja; antes del embarque, la zona controlada debe sellarse o cubrirse; en el sitio, se debe verificar el lote y el embalaje al recibirlos; la verificación debe completarse antes de la instalación; y tras el apriete final, la aceptación debe documentarse mediante marcas coincidentes, pruebas de indicadores de tensión directa (DTI) o la evidencia exigida por el método seleccionado.

El propósito de esta hoja de control especial no es crear otro formulario; es convertir el concepto vago de «calidad de los pernos de alta resistencia» en objetos de ingeniería entregables. Para los proyectos de almacenes de acero realizados por Shenyang Zhongwei Heavy Industry Steel Structure Engineering Co., Ltd., las uniones atornilladas de alta resistencia pueden gestionarse como un paquete de calidad independiente: los parámetros de diseño tienen fuentes declaradas, las superficies de producción tienen límites definidos, los lotes de montaje son rastreables, los métodos de campo están verificados y las conclusiones de inspección se basan en evidencias. Solo entonces el coeficiente de deslizamiento deja de ser simplemente un número en el informe de cálculo; se convierte en un rendimiento de la unión que puede funcionar durante toda la vida útil de la estructura.

Conclusión

La fiabilidad de una conexión crítica al deslizamiento nunca se determina únicamente por un «grado superior del tornillo» o un «valor mayor de par de apriete». Se basa en tres condiciones interdependientes: las superficies de contacto permanecen en el estado verificado; los conjuntos de tornillos desarrollan una pretensión suficiente y estable; y el proceso de construcción e inspección demuestra que ambas condiciones se lograron simultáneamente.

Para los almacenes de acero, el enfoque más económico no consiste en realizar reajustes extensivos tras la finalización, sino en definir los límites de control antes de la fabricación y el montaje: gestionar las superficies de contacto por separado, no mezclar lotes, verificar primero las herramientas, emplear un método susceptible de ser testificado y aislar inmediatamente las anomalías. Cuando estos controles se aplican temprano, una conexión atornillada de alta resistencia pasa de «parecer apretada» a «rendimiento confirmado».

Normas y notas de referencia