Si llevas un tiempo en el mundo de los oficios o te dedicas a la ingeniería, probablemente ya te hayas acostumbrado a la gran cantidad de detalles que hay en cada uno de los aspectos de lo que la mayoría de la gente considera un sistema o una estructura simple. Especialmente en el caso de objetos pesados suspendidos sobre las cabezas de las personas (todos los techos, por supuesto) o de sistemas que pueden explotar, existe un nivel de detalle que solo los expertos pueden percibir y que separa nuestra realidad segura (y mundana) de aquella en la que las catástrofes dramáticas son comunes. En el entorno construido, una parte significativa de esos detalles reside en las tuercas y los tornillos que mantienen unidos los elementos de los sistemas mecánicos y estructurales.
Aunque la mayoría de la gente cree que para pedir un tornillo específico solo hay que especificar el tamaño, la realidad es mucho más compleja e incluye la resistencia, la vida útil a fatiga, la protección contra la corrosión, el tamaño y la forma de la cabeza, qué fracción del vástago está roscada y mucho más. Las tuercas también tienen una amplia variedad de parámetros, muchos de los cuales quedan determinados por la elección del tornillo. Cualquier perno puede insertarse en un orificio siempre y cuando el diámetro y el paso de la rosca coincidan, pero los sistemas bien diseñados toman en cuenta una gran cantidad de detalles al especificar estos elementos de sujeción.
Una de las principales formas en que los ingenieros clasifican los pernos es diferenciando los pernos estructurales de los pernos mecánicos. Los pernos estructurales están diseñados para soportar cargas y tensiones dentro de una estructura, garantizando su estabilidad y seguridad. Su aplicación principal se da en proyectos de construcción, especialmente en estructuras de acero e infraestructura. Los pernos mecánicos se utilizan para ensamblar o reparar maquinaria y equipo. Vienen en diversos tamaños, grados y materiales. Los pernos de esta categoría son mucho más comunes para los consumidores y, por lo general, son más económicos que los pernos estructurales.
Estos pernos se caracterizan por su alta resistencia, lo que les permite mantener la integridad estructural bajo cargas dinámicas y condiciones ambientales variables. La Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales (ASTM) establece normas estrictas para los pernos estructurales[1] para garantizar que cumplan con las exigencias de las aplicaciones estructurales, que se ensamblen y prueben adecuadamente para satisfacer las expectativas de diseño, e incluso que se almacenen de acuerdo con el protocolo.
Si bien existen varios tipos diferentes de pernos estructurales disponibles, los de grado A325 y A490 de la norma ASTM son dos de los más utilizados en aplicaciones estructurales. Aunque los A490 tienen mayor resistencia que los A325, la mayoría de los proyectos requieren el uso de A325: comprender por qué sucede esto ofrece una buena introducción a las sutilezas que implica un diseño cuidadoso. Ambos pernos cuentan con una cabeza hexagonal robusta que proporciona una superficie de apoyo más amplia para distribuir la carga de sujeción entre los elementos estructurales de la unión. La rosca de ambos pernos termina bastante antes de llegar a la cabeza, de modo que el perno presenta un vástago sólido de diámetro completo frente al plano de corte de la unión. Dado que la parte roscada del vástago es más débil que la parte sin roscar, asegurar que esta última se ubique en el plano de corte de la unión permite lograr una conexión más resistente.
Los pernos que se utilizan para conexiones estructurales casi siempre requieren una tuerca (en lugar de un orificio roscado ciego) para completar la unión, y el tipo de tuerca suele depender de la elección del perno.
Los pernos A325 se utilizan comúnmente en proyectos de construcción de puentes y autopistas. Pueden estar fabricados con acero de carbono medio Tipo 1, y los pernos de este material pueden galvanizarse adicionalmente para reducir drásticamente la corrosión. Los pernos A325 también pueden fabricarse con acero resistente a la intemperie Tipo 3, en el que los elementos aleados se “pasivan” cuando se exponen al aire que contiene humedad. Este proceso de pasivación crea una capa de óxido impermeable, resistente y bien adherida al perno, que inhibe la corrosión posterior. Los pernos A325 tienen una resistencia a la tracción mínima de 120 ksi para diámetros de una pulgada o menos (105 ksi para pernos de más de una pulgada de diámetro).
Estos pernos pueden fabricarse con acero aleado de alto contenido de carbono Tipo 1 o con acero resistente a la intemperie Tipo 3; sin embargo, a diferencia de los pernos de grado A325, los de grado A490 no pueden galvanizarse debido a la posible fragilización por hidrógeno que podría producirse durante el proceso de galvanizado por inmersión en caliente o mecánico. El grado A490 especifica una resistencia a la tracción mínima de 150 ksi, un 25 % más resistente que la especificación A325. Esta alta resistencia conlleva algunas desventajas, como una mayor susceptibilidad a la corrosión bajo tensión y a las grietas por hidrógeno; por lo tanto, muchas estructuras se diseñan para utilizar los pernos A325, que son más robustos.
Las diferencias entre estas dos especificaciones permiten vislumbrar los numerosos factores que intervienen en la selección de un perno estructural y en el diseño de una unión atornillada. Además, ilustran cuán especializados son los pernos estructurales y por qué no se utilizan en aplicaciones que no requieran su resistencia ni su proceso de fabricación, almacenamiento e instalación altamente especializado (y más costoso).
En las estructuras de tela, los pernos estructurales se utilizan ampliamente en las uniones diseñadas entre los elementos de la estructura. El uso de estos pernos y tuercas, que cumplen con especificaciones muy estrictas y cuentan con certificación, nos garantiza que nuestras estructuras serán seguras a lo largo de su larga vida útil.
Dado que su resistencia se clasifica según las normas de la SAE (Sociedad de Ingenieros Automotrices), los pernos mecánicos se seleccionan en función de las propiedades mecánicas específicas que requiere el equipo en cuestión, entre ellas la resistencia al corte, la resistencia a la tracción, la capacidad para soportar vibraciones y fatiga, la resistencia a la corrosión y el desempeño a temperaturas extremas.
La SAE ha asignado varios grados diferentes a los pernos, desde el grado 2 hasta el grado 8 (el más resistente), aunque los grados 2, 5 y 8 son los más comunes.
Los pernos que cumplen con este grado tienen una resistencia a la tracción de entre 60 y 74 ksi y, por lo general, se utilizan para uniones no críticas y aplicaciones que incluyen mantenimiento, sujeción de componentes no estructurales, como carenados o soportes, y sujeciones generales no diseñadas específicamente. Estos pernos son una opción económica y pueden ser roscados total o parcialmente en longitudes que van desde ¼” hasta 4”.
Diseñado para fabricarse con acero de carbono medio y endurecido para ofrecer mayor resistencia y durabilidad, un perno de grado 5 presenta resistencias a la tracción de entre 105 ksi y 120 ksi, lo que lo sitúa a la par con un perno ASTM A325. Estas dos especificaciones tienen bastantes similitudes; sin embargo, algunas diferencias incluyen las siguientes.
Estos pernos cuentan con la mayor resistencia dentro del sistema de clasificación de la SAE, con una resistencia a la tracción mínima de 150 ksi. El grado 8 de la SAE es, a grandes rasgos, comparable a la especificación ASTM A490. Estos pernos se utilizan con frecuencia en los mecanismos mecánicos de alta capacidad de la maquinaria de movimiento de tierras, en las suspensiones de automóviles y en otras aplicaciones mecánicas en las que intervienen fuerzas estáticas y dinámicas muy elevadas.
Si bien tienen un rango de resistencia similar, los pernos clasificados según el marco de la SAE se utilizan en una variedad más amplia de aplicaciones que los pernos estructurales clasificados según la norma ASTM, que es más específica. Ampliamente utilizados en sectores como el automotriz, la maquinaria pesada, las bombas, los generadores y las turbinas, los pernos clasificados según la SAE se emplean con frecuencia tanto en orificios roscados ciegos como con tuercas. Parámetros como la longitud de la rosca, el material y el acabado presentan una mayor variabilidad en los herrajes clasificados según la norma SAE, principalmente debido a la amplia gama de aplicaciones en equipos mecánicos. Los herrajes clasificados según la norma SAE se utilizan en nuestras estructuras de tela cuando es apropiado, como en los herrajes de las puertas y en las rejillas de ventilación. Es fundamental que se utilicen los herrajes especificados en los planos de construcción para la edificación; no se pueden realizar sustituciones sin la aprobación del ingeniero de la obra.
[1] Principalmente en la norma ASTM F3125 «Especificación estándar para pernos estructurales de alta resistencia, de acero y acero aleado, tratados térmicamente, con resistencia a la tracción mínima de 120 ksi (830 MPa) y 150 ksi (1040 MPa), en dimensiones en pulgadas y métricas».
