cap 3 remaches

Upload: liyo26

Post on 13-Oct-2015

141 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

  • MEC 2240 Diseo Mecnico

    Docente: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana 1

    CAPITULO 3 DISEO DE MIEMBROS EN CORTANTE

    REMACHES Y PERNOS

    Fig. 3.a

    En la aplicacin del clculo de esfuerzos cortantes, se puede encontrar tres elementos

    mecnicos tpicos a estudiar, el primero son los remaches, el segundo los pernos cuyo

    tratamiento es muy semejante al primero y finalmente en las vigas, metodologa que

    se revisar en el siguiente captulo.

    A continuacin se ver el estudio de de remaches y pernos.

    REMACHESSe llama remache a una pieza de seccin transversal circular de acero dctil forjado

    en el sitio para unir entre s varias piezas de acero. El remache se fabrica con una

    cabeza especial, que se denomina cabeza manufacturada, instalada mediante una

    pistola remachadora la cual forma otra cabeza, durante la instalacin. El proceso

    completo se llama remachado.

    El remachado es esencialmente un proceso de forja, que se ha desarrollado partiendo

    de un proceso de martillado a mano hasta llegar al mtodo actual de colocacin a

    mquina.

    El proceso de remachado pude ser realizado en caliente, normalmente para obras

    pequeas realizadas en taller, o para remaches grandes (ms de 1) , o puede

    realizarse en frio, para remachados en campo (remaches de a 7/8). Inicialmente la

    cabeza de los remaches se consegua a golpe de martillo, actualmente todo esta

    simplificado por el uso de maquinaria especial.

  • MEC 2240 Diseo Mecnico

    Docente: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana 2

    Para realizar el remachado primero se perfora la chapa a unir, se coloca el remache

    (frio o caliente) en la perforacin y se conforma la otra cabeza, tal como se muestra en

    la figura de abajo.

    La utilizacin de los remaches esta difundida en la construccin de calderas, edificios,

    puentes, barcos y otros. Su conveniencia de utilizacin radica en la seguridad de la

    unin, y la adhesin o rozamiento generado en la conformacin de los remaches.

    TIPOSDEREMACHESSe puede clasificar los remaches por dos categoras:

    a. Poreltipodecargaqueresisten.b. Porlaformadelremache.

    Por el tipo de carga se tienen remaches a carga axial, a carga cortante, y remaches a carga excntrica; siendo que por la forma se encuentra remaches de cabeza semiesfrica, cabeza avellanada, remaches huecos y remaches de cabeza de hongo.

    Siendo que en el diseo mecnico se encuentran ms los de cabeza semiesfrica se

    prestara especial atencin en ellos.

    Los remaches de cabeza de hongo se utilizan para unir chapas muy delgadas,

    mientras que los remaches huecos adems de unir chapas delgadas pueden ser

    utilizados para cuero, cartn u otros. En las figuras siguientes se muestran las formas

    tpicas de los remaches.

  • MEC 2240 Diseo Mecnico

    Docente: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana 3

    NORMASPARAELDISEODEUNIONESCONREMACHESLas normas para el diseo de remaches estn desarrolladas tanto por la AISC, la

    ASME, la ASTM, dentro las normas americanas, debiendo revisar la norma para

    realizar un diseo que amerite bastantes detalle. De acuerdo a esta, se recomienda

    los siguientes materiales para los remaches:

    ACERO ESTRUCTURAL ASTM A141 ACERO DE ALTA RESISTENCIA

    ASTM A195 o A502

    En la norma DIN, se puede revisar los cdigos DIN 660, DIN 124 y DIN 123.

    TIPOSDEFALLOSENUNIONESREMACHADASEn la grafica siguiente se muestra de forma general los tipos de fallos de las uniones

    remachas, reconociendo:

    En el remache, fallo por cortadura (simple, doble, triple).

    En la placa, fallo por aplastamiento, fallo por ruptura a tensin y fallo por corte en

    los bordes.

  • MEC 2240 Diseo Mecnico

    Docente: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana 4

    CALCULODELOSREMACHESACARGAAXIALClculodelremacheaesfuerzodecorteEl remache propiamente (el vstago) puede fallar por esfuerzo cortante, entonces:

    Donde: t: esfuerzo admisible a corte del remache

    F: fuerza aplicada

    Dr: dimetro del remache

    Clculodelaplacaaesfuerzo detraccinPor efecto de los orificios aplicados a la placa para que se inserten los remaches, esta

    puede fallar a traccin, entonces:

    F dr2

    4

  • MEC 2240 Diseo Mecnico

    Docente: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana 5

    Donde:

    Sy: esfuerzo admisible del material de la placa w: ancho de la placa t: espesor de la placa

    Clculodelaplacaaesfuerzo deaplastamientoComo resultado de la presin ejercida por el remache, la placa sufrir un esfuerzo de

    aplastamiento, que podra desgarrar a la misma, esta verificamos con:

    Donde:

    Sc: Esfuerzo admisible de compresin

    Clculodelaplacaaesfuerzo decortanteenlosbordesLa ecuacin para calcular este esfuerzo cortante en la orilla de la placa es:

    Donde:

    Tplaca: esfuerzo admisible a corte de la placa

    A: distancia de eje del remache al borde de la placa.

    yF

    w dr t

    cF

    dr t

    placaFa t

  • MEC 2240 Diseo Mecnico

    Docente: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana 6

    Pactualn n0

    nP

    Finalmente se debe verificar en el diseo de uniones por remaches, que las

    perforaciones no se encuentren muy cerca de los bordes, de forma bsica (pues la

    norma especfica varias consideraciones), se debe precautelar que del eje de simetra

    de la perforacin, al borde en direccin de la fuerza exista 1,5 veces el dimetro del

    remache, y 2 veces el dimetro en su direccin transversal.

    ARREGLOSDELOSREMACHESPara calcular los arreglos de los remaches, se debe considerar dos aspectos:

    1. Todoslosremachesestarnabsorbiendolacargacortante.2. Laplacaabsorberlacargasolicitadadeacuerdoaladisposicindelasperforaciones

    realizadas(arreglo),notandolosiguiente:a. A la altura del primer remache, la carga en la placa ser del total de la

    solicitante.b. Enlafilassiguienteslacargadelaplacaestarregidaporlasiguienterelacin:Donde:

    Pactual: carga actual n: numero total de remaches n0: numero total de remaches en la junta anterior

  • MEC 2240 Diseo Mecnico

    Docente: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana 7

    EFICIENCIADELOSARREGLOSLa eficiencia de los arreglos se mide como relacin del esfuerzo admisible ms bajo de

    los analizados respecto del esfuerzo nominal de la placa sin perforaciones, o su

    anlogo expresado en fuerzas.

    efsolicitanteadmisible

    efPadmenorPadmisible

    Pese a ello por pruebas empricas se ha demostrado que la eficiencia de los arreglos

    de las juntas remachadas nunca es superior al 85%.

    CALCULODEREMACHESACARGAEXCENTRICASobre todo en diseo de estructuras para equipos y procesos, se encuentra remaches

    en perfiles estructurales, los cuales tienen las cargas excntricas a los ejes y centros

    de los arreglos de los remaches, en ese caso el clculo de las juntas se hace un poco

    ms largo, teniendo que considerar el momento generado por la excentricidad. Para

    detallar el procedimiento se seguir una memoria de clculo.

    Se indica la siguiente relacin para encontrar la fuerza resultante generada por el

    momento resultante de una carga excntrica:

  • MEC 2240 Diseo Mecnico

    Docente: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana 8

    Finalmente, si se quiere obtener la fuerza solicitante total ocasionada por una carga

    excntrica, se deber proceder segn la relacin:

    Fresul Fcortante Fmomento

    FresulPn

    P e d1

    d12 d2

    2 dn2=

  • MEC 2240 Diseo Mecnico

    Docente: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana 9

    UNIONESROSCADAS

    Las uniones roscadas, son elementos de mquinas que nos permiten realizar uniones

    entre elementos, con la posibilidad de montar y desmontar varias veces, por ello se

    conocen tambin con el nombre de Uniones Desmontables.

    Dentro de las Uniones desmontables, se puede diferenciar dos grupos grandes

    constituidos por su aplicacin, siendo estos: Tornillos de fijacin y Tornillos de

    potencia; los primeros se utilizan para unir piezas de forma que estn no puedan

    moverse entre si, mientras que los del segundo grupo permiten ms bien mover piezas

    unidas por este elemento convirtiendo el trabajo del torque en movimiento longitudinal.

    Ambos grupos se subdividen de acuerdo a caractersticas internas, pudiendo realizar

    una clasificacin general de la forma que sigue:

    DEFINICIONTORNILLOSYPERNOSUna unin tpica mediante tornillos o pernos, est compuesta por los componentes

    mostrados a continuacin:

    En donde los componentes a unir se los conoce como material, el elemento que une

    es el perno, la tuerca es el componente encargado de dar el apriete entre los

    materiales y el mismo perno, adems usualmente se utiliza una arandela como

    elemento de seguridad contra corte del material por aplastamiento por la fuerza de

    apriete.

  • MEC 2240 Diseo Mecnico

    Docente: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana 10

    La diferencia entre pernos y tornillos radica en que los pernos como se ve en la figura

    superior requieren de una tuerca para fijar las piezas de unin; mientras que los

    tornillos se fijan al mismo material, mismo que debern tener un agujero roscado tal

    cual se ve en la figura a de lado.

    MATERIALPARALOSPERNOSLos pernos como elementos de unin se construyen de diversos materiales, ms

    normalmente se elije un material ms dbil que el de los componentes a unirse,

    asegurando de esta manera que en alguna eventualidad, si la maquina fallase, sera el

    perno quien absorbera el mayor impacto.

    Norma Americana

  • MEC 2240 Diseo Mecnico

    Docente: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana 11

    El material para los pernos de acuerdo a norma DIN, comienzan con el cdigo ST 37.

    RESISTENCIADELOSPERNOS GRADODELPERNOLos pernos llevan una inscripcin en la cabeza de los mismos, en la cual se aprecia el

    grado del perno. El grado nos da la resistencia ltima y la resistencia a punto cedente

    o de fluencia. Para leer este cdigo se debe:

    Paraobtener la traccinltima semultiplicaelprimerdgitopor100,obteniendo laresistenciadelmaterialen[N/mm2]o[MPa].

    Para obtener el valor de resistencia a fluencia se multiplica el primer dgito con elsegundo,yelproductosemultiplicapor10,dandoelresultadoen[N/mm2]o[MPa].

    La tabla a continuacin da referencia de lo indicado.

    PERNOSOTORNILLOSDESUJECION

  • MEC 2240 Diseo Mecnico

    Docente: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana 12

    CARACTERISTICASPRINCIPALESDELAROSCA

    Como se puede ver en la figura precedente, los parmetros caractersticos de una

    rosca son los siguientes:

    a) Dimetroexterioronominal.b) DimetroInterior,derazodevstago.c) Dimetrodepasoomedio.d) Elpasoentrehiloehilo(distanciaqueavanzaelpernoaldarunavuelta)e) Angulodeentalladuradelhiloonguloentreflancos.

    NormasestndardelasroscasInicialmente se desarrollaron de forma paralela dos normas de roscado, la norma

    europea y la norma americana, de las cuales tal vez la que mayor cambi present es

    la norma americana. En la figura a continuacin se muestra grficamente su evolucin:

    Siempre se ha preferido la conformacin del hilo en V, mas esta primera

    configuracin produjo problemas de desgaste acelerando en el contacto de las puntas,

    por lo cual se disearon las roscas Sellers, con cabeza y raz redondeada,

  • MEC 2240 Diseo Mecnico

    Docente: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana 13

    posteriormente se propuso un cambio del ngulo de flancos de 60 a 55,

    estandarizndose la rosca Whitworth.

    En la actualidad existe rosca Whitworth de 55 y de 60. La norma ISO, la ms

    generalizada trabaja con la rosca Unificada o Estndar ISO, que emplea un ngulo de

    flancos de 60, y puntas y races del hilo cortados en plano. La profundidad del cortado

    determina la tolerancia de la rosca.

  • MEC 2240 Diseo Mecnico

    Docente: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana 14

    AjusteenlasroscasEl ajuste en las roscas viene ligado al acabado de fabricacin de las roscas, al paso

    del hilo y la tolerancia de las medidas, agrupados estos parmetros en tres clases:

    1. RoscasBastas,utilizadasparamontajeydesmontajes frecuentesyrpidos,noaptosparaelementosquepresentenelevada vibracin, y sudesignacin se realiza conelnmero1.

    2. RoscasFina,empleadasparamquinasconvibraciones,elacabadodelpernoesfinollevandoladenominacinde2.

    3. RoscaExtraFina,empleadaenequipodemedicinoprecisin,sudesignacinesconelnmero3.

    Por cuanto en la norma americana la designacin de un perno deber ser:

    1/4-20 UNC 2A Se interpretara de la siguiente manera:

    de pulgada de dimetro.

    20 hilos por pulgada de longitud.

    Clase de ajuste 2

    A indica roscado exterior, siendo B para roscado interior.

    En la Norma Europea (Mtrica):

    M8x1.25 7H/6g M significa mtrica. 8 el dimetro nominal exterior.

    1.25 es el paso de la rosca, este paso define si es rosca paso normal, fino.

    7H/6g u otros valores, describen la tolerancia y por ende el ajuste entre perno y

    tuerca.

  • MEC 2240 Diseo Mecnico

    Docente: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana 15

    ESFUERZODETRACCIONENLOSPERNOSEst definido por la fuerza de traccin, dividida entre el rea a traccin, siendo que:

    tFAt

    =

    At

    4

    dp dr2

    2

    =

    Roscas norma americana UNS

    dp d0.649519

    Nh= dr d

    1.299038Nh

    =

    Roscas Mtricas

    dp d 0.649519 p= dr d 1.226869 p= Donde:

    d dimetro nominal exterior

    dp dimetro de paso

    dr dimetro de raz

    p paso del hilo

    Nh Nmero de hilos por pulgada

    F Fuerza de traccin

    At Area a traccin

    t Esfuerzo a traccin

    ESFUERZOCORTANTEPORCARGAAXIALPuede darse la figura que debido a una elevada carga se llegue a barrer los hilos de

    un perno o de la tuerca. Para verificar este caso se debe obtener el rea de hilos a

    cortante, para lo cual se emplea la siguiente relacin:

    Para el perno: Asperno dr wi p=

    Para la tuerca: Astuerca d wo p=

    sFAs

    =

  • MEC 2240 Diseo Mecnico

    Docente: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana 16

    Donde:

    Tipo de rosca

    Wi Wo

    UNS/ISO 0.80 0.88

    Cuadrada 0.50 0.50

    Acme 0.77 0.63

    Adems, se debe cumplir las relaciones fundamentales siguientes:

    a) Sieldimetrodelpernoesmenorque1,entonceselaltode la tuerca serpor lomenos0.5*d.

    b) Sieldimetrodelpernoesmayorque1,entonceselaltode la tuerca serpor lomenos0.6*d.

    c) Sisetratadeesfuerzosaltosdetraccinelaltodelatuercallegahasta1,5*d.BIBLIOGRAFIABresler, Lin. Diseo de Estructuras de Acero. Ed. Limusa. 1978

    Frasner O. Elementos de Mquinas.

    Norton, R. Diseo de Mquinas. Ed. Prentice Hall. 1999.

    Mott, R. Diseo de Elementos de Mquinas. Ed. Prentice Hall. 1995.