¿Qué grado de pernos de alta resistencia es adecuado para proyectos de puentes?

Por qué los proyectos de puentes exigen pernos de alta resistencia con precisión

Consecuencias estructurales de especificar una resistencia de perno insuficiente o excesiva

Elegir la resistencia a la tracción incorrecta para los componentes de un puente puede dañar gravemente la integridad estructural, tanto de inmediato como a largo plazo. Cuando los ingenieros especifican pernos con una resistencia inferior a la requerida, existe un riesgo real de que se produzcan fracturas por fatiga bajo cargas normales de tráfico sobre el puente, lo que podría provocar el fallo progresivo de las uniones. Por otro lado, utilizar pernos de clase 12.9 en lugar de pernos suficientes de clase 10.9 también genera problemas. La rigidez adicional provoca grietas progresivas en las piezas contiguas de acero con el paso del tiempo. Estudios indican que, al apretar estos pernos de mayor clase, es bastante común superar el 80 % de su límite elástico, y esta práctica agrava tres veces los problemas de corrosión bajo tensión en zonas costeras. Un análisis de los datos reales obtenidos en recientes proyectos de rehabilitación de puentes de celosía realizados en 2023 revela además otro aspecto: incluso los errores menores tienen importancia. Tan solo un error de 0,1 mm en el par de apriete de dichos pernos reduce la esperanza de vida de las conexiones aproximadamente un 15 %. Este tipo de detalle resulta decisivo al construir estructuras destinadas a durar décadas.

Cómo las cargas dinámicas, los ciclos de fatiga y los márgenes de seguridad determinan la selección del grado

Los puentes soportan tensiones cíclicas provocadas por el tráfico, el viento y la dilatación térmica, lo que exige márgenes de seguridad calculados basados en criterios orientados al rendimiento.

• Zonas críticas por fatiga , como las juntas de expansión, requieren tornillos de grado 10.9 con energía de impacto Charpy en muesca en V ≥27 J a –40 °C para resistir más de dos millones de ciclos de tensión.
• Zonas sísmicas se benefician de la mayor ductilidad de los tornillos de grado 8.8 (alargamiento del 12–15 %), lo que permite absorber energía mediante deformación controlada sin fractura frágil.
• Los márgenes de seguridad disminuyen a medida que aumenta la imprevisibilidad de la carga: los puentes urbanos requieren factores de diseño 1,8 veces superiores a los de los tramos rurales, según estudios sobre vibraciones de la FHWA (2022).

La AASHTO exige protocolos de ensayo acelerado de fatiga que descartan automáticamente los tornillos de dimensiones insuficientes, demostrando por qué especificaciones «casi adecuadas» pueden dar lugar a fallos catastróficos.

Normas estadounidenses: ASTM F3125, tornillos de alta resistencia para aplicaciones en puentes

F3125 Tipo 1 (acero al carbono/aleado) frente a Tipo 3 (acero patinable) — Resistencia a la corrosión y retención de la precarga en entornos reales de puentes

Los puentes necesitan pernos resistentes capaces de soportar agentes que atacan el metal, especialmente cuando hay sales procedentes de los tratamientos aplicados a las carreteras y humedad constante en el aire. Los pernos ASTM F3125 Tipo 1, fabricados en acero al carbono o aleado, son más económicos inicialmente, pero requieren recubrimientos especiales para evitar su oxidación. El problema es que dichos recubrimientos se desgastan con el tiempo y debilitan la capacidad de los pernos para mantener su tensión durante años. Por su parte, los pernos de acero patinable Tipo 3 forman espontáneamente una capa de óxido que, en realidad, protege al metal subyacente. Según investigaciones realizadas el año pasado por Ponemon, esta protección natural reduce la velocidad de corrosión aproximadamente a la mitad en comparación con los pernos Tipo 1 convencionales sin ningún recubrimiento. En la práctica, esto significa que los puentes construidos con estos pernos de acero patinable conservan su resistencia durante más tiempo, sin necesidad de reparaciones costosas en el futuro.

*Velocidades de corrosión en entornos ricos en cloruros (NACE, 2023)
**Datos de campo de puentes del medio oeste de Estados Unidos**

Cuando se someten a condiciones de carga cíclica, los tornillos tipo 3 mantienen aproximadamente un 20 al 30 % más de pretensado durante esos ciclos térmicos húmedos y secos que realmente importan para garantizar la estabilidad de las uniones cuando la fatiga por vibración se convierte en una preocupación. La mayoría de los ingenieros optan por tornillos tipo 3 para partes de los puentes que reciben exposición directa, como cojinetes y juntas de expansión. Para estructuras ubicadas en interiores, donde podemos controlar los niveles de humedad, suelen preferir los tornillos tipo 1. Todos estos tipos de tornillos cumplen los requisitos mínimos establecidos por la norma ASTM F3125 en cuanto a resistencia a la tracción, de aproximadamente 150 ksi. No obstante, el tipo de material seleccionado marca una gran diferencia tanto en los costos acumulados a lo largo del tiempo como en el nivel de seguridad, especialmente en zonas propensas a problemas de corrosión.

Referencias globales para tornillos de alta resistencia: equivalencia entre las clases métricas 8.8, 10.9 y 12.9 y los requisitos de diseño de puentes

Clase 10.9 como punto óptimo internacional: resistencia, ductilidad y rendimiento probado en campo

El perno de alta resistencia grado 10.9 se ha convertido en una especie de caballo de batalla en la construcción de puentes en todo el mundo. Estos pernos ofrecen un rendimiento notable, con una resistencia a la tracción de 1040 MPa y una resistencia al límite elástico de hasta 940 MPa. Lo que los distingue es su capacidad para soportar tensiones sin romperse de forma repentina: se alargan aproximadamente un 9 % antes de ceder, lo que otorga tranquilidad a los ingenieros al enfrentarse a las vibraciones constantes y a los cambios de carga propios de carreteras y puentes. La mayoría de los ingenieros estructurales optan por el grado 10.9 siempre que trabajan en vigas principales de soporte o juntas de expansión, ya que estas zonas no pueden permitirse ninguna sorpresa. Las versiones especiales resistentes a la corrosión cumplen con los requisitos de la norma ISO 898-1, por lo que mantienen su integridad tanto si se instalan cerca del aire salino del océano como en profundas depresiones montañosas, donde son frecuentes las condiciones climáticas extremas. Los datos reales de desempeño registrados en Europa entre 2019 y 2023 cuentan la historia mejor que ninguna otra fuente: de todos esos miles de instalaciones, tan solo aproximadamente 1 de cada 5000 presentó una falla. Este tipo de historial explica por qué tantas especificaciones técnicas siguen exigiendo pernos grado 10.9 en aquellos lugares donde la seguridad es lo más importante.

Cuándo está justificado el uso del grado 12.9: demandas excepcionales de cortante, espacio limitado o escenarios de refuerzo antisísmico

Reserve los pernos de alta resistencia de grado 12.9 para desafíos especializados en puentes. Su resistencia a la tracción de 1.220 MPa es adecuada para:

• Zonas críticas al cortante , como las zapatas de estribos sometidas a tráfico intenso;
• Instalaciones retroactivas con espacio limitado , donde la reducción del tamaño del perno es esencial;
• Refuerzos antisísmicos , que requieren una máxima resistencia a las cargas en zonas propensas a terremotos.

Tenga en cuenta el compromiso: su alargamiento del 8 % lo hace más frágil que el grado 10.9. Úselo únicamente con una calibración precisa del par de apriete y una protección anticorrosiva robusta. En los refuerzos antisísmicos realizados en California (2021–2023), los pernos de grado 12.9 superaron a las alternativas en ensayos de cortante en un 18 %, pero fue necesario aplicar rigurosos protocolos de instalación para evitar la fisuración por corrosión bajo tensión.

Selección de los pernos de alta resistencia adecuados: un marco práctico de toma de decisiones para ingenieros de puentes

Los ingenieros de puentes enfrentan decisiones críticas al especificar pernos de alta resistencia. Una elección inadecuada compromete la integridad estructural o implica costos innecesarios. Un marco sistemático simplifica este proceso al evaluar cuatro factores clave:

Valide siempre las selecciones mediante simulaciones estructurales y consulte a proveedores líderes en escenarios no estándar. Este método garantiza que los márgenes de seguridad se alineen con las cargas dinámicas y los ciclos de fatiga, evitando al mismo tiempo un diseño excesivo.