¿Qué capacidad de carga tienen los pernos roscados industriales?

Propiedades mecánicas fundamentales que definen la capacidad de carga de los pernos roscados

Resistencia a la tracción frente a resistencia al límite elástico: cómo determinan las cargas de trabajo seguras

La resistencia a la tracción se refiere a la cantidad de esfuerzo que un perno roscado puede soportar antes de romperse por completo. La resistencia al flujo indica el punto en que el material comienza a deformarse de forma permanente, en lugar de simplemente volver a su forma original tras la flexión. Al diseñar estructuras con criterios de seguridad, los ingenieros deben mantener todas las cargas de trabajo bien por debajo del límite elástico, ya que superar este umbral podría provocar problemas graves, como componentes deformados o incluso fallos totales en zonas críticas, tales como puentes grúa, soportes de fijación y uniones que mantienen unidos los elementos. La mayoría de los sectores industriales siguen directrices que incorporan márgenes de seguridad adicionales, aplicando factores de seguridad comprendidos entre 1,5 y 3 veces el valor calculado de la resistencia al flujo. Estos márgenes de seguridad tienen en cuenta fuerzas imprevistas durante el funcionamiento, diferencias entre lotes de materiales suministrados por los proveedores y posibles errores cometidos durante la instalación in situ. Comprender estas propiedades básicas de los materiales marca toda la diferencia a la hora de garantizar que los equipos funcionen de forma fiable día tras día en entornos reales de trabajo, y no únicamente en cálculos teóricos.

Resistencia al corte y su papel fundamental en el diseño de anclajes y conexiones

La resistencia al corte, que básicamente indica qué tan bien puede soportar un material una fuerza lateral, suele situarse generalmente entre el 60 % y el 70 % de la carga necesaria para estirarlo hasta su rotura. Esta propiedad es muy relevante al trabajar con elementos como pernos que mantienen unidas distintas piezas, anclajes empotrados en hormigón o estructuras diseñadas para resistir sismos. Cuando la resistencia al corte es insuficiente, los problemas surgen rápidamente: los anclajes en hormigón se desprenden de forma inmediata y los componentes de acero comienzan a deslizarse entre sí en zonas donde no deberían hacerlo. Considérese, por ejemplo, los puentes: los apoyos que les permiten moverse ligeramente mientras mantienen su estabilidad dependen en gran medida de cálculos precisos de corte. Lo mismo ocurre con las bases de maquinaria pesada y con los soportes especiales diseñados para absorber vibraciones. Si no se determinan correctamente los valores de corte, estos sistemas experimentan una falla progresiva con el tiempo, especialmente cuando están sometidos a cargas repetitivas o a esfuerzos provenientes de ángulos inesperados durante la fase de diseño.

Cómo las especificaciones de las barras afectan directamente el rendimiento en capacidad de carga

Efectos del diámetro, la calidad (por ejemplo, ASTM A307, A193 B7) y el tipo de rosca sobre la capacidad

El diámetro desempeña un papel fundamental para determinar cuánto peso puede soportar un elemento. Cuando se duplica el diámetro, el área de la sección transversal aumenta en realidad cuatro veces, lo que significa que tanto la resistencia a tracción como la resistencia al corte aumentan significativamente, siempre que los materiales sean homogéneos. Por ejemplo, una varilla estándar de acero al carbono de 1 pulgada conforme a la norma ASTM A307 puede soportar al menos aproximadamente 36 000 libras antes de alcanzar su límite elástico. En comparación, una varilla de acero aleado conforme a la norma ASTM A193 B7, de dimensiones similares, resiste aproximadamente 105 000 libras. Esta diferencia se debe a los valores de resistencia al límite elástico: la versión aleada alcanza unos 105 ksi, frente a solo 36 ksi para el acero al carbono convencional.

El tipo de rosca influye en la idoneidad para la aplicación: las roscas gruesas mejoran la resistencia al arrancamiento en sustratos frágiles como el hormigón, mientras que las roscas finas ofrecen una mayor participación a tracción y mayor precisión en ensamblajes metálicos. La profundidad mínima de participación de la rosca —1,5 × el diámetro nominal— es esencial para evitar el deshilachado y garantizar la transmisión completa de la carga.

Factores ambientales y de instalación que reducen la capacidad de carga real

Profundidad de empotramiento, calidad del hormigón, corrosión y efectos del ciclo térmico

Las clasificaciones de carga basadas en la teoría siempre funcionan en condiciones ideales, pero el rendimiento real suele ser inferior debido a todo tipo de factores ambientales y a la forma en que se instalan los elementos. En lo que respecta a la fijación en hormigón, si la profundidad de empotramiento no es suficiente, todo el mecanismo de rotura cónica no se desarrolla adecuadamente, lo que significa que el anclaje se extrae con mucha mayor facilidad de lo previsto. Y ni siquiera mencionemos el hormigón de mala calidad: hormigón con exceso de burbujas de aire, resistencia a la compresión inferior a 2500 psi o adherencia deficiente entre los áridos; este tipo de hormigón puede reducir la resistencia al anclaje aproximadamente un 40 %, e incluso más en función de las condiciones específicas del lugar.

Con el tiempo, la corrosión degrada la resistencia y la flexibilidad de los materiales, especialmente en zonas cercanas al agua salada, fábricas o dondequiera que haya productos químicos presentes. Los ciclos constantes de calentamiento y enfriamiento provocan fatiga del metal, ya que los materiales se expanden y luego se contraen repetidamente. Por ejemplo, en las refinerías las temperaturas oscilan entre -20 grados Fahrenheit y hasta 150 grados Fahrenheit día tras día. Este tipo de variación extrema de temperatura acelera notablemente la formación de microgrietas en el material. Al considerar todos estos factores en conjunto, el rendimiento en condiciones reales disminuye aproximadamente entre un 15 % y un 30 % respecto de los valores típicos medidos en laboratorio. Expertos de las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina respaldan esta conclusión en su informe de 2023, que muestra resultados similares en múltiples estudios.

Aplicación de los datos de capacidad de carga en la planificación de proyectos industriales

Márgenes de seguridad, cálculos de carga y cumplimiento de las normas ASTM/ACI

Obtener la capacidad de carga correcta comienza con incorporar márgenes de seguridad adecuados. La mayoría de los límites de carga de trabajo (WLL, por sus siglas en inglés) terminan siendo aproximadamente el 20 % de lo que el material puede soportar realmente antes de romperse, lo que nos brinda ese factor de seguridad estándar de 5:1 mencionado en las normas ASTM F3125 y ACI 318 para aplicaciones cotidianas. Sin embargo, cuando nos enfrentamos a situaciones especialmente arriesgadas, como zonas propensas a terremotos, maquinaria que se desplaza considerablemente o cualquier configuración en la que se puedan elevar personas, las normas se vuelven más estrictas. Estos escenarios suelen exigir un margen de seguridad mucho mayor, aproximadamente de 10:1. Para los ingenieros que analizan todo esto, es necesario verificar cómo se combinan distintas fuerzas. Métodos como el de von Mises ayudan a determinar si los materiales cederán bajo condiciones complejas de tensión en esos puntos críticos de conexión. No cumplir con normas como ASTM A490 o ACI 355.2 no solo constituye una mala práctica de ingeniería, sino que también genera problemas legales. Basta observar los datos del año pasado: hubo un aumento del 32 % en las citaciones de la OSHA relacionadas específicamente con fallos en elementos de fijación estructural.

Selección de las varillas roscadas adecuadas para aplicaciones estructurales, petroquímicas y de equipos pesados

La selección debe ajustarse a las exigencias funcionales y a la exposición ambiental:

• Ingeniería Estructural : Las varillas ASTM A307 cumplen los requisitos para estructuras estáticas y no críticas; para cerchas sometidas predominantemente a tracción o conexiones resistentes a momentos, la varilla ASTM A354 Grado BD ofrece una relación resistencia al fluencia/resistencia a la tracción y tenacidad superiores.
• Plantas Petroleras y Químicas : La aleación de cromo-molibdeno de las varillas ASTM A193 Grado B7 proporciona resistencia a la fragilización por hidrógeno y estabilidad térmica, especialmente crítica en pernos de bridas y soportes de tuberías. Recubrimientos complementarios (por ejemplo, Xylan® o galvanizado en caliente) reducen la corrosión inducida por cloruros en instalaciones marítimas o costeras.
• Maquinaria pesada : Las varillas ASTM F1554 Grado 55 con roscas laminadas (no cortadas) presentan una resistencia a la fatiga superior bajo cargas vibratorias, lo que las convierte en la opción preferida para cimentaciones de prensas, soportes de trituradoras y bases de equipos rotativos. Para servicios a temperaturas elevadas (por ejemplo, en fundiciones), los grados sometidos a ensayos de fluencia mantienen el 85 % de su capacidad a temperatura ambiente a 400 °F.