Uniones apernadas

DISEÑO DE UNIONES APERNADAS

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Unir es uno de los problemas básicos eningeniería, las piezas básicas siempre seintegran formando piezas más complejas. Unaclasificación para las uniones las separa en :uniones permanentes, uniones semipermanentesy uniones desmontables.

En el primer grupo, se reúnen las uniones queuna vez ensambladas son muy difíciles deseparar. Es el caso de las soldaduras, remachesy ajustes muy forzados. Estas uniones, si seseparan, implican daños en la zona de unión.

Un segundo grupo lo forman las uniones que engeneral no van a desmontarse, pero se dejaabierta esta posibilidad. Para esto se usanprincipalmente uniones roscadas.

Finalmente, las uniones que deben serdesmontables para efectos de mantenimiento o traslados utilizan elementos roscados, chavetas,lengüetas, pasadores y seguros elásticos.

En las figuras siguientes se ejemplifican diversos elementos de unión, el eje roscado se une pormedio de una tuerca a la polea. La polea gira arrastrada por la chaveta inserta en el eje, éste rota alinterior del buje debido al ajuste deslizante que existe entre ellos. El buje se une al soporte por mediode un ajuste apretado y finalmente, el conjunto se une al soporte por medio de una golilla gruesa y unpasador cónico.

Conjunto

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Despiece

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DISEÑO DE LAS ROSCAS

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Este antiguo método se basa en una hélice cilíndrica o cónica y un filete triangular, rectangular,trapezoidal o redondo que se fabrica tanto en el eje como en el orificio que pretenden unirse.

Los elementos básicos de una rosca o hilo son el diámetro exterior, el diámetro interior, el paso, el tipode hilo, el sentido de avance, la cantidad de en-tradas y el ajuste. Los diámetros interior y exteriorlimitan la zona roscada; el paso es el desplazamiento axial al dar una vuelta sobre la hélice; el tipo dehilo es determinado por el tipo de filete y el paso, existiendo un gran número de hilos estandarizados.El sentido de avance puede ser derecho o izquierdo. Esto significa que una rosca derecha avanzaaxialmente al girarla de acuerdo a la ley de la mano derecha. En una rosca izquierda esta ley no secumple. El sentido de avance izquierdo se usa principalmente por seguridad, como en las válvulas debalones de gas.

La cantidad de entradas indican cuántas hélices están presentes. Generalmente sólo hay una hélicepresente. Por ejemplo si se desea unir una tuerca a un perno, se tiene una oportunidad por vuelta, osea, una entrada; en tapas de frascos y bebidas se desea una colocación fácil y se utilizan 3, 4 o másentradas, es decir 3, 4 o más hélices presentes. Esto necesariamente aumenta el paso, lo cual no esconveniente en un elemento que debe permanecer unido.

Diseño de las roscas http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/uniones/roscas.html

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ROSCAS AUTOBLOQUEANTES

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Existe un equilibrio que podemos calcular de la siguiente forma: tomemos una rosca y desarrollemoslateralmente la hélice, utilizando como diámetro Dm, el promedio del diámetro exterior y el diámetrointerior. Si se considera que la unión perno-tuerca está ejerciendo una fuerza, parte de esta fuerza Ftiende a hacer resbalar la tuerca (F sen a) y como se desea que no resbale, el roce debe ser mayor.

Fr > F sen a

mN > F sen a

m F cos a > F sen a

m cos a > sen a

m > tg a

m > P / (pDm

)

P < (m p).Dm

P = K Dm

De aquí se desprende que existe una relación entre el paso y el diámetro para evitar que una uniónapernada se suelte sola. También se puede ver que para un diámetro dado, un paso menor tienemenos tendencia a resbalar.

REPRESENTACION GRAFICA DE LAS ROSCAS

El dibujo detallado de las roscas es muy difícil de realizar, esto obliga a reemplazarlo por algúnsímbolo que represente un eje roscado. La siguiente figura muestra las representacionessimplificadas en Europa y Norte América. Nosotros utilizamos principalmente la representacióneuropea.

TIPOS DE ROSCAS

Roscas autobloqueantes http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/uniones/rosca1.html

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Existen varios tipos de rosca, como por ejemplo las roscas métricas (M), la rosca unificada fina (UNF),la rosca unificada normal (corriente) (UNC), la rosca Witworth de paso fino (BSF), la rosca Witworthde paso normal (BSW o W), entre otras. Las diferencias se basan en la forma de los filetes que loshacen más apropiados para una u otra tarea, las roscas indicadas son las más utilizadas enelementos de unión. En la figura siguiente se aprecian varias formas de roscas, los filetes triangularesson utilizados en pernos y tuercas, los filetes redondos son utilizados en uniones rápidas de tuberías,finalmente las roscas rectangulares en general se utilizan para ejercer fuerza en prensas.

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Roscas autobloqueantes http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/uniones/rosca1.html

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METRICA PASOFINO

Medida Nominal

Dext x paso

M 2.5 x 0.35

M 3 x 0.35

M 3.5 x 0.35

M 4 x 0.5

M 5 x 0.5

M 6 x 0.75

M 7 x 0.75

M 8 x 0.75

M 8 x 1

M 9 x 0.75

M 9 x 1

M 10 x 0.75

M 10 x 1

M 10 x 1.25

M 11 x -

M 11 x 0.75

M 12 x 1

M 12 x 1

M 12 x 1.25

M 13 x 1.5

M 14 x 1

M 14 x 1

M 14 x 1.25

M 15 x 1

METRICA PASOFINO

Medida Nominal

Dext x paso

M 25 x 1.5

M 25 x 2

M 26 x 1.5

M 27 x 1

M 27 x 1.5

M 27 x 2

M 28 x 1

M 28 x 1.5

M 28 x 2

M 30 x 1

M 30 x 1.5

M 30 x 2

M 32 x 1.5

M 32 x 2

M 33 x 1.5

M 33 x 2

M 34 x 1.5

M 35 x 1.5

M 35 x 2

M 36 x 2

M 36 x 3

M 38 x 1.5

M 38 x 2

M 39 x 1.5

M 39 x 2

M 39 x 3

M 40 x 1.5

M 40 x 2

M 40 x 3

M 42 x 2

M 42 x 3

M 45 x 1.5

M 45 x 2

M 45 x 3

M 48 x 2

M 48 x 3

M 50 x 2

M 50 x 3

M 52 x 2

M 52 x 3

METRICA PASONORMAL

Medida Nominal

Dext x paso

M 1.6 x 0.35

M 1.7 x 0.35

M 2 x 0.4

M 2.2 x 0.45

M 2.3 x 0.4

M 2.5 x 0.45

M 2.6 x 0.45

M 3 x 0.5

M 3 x 0.6

M 3.5 x 0.6

M 4 x 0.7

M 4 x 0.75

M 4.5 x 0.75

M 5 x 0.75

M 5 x 0.8

M 5 x 0.9

M 5 x 1

M 5.5 x 0.9

M 6 x 1

M 7 x 1

M 8 x 1.25

M 9 x 1.25

M 10 x 1.5

M 11 x 1.5

M 12 x 1.75

M 14 x 2

M 16 x 2

M 18 x 2.5

M 20 x 2.5

M 22 x 2.5

M 24 x 3

M 27 x 3

M 30 x 3.5

M 33 x 3.5

M 36 x 4

M 39 x 4

M 42 x 4.5

M 45 x 4.5

M 48 x 5

M 52 x 5

Designación de las roscas http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/uniones/rosca2.html

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M 15 x 1.5

M 16 x 1

M 16 x 1.5

M 17 x 1.5

M 17 x 1

M 18 x 1.5

M 18 x 1

M 20 x 1.5

M 20 x 1

M 22 x 1.5

M 22 x 1

M 24 x 1.5

M 24 x 1

M 24 x 1.5

M 25 x 1

M 25 x 1.5

UNIFICADA PASO

NORMAL

Medida Nominal

- Nº H/''

4 (.112") - 40 UNC

5 (.125") - 40 UNC

6 (.138") - 32 UNC

8 (.164") - 32 UNC

10 (.190") - 24 UNC

12 (.216") - 24 UNC

1/4" - 20 UNC

5/16" - 18 UNC

3/8" - 16 UNC

7/16" - 14 UNC

1/2" - 13 UNC

9/16" - 12 UNC

5/8" - 11 UNC

UNIFICADA PASOFINO

Medida Nominal

Dext - Nº H/''

Nº 0 (.060'') - 80 UNC

Nº 1 (.073") - 72 UNC

Nº 2 (.086") - 64 UNC

Nº 3 (.099") - 56 UNC

Nº 4 (.112") - 48 UNC

Nº 5 (.125") - 44 UNC

Nº 6 (.138") - 40 UNC

Nº 8 (.164") - 36 UNC

Nº 10 (.190") - 32 UNC

Nº 12 (.216") - 28 UNC

1/4'' - 28 UNC

5/16'' - 24 UNC

3/8'' - 24 UNC


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3/4" - 10 UNC

7/8" - 9 UNC

1" - 8 UNC

1"1/8" - 7 UNC

1"1/4" - 7 UNC

1"3/8" - 6 UNC

1"1/2" - 6 UNC

1"3/4" - 5 UNC

2" - 4 1/2 UNC

2" - 4 1/2 UNC

2"1/2" - 4 UNC

2"3/4 - 4 UNC

3" - 4 UNC

7/16'' - 20 UNC

1/2'' - 20 UNC

9/16'' - 18 UNC

5/8'' - 18 UNC

3/4'' - 16 UNC

7/8'' - 14 UNC

1'' - 12 UNC

1''1/8'' - 12 UNC

1''1/4'' 4 12 UNC

1''3/4'' 4 12 UNC

1''1/12'' - 12 UNC

WHITWORTH PASONORMAL

Medida Nominal

Dext - Nº H/''

W 1/16 '' - 60

W 3/32'' - 48

W 1/8'' - 40

W 5/32'' - 32

W 3/16'' - 24

W 7/32'' - 24

W 1/4'' - 20

W 5/16'' - 18

W 3/8'' - 16

W 7/16'' - 14

W 1/2'' - 12

W 9/16'' - 12

W 5/8'' - 11

W 3/4'' - 10

W 7/8'' - 9

W 1'' - 8

WHITWORTH PASOFINO

Medida Nominal

Dext - Nº H/''

BFS 3/16'' - 32

BFS 7/32'' - 28

BFS 1/4'' - 26

BFS 9/32'' - 26

BFS 5/16'' - 22

BFS 3/8'' - 20

BFS 7/16'' - 18

BFS 1/2'' - 16

BFS 9/16'' - 16

BFS 5/8'' - 14

BFS 11/16'' - 14

BFS 3/4'' - 12

BFS 13/16'' - 12

BFS 7/8'' - 11

BFS 1'' - 10

BFS 1''1/8'' - 9


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W 1''1/8'' - 7

W 1''1/4'' - 7

W 1''3/8'' - 6

W 1''1/2'' - 6

W 1''5/8'' - 5

W 1''3/4'0' 5

W 1''7/8'' 4

W 2'' - 4

W 2''1/4'' - 4

W 2''1/2'' - 4

W 2''3/4'' - 3

W 3'' - 3

BFS 1''1/4'' - 9

BFS 1''3/8'' - 8

BFS 1''1/2'' - 8

BFS 1''5/8'' - 8

BFS 1''3/4'' - 7

BFS 2'' 7

BFS 2''1/4'' 6

BFS 2''1/2'' - 6

BFS 2''3/4'' - 6

BFS 3'' - 5

Con respecto al sentido de giro, en la designación se indica "izq" si es una rosca de sentidoizquierdo, no se indica nada si es de sentido derecho. De forma similar, si tiene más de una entradase indica "2 ent" o "3 ent". Si no se indica nada al respecto, se subentiende que se trata de una roscade una entrada y de sentido de avance derecho.

En roscas de fabricación norteamericana, se agregan más símbolos para informar el grado de ajustey tratamientos especiales



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FABRICACION DE UNA ROSCA


Para proceder a la fabricación de una rosca se pueden seguir al menos tres caminos: forjar la rosca através de peines, tornearla o maquinarla usando machos y terrajas. La figura siguiente muestra elproceso de fabricación de una rosca interior utilizando una broca para perforar el diámetro interior yun macho para cortar el hilo en la pared de la perforación. Los machos son utilizados para formarhilos interiores, mientras que las terrajas son utilizadas para roscas exteriores.

RETENSION DE TUERCAS

Como una unión depende tanto del perno como de la tuerca, se han desarrollo distintos métodos parabloquear la salida accidental de la tuerca. La figura siguiente muestra la utilización de una tuercaauxiliar (contratuerca) para producir una presión sobre la cara superior de la tuerca principal. Semuestra también el uso de arandelas elásticas (golillas de presión) que se ubican entre la tuerca y lapieza, o entre la tuerca y una arandela plana; el objetivo es provocar un mayor roce en la cara inferiorde la tuerca.

Otra forma de inmovilizar la tuerca es colocar un pasador de aletas en el perno, que debe sacarsepara poder remover la tuerca. Esta solución requiere de una perforación en el perno. Puedenutilizarse tuercas especiales que tienen cortes para alojar el seguro (tuercas almenadas).

Fabricación de una rosca http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/uniones/rosca3.html

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Una deformación local de la tuerca provocada por la inserción de un perno de menor tamaño provocaun mayor ajuste y asegura la unión. Finalmente, pueden utilizarse arandelas deformables que sedoblan sobre la tuerca, evitando que ésta gire y se suelte.

Pasador de aleta

D nominal Largo

0,6 de 4 a 12

0,8 de 5 a 16

1,0 de 6 a 20

1,2 de 8 a 25

1,6 de 8 a 32

2,0 de 10 a 40

2,5 de 12 a 50

3,2 de 17 a 63

UNI 1336


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RESISTENCIA DE PERNOS


Las normas de prueba de pernos indican cargarlo contra su propio hilo, sin utilizar una probetarepresentativa. Esto genera un valor llamado carga de prueba, la cual puede utilizarse para diseñar enreemplazo de la resistencia a la fluencia. Se adjuntan las marcas con que se indica el grado deresistencia de los pernos, para las normas SAE, ASTM y Métrica. Se adjunta también la tabla demarcas de los productos American Screw.

Marcado de pernos de acero grado SAE

Número de gradoSAE

Rango del

diámetro [inch]

Carga deprueba[kpsi]

Esfuerzo deruptura[kpsi]

MaterialMarcado de

la cabeza

1 2¼ - 1½ ¼ - ¾ 7/

8

- 1½ 55 33 74 60

Acero de bajo carbono ó acero al carbono

5 ¼ - 1 11/8 - 1½ 85 74 120 105

Acero al carbono,

Templado y Revenido

5.2 ¼ - 1 85 120Acero de bajo carbono martensítico, Templado y Revenido

7 ¼ - 1½ 105 133 Acero al carbono aleado, Templado y Revenido

8 ¼ - 1½ 120 150 Acero al carbono aleado, Templado y Revenido

8.2 ¼ - 1 120 150 Acero de bajo carbono martensítico, Templado y Revenido

Marcas para pernos de acero grado ASTM

Resistencia de pernos http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/uniones/union1.html

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DesignaciónASTM

Rango del

diámetro [inch]

Carga de

prueba [kpsi]

Esfuerzo de

ruptura [kpsi]Material

Marcado de lacabeza

A307 ¼ a 4 Acero de bajo carbono

A325 tipo 1 ½ a 1 11/8 a 1½ 85 74 120 105

Acero al carbono,Templado y Revenido

A325 tipo 2 ½ a 1 11/8 a 1½ 85 74 120 105

Acero de bajo carbonomartensítico, Templado

y Revenido

A325 tipo 3 ½ a 1 11/8 a 1½ 85 74 120 105

Acero recubierto,Templado y Revenido

A354 grado BC Acero aleado,

Templado y Revenido

A354 grado BD ¼ a 4 120 150Acero aleado,

Templado y Revenido

A449¼ a 1 11/

8 a 1½

1¾ a 385 74 55 120 105 90

Acero al carbono,Templado y Revenido

A490 tipo 1 ½ a 1½ 120 150Acero aleado,

Templado y Revenido

A490 tipo 3 Acero recubierto,

Templado y Revenido

Propiedades mecánicas de elementos roscados de clase métrica


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ClaseRango deldiámetro

Carga deprueba[MPa]

Esfuerzo deruptura[MPa]

MaterialMarcado de

la cabeza

4.6 M5 - M36 225 400 Acero de bajo carbono ó acero al carbono

4.8 M1.6 - M16 310 420 Acero de bajo carbono ó acero al carbono

5.8 M5 - M24 380 520 Acero de bajo carbono ó acero al carbono

8.8 M16 - M36 600 830

Acero al carbono, Templado

y Revenido

9.8 M1.6 - M16 650 900

Acero al carbono, Templado

y Revenido

10.9 M5 - M36 830 1040Acero de bajo carbono martensítico, Templado y Revenido

12.9 M1.6 - M36 970 1220 Acero aleado, Templado y Revenido

MARCAS DE GRADOS DE RESISTENCIA PERNOS DE ACERO

MARCA A.S.GRADO

RESISTENCIA

ESPECIFICACIONALGUNOS USOS

RECOMENDADOS

Resistenciaa la tracción

mínima

[Kg/mm2]

Límite defluenciamínima

[Kg/mm2]

DUREZASAEgrado

ISOclase

ASTM

3,6

Para requerimientos menores deresistencia, metalmecánica,motores eléctricos, línea blanca.electrónica, usos generales.

34 2053 - 70

Rb


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J429grado

1 ¼ " a1 ½ "

4,6A307gradoA y B

Para requerimientos deresistencia media, construcciónde máquinas livianas, automotriz(piezas no afectas a fuertestensiones), máquinas agrícolas,estructuras livianas.

42 2370 - 95

Rb

8,8 A449

Para requerimientos de altaresistencia a la tracción, ruedasde vehículos, partes de motoresde tracción, cajas de cambio,máquinas herramientas, matrices

80 6422 - 32

Rc

TIPO 1

A325

Para requerimientos de altaresistencia a la tracción y otros,especialmente para juntasestructurales exigidasmecánicamente. Debe trabajarcon TU y golilla de la mismacalidad

Hasta 1

f 85 de

1 1/8 a 1

½ f 74

Hasta 1

f 65 de

1 1/8 a 1

½ f 57

Hasta 1 f 23 - 35

Rc de 11/

8 a 1 ½

f 19 - 31Rc

A490

Para requerimientos de altaresistencia a la tracción y altatemperatura. Debe trabajar conTU y golilla de la misma calidad

105 8132 - 38

Rc

GRADO 8

8 10,9

Para requerimientos de altaresistencia a la tracción, flexión,

cizalle, etc. Culata de motores, paquete deresortes, pernos para ruedasvehículos pesados, bielas, etc.

105 8831 - 38

Rc

Fuente: Catálogo de productos American Screw



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DISEÑO DE UNIONES APERNADAS


Es importante distinguir dos casos: perno en tracción y perno en corte. En el primer caso se puedeusar el límite de fluencia o la carga de prueba como carga admisible.

En la figura, cada perno soporta F/2 en tracción y el cálculo de su resistencia sería:

F

2 * A

<=

Q

n

en donde:

Q es la resistencia a la fluencia o la carga de prueba en su defectoA es la sección transversal del pernon es el factor de seguridad

En uniones a corte, el objetivo es aplicar una precarga al perno para generar un apriete de magnitudtal, que el roce equilibre la carga cortante. En caso que dicho preapriete se suelte por vibraciones,corrosión, dilataciones térmicas, etc., el perno recibe la carga en corte. Considerando la unión de lasplanchas de la figura, el criterio para el diseño del perno sería:

Diseño de uniones apernadas http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/uniones/union2.html

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t =

F

A

<=

Q

2n

en donde:

F es la fuerza aplicada al perno en corteQ es la carga de fluencia o la carga de prueba en su defectoA es la sección transversal del pernon es el factor de seguridad

En las siguientes figuras se aprecia un perno cortado bajo carga de corte

Se analizarán tres modos de ruptura que se aplican al diseño de las planchas y que dependenfuertemente del diámetro del perno.


Diseño de uniones apernadas http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/uniones/union2.html

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APLASTAMIENTO DE LAS PLACAS


Las zonas en donde el perno se apoya en las placas queda cargada a compresión. Utilizando elesquema anterior de dos planchas unidas con un perno, se tiene que:

F

Dt

<=

sadm

n

en donde:

D es el diámetro exterior del perno n es el factor de seguridad t es el espesor de la placa

sadm

es la resistencia admisible de la placa

La falla por aplastamiento se muestra en las figuras siguientes en donde se aprecia una piezadenominada grillete ensayado a ruptura. El pasador roscado falló en corte y el grillete muestraaplastamiento del agujero roscado.


Aplastamiento de las placas http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/uniones/union3.html

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CORTE LATERAL EN LA PLACA


Finalmente se tiene una falla poco frecuente que consiste en la ruptura bajo carga de corte de loslados de la perforación, considerando la unión analizada en los ejemplos anteriores, se tiene que:

t =

F/2

et

<=

sadm

2n

en donde:

n es el factor de seguridadt es el espesor de la placae es la separación del centro del agujero al borde de la placa

sadm

es la resistencia admisible de la placa

La figura siguiente muestra la forma de esta falla


Corte lateral en la placa http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/uniones/union4.html

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PERNOS EN CARGA EXCENTRICA

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Frecuentemente se tienen uniones en donde la dirección de la carga no pasa por el centro degravedad de los pernos, en estos casos es necesario hacer una superposición de dos situaciones,una es la carga llevada al centro de gravedad de los pernos y la otra es una carga de momento cuyamagnitud depende de la distancia entre los pernos y el punto de aplicación de la carga.

En el dibujo siguiente se aprecia una unión compuesta por una columna, una viga horizontal y unaplaca de unión que recibe el nombre de cartela. La carga P se aplica lejos de centro de gravedad delos pernos, debe trasladarse y aplicar un momento que represente el efecto de tener la carga alejada.

Se aprecia que uno de los pernos, el de la derecha queda mas cargado que su vecino, con este valorde carga se procede a comprobar las cuatro fallas descritas anteriormente: Corte del perno,aplastamiento de la placa, tracción en la placa y corte lateral en la placa.

Como una forma de ejercitar la comprensión de estos temas, se entregan a continuación dosproblemas de cálculo de uniones apernadas, en los cuáles se pide ingresar los valores a las variablesy comprobar la existencia de fallas.

Pernos en carga excéntrica http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/uniones/union5.html

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Las cuatro ecuaciones de falla suelen apuntar en direcciones opuestas, por ejemplo, para mejorar laresistencia del perno en corte es recomendable aumentar su diámetro, pero para aumentar laresistencia de la placa ante la tracción es conveniente disminuir el diámetro del perno. Esta situaciónobliga a equilibrar los valores tomando decisiones en los tamaños y resistencias del perno y de laplaca. Compruebe las soluciones y obtenga un diseño apropiado.

Ejemplo Nº 1 Ejemplo Nº 2

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Pernos en carga excéntrica http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/uniones/union5.html

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Uniones apernadas

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