Introducción

Esta lección presenta la aplicación del Anexo A3 de ASTM A370-24 a sujetadores de acero. El contenido se enfoca en los ensayos de tensión, la carga de prueba, la tensión axial de pernos completos, el ensayo con cuña y el uso de probetas maquinadas cuando corresponde.

El objetivo del Anexo A3 es establecer Ensayos específicos para sujetadores de acero. Estos ensayos permiten controlar productos como pernos y piezas roscadas, considerando que su geometría, cabeza, vástago, rosca, longitud y modo de carga requieren reglas particulares frente a otros productos de acero.

Los sujetadores no deben evaluarse como si fueran barras pequeñas sin rosca. La presencia de cabeza, rosca, zona de agarre, roscas expuestas, dispositivo de montaje y modo de falla cambia la forma de aplicar el ensayo y de interpretar el resultado.

Desarrollo

El Anexo A3 contiene requisitos de ensayo específicos para sujetadores de acero. Estos requisitos complementan las reglas generales de ASTM A370-24 y las adaptan a productos cuya función depende de la forma completa del sujetador, no solo de una sección metálica aislada.

La jerarquía documental debe mantenerse clara. Cuando existe diferencia entre las reglas generales y el anexo para sujetadores, el anexo dirige el tratamiento aplicable a estos productos. Sin embargo, cuando existe diferencia entre el anexo y la especificación de producto, debe prevalecer la especificación de producto aplicable. Esta regla evita aplicar el anexo de forma aislada cuando el producto tiene requisitos particulares.

Los ensayos del anexo están planteados para facilitar control de producción y ensayos de aceptación. También contemplan pruebas más precisas que pueden utilizarse para arbitraje cuando existe desacuerdo sobre los resultados. Por ello, no todos los métodos cumplen la misma función: algunos verifican carga, otros verifican deformación permanente, otros evalúan tensión axial y otros imponen una carga excéntrica para revisar la calidad de cabeza y ductilidad.

Cuando sea aplicable, ASTM A370-24 indica que los pernos deben probarse De tamaño completo. Esta preferencia permite evaluar la pieza como producto terminado, con su cabeza, vástago, rosca y forma real de sujeción. Cuando se ensaya el perno completo, es común que el requisito se exprese como carga última mínima en unidades de fuerza, en lugar de resistencia mínima calculada como esfuerzo.

El ensayo de perno completo conserva la geometría funcional del producto. Esto permite observar si el sujetador desarrolla la carga requerida bajo una condición de montaje representativa. También evita asumir que una probeta maquinada siempre describe el comportamiento del perno completo, especialmente cuando la cabeza o la rosca forman parte crítica de la respuesta.

Para los ensayos descritos en esta parte, se establece una longitud mínima del perno sujeta al ensayo de tres veces el diámetro nominal del perno. Esta condición ayuda a asegurar que exista longitud suficiente para el montaje, el acoplamiento y la aplicación de la carga sin transformar el ensayo en una condición no representativa.

La prueba de carga de prueba se usa cuando se desea verificar que ciertas clases de pernos pueden soportar una carga especificada sin adquirir deformación permanente. Su propósito no es necesariamente llevar el perno a ruptura, sino confirmar que el sujetador puede resistir una carga definida y regresar sin alargamiento permanente no permitido.

La prueba de carga de prueba verifica Que soporte una carga especificada sin deformación permanente. Para ello, el perno se mide antes y después de aplicar la carga. La comparación de longitud permite determinar si existe alargamiento permanente dentro del límite permitido.

Cuando se usan métodos de carga de prueba, existen dos enfoques permitidos. El primero se basa en medición de longitud antes y después de aplicar la carga. El segundo se basa en determinar un límite de fluencia del perno completo mediante medición de elongación bajo carga. Ambos métodos tienen funciones específicas, pero no tienen la misma jerarquía cuando existe disputa.

Cuando existe una disputa sobre carga de prueba, el método que conserva función de arbitraje en esta lección es Method 1, medición de longitud. Este método exige medir el perno con control antes y después de aplicar la carga, cuidando que las posiciones de medición sean consistentes.

En el método de medición de longitud, la longitud total de un perno recto debe medirse sobre su línea central verdadera con un instrumento capaz de detectar cambios muy pequeños de longitud. La medición preferida se realiza entre centros cónicos maquinados sobre la línea central del perno, con centros correspondientes en los yunques de medición. Además, la cabeza o el cuerpo del perno deben marcarse para colocarlo siempre en la misma posición durante las mediciones.

Después de aplicar y liberar la carga de prueba, el perno se mide nuevamente. El resultado debe mostrar ausencia de elongación permanente. La tolerancia permitida entre la medición previa y posterior a la carga es de 0.0005 in. (0.0127 mm), como margen asociado a medición y variables como rectitud, alineación de rosca o error de lectura.

Si durante la aplicación inicial de la carga aparecen efectos aparentes de elongación por variables de alineación, rectitud o medición, el sujetador puede retestearse con una carga 3 % mayor. Puede considerarse satisfactorio si, después de esa segunda carga, la longitud vuelve a ser la misma que antes de aplicar esta carga, dentro de la tolerancia de medición indicada.

En el método de medicición de longitud, la carga de prueba debe mantenerse durante 10 s antes de liberar la carga. Este tiempo forma parte del control del ensayo y debe registrarse cuando se usa este método.

El método alternativo de límite de fluencia para perno completo mide la elongación total del perno, o de una parte del perno que incluya seis roscas expuestas. A partir de esa medición se produce un diagrama carga-deformación o esfuerzo-deformación. El criterio usa un offset de 0.2 % aplicado sobre la longitud ocupada por seis roscas completas. El valor determinado no debe ser menor que el requerido por la especificación de producto.

Este método alternativo no debe confundirse con la carga de prueba por medición de longitud. La carga de prueba busca verificar ausencia de deformación permanente bajo una carga definida; el método de límite de fluencia busca determinar una carga o esfuerzo asociado con un criterio de deformación. Por eso, el reporte debe indicar cuál método fue aplicado.

En el ensayo de tensión axial de pernos completos, el montaje debe Aplicar la carga axialmente entre cabeza y tuerca o fixture con acoplamiento suficiente. La tuerca o el dispositivo de prueba deben tener acoplamiento de rosca suficiente para desarrollar la resistencia total del perno. Un montaje deficiente puede provocar una falla que no represente la capacidad real del sujetador.

Al montar el perno completo, deben quedar seis roscas completas sin acoplar entre las mordazas o elementos de sujeción. Para pernos estructurales heavy hexagon, deben quedar cuatro roscas completas sin acoplar. Este detalle es importante porque la cantidad de roscas expuestas influye en la zona sometida a carga y en el modo de falla observado.

Para cumplir el ensayo de tensión axial de perno completo, la falla debe ocurrir en el cuerpo o en la sección roscada del perno, y no en la unión entre cuerpo y cabeza. Si la falla ocurre en la unión de cabeza y cuerpo, el resultado puede indicar un modo de falla no aceptable para la finalidad del ensayo.

En sujetadores roscados externamente de acero inoxidable austenítico, si la rosca del sujetador se desprende del dispositivo roscado internamente después de haber alcanzado el requisito mínimo de resistencia a la tensión, el sujetador se considera conforme respecto a ese requisito. En ese caso, además del valor de resistencia, debe reportarse al comprador el modo de falla observado.

Cuando sea necesario registrar o reportar la resistencia a la tensión de pernos como valores de esfuerzo, debe calcularse el área de esfuerzo a partir de los diámetros medio de raíz y de paso de roscas externas Clase 3. La relación de cálculo está identificada como Equation (A3.1) – Stress area formula for external threads. Su función es transformar la geometría de rosca en un área de esfuerzo para reportes en unidades de esfuerzo, no sustituir el ensayo de perno completo.

El ensayo con cuña introduce una condición más severa porque somete al perno a carga excéntrica. Su finalidad es demostrar Calidad de cabeza y ductilidad bajo carga excéntrica. En este ensayo, el perno se carga con una cuña colocada bajo la cabeza, lo que obliga a la cabeza y al cuerpo del perno a responder bajo una condición distinta a la tensión axial simple.

En el ensayo con cuña, la carga última del perno se determina con el mismo principio de tensión axial del perno completo, pero con una cuña colocada bajo la cabeza. El perno utilizado para la prueba con cuña puede ser el mismo que fue previamente probado a carga de prueba, cuando esa secuencia aplica.

La cabeza del perno debe colocarse de modo que ninguna esquina del hexágono o del cuadrado soporte directamente la carga. La cara plana de la cabeza debe alinearse con la dirección de espesor uniforme de la cuña. Esta colocación evita que la carga se concentre indebidamente en una esquina y permite que la prueba evalúe la condición prevista de cabeza y ductilidad.

La cuña tiene un ángulo incluido definido según el tipo y tamaño del perno. La tabla de ángulos para ensayo con cuña funciona como soporte documental para seleccionar el ángulo correcto. El espesor de la cuña en el lado corto del orificio corresponde a la mitad del diámetro nominal del perno. Además, el orificio de la cuña debe tener holgura y radios en las esquinas de acuerdo con el tamaño nominal del perno.

Para pernos tratados térmicamente que están roscados a una distancia de un diámetro o menor respecto a la parte inferior de la cabeza, el ángulo de cuña se ajusta. En tamaños de 1/4 in. a 3/4 in. (6.35 mm a 19.0 mm), el ángulo de cuña es de 6°. Para tamaños mayores de 3/4 in., el ángulo de cuña es de 4°. Esta condición evita usar una severidad incorrecta cuando la rosca se encuentra cerca de la cabeza.

Cuando se permite el uso de probetas maquinadas, la probeta redonda no debe seleccionarse como sustituto automático del perno completo. Su uso depende de que la especificación o la condición del producto permita ensayar una probeta maquinada en lugar del sujetador completo.

Para pernos con diámetro nominal menor de 1 1/2 in. (38 mm) que requieren ensayo maquinado, se prefiere una probeta redonda estándar de 1/2 in. (13 mm) de diámetro con longitud de calibración de 2 in. (50 mm). Si la sección del perno es demasiado pequeña para obtener esa probeta estándar, se usa una probeta pequeña proporcional al estándar.

En pernos grandes, la ubicación de la probeta maquinada debe conservar representatividad respecto al eje y a la sección del perno. La probeta debe prepararse conforme a la geometría redonda aplicable, sin tratarla como una muestra genérica. La ubicación y el tamaño deben documentarse porque afectan la relación entre la probeta maquinada y el sujetador completo.

En operación de laboratorio, el registro debe indicar si se ensayó perno completo, perno cortado, carga de prueba, método de medición de longitud, método de límite de fluencia, tensión axial, ensayo con cuña o probeta maquinada. También debe documentar longitud inicial y final cuando exista carga de prueba, tiempo de mantenimiento de la carga, roscas expuestas, tipo de fixture, acoplamiento de rosca, modo de falla, ángulo de cuña, ubicación de probeta maquinada y criterio de aceptación aplicable.

Referencias a tablas, notas y figuras

FIG. A3.1 – Tension Testing Full-size Bolt funciona como apoyo visual para el montaje de tensión axial de pernos completos. Su función es mostrar la relación entre cabeza, tuerca o fixture, zona roscada, roscas expuestas y aplicación axial de la carga.

Equation (A3.1) – Stress area formula for external threads funciona como apoyo de cálculo cuando se requiere reportar resistencia de pernos como esfuerzo. Relaciona el área de esfuerzo con el diámetro nominal y el número de roscas por pulgada para roscas externas Clase 3.

FIG. A3.2 – Wedge Tension Testing of Full-Size Bolt funciona como apoyo visual para el ensayo con cuña. Su función es mostrar la posición de la cuña bajo la cabeza del perno y la condición de carga excéntrica controlada.

TABLE A3.1 – Wedge Test Angles for Full Size Bolts funciona como soporte documental para seleccionar el ángulo de cuña según tamaño y condición del perno. No debe sustituirse por un ángulo elegido por conveniencia.

Conclusión

El Anexo A3 adapta los ensayos de tensión a la geometría y función de los sujetadores de acero. La evaluación puede incluir carga de prueba, medición de longitud, límite de fluencia en perno completo, tensión axial, ensayo con cuña o probeta maquinada, pero cada opción debe seleccionarse con base en el producto y en la especificación aplicable.

La lección enfatiza que el perno completo es preferente cuando aplica, que la carga de prueba busca detectar deformación permanente, que el método de medición de longitud conserva función de arbitraje, y que el montaje axial y el ensayo con cuña deben ejecutarse con trazabilidad suficiente.

Un ensayo de sujetadores debe documentar cómo se aplicó la carga, qué parte del producto fue evaluada, qué método se usó, qué roscas quedaron expuestas, qué modo de falla ocurrió y qué criterio de aceptación reguló el resultado.

Pregunta Reflexiva

Si un perno se ensaya con un montaje que no aplica la carga axialmente o que no conserva las roscas expuestas requeridas, ¿qué efecto podría tener esa condición sobre la interpretación de su resistencia o modo de falla?