Generación de una distribución de tensión interna predefinida en componentes mediante la introducción de tornillos o varillas roscadas con un paso de rosca variable en la dirección longitudinal.

Procedimiento para reforzar un componente utilizando un tornillo o una varilla roscada,

presentando el tornillo ola varilla roscada una sección de rosca de unión, que puede atornillarse dentro de un componente para formar unaunión con el componente y que presenta un primer extremo que guía el atornillado y un segundo extremo,caracterizado porque la sección de rosca de unión presenta un paso de rosca variable, por medio del cual alatornillar dentro del componente no cargado, se crea una distribución de tensión interna en el componente y unacorrespondiente tensión de unión de tensión interna πes en el componente,

en el que la tensión de unión de tensión interna πes es opuesta por lo menos, en secciones, a una tensión deunión de carga π, que se produce cuando el componente está sometido a carga, de tal manera que la tensión deunión combinada, que resulta de una superposición de la tensión de unión de carga π y de la tensión de unión dela tensión interna cuando se aplica una carga, se reduce con respecto a por lo menos un máximo en la tensiónde unión de carga π.

Generación de una distribución de tensión interna predefinida en componentes mediante la introducción de tornillos

o varillas roscadas con un paso de rosca variable en la dirección longitudinal.

La presente invención se refiere a un procedimiento para reforzar un componente y/o para introducir fuerza en un componente utilizando un tornillo o una varilla roscada. Además, se refiere a un procedimiento para el diseño de un tornillo o varilla roscada, así como a un programa informático correspondiente. Por último, la presente invención se refiere a un tornillo o varilla roscada.

En la técnica anterior, se utilizan tornillos y varillas roscadas, entre otras cosas, para conectar componentes, introducir o derivar cargas en componentes, o para reforzar componentes. En todas estas aplicaciones, el desarrollo de la tensión de unión en la conexión presenta una influencia decisiva sobre la magnitud del nivel de carga que puede lograrse por medio de esta conexión. El desarrollo de la tensión de unión depende a su vez de los materiales emparejados, de las rigideces axiales del componente y del tornillo o varilla roscada y la longitud embutida. La aparición de la tensión de unión máxima, que aparece en la zona de la mayor diferencia de alargamiento entre el componente y el tornillo o varilla roscada es en general decisiva para la carga de rotura.

La patente US nº 4.842.464 y la patente US nº 4.956.888 dan a conocer una conexión roscada entre un tornillo y una tuerca. La tuerca presenta una rosca, para la cual el paso de rosca cambia de manera continua en dirección axial. Al variar el paso de rosca o el espaciado de rosca de la misma, la tuerca se ajustará al alargamiento del tornillo o la compresión axial de la tuerca que se produce cuando se aprieta la tuerca. El objetivo de la variación del espaciado de rosca de la tuerca es distribuir uniformemente la carga entre las roscas individuales del tornillo.

La presente invención se basa en el objetivo de mejorar conexiones de este tipo entre un componente y un tornillo o varilla roscada, de modo que pueda lograrse una unión resistente y fiable en el caso de cargas más elevadas, que en el caso de la técnica anterior.

Este objetivo se alcanza por medio de un procedimiento según la reivindicación 1, 2 u 8 y un tornillo o varilla roscada según la reivindicación 10 ó 13. Desarrollos adicionales se especifican de manera ventajosa en las reivindicaciones dependientes.

Según un aspecto de la invención, se proporciona un procedimiento para reforzar un componente y/o para introducir fuerza en un componente utilizando un tornillo o una varilla roscada, en el que el tornillo o varilla roscada presenta una rosca con un paso de rosca variable, de modo que se crea una distribución de tensión interna en el componente, que es adecuada para reducir al menos un máximo en la tensión de unión entre el tornillo o varilla roscada y el componente, que se produce al cargar el componente. En la presente memoria, el tornillo o varilla roscada puede ser de rosca cortante.

Gracias al paso de rosca variable, una tensión previa tanto del componente como del tornillo o varilla roscada se obtiene cuando se atornilla el tornillo en el componente, dicha tensión previa se denomina “tensión interna” en la presente memoria. La tensión interna es por tanto una tensión que se obtiene únicamente por medio del paso de rosca variable, sin ninguna carga externa sobre el componente. La tensión interna en particular crea una tensión de unión τES entre el tornillo o varilla roscada y el componente (no cargado todavía) .

Dado que esta tensión de unión de la tensión interna τES se provoca a su vez únicamente por el paso de rosca variable, puede predeterminarse libremente hasta cierto punto por medio de un diseño adecuado de la rosca. Según la presente invención, la rosca se diseña entonces de tal manera que la tensión de unión de la tensión interna τES presenta un desarrollo o comportamiento de tal manera que la tensión de unión, al menos en secciones, sea opuesta a la tensión de unión “normal” τ, que se obtiene debido a la carga del componente, al menos en secciones. Como resultado, los valores máximos en la tensión de unión combinada o eficaz que se obtiene de una superposición de τ y τES, se reducen considerablemente, en comparación con los valores máximos de τ solo, de modo que el fallo de la unión sólo se produce en el caso de cargas mucho más elevadas.

Como se mencionó anteriormente, la forma específica de la rosca debe ajustarse a la curva o al desarrollo de tensión que se espera en la unión con carga. Ésta puede ponerse en práctica de diversas maneras que difieren en su grado de complejidad.

Lo primero de todo, es posible diseñar la rosca adecuada para una aplicación especialmente planificada. Si, por ejemplo, se diseña una construcción de un techo de sala de madera, se tienen en cuenta en los cálculos estáticos refuerzos en las vigas de madera, por ejemplo largueros laminados encolados. En una aplicación de la invención, la tensión de unión que se produce en carga podría determinarse entonces para cada tornillo de refuerzo, por ejemplo por medio de cálculos analíticos como se explican con más detalle más adelante o por medio de simulaciones informáticas con modelos de elementos finitos (FEM, Finite Element Methods) . Entonces, para cada distribución de tensión que se produce localmente, puede diseñarse una rosca que está adaptada casi óptimamente a la misma,

rosca por medio de la cual se reducen los picos en la tensión de unión y se utiliza óptimamente el potencial de la invención. Sin embargo, para este fin, los tornillos de refuerzo diseñados individualmente necesitan fabricarse en pequeñas cantidades, lo que aumenta los costes de los tornillos de refuerzo en comparación con los tornillos de refuerzos normalizados convencionales.

En un modo adicional para llevar a cabo la invención se proporcionan tornillos o varillas roscadas normalizados para aplicaciones convencionales. Por ejemplo, las curvas o desarrollos de la tensión de unión para conexiones para introducción de carga son en general de forma hiperbólica y, en principio, son similares para todas las conexiones de tornillos. En la presente memoria, las tensiones de unión máximas se producen en el punto de la introducción de carga, es decir, en el borde del componente. En el caso de la misma rigidez axial y longitudes de unión cortas, un máximo adicional de la tensión de unión puede aparecer en la zona del extremo de guiado del tornillo de refuerzo. Dado que los desarrollos de tensión de unión son similares en diferentes aplicaciones, es posible diseñar formas de rosca convencionales para ciertas combinaciones de material (por ejemplo acero/madera, acero/metal ligero y acero/plástico) , formas de rosca convencionales que posiblemente no utilizan todo el potencial de la invención en todas las aplicaciones, pero en general llevan a una tensión de unión combinada en la que los máximos de la misma se reducen considerablemente en comparación con una utilización de una rosca convencional con paso de rosca constante.

Un ejemplo de una configuración ventajosa de una rosca convencional para la introducción de fuerza proporciona una sección de rosca de unión que puede atornillarse dentro de un componente para formar una unión con el componente, presentando dicha sección de rosca de unión un primer extremo que guía el atornillado, y un segundo extremo, en el que el paso de rosca presenta un primer punto extremo local en la mitad de la sección de rosca de unión adyacente al segundo extremo. Este primer punto extremo local es un máximo si va a introducirse una carga compresiva en el componente y un mínimo si va a introducirse una carga de tracción. Debiéndose a este punto extremo local en la zona del segundo extremo de la unión, es decir, en la zona del borde del componente, el máximo conocido de la tensión de unión en carga en el segundo extremo de la sección de rosca de unión puede reducirse, como se explica con más detalle más adelante con referencia a una realización a modo de ejemplo.

La sección de rosca de unión mencionada previamente es la parte de la rosca que está destinada a formar la unión y sobre cuya longitud la forma de rosca es realmente efectiva. Si la longitud de la sección de rosca de unión está normalizada a uno, dicho primer punto extremo local mencionado anteriormente se sitúa preferentemente a una distancia de 0, 6... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para reforzar un componente utilizando un tornillo o una varilla roscada, presentando el tornillo o la varilla roscada una sección de rosca de unión, que puede atornillarse dentro de un componente para formar una unión con el componente y que presenta un primer extremo que guía el atornillado y un segundo extremo,

caracterizado porque la sección de rosca de unión presenta un paso de rosca variable, por medio del cual al atornillar dentro del componente no cargado, se crea una distribución de tensión interna en el componente y una correspondiente tensión de unión de tensión interna Tes en el componente,

en el que la tensión de unión de tensión interna Tes es opuesta por lo menos, en secciones, a una tensión de unión de carga T, que se produce cuando el componente está sometido a carga, de tal manera que la tensión de unión combinada, que resulta de una superposición de la tensión de unión de carga T y de la tensión de unión de la tensión interna cuando se aplica una carga, se reduce con respecto a por lo menos un máximo en la tensión de unión de carga T.

2. Procedimiento para introducir fuerza en un componente utilizando un tornillo o una varilla roscada, en el que el tornillo o varilla roscada presenta una sección de rosca de unión, que puede atornillarse dentro de un componente para formar una unión con el componente, y que presenta un primer extremo, que guía el atornillado, y un segundo extremo, en el que el paso de rosca es variable y presenta un primer punto extremo local en la mitad de la sección de rosca de unión adyacente al segundo extremo.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que, suponiendo que la longitud de la sección de rosca de unión esté normalizada a uno, el primer punto extremo local se sitúa a una distancia comprendida entre 0, 6 y 0, 9, preferentemente entre 0, 7 y 0, 85 del primer extremo.

4. Procedimiento según la reivindicación 2 ó 3, en el que el paso de rosca presenta un segundo punto extremo local, que se sitúa en la mitad de la sección de rosca de unión adyacente al primer extremo, y presenta una curvatura, que es opuesta a la del primer punto extremo local, en el que, suponiendo que la longitud de la sección de rosca de unión esté normalizada a uno, el segundo punto extremo local se sitúa preferentemente a una distancia de 0, 05 a 0, 4, preferentemente de 0, 1 a 0, 3 del primer extremo de la sección de rosca de unión.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el tornillo o varilla roscada presenta una sección de rosca de unión, que puede atornillarse dentro de un componente para formar una unión con el componente, y que presenta un primer extremo, que guía el atornillado, y un segundo extremo, en el que el paso de rosca, que parte de un valor p0 en el primer extremo, desciende a un valor Δp en una sección adyacente al primer extremo, permanece por debajo de p0 -Δp en una sección media y aumenta de nuevo por encima del valor p0 -Δp en una sección adyacente al segundo extremo.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, en el que, suponiendo que la longitud de la sección de rosca de unión esté normalizada a uno, la primera y/o la segunda sección presenta una longitud comprendida entre 0, 07 y 0, 35, preferentemente entre 0, 1 y 0, 3 y de manera particularmente preferida entre 0, 15 y 0, 25, y/o en el que el paso en la sección media varía en menos de ± 0, 5 Δp, preferentemente en menos de ± 0, 3 Δp.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 2 a 8, en el que los pasos de rosca en el primer y segundo extremos se desvían uno del otro en menos del 50%, preferentemente en menos del 30% y de manera particularmente preferida en menos del 10% de la variación total en el paso de rosca en la sección de rosca de unión.

8. Procedimiento para diseñar un tornillo o varilla roscada con un paso de rosca variable y una sección de rosca de unión, que puede atornillarse dentro de un componente para formar una unión con el componente y que presenta un primer extremo, que guía el atornillado, y un segundo extremo, que comprende las etapas siguientes:

determinar una tensión de unión de carga T, que se generaría al cargar el componente para el cual está determinado el tornillo o la varilla roscada, en la unión entre el componente y el tornillo o la varilla roscada sin tener en cuenta la configuración especial de la rosca, y

determinar la variación del paso de rosca de tal manera que el tornillo o varilla roscada, cuando está atornillada en el componente no cargado, genere una tensión de unión de tensión interna Tes, opuesta por lo menos, en secciones, a la tensión de unión de carga T, de manera que la tensión de unión combinada, que resulta de una superposición de la tensión de unión de carga T y de la tensión de unión de tensión interna Tes cuando se aplica una carga, disminuye con respecto a por lo menos un máximo en la tensión de unión de carga T.

9. Programa informático, en cuya ejecución en un dispositivo de procesamiento de datos se lleva a cabo un procedimiento según la reivindicación 8.

10. Tornillo o varilla roscada con una rosca, que presenta un paso que varía en la dirección longitudinal del tornillo o varilla roscada, y que comprende una sección de rosca de unión, que puede atornillarse dentro de un componente para formar una unión con el componente, y que presenta un primer extremo, que guía el atornillado, y un segundo extremo, en el que el paso de rosca presenta un primer punto extremo local en la mitad de la sección de rosca de

unión adyacente al segundo extremo.

11. Tornillo o varilla roscada según la reivindicación 10, en el que, suponiendo que la longitud de la sección de rosca de unión esté normalizada a uno, el primer punto extremo local se sitúa a una distancia de 0, 6 a 0, 9, preferentemente de 0, 7 a 0, 85 del primer extremo.

12. Tornillo o varilla roscada según la reivindicación 10 u 11, en el que el paso de rosca presenta un segundo punto extremo local, que se sitúa en la mitad de la sección de rosca de unión adyacente al primer extremo y presenta una curvatura, que es opuesta a la del primer punto extremo local, en el que, suponiendo que la longitud de la sección de rosca de unión esté normalizada a 1, el segundo punto extremo local se sitúa preferentemente a una distancia de

0, 05 a 0, 4, preferentemente de 0, 1 a 0, 3 del primer extremo de la sección de rosca de unión.

13. Tornillo o varilla roscada con una rosca que presenta un paso que varía en la dirección longitudinal del tornillo o varilla roscada y que presenta una sección de rosca de unión, que puede atornillarse dentro de un componente para formar una unión con el componente, y que presenta un primer extremo, que guía el atornillado, y un segundo

extremo, en el que el paso de rosca, que parte de un valor p0 en el primer extremo, desciende a un valor Δp en una sección adyacente al primer extremo, permanece por debajo de p0 -Δp en una sección media y aumenta de nuevo por encima del valor p0 -Δp en una sección adyacente al segundo extremo.

14. Tornillo o varilla roscada según la reivindicación 13, en el que, suponiendo que la longitud de la sección de rosca

de unión esté normalizada a uno, la primera y/o la segunda sección presenta una longitud comprendida entre 0, 07 y 0, 35, preferentemente entre 0, 1 y 0, 3 y de manera particularmente preferida entre 0, 15 y 0, 25, y/o en el que el paso en la sección media varía en menos de ± 0, 5 Δp, preferentemente en menos de ± 0, 3 Δp.

15. Tornillo o varilla roscada según una de las reivindicaciones 10 a 14, en el que los pasos de rosca en dichos

primer y segundo extremos se desvían uno del otro en menos del 50%, preferentemente en menos del 30% y de manera particularmente preferida en menos del 10% de la variación total en el paso de rosca en la sección de rosca de unión.