Norma GB/T 13752 para Grúa Torre: Combinaciones de Carga
La norma GB/T 13752-2017, «Especificación de diseño para grúas torre», es una norma específica para grúas torre, independiente de la GB/T 3811-2008. Es aplicable a grúas torre de giro superior, giro inferior, pluma de abatimiento y pluma de cabeza plana. La norma define 6 combinaciones de cargas, 7 indicadores de verificación de resistencia y rigidez estructural, 5 condiciones de verificación de estabilidad antivuelco, así como los requisitos de diseño para los mecanismos de elevación, cambio de alcance, giro y dispositivos de fijación. Este artículo analiza en detalle los puntos clave de la norma, basándose en la experiencia de diseño de grúas torre de Kelude.
Diferencias clave entre la norma GB/T 13752 para grúas torre y la norma general GB/T 3811
La GB/T 13752-2017 es una norma específica de cálculo y diseño para grúas torre. Su diferencia fundamental con la norma general GB/T 3811-2008, «Especificación de diseño para grúas», radica en el enfoque de diseño y el ámbito de aplicación. La GB/T 3811 cubre todos los tipos de grúas (puente, pórtico, torre, móvil, ferroviaria, flotante, etc.) y proporciona un marco de diseño general; la GB/T 13752, en cambio, está específicamente adaptada a las grúas torre, con un mayor nivel de detalle en la determinación de cargas, combinaciones, coeficientes parciales de seguridad y métodos de verificación de estabilidad.
Las diferencias se manifiestan en cuatro aspectos:
En primer lugar, las combinaciones de cargas difieren. La GB/T 3811 define 9 combinaciones de cargas en 3 niveles (A/B/C), mientras que la GB/T 13752 establece 6 condiciones específicas de combinación para el estado de trabajo de la grúa torre: funcionamiento normal sin viento (clase A), funcionamiento normal con viento (clase B), montaje y desmontaje (clase C), carga de viento en estado fuera de servicio (clase D), amortiguación de impactos (clase E) y cargas de ensayo (clase F). Cada condición tiene su propia tabla de coeficientes parciales de seguridad.
En segundo lugar, el cálculo de la carga de viento es más detallado. La GB/T 13752 introduce coeficientes de corrección de presión de viento por tramos de altura de la torre, coeficientes de reducción por apantallamientoiento y coeficientes de interferencia para grupos de grúas torre. Se exige calcular por separado la presión de viento en estado de trabajo (250 Pa) y la presión de viento en estado fuera de servicio, que se determina según la presión básica de viento de la región (que en zonas costeras puede superar los 1000 Pa).
En tercer lugar, la verificación de estabilidad se trata en un capítulo independiente. El capítulo 8 de la GB/T 13752 especifica 5 condiciones de verificación de resistencia al vuelco y los requisitos de su coeficiente de seguridad K, exigiendo la verificación de la estabilidad antivuelco general tanto en estado de trabajo como en estado fuera de servicio.
En cuarto lugar, el diseño de los dispositivos de anclaje tiene un capítulo dedicado. El capítulo 9 detalla los requisitos de separación entre anclajes, el límite de esbeltez de las barras (no superior a 120), el grado de los pernos de conexión (no inferior a 8.8) y el factor de seguridad contra el arrancamiento de los elementos embebidos (no inferior a 1.5). Estos aspectos no se abordan en la GB/T 3811.
| Dimensión de Comparación | norma GB/T 3811-2008 | GB/T 13752-2017 |
|---|---|---|
| Ámbito de aplicación | Todos los tiposgrúa | Grúa TorreEspecífico |
| combinación de cargasCantidad | 9tipos(A/B/CTercer nivel) | 6Condiciones de carga combinadas específicas |
| Vientomedidor de cargaCálculo | Presión de viento generalCoeficiente | Corrección por segmentos+Interferencia entre grúas torre |
| estabilidadVerificación | Requisitos generales | 5Condiciones de trabajo+IndependienteFactor de seguridad |
| Diseño del dispositivo de anclaje | No cubierto | Disposiciones específicas del capítulo8ArtículoParámetro |
| SubpartidaCoeficienteValor adoptado | Tabla de valores generales | Valores específicos para grúa torre |
Combinaciones de cargas en grúas torre: ¿cómo se aplican los coeficientes parciales?
Conforme al capítulo 5 de la norma GB/T 13752-2017 (equivalente a ISO 4301), el diseño de una grúa torre debe contemplar 6 combinaciones de cargas, cada una con sus propios coeficientes parciales y supuestos de cálculo. Kelude aplica esta clasificación de forma sistemática en el cálculo estructural de sus grúas torre.
Combinación A (servicio normal sin viento): carga de elevación × 1,22 + peso propio × 1,16 + fuerza de inercia horizontal × 1,0. Es el caso más básico de izaje diario, aplicable a entornos interiores o protegidosidos. El coeficiente 1,22 de la carga de elevación refleja la influencia del factor de carga dinámica.
Combinación B (servicio normal con viento): carga de elevación × 1,22 + peso propio × 1,16 + fuerza de inercia horizontal × 1,0 + carga de viento de operación × 1,0. Aplicable a trabajos en exteriores, con presión de viento de operación de 250 Pa y velocidad de viento de 20 m/s. Cuando la altura de la torre supera los 30 m, debe corregirse la presión de viento por tramos según la altura.
Combinación C (cargas especiales — montaje y desmontaje): peso propio × 1,10 + carga dinámica de montaje × 1,10 + carga de viento × 1,0. Durante las operaciones de elevación, descenso y desmontaje, la estructura cambia: los tramos de la torre quedan parcialmente conectados, por lo que los coeficientes se reducen notablemente, pero debe verificarse de forma independiente la capacidad de los pernos de conexión y del bastidor de elevación.
Combinación D (estado fuera de servicio): peso propio × 1,0 + carga de viento fuera de servicio × 1,0. Se toma la presión de viento básica correspondiente a un periodo de retorno de 50 años: 800–1000 Pa en zonas costeras y 400–600 Pa en zonas del interior. Es la condición límite de viento máximo en estado fuera de servicio.
Combinación E (impacto contra amortiguadores): peso propio × 1,0 + fuerza del amortiguador × 1,0. Cuando la pluma puede colisionar con otras estructuras o grúas adyacentes, debe verificarse la capacidad de absorción de energía del dispositivo amortiguador.
Combinación F (cargas de ensayo): el ensayo de carga estática se realiza al 1,25 de la capacidad nominal y el ensayo de carga dinámica al 1,1. En estos ensayos todos los coeficientes parciales se toman como 1,0, ya que no se permite superponer viento ni otras cargas accidentales.
Verificación estructural de acero en grúas torre: los 7 parámetros de resistencia y rigidez
Los capítulos 6 y 7 de la norma GB/T 13752-2017 establecen el método de verificación de resistencia y rigidez para la estructura de acero de grúas torre, abarcando 7 indicadores de cálculo esenciales. En el proceso de diseño de Kelude, estos 7 parámetros conforman el núcleo del sistema de validación de seguridad estructural.
1. Verificación de resistencia estática. Para cada combinación de cargas, la tensión calculada en cualquier elemento no debe superar la tensión admisible, definida como el límite elástico del material dividido por el factor de seguridad n. Para acero Q355B (≈S355JR), el límite elástico es 355 MPa. El factor de seguridad n es 1,48 para las combinaciones A y B, 1,34 para la C y 1,22 para la D.
2. Verificación de resistencia a la fatiga. Para grúas con clase de funcionamiento A4 o superior, debe evaluarse la vida a fatiga de los cordones de soldadura críticos y las zonas de concentración de tensiones. Se emplea el método de amplitud de tensión, determinando la amplitud admisible mediante la curva S-N; la amplitud de diseño no debe superar el valor admisible dividido por el coeficiente parcial de resistencia a fatiga (1,0–1,35).
3. Verificación de estabilidad elástica. Para elementos comprimidos (montantes principales de la torre, tirantes de fijación, etc.) debe comprobarse tanto la estabilidad global como la local, empleando el método de sección eficaz para calcular la capacidad de pandeo; la tensión crítica no debe superar el límite de proporcionalidad del material.
4. Verificación de rigidez. Los límites de deflexión se controlan según el estado límite de servicio: el desplazamiento horizontal en la cima de la torre no debe exceder H/800 (siendo H la altura libre de la torre), y la flecha en el extremo de la pluma no debe superar L/500 (siendo L la longitud de la pluma).
5. Verificación de resistencia de las uniones. Las soldaduras de filete se diseñan con una garganta no inferior a 0,7 veces el espesor de la chapa más delgada, y la tensión de cálculo no debe superar 0,9 veces la tensión admisible. Los pernos de alta resistencia se diseñan como conexión por fricción, con el pretensado P según lo establecido en la norma GB 50017.
6. Verificación de estabilidad local de placas y cascarones. En las cartelas de los nudos de los tramos de torre, la placa de asiento inferior de la corona de giro y otras zonas críticas, debe verificarse el pandeo local de la chapa; la relación anchura-espesor b/t no debe superar 42 para acero Q355.
7. Verificación de la frecuencia natural de la estructura. La frecuencia fundamental de la grúa torre debe mantenerse alejada de la frecuencia de resonancia por desprendimiento de vórtices (0,2–0,4 Hz) y de la frecuencia de oscilación de la carga suspendida (0,05–0,15 Hz), para evitar resonancia acoplada.
| Elementos de verificación | Número de la norma de cláusula | ControlIndicadory valores límite |
|---|---|---|
| EstáticoResistencia | Cláusula6.2Artículo | La tensión calculada no excede el límite elástico/n,n=1.22~1.48 |
| Resistencia a la Fatiga | Cláusula6.3Artículo | La amplitud de tensión no excede el valor admisible/SubpartidaCoeficiente |
| Elasticidadestabilidad | Cláusula6.4Artículo | La capacidad de pandeo no excede el límite proporcional del material |
| EstructuraRigidez | Cláusula7.2Artículo | El desplazamiento de la cima de la torre no excedeH/800,Extremo de la plumaFlechaEl desplazamiento de la cima de la torre no excedeL/500 |
| Verificación de conexiones | Cláusula6.5Artículo | soldadura de fileteGarganta de soldadura>=0.7veces el espesor de la placa,Cordón de SoldaduraTensión<=0.9veces el valor admisible |
| Localestabilidad | Cláusula6.6Artículo | Relación ancho-espesorb/tEl desplazamiento de la cima de la torre no excede42(Q355Acero) |
Grúa Torre: 5 Situaciones de Verificación de Estabilidad Antivuelco y sus Factores de Seguridad
El capítulo 8 de la norma GB/T 13752-2017 establece requisitos obligatorios de verificación para la estabilidad antivuelco de grúas torre, definiendo 5 situaciones de cálculo y sus correspondientes factores de seguridad. Kelude Industrias Pesadas realiza un cálculo completo de verificación de estabilidad para cada grúa torre antes de su entrega, cubriendo estas 5 situaciones.
Situación 1 (Estabilidad con carga estática sin viento): La grúa eleva su carga nominal en el alcance máximo, sin considerar la carga de viento. La fórmula de verificación exige que la suma de los momentos estabilizadores dividida por la suma de los momentos de vuelco no sea inferior a K1, donde K1 ≥ 1,40. En este caso, la relación entre todos los momentos estabilizadores (generados por el peso propio) y los momentos de vuelco (generados por la carga) debe cumplir un margen de seguridad de 1,4 veces.
Situación 2 (Estabilidad con carga dinámica y viento): La grúa opera en condiciones de trabajo, considerando la carga de viento de servicio actuando a lo largo de la dirección de la pluma. El factor de seguridad K2 debe ser ≥ 1,25. Dado que la carga de viento incrementa el momento de vuelco, el factor de seguridad es menor que en la situación 1.
Situación 3 (Estabilidad con carga de viento fuera de servicio): La grúa se encuentra en estado de no operación (gancho vacío), soportando la carga máxima de viento en estado fuera de servicio. K3 debe ser ≥ 1,15. Esta es una de las situaciones más críticas, ya que la presión de viento fuera de servicio puede alcanzar 1000 Pa, mientras que el momento estabilizador generado por el peso propio se reduce al no haber carga suspendida.
Situación 4 (Estabilidad ante descarga súbita): La carga se desengancha o se libera repentinamente durante la elevación, generando una tendencia al vuelco en dirección opuesta (vuelco hacia atrás). K4 debe ser ≥ 1,10. En este caso se verifica la estabilidad de la grúa en la dirección del brazo de equilibrio.
Situación 5 (Estabilidad durante montaje/desmontaje): Durante el proceso de elevación por tramos o descenso, el centro de gravedad de la estructura superior se eleva y las conexiones de las secciones de la torre no están completamente apretadas. K5 debe ser ≥ 1,25. Esta situación requiere especial atención a la resistencia de la conexión entre el marco de elevación y la torre.
En el cálculo práctico, la línea de vuelco se define como la línea que conecta los puntos de apoyo más externos de la base de la grúa. El momento estabilizador es igual a la suma del peso propio de cada componente multiplicado por su distancia horizontal a la línea de vuelco. El momento de vuelco es igual a la suma de cada carga horizontal multiplicada por la altura de su punto de aplicación, más el momento generado por la carga de viento.
Requisitos de Cálculo para Mecanismo de Elevación y Mecanismo de Lufado en Grúas Torre
El capítulo 9 de la norma GB/T 13752-2017, dedicado al diseño de mecanismos, establece los requisitos de cálculo y diseño para el mecanismo de elevación, el mecanismo de lufado, el mecanismo de giro y el mecanismo de desplazamiento. Para los mecanismos de elevación y lufado, los más utilizados, la norma especifica los siguientes parámetros técnicos clave:
Mecanismo de elevación: El factor de seguridad del cable de acero n debe ser ≥ 5,0 para grúas móviles. Para grúas fijas, según la Clase de Funcionamiento M3~M5, n debe ser ≥ 4,5, y para M6~M8, n debe ser ≥ 5,6. El diámetro nominal del tambor D debe ser ≥ 25 veces el diámetro del cable de acero, y el diámetro primitivo de la polea Dp debe ser ≥ 28 veces el diámetro del cable. El ángulo de desviación del cable sobre el tambor no debe exceder 4 grados (tambor de acabado brillante) ni 2,5 grados (tambor acanalado). El mecanismo de elevación de la grúa torre Kelude TC6015 utiliza un motor de frecuencia variable, con cable de acero de estructura 35Wx7 y diámetro de 14 mm, y tambor de 400 mm de diámetro, cumpliendo plenamente el requisito D/d = 28,6.
Mecanismo de lufado: La velocidad de cambio de inclinación del carro de alcance horizontal suele ser de 0,5 a 1,0 m/s. El factor de seguridad del cable de abatimiento para pluma de inclinación variable debe ser n ≥ 4,0. El cálculo de la fuerza de tracción del carro debe considerar simultáneamente la resistencia por fricción, la resistencia por pendiente, la resistencia por viento y la fuerza de inercia por aceleración. La carga por rueda del carro se verifica en la condición más desfavorable, debiendo cada rueda cumplir con la carga admisible del carril.
Requisitos de diseño del freno: El factor de seguridad K del freno de soporte del mecanismo de elevación debe ser ≥ 1,5, es decir, la relación entre el par de frenado y el par estático de la carga nominal no debe ser inferior a 1,5. El factor de seguridad K del freno del mecanismo de lufado debe ser ≥ 1,25. Se deben utilizar frenos de zapatas electromagnéticos de tipo cerrado normalmente o frenos de disco. La vida útil de desgaste de las pastillas de fricción debe cumplir con un Ciclo de Trabajo de diseño no inferior a 200.000 ciclos.
Adicionalmente, todos los reductores de engranajes en los sistemas de transmisión deben verificarse según la norma ISO 6336 o GB/T 3480 para resistencia a la fatiga superficial y resistencia a la fatiga por flexión en la raíz del diente. La vida útil de los rodamientos se diseña con L10 no inferior a 5000 horas.
Parámetros Clave para el Diseño de Anclajes y Cimentación de Grúas Torre
La norma GB/T 13752-2017 establece requisitos técnicos claros para el diseño de los anclajes y la cimentación de grúas torre. El diseño del sistema de anclaje es esencial para la operación segura de grúas en edificios de gran altura. Kelude Industrias Pesadas configura el marco de anclaje y el sistema de tirantes de anclaje para todas las grúas que superan la altura independiente máxima.
Espaciamiento de anclajes: El primer anclaje se sitúa a 6~12 m de la superficie superior de la cimentación, con espaciamientos sucesivos de 6~9 m. La altura máxima en voladizo (desde el anclaje superior hasta la cima de la grúa) no debe exceder 30 m, o según las especificaciones del fabricante.
Diseño de los tirantes de anclaje: La esbeltez de los tirantes no debe exceder 120. Se recomienda utilizar secciones tubulares circulares (especificaciones de diámetro 102x6 a 159x8 mm), con material no inferior a Q235B (≈S235JR). Ambos extremos de los tirantes deben disponer de tornillos de ajuste con un rango de ±150 mm para compensar las tolerancias de construcción de la estructura del edificio. El espesor de las placas de orejeta en los extremos debe ser t ≥ 12 mm, y la holgura entre el diámetro del orificio del pasador y el pasador no debe exceder 0,5 mm.
Requisitos de los elementos de conexión: Los pernos de conexión entre el marco de anclaje y las secciones de la torre deben ser de grado 8.8 M24 como mínimo, con no menos de 4 pernos por superficie de anclaje. El área de sección transversal de las barras de anclaje de los Elementos Embebidos debe cumplir: As ≥ 1,5 veces la fuerza máxima de tracción de diseño del tirante dividida por el Límite Elástico de la barra. La profundidad de empotramiento de los elementos embebidos en el hormigón no debe ser inferior a 15 veces el diámetro de la barra de anclaje, y nunca inferior a 200 mm.
Diseño de la cimentación: El espesor de la zapata no debe ser inferior a 1,2 m, y el Grado de resistencia del hormigón no debe ser inferior a C30. El valor característico de la capacidad portante del terreno fak no debe ser inferior a 200 kPa. Si no se cumple este requisito, se debe realizar un tratamiento del terreno o utilizar cimentación por pilotes. La cuantía de armadura de la zapata debe ser bidireccional y no inferior al 0,15%, con diámetro de armadura principal no inferior a 20 mm y separación no mayor a 150 mm. Los pernos de anclaje empotrados en la cimentación deben ser de grado 8.8 M36~M48, con profundidad de empotramiento no inferior a 30 veces el diámetro del perno.
Para grúas torre sobre carriles, también se debe verificar la capacidad portante del terreno bajo la cimentación del carril y la resistencia a flexión del carril de acero. El carril se selecciona según las especificaciones QU70~QU100. La tolerancia del Ancho de Vía es de ±3 mm, y la diferencia de altura entre las cabezas de los carriles en una misma sección transversal no debe exceder el Ancho de Vía dividido por 1500.
Número de Combinaciones de Cargas
6 Clases
Combinaciones A-F que cubren todos los estados de trabajo y no trabajo
Elementos de Verificación Estructural
7 Elementos
Incluye resistencia estática, fatiga, estabilidad, rigidez, conexiones, elementos locales y frecuencia
Factor de Seguridad Antivuelco
K>=1.15
Margen de seguridad mínimo requerido en las 5 situaciones de verificación
Factor de Seguridad del Cable de Acero
n>=5.0
Factor de seguridad mínimo para el cable de elevación en grúas móviles
Esbeltez de Tirantes de Anclaje
≤ 120
Sección tubular circular recomendada con material Q235B
Espesor de la Zapata de Cimentación
≥ 1,2 m
Espesor mínimo para garantizar la estabilidad estructural
Hormigón C30 / terreno ≥ 200 kPa
En cuanto al sistema de monitoreo de seguridad, la grúa torre debe cumplir con los requisitos de la norma GB/T 28264-2012 — Sistema de Monitoreo y Gestión de Seguridad para Aparatos de Elevación, que exige la supervisión en tiempo real de parámetros como capacidad de elevación, par, alcance, altura, velocidad del viento y ángulo de giro. La prueba de aceptación se realiza conforme a la norma GB/T 5905-2011 — Especificación y Procedimiento de Ensayo para Grúas, incluyendo ensayos de carga estática (1,25 veces la carga nominal) y de carga dinámica (1,1 veces la carga nominal).
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9 problemas frecuentes en la aplicación de la norma de diseño de grúas torre
P: Entre GB/T 13752 y GB/T 3811, ¿cuál prevalece cuando ambas normas presentan discrepancias en el diseño de grúas torre?
R: La norma GB/T 13752 es la especificación específica para grúas torre. Cuando ambas normas establezcan disposiciones diferentes para un mismo parámetro de diseño, debe prevalecer la GB/T 13752. Esto se debe a que la GB/T 13752-2017, si bien toma como base el marco general de la GB/T 3811, adopta valores más específicos para las condiciones de trabajo de las grúas torre (por ejemplo, el coeficiente parcial en la combinación A es 1,22 en lugar del 1,16 establecido en la GB/T 3811). En la práctica, Kelude Industrias Pesadas recomienda utilizar la GB/T 13752 como norma principal y la GB/T 3811 como referencia complementaria.
P: ¿Qué medidas tomar si el coeficiente de seguridad K es inferior a 1,15 en la verificación de estabilidad antivuelco de una grúa torre?
R: Cuando la verificación no cumple con el requisito de K ≥ 1,15, se pueden adoptar las siguientes medidas: aumentar el contrapeso de la base (incrementando el espesor de la cimentación de hormigón o ampliando la superficie de apoyo), reducir la altura libre de la torre en estado no operativo (añadiendo anclajes o amarres), o disminuir la longitud de la pluma para reducir la superficie expuesta a la acción del viento. Para grúas torre sobre carriles, también se puede recurrir a la pinza de carril o al dispositivo de anclaje para aumentar el momento estabilizador. Kelude Industrias Pesadas recomienda que todas las grúas torre garanticen un coeficiente K no inferior a 1,20 en la condición de carga más desfavorable durante la fase de diseño, reservando así un margen de seguridad del 5%.
P: ¿Cuál es el valor requerido de la capacidad de arrancamiento del elemento embebido en el dispositivo de anclaje de una grúa torre?
R: La norma GB/T 13752 establece que el valor de diseño de la capacidad de arrancamiento del elemento embebido no debe ser inferior a 1,5 veces el valor de diseño de la fuerza máxima de tracción de la barra de anclaje (es decir, un factor de seguridad no inferior a 1,5). La sección transversal de las barras de anclaje se calcula como As ≥ 1,5 × Fd / fy. Por ejemplo, cuando la fuerza máxima de tracción de la barra de anclaje es Fd = 200 kN y se utiliza acero HRB400 (fy = 360 MPa), As debe ser al menos 833 mm², lo que corresponde a 4 barras de 18 mm de diámetro (As = 1018 mm²). La profundidad de anclaje no debe ser inferior a 15 veces el diámetro de la barra, es decir, 270 mm, y en ningún caso menor de 200 mm. La resistencia del hormigón del elemento embebido no debe ser inferior a C30.
P: ¿Cuáles son las velocidades máximas de viento admisibles para una grúa torre en estado operativo y en estado no operativo?
R: La norma GB/T 13752 establece que la velocidad de viento de diseño en estado operativo es de 20 m/s (correspondiente a una presión de viento de 250 Pa). Cuando se supera esta velocidad, la grúa debe detener sus operaciones y liberar el freno de giro para que la pluma quede en rotación libre. La velocidad de viento de diseño en estado no operativo se determina según la presión básica de viento con periodo de retorno de 50 años en la zona: en regiones interiores, de 25 a 30 m/s (presión de viento de 400 a 600 Pa); en zonas costeras, de 35 a 40 m/s (presión de viento de 800 a 1000 Pa). Las grúas torre de la serie TC de Kelude Industrias Pesadas incorporan de serie un anemómetro que activa una alarma automática y desconecta los circuitos de elevación y cambio de alcance cuando la velocidad del viento supera el límite de trabajo establecido.
