Cargas y combinaciones en grúas según GB/T 22437.1-2008
La norma GB/T 22437.1-2008 «Grúas — Cargas y combinaciones de cargas — Parte 1: Principios generales» es el método de referencia para el cálculo de cargas de diseño en grúas. La norma especifica la clasificación de las cargas, la determinación de sus valores y las reglas de combinación, y se usa conjuntamente con la especificación de diseño de grúa GB/T 3811. Constituye el requisito previo para la verificación de resistencia de la estructura metálica y de los mecanismos.
La norma GB/T 22437.1-2008 es una adopción equivalente de la norma ISO 8686-1:1989 y constituye el método específico para el cálculo de cargas en grúas. Durante la fase de diseño, es necesario determinar todas las cargas que la grúa puede soportar a lo largo de su vida útil y verificar la resistencia estructural y la estabilidad bajo las combinaciones de cargas más desfavorables. La norma es aplicable al cálculo de cargas de todo tipo de grúas y especifica la determinación de valores y los coeficientes de combinación para la carga permanente, la carga de elevación, la carga de inercia, la carga de viento, la carga de temperatura y las cargas especiales.
Sistema de clasificación de cargas
La norma clasifica todas las cargas que soporta una grúa en tres grandes categorías. Cargas regulares (Clase I): cargas que aparecen con frecuencia durante las operaciones normales de la grúa, e incluyen la carga permanente (peso propio de la estructura y de los equipos), la carga de elevación nominal (capacidad de elevación máxima incluido el peso del Spreader), las cargas de inercia por arranque y frenado (cargas de aceleración generadas en el arranque del mecanismo de elevación y fuerzas de inercia horizontales producidas por la aceleración o desaceleración del mecanismo de traslación), la carga de viento en estado de trabajo (calculada según la zona de presión de viento local y el coeficiente de altura) y la fuerza lateral por desviación de traslación (fuerza de guiado horizontal generada cuando la Traslación del Puente se desvía). Cargas irregulares (Clase II): cargas que pueden aparecer en condiciones anormales de operación, e incluyen la carga de viento en condición fuera de servicio (calculada según la velocidad máxima de viento con período de retorno de 50 años), la carga por parada imprevista, la carga de prueba y la carga de temperatura. Cargas especiales (Clase III): cargas de ocurrencia muy poco frecuente pero de consecuencias graves, e incluyen la Carga sísmica, las cargas por colisión y las cargas especiales de proceso.
Cada clase de carga utiliza un coeficiente parcial de carga diferente, lo que refleja la influencia de la probabilidad de aparición y la duración de la carga sobre la seguridad estructural. El coeficiente parcial de seguridad para las cargas de Clase I es de 1,0 a 1,3 (1,0 para el cálculo de fatiga), para las de Clase II de 1,0 a 1,1, y para las de Clase III de 1,0. Cuanto mayor es el coeficiente parcial de carga, mayor es la imprevisibilidad de dicha carga y mayor el requisito de redundancia de seguridad. La norma hace especial hincapié en que el personal de diseño debe seleccionar correctamente la clase de carga en los cálculos: no se permite clasificar cargas de Clase II como Clase I para reducir los requisitos de seguridad, ni clasificar cargas de Clase I como Clase II, lo que daría lugar a un diseño excesivamente conservador y antieconómico.
Reglas de combinación de cargas
La combinación de cargas es el contenido principal de la norma. La norma especifica tres condiciones de combinación: A, B y C. Combinación A — condición de trabajo sin viento (utilizada para el cálculo de resistencia a la fatiga y la verificación de la potencia del motor); incluye carga permanente + carga de elevación + carga de inercia + fuerza lateral por desviación de traslación, con un Factor de seguridad de 1,50 (fatiga) / 1,25 (fatiga local). Combinación B — condición de trabajo con viento (utilizada para el cálculo de resistencia estática); añade la carga de viento en estado de trabajo a la combinación A, con un Factor de seguridad de 1,34. Combinación C — condición fuera de servicio (utilizada para la verificación de la estabilidad antivuelco y la seguridad frente al viento); incluye carga permanente + carga de viento en condición fuera de servicio u otras cargas especiales, con un Factor de seguridad de 1,15.
Disposiciones específicas para la determinación de valores de carga en las combinaciones: la carga permanente se calcula según el peso real de la estructura; la carga de elevación incluye la Capacidad Nominal y el peso del grupo de Spreader, multiplicada por el factor de carga dinámica φ2 (1,0 a 1,2); el Coeficiente de Impacto por despegue del suelo φ1 se toma entre 1,1 y 1,3. Las cargas de inercia se calculan según la aceleración o desaceleración de cada mecanismo y la masa en movimiento: la fuerza de inercia del mecanismo de elevación es φ5 × carga de elevación (φ5 es el factor de carga dinámica para accionamiento con variación de velocidad), y la fuerza de inercia del mecanismo de traslación es masa en traslación × aceleración de traslación. La carga de viento se calcula según el mapa de zonas de presión de viento y los coeficientes de altura del anexo A de la norma GB/T 3811. La fuerza lateral por desviación de traslación se calcula mediante la fórmula empírica F=λ×ΣP (λ es el coeficiente de fuerza lateral y ΣP es la Carga por rueda total). El personal de diseño debe seleccionar la combinación de cargas más desfavorable según las condiciones de servicio reales de la grúa.
Valores del factor de carga dinámica y condiciones de aplicación
El factor de carga dinámica (coeficiente φ) definido en la norma es un parámetro fundamental en el cálculo de carga. Su correcta interpretación y selección resulta esencial para garantizar la precisión del diseño. φ1 — factor de carga dinámica durante el izado inicial (1,1~1,3): cuando la carga se eleva rápidamente desde el suelo, la elasticidad del cable de elevación genera una amplificación de la carga dinámica en el instante del despegue; el valor del coeficiente depende de la velocidad de elevación y de la rigidez del cable de acero. φ2 — coeficiente de impacto en la elevación (1,0~1,2): contempla los efectos de choque durante el arranque y la parada del mecanismo de elevación. φ3 — coeficiente de descarga súbita (1,5~2,0): refleja la situación extrema de caída accidental de la carga, aplicable en caso de rotura de cable de acero o desprendimiento de la carga. φ4 — coeficiente de impacto en desplazamiento: depende del estado de las juntas de carril y de la velocidad de traslación; para juntas de carril estándar se adopta un valor de 1,1~1,3. φ5 — factor de carga dinámica para accionamiento con variación de velocidad: se emplea en el cálculo de la fuerza de inercia durante el arranque y el frenado del mecanismo de elevación. φ6 — factor de carga dinámica para carga de prueba (1,0~1,1): se utiliza en el cálculo de carga durante el ensayo de carga dinámica.
La selección de los coeficientes de carga dinámica debe determinarse de forma integral, considerando las condiciones de servicio reales de la grúa, su clase de funcionamiento y la naturaleza de la carga. Por ejemplo, en un Puente Grúa de Colada la probabilidad de descarga súbita es mayor que en una grúa estándar, por lo que φ3 debe adoptar un valor en el extremo superior del rango; en una grúa portuaria, dado el uso frecuente y la mayor cantidad de juntas de carril, φ4 debe tomarse en su límite superior. Para grúas con clase de funcionamiento A7~A8, los valores de los coeficientes de carga dinámica deben ser aproximadamente un 10%~15% más estrictos que para las clases A1~A3. La norma también señala que no deben superponerse simultáneamente los valores máximos de varios coeficientes de carga dinámica; debe seleccionarse una combinación razonable según las condiciones de operación reales. Kelude Industrias Pesadas selecciona los coeficientes de carga dinámica conforme a la norma en sus cálculos de diseño y verifica cada valor de forma individualizada según las condiciones de servicio reales del usuario.
Combinaciones de cargas y tabla comparativa de coeficientes
La siguiente tabla comparativa resume las tres combinaciones de cargas, incluyendo las cargas consideradas, el factor de seguridad y el tipo de cálculo aplicable. El personal de diseño debe seleccionar la combinación adecuada según la clase de funcionamiento real de la grúa y su entorno de trabajo.
| Combinación | Incluye Carga | Factor de seguridad | Cálculo aplicable |
|---|---|---|---|
| A | Peso Propio+Elevación / Izado+Inercia+Fuerza lateral | 1.50(Fatiga1.25) | Resistencia a la Fatiga/potencia del motor |
| B | ACombinación+carga de viento en estado de trabajo | 1.34 | resistencia estática |
| C | Peso Propio+condición fuera de servicio Viento/cargas especiales | 1.15 | resistencia al vuelco/Seguridad antiviento |
Método de cálculo de la carga de viento
La carga de viento es una carga ambiental fundamental en el cálculo de diseño de grúas. La norma especifica que la carga de viento se calcula según el anexo A de la norma GB/T 3811: la presión de viento en estado de trabajo se toma entre 150 y 250 Pa (según la zona de presión de viento de la región), mientras que en condición fuera de servicio se calcula con la velocidad máxima de viento correspondiente a un período de retorno de 50 años. La fórmula de cálculo es Fw = Cw × p × A, donde Cw es el coeficiente de fuerza del viento (dependiente de la forma de la estructura y de la reducción por apantallamiento), p es la presión de viento y A es el área expuesta al viento de la estructura. Para estructuras de celosía, el área expuesta debe calcularse aplicando el coeficiente de reducción por apantallamiento. La norma también establece que en condición fuera de servicio debe considerarse el efecto de la ráfaga de viento, adoptando un coeficiente de amplificación dinámica β = 1,6 ~ 2,0 para tener en cuenta el efecto amplificador de la fluctuación del viento sobre la estructura. En estructuras esbeltas como las grúas torre, el efecto de ráfaga es más pronunciado y debe tomarse el valor más alto. En zonas costeras y terrenos abiertos, la presión de viento es entre un 15 % y un 25 % superior a la de zonas urbanas del interior; el diseño debe basarse en la zona de presión de viento correspondiente a la posición de instalación real de la grúa.
La norma también aborda situaciones especiales en el cálculo de la carga de viento: en condición fuera de servicio, el área expuesta debe calcularse en la dirección más desfavorable, incluyendo la proyección de las partes giratorias en diferentes ángulos de giro. Para grúas con parte giratoria, en condición fuera de servicio el gancho y el carro deben colocarse en posiciones específicas para reducir la carga de viento: normalmente el carro se traslada cerca del mástil de torre y el gancho se eleva a su posición más alta. La fuerza de sujeción de los dispositivos de seguridad antiviento (pinzas de carril, dispositivos de anclaje, cables antiviento, etc.) debe calcularse multiplicando por 1,25 la carga de viento en condición fuera de servicio, garantizando que la grúa no sufra deslizamiento ni vuelco ante velocidades de viento extremas.
Preguntas frecuentes sobre el cálculo de cargas
P: ¿Qué relación existe entre la norma GB/T 22437 y la GB/T 3811?
R: La norma GB/T 3811 es la norma general de diseño de grúas y abarca todos los aspectos: cálculo de carga, verificación estructural, selección de mecanismos, etc. La norma GB/T 22437.1 es una norma específica de método de cálculo de cargas, con una clasificación de cargas y combinaciones más detallada que la GB/T 3811. Ambas se usan conjuntamente.
P: ¿Por qué el factor de seguridad de la combinación C (1,15) es menor que el de la combinación A (1,50)?
R: Porque la combinación C corresponde a cargas extremas en condición fuera de servicio (como vientos con período de retorno de 50 años), donde el valor de la carga ya incorpora un margen de seguridad considerable, por lo que el factor de seguridad estructural puede reducirse. La combinación A corresponde a cargas regulares de uso frecuente, que requieren un mayor margen de seguridad para hacer frente al efecto acumulativo de la fatiga.
P: ¿Por qué el coeficiente de carga dinámica φ3 es el más alto (1,5 ~ 2,0)?
R: φ3 es el coeficiente de descarga súbita, que corresponde a la caída accidental de la carga suspendida. En este caso, la energía potencial elástica acumulada en el cable de acero se libera repentinamente, generando una carga de impacto inversa sobre la estructura. Aunque esta situación es poco frecuente, sus consecuencias son graves, por lo que se adopta un coeficiente elevado.
P: ¿Cuántas condiciones de operación deben considerarse simultáneamente en la combinación de cargas?
R: La norma exige que para cada tipo de grúa se tome como base de diseño la combinación A, B o C que resulte más desfavorable. Para grúas con clase de funcionamiento superior a A6, la combinación A debe complementarse con una verificación de la resistencia a fatiga, que no puede omitirse.
