Norma ISO 21657:2017 Método de estados límite para diseño de grúas
La norma ISO 21657:2017 «Grúas — Método de diseño por estados límite» es el estándar internacional para el diseño de grúas mediante estados límite. La norma especifica el método de diseño de estructuras metálicas de grúa basado en los principios de estados límite, en paralelo con el método tradicional de tensiones admisibles (ASD), y representa la evolución más reciente en el diseño estructural de grúas.
Principios fundamentales del diseño por estados límite
Kelude Industrias Pesadas fabrica cumpliendo estrictamente las normas nacionales. La diferencia entre el método de diseño por estados límite (LSD) introducido por la norma ISO 21657:2017 y el método de tensiones admisibles (ASD) adoptado por la especificación de diseño de grúa GB/T 3811 es la siguiente: el método ASD limita la tensión máxima calculada de cada combinación de cargas al valor de la tensión admisible del material. La tensión admisible se obtiene dividiendo el Límite Elástico del material entre el Factor de seguridad, que es fijo (p. ej., 1,5). Este método no distingue la diferente influencia en la seguridad de los distintos tipos de carga (carga permanente/carga variable). El método LSD limita el efecto de las cargas de diseño (esfuerzos internos estructurales) en cada estado límite a la capacidad de carga de la estructura. Los diferentes tipos de carga (peso propio, carga suspendida, carga de viento, fuerza de inercia) se multiplican por distintos coeficientes parciales de seguridad (coeficientes parciales de carga), determinados según su grado de influencia e importancia para la seguridad. La capacidad de carga (resistencia) también se multiplica por un coeficiente parcial de seguridad de la resistencia (<1), lo que refleja de forma más precisa la fiabilidad real del material y de la estructura. El método LSD clasifica los estados límite en dos categorías: Estado Límite Último (ELU) —la estructura no debe sufrir rotura, inestabilidad o vuelco bajo las cargas de diseño máximas—, que exige el nivel de seguridad más alto; y Estado Límite de Servicio (ELS) —la estructura no debe presentar deformaciones, vibraciones o fisuras excesivas bajo cargas de servicio normales—, que afecta al funcionamiento normal del equipo pero no provoca accidentes de seguridad. La norma exige que la estructura de la grúa cumpla simultáneamente los requisitos de ELU y ELS, verificándose ambos por separado y adoptando la condición más restrictiva para el control del diseño.
Coeficientes parciales y combinación de cargas
Los coeficientes parciales de seguridad y las combinaciones de cargas especificados por la norma son: carga permanente (G) —peso propio de la grúa, contrapeso y accesorios fijos— con coeficiente parcial γG=1,2. Carga variable (Q) —carga de elevación (carga suspendida, incluido el spreader y el peso propio de los materiales)— con coeficiente parcial γQ=1,5 (para carga de elevación) o γQ=1,35 (para carga de viento). Carga accidental (A) —como cargas de impacto o Carga sísmica— con coeficiente parcial γA=1,0. Principio de combinación de cargas: se adopta la combinación más desfavorable (aquella que produce el mayor esfuerzo interno en la estructura). Combinación fundamental (condición de trabajo): combinación ELU = 1,2 × carga permanente + 1,5 × carga de elevación + 1,35 × carga de viento × coeficiente de combinación, donde el coeficiente de combinación Ψ refleja la probabilidad de que la carga de viento y la carga de elevación actúen simultáneamente (0,6~0,7). Combinación extrema (condición fuera de servicio): combinación ELU = 1,0 × carga permanente + 1,25 × carga de viento máxima (presión de viento en condición fuera de servicio); en esta condición no se considera la carga de elevación (gancho en vacío). Combinación de cargas de fatiga: se utiliza para la verificación a fatiga, con coeficiente parcial de carga = 1,0, empleando el espectro de carga de fatiga (el nivel de carga de mayor frecuencia de uso, no la carga máxima). La norma introduce además el «índice de fiabilidad» β: cuanto mayor es el valor de β, menor es la probabilidad de fallo de la estructura. El índice de fiabilidad objetivo es β=3,0~4,5 (correspondiente a una probabilidad de fallo de aproximadamente 0,001~0,00003). El valor de β depende de las consecuencias del fallo estructural (nivel de seguridad): Nivel de seguridad I (consecuencias graves —como Puente Grúa de Colada para transporte de metal fundido o grúas torre de gran tamaño)— β≥4,0; Nivel de seguridad II (consecuencias generalmente graves —grúas de uso general)— β≥3,5; Nivel de seguridad III (consecuencias menores —grúas pequeñas de mantenimiento)— β≥3,0.
Verificación del estado límite último
Los elementos de verificación del estado límite último especificados por la norma son: verificación de resistencia —tensión normal en la sección transversal σ≤f_y/γM (f_y es el Límite Elástico del acero, γM es el coeficiente parcial de seguridad de la resistencia (1,0~1,15, según el tipo de material y el modo de fallo); tensión cortante τ≤f_y/(√3·γM)). Verificación de estabilidad —estabilidad general (estabilidad en el plano y fuera del plano de elementos comprimidos y flectados bajo momento flector, calculada según la fórmula de Euler y el coeficiente de momento equivalente) y estabilidad local (la relación ancho-espesor de los elementos planos debe cumplir los límites establecidos para evitar el pandeo local del ala comprimida y del alma). Verificación a fatiga —clase de fatiga de los detalles: según la clasificación de detalles de las uniones soldadas (como Soldadura a Tope, soldadura de filete, agujeros para pernos, metal base, etc., correspondiendo a cada tipo de detalle una curva S-N de Resistencia a la Fatiga diferente); espectro de carga de fatiga (amplitud de tensión Δσ de cada nivel de carga de fatiga y su número de ciclos correspondiente n, aplicando el criterio de daño acumulativo lineal de Palmgren-Miner, con daño total D≤1,0). Verificación de Rigidez (ELS) —la deflexión máxima en el centro del vano de la Viga Principal bajo carga nominal debe ser ≤L/700~L/1000 (según la Clase de Funcionamiento de la grúa y los requisitos de Precisión de Posicionamiento). Verificación por mecánica de fractura —para grúas en servicio, cuando se detectan grietas en puntos críticos, se aplica la mecánica de fractura para calcular la velocidad de propagación de la grieta y la longitud crítica de grieta bajo cargas específicas, determinando así el número de ciclos o el tiempo de uso seguro antes de la siguiente inspección. La norma hace especial hincapié en que la precisión del cálculo con el método LSD depende de una estimación precisa de los parámetros de carga y de material; el diseñador debe considerar adecuadamente la incertidumbre de los parámetros y, cuando sea necesario, adoptar coeficientes parciales más conservadores.
Comparativa entre el método LSD y el método ASD
El análisis comparativo entre el método LSD y el método ASD que presenta la norma es el siguiente: la distribución del margen de seguridad es diferente —el método ASD concentra el Factor de seguridad total (1,5) íntegramente en el lado de la resistencia (tensión admisible = Límite Elástico / 1,5), sin distinguir el tipo de carga, tratando todas las cargas por igual. El método LSD distribuye el margen de seguridad entre el lado de las cargas (coeficientes parciales de carga >1) y el lado de la resistencia (coeficiente parcial de resistencia <1); cuanto más impredecible es la carga (como la carga de viento), mayor es su coeficiente parcial, y cuanto más controlable (como el peso propio), menor es su coeficiente, lo que resulta más racional. Con el mismo índice de fiabilidad objetivo, el método LSD permite obtener diseños más económicos, ya que la probabilidad de que todas las cargas alcancen simultáneamente su valor máximo en una combinación es muy reducida; esto se refleja mediante el coeficiente de combinación (Ψ), de modo que la carga de diseño se aproxima más a la carga real que con el método ASD, permitiendo reducir el peso de la estructura en un 5%~15%. El método de verificación a fatiga también difiere: el método ASD utiliza un único Factor de seguridad global en la verificación a fatiga, mientras que el método LSD emplea el método de acumulación de daño basado en la curva S-N, cuantificando el daño por fatiga con mayor precisión. La norma concluye que, para grúas grandes e importantes (de gran tonelaje y alta Clase de Funcionamiento), el método LSD es más preciso y seguro que el ASD, y recomienda su uso en el diseño de grúas de importancia crítica. Para grúas de uso general de tamaño pequeño y mediano, el método ASD ofrece un cálculo más sencillo y cumple con los requisitos de uso seguro. Finalmente, la norma señala que el diseño internacional de grúas está transitando del método ASD al método LSD, y que la norma ISO 21657 proporciona el marco técnico para la actualización de las normas nacionales.
| método de diseño | Estado límite | combinación de cargas | principio de seguridad |
|---|---|---|---|
| método de tensiones admisibles | Elasticidadcondición de trabajo | individual Factor de seguridad | σ≤[σ] |
| método de estados límite | capacidad portante/uso normal | coeficiente parcial de seguridad | γ×S≤R/γ_M |
| coeficiente parcial de seguridaddiseño | coeficientes parciales de carga | γ_G+γ_Q+γ_W | ∑γ_i×S_i≤R_d |
| probabilidaddiseño | probabilidad de fallo P_f | fiabilidad Indicadorβ | β≥β_target |
| categoría de coeficiente parcial | Carga/acción | coeficiente parcial de seguridad | observación |
|---|---|---|---|
| carga permanente | Peso Propio/Fijaciónequipo | 1.2 | se toma el valor desfavorable1.35 |
| carga variable | carga viva/carga de viento | 1.5 | combinación más desfavorable |
| carga accidental | impacto/terremoto | 1.0 | no se combina con otras |
| coeficiente parcial de resistencia | Acero Resistencia | 1.1 | Límite Elástico/γ M |
Preguntas frecuentes
P: ¿La norma GB/T 3811 utiliza actualmente el método ASD o el método LSD?
R: La norma GB/T 3811-2008 adopta principalmente el método de tensión admisible (ASD), con un factor de seguridad unificado de 1,5. La verificación a fatiga se realiza mediante el método de vida infinita. No obstante, la norma también incorpora los principios de combinación de cargas de la norma ISO 8686, introduciendo el concepto de distintas combinaciones de cargas, lo que supone un paso intermedio hacia el método LSD.
P: ¿Cuál es el concepto básico del método de diseño por estados límite?
R: El método de diseño por estados límite clasifica los estados de la estructura en estado límite último (ELU) y estado límite de servicio (ELS). La incertidumbre de cada variable se considera mediante coeficientes parciales de seguridad. La fórmula de diseño es γ0·Sd ≤ Rd/γM. En comparación con el método ASD, el método LSD refleja con mayor precisión la incertidumbre de las cargas y de las propiedades de los materiales.
P: ¿Cuál es la diferencia principal entre la norma ISO 21657 y la GB/T 3811?
R: La norma ISO 21657 adopta un método de diseño por estados límite (LSD) completo, mientras que la GB/T 3811-2008 se basa principalmente en el método de tensión admisible (ASD). La ISO 21657 introduce coeficientes parciales de seguridad con valores diferenciados según el tipo de carga y las propiedades del material. También existen diferencias en los procedimientos de verificación de fatiga entre ambas normas.
P: ¿Cómo se realiza la verificación de fatiga según la norma?
R: La norma ISO 21657 establece que la verificación de fatiga se realiza mediante el método de tensión equivalente, que transforma el espectro de tensiones de trabajo real en una tensión equivalente que se compara con el límite de fatiga. Para los elementos estructurales de grúas, se consideran el espectro de carga, el número de ciclos de tensión y la curva S-N. El coeficiente de seguridad a fatiga se sitúa generalmente entre 1,25 y 1,5.
