Fatiga en estructuras de acero de grúa según ISO 24035:2020
La norma ISO 24035:2020 «Grúas — Estructura de acero — Métodos de evaluación de fatiga» es la referencia específica para la evaluación de la vida a fatiga de la estructura de acero de grúa. La norma establece el método de evaluación de fatiga basado en el enfoque de tensión-vida (S-N), que incluye la selección de curvas S-N, el recuento de ciclos de tensión, el cálculo de daño acumulativo y el procedimiento de verificación de vida segura.
Procedimiento de evaluación de fatiga
El procedimiento de evaluación de fatiga definido en la norma ISO 24035:2020 comprende las siguientes etapas: recopilación del espectro de carga (obtención de los datos de carga-tiempo y la estadística de ciclos de carga durante el ciclo de vida de la grúa), análisis de tensiones estructurales (mediante análisis de elementos finitos o medición con galgas extensiométricas en las ubicaciones de evaluación, obteniendo el espectro de tensiones para cada condición de operación), selección de la curva S-N (según el tipo de acero, el detalle de conexión y la relación de tensiones), cálculo del daño acumulativo por fatiga (aplicando la regla de daño acumulativo lineal de Palmgren-Miner, D = Σ nᵢ/Nᵢ) y verificación de la vida a fatiga (cuando D ≤ 1,0, la seguridad estructural queda garantizada).
Selección de las ubicaciones de evaluación — la evaluación debe cubrir todas las zonas de concentración de tensiones en la estructura de acero (cordones de soldadura en conexiones, cambios bruscos de sección transversal, aberturas, pie de soldadura, etc.) y las regiones sometidas a tensiones alternantes significativas (centro del vano de la viga principal, conexiones del testero, base de los estabilizadores, etc.). Para cada grúa deben seleccionarse al menos de 3 a 5 ubicaciones sensibles a la fatiga. Los resultados de la evaluación se utilizan para definir el plan de inspección periódica y la estrategia de gestión de la vida útil de la grúa.
Selección de la curva S-N
La norma clasifica las curvas S-N en varios grados según el detalle de conexión de la estructura de acero: el material base (sin soldadura) utiliza la curva FAT160 (160 MPa a 2×10⁶ ciclos); la soldadura a tope esmerilada emplea la curva FAT125; la soldadura a tope en estado bruto de soldadura utiliza la curva FAT112; la soldadura de filete y las uniones en T se evalúan con la curva FAT100; y las uniones en cruz y las soldaduras de nervios de refuerzo con la curva FAT80. El número de ciclos de tensión correspondiente al límite de fatiga es de 2×10⁶ ciclos (en estructuras de acero suele tomarse 5×10⁶ ciclos como número de ciclos asociado al límite de fatiga).
Pendiente de la curva S-N — la relación entre el rango de tensión Δσ y la vida a fatiga N se representa en coordenadas doble logarítmicas como una línea recta de pendiente m, donde m generalmente toma el valor de 3 (estado soldado) o 5 (material base y soldaduras esmeriladas). Para rangos de tensión elevados, la curva S-N presenta un límite de fatiga más allá de 2×10⁶ ciclos (por debajo de este nivel de tensión no se produce daño por fatiga). En condiciones de carga de amplitud variable, debe utilizarse el rango de tensión equivalente Δσeq = (Σ nᵢ × Δσᵢ³ / Ntotal)^(1/3) para calcular la tensión de daño equivalente.
| Detalle de unión | clase FAT | m Valor | Fatiga Límite | Zona típica |
|---|---|---|---|---|
| Material base | 160 | 5 | 73MPa | alma de la viga principal |
| A tope(Esmerilado a ras) | 125 | 3 | 57MPa | Platabanda A tope |
| A tope(Estado de soldadura) | 112 | 3 | 51MPa | Alma A tope |
| soldadura de filete | 100 | 3 | 45MPa | Nervio de refuerzo Conexión |
| unión en cruz | 80 | 3 | 36MPa | viga principal y carro de extremo Conexión |
| Más Nervio de refuerzo | 80 | 3 | 36MPa | Rigidizador / Nervio Extremo |
Conteo de ciclos de tensión y daño acumulativo
El espectro de tensiones se establece mediante el método de conteo de ciclos Rainflow, aplicado a la historia carga-tiempo para extraer el rango de tensión y la tensión media de cada ciclo. Este método es el estándar reconocido para el conteo de ciclos de fatiga. A partir de los resultados se elabora el histograma de rangos de tensión (distribución Δσi-ni). La regla de daño acumulativo lineal de Palmgren-Miner (D = Σ n_i/N_i ≤ 1,0 para verificación de vida de diseño) se aplica donde n_i es el número de ciclos medidos para el rango de tensión i-ésimo y N_i es el número de ciclos admisible correspondiente según la curva S-N.
Cuando D < 1,0, la estructura es segura; cuando D = 1,0, se alcanza el valor de diseño de vida a fatiga. En cuanto al coeficiente de seguridad exigido por la norma: si en la evaluación se emplea un espectro de carga calculado (en lugar de un espectro medido), el coeficiente de seguridad será ≥ 1,25. Para uniones soldadas no inspeccionables visualmente (soldaduras internas de secciones cerradas), el coeficiente será ≥ 1,5. Para grúas destinadas al transporte de personas, el coeficiente será ≥ 2,0.
Informe de evaluación y gestión de la vida útil
El informe de evaluación de fatiga debe incluir: la norma de referencia utilizada, los parámetros técnicos y el historial de uso de la grúa evaluada, el espectro de carga (con su origen y método estadístico), los resultados del análisis de tensiones (modelo de elementos finitos o datos medidos con galgas extensiométricas), la justificación de la curva S-N y la clase FAT, el resultado del cálculo de daño acumulativo, la conclusión sobre la vida útil segura y las recomendaciones de mantenimiento e inspección (puntos críticos e intervalo de inspección). Kelude Industrias Pesadas ofrece servicios de evaluación de fatiga para estructuras de acero de grúa.
| Factor de seguridad | Coeficiente Valor | condiciones de aplicación |
|---|---|---|
| Convencional | 1.25 | Carga de cálculo Espectro |
| No visible | 1.5 | Cerrado Cordón de Soldadura |
| Transporte de personas | 2.0 | Personal Izaje y transporte |
| Alta temperatura/Corrosión | 2.0 | Ambiente especial |
Preguntas frecuentes
P: ¿Cuál es el procedimiento de evaluación de fatiga según ISO 24035:2020?
R: El procedimiento comprende la recopilación del espectro de carga, el análisis de tensiones de la estructura, la selección de la curva S-N, el cálculo del daño acumulado (regla de Miner) y la evaluación de la vida útil en servicio. La evaluación debe cubrir al menos 3 a 5 ubicaciones sensibles a la fatiga (zonas de concentración de tensiones en cordones de soldadura y áreas de concentración de tensiones). Se considera seguro cuando D ≤ 1,0.
P: ¿Cómo se selecciona la clase FAT de la curva S-N?
R: Para el material base se utiliza FAT 160; para soldadura a tope rectificada, FAT 125; en estado de soldadura, FAT 112; para soldadura de filete, FAT 100; y para uniones en cruz y nervios de refuerzo, FAT 80. El valor de m es 3 para estado de soldadura y 5 para material base. El límite de fatiga corresponde a 2×10⁶ ciclos.
P: ¿Qué método se utiliza para el recuento de ciclos de tensión?
R: Se emplea el método de recuento de lluvia (Rainflow Counting), que es el método recomendado por las normas de evaluación de fatiga. Se extraen el rango de tensión Δσi y la tensión media para construir el histograma del espectro de tensiones. El daño acumulado lineal de Miner se calcula como D = ∑(ni/Ni), siendo seguro cuando D ≤ 1,0.
P: ¿Cómo se determina el coeficiente de seguridad a fatiga?
R: Para el espectro de carga de cálculo se toma 1,25; para cordones de soldadura no inspeccionables visualmente, 1,5; y para grúas destinadas al transporte de personas, 2,0. Al aumentar el factor de seguridad, la clase FAT se ajusta en consecuencia. Kelude ofrece servicios de evaluación de fatiga y gestión de la vida útil para estructuras de acero.
