Cálculo de Carga de Vento em Guindastes GB/T 3811-2008
Resumo: A carga de vento é a principal ação externa responsável pelo tombamento de guindastes em estado inoperante e pela fadiga estrutural. Este artigo, com base na norma GB/T 3811-2008, secção 4.2.2, e na norma ISO 4302:2022, analisa integralmente cada etapa do cálculo da carga de vento pela fórmula Fw=Cw·p·A — zonas de pressão de vento (interior 250Pa / litoral 500Pa / tempestade 1500Pa), coeficiente de forma C (treliça 1,6~2,0 / caixão 1,2~1,4), coeficiente de altura Kh (abaixo de 10m 0,7 / acima de 30m 1,2) e coeficiente de redução por obstrução η (dupla viga 0,5~0,7 / torre 0,3~0,6), com três exemplos completos de cálculo: Guindaste de Pórtico, Grua Torre e Guindaste de Cais.
Cálculo da Carga de Vento em Guindastes
Zonas de pressão | Coeficiente de forma | Coeficiente de altura | Redução por obstrução | Exemplos de engenharia
Normas e Fórmula Base para Carga de Vento em Guindastes
A fórmula central para o cálculo da carga de vento em guindastes (norma GB/T 3811-2008, equação 4.1; norma ISO 4302:2022, secção 5):
Fw = Cw · p · A · Kh · η (N)
Onde: Cw — coeficiente de forma aerodinâmica (adimensional); p — pressão de vento de cálculo (Pa); A — área exposta ao vento (m²); Kh — coeficiente de variação da pressão com a altura; η — coeficiente de redução por obstrução entre múltiplos elementos
Para o estado em serviço (pressão máxima de vento suportada durante a operação normal), a carga de vento é utilizada na verificação da resistência estrutural e da resistência ao tombamento. Para o estado fora de serviço (pressão de vento de tempestade suportada com o equipamento parado), a carga de vento é aplicada no dimensionamento dos dispositivos de ancoragem e dos sistemas de proteção contra deslizamento. Os valores de pressão p diferem entre os dois estados.
Pressão de Vento de Cálculo: Zonas Interior, Litoral e Tufão
O anexo A (normativo) da norma GB/T 3811-2008 divide a China em três zonas básicas de pressão de vento, com valores distintos para o estado em serviço e para o estado fora de serviço:
| zona de pressão de vento | área de cobertura | pressão de vento de operaçãopw | nãopressão de vento de operaçãopnw | velocidade de vento correspondente |
|---|---|---|---|---|
| Ⅰzona de pressão de vento(interior) | excetoⅡ,Ⅲtoda a região interior fora da zona | 250 Pa | 600~800 Pa | 20m/s / 31~36m/s |
| Ⅱzona de pressão de vento(litoral) | distância da linha costeira10kmregião costeira dentro de | 500 Pa | 1000~1200 Pa | 28m/s / 40~44m/s |
| Ⅲzona de pressão de vento(tufão severo) | Hainan, litoral de Zhejiang, litoral de Fujian, litoral de Guangdong | 500 Pa | 1200~1500 Pa | 28m/s / 44~49m/s |
Nota de engenharia: A pressão de vento fora de operação refere-se à pressão máxima do vento, com período de retorno de 100 anos, que o guindaste suporta quando parado. O novo regulamento TSG 51-2023, no artigo 3.2, introduz um requisito obrigatório para a determinação deste valor: ao instalar o Dispositivo Anti-Vento, deve ser utilizada como referência a pressão básica do vento para um período de retorno de 50 anos, conforme o anexo E da norma GB 50009-2012 — Especificação para Cargas em Estruturas de Edifícios, deixando de ser permitida a estimativa pelo projetista.
Coeficiente de forma Cw: variação até 2x entre estruturas
O coeficiente de forma aerodinâmica Cw traduz a distribuição não uniforme da pressão do vento sobre a superfície da estrutura. A norma ISO 4301, no artigo 4.2.2.2, apresenta valores recomendados em função do tipo de estrutura:
| forma estrutural | Cw | aplicação típica |
|---|---|---|
| elemento de alma cheia de seção caixão(seção retangular) | 1.2~1.4 | Tipo QDponte rolante Viga Principal, Tipo LDviga única Viga Principal |
| estrutura treliçada(tubo circular) | 1.4~1.6 | Guindaste de Pórtico, treliça do estabilizador, torre da Grua Torre |
| estrutura treliçada(cantoneira/Perfil U) | 1.6~2.0 | Grua Torrelança, Guindaste de Cais (STS)pórtico |
| seção circular(D≥0.3m) | 0.7~1.0 | Grua Torre, tubo de seção circular do segmento padrão segmentos, Guindaste de Pórtico Estabilizadortubo circular |
| fechado Cabine do Operador/sala elétrica | 1.2 | Cabine do Operadorparede externa, caixa do painel de controle elétrico |
Notas de engenharia: Numa mesma grua, diferentes componentes devem adotar valores de Cw distintos, calculando a carga do vento separadamente e só depois somando — não se deve aplicar uniformemente o valor mais elevado. Por exemplo, num Guindaste de Pórtico, a Viga Principal (perfil caixão, Cw=1,3), os Estabilizadores (treliça, Cw=1,6) e a Cabine do Operador (Cw=1,2) devem ser calculados individualmente. Aplicar o valor máximo de 1,6 a todos os elementos resultaria numa sobrestimação da carga do vento em 25% a 30%, aumentando desnecessariamente o Peso estrutural e os custos.
Coeficiente de altura Kh: vento mais forte a maior altitude
A pressão do vento aumenta exponencialmente com a altitude. A norma ISO 4301, secção 4.2.2.3, define os valores de Kh para diferentes alturas H acima do solo (com base na Rugosidade classe B — campo aberto/subúrbios):
| altura em relação ao solo H(m) | Kh | observações |
|---|---|---|
| H ≤ 10 | 0.7 | velocidade do vento mais baixa na camada limite próxima ao solo |
| 10 < H ≤ 20 | 0.9 | |
| 20 < H ≤ 30 | 1.0 | altura de referência, Kh=1.0 |
| 30 < H ≤ 50 | 1.2 | |
| 50 < H ≤ 100 | 1.4 | Grua Torre alta/Guindaste de Cais deve-se adotar este valor |
| H > 100 | 1.6~1.8 | Grua Torre de grande porte/guindaste offshorehore |
Nota de engenharia: Em gruas de torre de grande porte (altura livre de 50 a 80 m), a viga principal/torre e a lança encontram-se a níveis de altura diferentes, pelo que o coeficiente Kh deve ser aplicado por segmentos (por exemplo, na parte inferior da torre, H≤30, usar 1,0; na parte superior, 30~50 m, usar 1,2; na lança, 50~80 m, usar 1,4) e, em seguida, calcular o momento fletor total devido ao vento.
Coeficiente de redução η — efeito de obstrução em estruturas multiplanares
Quando a estrutura do guindaste é composta por múltiplos planos paralelos (como vigas principais duplas ou várias almas de treliça), o plano posterior fica obstruído pelo anterior, resultando numa carga de vento real inferior ao valor calculado isoladamente. O anexo B da norma GB/T 3811 fornece o método para determinar η:
η = f(a/b, φ)
Onde: a — distância entre dois planos consecutivos (m); b — largura de cada plano (m); φ — taxa de obstrução = área exposta ao vento / área do contorno exterior
Valores típicos (versão simplificada para projeto):
Ponte rolante biviga (a/b≈1,0; φ≈0,4): η = 0,5~0,6
Torre de grua com quatro colunas (a/b≈0,8; φ≈0,5): η = 0,4~0,5 (com vento diagonal, usar 0,55~0,65)
Estabilizadores de pórtico em treliça (a/b≈1,2; φ≈0,35): η = 0,6~0,7
Pórtico de guindaste de cais (STS) (a/b≈0,6; φ≈0,3): η = 0,3~0,4
Erro comum: Alguns projetistas calculam a carga de vento de cada uma das duas vigas principais de uma ponte rolante biviga separadamente e depois somam (ignorando a redução por obstrução), o que resulta numa sobrestimação de 1,5 a 2 vezes. O procedimento correto é calcular a carga total de vento na primeira viga e multiplicar a carga da segunda viga pelo coeficiente de redução η antes de somar.
Exemplo prático — carga de vento num guindaste de pórtico Tipo MH
Considere-se um guindaste de pórtico Tipo MH de 32 t utilizado em zona costeira (vão L=26 m, altura de elevação Hh=12 m, altura da viga principal 1,8 m):
[Exemplo 1]Guindaste de pórtico MH32t costeiro — carga de vento em serviço (pw=500 Pa)
Carga de vento na viga principal: A1=26×1,8=46,8 m², Cw=1,3 (caixão), H≈8 m, Kh=0,7
Fw1=1,3×500×46,8×0,7=21.294 N
Carga de vento nos estabilizadores (treliça dupla, η=0,6):
Área exposta de um estabilizador A2=8×0,8=6,4 m² (altura 8 m, largura 0,8 m), Cw=1,6 (treliça de cantoneiras), Hmédio=4 m, Kh=0,7
Primeiro plano Fw2a=1,6×500×6,4×0,7=3.584 N
Segundo plano Fw2b=3.584×0,6=2.150 N
Total nos estabilizadores Fw2=2×(3.584+2.150)=11.468 N (2 grupos de estabilizadores)
Cabine do operador + sala elétrica: A3=6 m², Cw=1,2, H=10 m, Kh=0,7
Fw3=1,2×500×6×0,7=2.520 N
Carga total de vento em serviço Fw,total=21.294+11.468+2.520=35.282 N ≈ 35,3 kN
Esta carga de vento é utilizada na verificação da resistência ao tombamento do guindaste de pórtico em condições de serviço (em combinação com a carga suspensa, etc.). Em condições de não serviço, pnw=1000 Pa (zona costeira II); aplicando a mesma fórmula, obtém-se Fw,total=70,6 kN, utilizado na verificação do projeto do dispositivo de ancoragem contra vento — a força de aperto dos grampos de trilho + a resistência ao corte dos pinos de ancoragem devem ser ≥ 70,6 kN.
Exemplo prático — carga de vento numa grua de torre QTZ80
[Exemplo 2]Grua de torre QTZ80 interior — tempestade em condições de não serviço (pnw=700 Pa)
Parâmetros: Altura da torre H=40 m, secção da torre 1,6×1,6 m (quatro colunas de tubo φ159), lança com 55 m (treliça de cantoneiras)
Carga de vento na torre (Kh aplicado por segmentos):
Segmento 0~20 m: At1=1,6×20=32 m², Cw=1,6, Kh=0,9 → Fwt1=1,6×700×32×0,9=32.256 N
Segmento 20~40 m: At2=1,6×20=32 m², Cw=1,6, Kh=1,1 (valor médio) → Fwt2=1,6×700×32×1,1=39.424 N
Total na torre Fwt=32.256+39.424=71.680 N (incluindo redução de quatro colunas η=0,55)
Considerando as duas colunas do lado de barlavento totalmente expostas e as duas de sotavento com redução: 71.680×0,55≈39.424 N
Carga de vento na lança (treliça de cantoneiras Cw=1,8): Ab=55×1,2=66 m², H=40 m, Kh=1,2
Fwb=1,8×700×66×1,2=99.792 N
Carga de vento no braço de equilíbrio + contrapeso: Acb=12 m², Cw=1,3 → Fwcb=1,3×700×12×1,2=13.104 N
Carga de vento total fora de serviço Fw total=39.424+99.792+13.104=152.320 N ≈ 152,3 kN
Momento de tombamento por vento fora de serviço Mw=carga de vento de cada secção × respetivo braço de alavanca ≈ 2.206 kN·m (requer K≥2,0)
Este resultado apresenta um desvio de apenas 2,6% face ao valor do momento de tombamento fora de serviço indicado no Manual de Operação da grua QTZ80 (2.150 kN·m), validando a precisão do método de cálculo. Note-se que, devido ao efeito de redução do vento pela estrutura de quatro colunas da torre, a carga de vento real corresponde apenas a 50%~55% do valor calculado isoladamente.
Seis fatores críticos para a precisão do cálculo de carga de vento
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Perguntas Frequentes (FAQ)
Normas recomendadas
R: • GB/T 6974.6-2008 — Guindastes — Terminologia — Parte 6: Guindaste ferroviário
• GB/T 6974.7-2008 — Guindastes — Terminologia — Parte 7: Guindaste flutuante
• GB/T 24818.4-2009 — Guindastes — Acessos e dispositivos de segurança — Parte 4: Guindaste de lança
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