Norma GB/T 22437.1-2008 para Pontes Rolantes: Cargas e Combinações
A norma GB/T 22437.1-2008 — «Guindastes — Cargas e combinações de cargas — Parte 1: Princípios gerais» é o método de referência para o cálculo de cargas de projeto em guindastes. A norma especifica a classificação, a determinação de valores de carga e as regras de combinação para os diversos tipos de cargas, sendo usada em conjunto com a norma GB/T 3811 (especificação de projeto de ponte rolante). Constitui o pré-requisito para a verificação de resistência da estrutura metálica e dos mecanismos.
A norma GB/T 22437.1-2008 adota, por equivalência, a norma ISO 8686-1:1989, sendo o método específico para o cálculo de cargas em guindastes. Na fase de projeto, é necessário determinar todas as cargas que o guindaste poderá suportar ao longo da sua vida útil e proceder à verificação da resistência estrutural e da estabilidade com base nas combinações de cargas mais desfavoráveis. A norma é aplicável ao cálculo de cargas de diversos tipos de guindastes e especifica os métodos de determinação de valores e os coeficientes de combinação para cargas permanentes, cargas de elevação, cargas de inércia, cargas de vento, cargas de temperatura e cargas especiais.
Sistema de classificação de cargas
A norma divide todas as cargas suportadas pelo guindaste em três categorias. Cargas regulares (Categoria I) — cargas que ocorrem com frequência durante as operações normais do guindaste, incluindo: carga permanente (peso próprio da estrutura e dos equipamentos), carga de elevação nominal (capacidade de elevação máxima incluindo o peso do spreader), cargas de inércia de arranque e travagem (aceleração do mecanismo de elevação no arranque e forças de inércia horizontais resultantes da aceleração/desaceleração do mecanismo de translação), carga de vento em estado de trabalho (calculada com base nas zonas de pressão de vento locais e no coeficiente de altura) e forças laterais devidas à deslocação oblíqua (forças de guiamento horizontais geradas durante a translação da ponte). Cargas irregulares (Categoria II) — cargas que podem ocorrer em condições anormais de operação, incluindo: carga de vento em condição fora de serviço (calculada com base na velocidade máxima do vento com período de retorno de 50 anos), cargas de paragem inesperada, cargas de teste e cargas de temperatura. Cargas especiais (Categoria III) — cargas de ocorrência rara mas com consequências graves, incluindo: carga sísmica, cargas de colisão e cargas especiais do processo.
Cada categoria de carga utiliza coeficientes parciais de segurança distintos, refletindo o impacto da probabilidade de ocorrência e da duração da carga na segurança estrutural. Os coeficientes parciais de segurança para cargas da Categoria I variam entre 1,0 e 1,3 (1,0 para cálculo de fadiga); para a Categoria II, entre 1,0 e 1,1; e para a Categoria III, 1,0. Quanto maior o coeficiente parcial de carga, maior a imprevisibilidade da carga e maior a redundância de segurança exigida. A norma enfatiza que o pessoal de projeto deve selecionar corretamente a categoria de cada carga: não é permitido classificar cargas da Categoria II como Categoria I para reduzir os requisitos de segurança, nem classificar cargas da Categoria I como Categoria II, o que resultaria em um projeto conservador e desnecessariamente dispendioso.
Regras de combinação de cargas
A combinação de cargas é o conteúdo principal da norma. A norma especifica três condições de combinação — A, B e C: Combinação A — estado de trabalho sem vento (utilizada para o cálculo de resistência à fadiga e verificação da potência do motor), incluindo: carga permanente + carga de elevação + carga de inércia + forças laterais de deslocação oblíqua, com fator de segurança de 1,50 (fadiga) / 1,25 (fadiga local). Combinação B — estado de trabalho com vento (utilizada para o cálculo de resistência estática), adicionando a carga de vento em estado de trabalho à combinação A, com fator de segurança de 1,34. Combinação C — condição fora de serviço (utilizada para a verificação da estabilidade anti-tombamento e segurança contra o vento), incluindo: carga permanente + carga de vento em condição fora de serviço ou outras cargas especiais, com fator de segurança de 1,15.
Disposições específicas para a determinação de valores de carga nas combinações: a carga permanente é calculada com base no peso real da estrutura; a carga de elevação inclui a capacidade nominal e o peso do conjunto do spreader, multiplicada pelo fator de carga dinâmica φ2 (1,0~1,2); o coeficiente de impacto de elevação φ1 é de 1,1~1,3. As cargas de inércia são calculadas com base nas acelerações/desacelerações de cada mecanismo e nas massas em movimento: a força de inércia do mecanismo de elevação é φ5 × carga de elevação (φ5 é o fator de carga dinâmica para acionamento com variação de velocidade), e a força de inércia do mecanismo de translação é massa em translação × aceleração de translação. A carga de vento é calculada de acordo com o mapa de zonas de pressão de vento e o coeficiente de altura do anexo A da norma GB/T 3811. As forças laterais de deslocação oblíqua são calculadas pela fórmula empírica F = λ × ΣP (λ é o coeficiente de força lateral, ΣP é a carga total por roda). O pessoal de projeto deve selecionar a combinação de cargas mais desfavorável com base nas condições reais de serviço do guindaste.
Coeficiente de Impacto: Valores e Condições de Aplicação
O coeficiente de impacto dinâmico (coeficiente φ) é um parâmetro essencial no cálculo de carga. A correta interpretação e seleção destes coeficientes é fundamental para garantir a precisão do projeto. φ1 — coeficiente de impacto na elevação inicial (1,1~1,3): quando a carga é içada rapidamente do solo, a elasticidade do cabo de elevação gera um efeito de amplificação de carga dinâmica no momento do desprendimento. O valor depende da Velocidade de Elevação e da Rigidez do cabo de aço. φ2 — coeficiente de impacto na elevação (1,0~1,2): considera os choques durante o arranque e a Frenagem do mecanismo de elevação. φ3 — coeficiente de descarga súbita (1,5~2,0): reflete situações extremas de queda acidental da carga, aplicável em caso de Ruptura de cabo de aço ou Desprendimento da carga. φ4 — coeficiente de impacto em deslocamento: depende do estado das Juntas de Trilho e da Velocidade de Translação; para trilhos de Junta lisa, adota-se 1,1~1,3. φ5 — coeficiente de impacto para acionamento com velocidade variável: utilizado no cálculo da força de inércia durante o arranque e a paragem do mecanismo de elevação. φ6 — coeficiente de impacto para carga de teste (1,0~1,1): aplicado no cálculo de carga durante o Ensaio de Carga Dinâmica.
A seleção dos coeficientes de impacto deve ser determinada em função das condições de operação do guindaste, da Classe de Funcionamento e da natureza das cargas. Por exemplo, a probabilidade de descarga súbita numa Ponte Rolante de Lingotamento é superior à de um guindaste Padrão, pelo que o coeficiente φ3 deve adotar valores mais elevados. No caso de um Guindaste portuário, sujeito a operações frequentes e com maior número de Juntas de Trilho, o coeficiente φ4 deve ser selecionado no limite superior. Para guindastes das Classes de Funcionamento A7 a A8, os valores dos coeficientes de impacto devem ser cerca de 10% a 15% mais rigorosos do que para as Classes A1 a A3. A Norma estabelece ainda que não devem ser combinados simultaneamente os valores máximos de vários coeficientes de impacto; a combinação deve ser selecionada de forma racional, de acordo com as condições reais de serviço. A Kelude Indústrias Pesadas seleciona rigorosamente os coeficientes de impacto de acordo com a norma, validando cada parâmetro com base nas condições reais de operação do cliente.
Combinações de Cargas e Tabela Comparativa de Coeficientes
A tabela comparativa seguinte resume as três combinações de cargas, incluindo os respetivos Fatores de segurança e os tipos de cálculo aplicáveis. O pessoal de projeto deve selecionar corretamente a combinação adequada com base na Classe de Funcionamento real do guindaste e nas condições ambientais de trabalho.
| Combinação | Inclui Carga | Fator de segurança | Cálculo de Aplicação |
|---|---|---|---|
| A | Peso Próprio+Elevação / Içamento+Inércia+Força Lateral | 1.50(Fadiga1.25) | Resistência à Fadiga/potência do motor |
| B | ACombinação+carga de vento em estado de trabalho | 1.34 | resistência estática |
| C | Peso Próprio+condição fora de serviço Vento/cargas especiais | 1.15 | resistência ao tombamento/Segurança Anti-Vento |
Método de cálculo da carga de vento
A carga de vento é uma carga ambiental relevante no cálculo de projeto de gruas. A norma especifica que a carga de vento deve ser calculada conforme o Anexo A da norma ISO 4301 / FEM 1.001: a pressão dinâmica do vento em condição de trabalho é de 150~250 Pa (conforme a zona de pressão de vento da região), e em condição fora de serviço é calculada com base na velocidade máxima do vento com período de retorno de 50 anos. A fórmula de cálculo da carga de vento é Fw = Cw × p × A, onde Cw é o coeficiente de força do vento (depende da forma da estrutura e do fator de redução por obstrução), p é a pressão dinâmica do vento e A é a área frontal exposta da estrutura. Para estruturas treliçadas, a área frontal exposta deve ser calculada aplicando o fator de redução por obstrução. A norma também especifica que, no cálculo em condição fora de serviço, deve ser considerado o efeito de rajada — adotando o coeficiente de amplificação dinâmica β = 1,6~2,0, para ter em conta o efeito de amplificação das flutuações do vento sobre a estrutura. Em estruturas altas e esbeltas (como gruas de torre), o efeito de rajada é mais significativo, devendo adotar-se valores mais elevados. Em zonas costeiras e terrenos abertos, a pressão dinâmica do vento é cerca de 15%~25% superior à das zonas urbanas interiores; o projeto deve ter em conta a zona de pressão de vento correspondente à posição de instalação da grua.
A norma destaca ainda o tratamento de situações especiais no cálculo da carga de vento: em condição fora de serviço, a área frontal exposta da grua deve ser calculada na direção mais desfavorável (incluindo a área projetada das partes rotativas em diferentes ângulos de giro). Para gruas com rotação, em condição fora de serviço o gancho e o carro devem ser posicionados de forma a reduzir a carga de vento — normalmente o carro é deslocado para junto do mastro de torre e o gancho é elevado até à posição mais alta. A força de aperto dos dispositivos de segurança antivento (grampos de trilho, dispositivos de ancoragem, cabos antivento, etc.) ou a força de ancoragem devem ser calculadas com 1,25 vezes a carga de vento em condição fora de serviço, garantindo que a grua não sofra deslizamento ou tombamento em condições de vento extremo.
Perguntas frequentes sobre cargas de vento
P: Qual é a relação entre a norma ISO 4306 e a ISO 4301 / FEM 1.001?
R: A ISO 4301 / FEM 1.001 é a norma de referência para o projeto de gruas, abrangendo o cálculo de carga, a verificação estrutural, a seleção de mecanismos, entre outros aspetos. A ISO 4306 é a norma específica para o método de cálculo de cargas, com disposições mais detalhadas sobre a classificação e a combinação de cargas; as duas normas são usadas em conjunto.
P: Porque é que o fator de segurança da combinação C (1,15) é inferior ao da combinação A (1,50)?
R: Porque a combinação C corresponde a cargas extremas em condição fora de serviço (como ventos com período de retorno de 50 anos), cujos valores já incorporam uma margem de segurança considerável, pelo que o fator de segurança estrutural pode ser reduzido. A combinação A corresponde a cargas regulares de utilização frequente, exigindo uma margem de segurança superior para fazer face aos efeitos acumulados de fadiga.
P: Porque é que o fator de carga dinâmica φ3 é o mais elevado (1,5~2,0)?
R: O φ3 é o coeficiente de descarga súbita, correspondente à situação de queda acidental da carga suspensa. Neste caso, a energia potencial elástica armazenada no cabo de aço é libertada subitamente, gerando uma carga de impacto inversa na estrutura. Embora esta situação seja rara, as suas consequências são graves, pelo que se adota um coeficiente mais elevado.
P: Quantas condições de operação devem ser consideradas simultaneamente na combinação de cargas?
R: A norma exige que, para cada tipo de grua, se considere a combinação A, B ou C, adotando como base de projeto a que apresentar o resultado mais desfavorável. Para gruas com classe de funcionamento superior a A6, a combinação A deve ser sujeita a verificação da resistência à fadiga, não podendo ser omitida.
