Norma ISO 21657:2017 — Método dos Estados Limites em Guindastes

Princípios fundamentais do dimensionamento por estados limite

A Kelude Indústrias Pesadas segue rigorosamente as normas nacionais na sua produção. A diferença entre o método de dimensionamento por estados limite (LSD) introduzido pela ISO 21657:2017 e o método de tensões admissíveis (ASD) adotado pela especificação de projeto de ponte rolante GB/T 3811 é a seguinte: no método ASD, a tensão máxima calculada para cada combinação de cargas é limitada à tensão admissível do material. A tensão admissível é igual ao limite de escoamento do material dividido pelo fator de segurança. O fator de segurança é fixo (por exemplo, 1,5). Não se distingue o peso diferente que os diferentes tipos de cargas (carga permanente/carga variável) têm na segurança. No método LSD, os efeitos das cargas de dimensionamento (esforços internos estruturais) em cada estado limite são limitados à capacidade de carga da estrutura. Os diferentes tipos de cargas (peso próprio, carga suspensa, carga de vento, força de inércia) são multiplicados por diferentes coeficientes parciais de segurança (coeficientes parciais de carga) — determinados de acordo com o seu grau de influência e importância para a segurança. A capacidade de carga (resistência) também é multiplicada por um coeficiente parcial de resistência (<1) — refletindo de forma mais precisa a fiabilidade real dos materiais e da estrutura. O método LSD divide os estados limite em duas categorias: estado limite último (ELU) — a estrutura não sofre rutura, instabilidade ou tombamento sob a ação das cargas de dimensionamento máximas — exigindo o nível de segurança mais elevado. Estado limite de utilização (SLS) — a estrutura não apresenta deformações, vibrações e fissuras excessivas sob cargas de utilização normais — afetando a operação normal do equipamento, mas sem causar acidentes de segurança. A norma exige que a estrutura do guindaste satisfaça simultaneamente os requisitos de ELU e SLS — verificados separadamente — adotando a condição mais severa para controlar o dimensionamento.

Coeficientes parciais e combinação de cargas

Os coeficientes parciais de segurança e as combinações de cargas especificados pela norma são: carga permanente (G) — peso próprio do guindaste, contrapeso e acessórios fixos (coeficiente parcial γG=1,2). Carga variável (Q) — carga de elevação (carga suspensa — incluindo o peso próprio do spreader e dos materiais) — coeficiente parcial γQ=1,5 (para carga de elevação) ou γQ=1,35 (para carga de vento). Carga acidental (A) — como cargas de colisão e carga sísmica (coeficiente parcial γA=1,0). Princípio da combinação de cargas — adotar a combinação mais desfavorável (aquela que produz os maiores esforços internos na estrutura). Combinação fundamental (utilização normal) — combinação ELU = 1,2 × carga permanente + 1,5 × carga de elevação + 1,35 × carga de vento × coeficiente de combinação — coeficiente de combinação Ψ (probabilidade de ocorrência simultânea da carga de vento e da carga de elevação × 0,6~0,7). Combinação extrema (condição fora de serviço) — combinação ELU = 1,0 × carga permanente + 1,25 × carga de vento máxima (pressão do vento em condição fora de serviço) — na condição fora de serviço não se considera a carga de elevação (gancho em vazio). Combinação de cargas de fadiga — utilizada para a verificação da vida útil à fadiga — coeficiente parcial de carga = 1,0 — adotando o espectro de carga de fadiga (o nível de carga com maior frequência de utilização — não a carga máxima). A norma introduz também o "índice de fiabilidade" β — quanto maior o valor de β, menor a probabilidade de falha da estrutura — fiabilidade alvo β=3,0~4,5 (correspondendo a uma probabilidade de falha de aproximadamente 0,001~0,00003). O valor de β depende das consequências da rutura da estrutura (nível de segurança) — nível de segurança I (consequências graves — como Ponte Rolante de Lingotamento para içamento e transporte de metal fundido, grandes gruas de torre) — β≥4,0 — nível de segurança II (consequências graves em geral — guindastes de uso geral) — β≥3,5 — nível de segurança III (consequências relativamente ligeiras — pequenos guindastes de manutenção) — β≥3,0.

Verificação do estado limite último

Os itens de verificação do estado limite último especificados pela norma são: verificação de resistência — tensão normal na seção transversal σ≤f_y/γM (f_y é o limite de escoamento do aço — γM é o coeficiente parcial de resistência (1,0~1,15 — dependendo do tipo de material e do modo de rutura) — tensão de cisalhamento τ≤f_y/(√3·γM)). Verificação de estabilidade — estabilidade geral (estabilidade no plano e fora do plano de elementos comprimidos e fletidos sob momento fletor — calculada segundo a fórmula de Euler e coeficientes de momento equivalente) — estabilidade local (a relação largura-espessura dos elementos deve satisfazer os limites — a mesa comprimida e a alma não devem sofrer flambagem local). Verificação à fadiga — classe de fadiga dos detalhes — classificados de acordo com o tipo de detalhe da junta soldada (como solda de topo, solda de filete, furos de parafuso, metal base, etc. — cada tipo de detalhe corresponde a uma curva S-N de resistência à fadiga diferente) — espectro de carga de fadiga (amplitude de tensão Δσ de cada nível de carga de fadiga e o respetivo número de ciclos n — segundo o critério de dano acumulado linear de Palmgren-Miner — dano total D≤1,0). Verificação de rigidez (SLS) — deflexão máxima no meio do vão da viga principal sob carga nominal ≤L/700~L/1000 (determinada de acordo com a Classe de serviço da grua e os requisitos de precisão de posicionamento). Verificação por mecânica da fratura — para guindastes em serviço — quando são detetadas trincas em pontos críticos — utiliza-se a mecânica da fratura para calcular a velocidade de propagação da trinca e o comprimento crítico da trinca sob cargas específicas — determinando o número de ciclos ou o tempo de uso seguro até à próxima inspeção. A norma enfatiza particularmente que a precisão do cálculo pelo método LSD depende da estimativa precisa dos parâmetros de carga e dos parâmetros do material — a incerteza dos parâmetros deve ser devidamente considerada no dimensionamento — devendo ser adotados coeficientes parciais mais conservadores quando necessário.

Comparação entre o método LSD e o método ASD

A análise comparativa entre o método LSD e o método ASD apresentada na norma: a distribuição da margem de segurança é diferente — o método ASD concentra todo o fator de segurança (1,5) no lado da resistência (tensão admissível = limite de escoamento / 1,5) — sem distinguir o tipo de carga — todas as cargas são tratadas da mesma forma. O método LSD distribui a margem de segurança entre o lado das cargas (coeficientes parciais de carga >1) e o lado da resistência (coeficiente parcial de resistência <1) — quanto mais imprevisível a carga (como a carga de vento), maior o coeficiente parcial — quanto mais controlável (como o peso próprio), menor o coeficiente parcial — mais científico. O método LSD permite obter dimensionamentos mais económicos para o mesmo nível de fiabilidade alvo — porque a probabilidade de todas as cargas atingirem simultaneamente o seu valor máximo numa combinação é reduzida — refletida através do coeficiente de combinação (Ψ) — a carga de projeto é mais próxima do nível de carga real do que no método ASD — permitindo uma redução de 5%~15% no peso estrutural. O método de verificação à fadiga é diferente — o método ASD utiliza um único fator de segurança global na verificação à fadiga — o método LSD utiliza o método de dano acumulado baseado nas curvas S-N — quantificando o dano por fadiga de forma mais precisa. A norma considera que, para guindastes grandes e importantes (de grande tonelagem e alta Classe de Funcionamento), o método LSD é mais preciso e seguro que o método ASD — recomendando a sua utilização no dimensionamento de guindastes críticos. Para guindastes de uso geral de pequeno e médio porte — o método ASD é mais simples de calcular — satisfazendo os requisitos de utilização. A norma conclui que o dimensionamento de guindastes a nível internacional está atualmente em transição do método ASD para o método LSD — constituindo a ISO 21657 o quadro técnico para a atualização das normas nacionais.

Perguntas Frequentes