Análisis de fatiga de grúas de astillero mediante el análisis por elementos finitos (FEA) y el SDC Verifier

Por qué la fatiga supone un riesgo grave en las grúas de los astilleros

Las estructuras de las grúas de los astilleros incluyen numerosos detalles sensibles a la fatiga y que resultan familiares Retos relacionados con la fatiga de las soldaduras: uniones soldadas, uniones atornilladas, esquinas, transiciones y cambios locales en la geometría. Durante su uso, estos detalles se ven expuestos a variaciones repetidas de tensión derivadas de las operaciones de elevación y descenso. En un entorno marino, esa exigencia estructural se ve agravada por la humedad, la exposición a la sal y los cambios de temperatura.

El resultado es previsible: algunas zonas de la estructura presentan un riesgo de fatiga mucho mayor que otras. El análisis de tensiones de la grúa puso de manifiesto zonas de concentración de tensiones localizadas, especialmente en torno a las zonas con un elevado tensiones de soldadura y las transiciones estructurales bruscas, como los cambios en el espesor de las chapas y las interfaces estructurales. Estos son los puntos en los que es más probable que se inicien las grietas por fatiga si el diseño no se comprueba adecuadamente.

Figura 1. Distribución global de tensiones en el modelo de elementos finitos de la grúa del astillero, en el que se destacan las zonas seleccionadas para la evaluación de fatiga posterior en SDC Verifier.

Las limitaciones de la verificación manual de la fatiga

Un ingeniero puede llevar a cabo Análisis de la vida útil residual de las estructuras de las grúas o realizar cálculos de fatiga manualmente en Excel, Mathcad o herramientas similares. Sin embargo, este enfoque deja de ser viable rápidamente cuando el modelo incluye numerosos elementos estructurales, numerosos detalles de soldadura y numerosas condiciones de carga.

Los métodos manuales resultan viables cuando se comprueba un solo elemento bajo una única condición de carga. Sin embargo, no resultan eficientes cuando la tarea consiste en verificar un modelo completo de grúa bajo cientos o miles de combinaciones, además del flujo de trabajo general de diseño mediante análisis por elementos finitos (FEA).

Ahí es donde SDC Verifier transforma el proceso. Convierte la verificación de la fatiga de una tarea de posprocesamiento fragmentada en un flujo de trabajo de ingeniería repetible, integrado en el proceso más amplio de evaluación estructural.

Flujo de trabajo para el análisis de fatiga: modelo FEA y norma EN 13001-3-1+A2

Se elaboró un modelo de elementos finitos de la grúa prestando especial atención a las uniones soldadas críticas. El modelo de elementos finitos se construyó principalmente con elementos de capa que representaban las superficies medias de las chapas estructurales, junto con datos de materiales y un refinamiento local de la malla en las zonas sensibles a la fatiga. Dado que el modelo se basaba en elementos de capa, los efectos de las soldaduras no se representaron mediante un volumen de soldadura 3D explícito. En su lugar, SDC Verifier introdujo el comportamiento de las soldaduras de forma analítica mediante el reconocimiento de las mismas y la asignación de categorías de fatiga de acuerdo con la norma EN 13001-3-1+A2.

A continuación, se extrajo la zona de unión de la pluma de la grúa del modelo completo de elementos finitos para realizar una evaluación más detallada de la fatiga. Esto permitió centrar el refinamiento de la malla y la clasificación de la fatiga en los subcomponentes más críticos sin perder de vista el contexto de la estructura completa.

Zona de unión de la pluma de la grúa extraída del modelo global de elementos finitos, utilizada para la evaluación detallada de la fatiga en SDC Verifier.

Las cargas cíclicas aplicadas representaban las condiciones de funcionamiento de la grúa.

La verificación de la fatiga se llevó a cabo de conformidad con Verificación de grúas según la norma EN 13001 y, concretamente, la norma EN 13001-3-1+A2. En el análisis se utilizó el enfoque de «uso directo del historial de tensiones» para la evaluación de la resistencia a la fatiga, mientras que el parámetro del historial de tensiones se calculó automáticamente en SDC Verifier. Cuando era necesario, el flujo de trabajo también podía seguir el «método simplificado», lo que permitía al usuario definir los parámetros del historial de tensiones de forma independiente.

Los datos de los materiales y los parámetros de fatiga se asignaron de conformidad con la norma. Esto incluyó la selección de la categoría de fatiga, la constante de pendiente, el intervalo de tensión reducida y el factor de resistencia específico de la resistencia a la fatiga, cuando así lo exigían la categoría de detalle y las condiciones de inspección.

Tabla 1. Categorías representativas de fatiga para los detalles soldados considerados en el flujo de trabajo de la norma EN 13001-3-1+A2

Cómo contribuyó SDC Verifier a la comprobación de fatiga

Una de las principales ventajas prácticas de este proyecto fue la automatización.

Basándose en los resultados de las tensiones obtenidos mediante el análisis por elementos finitos (FEA) y en los principios utilizados en el Mediante el método de tensión en puntos críticos para la evaluación de soldaduras en el análisis por elementos finitos (FEA), SDC Verifier identificó automáticamente las zonas relevantes desde el punto de vista de la fatiga, tales como los pies de las soldaduras, las interfaces entre piezas soldadas y las transiciones estructurales bruscas. El software también distinguió entre piezas soldadas, placas base y otros detalles sensibles a la fatiga, de modo que se pudieran asignar las categorías de fatiga correctas de forma coherente en todo el modelo.

Para cada punto crítico relevante, se aplicaron la categoría de fatiga correspondiente y la curva S-N con el fin de estimar la vida útil a fatiga. En la práctica, esto supuso evaluar el mismo detalle de unión en distintas direcciones de tensión y asignar la resistencia a la fatiga de acuerdo con la condición local determinante. Pequeños cambios geométricos en los detalles soldados pueden alterar sustancialmente la predicción de la vida útil a la fatiga, y precisamente por eso son importantes el reconocimiento automático y la asignación coherente de categorías.

Figura 3. Clasificación de fatiga de la zona de unión de la pluma de la grúa en la dirección Y, en la que se muestra cómo los detalles soldados y las transiciones estructurales reciben diferentes categorías de fatiga según la norma EN 13001-3-1+A2.

Figura 4. Clasificación de fatiga de la misma zona de unión de la pluma de la grúa en la dirección X, en la que se muestra cómo varían las categorías de fatiga asignadas en función de la orientación de los detalles y la configuración local de las soldaduras.

Figura 5. Clasificación de fatiga determinante de la zona de unión de la pluma de la grúa, basada en el resultado más crítico de las comprobaciones realizadas por separado en las direcciones X e Y.

En los casos en que los elementos de la grúa estaban sometidos a cargas de amplitud variable, SDC Verifier utilizó la regla de daño lineal de Palmgren-Miner para evaluar el daño por fatiga acumulado. El software también tuvo en cuenta factores que influyen de manera significativa en la vida útil a fatiga, como el historial de tensiones y el estado de la superficie. En lugar de dejar esa acumulación en manos de hojas de cálculo manuales, SDC Verifier la gestionó automáticamente en todos los puntos críticos identificados en el modelo.

Resultados y validación del diseño

Los resultados pusieron de manifiesto que el comportamiento frente a la fatiga no era uniforme en toda la grúa.

La viga principal, sometida principalmente a flexión vertical, demostró una vida útil por fatiga considerablemente superior a la vida útil de diseño exigida. Por el contrario, varias zonas de unión presentaron márgenes de fatiga más reducidos, ya que la geometría local de las soldaduras y las concentraciones de tensiones biaxiales aumentaron el deterioro en más de una dirección de tensión.

Los resultados de los ensayos de fatiga posteriores confirmaron el mismo patrón. Los puntos críticos no se distribuían de forma generalizada por toda la estructura, sino que se concentraban en detalles de unión específicos, interfaces soldadas y transiciones estructurales locales.

El análisis más amplio de la vida útil por fatiga de la pluma reveló el mismo patrón desde el punto de vista de la ingeniería: la estructura general se mantenía dentro de los límites aceptables, mientras que un pequeño número de detalles de las uniones locales determinaban la evaluación de la fatiga.

Figura 7. Distribución global de la vida útil a la fatiga a lo largo de la pluma de la grúa, en la que se observan puntos críticos localizados en las zonas de unión, frente a una respuesta estructural que, por lo demás, resulta aceptable.

Los resultados del análisis sirvieron de base para la toma de decisiones prácticas en materia de ingeniería:

• algunos detalles se aceptaron tal y como estaban previstos,
• algunas requerían una mejora en la calidad de la soldadura,
• y algunas se rediseñaron mediante modificaciones geométricas locales.

Por eso es importante la verificación de la fatiga en todo el modelo. Una grúa puede parecer adecuada a nivel global y, sin embargo, presentar detalles locales que determinan su vida útil frente a la fatiga.

¿Por qué el SDC Verifier resulta más práctico que la comprobación manual de la fatiga?

Un ingeniero con experiencia puede calcular la fatiga manualmente en Excel, Mathcad o herramientas similares. Sin embargo, ese método suele ser válido únicamente para un elemento bajo una única condición de carga cada vez. En el caso de una grúa de astillero, donde es necesario comprobar múltiples detalles soldados en numerosos casos de funcionamiento, este método se vuelve rápidamente lento, inconsistente y propenso a errores.

SDC Verifier, que se ejecuta directamente en su entorno de análisis por elementos finitos (FEA), ayuda a los ingenieros a:

• verificar modelos completos de grúas en lugar de detalles aislados,
• procesar cientos o miles de combinaciones de carga en un único flujo de trabajo,
• aplicar los controles de fatiga de la norma EN 13001-3-1+A2 de forma más coherente,
• reducir los errores de transferencia y transcripción manuales,
• y generarinformes de verificación de ingeniería exportables para su revisión y documentación.

El resultado no es solo un análisis de fatiga más rápido. Se trata de una cobertura más amplia, una verificación más reproducible y una menor probabilidad de pasar por alto los detalles locales que determinan la vida útil frente a la fatiga.

Conclusión

El caso de la grúa de este astillero ilustra por qué la verificación de la fatiga no debe considerarse una tarea manual aislada.

En las estructuras de grúas soldadas, los detalles determinantes no suelen ser los más evidentes. El riesgo de fatiga es local, depende del historial de cargas y resulta fácil subestimarlo si el flujo de trabajo está fragmentado. Al combinar los resultados del análisis por elementos finitos (FEA) con las comprobaciones de fatiga automatizadas en SDC Verifier, los ingenieros pueden identificar los puntos críticos con mayor rapidez, aplicar los requisitos de la norma EN 13001 de forma más coherente y validar el comportamiento frente a la fatiga en toda la estructura con menos esfuerzo manual.

Para los equipos de diseño de grúas que trabajan en estructuras para carga pesada, lo que se traduce en un proceso de verificación más fiable y escalable, desde los resultados del análisis por elementos finitos (FEA) hasta la aprobación definitiva del diseño.