Análisis de Vida Residual para Estructuras de Grúas. Cómo evitar las grietas y la fatiga de las grúas
Yurii Shumak
Por qué es importante conocer la vida útil de su grúa
Las grúas, así como otras estructuras soldadas sometidas a cargas repetitivas, experimentan fatiga siempre que están en funcionamiento. Los componentes de estas estructuras tienen una vida de diseño finita correlacionada con la cantidad de ciclos de uso y no con el tiempo natural. Por lo tanto, la vida de diseño de las estructuras se mide en ciclos de trabajo, no en horas de funcionamiento.
La vida útil de una grúa es uno de los criterios cruciales del aspecto económico de poseer y mantener cualquier aparato elevador o estructura sometida a cargas repetitivas. Porque el gráfico de los gastos a lo largo de la vida útil no es lineal, y dentro de un tiempo determinado, los costes de mantenimiento, actualizaciones, modificaciones e inspecciones aumentan debido a la necesidad de las reparaciones.
Las revisiones periódicas son suficientes para identificar los riesgos y apoyar el cumplimiento. Pero existe una alta probabilidad de pasar por alto algunos fallos, y el precio de las revisiones posteriores será demasiado alto. Y la probabilidad de que se produzcan esos fallos aumenta con el tiempo, siendo la más alta cuando se acerca el final de la vida útil del diseño.
Por tanto, conocer la vida útil de diseño restante de la grúa y sus componentes proporciona una estimación del límite de vida operativa segura. Siempre se basa en el uso real, y conocer la vida útil de diseño de la grúa permite planificar la modernización oportuna para prolongar la vida útil. Si la modernización se salta en algún momento, las operaciones serán posibles, pero con fallos potenciales, y cada minuto u hora de inactividad del equipo de elevación es demasiado caro. Anteriormente, era práctica común cambiar los componentes estructurales en un ciclo de cinco años para garantizar su integridad. Aún así, este proceso de mantenimiento puede llevar un par de semanas, obstaculizando o retrasando el trabajo en la cubierta. Es mejor pensar por adelantado.
Criterios cruciales para un análisis de fatiga adecuado
Comprender la fatiga estructural de las grúas buque-tierra y su estado general es vital para garantizar la integridad de las operaciones en cubierta y cumplir los requisitos de seguridad. Una parte crítica del análisis de la fatiga es determinar un ciclo de vida preciso. En la mayoría de los casos, obtener información fiable para elegir el ciclo de vida de la grúa puede ser todo un reto.
Muchas de las grúas actuales disponen de un sistema de registro del indicador de carga con un historial completo de cada elevación, en el que se detalla el peso y la posición en la que se encontraba el carro cuando ésta tuvo lugar. Esto es ideal para el análisis de fatiga, pero muchas grúas envejecidas no dispondrán de esta información o, si la tienen, sólo estará disponible para una pequeña proporción de la vida útil de la grúa. Aquí los entornos de modelado vienen a ayudar. Cuando se habla de verificación de la fatiga con la ayuda de la simulación de elementos finitos, hay algunos puntos clave para un análisis adecuado: un enfoque de modelado dedicado, que tenga en cuenta los casos de uso y la distribución de la carga sobre la estructura, la detección de soldaduras y la definición de los tipos de soldadura.
Creación de un modelo AEF específico
Normalmente, los ingenieros empiezan con un modelo simple de viga y construyen gemelos digitales, es decir, un modelo informático de la estructura para simular el comportamiento y aplicar todos los escenarios posibles de carga para ejecutar el análisis. Normalmente, este es el principio y el final del análisis. Entonces reciben unos valores de factor de utilización o factores de utilización por todas las secciones transversales del miembro estructural que se limitan a resaltar las zonas de pico en el modelo, que son muy aproximados y no indican la localización clara del problema ni la solución para el mismo.
SDC Verifier aplica un enfoque diferente, que consiste en construir un modelo muy detallado con elementos de armazón o incluso sólidos en las ubicaciones sometidas a algunos puntos de dolor potenciales. El análisis no termina en la fase del modelo 1D, sino que continúa con un modelo de placa muy detallado con malla fina. Esto permite obtener resultados muy precisos y obtener los resultados correctos en las soldaduras porque las grietas debidas a la fatiga tienen más probabilidades de producirse en las soldaduras. SDC Verifier dispone de herramientas especiales para detectar automáticamente soldaduras en este tipo de modelos e indicar puntos reales de daños y resultados reales para las soldaduras. El ingeniero no sólo tendrá una localización aproximada de los problemas potenciales, sino que, como resultado de las comprobaciones de los daños por fatiga en las soldaduras, conocerá la cantidad restante de ciclos hasta el fallo.
A menudo, en los modelos sencillos, los conjuntos de bogies se modelan como un triángulo rígido para simular las condiciones límite, pero hemos realizado una evaluación que demuestra que el modelo detallado del conjunto de bogies tiene una influencia significativa en la rigidez de la estructura. Siempre recomendamos modelar los conjuntos de bogies con los elementos de cáscara y tan detallados como sea posible porque a veces hay hasta un 25% de diferencia en los resultados de rigidez.
Teniendo en cuenta los casos de uso y las distribuciones de carga
Otro criterio crucial para un análisis de fatiga adecuado es construir una distribución correcta de la carga de trabajo sobre la estructura. Además de la carga de gravedad, la carga del pórtico y las cargas del viento (tormentas), las grúas tienen alguna carga de desplazamiento/elevación o de elevación: un carro o una cuchara. Es esencial determinar detalladamente la cantidad de posiciones de esta carga, cada lugar donde el esparcidor está conectado al contenedor donde la grúa tiene un ciclo de elevación o carga/descarga, y lo más detalladamente posible la cantidad de distribución de los ciclos sobre la longitud de la pluma y el puente, ya que la vida de diseño se determina en ciclos. Si estamos analizando una grúa ya en funcionamiento, es importante utilizar los datos de los sensores y los análisis para construir todos los escenarios de carga posibles.
Se recomienda pensar de forma proactiva y programar las revisiones y modificaciones por fatiga en función de la vida útil prevista.
Para una simulación precisa de todas las condiciones de carga en el modelo, SDC Verifier habilita una interfaz para la combinación lineal de cargas. Se trata de una tabla similar a una matriz en la que tenemos las cargas individuales como columnas y las combinaciones de carga como filas. El ingeniero puede combinar algunos casos regulares, casos de viento, frenos de emergencia, estabilidad. Y luego casos de carga por fatiga, donde se incluye la fatiga de cada carga en cada posición combinada con la gravedad, las aceleraciones del carro, las fuerzas de inercia. Además, con esta combinación de cargas, se pueden simular carros llenos y vacíos. Cambiando los coeficientes, el ingeniero de AEF puede simular cualquier peso del carro o carga levantada disponible.
Los ingenieros pueden construir cientos o incluso miles de combinaciones de carga que tendrán en cuenta cualquier condición que pueda darse en la estructura de la grúa. Las combinaciones de carga pueden combinarse en los grupos de carga, que son conjuntos envolventes de resultados. Con SDC Verifier, es posible crear grupos de fatiga, lo que permite combinar casos en determinada posición y asignarles una cantidad adecuada de ciclos.
Detección automática de soldaduras
Dado que la fatiga se produce principalmente en las soldaduras, es importante encontrar todas las soldaduras del modelo. SDC Verifier dispone de una herramienta especial de búsqueda de soldaduras que detecta automáticamente las soldaduras, los tipos de soldaduras y las intersecciones de soldaduras en los modelos de armazón (placas) para determinar el rango de tensiones admisible (que se denomina clase de entalladura, clase de soldadura o clase FAT en diferentes normas). También reorienta las tensiones del sistema de coordenadas de los elementos en la dirección de la soldadura.
Para detectar automáticamente las soldaduras, Weld Finder tiene en cuenta cada cambio de propiedad, cada cambio de material, cambio de espesor o una conexión de un ángulo determinado para determinar los elementos que forman esta conexión como soldadura. Después, SDC Verifier transforma las tensiones en las direcciones de la soldadura. Esto permite crear una clasificación de las soldaduras, ya que sabemos que las tensiones a lo largo de las soldaduras, perpendiculares y en las direcciones de cizalladura conducen a una resistencia a la fatiga diferente en función de la dirección de la soldadura. Para un millón de elementos finitos, se tarda aproximadamente un minuto en encontrar todas las soldaduras.
Normas industriales para el análisis de fatiga en estructuras de grúas
El análisis de fatiga no es sólo una cuestión de predicción de daños o financiera. Se trata de una norma industrial. Las empresas tienen que cumplir las reglas y regulaciones de normas específicas si quieren obtener la certificación de su grúa. Dentro de la biblioteca de SDC Verifier, es posible realizar comprobaciones de acuerdo con múltiples normas y reglamentos de las sociedades de certificación o documentos normativos de la industria.
SDC Verifier aplica normas especializadas para grúas, como DIN 15018(Grúas; estructuras de acero; verificación y análisis), EN 13001(Seguridad de las grúas – Diseño general – Norma de grúas), F.E.M. 1.001 (Normas para el diseño de aparatos elevadores), y en general, describiendo la fatiga en estructuras de acero – EN 1993-1-9 (Eurocódigo 3 Diseño de estructuras de acero, Fatiga, 2005), FKM (5ª y6ª ediciones)(Directriz Verificación de la resistencia calculada de componentes de máquinas), DVS 1612(Verificación de la fatiga del acero y verificación de la tensión estática), DNV RP-C203 (Diseño de la fatiga de estructuras de acero offshore abril 2016). Cada norma prescribe la calidad de las soldaduras para asignar la curva S-N y determinar la resistencia a la fatiga de las soldaduras.
Al empezar a crear una comprobación, el ingeniero debe indicar algunos parámetros que SDC Verifier no puede recuperar del modelo automáticamente, por ejemplo, elegir el método de cálculo como el método de diseño de estado límite (también conocido como diseño de factor de carga y resistencia(LRFD)) o el método de diseño de tensión admisible(ASD), determinar el factor de resistencia específico, etc. Todas las fórmulas y detalles de cálculo de las normas son abiertos y existe la posibilidad de crear una comprobación personalizada o modificar una existente. Los resultados de AEF del modelo pueden utilizarse como variables en las comprobaciones personalizadas.
Precisión de los resultados
Los resultados en SDC Verifier se determinan con centímetros o milímetros en algunos casos, y es posible destacar algunas zonas con algún tipo de grieta. Por ejemplo, se encontró una grieta de 30 cm debajo de un doble techo, por lo que no se detectó durante las inspecciones regulares, pero después de nuestra evaluación e informe de cálculo, se encontró una enorme grieta que se propagaba en esta zona. No sólo es posible mejorar con precisión el diseño para el futuro si el problema ya se ha producido, sino también simular y comprender por qué se ha producido y sugerir mejoras.
La funcionalidad del SDC Verifier no sólo permite presentar los resultados de las comprobaciones de fatiga de las estructuras de grúas en diversas materias (gráficos, tablas), sino que también permite construir un informe automático completo basado en plantillas del procedimiento de cálculo, con descripciones de los modelos, resultados generales del AEF, comprobaciones de códigos. Cuando tenga que hacer algunos arreglos de última hora, cambios en el diseño, mejoras o modificaciones, es muy fácil volver al software de AEF para aplicar los cambios (cambiar los espesores, ajustar los filetes, modificar el tipo de soldadura si es necesario), recalcularlo todo y volver a generar el mismo informe una vez más.
Ayuda para los planes de inspección y también para la mejora del diseño y la comparación de las diferentes etapas de diseño. En casos de proyectos de modificación cuando se compara la rigidez y un daño por fatiga antes y después de las modificaciones, o cualquier otro resultado por igual (rigidez, nivel de tensión, resistencia de la soldadura) basta con apartar dos informes y comparar el resultado antes y después.
Competir con hojas de cálculo. Por qué SDC Verifier es mejor
Un ingeniero experimentado puede realizar el análisis de vida residual y fatiga manualmente en Excel u otras hojas de cálculo, pero en este caso se verifica un miembro estructural bajo una sola condición de carga. SDC Verifier permite verificar un modelo completo bajo cientos o miles de combinaciones de carga y lo hace sobre el diseño general en su software de AEF. Ahorra tiempo y garantiza la precisión de los resultados minimizando los riesgos de error.
Es posible optimizar el diseño en función de los parámetros de soldadura, la sección transversal del elemento de la viga, el grosor de una chapa.
