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Guía en profundidad: Realización de comprobaciones de vigas según ASME BTH-1-2023

/ 17 Oct 2024 / por: Yurii Shumak

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Verificación de normas

En el diseño de los dispositivos de elevación por debajo del gancho, el cumplimiento de las estrictas normas de seguridad es fundamental. Cada decisión de ingeniería repercute no sólo en la integridad estructural del equipo, sino también en la seguridad operativa y el cumplimiento de la normativa.

Con la introducción de la normaASME BTH-1 (2023), ha aumentado la complejidad de las comprobaciones de los miembros, lo que exige una forma más eficaz de validar los diseños.

En este artículo, veremos cómo SDC Verifier agiliza estas comprobaciones de los miembros, combinando cálculos teóricos con análisis de elementos finitos (FEA ) para ofrecer resultados rápidos y precisos, ayudando a los ingenieros a eliminar los errores manuales y a garantizar que sus diseños cumplen todos los requisitos.

Visión general de la norma ASME BTH-1 (2023)

La norma ASME BTH-1 (2023 ) proporciona un marco exhaustivo para el diseño de dispositivos de elevación por debajo del gancho. Esboza los criterios para diversos miembros estructurales, incluyendo formas simétricas en I, canales, tubos circulares y rectangulares, así como barras. La norma hace hincapié en la necesidad de una evaluación rigurosa de la integridad estructural y la capacidad de carga, garantizando que estos dispositivos puedan soportar las tensiones operativas a las que están expuestos durante las operaciones de elevación.

Para los ingenieros, cumplir la norma ASME BTH-1 es fundamental. La norma no sólo garantiza el cumplimiento de los requisitos de seguridad y rendimiento, sino que también alinea los diseños con las mejores prácticas reconocidas a nivel mundial. Se centra en la prevención de fallos estructurales, especialmente en condiciones de carga dinámica, especificando las comprobaciones necesarias para la esbeltez de los miembros, el pandeo lateral-torsional y otros parámetros clave. Siguiendo esta norma, los ingenieros pueden garantizar la fiabilidad y durabilidad de sus dispositivos de elevación, manteniendo la seguridad durante toda la vida útil del equipo.

Ejemplo de viga esparcidora: Entradas y configuración del modelo de AEF

Para este ejemplo, se analiza con SDC Verifier una viga separadora diseñada para una carga nominal de 25 toneladas, con todas las comprobaciones realizadas según ASME BTH-1 (2023). La sección de viga seleccionada para este diseño es una IPE 600 de acero S275, con una longitud de 4,5 metros. El diseño corresponde a la categoría B, que requiere un factor de diseño nominal de 3, lo que garantiza unos márgenes de seguridad adecuados bajo cargas operativas.

Parámetros clave

• Sección de la viga: Acero estructural IPE 600, S275.
• Longitud: 4,5 metros.
• Categoría de diseño B: Factor de diseño nominal de 3.

Configuración del modelo de AEF en SDC Verifier

El modelo de elementos finitos está estructurado para reflejar las condiciones del mundo real, incorporando tanto las propiedades del material como las geométricas, así como la carga aplicada y las condiciones de contorno. Todos los parámetros de entrada críticos, como el límite elástico del material de la viga y las propiedades de la sección transversal, están predefinidos dentro del modelo. Las cargas se aplican como fuerzas concentradas, coherentes con la capacidad de elevación, mientras que las restricciones se imponen para reproducir las condiciones de contorno durante el funcionamiento.

Las entradas manuales y los cálculos a mano se utilizan para verificar los resultados clave con el fin de garantizar la precisión del modelo. Por ejemplo, el área de tracción neta efectiva y las configuraciones de arriostramiento lateral se introducen manualmente basándose en los requisitos de diseño de la norma. Los cálculos manuales también validan valores críticos como el momento de flexión y la tensión máximos. Este proceso garantiza que los resultados del AEF se ajustan a las expectativas teóricas, especialmente en lo que respecta a la distribución de las tensiones y la utilización de los miembros.

Reconocimiento de los miembros de la viga en SDC Verifier

El reconocimiento preciso de los miembros de una viga es fundamental a la hora de configurar un modelo de elementos finitos en SDC Verifier. El software  La herramienta Beam Member Finder está diseñada para identificar automáticamente elementos de viga 1D dentro del modelo, garantizando que se evalúan los miembros estructurales correctos de acuerdo con ASME BTH-1 (2023). Este paso es esencial para definir cómo se aplican las cargas y las condiciones de contorno y para confirmar los miembros que se someterán a las comprobaciones estructurales.

Herramientas de reconocimiento de los afiliados

El La herramientaBeam Member Finder simplifica el proceso de identificación de elementos de viga mediante el reconocimiento de su geometría y propiedades de sección. Al desactivar el grosor en la vista del modelo, es posible confirmar visualmente la naturaleza 1D de la viga, lo que ayuda a validar el proceso de reconocimiento. Una vez reconocidos los elementos de viga, se vinculan a las comprobaciones de diseño correspondientes descritas en la norma.

Garantizar entradas correctas

Para garantizar que el modelo de AEF representa con exactitud la estructura física, deben especificarse varias características clave durante el proceso de reconocimiento:

• Tipo de construcción de la sección: Determina si la sección es laminada o construida.
• Área neta: Particularmente importante para los miembros de tracción, el área neta efectiva se utiliza para calcular la resistencia a la tracción y otros parámetros relacionados.
• Tipo de arriostramiento: Define si la viga está arriostrada contra el pandeo lateral-torsional, necesario para calcular el coeficiente CLTB.

La introducción interactiva de estos parámetros garantiza que el modelo refleje las condiciones del mundo real. El refinamiento manual de las entradas, como el área de tracción neta y el tipo de arriostramiento, permite un mayor control y precisión, sobre todo cuando se trabaja con geometrías complejas o cuando el reconocimiento automático no tiene en cuenta todos los detalles del diseño. Esto garantiza que los resultados del AEF se ajusten a los requisitos específicos de la norma ASME BTH-1.

Aplicación de la norma ASME BTH-1 en SDC Verifier

La integración de la norma ASME BTH-1 (2023) en su modelo de AEF en SDC Verifier garantiza que todas las comprobaciones pertinentes para los dispositivos de elevación por debajo del gancho se realicen de conformidad con las directrices establecidas. El proceso implica añadir la norma directamente en el modelo y configurar parámetros de diseño específicos que reflejen los requisitos de su estructura.

Añadir la norma al modelo

Para incorporar la norma ASME BTH-1 (2023) a SDC Verifier, los ingenieros pueden acceder a la norma a través de la cinta principal o haciendo clic con el botón derecho del ratón en la sección «Normas» del árbol del proyecto. Desde ahí, se puede seleccionar la norma y añadirla al modelo. Una vez añadida, el software rellena automáticamente las comprobaciones estructurales basándose en las entradas del modelo de AEF, como las propiedades de los materiales y la geometría.

Dentro de SDC Verifier, la norma está estructurada para proporcionar un marco organizado para realizar las comprobaciones de los miembros. Las comprobaciones se dividen en comprobaciones de propiedades y comprobaciones relacionadas con la carga, lo que garantiza que se tienen en cuenta tanto la geometría como las fuerzas aplicadas. Cada comprobación está claramente etiquetada y se puede acceder a ella de forma individual para perfeccionarla o revisarla.

Ajustes personalizados para ASME BTH-1

Al aplicar la norma ASME BTH-1, deben configurarse ajustes específicos para que se ajusten a los requisitos del diseño:

• Tipo de construcción de la sección: El ingeniero debe definir si la sección de la viga es laminada o construida. 

• C_LTB (Coeficiente de pandeo lateral-torsional): Este coeficiente, crítico para las secciones en forma de I y los canales, se calcula en función de las condiciones de arriostramiento y la longitud no arriostrada. SDC Verifier permite el cálculo automático de C_LTB, pero también puede ajustarse manualmente si lo requiere el escenario de diseño.

• C_mx y C_my: Estos coeficientes se aplican a los términos de flexión en las ecuaciones de interacción en torno a los ejes x e y, respectivamente. Tienen en cuenta el comportamiento del miembro prismático bajo momentos aplicados y curvatura. Por defecto, SDC Verifier asigna un valor de 1, pero pueden utilizarse valores inferiores si el análisis lo justifica.

• Cb (coeficiente de modificación del momento): Los ingenieros pueden optar por calcular Cb automáticamente basándose en el diagrama de momentos o introducir un valor definido por el usuario. El cálculo sigue el método descrito en el apartado 3-2.3 de la norma, que ajusta la tensión de flexión admisible en función de la distribución de momentos a lo largo de la longitud no arriostrada.

Manipulación de formas y diseños asimétricos más allá de los límites de la mesa

SDC Verifier también incluye opciones para manejar geometrías más complejas. Las formas asimétricas, que suelen ser más difíciles de analizar debido a la distribución desigual de las tensiones, pueden tratarse como simétricas en el software, aplicando una anchura y un grosor mínimos para realizar cálculos conservadores. Además, para los diseños que superan los límites de esbeltez o de anchura/espesor especificados en la norma, el  La opción Calcular más allá de los límites permite continuar el análisis reduciendo el límite elástico u otros parámetros clave para cumplir los límites de diseño, en lugar de detener el cálculo.

Estas opciones de personalización proporcionan a los ingenieros la flexibilidad necesaria para adaptar las comprobaciones ASME BTH-1 a las necesidades específicas de sus proyectos, garantizando resultados precisos incluso en escenarios no estándar o complejos.

Mejore su proceso de verificación de diseños

Integrar la norma ASME BTH-1-2023 en su flujo de trabajo requiere precisión y fiabilidad. Con SDC Verifier, puede agilizar sus comprobaciones de miembros de viga y garantizar el cumplimiento sin comprometer la precisión.

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Cálculo manual frente a AEF: una comparación

En el diseño estructural, los cálculos manuales siguen siendo una herramienta fundamental para validar los resultados del AEF. Aunque el AEF ofrece ventajas significativas en cuanto a velocidad y manejo de la complejidad, los cálculos manuales tradicionales proporcionan una comprensión clara de los parámetros críticos y actúan como punto de referencia para la verificación.

Visión general de los cálculos manuales

En esta sección, describimos paso a paso los cálculos manuales esenciales para verificar el diseño de una viga de separación, centrándonos especialmente en el cumplimiento de la norma ASME BTH-1-2023.

Comprobación de la compacidad:

Para empezar, evaluamos si la sección se clasifica como compacta según la tabla 3-2.2-1. La esbeltez del ala λf\lambda_f se calcula como sigue:

A continuación, comparamos este valor con el límite proporcionado en la tabla 3-2.2.1:

Evaluación de la condición: 5,79 < 10,25

Esto confirma que la brida es realmente compacta.

Intervalo de refuerzo lateral:

El siguiente paso consiste en comprobar el intervalo de arriostramiento lateral, que se deriva de la ecuación (3-7):

Tomando el mínimo de estos dos valores obtenemos:

Para garantizar el cumplimiento de la ecuación (3-6) para el esfuerzo de flexión admisible, llegamos a la conclusión de que la separación de las cartelas no debe superar los 2,25 m.

Cálculo de la tensión de flexión admisible:

Ahora podemos calcular el esfuerzo de flexión admisible según la ecuación (3-6):

Consideraciones sobre la carga:

La carga debida al peso levantado se calcula como:

Cálculo del momento flector:

El momento flector resultante M para la carga y la longitud de viga dadas se determina mediante:

Cálculo de la tensión de flexión:

A continuación, calculamos el esfuerzo de flexión S utilizando:

Factor de utilización:

Por último, calculamos el factor de utilización SF/b:

Este análisis demuestra que la viga de separación, utilizando una sección IPE600 en las condiciones especificadas, satisface los requisitos señalados en la norma BTH-1-2023 con un factor de utilización estimado del 93% al elevar una carga de 25 toneladas.

Resultados del AEF en SDC Verifier

En SDC Verifier, las mismas comprobaciones de flexión pueden realizarse con mayor eficacia. Tras configurar el modelo, incluyendo la geometría, las propiedades de los materiales y las condiciones de carga, el software genera automáticamente un completo conjunto de resultados de tensiones de flexión y factores de utilización.

1. Comprobaciones de flexión: Navegando hasta la sección de comprobaciones de flexión, los ingenieros pueden generar una tabla o trazar los resultados. Se selecciona el caso de carga extrema y se calcula la distribución de esfuerzos en toda la viga, teniendo en cuenta todas las condiciones de carga y de contorno.

2. Generación y comparación de resultados: SDC Verifier permite a los ingenieros generar tablas detalladas que muestran las tensiones de flexión en los puntos críticos de la viga. Estas tablas incluyen valores tanto para la tensión de flexión calculada como para la tensión de flexión admisible basada en la norma ASME BTH-1.

3. Validación de los resultados: Un paso crucial en el proceso es comparar el resultado del AEF con los cálculos manuales. En este caso, el factor de utilización derivado del AEF coincide con el valor obtenido mediante el cálculo manual, arrojando ambos una utilización de aproximadamente el 93%. Esto sirve como validación de la precisión del modelo de AEF y garantiza la integridad estructural del diseño.

Al comparar los cálculos manuales con los resultados del AEF, los ingenieros ganan confianza en la precisión de sus diseños. Los métodos manuales proporcionan una comprobación transparente, mientras que el AEF permite un análisis rápido de geometrías, cargas y condiciones complejas.

Interpretación de los resultados y factor de utilización

El factor de utilización es una métrica clave en el análisis estructural, que representa la relación entre la tensión aplicada y la tensión admisible. Cuantifica qué parte de la capacidad del material se está utilizando en una condición de carga determinada. Un factor de utilización de 1 (o 100%) indica que la estructura está funcionando a plena capacidad según los criterios de diseño, mientras que los valores inferiores a 1 indican un margen de seguridad.

En este contexto, el factor de utilización de la viga de separación es de 0,93 (o 93%), lo que significa que se utiliza el 93% del esfuerzo de flexión admisible al levantar una carga de 25 toneladas. Este factor proporciona una visión del rendimiento estructural, mostrando que la viga se encuentra con seguridad dentro de sus límites de diseño, pero también lo suficientemente cerca como para maximizar la eficiencia del material sin sobredimensionar.

Comprender los datos del SDC Verifier

SDC Verifier simplifica el proceso de cálculo e interpretación de la distribución de esfuerzos en una estructura. El software compara la  esfuerzo de flexión calculado a partir del análisis de elementos finitos (AEF) con el tensión admisible definida por ASME BTH-1 (2023). En este ejemplo, los resultados del AEF muestran un esfuerzo de flexión calculado de  93,71 MPa, que se compara con la tensión admisible de 100,83 MPa. Esto da como resultado el factor de utilización anteriormente mencionado de 0,93.

La capacidad de SDC Verifier para automatizar el proceso de comparación de tensiones garantiza la precisión y la eficacia, especialmente en cálculos complejos en los que las comprobaciones manuales requerirían más tiempo. El software no sólo proporciona valores de tensión sino que también genera factores de utilización, ayudando a los ingenieros a evaluar rápidamente si su diseño cumple los requisitos del código. Este enfoque racionalizado es fundamental cuando se diseña para la seguridad y la eficiencia, ya que garantiza que se respetan los límites críticos sin conservadurismo innecesario.

Futuras mejoras y conclusión

SDC Verifier evoluciona continuamente para satisfacer las crecientes demandas del análisis estructural. Entre las mejoras previstas se encuentran comprobaciones adicionales para  soldaduras, pernos, y fatiga en dispositivos de elevación. Estas funciones ampliarán la gama de comprobaciones de conformidad que los ingenieros pueden realizar directamente dentro del software, permitiendo una evaluación más completa de la integridad estructural más allá de las comprobaciones básicas de los miembros. Con estas actualizaciones, los ingenieros estarán equipados para manejar escenarios de diseño más complejos, garantizando el cumplimiento de las normas de seguridad críticas en diversas condiciones de carga y componentes estructurales.

Conclusión

La integración del SDC Verifier del La norma ASME BTH-1 (2023 ) proporciona a los ingenieros una solución eficaz y precisa para realizar comprobaciones de miembros. La automatización del software de cálculos complejos, como la tensión de flexión, los factores de utilización y las comprobaciones estructurales, mejora el flujo de trabajo y minimiza los posibles errores de los cálculos manuales. Con su interfaz fácil de usar y su conjunto de funciones avanzadas, SDC Verifier permite a los ingenieros cumplir con confianza los requisitos del código al tiempo que optimizan el rendimiento estructural.

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