Diseño innovador con acero de alta resistencia

Retos de diseño y recompensas 

En la actualidad hay disponibilidad de miles de calidades de acero diferentes con diversas propiedades. Sin embargo, todos los aceros al carbono son iguales en cuanto a dos propiedades. Todos presentan la misma densidad (7800 kg/m³ o 0,28 lb/in³) y el mismo módulo de Young.

El módulo de Young es una propiedad mecánica que describe la respuesta elástica a una fuerza aplicada. Para el acero, este valor es de 200 GPa (29 000 000 psi).

El peso específico y el módulo de Young son constantes naturales del acero que los diseñadores siempre deben tener en cuenta.

Si queremos que nuestros productos sean más fuertes, más ligeros o más eficientes, nuestras opciones principales son:

• Actualizar a un acero con un límite de elasticidad y tensión de rotura más altos, como Strenx®. 
• Usar menos material en el producto con el objetivo de ahorrar peso. 
• Optimizar el diseño para adaptarlo a la actualización del producto. 

 

Por lo tanto, ¿cuánto peso puede reducir si actualiza al acero de alta resistencia Strenx® y optimiza el diseño? Dependiendo de la situación, se puede obtener un potencial de ahorro de peso del 20%, 30% o incluso del 40% o más. Y además de todo esto, puede mejorar el rendimiento general del producto.

La evolución de las estructuras de las plumas

Las plataformas aéreas constituyen un buen ejemplo del modo en que se pueden rediseñar hábilmente productos y aprovechar todo su potencial utilizando un acero de mayor resistencia.

Para aumentar el alcance horizontal y vertical sin perder capacidad de carga, se debe reducir el peso de cada sección de la pluma. La única manera de hacer esto es reduciendo la cantidad de material empleado en cada sección de la pluma y, al mismo tiempo, tener en cuenta la rigidez total.

Potencial para mejorar el rendimiento. 

Para lograr estructuras más resistentes y ligeras, los diseñadores deben tener múltiples factores en cuenta. Los diseñadores con mas pericia, aprovechan las propiedades mecánicas del acero de alta resistencia y al mismo tiempo tienen presentes las consecuencias del diseño:

• Pérdida de rigidez al utilizar material más fino para transportar la misma carga e incluso cargas más pesadas 
• La mayor esbeltez conseguida al reducir el espesor ofrece como resultado una mayor inestabilidad 
• Posibles problemas de fatiga 

Rigidez 

La rigidez depende de la distribución de la masa de acero en una sección transversal. Esto es válido para todo tipo de secciones: tubos rectangulares, vigas H, T, L o U o secciones de pluma de alta tecnología para grúas móviles. El modo más eficiente en cuanto a peso para aumentar la rigidez a la flexión de una viga es alejar el material de la sección del centro de gravedad.

En la siguiente figura se ilustra el modo en que puede rediseñarse una sección transversal para aumentar la rigidez a la flexión, en este caso, en dirección vertical. La sección de la izquierda es la original. La sección central tiene la misma geometría pero con espesor reducido, lo que reduce su rigidez. Al cambiar la geometría tal y como se muestra en la sección de la derecha, obtenemos una viga más ligera que también es más rígida y muestra menos desviación.

Esbeltez 

Explicado en pocas palabras, la esbeltez de la chapa es la relación de w/t, , donde ‘w’ es la anchura y ‘t’ el espesor de la superficie plana de acero correspondiente. Al reducir la esbeltez de la chapa de una pieza individual, se reduce el riesgo de pandeo local. Nuestro objetivo es reducir el peso manteniendo o aumentado la capacidad de carga. Esto dará lugar a mayores niveles de tensión, por lo que se necesitará un acero de alta resistencia y un diseño que reduzca la delgadez para evitar el pandeo.

La parte superior de la viga que está sujeta a tensiones de tracción no puede sufrir pandeo. Solo es necesario reducir la esbeltez en la parte inferior comprimida de la viga. La solución es reducir la anchura de chapa libre mediante la introducción de plegados, tal y como se muestra en la ilustración.

Fatiga 

En cuanto a la resistencia a la fatiga y la actualización a un acero de alta resistencia, se cumplirán los siguientes aspectos:

• La resistencia a la fatiga de una soldadura depende en gran medida de la calidad de soldadura, del tipo de junta y de los tratamientos aplicados después de la soldadura. 
• Todas las soldaduras de calidad deficiente presentan la misma resistencia a la fatiga, independientemente de la resistencia del acero. 
• La resistencia a la fatiga disminuye al aplicar tensiones mayores. 

Los problemas de fatiga se pueden evitar desplazando las soldaduras a las zonas con menor tensión, que suelen estar en torno a la capa intermedia neutra en caso de un segmento de pluma de grúa. Aparte de eso, las reglas generales para diseños resistentes a la fatiga son aplicables:

• Realizar soldaduras de alta calidad. 
• Considerar un tratamiento posterior a la soldadura para las soldaduras críticas. 
• Estimar la longevidad a la fatiga necesaria en función de los niveles de tensión aplicados y del tipo de carga, estática o dinámica. 

Cuanto mayor sea el alcance, mejor para el negocio

Trabajar con acero en el rango de 600-1300 MPa puede suponer un reto. Pero las recompensas son demasiado altas como para resistirse. Ser capaz de elevar cargas más pesadas y a mayor altura harán que sus productos sean mucho más competitivos.

Para sus necesidades de altas prestaciones, le invitamos a explorar nuestros recursos de diseño e innovación en el Knowledge Service Center de SSAB. Los nuevos diseños requieren del esfuerzo de todo el equipo y si nos lo permite estaremos encantados de formar parte del suyo.