Factor de seguridad

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Fuerza del sistema más allá de la carga prevista

En ingeniería, un factor de seguridad (FoS), también conocido como (y usado indistintamente) factor de seguridad ( SF), expresa cuánto más fuerte es un sistema de lo que debe ser para una carga prevista. Los factores de seguridad a menudo se calculan mediante un análisis detallado porque las pruebas integrales no son prácticas en muchos proyectos, como puentes y edificios, pero la capacidad de la estructura para transportar una carga debe determinarse con una precisión razonable.

Muchos sistemas se construyen intencionalmente mucho más fuertes de lo necesario para el uso normal para permitir situaciones de emergencia, cargas inesperadas, mal uso o degradación (confiabilidad).

Definición

Hay dos definiciones para el factor de seguridad (FoS):

La relación de la fuerza absoluta de una estructura (capacidad estructural) con la carga aplicada real; es una medida de la fiabilidad de un diseño particular. Este es un valor calculado, y a veces se refiere, por el bien de la claridad, como un factor de seguridad realizado.
Un valor constante requerido, impuesto por ley, norma, especificación, contrato o costumbre, a la que una estructura debe conformarse o exceder. Esto puede denominarse " factor de diseño, factor de diseño de seguridad o factor requerido de seguridad.

El factor de seguridad realizado debe ser mayor que el factor de seguridad de diseño requerido. Sin embargo, entre varias industrias y grupos de ingeniería, el uso es inconsistente y confuso; se utilizan varias definiciones. La causa de mucha confusión es que varios libros de referencia y agencias de estándares usan las definiciones y los términos del factor de seguridad de manera diferente. Los códigos de construcción, los libros de texto de ingeniería estructural y mecánica a menudo se refieren al "factor de seguridad" como la fracción de la capacidad estructural total sobre lo que se necesita. Esos son factores de seguridad realizados (primer uso). Muchos libros de pregrado sobre resistencia de materiales utilizan "Factor de seguridad" como un valor constante destinado a ser un objetivo mínimo para el diseño (segundo uso).

Cálculo

Hay varias formas de comparar el factor de seguridad de las estructuras. Todos los diferentes cálculos miden fundamentalmente lo mismo: cuánta carga adicional más allá de lo previsto una estructura realmente tomará (o se requerirá que soporte). La diferencia entre los métodos es la forma en que se calculan y comparan los valores. Los valores del factor de seguridad se pueden considerar como una forma estandarizada de comparar la resistencia y la confiabilidad entre sistemas.

El uso de un factor de seguridad no implica que un elemento, estructura o diseño sea "seguro". Muchos factores de garantía de calidad, diseño de ingeniería, fabricación, instalación y uso final pueden influir en si algo es seguro o no en una situación particular.

Factor de diseño y factor de seguridad

La diferencia entre el factor de seguridad y el factor de diseño (factor de seguridad de diseño) es la siguiente: El factor de seguridad, o límite elástico, es cuánto podrá soportar realmente la pieza diseñada (primer uso desde arriba). El factor de diseño, o estrés de trabajo, es lo que se requiere que el artículo sea capaz de soportar (segundo uso). El factor de diseño se define para una aplicación (generalmente proporcionado por adelantado y, a menudo, establecido por códigos o políticas de construcción reglamentarios) y no es un cálculo real, el factor de seguridad es una relación entre la resistencia máxima y la carga prevista para el elemento real que se diseñó.

${displaystyle {text{Factor of safety}}={frac {text{yield stress}}{text{working stress}}}}$
El Carga de diseño es la carga máxima que la parte debe ver en el servicio.

Según esta definición, una estructura con un FOS de exactamente 1 soportará solo la carga de diseño y no más. Cualquier carga adicional hará que la estructura falle. Una estructura con un FOS de 2 fallará con el doble de la carga de diseño.

Margen de seguridad

Muchas agencias gubernamentales e industrias (como la aeroespacial) requieren el uso de un margen de seguridad (MoS o M.S.) para describir el relación entre la resistencia de la estructura y los requisitos. Hay dos definiciones separadas para el margen de seguridad, por lo que es necesario tener cuidado para determinar cuál se utiliza para una aplicación determinada. Un uso de M.S. es como una medida de capacidad como FoS. El otro uso de M.S. es como una medida para satisfacer los requisitos de diseño (verificación de requisitos). El margen de seguridad se puede conceptualizar (junto con el factor de reserva que se explica a continuación) para representar qué parte de la capacidad total de la estructura se mantiene 'en reserva'. durante la carga.

MS como una medida de la capacidad estructural: Esta definición de margen de seguridad comúnmente vista en los libros de texto describe qué carga adicional más allá de la carga de diseño puede soportar una pieza antes de fallar. En efecto, esta es una medida del exceso de capacidad. Si el margen es 0, la pieza no tomará ninguna carga adicional antes de fallar, si es negativo, la pieza fallará antes de alcanzar su carga de diseño en servicio. Si el margen es 1, puede soportar una carga adicional de fuerza igual a la carga máxima para la que fue diseñado (es decir, el doble de la carga de diseño).

${displaystyle {text{Margin of safety}}={frac {text{failure load}}{text{design load}}}-1}$
${displaystyle {text{Margin of safety}}={text{factor of safety}}-1}$

MS como medida de verificación de requisitos: Muchas agencias y organizaciones como la NASA y AIAA definen el margen de seguridad incluyendo el factor de diseño, en otras palabras, el margen de seguridad se calcula después de aplicar el factor de diseño. En el caso de un margen de 0, la pieza tiene exactamente la resistencia requerida (el factor de seguridad sería igual al factor de diseño). Si hay una pieza con un factor de diseño requerido de 3 y un margen de 1, la pieza tendría un factor de seguridad de 6 (capaz de soportar dos cargas iguales a su factor de diseño de 3, soportando seis veces la carga de diseño antes de fallar). Un margen de 0 significaría que la pieza aprobaría con un factor de seguridad de 3. Si el margen es inferior a 0 en esta definición, aunque la pieza no fallará necesariamente, no se ha cumplido el requisito de diseño. Una ventaja de este uso es que, para todas las aplicaciones, se aprueba un margen de 0 o superior, no es necesario conocer los detalles de la aplicación ni compararlos con los requisitos, solo echar un vistazo al cálculo del margen indica si el diseño se aprueba o no. Esto es útil para supervisar y revisar proyectos con varios componentes integrados, ya que diferentes componentes pueden tener varios factores de diseño involucrados y el cálculo del margen ayuda a evitar confusiones.

El factor de seguridad del diseño se proporciona como requisito.
${displaystyle {text{Margin of safety}}={frac {text{failure load}}{text{design load × design safety factor}}}-1}$
${displaystyle {text{Margin of safety}}={frac {text{realized factor of safety}}{text{design safety factor}}}-1}$

Para un diseño exitoso, el factor de seguridad realizado siempre debe ser igual o superior al factor de seguridad del diseño para que el margen de seguridad sea mayor o igual a cero. El margen de seguridad se utiliza a veces, pero con poca frecuencia, como un porcentaje, es decir, un 0,50 M.S es equivalente a un 50% M.S. Cuando un diseño satisface esta prueba, se dice que tiene un "margen positivo" y, por el contrario, un "margen negativo" cuando no lo hace.

En el campo de la seguridad nuclear (como se implementa en las instalaciones propiedad del gobierno de EE. UU.), el margen de seguridad se ha definido como una cantidad que no puede reducirse sin revisión por parte de la oficina gubernamental de control. El Departamento de Energía de los EE. UU. publica DOE G 424.1-1, "Guía de implementación para usar al abordar los requisitos de preguntas de seguridad no revisadas" como una guía para determinar cómo identificar y determinar si un margen de seguridad se reducirá por un cambio propuesto. La guía desarrolla y aplica el concepto de un margen cualitativo de seguridad que puede no ser explícito o cuantificable, pero puede evaluarse conceptualmente para determinar si se producirá un aumento o una disminución con un cambio propuesto. Este enfoque se vuelve importante cuando se examinan diseños con márgenes grandes o indefinidos (históricos) y aquellos que dependen de "soft" controles tales como límites programáticos o requisitos. La industria nuclear comercial de EE. UU. utilizó un concepto similar para evaluar los cambios planificados hasta 2001, cuando se revisó 10 CFR 50.59 para capturar y aplicar la información disponible en los análisis de riesgos específicos de las instalaciones y otras herramientas cuantitativas de gestión de riesgos.

Factor de reserva

Una medida de fuerza utilizada con frecuencia en Europa es el factor de reserva (RF). Con la fuerza y las cargas aplicadas expresadas en las mismas unidades, el factor de reserva se define de una de dos maneras, dependiendo de la industria:

${displaystyle {text{RF}}={frac {text{proof strength}}{text{proof load}}}}$
${displaystyle {text{RF}}={frac {text{ultimate strength}}{text{ultimate load}}}}$

Las cargas aplicadas tienen muchos factores, incluidos los factores de seguridad aplicados.

Cálculos de rendimiento y finales

Para los materiales dúctiles (p. ej., la mayoría de los metales), a menudo se requiere que el factor de seguridad se verifique frente a las resistencias a la fluencia y última. El cálculo del rendimiento determinará el factor de seguridad hasta que la pieza comience a deformarse plásticamente. El cálculo final determinará el factor de seguridad hasta el fallo. En materiales frágiles, estos valores son a menudo tan cercanos que no se pueden distinguir, por lo que generalmente es aceptable calcular solo el factor de seguridad final.

Elegir factores de diseño

Los factores de diseño apropiados se basan en varias consideraciones, como la precisión de las predicciones sobre las cargas impuestas, la resistencia, las estimaciones de desgaste y los efectos ambientales a los que estará expuesto el producto en servicio; las consecuencias de fallas de ingeniería; y el costo de sobrediseñar el componente para lograr ese factor de seguridad. Por ejemplo, los componentes cuya falla podría resultar en pérdidas financieras sustanciales, lesiones graves o la muerte pueden usar un factor de seguridad de cuatro o más (a menudo diez). Los componentes no críticos generalmente pueden tener un factor de diseño de dos. El análisis de riesgo, el modo de falla y el análisis de efectos, y otras herramientas son de uso común. Los factores de diseño para aplicaciones específicas a menudo son obligatorios por ley, política o estándares de la industria.

Los edificios suelen utilizar un factor de seguridad de 2,0 para cada elemento estructural. El valor de los edificios es relativamente bajo porque las cargas se entienden bien y la mayoría de las estructuras son redundantes. Los recipientes a presión usan de 3,5 a 4,0, los automóviles usan 3,0 y los aviones y naves espaciales usan de 1,2 a 3,0 según la aplicación y los materiales. Los materiales metálicos dúctiles tienden a usar el valor más bajo, mientras que los materiales frágiles usan los valores más altos. El campo de la ingeniería aeroespacial generalmente usa factores de diseño más bajos porque los costos asociados con el peso estructural son altos (es decir, una aeronave con un factor de seguridad general de 5 probablemente sería demasiado pesada para despegar). Este bajo factor de diseño es la razón por la que las piezas y los materiales aeroespaciales están sujetos a un control de calidad muy estricto y a estrictos programas de mantenimiento preventivo para ayudar a garantizar la confiabilidad. Un factor de seguridad generalmente aplicado es 1,5, pero para el fuselaje presurizado es 2,0 y para las estructuras del tren de aterrizaje principal suele ser 1,25.

En algunos casos, es poco práctico o imposible que una pieza cumpla con el "estándar" factor de diseño. Las penalizaciones (masivas o de otro tipo) por cumplir con el requisito impedirían que el sistema fuera viable (como en el caso de aeronaves o naves espaciales). En estos casos, a veces se determina permitir que un componente cumpla con un factor de seguridad inferior al normal, a menudo denominado "renunciar" el requerimiento. Hacer esto a menudo trae consigo un análisis extra detallado o verificaciones de control de calidad para asegurar que la pieza funcione como se desea, ya que se cargará más cerca de sus límites.

Para cargas cíclicas, repetitivas o fluctuantes, es importante considerar la posibilidad de fatiga del metal al elegir el factor de seguridad. Una carga cíclica muy por debajo del límite elástico de un material puede causar fallas si se repite durante suficientes ciclos.

Según Elishakoff, la noción de factor de seguridad en el contexto de la ingeniería aparentemente fue introducida por primera vez en 1729 por Bernard Forest de Bélidor (1698-1761), un ingeniero francés que trabajaba en hidráulica, matemáticas, ingeniería civil y militar. Doorn y Hansson abordaron los aspectos filosóficos de los factores de seguridad.

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