En ingeniería, un factor de seguridad ( FoS ) o factor de seguridad ( SF ) expresa cuánto más fuerte es un sistema de lo que necesita para una carga prevista. Los factores de seguridad a menudo se calculan utilizando un análisis detallado porque las pruebas exhaustivas no son prácticas en muchos proyectos, como puentes y edificios, pero la capacidad de la estructura para soportar 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 ). El margen de seguridad ( MoS o MS ) es una medida relacionada, expresada como un cambio relativo .
Existen dos definiciones del factor de seguridad (FoS):
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; existen varias definiciones utilizadas. La causa de mucha confusión es que varios libros de referencia y agencias de normalización utilizan las definiciones y 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 [1] [2] [3] (primer uso). Muchos libros de resistencia de materiales para estudiantes de pregrado usan "Factor de seguridad" como un valor constante destinado a ser un objetivo mínimo para el diseño [4] [5] [6] (segundo uso).
Existen varias formas de comparar el factor de seguridad de las estructuras. Todos los cálculos miden básicamente lo mismo: cuánta carga adicional a la prevista que una estructura realmente soportará (o deberá soportar). La diferencia entre los métodos es la forma en que se calculan y comparan los valores. Los valores del factor de seguridad pueden considerarse como una forma estandarizada de comparar la resistencia y la confiabilidad entre sistemas.
El uso de un factor de seguridad no implica que un artículo, una estructura o un diseño sean "seguros". Muchos factores de control de calidad , diseño de ingeniería , fabricación , instalación y uso final pueden influir en si algo es seguro o no en una situación particular.
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 esfuerzo de fluencia, es cuánto podrá soportar realmente la pieza diseñada (primer uso mencionado anteriormente). El factor de diseño, o esfuerzo de trabajo, es lo que se requiere que el artículo pueda soportar (segundo uso). El factor de diseño se define para una aplicación (generalmente se proporciona con anticipación y a menudo se establece mediante códigos o políticas de construcción regulatorias) y no es un cálculo real, el factor de seguridad es una relación entre la resistencia máxima y la carga prevista para el artículo real que se diseñó.
- La carga de diseño es la carga máxima que la pieza debería soportar en servicio.
Según esta definición, una estructura con un FOS de exactamente 1 soportará únicamente la carga de diseño y no más. Cualquier carga adicional provocará que la estructura falle. Una estructura con un FOS de 2 fallará con el doble de la carga de diseño.
Muchas agencias gubernamentales e industrias (como la aeroespacial) requieren el uso de un margen de seguridad ( MoS o MS ) para describir la relación entre la resistencia de la estructura y los requisitos. Hay dos definiciones separadas para el margen de seguridad, por lo que se debe tener cuidado para determinar cuál se usa para una aplicación determinada. Un uso de MS es como una medida de capacidad como FoS. El otro uso de MS es como una medida de satisfacción de 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 medida de capacidad estructural: Esta definición de margen de seguridad que se ve comúnmente en los libros de texto [7] [8] describe qué carga adicional más allá de la carga de diseño puede soportar una pieza antes de fallar. En efecto, esta es una medida de exceso de capacidad. Si el margen es 0, la pieza no soportará 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 que fue diseñada para soportar (es decir, el doble de la carga de diseño).
MS como medida de verificación de requisitos: Muchas agencias y organizaciones como la NASA [9] y la AIAA [10] 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 pasaría con un factor de seguridad de 3. Si el margen es menor que 0 en esta definición, aunque la pieza no necesariamente fallará, el requisito de diseño no se ha cumplido. Una conveniencia de este uso es que para todas las aplicaciones, un margen de 0 o mayor es pasar, uno no necesita saber los detalles de la aplicación o comparar con los requisitos, solo echar un vistazo al cálculo del margen indica si el diseño pasa o no. Esto es útil para la supervisión y revisión de proyectos con varios componentes integrados, ya que los diferentes componentes pueden tener varios factores de diseño involucrados y el cálculo del margen ayuda a evitar confusiones.
- El factor de seguridad de diseño se proporciona como requisito.
Para que un diseño sea exitoso, el factor de seguridad realizado siempre debe ser igual o superior al factor de seguridad de diseño, de modo que el margen de seguridad sea mayor o igual a cero. El margen de seguridad se utiliza a veces, pero con poca frecuencia, como porcentaje, es decir, un MS de 0,50 equivale a un MS del 50 %. Cuando un diseño satisface esta prueba, se dice que tiene un "margen positivo" y, a la inversa, un "margen negativo" cuando no lo cumple.
En el campo de la seguridad nuclear (tal como se implementa en las instalaciones propiedad del gobierno de los EE. UU.), el margen de seguridad se ha definido como una cantidad que no se puede reducir sin la revisión de la oficina gubernamental de control. El Departamento de Energía de los EE. UU. publica DOE G 424.1-1, "Guía de implementación para su uso en el tratamiento de requisitos de preguntas de seguridad no revisadas" como una guía para determinar cómo identificar y determinar si un margen de seguridad se reducirá con un cambio propuesto. La guía desarrolla y aplica el concepto de un margen de seguridad cualitativo 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 controles "blandos", como límites o requisitos programáticos. La industria nuclear comercial de los 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 de gestión de riesgos cuantitativos.
Una medida de resistencia que se utiliza con frecuencia en Europa es el factor de reserva (RF). Con la resistencia y las cargas aplicadas expresadas en las mismas unidades, el factor de reserva se define de una de dos maneras, según la industria:
Las cargas aplicadas tienen muchos factores, incluidos factores de seguridad aplicados.
En el caso de los materiales dúctiles (por ejemplo, la mayoría de los metales), a menudo se requiere que el factor de seguridad se verifique en relación con la resistencia máxima y la resistencia a la fluencia . El cálculo de la resistencia a la fluencia determinará el factor de seguridad hasta que la pieza comience a deformarse plásticamente . El cálculo de la resistencia a la fluencia determinará el factor de seguridad hasta que se produzca la falla. En los materiales frágiles , la resistencia máxima y la resistencia a la fluencia suelen estar tan próximas que son indistinguibles, por lo que normalmente es aceptable calcular únicamente el factor de seguridad a la fluencia.
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 una falla de ingeniería; y el costo de sobrediseñar el componente para lograr ese factor de seguridad [ cita requerida ] . Por ejemplo, los componentes cuya falla podría resultar en una pérdida financiera sustancial, 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 riesgos , el análisis de modos y efectos de falla y otras herramientas se utilizan comúnmente. 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 para los edificios es relativamente bajo porque las cargas se entienden bien y la mayoría de las estructuras son redundantes . Los recipientes a presión utilizan de 3,5 a 4,0, los automóviles utilizan 3,0 y los aviones y naves espaciales utilizan de 1,2 a 4,0 según la aplicación y los materiales. Los materiales dúctiles y metálicos tienden a utilizar el valor más bajo, mientras que los materiales frágiles utilizan los valores más altos. El campo de la ingeniería aeroespacial utiliza generalmente factores de diseño más bajos porque los costos asociados con el peso estructural son altos (es decir, un avión con un factor de seguridad general de 5 probablemente sería demasiado pesado 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 fiabilidad. Un factor de seguridad aplicado habitualmente es 1,5, pero para el fuselaje presurizado es 2,0 y para las estructuras del tren de aterrizaje principal suele ser 1,25. [11]
En algunos casos, resulta poco práctico o imposible que una pieza cumpla con el factor de diseño "estándar". Las penalizaciones (masivas o de otro tipo) por cumplir con el requisito impedirían que el sistema fuera viable (como en el caso de las aeronaves o naves espaciales). En estos casos, a veces se decide permitir que un componente cumpla con un factor de seguridad inferior al normal, lo que suele denominarse "exención" del requisito. Hacer esto suele conllevar un análisis detallado adicional o verificaciones de control de calidad para garantizar que la pieza funcionará como se desea, ya que se cargará más cerca de sus límites.
En el caso de cargas cíclicas, repetitivas o fluctuantes, es importante tener en cuenta la posibilidad de fatiga del metal al elegir el factor de seguridad. Una carga cíclica muy por debajo de la resistencia de fluencia de un material puede provocar una falla si se repite durante suficientes ciclos.
Según Elishakoff [12] [13], la noción de factor de seguridad en el contexto de la ingeniería fue introducida aparentemente por primera vez en 1729 por Bernard Forest de Bélidor (1698-1761) [14] , un ingeniero francés que trabajaba en hidráulica, matemáticas, ingeniería civil y militar. Doorn y Hansson se ocuparon de los aspectos filosóficos de los factores de seguridad. [15]
