En ingeniería, un factor de seguridad ( FoS ), también conocido (y usado indistintamente) 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 mediante análisis detallados 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 ).
Hay dos definiciones para el factor de seguridad (FoS):
El factor de seguridad realizado debe ser mayor que el factor de seguridad de diseño requerido. Sin embargo, entre diversas 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 normas utilizan el factor de definiciones y términos de seguridad de manera diferente. Los códigos de construcción y 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. Estos son factores de seguridad realizados [1] [2] [3] (primer uso). Muchos libros universitarios sobre resistencia de materiales utilizan el "Factor de seguridad" como un valor constante pensado como objetivo mínimo para el diseño [4] [5] [6] (segundo uso).
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 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, 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.
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 pueda soportar (segundo uso). El factor de diseño se define para una aplicación (generalmente se proporciona con anticipación y a menudo se establece mediante políticas o códigos 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 fue diseñado.
- 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 sólo la carga de diseño y nada más. Cualquier carga adicional hará que la estructura falle. Una estructura con un FOS de 2 fallará al 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 distintas para el margen de seguridad, por lo que es necesario tener cuidado al determinar cuál se utiliza para una aplicación determinada. Un uso de MS es como medida de capacidad como FoS. El otro uso de MS es como 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 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, ésta 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 igual fuerza a la carga máxima para la que fue diseñado (es decir, el doble de la carga de diseño).
MS como medida de verificación de requisitos: Muchas agencias y organizaciones como NASA [9] y 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, 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; basta con echar un vistazo al cálculo del margen para saber si el diseño se aprueba o no. Esto es útil para la supervisión y revisión de 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 de diseño se proporciona como requisito.
Para un diseño exitoso, el factor de seguridad realizado siempre debe igualar o exceder el factor de seguridad de diseño para que el margen de seguridad sea mayor o igual a cero. El margen de seguridad a veces, pero con poca frecuencia, se utiliza como porcentaje, es decir, un 0,50 MS equivale a un 50% MS. Cuando un diseño satisface esta prueba se dice que tiene un "margen positivo" y, a la inversa, un "margen positivo". margen negativo" cuando no es así.
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 puede reducirse sin una revisión por parte de la oficina gubernamental controladora. El Departamento de Energía de EE. UU. publica DOE G 424.1-1, "Guía de implementación para su uso al abordar requisitos de preguntas de seguridad no revisadas" como guía para determinar cómo identificar y determinar si un cambio propuesto reducirá un margen de seguridad. La guía desarrolla y aplica el concepto de margen cualitativo de seguridad que puede no ser explícito o cuantificable, pero que 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 EE. UU. utilizó un concepto similar al 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.
Una medida de fuerza utilizada frecuentemente 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 dos maneras, dependiendo de la industria:
Las cargas aplicadas tienen muchos factores, incluidos los factores de seguridad aplicados.
Para materiales dúctiles (por ejemplo, la mayoría de los metales), a menudo se requiere que el factor de seguridad se compare con la resistencia a la fluencia y a la rotura . 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 , la resistencia a la fluencia y la resistencia última son a menudo tan cercanas que resultan indistinguibles, por lo que normalmente es aceptable calcular sólo el factor de seguridad último.
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 los fallos de ingeniería; y el costo de diseñar excesivamente el componente para lograr ese factor de seguridad [ cita requerida ] . Por ejemplo, los componentes cuya falla podría provocar pérdidas financieras sustanciales, lesiones graves o la muerte pueden utilizar un factor de seguridad de cuatro o más (a menudo diez). Los componentes no críticos generalmente pueden tener un factor de diseño de dos. Comúnmente se utilizan análisis de riesgos , análisis de modos y efectos de fallas y otras herramientas. Los factores de diseño para aplicaciones específicas suelen estar exigidos por leyes, políticas o estándares industriales.
Los edificios suelen utilizar un factor de seguridad de 2,0 para cada miembro estructural. El valor para los edificios es relativamente bajo porque las cargas se conocen 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 4,0 dependiendo de la aplicación y los materiales. Los materiales metálicos dúctiles 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, 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 cual las piezas y 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 que se aplica 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 sanciones (de masa o de otro tipo) por cumplir el requisito impedirían que el sistema sea viable (como en el caso de aviones o naves espaciales). En estos casos, a veces se determina permitir que un componente cumpla con un factor de seguridad inferior al normal, lo que a menudo se denomina "exención" del requisito. Hacer esto a menudo conlleva análisis extra detallados o verificaciones de control de calidad para garantizar que la pieza funcionará 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 [12] [13] 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) [14] , un ingeniero francés que trabajaba en hidráulica, matemáticas, ingeniería civil, e ingeniería militar. Doorn y Hansson estudiaron los aspectos filosóficos de los factores de seguridad. [15]
