FACTOR DE DISEÑO Y FACTOR DE SEGURIDAD

Un enfoque general del problema de la carga permisible contra la carga de pérdida de función es el método del factor de diseño determinístico, al que algunas veces se le llama método clásico de diseño. La ecuación fundamental es la (1-1), donde nd se conoce como factor de diseño. Deben analizarse todos los modos de pérdida de función, y el modo que conduzca al factor de diseño más pequeño será el modo gobernante. Después de terminar el diseño, el factor de diseño real puede cambiar como resultado de modificaciones como el redondeo a un tamaño estándar de una sección transversal o el uso de componentes recién lanzados con clasificaciones más altas en lugar de emplear lo que se había calculado usando el factor de diseño. En este caso, el factor se conoce como factor de seguridad, n, que tiene la misma definición que el factor de diseño, pero por lo general difiere en su valor numérico. 

Como el esfuerzo puede no variar en forma lineal con la carga (vea la sección 3-19), el uso de la carga como el parámetro de pérdida de función puede no ser aceptable. Entonces, es más común expresar el factor de diseño en términos del esfuerzo y una resistencia relevante. Así, la ecuación (1-1) puede reescribirse como

Los términos esfuerzo y resistencia de la ecuación (1-3) deben ser del mismo tipo y tener las mismas unidades. También, el esfuerzo y la resistencia deben aplicarse a la misma ubicación crítica en la parte.

Factores generales de seguridad típicos

A continuación se muestra una tabla de FoS típica de los equipos, proporcionada por Engineering ToolBox:

Equipo	Factor de seguridad – FOS –
Componentes de aeronaves	1.5 – 2.5
Calderas	3.5 – 6
Pernos	8.5
Ruedas de hierro fundido	20
Componentes del motor	6 – 8
Eje de alta resistencia	10 – 12
Equipos de elevación – ganchos	8 – 9
Recipientes a presión	3,5 – 6 (especificado en el código de diseño)
Componentes de la turbina – estáticos	6 – 8
Componentes de la turbina – giratorios	2 – 3
Muelle, grande y resistente	4.5
Trabajos de estructura de acero en edificios	4 – 6
Trabajos de acero estructural en puentes	5 – 7
Cables de acero	8 – 9

Recomendaciones generales

Aplicaciones	– FOS –
Para su uso con materiales de alta fiabilidad donde las condiciones de carga y ambientales no son severas y donde el peso es una consideración importante	1.3 – 1.5
Para su uso con materiales fiables cuando las condiciones de carga y ambientales no son severas	1.5 – 2
Para su uso con materiales ordinarios cuando las condiciones de carga y ambientales no son severas	2 – 2.5
Para su uso con menos intentos y para materiales frágiles donde la carga y las condiciones ambientales no son severas	2.5 – 3
Para su uso con materiales cuyas propiedades no son fiables y cuyas condiciones de carga y ambientales no son severas, o cuando se utilizan materiales fiables en condiciones difíciles y ambientales	3 – 4

Importancia del factor de seguridad

El factor varía según la situación. Los sistemas se diseñan intencionadamente para que sean mucho más fuertes de lo que necesitan para una configuración normal. Esto aumenta la probabilidad de que sigan funcionando incluso en condiciones extremas, como situaciones de emergencia, cargas añadidas, uso excesivo o degradación causada por el desgaste. Además, a continuación se exponen más razones por las que es importante utilizar FoS en el diseño:

• Mantiene la funcionalidad de la estructura para el futuro al tiempo que proporciona seguridad adicional para el uso actual
• Evita daños a la propiedad, a los trabajadores y a las máquinas
• Proporciona protección frente a los riesgos imprevisibles que puedan surgir al utilizar un producto o servicio
• Reduce las posibilidades de que un producto falle

Selección de los factores de seguridad

Según A Textbook of Machine Design, de R.S.Khurmi y J.K.Gupta, la selección del factor adecuado que debe utilizarse en el diseño de cualquier sistema mecánico se basa en una serie de consideraciones, entre las que se incluyen las siguientes:

• Material dúctil o frágil; los materiales dúctiles utilizan el límite elástico; los materiales frágiles utilizan el límite máximo.
  • El límite elástico determina el FoS hasta el comienzo de la deformación.
  • Resistencia última: determina la FoS hasta el fallo.
• Proceso de fabricación
• Tipo de estrés
• Condiciones generales de servicio
• Forma de las piezas

Ejemplos

A continuación se presentan dos ejemplos de cómo se utiliza el factor de seguridad:

Recipientes a presión

Las calderas y los recipientes a presión, así como los sistemas de las centrales nucleares, están sujetos a las directrices de seguridad del Código Internacional de Calderas y Recipientes a Presión de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME ), que controlan el diseño, la fabricación y la inspección de las calderas y los recipientes a presión durante el proceso de construcción. Por su propia naturaleza, los recipientes a presión son potencialmente peligrosos. Es necesario añadir factores de seguridad para protegerse de la incertidumbre de los fallos en el diseño, los materiales utilizados, la fabricación, la inspección y el funcionamiento.

Sistemas personales de detención de caídas (PFAS)

Los sistemas personales de detención de caídas (PFAS) y otros equipos de protección contra caídas deben construirse con un alto factor de seguridad. El Norma 1915.159 de la Administración de Seguridad y Salud en el Trabajo (OSHA) destaca los criterios para que los conectores y el anclaje sean capaces de sostener una carga de tracción mínima de 3.000 a 5.000 libras (22,24 Kn) por empleado, y el requisito de un sistema personal de detención de caídas completo que mantenga un factor de al menos 2. Si el equipo se va a utilizar en circunstancias difíciles, puede requerir un FoS aún mayor.

SafetyCulture (antes iAuditor) para factores de seguridad

El factor general de seguridad existe como una medida de seguridad destinada a hacer que un producto, un sistema o una estructura sean seguros. SafetyCulture puede ayudar a los fabricantes, ingenieros e inspectores a realizar inspecciones externas e internas de los equipos y a evaluar su factor para determinar su capacidad de soportar la tensión máxima permitida. Con SafetyCulture, puede:

• Realice inspecciones más cómodas utilizando un dispositivo móvil.
• Capturar los problemas encontrados durante las inspecciones, como los fallos del sistema. Asigne inmediatamente acciones para problemas urgentes o cualquier fallo de los equipos y reciba actualizaciones del estado en tiempo real.
• Comparta los informes de inspección a través de la app con otro personal cualificado para realizar inspecciones de seguridad.
• Personalice las plantillas de listas de comprobación de seguridad según los requisitos del sistema o equipo, como en los recipientes a presión, y cumpla las normas especificadas en los códigos industriales.
• Proporcionar orientación y formación móvil a los trabajadores que puedan llevar a cualquier lugar como referencia para el uso, la inspección y el almacenamiento adecuados del equipo. Auditoría de fallos de incertidumbre y control de calidad del material durante la fabricación, construcción o montaje.