Cómo determinar el factor de seguridad correcto a utilizar en el diseño de equipos

Una de las cualidades o características más importantes a tener en cuenta durante un diseño de una pieza, componente o estructura es la seguridad. Un factor de seguridad en un diseño es aquel que resulta de dividir la carga o esfuerzo de falla por la carga o esfuerzo permisible.

La importancia de los factores de seguridad en los diseños resulta obvia. Una falla en una estructura o componente por un error en el factor de seguridad puede costar enormes pérdidas para una empresa entre ellas la vida humana.

Los factores de seguridad constituyen un diario en el diseño de ingeniería. De acuerdo con Engineeringtoolbox.com los factores de seguridad o FOS, a menudo se publican en estándares técnicos. Componentes para aeronaves tienen factores de seguridad de 2.5, estructuras para puentes poseen un factor de seguridad entre 5 y 7. Hasta un simple perno tiene un FOS de 8.5.

El factor de seguridad o FOS por las siglas en inglés de “Factor of Safety” también conocido técnicamente como SF o “Safety Factor”. Determina la cantidad de margen que debe ser diseñado en un producto para guardar distancia respecto a su esfuerzo o carga de falla.

Se determina mediante la fórmula:

FOS = (Carga o Esfuerzo de uso)/(Carga o Esfuerzo de falla. )

El Factor de seguridad definido por creativemechanisms.com es el margen de seguridad requerido para una estructura o componente de acuerdo con el código, la ley o los requisitos de diseño.

Si un puente se estima para un uso regular de 1.000 toneladas de carga sobre una base diaria, la carga mínima por la cual debería estar diseñado es para 5.000 toneladas diarias. Un factor de seguridad de 5 resultará en un puente que puede soportar 5 veces la carga operativa normal antes de fallar.

Si el factor de seguridad se incrementa, la cantidad de protección en el diseño se aumenta, por lo cual al aumentar el factor de seguridad aumenta el coste del diseño. Entonces, ¿cómo los diseñadores determinan el factor de seguridad óptimo a utilizar en su diseño? Tratemos de responder a esta pregunta en los siguientes párrafos.

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Para determinar un factor de seguridad en una pieza o componente es importante conocer el estrés que puede soportar el material del que está constituido. Estrés en ingeniería no es otra cosa que la máxima presión interna que puede soportar un material como el acero al aplicarle una fuerza externa antes de fallar.

Re-expresar la ecuación arriba indicada en términos de estrés nos lleva a decir que el factor de seguridad es la relación entre el estrés máximo o de falla, entre el estrés típico o de trabajo. Un FOS menor a 1 indica que el diseño es inviable. Un FOS de 2 determina que la estructura o componente fallará cuando trabaje al doble de su esfuerzo típico.

Hay muchas variables a tomar en cuenta para estimar un factor de seguridad más allá del estrés. Para creativemechanisms.com al determinar un FOS deben considerar circunstancias como:

• Materiales de los distintos componentes que integran el diseño.
• Calidad de la estructura en cuanto a los componentes y su acople.
• La tolerancia térmica o comportamiento ante cambios de temperatura.
• El deterioro por uso y si la pieza o estructura estará sujeta a mantenimiento programado.
• Exposición a los factores climáticos, corrosión, humedad, salitre.

Revisa las leyes y normativa técnica aplicables al proyecto. El factor de seguridad legalmente requerido es el factor de seguridad mínimo que se utilizará para el diseño.

Lee los requisitos de diseño o las especificaciones contractuales de los códigos de diseño a seguir. Usa cualquier factor de seguridad en los códigos de construcción o en los códigos de diseño utilizados por el cliente.

Los productos pueden ser diseñados con un factor de seguridad más alto que lo que se requiere por contrato, pero como mínimo debe cumplir con los términos del contrato.

Determina si el material real que se utilizará en la fabricación fue probado o si un material representativo fue probado mediante ensayos, pruebas a escala o simulación.

Engineeringtoolbox.com sugiere que en caso de “materiales altamente confiables” donde las cargas y condiciones ambientales “no son severas” es posible aplicar un FOS de 1.3 a 1.5. En otro extremo tendremos “materiales no confiables” y “condiciones difíciles” donde es factible aplicar un FOS no menor de 4.

Averigua si los ensayos de materiales se llevaron a cabo en un laboratorio en la temperatura ambiente o en condiciones idénticas a la operación del equipo.

Si el material de prueba se realizó en condiciones similares a las condiciones reales de funcionamiento, utiliza un factor de seguridad de 1,3. Si la prueba de material fue hecha en un laboratorio interior y las condiciones de funcionamiento serán moderadamente difíciles utiliza un factor de seguridad entre 3 y 4.

Si todas las condiciones de seguridad han sido previstas, se trata de materiales confiables, ampliamente probados y que operarán en condiciones no severas, utiliza el factor de seguridad estándar de 1,25 a menos que se especifique lo contrario. El cual puede redondear a 1,3 para asegurar un margen adecuado.

De acuerdo con "Mechanical Design Handbook" por Harold A. Rothbart, "Los valores típicos de factores de diseño de seguridad van desde 1,0 (en contra de rendimiento) en el caso de componentes de las aeronaves a 3 en aplicaciones típicas de diseño de la máquina, a un 10 en el caso de algunos recipientes de presión."

Al aumentar el factor de seguridad de un diseño, asegúrate de incluir el mayor peso de los materiales añadidos, tales como soportes estructurales adicionales en cualquier cálculo. Sé holístico en tus previsiones, por ejemplo, si las vigas de soporte adicionales se añaden para soportar un techo cargado de nieve, asegúrate de que los soportes de pared y la cimentación puedan soportar ese peso adicional.