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, indica la resistencia real que la pieza diseñada podrá soportar (primer uso mencionado anteriormente). El factor de diseño, o tensión de trabajo, indica la resistencia que el elemento debe soportar (segundo uso). El factor de diseño se define para una aplicación específica (generalmente se proporciona con antelación y suele estar establecido por códigos o normativas de construcción) y no es un cálculo real; el factor de seguridad es una relación entre la resistencia máxima y la carga prevista para el elemento diseñado.

${\displaystyle {\text{Factor de seguridad}}={\frac {\text{límite elástico}}{\text{esfuerzo de trabajo}}}}$

• La carga de diseño es la carga máxima que la pieza debería soportar durante su funcionamiento.

Según esta definición, una estructura con un factor de seguridad (FoS) de exactamente 1 soportará únicamente la carga de diseño y ninguna más. Cualquier carga adicional provocará su fallo. 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. Existen dos definiciones distintas para el margen de seguridad, por lo que es necesario tener cuidado al determinar cuál se utiliza en cada aplicación. Un uso del MS es como medida de capacidad, al igual que el FoS. El otro uso del MS es como medida de cumplimiento de los requisitos de diseño (verificación de requisitos). El margen de seguridad puede conceptualizarse (junto con el factor de reserva que se explica más adelante) 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, comúnmente vista en libros de texto ^{[ 7 ] [ 8 ],} describe la carga adicional que una pieza puede soportar más allá de la carga de diseño antes de fallar. En efecto, se trata de una medida de capacidad excedente. Si el margen es 0, la pieza no soportará ninguna carga adicional antes de fallar; si es negativo, 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 diseñada (es decir, el doble de la carga de diseño).

${\displaystyle {\text{Margen de seguridad}}={\frac {\text{carga de fallo}}{\text{carga de diseño}}}-1}$

${\displaystyle {\text{Margen de seguridad}}={\text{factor de seguridad}}-1}$

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, no se ha cumplido el requisito de diseño. Una ventaja de este uso es que para todas las aplicaciones, un margen de 0 o superior es aceptable; no es necesario conocer los detalles de la aplicación ni compararlos con los requisitos, simplemente un vistazo al cálculo del margen indica si el diseño pasa o no. Esto resulta útil para la supervisión y revisión de proyectos con diversos componentes integrados, ya que los diferentes componentes pueden tener diversos factores de diseño involucrados y el cálculo del margen ayuda a evitar confusiones.

• El factor de seguridad de diseño se proporciona como requisito.

${\displaystyle {\text{Margen de seguridad}}={\frac {\text{carga de fallo}}{\text{carga de diseño × factor de seguridad de diseño}}}-1}$

${\displaystyle {\text{Margen de seguridad}}={\frac {\text{factor de seguridad real}}{\text{factor de seguridad de diseño}}}-1}$

Para un diseño exitoso, el factor de seguridad real 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 expresa a veces, aunque con poca frecuencia, como un porcentaje; por ejemplo, un 0,50 % MS equivale a un 50 % MS. Cuando un diseño cumple con este criterio, se dice que tiene un «margen positivo» y, por el contrario, un «margen negativo» cuando no lo cumple.

En el ámbito de la seguridad nuclear (tal como se implementa en las instalaciones propiedad del gobierno estadounidense), el margen de seguridad se ha definido como una cantidad que no puede reducirse sin la revisión de la oficina gubernamental responsable. El Departamento de Energía de EE. UU. publica la guía DOE G 424.1-1, «Guía de implementación para abordar los requisitos de cuestiones de seguridad no revisadas», que sirve de guía para identificar y determinar si un cambio propuesto reducirá el margen de seguridad. La guía desarrolla y aplica el concepto de margen de seguridad cualitativo, que puede no ser explícito ni cuantificable, pero que puede evaluarse conceptualmente para determinar si se producirá un aumento o una disminución con el cambio propuesto. Este enfoque cobra importancia al examinar diseños con márgenes amplios o indefinidos (históricos) y aquellos que dependen de controles «flexibles», como límites o requisitos programáticos. La industria nuclear comercial estadounidense utilizó un concepto similar para evaluar los cambios planificados hasta 2001, cuando se revisó la norma 10 CFR 50.59 para incorporar y aplicar la información disponible en los análisis de riesgos específicos de cada instalación y otras herramientas cuantitativas de gestión de riesgos.

Una medida de resistencia frecuentemente utilizada en Europa es el factor de reserva (FR). Con la resistencia y las cargas aplicadas expresadas en las mismas unidades, el factor de reserva se define de dos maneras, según el sector:

${\displaystyle {\text{RF}}={\frac {\text{resistencia a la prueba}}{\text{carga de prueba}}}}$

${\displaystyle {\text{RF}}={\frac {\text{resistencia máxima}}{\text{carga máxima}}}}$

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