¿Cómo aplicar el Factor de Seguridad en el Diseño Mecánico (SolidWorks)?
El factor de seguridad o coeficiente de seguridad, como también se le conoce, es un número mayor que la unidad pero con un solo decimal. Este número, que puede parecer tan simple, cubre la necesidad de cierta incertidumbre en los diseños y nos indica la capacidad en exceso que tiene el elemento diseñado sobre sus requerimientos. Aplicar este factor de seguridad en los diseños absorbe; posibles errores en el modelo matemático, características de los materiales utilizados o la teoría de fallas que se utilizó.
Las piezas mecánicas se conceptualizan en teoría para que su funcionamiento esté dentro de la zona elástica del material, lo que garantiza que al cese de la carga sobre la pieza esta regresará a su estado inicial. Para validar esto los diseñadores aplican una fórmula muy sencilla, el esfuerzo de cedencia dado por la curva del material entre el esfuerzo calculado y dado por las condiciones a las que está sometido nuestro diseño, el resultado obtenido sería entonces el factor de seguridad. (Ver aplicación en SolidWorks más abajo)
FS = Esfuerzo de cedencia / Esfuerzo calculado
¿De qué depende el Factor de Seguridad a aplicar?
- Aplicación de las normativas vigentes.
- Nivel de confianza del diseñador.
- Forma de fallar el material (dúctil o frágil).
En algunos casos los diseños no se rigen por ningún tipo de normativa en concreto y es el ingeniero teniendo en cuenta su experiencia, y bajo su responsabilidad quien asume cuál es el coeficiente de seguridad que se debe aplicar.
CSdúctil = MAX (A,B,C)
CSfrágil = 2 * MAX (A,B,C)
SELECCIÓN ORIENTATIVA DE FACTORES DE SEGURIDAD, PARA MATERIALES DÚCTILES
| Información disponible | Fiabilidad de los datos que se disponen | Factor |
| Ensayos de materiales | El material de diseño ha sido probado en condiciones similares | A= 1.3 |
| Características mecánicas de probetas del material ensayado. | A= 2 | |
| Datos fiables de tablas y catálogos genéricos de materiales | A= 3 | |
| Datos poco fiables de los cuales no sabemos su procedencia. | A= 5 | |
| Condiciones de contorno de utilización de material. | Idénticas condiciones a las del material ensayado | B= 1.3 |
| La pieza diseñada funcionará en un entorno aislado | B= 2 | |
| Entorno de utilización moderadamente agresivo. | B= 3 | |
| Entorno de utilización muy agresivo. | B= 5 | |
| Procedimientos de diseño y modelado analítico utilizados | Han sido probados científicamente mediante experimentos | C= 1.3 |
| Representan las condiciones de funcionamiento con precisión | C= 2 | |
| Representan las condiciones de funcionamiento aproximadamente | C= 3 | |
| Representan las condiciones de funcionamiento con poca precisión. | C= 5 |
Reglamentos y Normativa a tener en cuenta para el Factor de Seguridad
- Reglamento de seguridad en máquinas. Directiva 98/37/CE
- Reglamento de aparatos a presión.
- Normas básicas de la edificación según el Código Técnico de la Edificación (CTE)
- DB-CE Seguridad Estructural
- DB-SE-AE Acciones en la edificación.
- DB-SE-C Cimientos
- DB-SE-A Aceros
- DB-SE-F Fabrica
- DB-SE-M Madera
- NSCE-02: Normativa sismorresistente
Aplicar el factor de seguridad Utilizando SolidWorks
Utilizando el Software de modelado y análisis SolidWorks, creamos el estudio, definimos las restricciones y las cargas, ejecutamos la creación de la malla y corremos el estudio. Cuando ya tengamos los resultados de; tensiones, desplazamientos y deformaciones unitarias, damos clic derecho sobre Resultados y después en Definir trazado de factor de seguridad.
Es en esta ventana (Factor de Seguridad) donde introducimos los parámetros de análisis; todas las piezas o una en particular, el modo de falla que deseas utilizar, aunque se suele recomendar dejarlo en automático para que propio software te lo recomiende. Por último, introducimos el valor máximo que tenemos previsto para el Factor de Seguridad en la Pieza o Ensamblaje, y aceptar.
Con estos pasos es suficiente para obtener el gráfico del factor de seguridad y analizar con detalle tu diseño. SolidWorks utiliza la tensión de Von Mises como el esfuerzo calculado para aplicar la fórmula que ya les había comentado anteriormente y obtener el factor de seguridad.
A continuación te muestro un ejemplo de cómo quedaría expresado el coeficiente de seguridad sobre un ensamblaje, donde se encuentra el punto más crítico y de cuanto es su valor. Este valor nos ofrece mucha información desde el punto de vista del diseño y nos marca una línea de hacia dónde debemos llevar nuestro diseño.
¿Por qué nos da tanta información el gráfico de factor de seguridad?
Comento brevemente por qué este gráfico no da tanta información de utilidad. Primero tengamos en cuenta que el mínimo valor del coeficiente de seguridad siempre tiene que ser superior a 1, si es inferior, la pieza no resiste los esfuerzos a los que se lo somete, y de forma clara decimos que se rompería (Analizar la fórmula), por lo que no tendríamos factor de seguridad en absoluto.
Si es el caso, como en la imagen que les muestro, que la pieza tiene su valor mínimo de factor de seguridad igual a 2, no está indicando que la pieza resistirá los esfuerzos a los que se lo somete, pero además nos muestra cuál es el punto más critico de toda la pieza, permitiéndonos reforzar de algún modo constructivo la pieza.
Otra información que podemos extraer del análisis del gráfico del factor de seguridad sería que si el valor es muy alto, la pieza puede estar sobredimensionada, lo que incurriría en costos innecesarios de materiales o elementos comerciales.
