Biorreactores factores de seguridad y códigos de diseño
La calidad de un diseño se mide según diversos criterios. Siempre será necesario calcular uno o mas factores de seguridad para prever la probabilidad de una falla. Además, quizá haya códigos de diseño reglamentados o de aceptación general a los cuales también deberá ceñirse.
Factor de seguridad
Un factor de seguridad se expresa de muchas formas. Se trata de una relación de dos cantidades que contienen las mismas unidades, como resistencia/esfuerzo, carga crítica carga aplicada, carga para la falla de la pieza/sobrecarga esperada en servicio, ciclos máximos/ciclos aplicados o velocidad máxima de seguridad/velocidad de operación. Un factor de seguridad siempre carecerá de unidades.
La forma de expresión para un factor de seguridad se suele escoger con base en el carácter de la carga sobre la pieza. Por ejemplo, analice la carga sobre la pared de una torre cilíndrica de agua que nunca esta «mas llena que llena» de ese líquido cuya densidades conocida y dentro de un rango de temperaturas también conocido. Dado que esta carga es muy previsible a lo largo del tiempo, una comparación de la resistencia del material con el esfuerzo en la pared de un deposito lleno pudiera resultar apropiado como factor de seguridad. Observe en este ejemplo que debe considerarse la posibilidad de que la oxidación reduzca el espesor de la pared.
Si esta torre cilíndrica esta colocada verticalmente sobre soportes cargados como columnas, entonces sería apropiado un factor de seguridad para los soportes con base en la relación de la carga crítica de pandeo de la columna dividida entre la carga aplicada proveniente de la torre llena de agua.
Si una pieza esta sujeta a una carga que varia cíclicamente con el tiempo, pudiera fallar por fatiga. La resistencia de un material para algunos tipos de carga por fatiga se expresan como el m1mero máximo de ciclos de inversión de esfuerzos a un nivel dado de esfuerzo. En estos casas, resultaría apropiado expresar el factor de seguridad como la relación del número máximo de ciclos basta falla esperada del material, dividido entre el número de ciclos aplicados a la pieza en servicio durante su vida útil deseada.
El factor de seguridad de una pieza como una polea giratoria variable o un volante, a menudo queda expresado como la relación de su velocidad máxima de seguridad entre la velocidad mas elevada esperada en servicio. En general, si los esfuerzos de las piezas son una función lineal de las cargas de servicio aplicadas y dichas cargas son previsibles, entonces un factor de seguridad expresado como carga resistencia/esfuerzo o carga ala falla/carga aplicada dará el mismo resultado. No todas las situaciones satisfacen este criterio. Una columna no lo hace porque sus esfuerzos no son función lineal de la carga. Por lo que una carga critica (de falla) para la columna en particular deberá calcularse para su comparación con la carga aplicada. Cuando la magnitud de las cargas aplicadas esperadas no son previsibles con precisión, se introduce otro factor de complicación. Esto puede ser cierto en casi toda aplicación en la que el uso (y por lo tanto la carga) de la pieza o dispositivo queda controlado por personas. Por ejemplo, no hay forma de evitar que alguien intente levantar un camión de 10 toneladas con un gato diseñado para levantar un automóvil de 2 toneladas. Si el gato falla, pudiera culparse al fabricante (y al diseñador) aun cuando la falla probablemente la causó el «tonto detrás de la manija del gato». En situaciones donde el usuario puede sujetar al dispositivo a condiciones de sobrecarga, quizás tenga, para calcular un factor de seguridad con base en una relación entre la carga que causa la falla y la sobrecarga supuesta en servicio, que utilizar una sobrecarga hipotética. También en estas situaciones tal vez resulten necesarias etiquetas de advertencia contra el uso inapropiado de la pieza. Dado que para cualquier elemento de maquina hay mas de una forma potencial de falla, quizá exista mas de un valor del factor de seguridad N. El valor mas pequeño de N para cualquier pieza es el que mas nos preocupa, ya que puede prever el modo mas probable de falla. Cuando N queda reducido a un valor 1, el esfuerzo en la pieza es igual a la resistencia del material (o la carga aplicada es igual a la carga que la hace fallar, etcétera) y la falla ocurre. Por lo tanto, deseamos que N sea siempre mayor a 1.
Selección de un factor de seguridad
A veces para el diseñador principiante la selección de un factor de seguridad es una proposición que lo confunde. Se puede pensar en el factor de seguridad como una me dicta de la incertidumbre en el diseño de modelos analíticos, en teorías de falla y en datos de las propiedades del material manejados, y deberá ser aplicado conforme a ello. Lo mayor a uno que debe de ser N dependerá de muchos factores, entre ellos nuestro propio nivel de confianza sobre el modelo en el cual se basaron los cálculos, nuestro conocimiento del rango de posibles condiciones de carga en servicio y nuestra confianza en la información de la resistencia del material disponible. Si hemos llevado a cabo pruebas extensas sobre prototipos físicos de nuestro diseño para probar la validez tanto del modelo de ingeniería como del diseño y hemos generado datos de prueba sobre la resistencia de este material en particular, entonces podemos darnos el lujo de aplicar un factor de seguridad menor. Si nuestro modelo ha sido menos probado o la información sobre las propiedades del material es menos confiable, resulta de rigor un N mayor. En ausencia de cualquier código de diseño que especifique un valor de N para casos en particular, la elección de un factor de seguridad implica un juicio de ingeniería. Un procedimiento razonable es determinar cuales son las cargas mas elevadas esperadas en servicio (incluyendo posibles sobrecargas) y las resistencias mínimas esperadas del material, para así basar los factores de seguridad en tal información. El factor de seguridad .se convierte entonces en una medida razonable de la incertidumbre.