FACTOR DE SEGURIDAD 2018-2 - Axel

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FACTORES DE SEGURIDAD
Si se tiene que evitar una falla estructural, las cargas que una estructura es capaz de soportar deben ser mayores que las cargas a las que se va a someter cuando este en servicio. Como la resistencia es la capacidad de una estructura para resistir cargas, el criterio anterior se puede replantear como sigue: la resistencia real de una estructura debe ser mayor que la resistencia requerida. La relación dela resistencia real entre al resistencia requerida se llama factor de seguridad n.
Naturalmente, el factor de seguridad debe ser mayor que 1.0 para evitar falla. Dependiendo de las circunstancias, los factores de seguridad varían desde un poco mas que 1.0 hasta 10. La incorporación de factores de seguridad en el diseño no es asunto sencillo, porque tanto la resistencia como la falla tienen muchos significados distintos. 
La resistencia se puede medir con la capacidad portante, o de carga, de una estructura o bien se puede medir por el esfuerzo en el material.
La Falla puede equivaler a la fractura y el completo colapso de la estructura o puede significar quelas deformaciones se han vuelto tan grandes que la estructura ya no puede realizar sus funciones. Esta última clase de fala, puede presentarse con cargas muchos menores que las que causan el colapso real.
Punto de fluencia y resistencia última. En la tabla 1-1 se dan los puntos de
fluencia de los varios grados de acero que interesan al ingeniero estructural, y
que se producen en las fábricas de acero.
DISEÑO DE MIEMBROS SOMETIDOS BAJO TENSIÓN O COMPRESIÓN DIRECTA
El esfuerzo normal directo de compresión o de tensión (s), se calcula como:
s = F / A 
Se deben cumplir las siguientes condiciones:
El miembro con carga debe ser recto.
La sección transversal debe ser uniforme a lo largo de toda la longitud considerada.
El material debe ser homogéneo.
La carga debe aplicarse a lo largo del eje centroidal.
Los miembros a compresión deben ser cortos para que no se pandeen.
 
Dos métodos de diseño:
1-método de esfuerzo permisible (ASD=Allowable Stress Design)
2-método de esfuerzo último (LRFD=Load and Resistance Factor Design)
MÉTODO DE ESFUERZO PERMISIBLE
Consta en calcular esfuerzos máximos ( ) en el miembro y compararlos con el esfuerzo máximo que aguanta el material (esfuerzo último) dividido con un factor de seguridad (FS)
ó
 ESFUERZOS NORMALES DE DISEÑO
El esfuerzo normal de diseño (sd) , se calcula teniendo como referencia la resistencia de cedencia (sy) o la resistencia última (su), de acuerdo con las siguientes ecuaciones:
 
sd = sy / N 1 
sd = su / N 2 
donde, N 1 y N 2 son factores de seguridad, llamados también factores de diseño, los cuales se determinan de acuerdo con el cuadro 5 (MOTT, 1999):
Para el diseño de estructuras de construcción sometidas a cargas estáticas, el AISC y el AA, sugieren las siguientes ecuaciones:
Acero estructural (AISC):
s d = 0.60 sy 
s d = 0.50 su
Se toma el menor valor de las dos ecuaciones.
Aluminio (AA):
s d = 0.61 sy 
s d = 0.51 su 
.
Se toma el menor valor de las dos ecuaciones.
Ejemplo 1: Un soporte estructural de una máquina se verá sometido a una carga de tensión estática de 16.0 kN. Se planea fabricar una varilla cuadrada de acero AISI 1020 laminado en caliente. Especificar las dimensiones para la sección transversal de la varilla.
Ejemplo 2: Un miembro de una armadura para cubierta debe soportar una carga de tensión axial estática de 19800 lb . Se propone el uso de un ángulo de acero estructural estándar de aletas iguales utilizando acero estructural ASTM A36.
Ejemplo 3: Un elemento de una máquina empacadora se somete a una carga de tensión de 36.6 kN que se repetirá varios miles de veces durante la vida útil de la máquina. La sección transversal del elemento es de 12 mm de espesor y 20 mm de ancho. Especifique un material adecuado para hacer el elemento
DISEÑO POR ESFUERZO CORTANTE
El esfuerzo a cortante de diseño (t d), se determina a partir de la resistencia a la cedencia cortante (sys) y el respectivo factor de seguridad (N), de acuerdo con la ecuación:
t d = sys / N 
Si la resistencia a la cedencia cortante no es posible determinar, entonces, se calculará a partir de la resistencia a la cedencia (Sy), de acuerdo con las siguientes ecuaciones:
sy = sy / 2 
t d = sy / 2N 
Los factores de seguridad para el diseño a cortante, se determinan de acuerdo con el siguiente cuadro 6 (MOTT, 1999):
La resistencia última a cortante (sus) puede estimarse a partir de la resistencia última (su), para las aleaciones de aluminio, acero, hierro maleable y aleaciones de cobre, y hierro colado gris, de acuerdo con las siguientes ecuaciones, respectivamente:
sus = 0.65 su 
sus = 0.82 su 
sus = 0.90 su 
sus = 1.30 su 
Ejemplo 4: Un perno de transición cilíndrico insertado en un eje de diámetro 3 plg, es sometido a un torque de 1575 lb-plg. Determinar el diámetro mínimo del perno, si es fabricado con acero estirado en frío AISI 1020 (sy = 51000 psi).
DISEÑO POR ESFUERZOS DE APOYO
Para superficie planas, y áreas proyectadas de pernos en agujeros perforados, de elementos fabricados en acero, el esfuerzo admisible para esfuerzos de apoyo (s bd), se determina como:
s bd = 0.90 sy 
Para rodillos o balancines, fabricados en acero, la carga admisible para esfuerzos de apoyo (Wbd), se determina como:
sbd = [(sy – 13) / 20] (0.66 d L) 
Donde,
Wbd: es la carga admisible de apoyo, en kip.
sy: es la resistencia a la cedencia, en ksi.
d: es el diámetro del rodillo o balancín, en plg.
L: es la longitud del rodillo o balancín, en plg.
Ejemplo 5: Una viga corta está hecha de una barra de acero rectangular, cuya sección transversal es 1.25 plg de espesor y 4.50 plg de alto. En cada extremo, la longitud apoyada sobre una placa de acero es de 2.00 plg. El material de la barra y la placa es acero ASTM A36. Calcular la máxima carga permisible W, situada en el centro de la luz de la viga, que podría soportar la viga, sólo basándose en el esfuerzo de apoyo en los extremos.
Para elementos en aluminio, el esfuerzo admisible para esfuerzos de apoyo (sbd), se determina como:
s bd = 0.65 sy 
Para elementos de mampostería, los esfuerzos admisibles para esfuerzos de apoyo (sbd), se sugieren en el cuadro 7 (MOTT, 1999):
FACTOR DE SEGURIDAD Y ESFUeRZO DE DISEÑO Permisible
Se ha descrito en forma adecuada a la ingeniería como la aplicación de la ciencia a las finalidades de la vida. Para cumplir esa misión, los ingenieros diseñan una variedad de objetos aparentemente interminable, para satisfacer las necesidades básicas de la sociedad. Entre esas necesidades están vivienda, agricultura, transporte, comunicaciones y muchos otros aspectos de la vida moderna. Los factores a considerar en el diseño comprenden funcionalidad, resistencia, apariencia, economía y efectos ambientales. Sin embargo, cuando se estudia la mecánica de materiales, el interés principal para el diseño es la resistencia, esto es, la capacidad del objeto para soportar o trasmitir cargas.
Los objetos que deben resistir cargas son, entre otros, construcciones, maquinas, recipientes, camiones, aviones, barcos y cosas parecidas. Por simplicidad a esos objetos los llamaremos
estructuras; así, una estructura es cualquier objeto que debe soporta o transmitir cargas.
Para elementos de concreto que soportan placas, el esfuerzo admisible se debe determinar como:
s bd = 0.35 f'c Ö (A2 / A1 )
y no debe exceder un valor de:
s bd = 0.70 f'c 
En suelos, la capacidad de cimentación, se puede tomar como el esfuerzo admisible, y se sugieren los valores mostrados en el cuadro 8 (MOTT, 1999):
 
Tenacidad a la fractura
Cuando la magnitud del factor de intensidad del esfuerzo del modo I alcanza un valor crítico, KIc, se inicia la propagación de la grieta. El factor de intensidad del esfuerzo crítico KIc es una propiedad del material que depende del material, del modo de grieta, del procesamiento del material, de la temperatura, de la relación de cargas y del estado de esfuerzo en el sitio de la grieta(como el esfuerzo plano contra la deformación plana). El factor de intensidad del esfuerzo crítico KIc también se denomina tenacidad a la fractura del material. La tenacidad a la fractura de deformación plana es normalmente más baja que la del esfuerzo plano. Por esta razón, el término KIc se define típicamente como la tenacidad a la fractura de deformación plana, de modo I. La tenacidad a la fractura KIc de los metales de ingeniería caen en el rango 20 ≤ KIc ≤ 200 MPa ⋅ √m; en el caso de los polímeros y las cerámicas de ingeniería, 1 ≤ KIc ≤ 5 MPa ⋅ √m. Para un acero 4340, donde la resistencia a la fluencia debida al tratamiento térmico está entre 800 y 1 600 MPa, KIc disminuye de 190 a 40 MPA ⋅ √m
Uno de los primeros problemas que enfrenta el diseñador es el de decidir si las condiciones existen, o no, en el caso de una fractura frágil. La operación a baja temperatura, esto es, la operación por debajo de la temperatura ambiente, es un indicador clave de que la fractura frágil es un modo de falla posible. Las tablas de temperaturas de transición de diferentes materiales no se han publicado, posiblemente por la amplitud de la variación de los valores, incluso en un mismo material. Por lo tanto, en muchas situaciones, las pruebas de laboratorio pueden proporcionar la única pista para determinar la posibilidad de una fractura frágil. Otro indicador clave de la posibilidad de fractura es la relación de resistencia a la fluencia sobre la resistencia última. Un valor alto de la relación s0/su indica que sólo existe una capacidad pequeña para absorber la energía en una región plástica y por ende existe una posibilidad de fractura frágil. La relación de resistencia sobre esfuerzo, , puede usarse como un factor de seguridad de la manera siguiente:
max
s
perm
u
FS
s
s
s
=
£
max
perm
y
FS
s
s
s
=
£
max