Coeficiente de Seguridad en el Diseño de Máquinas - INTI

Bloque 1: FUNDAMENTOS DEL
DISEÑO MECÁNICO
1. Fundamentos de Diseño Mecánico
2. Materiales en el Diseño de Máquinas
3. Coeficiente de Seguridad en el
Diseño de Máquinas
4. Procesos de Fabricación
Tecnología de Máquinas
1
Coeficiente de Seguridad en el Diseño
de Máquinas
Tecnología de Máquinas
2
La selección de un valor apropiado para
el factor de seguridad se basa en:
1.
Grado de incertidumbre de la carga
2.
Grado de incertidumbre en la resistencia del material
3. Incertidumbre en la relación cargas aplicadas con
respecto a la resistencia del material
4. Consecuencias del fallo, seguridad humana y economía
5. Costo por proporcionar un factor elevado de
seguridad
Tecnología de Máquinas
3
Incertidumbre:
• Composición del material y variaciones en las propiedades
• Variaciones en las propiedades por zonas del material
• Efecto de los procesos locales en las propiedades
• Efecto de ensambles cercanos en los esfuerzos
• Efecto de los tratamientos termomecánicos
• Intensidad y distribución de las cargas
• Validez de los modelos matemáticos utilizados
• Intensidad de las concentraciones de esfuerzos
• Influencia del tiempo sobre la resistencia y la geometría
• Efecto de la corrosión y del desgaste
• Incertidumbre sobre las propias incertidumbres…..
Tecnología de Máquinas
4
Factor de seguridad
Medida de la seguridad relativa de un componente que
soporta carga (N)
tensión diseño ( d ) 
•
•
resistencia del material
factor de seguridad (N)
Casos normales para estructuras o elementos de
máquinas N=3
Estructuras estáticas
N=2 dúctiles, con gran confianza en los datos
N=3 quebradizos, gran conocimiento condiciones operación
•
Elementos de Máquinas. N  4
quebradizos con incertidumbre moderada en propiedades, cargas
o análisis de tensión
dúctiles con incertidumbre en la combinación de propiedades
Tecnología de Máquinas
5
Combatir la incertidumbre
• Método Romano: reproducir un diseño ya probado
– Compendio de Vitrovio (siglo I a.C.), obras arquitectónicas
– Era de Aristóteles (384-322 a.C.) determinan cargas en estr.
• Método de Pilo de Bizancio (siglo III a.C.)
nd =
carga de pérdida de la función
carga impuesta

carga permisible =
carga de pérdida
nd
• Método del esfuerzo permisible
– El esfuerzo permisible como una fracción de una propiedad
significativa del material en base a la experiencia de diseños con éxito
– Método Estocástico

Tecnología de Máquinas
perm
S

nd
6
Factores de Seguridad
Conocimiento
Cargas
Conocimiento
Esfuerzo
Conocimiento
Entorno
Conocimiento
Material
FACTOR DE
SEGURIDAD
Con precisión
Con precisión
Determinadas
Fácilmente
Determinado
Fácilmente
Condiciones
controlables
Aproximado
constante
Muy Conocido
1.25 - 1.5
Muy Conocido
1.5 - 2.0
Determinable
Determinable
Ordinario
Promedio
2.0 - 2.5
Promedio
Promedio
Promedio
Menos probado
2.5 - 3.0
Promedio
Promedio
Promedio
No probado
3.0 - 4.0
Incierto
Incierto
Incierto
Poco conocido
3.0 - 4.0
Cargas repetidas: factor de seguridad a la resistencia a fatiga.
Materiales Frágiles: el doble del coeficiente. Etc.
Tecnología de Máquinas
7
Tracción / Compresión 0.45·Sy   perm  0.60·Sy
Cortante  perm  0.40 · Sy
Flexión 0.60·Sy   perm  0.75·Sy
Aplastamiento  perm  0.90·Sy
Factor de servicio AISC
K
Soportes de Elevadores
Vigas maestras de soporte y conexiones para grúas
viajeras operadas desde la cabina
Vigas maestras de soporte y conexiones para grúas
viajeras operadas desde el suelo
Soportes de maquinaria ligera impulsada con eje de
transmisión o motor
Soportes de maquinaria de movimiento alternativo o
unidades con potencia de impulsión propia
2
Suspensiones de piso y plataformas
Tecnología de Máquinas
1.25
1.10
≥ 1.20
≥ 1.50
≥ 1. 33
8
Límites y Ajustes
• Letras mayúsculas para agujero, minúsculas para el eje
• Tamaño Básico: tamaño al cual se asignan límites o desviaciones y es
el mismo para ambos elementos del ajuste
• Desviación: diferencia algebraica entre un tamaño y el tamaño
básico correspondiente.
– Desviación superior / inferior
– Desviación fundamental
• Tolerancia: diferencia entre los límites máximo y mínimo de una
parte
– Grado de tolerancia internacional (IT)
• Agujero base (H) / Árbol base (h)
• Los números de grado menores especifican una zona de tolerancia
menor, y varían de IT0 a IT16, aunque para los ajustes preferentes
sólo se necesitan los grados IT6 a IT11.
Tecnología de Máquinas
9
COMPROBACIÓN A ROTURA DE ELEMENTOS
DE MÁQUINAS, (extracto Norma FEM)
Tecnología de Máquinas
10
tensión admisible
σR
a 
N×νR
R Es la tensión de rotura del material.
N Es un factor de servicio, de acuerdo al grupo dentro del cual
está clasificado el mecanismo, y tiene en cuenta posibles
incrementos en la tensión calculada, debido a imperfecciones
del cálculo u otros factores imprevistos.
R Es un factor de seguridad función del caso de carga.
Tecnología de Máquinas
11
Grupo de Mecanismo
N
1Bm
1Am
2m
3m
4m
5m
1
1
1,12
1,25
1,40
1,60
Caso de Carga
R
Casos I y II
Caso III
2,8
2
Los valores de R y N deberán ser incrementados en un 25%
para fundición gris.
Tecnología de Máquinas
12
Clase Operación
V0,25
V0,5
V1
V2
V3
V4
V5
Tiempo diario
asumido
 0,5
> 0,5 y  1
>1 y 2
>2 y 4
>4 y 8
> 8 y  16
> 16
Vida teórica total
en horas
 800
1600
3200
6300
12500
25000
50000
• Las clases V1 a V5 son de aplicación a los mecanismos que se
emplean todos los días.
• La clase V0,5 se aplica a mecanismos empleados solamente
para movimientos de posicionado, donde con posterioridad el
mecanismo calculado no funcionará, mientras el mecanismo
principal realiza en dicha posición otras operaciones.
• La clase V0,25 es de aplicación sólo a mecanismos utilizados
ocasionalmente.
Tecnología de Máquinas
13
Estado de
Carga
Definición
Media cúbica
convencional,
K
I
(p = 0)
Mecanismos o componentes sujetos sólo
excepcionalmente a la carga máxima y
normalmente sometidos a cargas
considerablemente menores.
0,53
I I
( p = 1/3 )
Mecanismos o componentes sujetos a
cargas ligeras, moderadas y máximas en
periodos iguales de tiempo.
0,67
I I I
( p = 2/3 )
Mecanismos o componentes de mecanismos
sujetos la mayor parte del tiempo a cargas
próximas a la máxima.
0,85
Tecnología de Máquinas
14
Estado
de Carga
Clase de Operación
V0,25
V0,25
V1
V2
V3
V4
V5
I
1Bm
1Bm
1Bm
1Am
2m
3m
4m
I I
1Bm
1Bm
1Am
2m
3m
4m
5m
I I I
1Bm
1Am
2m
3m
4m
5m
5m
Si el mecanismo realiza operaciones peligrosas, deberá ser
incluido en el siguiente superior al que resulte de la
clasificación función de la tabla previa
Tecnología de Máquinas
15
1) Tracción pura:
1,25. t  a
2) Compresión pura:
c  a
3) Flexión pura:
f  a
4) Flexión y tracción combinada:
1,25. t + f  a
5) Flexión y compresión combinadas:
c + f  a
6) Cortadura pura:
3    a
7) Tracción, flexión y cortadura combinada:
(1,25. t + f )2 + 3.2

 a2
a
8) Compresión,flexión
y cortadura combinadas:
( c + f )2 + 3.2
Tecnología de Máquinas

a2
16