Mentre si progetta un prodotto, un progettista deve occuparsi di Design For Assembly, Design for manufacturing, e soprattutto del Factor Of Safety. Il fattore di sicurezza è l’aspetto più importante della progettazione del prodotto. Qualsiasi tolleranza nel fattore di sicurezza può causare gravi conseguenze. Quindi in questo articolo parliamo di cos’è un fattore di sicurezza, qual è la formula del fattore di sicurezza e alcuni esempi.
Cos’è il fattore di sicurezza?
Il fattore di sicurezza è la capacità strutturale di un sistema che determina la capacità di carico oltre il suo carico effettivo. In altre parole, quanto è forte il sistema e quanto è effettivamente richiesto si chiama Fattore di Sicurezza (FOS)
Il fattore di sicurezza è fondamentale per le strutture e spesso viene definito come la spina dorsale del sistema. Mostra quanto è forte il sistema per sopportare un carico extra rispetto a quello per cui è effettivamente inteso. Questo aiuta l’ingegnere a fornire un cuscino extra di fiducia che il sistema non fallirà anche se c’è un po’ di sovraccarico.
Per capire il fattore di sicurezza, prendiamo un esempio di un ponte autostradale. Avrete notato che, all’entrata, di solito ci sarà un cartello che indica il carico massimo che il ponte può sopportare in un dato momento. Pensi davvero che il ponte crollerà se abbiamo un po’ più di carico sul ponte?
No, il ponte non crollerà, ma se il carico extra è molto più alto del limite menzionato, allora c’è un’alta possibilità che il ponte possa crollare. Quindi quel carico extra è il limite fino al quale il ponte è sicuro. Quel cuscino extra è il limite di sicurezza
Fattore di sicurezza è determinato dalla seguente formula
Fattore di sicurezza = Carico effettivo / Carico di lavoro
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Perché il fattore di sicurezza è importante?
Il prodotto è per l’uomo. Se un prodotto è sicuro, l’uomo è sicuro. Questo è l’intero concetto. Se un prodotto non è sicuro, causerà il fallimento del prodotto e forse la perdita di vite umane (un esempio è un ponte autostradale). Quindi ogni ingegnere si concentra sul rendere un prodotto migliore in modo che possa salvare il prodotto e salvare vite umane.
Prendiamo l’esempio del problema dell’incidente del Boeing 737 max. Due aerei si sono schiantati nell’arco di 6 mesi. I viaggiatori non si sentivano sicuri e hanno smesso di imbarcarsi su qualsiasi Boeing 737 Max. A causa di questo Boeing ha perso tutti gli ordini di 737 max, che ha portato ad una grande perdita finanziaria per la società. Questo colpisce anche la fiducia dei viaggiatori in Boeing. Quindi, solo perché il 737 max non aveva abbastanza cuscino di sicurezza, Boeing ha pagato un grande prezzo per questo.
Il fattore della sicurezza è ora un requisito normativo per ottenere l’approvazione del prodotto per il mercato. La sicurezza è ora parte integrante della progettazione del prodotto. Senza un adeguato fattore di sicurezza, c’è un’alta probabilità che non sarete mai in grado di portare il vostro prodotto sul mercato.
Ecco una probabile lista di motivi per cui il fattore di sicurezza è così importante.
- Alta possibilità che il prodotto non fallisca
- Ci saranno meno possibilità di lesioni umane o morte
- I prodotti saranno approvati rapidamente da un’agenzia di regolamentazione
- Facile da lanciare un prodotto sul mercato
- Meno problemi di richiamo del prodotto
- Numero di chiamate di assistenza sarà inferiore
- Maggiore soddisfazione del cliente
Come calcolare il fattore di sicurezza: Formula del fattore di sicurezza
Il fattore di sicurezza può essere calcolato in diversi modi. Ma alla fine tutti questi metodi controllano solo una cosa, la quantità di carico di sicurezza oltre il suo carico di lavoro progettato. C’è una differenza nei modi in cui ogni processo calcola e analizza i dati, ma il risultato è lo stesso.
Ogni volta che una parte o un elemento è sotto carico, viene stressato a seconda del tipo di materiali. I materiali duttili tendono ad avere più stress dei materiali fragili. La quantità di stress al carico di sicurezza si chiama stress di sicurezza o di snervamento e la quantità di stress al carico di progetto designato si chiama stress di lavoro. Il rapporto tra questo stress di sicurezza e lo stress di lavoro ci dà un fattore di sicurezza
Fattore di sicurezza = Yield Stress / Working Stress
Se il fattore di sicurezza è 1, allora significa che il carico di progetto è uguale al carico di sicurezza. Quindi, per una migliore progettazione, il fattore di sicurezza dovrebbe essere sempre maggiore di 1. Se il fattore di sicurezza è inferiore a 1, allora il prodotto è nella zona di pericolo.
Cos’è il fattore di progettazione e il fattore di sicurezza?
Il fattore di progettazione è fondamentalmente quanto carico una parte è NECESSARIA a sopportare e il fattore di sicurezza è la quantità di carico che una parte potrebbe EFFETTIVAMENTE essere in grado di sopportare. Quindi il fattore di progettazione è il requisito minimo e il fattore di sicurezza è il limite oltre il quale la parte fallirà. Al minimo, il fattore di sicurezza può essere uguale al fattore di progettazione.
Per spiegare prendiamo un esempio di una parte che ha un fattore di progettazione di portare un carico di 3 LB. Ma la parte è in realtà progettata per gestire un carico di 30 LB. Quindi idealmente la parte ha ancora un fattore di progettazione di 3, ma in realtà può sopportare fino a 30 LB che è il fattore di sicurezza.
Il fattore di progettazione è il requisito minimo e di solito è fissato dalla normativa. Se un ingegnere progetta una parte con un fattore di sicurezza troppo elevato, si chiama “Overengineering”
Che cos’è il margine di sicurezza?
Il margine di sicurezza è la misura della capacità strutturale in eccesso. È il carico addizionale oltre il carico di progetto dopo il quale la parte si rompe. Se il margine di sicurezza è 0, allora il prodotto si guasterà quando raggiunge il suo carico di progetto. Se il margine di sicurezza è 1, allora il pezzo può sopportare un carico superiore a quello di progetto. E se il margine di sicurezza è -1, allora il pezzo si guasterà anche prima di raggiungere il suo carico di progetto.
Margine di sicurezza = ( Carico di guasto / Carico di progetto )-1 OR = Fattore di sicurezza-1
Cos’è il fattore di riserva?
Il fattore di riserva è usato nei paesi europei dove il carico e lo stress sono espressi nelle stesse unità. Ecco una formula per lo stress di riserva
Sollecitazione di riserva= Sollecitazione di prova / Carico di prova= Resistenza finale / Carico finale
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Determinazione del fattore di sicurezza
Di solito, i progettisti fanno una prova di carico per controllare lo stress di sicurezza e lo stress di progetto. Per determinare il fattore di sicurezza abbiamo bisogno di capire due termini comuni usati nella forza dei materiali. Questi sono la tensione di snervamento e la tensione finale
Sollecitazione di snervamento
La tensione di snervamento è il limite di tensione dopo il quale i materiali iniziano a deformarsi
Sollecitazione finale
La tensione finale è il limite di tensione dopo il quale la parte fallisce.
Per calcolare il fattore di sicurezza per i materiali duttili dobbiamo considerare la tensione di snervamento come tensione di sicurezza e per i materiali fragili, dobbiamo considerare la tensione finale come tensione di sicurezza.
In genere, per tutti i materiali conosciuti, i valori per il carico di snervamento e il carico ultimo sono facilmente disponibili. Se si usa un materiale di composizione, allora è necessario eseguire una prova di carico per determinare il valore dello snervamento e dello sforzo ultimo. Una volta che si conoscono questi due valori, si può trovare il fattore di sicurezza basato sul carico di progetto.
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Esempi di fattore di sicurezza
Di seguito un tipico fattore di sicurezza di un paio di gruppi di prodotti chiave. I valori sono approssimativi e le industrie possono seguire un valore diverso in base alle condizioni di carico.
| Apparecchio | Fattore di sicurezza |
|---|---|
| Caldaia | 3.5-6 |
| Aereo | 1.5-2 |
| Vasi a pressione | 3.5-6 |
| Componenti del motore | 6-8 |
| Ruote in ghisa | 20 |
| Ganci di sollevamento | 8-9 |
| Struttura dei ponti | 5-7 |
| Struttura dell’edificio | 4-6 |
| Componenti statici della turbina | 6-8 |
| Componenti rotanti della turbina | 2-3 |
Svantaggi dell’uso di un alto fattore di sicurezza
Una delle considerazioni chiave che molti ingegneri fanno è che scelgono un alto fattore di sicurezza. Pensano che se si tiene alto il fattore di sicurezza, allora il prodotto non fallirà mai. Al contrario, un alto fattore di sicurezza porta ad un inutile spreco di sforzi e denaro. Il costo del prodotto diventa alto per compensare quell’alto fattore di sicurezza.
A causa di questo, dovremmo sempre concentrarci sul considerare un fattore di sicurezza che mantiene basso il costo del prodotto ma allo stesso tempo offre un livello massimo di sicurezza. L’Under-Engineering è pericoloso ma l’Over-Engineering è uno spreco.
Conclusione
Il fattore di sicurezza è la chiave per ogni ingegnere progettista. Aiuta a fare un prodotto sicuro. Tutti gli ingegneri dovrebbero considerare il fattore di sicurezza fin dall’inizio del ciclo di vita del progetto. Ogni componente deve essere valutato separatamente per determinare il fattore di sicurezza. E infine, l’ingegnere deve valutare il fattore di sicurezza dell’assemblaggio.
Come ho detto prima, non possiamo scendere a compromessi sul fattore di sicurezza. Perché riguarda il prodotto e gli utenti che usano quel prodotto. Detto questo, non dovremmo anche fare un eccesso di ingegneria che alla fine aumenta il costo del prodotto. Dobbiamo trovare un valore ottimale del fattore di sicurezza per progettare un grande prodotto.
Domande frequenti
Che cos’è il fattore di sicurezza
Il fattore di sicurezza è la capacità strutturale di un sistema che determina la capacità di carico capacità di un sistema oltre il suo carico effettivo
Come calcolare il fattore di sicurezza
Fattore di sicurezza = carico effettivo / carico di lavoro
Qual è un buon fattore di sicurezza
Dipende dal prodotto e dalle condizioni di carico. Come minimo dovrebbe essere 1, non c’è limite per il massimo. Vedi la tabella in questo articolo per ottenere i valori tipici del fattore di sicurezza di diverse attrezzature
Fattori da cui dipende il fattore di sicurezza?
Carico effettivo
Carico di lavoro
Tipo di materiale
Densità del materiale
Condizioni ambientali
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