Fattori da considerare nella scelta di un fattore di sicurezza di progettazione

Se un tipo di acciaio ha una resistenza allo snervamento di 40.000 psi, qualsiasi sollecitazione superiore a tale limite determinerà un certo grado di deformazione permanente. Se la progettazione non è destinata a subire deformazioni permanenti causate dal superamento del limite di snervamento (e ciò vale per la maggior parte dei casi), la sollecitazione massima consentita è di 40.000 psi. Per una sollecitazione effettiva di 40.000 psi, il fattore di sicurezza è 1,0. Se si desidera impostare un fattore di sicurezza di 2,0, la resistenza del materiale dovrà essere di 80.000 psi; in alternativa, si può modificare la progettazione per ridurre la sollecitazione massima a 20.000 psi.

Nella pratica comune, le sollecitazioni di progettazione sono limitate ad intensità significativamente inferiori rispetto alla resistenza allo snervamento del materiale. In altre parole, il fattore di sicurezza è notevolmente maggiore di 1,0. Per determinare quanto maggiore di 1,0 dovrebbe essere un fattore di sicurezza, occorre fare alcune considerazioni:

• Il fattore di sicurezza tiene conto delle imprecisioni risultanti da presupposti, semplificazioni o elementi sconosciuti a livello di modellazione, impostazione, processi di analisi e proprietà del materiale. Quanto più elevato è il numero di presupposti necessari, o quanto maggiore è l'incertezza riguardo alle proprietà e alle condizioni presupposte, tanto minore dovrebbe essere il fattore di sicurezza di progettazione.
• Un fattore di sicurezza può fornire una tolleranza per i carichi dinamici. Un carico che viene applicato all'improvviso o è ciclico (ossia dinamico) produce più sollecitazioni rispetto alle previsioni di un'analisi della sollecitazione statica. È possibile esagerare il carico applicato per tenere conto degli effetti dinamici o aumentare il fattore di sicurezza richiesto.
• Un materiale soggetto a cicli di carico ripetitivi può rompersi, a causa della fatica, ad una sollecitazione notevolmente inferiore alla resistenza allo snervamento. Nella scelta del fattore di sicurezza di progettazione, occorre considerare la ridotta sollecitazione ammissibile in condizioni di fatica (nota come limite di fatica del materiale).
• Valutare l'affidabilità delle proprietà di materiale presupposte. Una colata di grandi dimensioni può contenere porosità o contaminazioni che riducono la resistenza del materiale a livello locale. D'altra parte, i materiali laminati, forgiati a caldo o lavorati a freddo hanno una struttura di grana migliore e proprietà più affidabili. La miscela chimica di un particolare tipo di materiale può inoltre variare da lotto a lotto. Si consiglia di aumentare i fattori di sicurezza di progettazione se non si è sicuri dell'affidabilità delle proprietà del materiale.
• Considerare la finitura della superficie delle parti. Le imperfezioni lungo una superficie grossolana possono fungere da aree di concentrazione della sollecitazione, aumentando la sollecitazione della superficie oltre l'intensità calcolata. Una superficie di terreno lucida o finemente lavorata è superiore ad una superficie tagliata alla fiamma o lavorata grossolanamente. Aumentare il fattore di sicurezza della progettazione per tenere conto delle finiture grezze.
• Lasciare un margine per la perdita di materiale prevista e la sgrossatura della superficie per effetto della corrosione. Le strutture e le parti devono rimanere sicure nel tempo, nonostante il deterioramento dovuto a normali fattori ambientali o all'esposizione a sostanze chimiche corrosive.
• Il peso della progettazione è di cruciale importanza, ad esempio quando si progettano aerei o attrezzature a bordo? In questi casi, la prudenza non è mai troppa ed è tipico optare per fattori di sicurezza di progettazione inferiori. Tuttavia, è necessario anche garantire la migliore precisione possibile in termini di impostazione del modello e affidabilità delle proprietà del materiale. In questo tipo di lavoro di progettazione, è importante ridurre al minimo gli errori dovuti a semplificazioni e presupposti.
• Infine, occorre considerare le conseguenze di una rottura. Se la rottura di una parte non produce danni consequenziali ed è facile da riparare, l'impatto è relativamente ridotto. Tuttavia, se la rottura di una parte causa errori strutturali catastrofici, lesioni gravi o morte, si giustificano ovviamente fattori di sicurezza maggiori. Ad esempio, nella progettazione di un ascensore occorre utilizzare fattori di sicurezza maggiori rispetto a quelli utilizzati per una staffa che supporta una telecamera.