rel="nofollow" href="#ulink_b51f30f6-cb44-5273-8a3d-f141cf96cba1">figura 1.11). La variabilidad de la solicitación implica que en servicio esta cambia en cada ciclo de trabajo del elemento, siendo algunas veces mayor y en otras menor; mientras que la variabilidad en la resistencia proviene de la variación en la calidad del proceso de fabricacion de una pieza a otra, de su homogenidad, de su cambio dimensional en servicio, etcétera.
Figura 1.11 Distribuciones de la solicitación y la resistencia reales de una pieza
Nota. El solapo entre estas dos distribuciones representa la probabilidad de falla (área).
Fuente: elaboración propia.
El concepto de probabilidad de falla (Pf ) está relacionado con el criterio según el cual ocurre falla cuando la solicitación real en un componente iguala o excede su resistencia real (figura 1.11), o en otras palabras, cuando el factor de seguridad real se hace igual a uno o menor. Entonces, suponiendo que tanto la resistencia como la solicitación son variables aleatorias, la probabilidad de falla se puede determinar mediante la ecuación 1.3.
| P f = Probabilidad |R≤S| | (1.3) |
Donde R y S son las variables aleatorias de la resistencia y de la solitación, respectivamente. Para definir la distribución de probabilidad de la solicitación es necesario cuantificar las cargas experimentadas por las piezas, por análisis o por medidas directas de campo. Luego, los datos de campo se representan por un modelo teórico de distribución de la solicitación. Nótese que la probabilidad de falla nunca llega a ser cero, es decir, la naturaleza aleatoria de la solicitación y la resistencia no permite generar diseños cien por ciento seguros.
En aplicación la probabilidad de falla de una pieza puede aumentar respecto a su condición inicial, por el aumento en la variabilidad de la solicitación o de la resistencia, o por una conjunción de aumento de la solicitación promedio (S¯) y disminución de la resistencia promedio (R¯), figura 1.12.
Figura 1.12 Escenarios posibles para el aumento de la probabilidad de falla en servicio
Fuente: elaboración propia.
La probabilidad de superviviencia o confiabilidad (Ps) de un componente o de una estructura está definida en la ecuación 1.4. Numéricamente, el nivel de confiabilidad representa el porcentaje de sobrevivencias de un gran número de unidades en un determinado tiempo de servicio.
| P s =1− P f | (1.4) |
La exactitud con que se estime la probabilidad de falla o la confiabilidad depende de la caracterización estadística apropiada tanto de la resistencia como de la solicitación. El grado de incertidumbre puede ser disminuido por la actualización continua de información de las solicitaciones y resistencias reales de un componente.
En un análisis del mecanismo de falla, en últimas se pretende determinar qué fuente o fuentes de falla aumentaron la probabilidad de falla, al modificar la solicitación real o la resistencia. Deficiencias de diseño, transporte, montaje, operación o mantenimiento pueden implicar solicitaciones reales mayores o resistencias reales menores a las esperadas; deficiencias en el material o en el proceso de fabricación generalmente implican resistencias reales menores.
El diseño de elementos mecánicos y estructuras basado en lograr una confiabilidad determinada (o probabilidad de falla) es una filosofía de diseño que actualmente está ganado terreno y que va más acorde con la naturaleza estadística de la solicitación y la resistencia. En [4] se encuentra un resumen de este enfoque de diseño.
1.7 ANÁLISIS COMPLEMENTARIOS A LOS DE FALLA
Los análisis de falla hacen parte de un conjunto de metodologías relacionadas con el manejo de la integridad mecánica de activos. La integridad mecánica de activos es una filosofía de diseño, fabricación, ensamble, operación y mantenimiento de activos que busca la minimización de la ocurrencia de las fallas y, por ende, de sus consecuencias, durante la vida últil de las partes, equipos, instalaciones mecánicas y estructuras.
Desde las etapas del diseño el diseñador puede prever los mecanismos y modos de falla potenciales de la estructura, componente o equipo mecánico que está concibiendo, para estimar así las probabilidades de falla asociadas, la forma de monitorear su evolución, las posibles causas y sus posibles consecuencias, haciendo las correcciones necesarias a los diseños que aseguren que se cumplirá con las prestaciones, criterios de seguridad y tiempo de vida esperado, a esto se le denomina análisis de modos de falla y sus efectos cuya sigla en español es AMFE.
Los análisis de falla se ocupan de fallas ya ocurridas, es decir, post mortem, y los AMFE se ocupan de fallas potenciales; sin embargo, para adelantar los dos análisis y otros que se mencionan más adelante, se requiere que las personas encargadas tengan un conocimiento profundo de los mecanismos de falla y modos de falla posibles de los elementos de máquinas que analizarán.
Antes de mencionar los demás análisis complementarios a los análisis de fallas, dentro del manejo de la integridad mecánica de activos conviene definir algunos términos: rata de falla o frecuencia de falla, que hace referencia a la cantidad de eventos de falla que puede experimentar un elemento, equipo, estructura o instalación durante un intervalo de tiempo dado; severidad de un evento de falla es una medida de la consecuencia más grave que puede tener la ocurrencia de dicho evento, y es proporcional al grado de lesión personal causado, daño físico del sistema o infraestructura, contaminación causada al medio ambiente, etcétera; mantenibilidad es la facilidad con que se pueden realizar todas las labores de mantenimiento de un equipo, de manera que se minimice la ocurrencia de las fallas; disponibilidad corresponde a la fracción de tiempo que un equipo está disponible para ser usado, respecto al tiempo total analizado; criticidad es una medida del impacto que tiene un modo de falla en el cumplimiento del objetivo del equipo o instalación, por lo tanto, depende de la rata de falla y de su severidad; riesgo es un concepto íntimamente relacionado con el de criticidad, y mide el nivel de pérdida económica o humana que tiene un modo de falla, se centra en el impacto sobre una organización, por lo tanto, también depende de la rata de falla y la severidad.
Dentro del manejo de la integridad mecánica de partes, equipos, estructuras e instalaciones, se adelantan los siguientes análisis complementarios a los de fallas y los AMFE: análisis de confiabilidad es aquel cuyo objetivo es establecer la confiabilidad de un equipo a partir del conocimiento de su historial de fallas, o de las leyes físicas que gobiernan el desarrollo de los modos de falla involucrados; análisis de confiabilidad, disponibilidad y mantenibilidad (Análisis CDM), el cual es un procedimiento que usa los análisis de confiabilidad y la estrategia de mantenimiento usada, para pronosticar pérdidas de producción y falta de disponibilidad de un proceso; análisis de criticidad, que es un procedimiento en el que cada modo de falla es jerarquizado de acuerdo con su frecuencia de falla y la severidad de su efecto sobre el cumplimiento del objetivo; análisis de riesgo, similar al análisis de criticidad, pero en este caso la jerarquización mide el impacto sobre la pérdida económica, humana o ambiental; análisis de aptitud para el servicio, en el cual, a partir de la medición del estado actual de evolución de los modos de falla de un equipo, se determina si este puede seguir operando y hasta cuándo lo puede hacer de manera segura, usando las leyes que gobiernan cada modo de falla involucrado. En la figura 1.13 se esquematiza la relación entre
