Coeficiente de seguridad

El coeficiente de seguridad (también conocido como factor de seguridad) es el cociente entre el valor calculado de la capacidad máxima de un sistema y el valor del requerimiento esperado real a que se verá sometido. Por este motivo es un número mayor que uno, que indica la capacidad en exceso que tiene el sistema por sobre sus requerimientos.

En este sentido, en ingeniería, arquitectura y otras ciencias aplicadas, es común, y en algunos casos imprescindible, que los cálculos de dimensionado de elementos o componentes de maquinaria, estructuras constructivas, instalaciones o dispositivos en general, incluyan un coeficiente de seguridad que garantice que bajo desviaciones aleatorias de los requerimientos previstos, exista un margen extra de prestaciones por encima de las mínimas estrictamente necesarias.

Los coeficientes de seguridad se aplican en todos los campos de la ingeniería, tanto eléctrica, como mecánica o civil, etc.

Diseño mecánico

En los cálculos de resistencia mecánica, el factor de seguridad se aplica principalmente de dos maneras:

  1. Multiplicando el valor de las solicitaciones o fuerzas que actúan sobre un elemento resistente por un coeficiente mayor a uno (coeficiente de mayoración). En este caso se calcula como si el sistema fuera solicitado en mayor medida de lo que se espera que lo sea en la realidad.
  2. Dividiendo las propiedades favorables del material que determinan el diseño por un número mayor que uno (coeficiente de minoración). En este caso se modela el material como si fuera peor de lo que se espera que sea.

En ambos casos el resultado es el mismo: un sobredimensionamiento del componente.

Este sobredimensionamiento se justifica por variadas causas, como por ejemplo: previsiones de desgaste o corrosión, posibles errores o desviaciones en las propiedades previstas de los materiales que se manejan, diferencias entre las propiedades tabuladas y las obtenibles en la realidad, tolerancias de fabricación o montaje, tolerancias por incertidumbre en las solicitaciones a que se someterá el elemento, la propia incertidumbre del método de cálculo, etc.

Los valores usados como factores de seguridad, por lo general, provienen de la experiencia empírica o práctica, por lo cual están tabulados y contemplados en las normas o la literatura, o bien se aplican según la experiencia personal del diseñador. En general, para el mismo tipo de elemento dependerán del tipo de uso o servicio que se le piense dar y de la posibilidad de riesgo derivada para usuarios y terceras personas. Por ejemplo, para una máquina de uso continuo se usará un factor de seguridad mayor que para una de uso esporádico.

En resistencia de materiales se aplicarán diferentes coeficientes de seguridad dependiendo del uso del componente. Así, en el cálculo de dimensionamiento de la sección de un cable para tender la ropa se utilizará un coeficiente de seguridad inferior al utilizado para ese mismo cable cuando se estudia su empleo para sustentar un ascensor.

En el caso típico el factor de seguridad se emplea en fórmulas donde aparecen características de los materiales: límite elástico, carga de rotura, etc.

Ejemplos de valores y criterios de uso

En el diseño de aparatos a presión, en la norma AD-Merkblatter en el cálculo de espesores de chapas de aparatos a presión, se aplica un coeficiente de seguridad de 1,50 para presiones de diseño, y un coeficiente de seguridad de 1,10 para presiones de prueba. La tensión que toma la mencionada norma para los cálculos es la tensión de fluencia del material a la temperatura de trabajo. En este caso usamos el método 2, o sea, reducir la tensión a utilizar en los cálculos.

La norma ASME tiene publicadas tablas de las distintas tensiones admisibles para diseño en el ASME II, las que ya incorporan el coeficiente de seguridad, en este caso disminuyendo la tensión a utilizar en los cálculos. Como aproximación rápida se puede tomar un coeficiente de 4 dividiendo a la tensión de rotura del material.

En el caso del dimensionamiento de la pared de una tubería se suele aplicar, entre otros, un coeficiente de seguridad por corrosión del orden de 1,2. Al resultado del cálculo del espesor se lo multiplica por 1,2, obteniéndose un espesor mayor. En este caso utilizamos el método 1.

Ejemplo numérico

Supongamos el caso de un ascensor, en el que se indique como carga de uso una carga máxima de 320 kg ó 4 personas y que esté diseñado con un factor de seguridad de 1,5. Este último será desconocido por el usuario por razones de seguridad.

Normalmente se evitará cargar el equipo con más de 4 personas. En el hipotético caso de que se monten 5 personas de 80 kg cada una, el ascensor estaría cargado con 400 kg. Pero como el coeficiente de seguridad es 1,5, realmente el ascensor aguantará perfectamente esa carga, de hecho aguantará 480 kg, por lo que le sobrarían 80 kg.

Si continuamos el razonamiento con 6 personas la carga sería igual a la teórica: 480 kg. En este caso no podemos afirmar con certeza si el equipo soportará la carga. Es posible que la máxima carga real sea menor a la máxima carga calculada, en cuyo caso fallará. También es posible lo contrario, y en ese caso no habrá problemas.

En este caso el coeficiente se ha aplicado sobre la carga máxima de rotura del dispositivo (método 2). Si el ascensor se cargase con 480 kg, que es su carga máxima calculada, los cables se romperían o estarían muy próximos a romperse. Al aplicar el coeficiente de seguridad dividiendo 480 por 1,5, obtenemos los 320 kg que son la carga de uso o de diseño.

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