Coeficiente de seguridad

El coeficiente de seguridad (también conocido como factor de seguridad) es un número que se utiliza en ingeniería para los cálculos de diseño de elementos o componentes de maquinaria, estructuras o dispositivos en general, proporcionando 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.
2. Dividiendo las propiedades favorables del material que determinan el diseño.

En ambos casos lo que resulta en 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.

Estos 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 aplica un coeficiente de seguridad superior o inferior 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. Fórmulas donde aparecen características de los materiales: (tensión elástica, límite elástico, carga de rotura).

Recipientes a presión

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.

Maquinaria

Otro ejemplo sería el caso de un ascensor, en el que se indique como carga de uso una carga máxima de 320 kg ó 4 personas. Normalmente se evitará cargarlo con 4 personas, pero en el hipotético caso de que se monten, si el coeficiente de seguridad es 1,5, realmente el ascensor aguantará perfectamente esa carga, de hecho le sobrarían 160 kg; aguantaría 480 kg reales y si se montasen 5 personas también aguantaría, en este caso le sobrarían 105 kg.

En este caso el coeficiente es aplicado sobre la tensión máxima de rotura del dispositivo, es decir, si este ascensor se cargase con 480 kg, que es su carga máxima real, 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. Aquí también se utiliza el método.

Cimentaciones

En el caso de los taludes el factor de seguridad se calcula en base a la fórmula:

$F_{s}=-F_{c}(u-w\cos \alpha ){\frac {\tan \phi }{w\sin \alpha }}$

siendo Fc= cohesión por el área de tierra susceptible de caer. w el peso sobre el talud. u la presión intersticial provocada por el agua. φ el ángulo de fricción interna. α el ángulo previsible de desplazamiento.