Coeficiente de seguridad

En el diseño de aparatos a presión, en la norma AD-Merkblatter el cálculo de espesor de las láminas 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.

Supongamos el caso de un ascensor, en el que se indique como carga de uso una carga máxima de 320 kg o 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.

En construcción las normativas europeas como eurocódigo y diversas normativas nacionales, preconizan métodos de cálculo que involucran tanto factores de mayoración de la carga, como factores de minoración de la resistencia, siendo el coeficiente de seguridad global un valor dependiente de los factores parciales de mayoración y minoración mencionados.

Usualmente se emplea el método de los estados límites para proyectar y justificar mediante cálculo una determinada edificación. Este método consiste en determinar posibles modos de fallo de un edificio, y fijar un valor probable (valor característico) de cierta magnitud que controla alguno de los posibles modos de fallo funcional o estructural. Por otra parte se determina el valor máximo de la misma magnitud que puede admitir la estructura proyectada, calculado a partir de sus características geométricas y las propiedades de los materiales con que está construido. La relación entre el valor probable y el valor máximo admisible está relacionado con el coeficiente de seguridad.

Esto se puede ilustrar si se considera un ejemplo concreto, como por ejemplo el valor de la presión del viento sobre una fachada de un edificio p_W. Esta magnitud es una variable aleatoria que para cada instante de tiempo tendrá un valor diferente, cuando no sople viento será cero o un valor muy pequeño, y cuando existan fuertes vientos alcanzará un valor más grande. La presión del viento podrá caracterizarse mediante una distribución de probabilidad. El valor "probable" o valor característico p_{W, k} se define como el valor tal que:

${\displaystyle {\mbox{Prob}}(P_{W}\leq P_{W,k})=0.95}$

Es decir un valor que con un 95% de probabilidad no será superado (obsérvese aún 1 de cada 20 días el valor de la presión ejercida por el viento superará ese valor probable). En esas condiciones se define el valor de cálculo o valor de dimensionado bajo la acción como:

${\displaystyle P_{W,d}=\gamma _{W}P_{W,k}\,}$

Este último valor será rebasado con una probabilidad muy pequeña, si el coeficiente de mayoración se escoge adecuadamente. Por otra parte, los métodos de la resistencia de materiales permiten calcular cuanta carga de viento es capaz de resistir una estructura en perfecto estado y construida con materiales en perfecto estado con una resistencia específica. Si se admite que por factores aleatorios y esencialmente imprevisibles el material no está en perfectas condiciones o pueda resultar algo menos resisten de lo previsto, se define la capacidad última de la edificación como:

${\displaystyle P_{W,u}={\frac {P_{W,max}}{\gamma _{M}}}}$

En este caso el coeficiente de seguridad global se estima como:

${\displaystyle \gamma _{G}={\frac {P_{W,max}}{P_{W,k}}}=\gamma _{M}\gamma _{W}>1}$

En el caso de los taludes el factor de seguridad se calcula con la fórmula:

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

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.

• Eurocódigos
• EHE-08