Factores que se deben tener en cuenta al elegir un coeficiente de seguridad del diseño

Si un grado de acero tiene un límite de elasticidad de 40 000 lpc, cualquier tensión superior a este límite da como resultado una cantidad de deformación permanente. Si se supone que el diseño no se deforma permanentemente al sobrepasar el límite de elasticidad (lo que ocurre en la mayoría de los casos), entonces la tensión máxima admisible en este caso es de 40 000 lpc. Con una tensión real de 40 000 psi, el coeficiente de seguridad es 1,0. Si desea un coeficiente de seguridad de 2,0, la resistencia del material debe ser de 80 000 lpc o debe cambiar el diseño para reducir la tensión máxima a 20 000 lpc.

En la práctica habitual, las tensiones de diseño se limitan a magnitudes significativamente inferiores al límite de elasticidad del material. En otras palabras, el coeficiente de seguridad es significativamente mayor que 1,0. Que el coeficiente de seguridad sea superior a 1,0 depende de una serie de consideraciones:

• Un coeficiente de seguridad tiene en cuenta las imprecisiones resultantes de supuestos, simplificaciones o desconocidos en los procesos de modelado, configuración, análisis y propiedades de materiales. Cuanto mayor sea el número de suposiciones que deba hacer, o cuanto menos seguro esté de las propiedades y condiciones supuestas, más conservador deberá ser el coeficiente de seguridad del diseño.
• Un coeficiente de seguridad puede proporcionar un sobreespesor para las cargas dinámicas. Una carga aplicada de forma repentina o cíclica (es decir, dinámica) produce más tensión de la que predice un análisis de tensión estática. Puede deformar la carga aplicada para tener en cuenta los efectos dinámicos o aumentar el coeficiente de seguridad necesario.
• Un material sometido a ciclos de carga repetitivos puede fallar debido a la fatiga o a una tensión considerablemente inferior al límite de elasticidad. Debe tener en cuenta la tensión admitida reducida en condiciones de fatiga (conocida como el límite de resistencia del material) al elegir un coeficiente de seguridad del diseño.
• Tenga en cuenta la fiabilidad de las propiedades del material asumidas. Un molde grande puede contener porosidad o contaminantes que reducen la resistencia del material localmente. Por otra parte, los materiales laminados, forjados en caliente o en frío tienen una estructura de granos mejorada y sus propiedades son más fiables. La mezcla química de un determinado grado de material también puede variar de un lote a otro. Debe aumentar los coeficientes de seguridad del diseño cuando tenga menos confianza en la fiabilidad de las propiedades del material.
• Tenga en cuenta el acabado de la superficie de las piezas. Las imperfecciones a lo largo de una superficie de desbaste pueden actuar como áreas de concentración de tensión, lo que aumenta la tensión de la superficie a un valor superior a la magnitud calculada. Una superficie de terreno y pulida o mecanizada con precisión es superior a una superficie de corte por llama o de mecanizado irregular. Aumente el coeficiente de seguridad del diseño para tener en cuenta los acabados de desbaste.
• Tenga en cuenta la pérdida de material prevista y el desbaste de superficie debido a la corrosión. Las estructuras y las piezas deben permanecer seguras a medida que se produzca un deterioro a lo largo del tiempo, ya sea causado por factores ambientales normales o por la exposición química corrosiva.
• ¿El peso del diseño tiene una importancia crítica, como cuando se diseñan aviones o los equipos que llevan a bordo? En estos casos, no se puede ser excesivamente conservador, y es normal que el coeficiente de seguridad del diseño sea menor. Sin embargo, también debe asegurarse de que la configuración del modelo y la fiabilidad de las propiedades del material sean lo más exactas posible. Este tipo de trabajo de diseño requiere que se minimicen los errores debidos a simplificaciones y supuestos.
• Por último, se deben tener en cuenta las repercusiones de un fallo. Si un fallo de una pieza no produce daños consecuentes y es fácil de reparar, tiene un impacto relativamente bajo. Sin embargo, si un fallo de una pieza puede provocar un fallo estructural catastrófico, una lesión grave o la muerte, obviamente se justifican los coeficientes de seguridad mayores. Por ejemplo, un ascensor debe diseñarse con coeficientes de seguridad más altos que un soporte utilizado para montar una cámara.