Qué es y cómo definir el coeficiente de seguridad de un producto

Hemos querido escribir unas líneas sobre este tema porque no es extraño que un cliente, cuando nos solicita el cálculo de un producto nos pregunte o nos solicite consejo sobre qué coeficiente de seguridad debería tener el elemento en estudio. En ocasiones, los clientes, y en su caso los proyectistas o ingenieros no tienen muy claro qué valor de seguridad debe adoptar sus equipos.

Además, el hecho de que no sea un dato de partida para estos clientes, algo que por supuesto debería ser así, les lleva a una inseguridad o, mejor expresado, una intranquilidad porque no saben exactamente cómo va a trabajar el producto una vez puesto en marcha. Es mucho más sencillo cuando existe una normativa aplicable en la que se definen obligatoriamente el valor de seguridad, en este escenario no hay dudas.

El coeficiente de seguridad es un término muy personal, personalizado para nuestros productos y que adoptamos para asegurar la integridad de un equipo. Les aseguramos que tendríamos para varios artículos con este tema, pero nos centramos en los que entendemos es lo fundamental. Espero que estén de acuerdo.

Es un factor de diseño. Un dato de partida

Seleccionar el coeficiente de seguridad puede hacer que su producto sea competitivo o no: pero lo debe definir usted. Es un dato de partida, al igual que los materiales que se usarán para su fabricación o la funcionalidad del producto, tenga en cuenta que es un factor de diseño de primera magnitud en importancia.

Pero, previamente, le echaremos una mano definiendo qué es el coeficiente de seguridad y comprobará cómo, en realidad, es algo que le atañe a usted y no al proceso de cálculo per se.

Antes que nada y para evitar malentendidos. No debemos confundir el coeficiente de seguridad con el coeficiente de mayoración de cargas. No tienen nada que ver aunque se sustenten en principios similares de algún modo, se lo mostramos a continuación.

• El coeficiente de mayoración de cargas es un factor que multiplica a la carga que se aplica sobre el producto, componente, estructura… para emular diferentes aspectos (fuerza dinámica, uso de carga máxima, cumplimiento normativa, etc.) Aquí dejamos un artículo donde hablamos sobre ello. Simplificamos la definición de una carga compleja, variable en el tiempo o directamente imposible de concretar, por un valor multiplicativo del valor-base.
• El coeficiente de mayoración de cargas es algo intrínseco a la definición de cargas que debe soportar el producto. Es un término implicado directamente en el cálculo.

El coeficiente de seguridad, por el contrario es:

• La relación entre el esfuerzo para el que diseñamos el equipo frente a un valor de referencia límite para nosotros en algún modo. Este límite puede ser el límite elástico del material o el límite de rotura o, simplemente, el límite de carga nominal que va a soportar realmente en su vida útil el producto. Un ejemplo, puedo tener una pieza de una aleación de acero con coeficiente de seguridad frente a rotura de 1, frente al límite elástico algo superior a 1 y frente a la carga máxima que va a soportar de 10. Quiere decir que mi pieza va a trabajar con una seguridad muy alta frente a la carga aplicable y que, probablemente, nunca vaya a romper.
• Vemos que pertenece a la definición del producto y sus circunstancias de trabajo, y en modo alguno un término del cálculo. «Quiero que soporte tres veces más de …» o, «necesito que aguante 1,23 veces más que la carga máxima que se aplicará durante…»

La incertidumbre del factor de seguridad

Una vez que hemos decido frente a qué queremos ese factor de seguridad, cuál es el valor de referencia, nos enfrentamos a la definición del mismo.

Ahora aparece la pregunta clave, ¿cómo podemos conocer el coeficiente de seguridad necesario para un equipo? ¿Por qué debe ser 3, 12 ó 1,09 y no otro valor? ¿No será una decisión aleatoria? «Poner 5 veces más por si acaso», es una frase que no es rara oirse en los despachos de ingeniería de producto. Quizás les suene la situación.

La respuesta es sencilla, pero llevar a cabo sus implicaciones, ciertamente, no tanto: debemos controlar la incertidumbre. La incertidumbre de todo aquello que rodea el diseño de nuestro producto y su ciclo de vida útil: la incertidumbre en la fase de diseño, en la fabricación o incluso en el uso final del producto.

Lo ideal, lógicamente, sería diseñar un producto que su factor de seguridad fuera 1, es decir, que se diseñe para soportar exactamente lo que necesite durante su uso, ¡ni más ni menos! Entonces, veamos por qué no puede ser así, casi nunca.

Cómo definir el factor de seguridad en base a la incertidumbre

Un cálculo o validación estructural es una aproximación a la realidad, nunca podremos calcular exactamente lo que ocurre a nuestros productos: sería carísimo, muy largo y, sinceramente, innecesario.
Por ello, usamos métodos probabilísticos que presentan incertidumbres y que tenemos que controlar.
¿Cuáles son esas incertidumbres? De toda naturaleza posible. A continuación, vamos a definirlas y aplicarles a cada una de ellas un subfactor de seguridad, de modo que nuestro factor final de seguridad sea consecuencia de la multiplicación de todos ellos; de tal modo que si no hubiéramos ninguna duda o incertidumbre en ninguno de estos campos, sus valores serían 1 y el resultado de nuestro ansiado coeficiente de seguridad seríaa, precisamente, UNO:

FACTOR DE SEGURIDAD = k1 · k2 · … · kn

Veamos ya las principales fuentes de incertidumbre que rodean a la definición de factor de seguridad:

1. El método de cálculo en sí. Las técnicas de cálculo, el cómo se aplican las condiciones de contorno, el mallado o cómo se ha simplificado el proceso afectará a los resultados obtenidos. Por ello es muy importante tener a un experto a los mandos de la simulación. Cuantas más simplificaciones hagamos en el cálculo más alto será el coeficiente de seguridad. Subfactor k1.
2. El material nunca es homogéneo. Por ello, aplicamos un coeficiente de seguridad para salvaguardar este aspecto (también se suele minorar el límite elástico). Cuanto menos control tengamos sobre el material, más alto será el coeficiente de seguridad. Subfactor k2.
3. El desconocimiento exacto del uso del equipo. No conocer si el usuario final tratará el equipo adecuadamente nos produce incertidumbre, así que incrementamos el factor de seguridad por este motivo. Desde luego, no será lo mismo si estamos diseñando un útil de elevación, donde suponemos que no se tratará con mucho cariño al equipo, que si estamos definiendo un ascensor, donde el usuario apenas puede poner en peligro la integridad del equipo. Cuanto menos control tengamos sobre su uso, más alto será el coeficiente de seguridad. Subfactor k3.
4. No se calcula la fatiga, el creep u otros escenarios. Por ello, debemos aumentar el factor de seguridad y evitar que comportamientos indeseados afecten a la integridad del equipo. Obviamente, si no estimo necesario calcular a fatiga un elemento, deberé asegurarme de que la fatiga no le afecte elevando el factor. Cuanto más escenarios de la vida útil del producto nos dejemos sin analizar, más alto será el coeficiente de seguridad. Subfactor k4.
5. En un diseño relativamente especial, aumentamos el factor de seguridad para evitar problemas posteriores por mil razones que no controlamos en el momento del diseño. Para series largas, esto es inviable por las pérdidas que supondría. Cuanto más desviación de nuestro estándar tenga un producto especial desarrollado ad hoc para un cliente, más alto será el coeficiente de seguridad. Subfactor k5.
6. Aumentar la sensación de seguridad de cara al cliente. Muchas veces se rigidiza una estructura (aumenta el factor de seguridad) para que el usuario final perciba una seguridad mayor incluso que la necesaria. Cuanto más alejada esté la relación entre seguridad del equipo y percepción de la misma, más alto será el coeficiente de seguridad. Subfactor k6.
7. El factor de la almohada. Los «malos ingenieros» aumentamos el coeficiente de seguridad para dormir mejor por la noche. Cuanto peores sensaciones tengamos sobre el control real de ciertos aspectos del diseño, más alto será el coeficiente de seguridad. Subfactor k7.

¿Cómo controlar la incertidumbre?

Como vemos, tenemos un problema. Queríamos una factor de seguridad lo más cercano a 1, pero vemos que tenemos que multiplicar por varios subfactores que incrementan notoriamente nuestro objetivo óptimo. Debemos, por lo tanto, acotar en la medida de lo posible todos ellos. Nótese que solo un 10% de desviación en cada uno de ellos, nos arrojaría un factor de seguridad de… ¡1,95! Prácticamente el doble de lo necesario.

En consecuencia, lo que debemos hacer es localizar las fuentes de incertidumbre y reducirlas tanto como nos sea posible de la forma en la que explicamos a continuación, con ello lograremos bajar el coeficiente de seguridad; porque no lo olvidemos, el coeficiente de seguridad es inversamente proporcional a la competitividad de nuestro producto.

1. Calcular con ANSYS frente a otros sistemas nos permite reducir la incertidumbre del método de cálculo. Pero ojo, ANSYS no hace todo el trabajo por usted, ¡ni mucho menos! Es necesario conocer cómo aplicar toda la física que afecta al equipo en la simulación. Esto pasa por aplicar qué tipo de análisis se necesita ejecutar o cómo introducir las condiciones de contorno correctamente. Miren, como muestra un botón, cómo puede afectar la definición de las condiciones de contorno en una unión atornillada.
2. Mayor control de calidad en la recepción del material de nuestro proveedor o trabajar con materiales que no varíen excesivamente la calidad del mismo, permitiéndonos saber el límite elástico sin variabilidad y sin necesidad de aumentar nuestro k2.
3. Redactar claros manuales de montaje, uso y mantenimiento para definir exactamente cómo tratar nuestro producto evitando un mal uso. Cuanto más «obliguemos» al usuario final a trabajar tal y como esta definido nuestro equipo, más fiabilidad y menos k3 necesitaremos.
4. Calcular todos los escenarios que vaya a soportar el producto en su vida útil. Abaratar costes en el cálculo y diseño supone encarecerlos en la producción porque aumenta el subfactor k4. Una inversión en la fase de cálculo mejorará nuestra cuenta de resultados referente a la produccion, pues será más sencilla.
5. En equipos especiales invertir el tiempo y los recursos necesarios para disminuir la incertidumbre asociada. Esto es clave. El «multiplica por N en comparación a lo que hicimos hace X años» es un error que puede tener consecuencias indeseadas y peligrosas.
6. Se precisa mucha pedagogía para que el cliente acepte que la seguridad aparente es muy cara e innecesaria. Un cliente acostumbrado a que su estructura no flecte más de 1 mm no asumirá que lo haga 5 mm a menos que lo eduquemos en esta línea y muchas veces, el precio de venta es una buena forma de «educar».
7. El factor de la almohada encarece el producto sin motivo aparente. La tranquilidad de un ingeniero no es un valor añadido al producto que el cliente final quiera asumir. ¿Le parecería bien que un proveedor le vendiera un producto mas caro y pesado porque de este modo el diseñador estás «más tranquilo»?

Conclusión

¡Calcule y diseñe manejando la incertidumbre y no sea acomodaticio en la fase de diseño! El coste, o mejor dicho, la inversión que asuma aquí se propagará en todas las demás áreas que lo irán incrementando (produccion, compras, expediciones,…) y, obviamente, se verá afectado en el precio final. A más factor de seguridad innecesario, más coste y menos competitividad. ¿Por qué asumir este escenario cuando es tan claro que tenemos una alternativa mejor y más barata medio plazo?

En Ingeniería SAMAT somos expertos en el cálculo por elementos finitos y estaremos encantados de poder ayudarle en hacer de su producto más competitivo. ¿Hablamos?