Istnieje kilka sposobów porównywania współczynnika bezpieczeństwa dla konstrukcji. Wszystkie te różne obliczenia mierzą zasadniczo to samo: ile dodatkowego obciążenia ponad to, co jest zamierzone, konstrukcja faktycznie przyjmie (lub ile będzie musiała wytrzymać). Różnica między tymi metodami polega na sposobie obliczania i porównywania wartości. Wartości współczynnika bezpieczeństwa można traktować jako znormalizowany sposób porównywania wytrzymałości i niezawodności systemów.
Użycie współczynnika bezpieczeństwa nie oznacza, że element, struktura lub projekt jest „bezpieczny”. Wiele czynników związanych z zapewnieniem jakości, projektem inżynierskim, produkcją, instalacją i użytkowaniem końcowym może mieć wpływ na to, czy coś jest bezpieczne w danej sytuacji.
Współczynnik projektowy i współczynnik bezpieczeństwaEdit
Różnica między współczynnikiem bezpieczeństwa a współczynnikiem projektowym (współczynnikiem bezpieczeństwa projektu) jest następująca: Współczynnik bezpieczeństwa, czyli granica plastyczności, to ile projektowana część faktycznie będzie w stanie wytrzymać (pierwsze „użycie” od góry). Współczynnik projektowy, lub naprężenie robocze, jest tym, co dana część musi wytrzymać (drugie „zastosowanie”). Współczynnik projektowy jest określony dla danego zastosowania (zazwyczaj podany z góry i często ustalany przez przepisy budowlane lub politykę) i nie jest faktycznym wyliczeniem, współczynnik bezpieczeństwa jest stosunkiem maksymalnej wytrzymałości do zamierzonego obciążenia dla rzeczywistego elementu, który został zaprojektowany.
Współczynnik bezpieczeństwa = granica plastyczności naprężenie robocze {{displaystyle {{text{Factor of safety}}}={{frac {{yield stress}}}{{text{working stress}}}}.
- Obciążenie projektowe to maksymalne obciążenie, jakie część powinna kiedykolwiek zobaczyć podczas pracy.
Zgodnie z tą definicją, konstrukcja o FOS równym dokładnie 1 wytrzyma tylko obciążenie obliczeniowe i nie więcej. Każde dodatkowe obciążenie spowoduje, że konstrukcja ulegnie zniszczeniu. Konstrukcja z FOS równym 2 ulegnie zniszczeniu przy obciążeniu dwukrotnie większym od obciążenia obliczeniowego.
Margines bezpieczeństwaEdit
Wiele agencji rządowych i branż (takich jak przemysł lotniczy i kosmiczny) wymaga stosowania marginesu bezpieczeństwa (MoS lub M.S.) w celu opisania stosunku wytrzymałości konstrukcji do wymagań. Istnieją dwie odrębne definicje marginesu bezpieczeństwa, dlatego należy uważnie określić, która z nich jest używana w danym zastosowaniu. Jedną z nich jest użycie M.S. jako miary zdolności, tak jak FoS. Drugim zastosowaniem M.S. jest miara spełniania wymagań projektowych (weryfikacja wymagań). Margines bezpieczeństwa można ująć koncepcyjnie (wraz ze współczynnikiem rezerwy wyjaśnionym poniżej), aby określić, jaka część całkowitej nośności konstrukcji jest utrzymywana „w rezerwie” podczas obciążenia.
M.S. jako miara nośności konstrukcji: Ta definicja marginesu bezpieczeństwa, powszechnie spotykana w podręcznikach, opisuje, jakie dodatkowe obciążenie poza obciążeniem obliczeniowym może wytrzymać dana część przed jej zniszczeniem. W efekcie jest to miara nadmiernej zdolności. Jeśli margines wynosi 0, część nie wytrzyma żadnego dodatkowego obciążenia zanim ulegnie zniszczeniu, jeśli jest ujemny, część ulegnie zniszczeniu zanim osiągnie obciążenie projektowe w trakcie eksploatacji. Jeśli margines wynosi 1, część może wytrzymać jedno dodatkowe obciążenie o sile równej maksymalnemu obciążeniu, do którego została zaprojektowana (tj. dwukrotność obciążenia obliczeniowego).
Margines bezpieczeństwa = obciążenie niszczące obciążenie obliczeniowe – 1 {{displaystyle {{Margin of safety}}={{frac {{obciążenie niszczące}}{{obciążenie obliczeniowe}}}-.1}
Margines bezpieczeństwa = współczynnik bezpieczeństwa – 1 {{displaystyle {{Margin of safety}}={frac {{frac}}}{{frac}}}-.1}
M.S. jako miara weryfikacji wymagań: Wiele agencji i organizacji, takich jak NASA i AIAA, definiuje margines bezpieczeństwa łącznie ze współczynnikiem projektowym, innymi słowy, margines bezpieczeństwa jest obliczany po zastosowaniu współczynnika projektowego. W przypadku marginesu 0, część ma dokładnie wymaganą wytrzymałość (współczynnik bezpieczeństwa byłby równy współczynnikowi projektowemu). Jeśli istnieje część o wymaganym współczynniku projektowym 3 i marginesie 1, część ta miałaby współczynnik bezpieczeństwa 6 (zdolna do wytrzymania dwóch obciążeń równych jej współczynnikowi projektowemu 3, wytrzymując sześciokrotność obciążenia projektowego przed uszkodzeniem). Margines 0 oznaczałby, że część przeszłaby ze współczynnikiem bezpieczeństwa 3. Jeżeli margines jest mniejszy niż 0 w tej definicji, to chociaż część niekoniecznie ulegnie uszkodzeniu, wymaganie projektowe nie zostało spełnione. Wygodą tego sposobu użycia jest to, że dla wszystkich zastosowań margines 0 lub wyższy oznacza przejście, nie trzeba znać szczegółów zastosowania lub porównywać z wymaganiami, wystarczy rzut oka na obliczenie marginesu, aby stwierdzić, czy projekt został przyjęty, czy nie. Jest to pomocne przy nadzorowaniu i przeglądaniu projektów z różnymi zintegrowanymi komponentami, ponieważ różne komponenty mogą mieć różne czynniki projektowe, a obliczenie marginesu pomaga uniknąć zamieszania.
Współczynnik bezpieczeństwa konstrukcji =
Margines bezpieczeństwa = obciążenie niszczące obciążenie projektowe × współczynnik bezpieczeństwa konstrukcji – 1 { {displaystyle {}text{Margin of safety}}={frac {}}}- 1}1}
Margines bezpieczeństwa = zrealizowany współczynnik bezpieczeństwa projektowy współczynnik bezpieczeństwa – 1 {{displaystyle {}text{Margin of safety}}={frac {}text{realized factor of safety}}{}text{design safety factor}}}-.1}
Aby projekt był udany, zrealizowany współczynnik bezpieczeństwa musi być zawsze równy lub większy od projektowego współczynnika bezpieczeństwa, tak aby margines bezpieczeństwa był większy lub równy zeru. Margines bezpieczeństwa jest czasami, ale rzadko, używany jako wartość procentowa, tzn. 0,50 M.S. jest równoważne 50% M.S. Gdy projekt spełnia ten test, mówi się, że ma „margines dodatni”, i odwrotnie, „margines ujemny”, gdy tak nie jest.
W dziedzinie bezpieczeństwa jądrowego (stosowanego w obiektach należących do rządu USA) margines bezpieczeństwa został zdefiniowany jako wielkość, która nie może być zmniejszona bez przeglądu przez kontrolujący urząd rządowy. Departament Energii USA opublikował dokument DOE G 424.1-1, „Implementation Guide for Use in Addressing Unreviewed Safety Question Requirements” (Przewodnik stosowania w rozwiązywaniu niepoddanych przeglądowi wymagań dotyczących kwestii bezpieczeństwa), który stanowi przewodnik określający sposób identyfikacji i ustalania, czy proponowana zmiana spowoduje zmniejszenie marginesu bezpieczeństwa. W przewodniku opracowano i zastosowano koncepcję jakościowego marginesu bezpieczeństwa, który może nie być jednoznaczny lub wymierny, ale może być oceniany koncepcyjnie w celu określenia, czy proponowana zmiana spowoduje jego zwiększenie lub zmniejszenie. Takie podejście staje się ważne podczas analizy projektów o dużych lub niezdefiniowanych (historycznych) marginesach oraz tych, które zależą od „miękkich” mechanizmów kontrolnych, takich jak limity lub wymagania programowe. Komercyjny amerykański przemysł jądrowy wykorzystywał podobną koncepcję w ocenie planowanych zmian do 2001 roku, kiedy to zmieniono normę 10 CFR 50.59 w celu wychwycenia i zastosowania informacji dostępnych w analizach ryzyka specyficznych dla danego obiektu i innych ilościowych narzędziach zarządzania ryzykiem.
Współczynnik rezerwyEdit
Miarą wytrzymałości często stosowaną w Europie jest współczynnik rezerwy (RF). Przy wytrzymałości i zastosowanych obciążeniach wyrażonych w tych samych jednostkach, współczynnik rezerwy jest definiowany na jeden z dwóch sposobów, w zależności od branży:
RF = wytrzymałość próbna / obciążenie próbne
RF = wytrzymałość na zniszczenie / obciążenie próbne
Zastosowane obciążenia mają wiele współczynników, w tym współczynniki bezpieczeństwa.
Współczynnik rezerwy jest miarą wytrzymałości.