Es gibt mehrere Möglichkeiten, den Sicherheitsfaktor für Strukturen zu vergleichen. Alle unterschiedlichen Berechnungen messen im Grunde das Gleiche: wie viel zusätzliche Last über das hinaus, was vorgesehen ist, eine Struktur tatsächlich aufnehmen (oder aushalten) muss. Der Unterschied zwischen den Methoden ist die Art und Weise, wie die Werte berechnet und verglichen werden. Sicherheitsfaktorwerte können als eine standardisierte Methode zum Vergleich der Festigkeit und Zuverlässigkeit von Systemen angesehen werden.
Die Verwendung eines Sicherheitsfaktors bedeutet nicht, dass ein Gegenstand, eine Struktur oder ein Design „sicher“ ist. Viele Faktoren der Qualitätssicherung, des technischen Designs, der Herstellung, der Installation und der Endanwendung können beeinflussen, ob etwas in einer bestimmten Situation sicher ist oder nicht.
Konstruktionsfaktor und Sicherheitsfaktor
Der Unterschied zwischen dem Sicherheitsfaktor und dem Konstruktionsfaktor (Konstruktionssicherheitsfaktor) ist wie folgt: Der Sicherheitsfaktor, oder Fließspannung, gibt an, wie viel das konstruierte Teil tatsächlich aushalten kann (erste „Nutzung“ von oben). Der Auslegungsfaktor oder die Arbeitsspannung ist das, was das Teil aushalten muss (zweiter „Gebrauch“). Der Auslegungsfaktor wird für eine Anwendung definiert (im Allgemeinen im Voraus bereitgestellt und oft durch Bauvorschriften oder Richtlinien festgelegt) und ist keine tatsächliche Berechnung, der Sicherheitsfaktor ist ein Verhältnis von maximaler Festigkeit zu beabsichtigter Belastung für das tatsächliche Element, das entworfen wurde.
Sicherheitsfaktor = Fließspannung Arbeitsspannung {\displaystyle {\text{Faktor der Sicherheit}}={\frac {\text{Fließspannung}}{\text{Arbeitsspannung}}}}
- Die Auslegungslast ist die maximale Last, die das Teil im Betrieb jemals erfahren sollte.
Nach dieser Definition wird eine Struktur mit einer FOS von genau 1 nur die Auslegungslast tragen und nicht mehr. Jede zusätzliche Last führt zum Versagen der Struktur. Eine Struktur mit einer FOS von 2 versagt bereits bei der doppelten Bemessungslast.
SicherheitsspanneBearbeiten
Viele Behörden und Industrien (z.B. Luft- und Raumfahrt) verlangen die Verwendung einer Sicherheitsspanne (MoS oder M.S.), um das Verhältnis zwischen der Festigkeit der Struktur und den Anforderungen zu beschreiben. Es gibt zwei verschiedene Definitionen für die Sicherheitsmarge, so dass man genau wissen muss, welche für eine bestimmte Anwendung verwendet wird. Eine Verwendung von M.S. ist ein Maß für die Fähigkeit wie FoS. Die andere Verwendung von M.S. ist ein Maß für die Erfüllung von Designanforderungen (Anforderungsverifizierung). Die Sicherheitsmarge kann (zusammen mit dem unten erläuterten Reservefaktor) als Maß dafür angesehen werden, wie viel von der Gesamtkapazität der Struktur während der Belastung „in Reserve“ gehalten wird.
M.S. als Maß für die strukturelle Fähigkeit: Diese in Lehrbüchern häufig anzutreffende Definition der Sicherheitsmarge beschreibt, welcher zusätzlichen Belastung über die Auslegungslast hinaus ein Bauteil standhalten kann, bevor es versagt. Im Grunde ist dies ein Maß für die Überlastfähigkeit. Wenn die Marge 0 ist, hält das Teil keine zusätzliche Last aus, bevor es versagt, wenn sie negativ ist, wird das Teil versagen, bevor es seine Auslegungslast im Betrieb erreicht. Wenn die Marge 1 ist, kann es eine zusätzliche Last mit der gleichen Kraft wie die maximale Last, für die es ausgelegt ist, aushalten (d. h. das Doppelte der Auslegungslast).
Sicherheitsmarge = Bruchlast Auslegungslast – 1 {\displaystyle {\text{Sicherheitsmarge}}={\frac {\text{Versagenslast}}{\text{Auslegungslast}}}-1}
Sicherheitsmarge = Sicherheitsfaktor – 1 {\displaystyle {\text{Sicherheitsmarge}}={\text{Sicherheitsfaktor}}-1}
M.S. als Maß für die Anforderungsüberprüfung: Viele Agenturen und Organisationen wie die NASA und die AIAA definieren die Sicherheitsmarge einschließlich des Designfaktors, d. h. die Sicherheitsmarge wird nach Anwendung des Designfaktors berechnet. Im Falle einer Marge von 0 hat das Teil genau die geforderte Festigkeit (der Sicherheitsfaktor wäre gleich dem Auslegungsfaktor). Bei einem Teil mit einem geforderten Auslegungsfaktor von 3 und einer Marge von 1 hätte das Teil einen Sicherheitsfaktor von 6 (es kann zwei Lasten tragen, die seinem Auslegungsfaktor von 3 entsprechen, also das Sechsfache der Auslegungslast vor dem Versagen tragen). Ein Spielraum von 0 würde bedeuten, dass das Teil mit einem Sicherheitsfaktor von 3 bestehen würde. Wenn der Spielraum in dieser Definition kleiner als 0 ist, wird das Teil zwar nicht unbedingt versagen, aber die Konstruktionsanforderung wurde nicht erfüllt. Ein Vorteil dieser Verwendung ist, dass für alle Anwendungen eine Marge von 0 oder höher als bestanden gilt. Man muss die Anwendungsdetails nicht kennen oder mit den Anforderungen vergleichen, ein Blick auf die Margenberechnung genügt, um festzustellen, ob die Konstruktion bestanden ist oder nicht. Dies ist hilfreich für die Überwachung und Überprüfung von Projekten mit verschiedenen integrierten Komponenten, da verschiedene Komponenten unterschiedliche Designfaktoren haben können und die Margenberechnung hilft, Verwirrung zu vermeiden.
Auslegungssicherheitsfaktor =
Sicherheitsmarge = Ausfalllast Auslegungslast × Auslegungssicherheitsfaktor – 1 {\displaystyle {\text{Sicherheitsmarge}}={\frac {\text{Ausfalllast}}{\text{Auslegungslast × Auslegungssicherheitsfaktor}}}-1}
Sicherheitsmarge = realisierter Sicherheitsfaktor Auslegungssicherheitsfaktor – 1 {\displaystyle {\text{Sicherheitsmarge}}={\frac {\text{realisierter Sicherheitsfaktor}}{\text{Auslegungssicherheitsfaktor}}}-1}
Für einen erfolgreichen Entwurf, muss der realisierte Sicherheitsfaktor immer gleich oder größer als der Bemessungssicherheitsfaktor sein, so dass die Sicherheitsmarge größer oder gleich Null ist. Die Sicherheitsspanne wird manchmal, aber selten, als Prozentsatz verwendet, d.h. ein M.S. von 0,50 entspricht einem M.S. von 50 %. Wenn ein Design diesen Test erfüllt, spricht man von einer „positiven Marge“, und umgekehrt von einer „negativen Marge“, wenn dies nicht der Fall ist.
Im Bereich der nuklearen Sicherheit (wie sie in Anlagen der US-Regierung umgesetzt wird) wurde die Sicherheitsspanne als eine Größe definiert, die nicht ohne Überprüfung durch die kontrollierende Regierungsbehörde reduziert werden darf. Das U.S. Department of Energy veröffentlicht DOE G 424.1-1, „Implementation Guide for Use in Addressing Unreviewed Safety Question Requirements“ als Leitfaden für die Ermittlung und Feststellung, ob eine Sicherheitsmarge durch eine vorgeschlagene Änderung reduziert wird. Der Leitfaden entwickelt und wendet das Konzept einer qualitativen Sicherheitsspanne an, die möglicherweise nicht explizit oder quantifizierbar ist, jedoch konzeptionell ausgewertet werden kann, um festzustellen, ob eine Erhöhung oder Verringerung durch eine vorgeschlagene Änderung eintreten wird. Dieser Ansatz wird wichtig, wenn Entwürfe mit großen oder undefinierten (historischen) Margen und solche, die von „weichen“ Kontrollen wie programmatischen Grenzen oder Anforderungen abhängen, untersucht werden. Die kommerzielle US-Nuklearindustrie nutzte ein ähnliches Konzept bei der Bewertung geplanter Änderungen bis 2001, als 10 CFR 50.59 überarbeitet wurde, um die in anlagenspezifischen Risikoanalysen und anderen quantitativen Risikomanagement-Tools verfügbaren Informationen zu erfassen und anzuwenden.
ReservefaktorBearbeiten
Ein in Europa häufig verwendetes Maß für die Festigkeit ist der Reservefaktor (RF). Da die Festigkeit und die angewandten Lasten in denselben Einheiten ausgedrückt werden, wird der Reservefaktor je nach Branche auf eine von zwei Arten definiert:
RF = Prüfkraft / Prüflast
RF = Bruchfestigkeit / Bruchlast
Die angewandten Lasten haben viele Faktoren, einschließlich angewandter Sicherheitsfaktoren.