Жүктемеден артық жүйе күші

Кіріспе

Жүйенің жоспарланған жүктемеден артық беріктігі

Инженерлік салада қауіпсіздік коэффициенті (FoS), сондай-ақ қауіпсіздік факторы (SF) деп те аталады (және олар бір-бірімен қолданылады), жүйенің жоспарланған жүктемеге қарағанда қанша есе берік екенін көрсетеді. Қауіпсіздік факторлары көбінесе толыққанды сынау көп жобаларда, мысалы, көпірлер мен ғимараттарда мүмкін болмағандықтан, егжей-тегжейлі талдау арқылы есептеледі, бірақ құрылымның жүктемені қабылдау қабілетін нақты анықтау қажет. Көптеген жүйелер қасақана түрде қалыпты пайдалану үшін қажетті деңгейден артық беріктікпен салынды, осылайша төтенше жағдайларға, күтпеген жүктемелерге, дұрыс пайдаланбауға немесе тозуға (сенімділікке) төтеп беруге болады.

Есептеу

Құрылыстардың қауіпсіздік коэффициентін салыстырудың бірнеше тәсілі бар. Барлық есептеулердің түбінде бір мәселе жатыр: құрылымның жоспарланған жүктемеден қанша артық жүктемені көтере алатыны (немесе көтеруге тиіс екені). Әдістердің өзгешелігі – мәндерді есептеу және салыстыру жолында. Қауіпсіздік коэффициенттерін жүйелердің күші мен сенімділігін салыстырудың біркелкі стандарты деп қарастыруға болады. Қауіпсіздік коэффициентін қолдану, бір заттың, құрылымның немесе жобаның "қауіпсіз" екенін көрsetпейді. Сапаны бақылау, инженерлік жобалау, өндіріс, орнату және қолдану сияқты факторлар нақты жағдайда бір нәрсенің қауіпсіздігіне әсер етуі мүмкін.

Құрылыс факторы және қауіпсіздік факторы

Қауіпсіздік коэффициенті мен жобалау коэффициенті (жобалау қауіпсіздігі коэффициенті) арасындағы айырмашылық мынадай: Қауіпсіздік коэффициенті немесе беріктік шегі – жобаланған бөлшектің қанша күшке шыдай алатынын көрсетеді (бірінші қолданылу). Ал жобалау коэффициенті немесе жұмыс күші – бұйымның қандай күшке төтеп беруі керек екенін анықтайды (екінші қолданылу). Жобалау коэффициенті белгілі бір қолданыс үшін анықталады (әдетте алдын ала беріледі және көбінесе нормативтік құрылыс кодекстерімен немесе саясатпен белгіленеді) және нақты есептеу емес. Қауіпсіздік коэффициенті – жобаланған нақты элементтің максималды беріктігі мен күтілетін жүктеме арасындағы қатынас. Жобалық жүктеме – бөлшектің қызмет ету кезіндегі ең жоғары күші. Осы анықтама бойынша, FOS көрсеткіші 1-ге тең құрылым тек жобалық жүктемені ғана көтере алады, одан артығын емес. Қосымша жүктеме құрылымның бұзылуына әкеледі. FOS көрсеткіші 2-ге тең құрылым жобалық жүктеменің екі еселенгенінде бұзылады.

Қауіпсіздік шегі

Көптеген мемлекеттік органдар мен салалар (мысалы, аэроғарыш) конструкцияның беріктігінің талаптарға қатысты қатынасын сипаттау үшін қауіпсіздік шегін (MoS немесе M. S.) пайдалануды талап етеді. Қауіпсіздік шегінің екі бөлек анықтамасы бар, сондықтан қандай да бір қолданба үшін қайсысын қолдану керектігін анықтау үшін мұқият болу керек. М.С. бір қолданылуы – ФОС сияқты қабілеттіліктің өлшемі. М.С. екінші қолданылуы – жобалау талаптарын қанағаттандырудың өлшемдері (талаптарды тексеру). Қауіпсіздік шегін (төменде түсіндірілген резервтік фактормен бірге) жүктеу кезінде құрылыстың жалпы қабілеттілігінің қаншалықты "резервте" ұсталатынын білдіру үшін тұжырымдауға болады. М.С. құрылымдық қабілеттіліктің өлшемі ретінде: Оқулықтарда жиі кездесетін қауіпсіздік шегінің бұл анықтамасы, бөлшектің сыну алдында конструкциялық жүктемеден тыс қандай қосымша жүктемеге төтеп бере алатынын сипаттайды. Бұл – шамадан тыс қуаттың көрсеткіші. Егер маржа 0 болса, бөлшектің ақаулық алдында қосымша жүктемеге төтеп беру қабілеті жоқ, егер ол теріс болса, бөлшектің қызметтегі жобалық жүктемесіне жетпес бұрын ақаулық пайда болады. Егер маржа 1 болса, онда ол ең жоғары жүктемеге (яғни жобалық жүктемеден екі есеге) тең күшті қосымша жүктемеге төтеп бере алады. М.С. талаптарды тексеру шарасы ретінде: NASA және AIAA сияқты көптеген агенттіктер мен ұйымдар қауіпсіздік шегін жобалау факторын қоса алғанда анықтайды, басқаша айтқанда, қауіпсіздік шегі жобалау факторын қолданғаннан кейін есептеледі. Егер маржа 0 болса, бөлшектің қажетті беріктігіне ие екендігін білдіреді (қауіпсіздік коэффициенті жобалық коэффициентке тең болады). Егер талап етілетін конструкциялық коэффициенті 3 және маржасы 1 болатын бөлшектер болса, онда олардың қауіпсіздік коэффициенті 6-қа тең болады (құрастырылған коэффициенті 3 тең екі жүктемені көтеріп, ақау алдындағы конструкциялық жүктемені алты есе көтеріп). 0-ге тең маржа – бұл бөлшектің қауіпсіздік коэффициенті 3-ке тең екендігін білдіреді. Егер маржа осы анықтама бойынша 0-ден кем болса, бөлшектің бұзылуы міндетті емес, бірақ жобалау талабы орындалмаған болады. Бұл пайдаланудың ыңғайлылығы – барлық қолданбалар үшін 0 немесе одан жоғары маржа өтуі, қолданбаның егжей-тегжейін білу немесе талаптарды салыстырудың қажеті жоқ, тек маржа есептеуіне көз жүгірту дизайнның өтуі немесе өтпеуін анықтайды. Бұл түрлі интеграцияланған компоненттері бар жобаларды қадағалау мен тексеру үшін пайдалы, өйткені әр түрлі компоненттерде әртүрлі жобалау факторлары болуы мүмкін және маржаны есептеу шатастыруды болдырмауға көмектеседі. Қауіпсіздік факторы талап ретінде келтіріледі. Сәтті жобалау үшін іске асырылған қауіпсіздік коэффициенті әрқашан жобалау қауіпсіздік коэффициентінен кем болмау керек, сондықтан қауіпсіздік шегі нөлден артық немесе оған тең болуы керек. Қауіпсіздік шегі кейде, бірақ сирек, пайыз ретінде қолданылады, яғни 0,50 М.С. 50% М.С. тең. Егер жоба осы сынақты қанағаттандырса, онда ол "жағымды шегі" бар, ал керісінше, "жағымсыз шегі" бар. Ядролық қауіпсіздік саласында (АҚШ үкіметінің меншігіндегі қондырғыларда жүзеге асырылған) қауіпсіздік шегі бақылаушы үкіметтік ведомствоның тексеруінен тыс азайтылмауы мүмкін мөлшер ретінде анықталды. АҚШ Энергетика министрлігі DOE G 424.1.1 "Қауіпсіздік сұрақтарының қайта қаралмаған талаптарын шешу үшін қолдану жөніндегі нұсқаулық" жариялайды, бұл ұсынылатын өзгеріспен қауіпсіздік шегін қалай анықтауға және анықтауға болатынын анықтау үшін нұсқаулық ретінде қызмет етеді. Нұсқаулықта нақты немесе сандық емес, бірақ ұсынылатын өзгерістердің көбеюі немесе төмендеуі болатынын анықтау үшін тұжырымдамалық тұрғыдан бағалана алатын сапалық қауіпсіздік шегінің тұжырымдамасы әзірленеді және қолданылады. Бұл тәсіл үлкен немесе анықталмаған (тарихи) маржалары бар және бағдарламалық шектер немесе талаптар сияқты "жұмсақ" бақылауларға тәуелді дизайндарды зерттегенде маңызды болады. АҚШ-тың коммерциялық ядролық өнеркәсібі 2001 жылға дейін жоспарланған өзгерістерді бағалауда ұқсас тұжырымдаманы қолданды, онда 10 CFR 50.59 нысанға тән тәуекелдерді талдау және басқа да сандық тәуекелдерді басқару құралдарынан алынған ақпаратты жинақтау және қолдану үшін қайта қаралды.

Many government agencies and industries (such as aerospace) require the use of a margin of safety (MoS or M. S.) to describe the ratio of the strength of the structure to the requirements. There are two separate definitions for the margin of safety so care is needed to determine which is being used for a given application. One usage of M. S. is as a measure of capability like FoS. The other usage of M. S. is as a measure of satisfying design requirements (requirement verification). Margin of safety can be conceptualized (along with the reserve factor explained below) to represent how much of the structure's total capability is held "in reserve" during loading. M. S. as a measure of structural capability: This definition of margin of safety commonly seen in textbooks describes what additional load beyond the design load a part can withstand before failing. In effect, this is a measure of excess capability. If the margin is 0, the part will not take any additional load before it fails, if it is negative the part will fail before reaching its design load in service. If the margin is 1, it can withstand one additional load of equal force to the maximum load it was designed to support (i. e. twice the design load). M. S. as a measure of requirement verification: Many agencies and organizations such as NASA and AIAA define the margin of safety including the design factor, in other words, the margin of safety is calculated after applying the design factor. In the case of a margin of 0, the part is at exactly the required strength (the safety factor would equal the design factor). If there is a part with a required design factor of 3 and a margin of 1, the part would have a safety factor of 6 (capable of supporting two loads equal to its design factor of 3, supporting six times the design load before failure). A margin of 0 would mean the part would pass with a safety factor of 3. If the margin is less than 0 in this definition, although the part will not necessarily fail, the design requirement has not been met. A convenience of this usage is that for all applications, a margin of 0 or higher is passing, one does not need to know application details or compare against requirements, just glancing at the margin calculation tells whether the design passes or not. This is helpful for oversight and reviewing on projects with various integrated components, as different components may have various design factors involved and the margin calculation helps prevent confusion. The design safety factor is provided as a requirement. For a successful design, the realized safety factor must always equal or exceed the design safety factor so that the margin of safety is greater than or equal to zero. The margin of safety is sometimes, but infrequently, used as a percentage, i. e., a 0.50 M. S is equivalent to a 50% M. S. When a design satisfies this test it is said to have a "positive margin", and, conversely, a "negative margin" when it does not. In the field of nuclear safety (as implemented at U. S. government owned facilities) the margin of safety has been defined as a quantity that may not be reduced without review by the controlling government office. The U. S. Department of Energy publishes DOE G 424.1 1, "Implementation Guide for Use in Addressing Unreviewed Safety Question Requirements" as a guide for determining how to identify and determine whether a margin of safety will be reduced by a proposed change. The guide develops and applies the concept of a qualitative margin of safety that may not be explicit or quantifiable, yet can be evaluated conceptually to determine whether an increase or decrease will occur with a proposed change. This approach becomes important when examining designs with large or undefined (historical) margins and those that depend on "soft" controls such as programmatic limits or requirements. The commercial U. S. nuclear industry utilized a similar concept in evaluating planned changes until 2001, when 10 CFR 50.59 was revised to capture and apply the information available in facility specific risk analyses and other quantitative risk management tools.

Резервтік фактор

Еуропада жиі қолданылатын беріктік өлшемі – резервтік фактор (РФ). Күш және қолданылатын жүктемелер бірдей өлшем бірліктерінде берілген жағдайда, резервтік фактор индустрияға қарай екі түрлі жолмен анықталады:

Қолданылатын жүктемелерге қауіпсіздік коэффициенттері сияқты көптеген факторлар әсер етеді.

Табыс пен түпкілікті есептеулер

Соққыға төзімді материалдар үшін (мысалы, көптеген металдар үшін) қауіпсіздік коэффициентін беріктік шегіне де, соңғы беріктікке де қатысты тексеру жиі қажет болады. Беріктік шегін есептеу бөлшектің пластикалық деформациялана бастағанға дейінгі қауіпсіздік коэффициентін анықтайды. Соңғы беріктікті есептеу бөлшектің бұзылуына дейінгі қауіпсіздік коэффициентін анықтайды. Шекті материалдарда беріктік шегі мен соңғы беріктік көбінесе ажырату қиын болады, сондықтан әдетте тек соңғы қауіпсіздік коэффициентін есептеу жеткілікті.

Құрылыс факторларын таңдау

Тиісті жобалау факторлары бірнеше факторларға негізделеді, мысалы, қолданылатын жүктемелердің дұрыстығын болжау, беріктік, тозу бағалаулары және өнімнің қызмет ету кезінде кездесетін қоршаған ортаның әсері; инженерлік сәтсіздіктің салдары; және осы қауіпсіздік коэффициентіне жету үшін компоненттің инженерлік тұрғысынан артық жобалау құны. Мысалы, маңызды қаржылық шығынға, ауыр жарақатқа немесе өлімге әкелуі мүмкін компоненттерде төрт немесе одан жоғары (көбінесе он) қауіпсіздік коэффициенті қолданылуы мүмкін. Маңызды емес компоненттерде әдетте екі жобалау факторы болуы мүмкін. Қауіп-қатерлерді талдау, ақаулық түрлерін және олардың салдарларын талдау және басқа да құралдар жиі қолданылады. Нақты қолданыстар үшін жобалау факторлары көбінесе заң, саясат немесе салалық стандарттармен міндетті түрде белгіленеді. Ғимараттар әрбір құрылымдық элемент үшін 2.0 қауіпсіздік коэффициентін қолданады. Ғимараттар үшін бұл көрсеткіш салыстырмалы түрде төмен, өйткені жүктемелер жақсы түсініледі және көптеген құрылымдарда қосымша сенімділік қарастырылған. Қысымды ыдыстар үшін 3.5-4.0, автомобильдер үшін 3.0, ал ұшақтар мен ғарыш кемелері үшін 1.2-4.0 аралығында қолданылады. Майысқақ, металл материалдар көбінесе төменгі мәнді, ал хруптты материалдар жоғары мәнді пайдаланады. Әуе-ғарыш инженериясы саласында конструкциялық факторлар көбінесе төмен болады, өйткені құрылымдық салмаққа байланысты шығындар жоғары (яғни, жалпы қауіпсіздік коэффициенті 5 болатын ұшақ жерден көтерілу үшін тым ауыр болуы мүмкін). Осы төмен жобалау факторының себебі – әуе-ғарыш бөлшектері мен материалдарына қатаң сапа бақылауы және сенімділікті қамтамасыз ету үшін қатаң профилактикалық техникалық қызмет көрсету кестелері қолданылады. Әдетте қолданылатын қауіпсіздік коэффициенті 1.5 құрайды, бірақ қысыммен жұмыс істейтін фюзеляж үшін 2.0, ал негізгі қону шасси құрылымдары үшін көбінесе 1.25 болады. Кейбір жағдайларда бөлшектің «стандартты» жобалау факторына сәйкес келуі практикалық немесе мүмкін емес. Осы талапты орындаудың салдары (салмақ немесе басқа да факторлар) жүйенің тиімді болуына кедергі келтіруі мүмкін (мысалы, ұшақ немесе ғарыш кемесінің жағдайында). Мұндай жағдайларда, кейде компоненттің қалыпты қауіпсіздік факторынан төмен болуына рұқсат ету туралы шешім қабылданады, бұл талапты «жетеуге» рұқсат ету деп аталады. Мұндай жағдайларда, бөлшектің қажетті деңгейде жұмыс істейтініне көз жеткізу үшін қосымша егжей-тегжейлі талдау немесе сапаны бақылау тексерулері жүргізіледі, өйткені ол өзінің шектеріне жақын жүктеледі. Циклдік, қайталанатын немесе өзгеретін жүктемелер кезінде қауіпсіздік факторын таңдағанда металлдың шаршауы мүмкіндігін ескеру маңызды. Материалдың беріктігінен төмен циклдік жүктеме, жеткілікті циклдардан өткеннен кейін сәтсіздікке әкелуі мүмкін.

Appropriate design factors are based on several considerations, such as the accuracy of predictions on the imposed loads, strength, wear estimates, and the environmental effects to which the product will be exposed in service; the consequences of engineering failure; and the cost of over engineering the component to achieve that factor of safety For example, components whose failure could result in substantial financial loss, serious injury, or death may use a safety factor of four or higher (often ten). Non critical components generally might have a design factor of two. Risk analysis, failure mode and effects analysis, and other tools are commonly used. Design factors for specific applications are often mandated by law, policy, or industry standards. Buildings commonly use a factor of safety of 2.0 for each structural member. The value for buildings is relatively low because the loads are well understood and most structures are redundant. Pressure vessels use 3.5 to 4.0, automobiles use 3.0, and aircraft and spacecraft use 1.2 to 4.0 depending on the application and materials. Ductile, metallic materials tend to use the lower value while brittle materials use the higher values. The field of aerospace engineering uses generally lower design factors because the costs associated with structural weight are high (i. e. an aircraft with an overall safety factor of 5 would probably be too heavy to get off the ground). This low design factor is why aerospace parts and materials are subject to very stringent quality control and strict preventative maintenance schedules to help ensure reliability. A usually applied Safety Factor is 1.5, but for pressurized fuselage it is 2.0, and for main landing gear structures it is often 1.25. In some cases it is impractical or impossible for a part to meet the "standard" design factor. The penalties (mass or otherwise) for meeting the requirement would prevent the system from being viable (such as in the case of aircraft or spacecraft). In these cases, it is sometimes determined to allow a component to meet a lower than normal safety factor, often referred to as "waiving" the requirement. Doing this often brings with it extra detailed analysis or quality control verifications to assure the part will perform as desired, as it will be loaded closer to its limits. For loading that is cyclical, repetitive, or fluctuating, it is important to consider the possibility of metal fatigue when choosing factor of safety. A cyclic load well below a material's yield strength can cause failure if it is repeated through enough cycles.

Тарих

Элишаковтың айтуынша, инженерлік контекстте қауіпсіздік факторының ұғымын алғаш рет 1729 жылы гидравлика, математика, азаматтық және әскери инженерлік салаларында жұмыс істеген француз инженері Бернард Форест де Белидор (1698–1761) енгізген. Қауіпсіздік факторларының философиялық жақтарын Дорн мен Ханссон қарастырған.