안전성 요소

엔지니어링에서 안전계수(FoS)는 안전계수(SF)라고도 하며 (및 교환가능하게 사용) 시스템이 의도된 부하에 필요한 것보다 얼마나 강한지를 나타냅니다.교량이나 건물 등 많은 프로젝트에서는 종합적인 시험이 실용적이지 않기 때문에 안전계수는 상세분석을 통해 산출되는 경우가 많지만 구조물의 하중전달능력은 합리적인 정확도로 판단해야 한다.

많은 시스템은 긴급 상황, 예상치 못한 부하, 오용 또는 성능 저하(신뢰성)에 대비하여 통상적인 사용에 필요한 것보다 훨씬 더 강하게 의도적으로 구축되어 있습니다.

정의.

안전성 계수(FoS)에는 다음 두 가지 정의가 있습니다.

• 구조물의 절대 강도(구조 능력)와 실제 가해진 하중의 비율입니다.이것은 특정 설계의 신뢰성에 대한 척도입니다.이것은 계산된 값이며, 때로는 명확성을 위해 실현된 안전 요소라고 언급되기도 한다.
• 구조물이 적합하거나 초과해야 하는 법률, 표준, 사양, 계약 또는 관습에 의해 부과되는 일정한 요구값.이는 설계 요인, 안전 설계 요인 또는 필수 안전 요소라고 할 수 있다.

실현된 안전계수는 요구되는 안전설계계수보다 커야 한다.다만, 다양한 업종과 엔지니어링 그룹간의 사용방법은 일관성이 없고 혼란스럽습니다.사용되는 정의는 여러 가지가 있습니다.다양한 참고서와 표준기관이 안전정의와 용어를 다르게 사용하고 있기 때문이다.건축 법규, 구조 및 기계 공학 교과서는 종종 "안전 요소"를 필요한 것에 대한 총 구조 능력의 비율로 언급합니다.그것들은 실현된 안전^[1][2][3] 요소이다(최초 사용).소재 서적의 학부 강도의 대부분은 설계(제2의 사용)의^[4][5][6] 최소 목표로 하는 상수 값으로 "안전성 요소"를 사용합니다.

계산

구조물의 안전 계수를 비교할 수 있는 몇 가지 방법이 있습니다.모든 다른 계산은 기본적으로 동일한 것을 측정합니다. 즉, 구조물이 실제로 얼마나 많은 추가 부하를 필요로 하는지(또는 견딜 필요가 있는지)입니다.두 방법의 차이는 값을 계산하고 비교하는 방법입니다.안전 계수 값은 시스템 간 강도와 신뢰성을 비교하는 표준화된 방법으로 생각할 수 있습니다.

안전계수를 사용한다고 해서 항목, 구조물 또는 설계가 "안전"하다는 의미는 아니다.품질보증, 엔지니어링 설계, 제조, 설치 및 최종사용의 많은 요소가 특정 상황에서 안전할지 여부에 영향을 미칠 수 있습니다.

설계 요소 및 안전 요소

안전계수와 설계계수(설계안전계수)의 차이는 다음과 같습니다.안전 계수 또는 항복 응력은 설계 부품이 실제로 얼마나 견딜 수 있는지를 나타냅니다(위에서 "먼저 사용").설계 요소 또는 작업 스트레스는 항목이 견딜 수 있어야 하는 것입니다(두 번째 "사용").설계계수는 애플리케이션에 대해 정의되며(일반적으로 사전에 제공되며 종종 규제 건물 법규나 정책에 의해 설정된다), 실제 계산이 아니다. 안전계수는 설계한 실제 항목에 대한 의도하중에 대한 최대강도의 비율이다.

$({displaystyle {text}{안전요소}}={text{수익률 스트레스}}{\tex}} {\text {작업 스트레스}}$

• 설계 하중은 부품에서 사용 시 확인해야 하는 최대 부하입니다.

이 정의에 따르면 FOS가 정확히 1인 구조물은 설계 부하만 지원하며 그 이상은 지원하지 않습니다.추가 부하가 발생하면 구조에 장애가 발생합니다.FOS가 2인 구조물은 설계 부하의 2배에서 장애가 발생합니다.

안전 한계

많은 정부 기관과 산업(항공우주 등)은 요건에 대한 구조물의 강도 비율을 설명하기 위해 안전 여유(MoS 또는 MS)를 사용할 것을 요구한다.안전범위에 대한 두 가지 정의가 있으므로 주어진 용도에 어떤 것이 사용되는지를 결정하기 위해 주의가 필요하다.M.S.의 한 가지 용도는 FoS와 같은 능력을 측정하는 것입니다.MS의 다른 용도는 설계 요건(요건 검증)을 충족하기 위한 수단이다.안전 한계는 (아래 설명되는 예비 계수와 함께) 하중을 받는 동안 구조물의 총 능력의 "예비 상태"가 어느 정도 유지되는지를 나타내기 위해 개념화할 수 있다.

구조 능력의 측정값으로서의 MS:교과서에서 흔히^[7][8] 볼 수 있는 안전범위의 정의는 부품이 고장나기 전에 설계하중을 초과하는 추가하중을 기술합니다.사실상, 이것은 과잉 공정 능력을 나타내는 척도입니다.마진이 0인 경우 부품은 고장나기 전에 추가 부하를 받지 않으며 음의 경우 부품은 설계 부하에 도달하기 전에 고장납니다.여유도가 1인 경우, 지지하도록 설계된 최대 하중과 동일한 힘의 추가 하중을 1회 견딜 수 있다(즉, 설계 하중의 2배).

${\displaystyle {margin of safety} = frac {text {failure load} {\text {design load}}-1}$

${\displaystyle {안전성의 마진}}={안전성의 요소}}-1}$

요건 검증의 척도로서 MS:NASA와 AIAA와^[10] 같은^[9] 많은 기관과 조직은 설계 요소를 포함한 안전 한계를 정의한다. 즉, 안전 범위는 설계 요소를 적용한 후에 계산된다.여백이 0인 경우 부품이 정확히 필요한 강도입니다(안전 계수는 설계 계수와 동일).필요한 설계계수가 3이고 여유도가 1인 부품이 있는 경우 부품의 안전계수는 6입니다(설계계수 3과 동일한 2개의 하중을 지지할 수 있으며 고장 전 설계하중의 6배를 지지합니다).마진이 0이면 부품이 안전 계수 3으로 통과합니다.이 정의에서 마진이 0보다 작을 경우 부품이 반드시 고장날 필요는 없지만 설계 요건은 충족되지 않은 것입니다.이 사용의 편리성은 모든 애플리케이션에서 0 이상의 마진을 통과하면 애플리케이션의 상세 내용을 알 필요도 요건과 비교할 필요도 없고, 마진 계산만 봐도 설계가 합격 여부를 알 수 있다는 것입니다.컴포넌트에 따라 설계요소가 다를 수 있고 마진 계산으로 혼란을 방지할 수 있기 때문에 이는 다양한 통합 컴포넌트가 포함된 프로젝트를 감독하고 검토하는 데 도움이 됩니다.

• 설계안전계수는 요구조건으로 제공된다.

${\displaystyle {\text}{\text{design load×design safety factor}}-1}$

${\displaystyle {\text {안전성 요소}}=sublic frac {\text {design safety factor}-1}$

성공적인 설계를 위해서는 실현된 안전 계수가 항상 설계 안전 계수와 같거나 같아야 하며, 따라서 안전 한계는 0보다 크거나 같아야 합니다.안전 여유는 때때로, 드물게 백분율로 사용됩니다. 즉, 0.50 M입니다.S는 50% M.S.에 상당한다.설계가 이 테스트를 만족할 경우 "양수 여유"를 가지며, 그렇지 않을 경우 "음수 여유"를 갖는다고 한다.

원자력 안전 분야(미국 정부 소유 시설에서 구현)에서 안전 여유는 통제 관청의 검토 없이 감소되지 않을 수 있는 양으로 정의되었다.미국 에너지부는 제안된 변경에 의해 안전 여백이 감소하는지 확인하고 결정하는 방법을 결정하기 위한 지침으로 DOE G 424.1-1, "검토되지 않은 안전 질문 요건에 대한 사용을 위한 이행 지침"을 발행한다.이 지침은 명시적이거나 정량화할 수 없지만 제안된 변경으로 증가 또는 감소가 발생할지 여부를 결정하기 위해 개념적으로 평가할 수 있는 안전의 질적 여유도의 개념을 개발하고 적용한다.이 접근방식은 마진이 크거나 정의되지 않은(이력) 설계와 프로그램 한계나 요건과 같은 "소프트" 제어에 의존하는 설계를 검토할 때 중요해진다.상업용 미국 원자력 산업은 2001년까지 계획 변경 평가에 유사한 개념을 사용했다. 이때 10 CFR 50.59는 시설별 위험 분석 및 기타 정량적 위험 관리 도구에서 이용할 수 있는 정보를 수집하고 적용하도록 개정되었다.

적립률

유럽에서 자주 사용되는 강도의 척도는 예비율(RF)이다.동일한 단위로 표현되는 강도 및 가해진 하중의 경우, 예비 계수는 산업에 따라 다음 두 가지 방법 중 하나로 정의됩니다.

$디스플레이 스타일RF}}=frac {text {proof strength}{\text {proof load}}}$

$디스플레이 스타일RF}}=frac {text {text strength}{\text {text {text load}}}$

적용된 하중은 적용된 안전 요소를 포함하여 많은 요소가 있습니다.

수율 및 최종 계산

연성 재료(예: 대부분의 금속)의 경우, 종종 수율 및 최종 강도에 대한 안전 계수를 점검해야 한다.수율 계산은 부품이 가소성 변형을 시작할 때까지 안전 계수를 결정합니다.궁극적인 계산에 따라 고장까지의 안전 계수가 결정됩니다.메짐성 재료의 경우 이러한 값은 구별할 수 없을 정도로 가깝기 때문에 일반적으로 최종 안전 계수만 계산하는 것이 허용된다.

설계 요인 선택

적절한 설계 요소는 부과된 하중, 강도, 마모 추정치 및 제품이 사용 중에 노출될 환경 영향, 엔지니어링 실패의 결과, 안전 요소를 달성하기 위해 구성 요소를 과도하게 설계하는 비용 등 여러 가지 고려 사항에 기초한다.예를 들어 상당한 재정적 손실, 심각한 부상 또는 사망을 초래할 수 있는 구성요소는 4 이상의 안전계수(종종 10)를 사용할 수 있다.중요하지 않은 구성요소는 일반적으로 설계 계수가 2일 수 있습니다.위험 분석, 고장 모드 및 효과 분석 및 기타 도구가 일반적으로 사용됩니다.특정 애플리케이션의 설계 요소는 법률, 정책 또는 업계 표준에 의해 강제되는 경우가 많습니다.

건물은 일반적으로 각 구조 부재에 대해 2.0의 안전 계수를 사용합니다.하중을 잘 이해하고 대부분의 구조물이 중복되기 때문에 건물의 가치는 상대적으로 낮다.용도와 재료에 따라 압력용기는 3.54.0, 자동차는 3.0, 항공기와 우주선은 1.23.0을 사용한다.연성 금속 재료는 낮은 값을 사용하는 경향이 있지만, 메짐성 재료는 높은 값을 사용합니다.항공우주공학 분야는 구조 중량과 관련된 비용이 높기 때문에 일반적으로 낮은 설계 요소를 사용한다(즉, 전체 안전 계수가 5인 항공기는 지상에서 이륙하기에는 너무 무거울 수 있다).이 낮은 설계 요소 때문에 항공 우주 부품 및 재료는 신뢰성 보장을 위해 매우 엄격한 품질 관리 및 엄격한 예방적 유지보수 일정에 따릅니다.일반적으로 적용되는 안전 계수는 1.5이지만, 가압된 동체의 경우 2.0이며, 주 착륙 장치 구조의 ^[11]경우 1.25인 경우가 많다.

부품이 "표준" 설계 요소를 충족하는 것이 비현실적이거나 불가능한 경우도 있습니다.요건 충족에 대한 벌칙(질량 또는 기타)은 (항공기나 우주선의 경우처럼) 시스템의 실행을 방해할 것이다.이러한 경우 구성요소가 정상보다 낮은 안전계수를 충족할 수 있도록 하기 위해 결정되는 경우가 있으며, 이는 종종 요건을 "유예"라고 한다.이렇게 하면 부품이 한계에 더 가깝게 로드되기 때문에 원하는 대로 작동하도록 보장하기 위해 더 자세한 분석 또는 품질 관리 검증을 수행하는 경우가 많습니다.

주기적, 반복적 또는 변동적 하중의 경우 안전 계수를 선택할 때 금속 피로의 가능성을 고려하는 것이 중요합니다.재료 항복 강도보다 훨씬 낮은 주기 하중은 충분한 주기로 반복될 경우 고장을 일으킬 수 있습니다.

엘리샤코프에^[12][13] 따르면, 공학적 맥락에서 안전 요소의 개념은 분명히 수력학, 수학, 토목학, 군사 공학에서 일하던 프랑스 기술자 베르나르 포레스트 드 벨리도르 (1698-1761)에 의해 처음 도입되었다.안전 요소의 철학적인 측면은 Doorn과 Hanson에 의해 추구되었다.

「 」를 참조해 주세요.

• 엔지니어링 공차 – 엔지니어링에서 허용 가능한 한계 또는 변동 한계
• 한계 상태 설계
• 확률론적 설계 – 엔지니어링 설계 분야
• 용장성(토탈 품질 관리)
• 희생 부품 – 다른 장치를 보호하기 위해 먼저 고장 나도록 설계된 컴포넌트
• 통계적 간섭 – 두 확률 분포가 겹치는 경우
• 검증 및 검증– 요건에 대한 적합성을 확인하는 방법

메모들

추가 정보

• Lalanne, C., 사양 개발 - 2009년, ISE-Wiley, 제2판