ضریب ایمنی و حاشیه اطمینان – آشنایی با مفهوم تنش مجاز


کسب دانش کافی در زمینه تنش و تغییر شکل مواد، به مهندسان کمک میکند تا سازههایی ایمن با قابلیت تحمل بارهای مورد انتظار را طراحی کنند. تنشهای درون یک سازه همیشه باید به گونهای باشند که مقدار آنها از حدود مقاومت سازه عبور نکند. معمولاً، تنش تسلیم ماده به عنوان حد مقاومت در مقایسه با تنشهای محاسبه شده در نظر گرفته میشود. «ضریب ایمنی» (Factor of Safety) یا به طور خلاصه «FS» یک سازه، به صورت زیر محاسبه میشود:
در فرمول بالا، σactual، تنش محاسبه شده در سازه (تنش واقعی) و σlimit، حد تنش ماکسیمم (تنش حدی) است که معمولاً یکی از خواص مقاومتی ماده مانند مقاومت تسلیم (Sty) برای آن در نظر گرفته میشود. ضریب ایمنی، نشان میدهد که تنش واقعی تا چه حد کمتر از تنش حدی است. ضریب ایمنی، یکی از مهمترین پارامترهای مورد مطالعه در مقاومت مصالح است. مطالعه خصوصیات رفتاری مواد، امکان تعیین این ضریب و ساخت قطعات یا سازههای ایمن و کاربردی را فراهم میکند.
مقدار ضریب ایمنی باید بزرگتر یا برابر با 1 باشد تا هیچ شکستی در سازه رخ ندهد. در طراحی مهندسی، همیشه ضریب ایمنی را بالاتر از 1 در نظر میگیرند. مقدار ضریب ایمنی، با توجه به حساسیت و اهمیت سازه (عواقب حاصل از ریزش سازه) و همچنین شرایط بارگذاری (نوع بارگذاری، عدم قطعیت در مقدار پیشبینی شده و غیره) متفاوت خواهد بود. ضریب ایمنی بالا، منجر به طراحی یک سازه بسیار ایمن میشود. با این وجود، در صورتی که مقدار این ضریب بسیار بالا باشد، امکان بزرگی و سنگینی بیش از حد سازه وجود خواهد داشت. در این صورت، سازه قادر به اجرای صحیح عملکرد مورد نظر خود نخواهد بود. در مجموع، عوامل زیادی در انتخاب ضریب ایمنی مناسب دخیل هستند اما معمولاً، بازه بین 1.15 تا 10 را برای ضریب ایمنی در نظر میگیرند.
«حاشیه اطمینان» (Margin of Safety) یا به طور خلاصه «MS» برای ضریب ایمنی، به صورت زیر به دست میآید:
در معادله بالا، مقادیر منفی نشان میدهند که تنش واقعی از تنش حدی کوچکتر است. به علاوه، حاشیه اطمینان معمولاً با مقادیر اعشاری گزارش میشود زیرا تصور این مقادیر به صورت درصد، درک بهتری را از حاشیه اطمینان برای طراح فراهم میکند. به عنوان مثال، اگر تنش حدی یک سازه، 1.5 برابر تنش واقعی باشد، 50 درصد حاشیه اطمینان وجود خواهد داشت (MS=0.5).
گاهی اوقات برای گزارش ضرایب ایمنی و حاشیههای اطمینان، مقدار ضریب ایمنی مورد نیاز با ضرایب گزارش شده ادغام میشوند. به عنوان مثال، اگر در طراحی یک سازه، مقدار حداقلی 2 به عنوان ضریب ایمنی مورد نیاز در نظر گرفته شود، FSreq=2 خواهد بود. برای ادغام ضریب ایمنی مورد نیاز، ضرایب ایمنی و حاشیههای اطمینان را باید به صورت زیر گزارش کرد:
توجه داشته باشید که در هنگام ادغام ضریب ایمنی مورد نیاز (FSreq)، مقادیر گزارش شده برای ضرایب ایمنی و حاشیه اطمینان، نسبت به FSreq در نظر گرفته میشوند و با توجه به تنش نخواهند بود.