Bei der Auswahl eines Konstruktionssicherheitsfaktors zu berücksichtigende Faktoren

Wenn eine Stahlsorte eine Streckgrenze von 40,000 psi hat, führen Spannungen oberhalb dieser Grenze zu einer dauerhaften Verformung. Wenn die Konstruktion durch Überschreitung dieser Grenze nicht permanent verformt werden soll (gilt in den meisten Fällen), beträgt die maximal zulässige Spannung in diesem Fall 40,000 psi. Bei einer tatsächlichen Spannung von 40,000 psi lautet der Sicherheitsfaktor 1.0. Wenn Sie einen Sicherheitsfaktor von 2.0 erhalten möchten, dann muss die Materialfestigkeit entweder 80,000 psi betragen, oder Sie müssen die Konstruktion ändern, um die maximale Spannung auf 20,000 psi zu reduzieren.

In der gängigen Praxis sind Konstruktionsspannungen auf Größen beschränkt, die erheblich geringer als die Streckgrenze des Materials sind. Mit anderen Worten: Der Sicherheitsfaktor ist deutlich höher als 1.0. Wie viel höher als 1.0 ein Sicherheitsfaktor sein sollte, hängt von einer Reihe von Überlegungen ab:

• Ein Sicherheitsfaktor ist wichtig, da Ungenauigkeiten aufgrund von Annahmen, Vereinfachungen oder unbekannten Faktoren in den Modellierungs-, Einrichtungs- und Analyseprozessen sowie Materialeigenschaften auftreten können. Je größer die Anzahl der Annahmen, die vorgenommen werden müssen, bzw. je unsicherer Sie hinsichtlich der angenommenen Eigenschaften und Bedingungen sind, desto konservativer sollte der Sicherheitsfaktor für die Konstruktion sein.
• Ein Sicherheitsfaktor kann Spielraum für dynamische Lasten bieten. Eine Last, die plötzlich angewendet wird oder zyklisch (d. h. dynamisch) ist, erzeugt mehr Spannung als anhand einer statischen Spannungsanalyse prognostiziert werden kann. Sie können die angewendete Last verstärken, um dynamische Effekte zu berücksichtigen, oder den erforderlichen Sicherheitsfaktor erhöhen.
• Ein Material, das immer wiederkehrenden Belastungszyklen ausgesetzt wird, kann aufgrund von Ermüdung bei einer Spannung versagen, die deutlich unterhalb der Streckgrenze liegt. Sie sollten die reduzierte zulässige Spannung unter Ermüdungsbedingungen (auch als Ermüdungsgrenze des Materials bezeichnet) berücksichtigen, wenn Sie einen Konstruktionssicherheitsfaktor wählen.
• Berücksichtigen Sie die Zuverlässigkeit der angenommenen Materialeigenschaften. Ein großes Gussbauteil enthält möglicherweise poröse Stellen oder Verschmutzungen, durch die die Festigkeit des Materials an bestimmten Stellen reduziert wird. Auf der anderen Seite haben gewalzte, warmgeschmiedete oder kaltverformte Materialien eine verbesserte Kornstruktur, und ihre Eigenschaften sind zuverlässiger. Die chemische Mischung einer bestimmten Materialsorte kann ebenfalls zwischen verschiedenen Stapeln variieren. Sie sollten die Konstruktionssicherheitsfaktoren erhöhen, wenn Sie eher weniger Vertrauen in die Zuverlässigkeit der Materialeigenschaften haben.
• Berücksichtigen Sie die Oberflächenbeschaffenheit der Bauteile. Fehler auf einer groben Oberfläche können zu Bereichen mit Spannungskonzentrationen führen, wodurch die Oberflächenspannung auf einen Wert erhöht wird, der über der berechneten Größe liegt. Eine geschliffene und polierte bzw. fein bearbeitete Oberfläche ist besser als eine brenngeschnittene oder grob bearbeitete Oberfläche. Erhöhen Sie den Konstruktionssicherheitsfaktor, um eine grobe Oberflächenbeschaffenheit zu berücksichtigen.
• Rechnen Sie eine Zugabe für erwarteten Materialverlust und Oberflächenaufrauung durch Korrosion hinzu. Strukturen und Bauteile müssen auch dann sicher bleiben, wenn im Laufe der Zeit Verschleiß auftritt, ob nun durch normale Umweltfaktoren oder chemische Zersetzungsprozesse.
• Ist das Gewicht der Konstruktion von kritischer Bedeutung, z. B. beim Entwerfen von Flugzeugen oder der Ausstattung an Bord? In solchen Fällen können Sie nicht ganz so konservativ vorgehen. Deshalb wird normalerweise ein geringerer Konstruktionssicherheitsfaktor verwendet. Sie müssen jedoch auch die bestmögliche Genauigkeit des Modellsetups und die Zuverlässigkeit der Materialeigenschaften sicherstellen. Bei dieser Art von Konstruktionsarbeit ist es erforderlich, dass Sie Fehler aufgrund von Vereinfachungen und Annahmen minimieren.
• Schließlich müssen noch die Auswirkungen eines Versagens berücksichtigt werden. Wenn ein Bauteilversagen nicht zu Folgeschäden führt und leicht zu beheben ist, hat dies relativ geringe Auswirkungen. Wenn ein Bauteilversagen jedoch zu einem schwerwiegenden Defekt, schwerwiegenden Verletzungen oder zum Tod führen könnte, müssen natürlich höhere Sicherheitsfaktoren verwendet werden. Ein Aufzug sollte beispielsweise unter Verwendung höherer Sicherheitsfaktoren konstruiert werden als eine Halterung zur Befestigung einer Kamera.