عامل الأمان

الموسوعة الحرة

في الهندسة، يُعبّر معامل الأمان ( FoS ) أو عامل الأمان ( SF ) عن مدى قوة النظام مقارنةً بالحد الأقصى للحمل المُحدد له. غالبًا ما تُحسب معاملات الأمان باستخدام تحليل مُفصّل، نظرًا لعدم جدوى إجراء اختبارات شاملة في العديد من المشاريع، كالجسور والمباني، ولكن يجب تحديد قدرة الهيكل على تحمل الحمل بدقة معقولة. تُبنى العديد من الأنظمة عمدًا بقوة أكبر بكثير من اللازم للاستخدام العادي، وذلك تحسبًا لحالات الطوارئ، والأحمال غير المتوقعة، وسوء الاستخدام، أو التدهور ( الموثوقية ).

هامش الأمان ( MoS أو MS ) هو مقياس ذو صلة، يتم التعبير عنه كتغير نسبي .

تعريف

يوجد تعريفان لعامل الأمان (FoS):

  • نسبة القوة المطلقة للمنشأة (قدرتها الإنشائية) إلى الحمل الفعلي المُطبق عليها؛ وهي مقياس لموثوقية تصميم معين. هذه قيمة محسوبة، ويُشار إليها أحيانًا، للتوضيح، بمعامل الأمان المُحقق .
  • قيمة ثابتة مطلوبة، يفرضها القانون أو المعيار أو المواصفات أو العقد أو العرف ، يجب أن يتوافق معها الهيكل أو يتجاوزها. ويمكن الإشارة إلى ذلك بعامل التصميم أو عامل أمان التصميم أو عامل الأمان المطلوب .

يجب أن يكون معامل الأمان المُتحقق أكبر من معامل الأمان التصميمي المطلوب. مع ذلك، يتباين استخدام هذا المصطلح بين مختلف الصناعات والمجموعات الهندسية، مما يُسبب التباسًا، حيث تُستخدم تعريفات متعددة. ويعود سبب هذا الالتباس إلى اختلاف استخدام المراجع وهيئات التقييس لتعريفات ومصطلحات معامل الأمان. فكثيرًا ما تُشير قوانين البناء وكتب الهندسة الإنشائية والميكانيكية إلى "معامل الأمان" باعتباره نسبة القدرة الإنشائية الكلية إلى ما هو مطلوب. وهذه هي معاملات الأمان المُتحققة [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] (الاستخدام الأول). بينما تستخدم العديد من كتب مقاومة المواد الجامعية "معامل الأمان" كقيمة ثابتة تُعتبر الحد الأدنى المستهدف للتصميم [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] (الاستخدام الثاني).

حساب

توجد عدة طرق لمقارنة معامل الأمان للمنشآت. جميع الحسابات المختلفة تقيس في جوهرها الشيء نفسه: مقدار الحمل الزائد الذي تتحمله المنشأة فعليًا (أو المطلوب منها تحمله) فوق الحمل المُصمم لها. يكمن الاختلاف بين الطرق في كيفية حساب القيم ومقارنتها. يمكن اعتبار قيم معامل الأمان طريقةً موحدةً لمقارنة قوة وموثوقية الأنظمة.

لا يعني استخدام عامل الأمان أن المنتج أو الهيكل أو التصميم "آمن". فالعديد من عوامل ضمان الجودة والتصميم الهندسي والتصنيع والتركيب والاستخدام النهائي قد تؤثر على ما إذا كان شيء ما آمنًا أم لا في أي حالة معينة.

عامل التصميم وعامل الأمان

الفرق بين معامل الأمان ومعامل التصميم (معامل أمان التصميم) هو كما يلي: معامل الأمان، أو إجهاد الخضوع، هو مقدار التحمل الفعلي الذي يمكن للجزء المصمم تحمله (الاستخدام الأول المذكور أعلاه). أما معامل التصميم، أو إجهاد التشغيل، فهو مقدار التحمل المطلوب للجزء (الاستخدام الثاني). يُحدد معامل التصميم لتطبيق معين (عادةً ما يُقدم مسبقًا، وغالبًا ما تُحدده قوانين البناء أو السياسات التنظيمية)، وهو ليس حسابًا فعليًا، بينما معامل الأمان هو نسبة بين أقصى قوة للجزء المصمم والحمل المقصود.

عامل الأمان=إجهاد الخضوعضغوط العمل{\displaystyle {\text{معامل الأمان}}={\frac {\text{إجهاد الخضوع}}{\text{إجهاد التشغيل}}}}
  • يمثل حمل التصميم أقصى حمل يجب أن يتعرض له الجزء أثناء الخدمة.

بحسب هذا التعريف، فإنّ الهيكل الذي تبلغ قيمة معامل الأمان فيه 1 سيتحمل فقط الحمل التصميمي ولا يتحمل أي حمل إضافي. أي حمل إضافي سيؤدي إلى انهيار الهيكل. أما الهيكل الذي تبلغ قيمة معامل الأمان فيه 2 فسينهار عند ضعف الحمل التصميمي.

هامش الأمان

تتطلب العديد من الهيئات الحكومية والقطاعات الصناعية (مثل صناعة الطيران) استخدام هامش الأمان ( MoS أو MS ) لوصف نسبة قوة الهيكل إلى المتطلبات. يوجد تعريفان منفصلان لهامش الأمان، لذا يجب توخي الحذر لتحديد التعريف المستخدم في كل تطبيق. يُستخدم هامش الأمان كمقياس للقدرة، مثل معامل الأمان (FoS). ويُستخدم أيضًا كمقياس لمدى استيفاء متطلبات التصميم (التحقق من المتطلبات). ويمكن تصور هامش الأمان (إلى جانب عامل الاحتياط الموضح أدناه) على أنه يمثل مقدار قدرة الهيكل الكلية المحفوظة "كاحتياط" أثناء التحميل.

هامش الأمان كمقياس للقدرة الهيكلية: يُعرّف هذا المفهوم، الشائع في الكتب الدراسية [ 7 ] [ 8 ]، هامش الأمان بأنه مقدار الحمل الإضافي الذي يمكن أن يتحمله الجزء بعد حمل التصميم قبل أن يتعطل. وهو في الواقع مقياس للقدرة الزائدة. إذا كان الهامش صفرًا، فلن يتحمل الجزء أي حمل إضافي قبل أن يتعطل، وإذا كان سالبًا، فسيتعطل الجزء قبل الوصول إلى حمل التصميم أثناء التشغيل. أما إذا كان الهامش واحدًا، فيمكنه تحمل حمل إضافي واحد بقوة مساوية لأقصى حمل صُمم لتحمله (أي ضعف حمل التصميم).

هامش الأمان=حمل الفشلحمولة التصميم-1{\displaystyle {\text{هامش الأمان}}={\frac {\text{حمل الفشل}}{\text{حمل التصميم}}}-1}
هامش الأمان=عامل الأمان-1هامش الأمان = عامل الأمان - 1

يُستخدم هامش الأمان كمقياس للتحقق من المتطلبات: تُعرّف العديد من الوكالات والمنظمات، مثل ناسا [ 9 ] و AIAA [ 10 ]، هامش الأمان بما في ذلك عامل التصميم، أي أنه يُحسب بعد تطبيق عامل التصميم. في حالة هامش أمان يساوي صفرًا، يكون الجزء مُطابقًا تمامًا للقوة المطلوبة (حيث يكون عامل الأمان مساويًا لعامل التصميم). إذا كان هناك جزء بعامل تصميم مطلوب 3 وهامش أمان يساوي 1، فسيكون عامل أمان هذا الجزء 6 (أي أنه قادر على تحمل حمولتين تُساويان عامل تصميمه 3، أي ستة أضعاف حمولة التصميم قبل الفشل ). يعني هامش الأمان صفرًا أن الجزء يجتاز الاختبار بعامل أمان 3. إذا كان هامش الأمان أقل من صفر في هذا التعريف، فعلى الرغم من أن الجزء لن يفشل بالضرورة، إلا أن متطلبات التصميم لم تُلبَّ. من مزايا هذا الاستخدام أنه في جميع التطبيقات، يُعتبر هامش الأمان صفرًا أو أعلى اجتيازًا للاختبار، فلا حاجة لمعرفة تفاصيل التطبيق أو المقارنة مع المتطلبات، فمجرد إلقاء نظرة سريعة على حساب هامش الأمان يُحدد ما إذا كان التصميم مُجتازًا أم لا. يُعد هذا مفيدًا للإشراف والمراجعة على المشاريع ذات المكونات المتكاملة المختلفة، حيث قد يكون للمكونات المختلفة عوامل تصميم مختلفة، ويساعد حساب الهامش على منع حدوث الارتباك.

  • يتم توفير عامل الأمان التصميمي كشرط أساسي.
هامش الأمان=حمل الفشلحمولة التصميم × عامل أمان التصميم-1{\displaystyle {\text{هامش الأمان}}={\frac {\text{حمل الفشل}}{\text{حمل التصميم × معامل أمان التصميم}}}-1}
هامش الأمان=عامل الأمان المحققعامل أمان التصميم-1{\displaystyle {\text{هامش الأمان}}={\frac {\text{معامل الأمان المحقق}}{\text{معامل الأمان التصميمي}}}-1}

لضمان نجاح التصميم، يجب أن يساوي معامل الأمان المُحقق أو يتجاوز معامل الأمان التصميمي، بحيث يكون هامش الأمان أكبر من أو يساوي الصفر. يُستخدم هامش الأمان أحيانًا، ولكن نادرًا، كنسبة مئوية، أي أن هامش أمان 0.50 يُعادل هامش أمان 50%. عندما يُحقق التصميم هذا الشرط، يُقال إنه يتمتع بهامش أمان موجب، وعلى العكس، يُقال إنه يتمتع بهامش أمان سالب عندما لا يُحققه.

في مجال السلامة النووية (كما هو مطبق في المنشآت المملوكة للحكومة الأمريكية)، يُعرَّف هامش الأمان بأنه كمية لا يجوز تقليصها دون مراجعة من قبل الجهة الحكومية المختصة. تنشر وزارة الطاقة الأمريكية الدليل DOE G 424.1-1، "دليل التنفيذ لمعالجة متطلبات مسائل السلامة غير المراجعة"، كمرجع لتحديد كيفية تحديد هامش الأمان وما إذا كان التغيير المقترح سيؤدي إلى تقليصه. يطور الدليل ويطبق مفهوم هامش الأمان النوعي، الذي قد لا يكون صريحًا أو قابلًا للقياس الكمي، ولكنه يُمكن تقييمه نظريًا لتحديد ما إذا كان التغيير المقترح سيؤدي إلى زيادة أو نقصان. يكتسب هذا النهج أهمية بالغة عند دراسة التصاميم ذات الهوامش الكبيرة أو غير المحددة (التاريخية)، وتلك التي تعتمد على ضوابط "غير رسمية" مثل الحدود أو المتطلبات البرنامجية. استخدمت صناعة الطاقة النووية التجارية الأمريكية مفهومًا مشابهًا في تقييم التغييرات المخطط لها حتى عام 2001، عندما تم تعديل 10 CFR 50.59 لالتقاط وتطبيق المعلومات المتاحة في تحليلات المخاطر الخاصة بالمنشأة وأدوات إدارة المخاطر الكمية الأخرى.

عامل الاحتياطي

يُعدّ عامل الاحتياط (RF) مقياسًا شائع الاستخدام لقياس المتانة في أوروبا . وبما أن المتانة والأحمال المطبقة تُعبّر عنها بنفس الوحدات، فإن عامل الاحتياط يُعرّف بإحدى طريقتين، وذلك بحسب الصناعة:

الترددات اللاسلكية=قوة البرهاناختبار التحميل{\displaystyle {\text{RF}}={\frac {\text{قوة التحمل}}{\text{حمل التحمل}}}}
الترددات اللاسلكية=القوة القصوىأقصى حمولة{\displaystyle {\text{RF}}={\frac {\text{أقصى قوة}}{\text{أقصى حمل}}}}

تتضمن الأحمال المطبقة العديد من العوامل، بما في ذلك عوامل الأمان المطبقة.

حسابات الإنتاجية والنتائج النهائية

بالنسبة للمواد المطيلية (مثل معظم المعادن)، يُشترط عادةً التحقق من معامل الأمان مقابل كلٍ من مقاومة الخضوع ومقاومة الشد القصوى . يُحدد حساب مقاومة الخضوع معامل الأمان حتى يبدأ الجزء بالتشوه اللدن . بينما يُحدد حساب مقاومة الشد القصوى معامل الأمان حتى الفشل. أما في المواد الهشة ، فغالباً ما تكون مقاومة الخضوع ومقاومة الشد القصوى متقاربتين لدرجة يصعب معها التمييز بينهما، لذا يُعتبر عادةً حساب معامل الأمان عند مقاومة الشد القصوى فقط مقبولاً.

اختيار عوامل التصميم

تعتمد عوامل التصميم المناسبة على عدة اعتبارات، مثل دقة التنبؤات بالأحمال المفروضة ، والقوة، وتقديرات التآكل ، والتأثيرات البيئية التي سيتعرض لها المنتج أثناء الخدمة؛ وعواقب الفشل الهندسي؛ وتكلفة المبالغة في تصميم المكون لتحقيق عامل الأمان المطلوب . على سبيل المثال، قد تستخدم المكونات التي قد يؤدي فشلها إلى خسائر مالية فادحة أو إصابات خطيرة أو الوفاة عامل أمان يبلغ أربعة أو أكثر (غالبًا عشرة). أما المكونات غير الحرجة، فقد يكون لها عامل تصميم يبلغ اثنين. وتُستخدم عادةً أدوات مثل تحليل المخاطر ، وتحليل أنماط الفشل وآثاره ، وغيرها. وغالبًا ما تُفرض عوامل التصميم لتطبيقات محددة بموجب القانون أو السياسة أو معايير الصناعة.

تستخدم المباني عادةً معامل أمان يبلغ 2.0 لكل عنصر إنشائي. وتُعدّ هذه القيمة منخفضة نسبيًا في المباني نظرًا لفهم الأحمال جيدًا ووجود عناصر زائدة في معظم الهياكل . أما أوعية الضغط فتستخدم معامل أمان يتراوح بين 3.5 و4.0، والسيارات 3.0، بينما تستخدم الطائرات والمركبات الفضائية معامل أمان يتراوح بين 1.2 و4.0، وذلك حسب التطبيق والمواد المستخدمة. تميل المواد المعدنية المطيلية إلى استخدام القيمة الأقل، بينما تستخدم المواد الهشة القيم الأعلى. يستخدم مجال هندسة الطيران والفضاء عمومًا معاملات تصميم أقل نظرًا لارتفاع التكاليف المرتبطة بوزن الهيكل (على سبيل المثال، من المحتمل أن تكون الطائرة ذات معامل أمان إجمالي يبلغ 5 ثقيلة جدًا بحيث لا يمكنها الإقلاع). ولهذا السبب، تخضع أجزاء ومواد الطيران والفضاء لرقابة صارمة على الجودة وجداول صيانة وقائية دقيقة لضمان الموثوقية. معامل الأمان المُطبق عادةً هو 1.5، ولكنه 2.0 لهيكل الطائرة المضغوط ، و 1.25 لهياكل معدات الهبوط الرئيسية. [ 11 ]

في بعض الحالات، يكون من غير العملي أو المستحيل أن يفي جزء ما بمعامل التصميم "القياسي". فالعقوبات (سواءً من حيث الوزن أو غيره) المترتبة على تلبية هذا الشرط من شأنها أن تمنع النظام من أن يكون قابلاً للتطبيق (كما هو الحال في الطائرات أو المركبات الفضائية). في هذه الحالات، يُقرر أحيانًا السماح لمكون ما بتلبية معامل أمان أقل من المعتاد، وهو ما يُشار إليه غالبًا بـ"التنازل" عن الشرط. ويترتب على ذلك عادةً إجراء تحليلات تفصيلية إضافية أو عمليات تحقق لمراقبة الجودة لضمان أداء الجزء على النحو المطلوب، حيث سيتم تحميله بالقرب من حدوده القصوى.

في حالة الأحمال الدورية أو المتكررة أو المتذبذبة، من المهم مراعاة احتمالية إجهاد المعدن عند اختيار معامل الأمان. قد يؤدي الحمل الدوري الذي يقل بكثير عن مقاومة خضوع المادة إلى حدوث فشل إذا تكرر لعدد كافٍ من الدورات.

تاريخ

بحسب إليشاكوف [ 12 ] [ 13 ]، فإن مفهوم معامل الأمان في السياق الهندسي قد طُرح لأول مرة عام 1729 على يد برنارد فورست دي بيليدور (1698-1761) [ 14 ] ، وهو مهندس فرنسي عمل في مجالات الهيدروليكا والرياضيات والهندسة المدنية والعسكرية. وقد تناول دورن وهانسون الجوانب الفلسفية لمعاملات الأمان. [ 15 ]

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ يونغ، دبليو: صيغ روارك للإجهاد والانفعال ، الطبعة السادسة. ماكجرو هيل، 1989.
  2. ↑ شيجلي، ج وميشكي، سي: الدليل القياسي لتصميم الآلات ، الصفحات 2-15. ماكجرو هيل، 1986.
  3. ↑ ASME BTH-1: تصميم أجهزة الرفع أسفل الخطاف ، القسم 1-5، ASME، 2005.
  4. ↑ بير، ف. وجونسون، ر.: ميكانيكا المواد ، الطبعة الثانية. ماكجرو هيل، 1992.
  5. ↑ تيموشينكو، إس : قوة المواد ، المجلد 1. كريجر، 1958.
  6. ↑ بوكانان، جي: ميكانيكا المواد ، الصفحة 55. هولت، راينهارت، وواتسون، 1988.
  7. ↑ بور، أ. وشيثام، ج.: التصميم والتحليل الميكانيكي ، الطبعة الثانية، القسم 5.2. برنتيس هول، 1995.
  8. ↑ جوفينال، ر: الإجهاد، والانفعال، والقوة ، القسم 14.13، الصفحة 295. ماكجرو هيل، 1967.
  9. ↑ NASA-STD-5001: التصميم الهيكلي وعوامل الاختبار لأجهزة رحلات الفضاء ، القسم 3. ناسا، 2008.
  10. ↑ AIAA S-110: أنظمة الفضاء - الهياكل والمكونات الهيكلية والتجميعات الهيكلية ، القسم 4.2. AIAA، 2005.
  11. ↑ بور، أ. وشيثام، ج.: التصميم والتحليل الميكانيكي، الطبعة الثانية، القسم 5.2. برنتيس هول، 1995.
  12. ↑ إليشاكوف، آي. عوامل الأمان والموثوقية: أصدقاء أم أعداء؟، دوردريخت: كلوير أكاديميك بابليشرز، 2004
  13. ↑ إليشاكوف، آي.، العلاقة المتبادلة بين عوامل الأمان والموثوقية، NASA/CR-2001-211309، 2001
  14. ^ دي بيليدور، برنارد فورست، علم المهندسين، في قناة أعمال التحصين والهندسة المعمارية المدنية ، باريس: شي كلود جومبيرت 1729
  15. ↑ دورن، ن. وهانسون، س.و.، هل ينبغي للتصميم الاحتمالي أن يحل محل عوامل الأمان؟، الفلسفة والتكنولوجيا ، 24(2)، ص 151-116، 2011

للمزيد من القراءة

  • لالان، سي.، تطوير المواصفات – الطبعة الثانية. ، آي إس تي وايلي، 2009