محاسبه مقاومت نهایی و تسلیم

محاسبه مقاومت نهایی و تسلیم:
در اغلب مواقع، ضریب ایمنی مواد شکل پذیر (اکثر فلزات) باید نسبت به مقاومت های نهایی و تسلیم مقایسه شود.

تعیین ضریب ایمنی بر حسب مقاومت تسلیم (ضریب ایمنی تسلیم)، ظرفیت قطعه تا زمان شروع تغییر شکل پلاستیک را مشخص می کند؛ در صورتی که محاسبه ضریب ایمنی بر حسب مقاومت نهایی، ظرفیت قطعه تا لحظه شکست را نشان می دهد (ضریب ایمنی نهایی).

در مواد شکننده، تفاوت بین این دو مقدار معمولاً بسیار نزدیک به هم و غیر قابل تشخیص است. از این رو، محاسبه ضریب ایمنی نهایی برای مواد شکننده کفایت می کند.

انتخاب ضرایب طراحی:
ضرایب طراحی مناسب، معمولاً با در نظر گرفتن ملاحظات مختلفی نظیر دقت پیش بینی بارها، مقاومت، سایش و اثرات زیست محیطی در شرایط به کارگیری سازه، عواقب ناشی از شکست آن و هزینه طراحی های اضافی برای دستیابی به یک ضریب ایمنی مشخص انتخاب می شوند.

به عنوان مثال، در صورتی که شکست یک عضو خسارات جانی و مالی قابل توجهی را در پی داشته باشد، آن عضو بحرانی در نظر گرفته خواهد شد.

مقدار ضریب ایمنی پیشنهادی برای این قطعات معمولاً بیشتر از 4 و اغلب در حدود 10 است. در طرف مقابل، برای اجزای غیر بحرانی سازه معمولاً ضریب طراحی 2 در نظر گرفته می شود.

به منظور تعیین اجزای بحرانی و غیر بحرانی، تحلیل هایی مانند «تحلیل ریسک» (Risk Analysis)، «تحلیل حالت و اثرات شکست» (Failure Mode and Effects Analysis) و ابزارهای دیگر مورد استفاده قرار می گیرند.

ضرایب طراحی سازه های به خصوص و مهم، توسط قانون، مقررات یا استانداردهای صنعتی تعیین می شود.

در پروژه های ساختمانی معمولاً برای هر یک از اعضا، ضریب ایمنی 2 در نظر گرفته می شود.

مقدار این ضریب برای ساختمان ها نسبتاً پایین است؛ زیرا در این گونه مسائل میزان بارگذاری ها کاملاً مشخص و اکثر سازه ها اضافی هستند.

ضریب ایمنی مخازن تحت فشار، بین 3.5 تا 4، اتومبیل ها، 3 و هواپیماها، بین 1.2 تا 3 است. این ضرایب با توجه به کاربرد و ماده تشکیل دهنده قطعات تغییر می کند. در مواد فلزی شکل پذیر از ضرایب پایین و در مواد شکننده از ضرایب بالا استفاده می شود.

در مهندسی هوافضا معمولاً ضرایب طراحی پایینی مورد استفاده قرار می گیرد؛ چراکه هزینه ناشی از وزن بالای سازه ها بسیار زیاد است.

به عنوان مثال، هواپیمایی با ضریب ایمنی 5، به اندازه سنگین می شود که احتمالاً قادر به بلند شدن از زمین نخواهد بود.

به همین دلیل، قطعات و مواد مورد استفاده در مهندسی هوافضا، تحت تدابیر کنترل کیفی سخت گیرانه و برنامه های نگهداری پیشگیرانه منظم قرار می گیرند. این تدابیر از بالا بودن قابلیت اطمینان هواپیما اطمینان حاصل می کنند.

ضریب ایمنی مورد استفاده در طراحی هواپیما معمولاً 1.5 است. با این وجود، مقدار این ضریب برای بدنه تحت فشار، 2 و برای چرخ دنده های فرود، 1.25 در نظر گرفته می شود.

گاهی اوقات، طراحی یک قطعه بر اساس ضریب طراحی استاندارد غیر عملی یا حتی غیر ممکن است. در این حالت، در صورت اعمال یک ضریب طراحی استاندارد، عواملی دیگری نظیر وزن بالا یا پایین قطعه می توانند مانع از رعایت جنبه های ایمنی و قابلیت اطمینان بالای قطعه شوند.

چنین شرایطی در طراحی هواپیماها یا فضاپیماها قابل مشاهده است. به این ترتیب، امکان کمتر بودن مقاومت برخی اجزای سازه نسبت به ضریب ایمنی وجود خواهد داشت.

این رویکرد اغلب با عنوان چشم پوشی از الزامات طراحی شناخته می شود. اتخاذ چنین رویکردی نیازمند اجرای تحلیل های بسیار دقیق و تضمین کنترل کیفی سازه برای اطمینان از عملکرد مطلوب آن در هنگام نزدیک شدن به بارهای بحرانی است.

در نظر گرفتن احتمال خستگی فلزات هنگام بارگذاری های چرخه ای، تکراری یا متناوب (نوسانی)، برای تعیین ضریب ایمنی از اهمیت بالایی برخوردار است.

اعمال یک بار چرخه ای با مقدار کمتر از مقاومت تسلیم ماده می تواند منجر به ایجاد شکست شود. در این حالت، با تکرار بارگذاری به اندازه مشخص، شکست رخ خواهد داد.