सुरक्षा के कारक

इंजीनियरिंग में सुरक्षा का एक कारक (एफओएस) जिसे सुरक्षा कारक (एस एफ) के रूप में भी जाना जाता है (और इसके साथ परस्पर उपयोग किया जाता है) यह व्यक्त करता है कि एक इच्छित लोड के लिए प्रणाली कितना शक्तिशाली है। सुरक्षा कारकों की अधिकांशतः विस्तृत विश्लेषण का उपयोग करके गणना की जाती है क्योंकि पुलों और इमारतों जैसे कई परियोजनाओं पर व्यापक परीक्षण अव्यावहारिक है किंतु संरचना की भार वहन करने की क्षमता उचित स्पष्टता के लिए निर्धारित की जानी चाहिए।

आपातकालीन स्थितियों अप्रत्याशित भार, दुरुपयोग, या गिरावट (विश्वसनीयता इंजीनियरिंग) की अनुमति देने के लिए कई प्रणालियों को साशय सामान्य उपयोग के लिए आवश्यकता से अधिक शक्तिशाली बनाया गया है।

परिभाषा
सुरक्षा कारक (एफओएस) के लिए दो परिभाषाएँ हैं:
 * वास्तविक प्रयुक्त भार के लिए संरचना की पूर्ण ताकत (संरचनात्मक क्षमता) का अनुपात; यह एक विशेष डिजाइन की विश्वसनीयता इंजीनियरिंग का एक उपाय है। यह एक गणना मान है और कभी-कभी स्पष्टता के लिए सुरक्षा के एक वास्तविक कारक के रूप में संदर्भित किया जाता है।
 * नियम, तकनीकी मानक, विनिर्देश, अनुबंध या कन्वेंशन (मानक)मानदंड) द्वारा लगाया गया एक निरंतर आवश्यक मान जिसके लिए एक संरचना के अनुरूप या अधिक होना चाहिए। इसे डिज़ाइन कारक सुरक्षा के डिज़ाइन कारक या सुरक्षा के आवश्यक कारक के रूप में संदर्भित किया जा सकता है।

सुरक्षा का अनुभव कारक सुरक्षा के आवश्यक डिज़ाइन कारक से अधिक होना चाहिए। चूँकि विभिन्न उद्योगों और इंजीनियरिंग समूहों के बीच उपयोग असंगत और अस्पष्ट करने वाला है; उपयोग की जाने वाली कई परिभाषाएँ हैं। बहुत अधिक अस्पष्ट का कारण यह है कि विभिन्न संदर्भ पुस्तकें और मानक एजेंसियां ​​सुरक्षा कारकों की परिभाषाओं और शर्तों का अलग-अलग विधि से उपयोग करती हैं। निर्माण कोड संरचनागत वास्तुविद्या और मैकेनिकल इंजीनियरिंग पाठ्यपुस्तकें अधिकांशतः सुरक्षा के कारक को कुल संरचनात्मक क्षमता के अंश के रूप में संदर्भित करती हैं जिसकी आवश्यकता होती है। वे सुरक्षा के अनुभव कारक हैं  (पहला उपयोग)। पदार्थ पुस्तकों की कई अंडरग्रेजुएट स्ट्रेंथ फैक्टर ऑफ सेफ्टी का उपयोग डिजाइन के लिए न्यूनतम लक्ष्य के रूप में एक निरंतर मान के रूप में करती है   (दूसरा उपयोग)।

गणना
संरचनाओं के लिए सुरक्षा के कारक की तुलना करने के कई विधि हैं। सभी अलग-अलग गणनाएं मौलिक रूप से एक ही चीज़ को मापती हैं: एक संरचना वास्तव में कितना अतिरिक्त भार लेगी (या झेलने की आवश्यकता होगी)। विधियों के बीच का अंतर वह विधि है जिसमें मानो की गणना और तुलना की जाती है। प्रणाली के बीच ताकत और विश्वसनीयता की तुलना करने के लिए सुरक्षा कारक मानो को एक मानकीकृत विधि के रूप में माना जा सकता है।

सुरक्षा के कारक के उपयोग का अर्थ यह नहीं है कि कोई वस्तु, संरचना या डिज़ाइन सुरक्षित है। कई गुणवत्ता आश्वासन, इंजीनियरिंग डिजाइन, निर्माण, स्थापना और अंतिम उपयोग कारक प्रभावित कर सकते हैं कि किसी विशेष स्थिति में कुछ सुरक्षित है या नहीं।

डिजाइन कारक और सुरक्षा कारक
सुरक्षा कारक और डिज़ाइन कारक (डिज़ाइन सुरक्षा कारक) के बीच का अंतर इस प्रकार है: सुरक्षा कारक, या उपज तनाव, डिज़ाइन किया गया भाग वास्तव में कितना सामना करने में सक्षम होगा (ऊपर से पहला उपयोग)। डिजाइन कारक या काम करने का तनाव, वह है जो आइटम को (दूसरा उपयोग) सामना करने में सक्षम होने के लिए आवश्यक है। डिज़ाइन कारक को एक एप्लिकेशन के लिए परिभाषित किया गया है (सामान्यतः अग्रिम में प्रदान किया जाता है और अधिकांशतः विनियामक बिल्डिंग कोड या नीति द्वारा निर्धारित किया जाता है) और वास्तविक गणना नहीं है सुरक्षा कारक डिज़ाइन किए गए वास्तविक आइटम के लिए अधिकतम शक्ति का अनुपात है।


 * $$\text{Factor of safety}=\frac{\text{yield stress}}{\text{working stress}}$$


 * डिज़ाइन लोड वह अधिकतम लोड है जिसे सेवा में कभी भी भाग को देखना चाहिए।

इस परिभाषा के अनुसार, ठीक 1 के एफओएस वाली संरचना केवल डिज़ाइन लोड का समर्थन करेगी और इससे अधिक नहीं। किसी भी अतिरिक्त भार के कारण संरचना विफल हो जाएगी। 2 के एफओएस वाली संरचना दो बार डिज़ाइन लोड पर विफल हो जाएगी।

सुरक्षा का मार्जिन
कई सरकारी एजेंसियों और उद्योगों (जैसे एयरोस्पेस) को आवश्यकताओं के लिए संरचना की ताकत के अनुपात का वर्णन करने के लिए सुरक्षा के मार्जिन (एमओएस या एमएस) के उपयोग की आवश्यकता होती है। सुरक्षा के मार्जिन के लिए दो अलग-अलग परिभाषाएँ हैं इसलिए यह निर्धारित करने के लिए देखभाल की आवश्यकता है कि किसी दिए गए एप्लिकेशन के लिए किसका उपयोग किया जा रहा है। एम.एस. का एक प्रयोग एफओएस जैसी क्षमता के माप के रूप में है। एम.एस. का अन्य उपयोग संतोषजनक डिजाइन आवश्यकताओं (आवश्यकता सत्यापन) के एक उपाय के रूप में है। लोडिंग के समय संरचना की कुल क्षमता का कितना भाग संरक्षित में रखा गया है इसका प्रतिनिधित्व करने के लिए सुरक्षा के मार्जिन की अवधारणा (नीचे बताए गए आरक्षित कारक के साथ) की जा सकती है।

एमएस संरचनात्मक क्षमता के एक उपाय के रूप में: सामान्यतः पाठ्यपुस्तकों में देखी जाने वाली सुरक्षा के मार्जिन की यह परिभाषा वर्णन करता है कि विफल होने से पहले एक भाग डिज़ाइन भार से परे कितना अतिरिक्त भार झेल सकता है। वास्तव में यह अतिरिक्त क्षमता का एक उपाय है। यदि मार्जिन 0 है, तो विफल होने से पहले भाग कोई अतिरिक्त भार नहीं लेगा यदि यह ऋणात्मक है तो भाग सेवा में अपने डिज़ाइन लोड तक पहुँचने से पहले विफल हो जाएगा। यदि मार्जिन 1 है तो यह समर्थन के लिए डिज़ाइन किए गए अधिकतम भार के समान बल के एक अतिरिक्त भार का सामना कर सकता है (अर्थात डिज़ाइन भार का दोगुना)।


 * $$\text{Margin of safety}=\frac{\text{failure load}}{\text{design load}}-1$$
 * $$\text{Margin of safety}={\text{factor of safety}}-1$$

एमएस आवश्यकता सत्यापन के उपाय के रूप में: नासा जैसी कई एजेंसियां ​​और संगठन और एआईएए डिज़ाइन कारक सहित सुरक्षा के मार्जिन को परिभाषित करें दूसरे शब्दों में डिज़ाइन कारक को प्रयुक्त करने के बाद सुरक्षा के मार्जिन की गणना की जाती है। 0 के मार्जिन के स्थिति में भाग बिल्कुल आवश्यक ताकत पर है (सुरक्षा कारक डिजाइन कारक के समान होगा)। यदि 3 के आवश्यक डिज़ाइन कारक और 1 के मार्जिन के साथ एक भाग है तो भाग में 6 का सुरक्षा कारक होगा (3 के डिज़ाइन कारक के समान दो भारों का समर्थन करने में सक्षम विफलता से पहले डिज़ाइन भार का छह गुना समर्थन करने में सक्षम) 0 के एक मार्जिन का अर्थ होगा कि भाग 3 के सुरक्षा कारक के साथ उत्तीर्ण होगा। यदि इस परिभाषा में मार्जिन 0 से कम है चूँकि यह भाग अनिवार्य रूप से विफल नहीं होगा डिजाइन की आवश्यकता पूरी नहीं हुई है। इस उपयोग की एक सुविधा यह है कि सभी अनुप्रयोगों के लिए 0 या अधिक का मार्जिन पास हो रहा है किसी को एप्लिकेशन विवरण जानने या आवश्यकताओं के विरुद्ध तुलना करने की आवश्यकता नहीं है केवल मार्जिन गणना पर नज़र डालने से पता चलता है कि डिज़ाइन पास है या नहीं यह विभिन्न एकीकृत घटकों के साथ परियोजनाओं पर निरीक्षण और समीक्षा करने में सहायक है क्योंकि विभिन्न घटकों में विभिन्न डिज़ाइन कारक सम्मिलित हो सकते हैं और मार्जिन गणना अस्पष्ट को रोकने में सहायता करती है।


 * डिजाइन सुरक्षा कारक एक आवश्यकता के रूप में प्रदान किया जाता है।
 * $$\text{Margin of safety}=\frac{\text{failure load}}{\text{design load × design safety factor}}-1$$
 * $$\text{Margin of safety}=\frac{\text{realized factor of safety}}{\text{design safety factor}}-1$$

एक सफल डिजाइन के लिए अनुभव हुआ सुरक्षा कारक सदैव डिजाइन सुरक्षा कारक के समान या उससे अधिक होना चाहिए जिससे सुरक्षा का मार्जिन शून्य से अधिक या उसके समान हो सुरक्षा का मार्जिन कभी-कभी होता है, किंतु कभी-कभी प्रतिशत के रूप में उपयोग किया जाता है अर्थात 0.50 एमएस 50% एमएस के समान होता है। जब कोई डिज़ाइन इस परीक्षण को संतुष्ट करता है तो इसे धनात्मक मार्जिन कहा जाता है और इसके विपरीत जब ऐसा नहीं होता है तो ऋणात्मक मार्जिन होता है।

परमाणु सुरक्षा के क्षेत्र में (जैसा कि अमेरिकी सरकार के स्वामित्व वाली सुविधाओं में प्रयुक्त किया गया है) सुरक्षा के मार्जिन को एक मात्रा के रूप में परिभाषित किया गया है जिसे नियंत्रक सरकारी कार्यालय द्वारा समीक्षा किए बिना कम नहीं किया जा सकता है। अमेरिकी ऊर्जा विभाग डीओई जी 424.1-1 प्रकाशित करता है असंशोधित सुरक्षा प्रश्न आवश्यकताओं को संबोधित करने में उपयोग के लिए कार्यान्वयन गाइड यह निर्धारित करने के लिए एक गाइड के रूप में कि प्रस्तावित परिवर्तन से सुरक्षा का मार्जिन कम हो जाएगा या नहीं। गाइड सुरक्षा के गुणात्मक मार्जिन की अवधारणा को विकसित और प्रयुक्त करता है जो स्पष्ट या मात्रात्मक नहीं हो सकता है फिर भी यह निर्धारित करने के लिए अवधारणात्मक रूप से मूल्यांकन किया जा सकता है कि प्रस्तावित परिवर्तन के साथ वृद्धि या कमी होगी या नहीं। बड़े या अपरिभाषित (ऐतिहासिक) मार्जिन के साथ डिजाइन की जांच करते समय यह दृष्टिकोण महत्वपूर्ण हो जाता है और जो सॉफ्ट नियंत्रण जैसे प्रोग्रामेटिक सीमा या आवश्यकताओं पर निर्भर करता है। वाणिज्यिक यू.एस. परमाणु उद्योग ने 2001 तक नियोजित परिवर्तनों के मूल्यांकन में समान अवधारणा का उपयोग किया जब 10 सीएफआर 50.59 को सुविधा-विशिष्ट कठिन परिस्थिति विश्लेषण और अन्य मात्रात्मक कठिन परिस्थिति प्रबंधन उपकरणों में उपलब्ध जानकारी को पकड़ने और प्रयुक्त करने के लिए संशोधित किया गया था।

आरक्षित कारक
यूरोप में अधिकांशतः उपयोग की जाने वाली ताकत का एक उपाय आरक्षित कारक (आरएफ) है। समान इकाइयों में व्यक्त की गई शक्ति और प्रयुक्त भार के साथ उद्योग के आधार पर आरक्षित कारक को दो विधियों में से एक में परिभाषित किया गया है:


 * $$\text{RF}=\frac{\text{proof strength}}{\text{proof load}}$$
 * $$\text{RF}=\frac{\text{ultimate strength}}{\text{ultimate load}}$$

लगाए गए भार के कई कारक होते हैं जिसमें प्रयुक्त सुरक्षा के कारक भी सम्मिलित हैं।

उपज और अंतिम गणना
कोमल पदार्थ (जैसे अधिकांश धातु) के लिए अधिकांशतः यह आवश्यक होता है कि सुरक्षा के कारक को उपज शक्ति और परम शक्ति शक्ति दोनों के विरुद्ध जांचा जाए। उपज की गणना तब तक सुरक्षा कारक का निर्धारण करेगी जब तक कि भाग प्लास्टिक विरूपण के लिए प्रारंभ न हो जाए। अंतिम गणना विफलता तक सुरक्षा कारक निर्धारित करेगी। भंगुर सामग्रियों पर ये मान अधिकांशतः इतने समीप होते हैं कि वे अलग-अलग नहीं हो सकते हैं, इसलिए सामान्यतः केवल अंतिम सुरक्षा कारक की गणना करने के लिए स्वीकार्य है।

डिजाइन कारकों का चयन
उपयुक्त डिजाइन कारक कई विचारों पर आधारित होते हैं, जैसे कि लगाए गए संरचनात्मक भार, शक्ति, पहनने के अनुमानों पर पूर्वानुमान की स्पष्टता और पर्यावरण (प्रणाली ) प्रभाव जिससे उत्पाद सेवा में उजागर होगा; इंजीनियरिंग विफलता के परिणाम; और सुरक्षा के उस कारक को प्राप्त करने के लिए घटक को ओवर-इंजीनियरिंग की निवेश उदाहरण के लिए, जिन घटकों की विफलता के परिणामस्वरूप पर्याप्त वित्तीय हानि, गंभीर चोट या मृत्यु हो सकती है, वे चार या अधिक (अधिकांशतः दस) के सुरक्षा कारक का उपयोग कर सकते हैं। गैर-महत्वपूर्ण घटकों में सामान्यतः दो का डिज़ाइन कारक हो सकता है। कठिन परिस्थिति विश्लेषण (इंजीनियरिंग) विफलता मोड और प्रभाव विश्लेषण, और अन्य उपकरण सामान्यतः उपयोग किए जाते हैं। विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए डिज़ाइन कारक अधिकांशतः नियम, नीति या उद्योग मानकों द्वारा अनिवार्य होते हैं।

इमारतें सामान्यतः प्रत्येक संरचनात्मक सदस्य के लिए 2.0 के सुरक्षा कारक का उपयोग करती हैं। इमारतों का मान अपेक्षाकृत कम है क्योंकि भार अच्छी तरह से समझा जाता है और अधिकांश संरचनाएं अतिरेक (इंजीनियरिंग) हैं। दबाव पोत 3.5 से 4.0 का उपयोग करते हैं ऑटोमोबाइल 3.0 का उपयोग करते हैं और विमान और अंतरिक्ष यान आवेदन और सामग्रियों के आधार पर 1.2 से 3.0 का उपयोग करते हैं। नमनीय धात्विक पदार्थ कम मान का उपयोग करती हैं जबकि भंगुर पदार्थ उच्च मानो का उपयोग करती हैं। अंतरिक्ष इंजिनीयरिंग का क्षेत्र सामान्यतः कम डिजाइन कारकों का उपयोग करता है क्योंकि संरचनात्मक वजन से जुड़ी निवेश अधिक होती है (अर्थात 5 के समग्र सुरक्षा कारक वाला एक विमान संभवतः जमीन से उतरने के लिए बहुत भारी होगा)। यह कम डिज़ाइन कारक है कि एयरोस्पेस भागों और पदार्थ विश्वसनीयता सुनिश्चित करने में सहायता के लिए बहुत कड़े गुणवत्ता नियंत्रण और सख्त निवारक रखरखाव कार्यक्रम के अधीन हैं। सामान्यतः प्रयुक्त होने वाला सुरक्षा कारक 1.5 है किंतु दाबित धड़ के लिए यह 2.0 है, और मुख्य लैंडिंग गियर संरचनाओं के लिए यह अधिकांशतः 1.25 होता है।

कुछ स्थिति में यह मानक डिजाइन कारक को पूरा करने के लिए एक भाग के लिए अव्यावहारिक या असंभव है। आवश्यकता को पूरा करने के लिए दंड (द्रव्यमान या अन्यथा) प्रणाली को व्यवहार्य होने से रोकेगा (जैसे कि विमान या अंतरिक्ष यान के स्थिति में) इन स्थिति में कभी-कभी यह निर्धारित किया जाता है कि किसी घटक को सामान्य से कम सुरक्षा कारक को पूरा करने की अनुमति दी जाए जिसे अधिकांशतः आवश्यकता को छोड़ने के रूप में संदर्भित किया जाता है। ऐसा करने से अधिकांशतः यह सुनिश्चित करने के लिए अतिरिक्त विस्तृत विश्लेषण या गुणवत्ता नियंत्रण सत्यापन होता है कि भाग वांछित प्रदर्शन करेगा क्योंकि यह अपनी सीमाओं के समीप लोड हो जाएगा।

लोडिंग के लिए जो चक्रीय दोहराव या उतार-चढ़ाव वाला है सुरक्षा के कारक का चयन करते समय धातु की थकान की संभावना पर विचार करना महत्वपूर्ण है। किसी पदार्थ की उपज शक्ति के ठीक नीचे एक चक्रीय भार विफलता का कारण बन सकता है यदि इसे पर्याप्त चक्रों के माध्यम से दोहराया जाता है।

इसहाक एलिशाकॉफ़ के अनुसार इंजीनियरिंग संदर्भ में सुरक्षा के कारक की धारणा स्पष्ट रूप से पहली बार 1729 में बेलिडोर बर्नार्ड फॉरेस्ट डी बर्नार्ड फॉरेस्ट डी बेलिडोर (1698-1761) द्वारा प्रस्तुत की गई थी। जो हाइड्रोलिक्स गणित सिविल और सैन्य इंजीनियरिंग में काम करने वाला एक फ्रांसीसी इंजीनियर था। डोर्न और हैन्सन द्वारा सुरक्षा के कारकों के दार्शनिक पहलुओं का अनुसरण किया गया

अग्रिम पठन

 * Lalanne, C., Specification Development - 2nd Ed., ISTE-Wiley, 2009