सुरक्षा के कारक

इंजीनियरिंग में, सुरक्षा का एक कारक (FoS), जिसे सुरक्षा कारक (SF) 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 सिस्टम कितना मजबूत है। सुरक्षा कारकों की अक्सर विस्तृत विश्लेषण का उपयोग करके गणना की जाती है क्योंकि पुलों और इमारतों जैसे कई परियोजनाओं पर व्यापक परीक्षण अव्यावहारिक है, लेकिन संरचना की भार वहन करने की क्षमता उचित सटीकता के लिए निर्धारित की जानी चाहिए।

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

परिभाषा
सुरक्षा कारक (FoS) के लिए दो परिभाषाएँ हैं:
 * वास्तविक लागू 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 मूल्य है, और कभी-कभी स्पष्टता के लिए सुरक्षा के एक वास्तविक कारक के रूप में संदर्भित किया जाता है।
 * कानून, तकनीकी मानक, विनिर्देश, अनुबंध या कन्वेंशन (मानक)मानदंड) द्वारा लगाया गया एक निरंतर आवश्यक मूल्य, 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 एहसास कारक सुरक्षा के आवश्यक डिज़ाइन कारक से अधिक होना चाहिए। हालांकि, विभिन्न उद्योगों और इंजीनियरिंग समूहों के बीच उपयोग असंगत और भ्रमित करने वाला है; उपयोग की जाने वाली कई परिभाषाएँ हैं। बहुत अधिक भ्रम का कारण यह है कि विभिन्न संदर्भ पुस्तकें और मानक एजेंसियां ​​सुरक्षा कारकों की परिभाषाओं और शर्तों का अलग-अलग तरीके से उपयोग करती हैं। निर्माण कोड,  संरचनागत वास्तुविद्या  और मैकेनिकल इंजीनियरिंग पाठ्यपुस्तकें अक्सर सुरक्षा के कारक को कुल संरचनात्मक क्षमता के अंश के रूप में संदर्भित करती हैं, जिसकी आवश्यकता होती है। वे सुरक्षा के एहसास कारक हैं   (पहला उपयोग)। सामग्री पुस्तकों की कई अंडरग्रेजुएट ताकत फैक्टर ऑफ सेफ्टी का उपयोग डिजाइन के लिए न्यूनतम लक्ष्य के रूप में एक निरंतर मूल्य के रूप में करती है   (दूसरा उपयोग)।

गणना
संरचनाओं के लिए सुरक्षा के कारक की तुलना करने के कई तरीके 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)। तरीकों के बीच का अंतर वह तरीका है जिसमें मूल्यों की गणना और तुलना की जाती है। सिस्टम के बीच ताकत और विश्वसनीयता की तुलना करने के लिए सुरक्षा कारक मूल्यों को एक मानकीकृत तरीके 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 हिस्सा वास्तव में कितना झेलने में सक्षम होगा (ऊपर से पहला उपयोग)। डिजाइन कारक, या काम करने का तनाव, वह है जो आइटम को (दूसरा उपयोग) झेलने में सक्षम होने के लिए आवश्यक है। डिज़ाइन कारक को एक एप्लिकेशन के लिए परिभाषित किया गया है (आमतौर पर अग्रिम में प्रदान किया जाता है और अक्सर 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 FOS वाली संरचना केवल डिज़ाइन लोड का समर्थन करेगी और इससे अधिक नहीं। किसी भी अतिरिक्त भार के कारण संरचना विफल हो जाएगी। 2 के FOS 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। FoS 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 दौरान संरचना की कुल क्षमता का कितना हिस्सा रिजर्व 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: आमतौर पर 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 (यानी 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 लागू करने के बाद सुरक्षा के मार्जिन की गणना की जाती है। 0 के मार्जिन के मामले में, भाग बिल्कुल आवश्यक ताकत पर है (सुरक्षा कारक डिजाइन कारक के बराबर 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 बराबर दो भारों का समर्थन करने में सक्षम, विफलता से पहले डिज़ाइन भार का छह गुना समर्थन करने में सक्षम). 0 के एक मार्जिन का मतलब होगा कि भाग 3 के सुरक्षा कारक के साथ उत्तीर्ण होगा। यदि इस परिभाषा में मार्जिन 0 से कम है, हालांकि 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 शामिल हो सकते हैं और मार्जिन गणना भ्रम को रोकने में मदद 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, एहसास हुआ सुरक्षा कारक हमेशा डिजाइन सुरक्षा कारक के बराबर या उससे अधिक होना चाहिए ताकि सुरक्षा का मार्जिन शून्य से अधिक या उसके बराबर हो। सुरक्षा का मार्जिन कभी-कभी होता है, लेकिन कभी-कभी, प्रतिशत के रूप में उपयोग किया जाता है, यानी 0.50 एमएस 50% एमएस के बराबर होता है। जब कोई डिज़ाइन इस परीक्षण को संतुष्ट करता है तो इसे धनात्मक हाशिया कहा जाता है, और, इसके विपरीत, जब ऐसा नहीं होता है तो ऋणात्मक हाशिया होता है।

परमाणु सुरक्षा के क्षेत्र में (जैसा कि अमेरिकी सरकार के स्वामित्व वाली सुविधाओं में लागू 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 लागू 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 कंट्रोल 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 जोखिम विश्लेषण और अन्य मात्रात्मक जोखिम प्रबंधन उपकरणों में उपलब्ध जानकारी को पकड़ने और लागू करने के लिए संशोधित किया गया था।

आरक्षित कारक
यूरोप में अक्सर इस्तेमाल की जाने वाली ताकत का एक उपाय आरक्षित कारक (आरएफ) है। समान इकाइयों में व्यक्त की गई शक्ति और लागू भार के साथ, उद्योग के आधार पर आरक्षित कारक को दो तरीकों 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 लागू सुरक्षा के कारक भी शामिल हैं।

उपज और अंतिम गणना
लचीलापन सामग्री (जैसे अधिकांश धातु) के लिए, अक्सर यह आवश्यक होता है कि सुरक्षा के कारक को उपज शक्ति और परम शक्ति शक्ति दोनों के खिलाफ जांचा जाए। उपज की गणना तब तक सुरक्षा कारक का निर्धारण करेगी जब तक कि भाग प्लास्टिक विरूपण के लिए शुरू न हो जाए। अंतिम गणना विफलता तक सुरक्षा कारक निर्धारित करेगी। भंगुर सामग्रियों पर ये मूल्य अक्सर इतने करीब होते हैं कि वे अलग-अलग नहीं हो सकते हैं, इसलिए आमतौर पर 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 भविष्यवाणियों की सटीकता, और पर्यावरण (सिस्टम) 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 लागत. उदाहरण के लिए, जिन घटकों की विफलता के परिणामस्वरूप पर्याप्त वित्तीय हानि, गंभीर चोट या मृत्यु हो सकती है, वे चार या अधिक (अक्सर दस) के सुरक्षा कारक का उपयोग कर सकते हैं। गैर-महत्वपूर्ण घटकों में आमतौर पर दो का डिज़ाइन कारक हो सकता है। जोखिम विश्लेषण (इंजीनियरिंग), विफलता मोड और प्रभाव विश्लेषण, और अन्य उपकरण आमतौर पर उपयोग किए जाते हैं। विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए डिज़ाइन कारक अक्सर कानून, नीति या उद्योग मानकों द्वारा अनिवार्य होते हैं।

इमारतें आमतौर पर प्रत्येक संरचनात्मक सदस्य के लिए 2.0 के सुरक्षा कारक का उपयोग करती हैं। इमारतों का मूल्य 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 सामग्री कम मूल्य का उपयोग करती हैं जबकि भंगुर सामग्री उच्च मूल्यों का उपयोग करती हैं। अंतरिक्ष इंजिनीयरिंग  का क्षेत्र आम तौर पर कम डिजाइन कारकों का उपयोग करता है क्योंकि संरचनात्मक वजन से जुड़ी लागत अधिक होती है (यानी 5 के समग्र सुरक्षा कारक वाला एक विमान शायद जमीन से उतरने के लिए बहुत भारी होगा)। यह कम डिज़ाइन कारक है कि एयरोस्पेस भागों और सामग्री विश्वसनीयता सुनिश्चित करने में मदद के लिए बहुत कड़े गुणवत्ता नियंत्रण और सख्त निवारक रखरखाव कार्यक्रम के अधीन हैं। आमतौर पर लागू होने वाला सुरक्षा कारक 1.5 है, लेकिन दाबित धड़ के लिए यह 2.0 है, और मुख्य लैंडिंग गियर संरचनाओं के लिए यह अक्सर 1.25 होता है। कुछ मामलों 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 मामले में)। इन मामलों 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 अक्सर आवश्यकता को छोड़ने के रूप में संदर्भित किया जाता है। ऐसा करने से अक्सर यह सुनिश्चित करने के लिए अतिरिक्त विस्तृत विश्लेषण या गुणवत्ता नियंत्रण सत्यापन होता है कि भाग वांछित प्रदर्शन करेगा, क्योंकि यह अपनी सीमाओं के करीब 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 सामग्री 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 पेश 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