安全係数

工学において、安全率( FoS ) または安全係数( SF ) は、システムが意図された負荷に対して必要な強度よりどれだけ強いかを表します。橋や建物など多くのプロジェクトでは包括的なテストは非現実的ですが、構造物の負荷を支える能力は妥当な精度で決定する必要があるため、安全率は詳細な分析を使用して計算されることがよくあります。多くのシステムは、緊急事態、予期しない負荷、誤用、または劣化 (信頼性) を考慮して、通常の使用に必要な強度よりもはるかに強く構築されています。安全余裕( MoSまたはMS ) は関連する尺度であり、相対的な変化として表されます。

安全率 (FoS) には 2 つの定義があります。

• 構造の絶対的な強度（構造能力）と実際の適用荷重の比率。これは特定の設計の信頼性の尺度です。これは計算値であり、明確にするために実現安全率と呼ばれることもあります。
• 法律、規格、仕様、契約、慣習によって課せられる、構造物が従うか超えなければならない一定の要求値。これは、設計係数、設計安全係数、または要求安全係数と呼ばれることがあります。

実現安全率は、必要な設計安全率よりも大きくなければなりません。しかし、さまざまな業界やエンジニアリング グループの間では、使用法に一貫性がなく混乱を招いています。複数の定義が使用されています。多くの混乱の原因は、さまざまな参考書や規格機関が安全率の定義と用語を異なって使用していることです。建築基準法、構造工学および機械工学の教科書では、「安全率」を、必要な量を超える総構造能力の割合として参照することがよくあります。これらは実現安全率です^{[1] [2] [3]} (最初の使用)。多くの学部の材料強度に関する本では、「安全率」を設計の最小目標として意図された定数値として使用しています^{[4] [5] [6]} (2 番目の使用)。

構造物の安全率を比較する方法はいくつかあります。さまざまな計算方法の測定対象は、基本的に同じものです。つまり、構造物が想定以上の負荷を実際に受けるか (または耐える必要があるか) ということです。方法の違いは、値の計算方法と比較方法です。安全率の値は、システム間の強度と信頼性を比較するための標準化された方法と考えることができます。

安全係数の使用は、アイテム、構造、または設計が「安全」であることを意味するものではありません。品質保証、エンジニアリング設計、製造、設置、および最終使用に関する多くの要因が、特定の状況で何かが安全であるかどうかに影響を与える可能性があります。

安全係数と設計係数 (設計安全係数) の違いは次のとおりです。安全係数、または降伏応力は、設計された部品が実際にどの程度耐えられるかです (上記の最初の用法)。設計係数、または作動応力は、アイテムが耐えられる必要があるものです (2 番目の用法)。設計係数はアプリケーションに対して定義され (通常は事前に提供され、多くの場合、規制建築基準法またはポリシーによって設定されます)、実際の計算ではありません。安全係数は、設計された実際のアイテムの最大強度と意図された負荷の比率です。

${\displaystyle {\text{安全率}}={\frac {\text{降伏応力}}{\text{作動応力}}}}$

• 設計荷重とは、部品が使用中に受ける最大荷重のことです。

この定義によれば、FOS がちょうど 1 の構造は設計荷重のみをサポートし、それ以上の荷重はサポートしません。それ以上の荷重がかかると、構造は破損します。FOS が 2 の構造は、設計荷重の 2 倍で破損します。

多くの政府機関や業界 (航空宇宙など) では、構造の強度と要件の比率を表すために安全余裕( MoSまたはMS ) の使用が義務付けられています。安全余裕には 2 つの異なる定義があるため、特定のアプリケーションでどちらが使用されているかを判断するには注意が必要です。MS の 1 つの用途は、FoS のような機能の尺度としてです。MS のもう 1 つの用途は、設計要件を満たす尺度 (要件検証) としてです。安全余裕は、(以下で説明する予備係数とともに) 構造の全機能のうち、荷重時にどれだけの量が「予備」として保持されるかを表すものとして概念化できます。

^{構造能力の尺度としての MS: 教科書[7] [8]}でよく見られるこの安全余裕の定義は、部品が破損する前に設計荷重を超えてどの程度の追加荷重に耐えられるかを説明します。実質的に、これは余剰能力の尺度です。マージンが 0 の場合、部品は破損する前に追加の荷重を受けることはなく、マージンが負の場合、部品は使用中に設計荷重に達する前に破損します。マージンが 1 の場合、部品はサポートするように設計された最大荷重 (つまり、設計荷重の 2 倍) に等しい力の追加荷重に 1 回耐えることができます。

${\displaystyle {\text{安全余裕}}={\frac {\text{破壊荷重}}{\text{設計荷重}}}-1}$

${\displaystyle {\text{安全余裕}}={\text{安全係数}}-1}$

要件検証の尺度としてのMS: NASA ^[9]やAIAA ^[10]などの多くの機関や組織では、設計係数を含む安全マージンを定義しています。つまり、安全マージンを設計係数を適用した後に計算します。マージンが0の場合、部品は必要な強度に正確に従います（安全係数は設計係数に等しくなります）。必要な設計係数が3でマージンが1の部品がある場合、その部品の安全係数は6になります（設計係数3に等しい2つの荷重をサポートでき、破損する前に設計荷重の6倍をサポートできます）。マージンが0は、部品が安全係数3で合格することを意味します。この定義でマージンが0未満の場合、部品が必ずしも破損するわけではありませんが、設計要件は満たされていません。この使用法の便利な点は、すべてのアプリケーションでマージンが0以上であれば合格であり、アプリケーションの詳細を知ったり、要件と比較したりする必要がなく、マージン計算をざっと見るだけで設計が合格かどうかがわかることです。これは、さまざまな統合コンポーネントを含むプロジェクトの監視とレビューに役立ちます。さまざまなコンポーネントにはさまざまな設計要素が関係している可能性があり、マージン計算によって混乱を防ぐことができます。

• 設計安全係数は要件として提供されます。

${\displaystyle {\text{安全余裕}}={\frac {\text{破壊荷重}}{\text{設計荷重 × 設計安全係数}}}-1}$

${\displaystyle {\text{安全余裕}}={\frac {\text{実現安全率}}{\text{設計安全率}}}-1}$

設計が成功するには、安全率が常に設計安全率以上で、安全余裕がゼロ以上である必要があります。安全余裕は、まれにパーセンテージで使用されることがあります。つまり、0.50 MS は 50% MS に相当します。設計がこのテストを満たす場合、その設計は「正の余裕」があると言われ、逆に満たさない場合は「負の余裕」があると言われます。

原子力安全の分野 (米国政府所有の施設で実施されている) では、安全余裕は、管理する政府機関によるレビューなしでは削減できない量として定義されています。米国エネルギー省は、提案された変更によって安全余裕が削減されるかどうかを特定して判断する方法を決定するためのガイドとして、DOE G 424.1-1、「レビューされていない安全性の質問要件に対処するための実施ガイド」を発行しています。このガイドでは、明示的または定量化できない可能性があるが、提案された変更によって増加または減少が発生するかどうかを概念的に評価できる、質的な安全余裕の概念を開発して適用しています。このアプローチは、大きなまたは定義されていない (履歴) 余裕を持つ設計や、プログラム上の制限や要件などの「ソフト」制御に依存する設計を検討するときに重要になります。米国の商業原子力産業は、施設固有のリスク分析やその他の定量的リスク管理ツールで利用可能な情報を取得して適用するために 10 CFR 50.59 が改訂された 2001 年まで、計画された変更を評価する際に同様の概念を使用していました。

ヨーロッパでよく使用される強度の尺度は、予備係数(RF) です。強度と適用荷重は同じ単位で表され、予備係数は業界に応じて 2 つの方法のいずれかで定義されます。

${\displaystyle {\text{RF}}={\frac {\text{耐力}}{\text{耐荷重}}}}$

${\displaystyle {\text{RF}}={\frac {\text{極限強度}}{\text{極限荷重}}}}$

適用される荷重には、適用される安全係数を含む多くの要因があります。

延性材料（ほとんどの金属など）の場合、安全係数を降伏強度と極限強度の両方に対してチェックすることが求められることがよくあります。降伏強度の計算では、部品が塑性変形し始めるまでの安全係数が決定されます。極限強度の計算では、破損までの安全係数が決定されます。脆性材料では、降伏強度と極限強度が区別できないほど近い場合が多いため、極限安全係数のみを計算しても通常は問題ありません。

適切な設計係数は、課せられる荷重、強度、摩耗の推定、製品が使用中にさらされる環境の影響に関する予測の精度、エンジニアリングの失敗の結果、その安全係数を達成するためにコンポーネントを過剰にエンジニアリングするコストなど、いくつかの考慮事項に基づいています^{[引用が必要]}。たとえば、故障すると多大な経済的損失、深刻な傷害、または死亡につながる可能性のあるコンポーネントには、4以上（多くの場合10）の安全係数を使用します。重要でないコンポーネントの設計係数は通常2です。リスク分析、故障モード影響分析、およびその他のツールが一般的に使用されます。特定のアプリケーションの設計係数は、法律、ポリシー、または業界標準によって義務付けられていることがよくあります。

建物では、一般的に各構造部材に 2.0 の安全係数が使用されています。建物の場合、荷重は十分に理解されており、ほとんどの構造が冗長であるため、この値は比較的低くなっています。圧力容器では 3.5 ～ 4.0、自動車では 3.0、航空機や宇宙船では用途や材料に応じて 1.2 ～ 4.0 が使用されます。延性金属材料では低い値を使用する傾向があり、脆性材料では高い値が使用されます。航空宇宙工学の分野では、構造重量に関連するコストが高いため、一般的に低い設計係数が使用されます (つまり、全体の安全係数が 5 の航空機は、おそらく離陸するには重すぎるでしょう)。この低い設計係数のため、航空宇宙部品や材料は、信頼性を確保するために非常に厳格な品質管理と厳格な予防保守スケジュールの対象となります。通常適用される安全係数は 1.5 ですが、与圧胴体では 2.0、主脚構造では 1.25 であることが多いです。^[11]

場合によっては、部品が「標準」設計係数を満たすことが非現実的または不可能なことがあります。要件を満たすことによるペナルティ (質量など) により、システムが実行不可能になります (航空機や宇宙船の場合など)。このような場合、コンポーネントが通常よりも低い安全係数を満たすことを許可すると判断されることがあります。これは、要件の「免除」と呼ばれることがよくあります。これを行うと、部品が限界に近い負荷がかかるため、部品が期待どおりに機能することを保証するために、詳細な分析や品質管理の検証が必要になることがよくあります。

周期的、反復的、または変動的な荷重の場合、安全係数を選択する際に金属疲労の可能性を考慮することが重要です。材料の降伏強度を大幅に下回る周期的荷重は、十分なサイクルで繰り返されると破損を引き起こす可能性があります。

エリシャコフ^{[12] [13]}によれば、工学の文脈における安全率の概念は、水力学、数学、土木工学、軍事工学を専門とするフランスのエンジニアであったベルナール・フォレスト・ド・ベリドール（1698-1761）^[14]によって1729年に初めて導入されたようです。安全率の哲学的側面は、ドーンおよびハンソンによって追求されました。^[15]

• 工学的許容範囲 – 工学上の許容範囲
• 限界状態設計 – 構造工学における設計法
• 確率的設計 – エンジニアリング設計の分野
• 冗長性（総合的品質管理）  - 業務改善へのアプローチリダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• 犠牲部品 – デバイスの残りの部分を保護するため、最初に故障するように設計されたコンポーネント
• 統計的干渉 – 2つの確率分布が重なる場合
• 検証と妥当性確認 – 要件への適合性を確認する方法

• Lalanne, C.、仕様開発 - 第 2 版、ISTE-ワイリー、2009