Sicherheitsfaktor

Der Sicherheitsfaktor (auch Sicherheitsbeiwert oder Sicherheitszahl, englisch factor of safety, FoS) ist das Verhältnis des Grenzwerts, bei dem ein Bauteil versagen würde, zu dem Wert, dem es im Betrieb tatsächlich ausgesetzt ist. Meist wird er aus Spannungen berechnet: S = Re / σv, wobei Re die Streckgrenze des Werkstoffs und σv die größte Vergleichsspannung im Bauteil ist. Ein Wert von 2 bedeutet, dass sich das Teil bei doppelter Last plastisch zu verformen beginnen würde, sofern es sich linear verhält.

Der Sicherheitsfaktor wird für jede Versagensart getrennt bestimmt: gegen die Streckgrenze bei zähen Werkstoffen (Sicherheit gegen Fließen), gegen die Zugfestigkeit bei spröden Werkstoffen wie Gusseisen, Keramik und manchen Kunststoffen (Sicherheit gegen Bruch), gegen die kritische Last beim Knicken und gegen die Dauerfestigkeit bei zyklischer Belastung. Maßgebend ist immer der niedrigste Wert. Außerdem unterscheidet man den erforderlichen Sicherheitsfaktor, den der Konstrukteur vorab festlegt (aus ihm ergibt sich die zulässige Spannung, etwa σzul = Re / S), und den vorhandenen Sicherheitsfaktor, der sich aus der Berechnung ergibt.

Die Wahl des Werts hängt davon ab, wie gut Belastung, Werkstoff und Berechnungsmodell bekannt sind, und von den Folgen eines Versagens. Für zähe Metalle bei gut bekannter statischer Belastung wählt man üblicherweise 1,5 bis 2, bei unsicherer Belastung oder Stößen 2 bis 3, für spröde Werkstoffe und Knicken noch höhere Werte. In der Luftfahrt gilt ein Faktor von 1,5 auf die größte erwartete Betriebslast, ausgeglichen durch genaue Berechnungen, Versuche und Werkstoffkontrolle.

Für Hebezeuge, Druckbehälter oder Bauwerke schreiben die jeweiligen Normen und Vorschriften Werte oder Verfahren vor. Die Eurocodes für Tragwerke arbeiten statt mit einem einzigen Faktor mit Teilsicherheitsbeiwerten, getrennt für die Einwirkungen und für den Werkstoff.

Der Sicherheitsfaktor ist das wichtigste Ergebnis jeder Festigkeitsberechnung und das grundlegende Kriterium dafür, ob eine Konstruktion den Nachweis besteht. Den geforderten Wert legen Sie am besten schon im Lastenheft fest, damit Berechnung und Versuche ein klares Abnahmekriterium haben. Bei der Gewichtsreduzierung zeigt er, wo unnötig viel Material sitzt und wo die Reserve dagegen nicht ausreicht.

Bei Kunststoffteilen und 3D-gedruckten Teilen wählt man wegen streuender Eigenschaften, Anisotropie, Temperatureinfluss und Kriechen meist höhere Werte als bei Metallen oder rechnet mit reduzierten Langzeitkennwerten.

Ein hoher Sicherheitsfaktor garantiert kein sicheres Teil. Fehlt ein Lastfall, ignoriert die Berechnung die Ermüdung oder die Spannungskonzentration in einer Kerbe, oder entspricht der Werkstoff nicht der Annahme, kann selbst ein Faktor von 5 trügen. Umgekehrt führt ein unnötig hoher Faktor „sicherheitshalber“ zu schweren und teuren Teilen. Vorsicht auch beim Stapeln von Reserven: Enthält die Last bereits einen Stoßzuschlag und die Berechnung konservative Annahmen, erhöht ein weiterer hoher Faktor nur das Gewicht.

Geben Sie immer an, worauf sich der Faktor bezieht (Streckgrenze, Zugfestigkeit, Knicken, Ermüdung), für welchen Lastfall er gilt und ob die Lasten Betriebslasten oder bereits erhöhte Lasten sind. Ohne diese Angaben lassen sich zwei Werte nicht vergleichen. Achten Sie bei linearer FEM auf lokale Spannungsspitzen an Singularitäten, die den Faktor scheinbar senken, und auf Bereiche oberhalb der Streckgrenze, die eine lineare Berechnung nicht korrekt abbildet.