Součinitel bezpečnosti

Součinitel bezpečnosti (také koeficient bezpečnosti, anglicky factor of safety, FoS) je poměr mezní hodnoty, při které by díl selhal, k hodnotě, které je v provozu skutečně vystaven. Nejčastěji se počítá z napětí: k = Re / σ, kde Re je mez kluzu materiálu a σ největší redukované napětí v dílu. Hodnota 2 znamená, že by se díl začal plasticky deformovat při dvojnásobném zatížení, pokud se chová lineárně.

Součinitel se určuje zvlášť pro každý způsob selhání: vůči mezi kluzu u houževnatých materiálů, vůči mezi pevnosti u křehkých materiálů (litina, keramika, některé plasty), vůči kritické síle u vzpěru a vůči mezi únavy u cyklického zatížení. Rozhoduje vždy nejnižší z nich. Rozlišuje se také požadovaný součinitel, který konstruktér zvolí předem (z něj vychází dovolené napětí, například σD = Re / k), a výsledný součinitel, který vyjde z výpočtu.

Volba hodnoty závisí na tom, jak dobře jsou známé zatížení, materiál a výpočtový model, a na následcích selhání. Pro houževnaté kovy při dobře známém statickém zatížení se obvykle volí 1,5 až 2, při nejistém zatížení nebo rázech 2 až 3, pro křehké materiály a vzpěr ještě vyšší hodnoty. V letectví se používá součinitel 1,5 vůči největšímu očekávanému provoznímu zatížení, vyvážený přesnými výpočty, zkouškami a kontrolou materiálu.

Pro zdvihací zařízení, tlakové nádoby nebo stavební konstrukce předepisují hodnoty či postupy příslušné normy a předpisy. Eurokódy pro stavební konstrukce pracují místo jednoho součinitele s dílčími součiniteli spolehlivosti, zvlášť pro zatížení a pro materiál.

Součinitel bezpečnosti je hlavním výstupem každého pevnostního výpočtu a základním kritériem, zda konstrukce vyhoví. Požadovanou hodnotu je dobré stanovit už v technické specifikaci, aby výpočet i zkoušky měly jasné kritérium přijetí. Při odlehčování konstrukce ukazuje, kde je materiálu zbytečně mnoho a kde je naopak rezerva nedostatečná.

U plastových a 3D tištěných dílů se kvůli rozptylu vlastností, anizotropii, vlivu teploty a tečení obvykle volí vyšší hodnoty než u kovů, případně se počítá se sníženými dlouhodobými materiálovými hodnotami.

Vysoký součinitel nezaručuje bezpečný díl. Pokud chybí zatěžovací stav, výpočet ignoruje únavu nebo koncentraci napětí ve vrubu, nebo materiál neodpovídá předpokladu, může být klamný i součinitel 5. Naopak zbytečně vysoký součinitel „pro jistotu“ vede k těžkým a drahým dílům. Pozor i na skládání rezerv: pokud už zatížení obsahuje přirážku na rázy a výpočet konzervativní předpoklady, další vysoký součinitel jen zvyšuje hmotnost.

Vždy uvádějte, k čemu se součinitel vztahuje (mez kluzu, pevnost, vzpěr, únava), pro jaký zatěžovací stav platí a zda jsou zatížení provozní, nebo už zvětšená. Bez toho nelze dvě hodnoty porovnat. U lineární MKP pozor na lokální špičky napětí v singularitách, které součinitel zdánlivě snižují, i na oblasti nad mezí kluzu, které lineární výpočet nepopisuje správně.