Sterkteberekening en veiligheidsfactor

Engineers nemen bij het ontwerpen van een nieuw onderdeel of product zoveel mogelijk factoren in overweging. Factoren als productbetrouwbaarheid, kosten, montage, logistiek enzovoorts vereisen allemaal diepgang en creativiteit.

De allerbelangrijkste factor waarmee tijdens het ontwerp van een nieuw product rekening gehouden moet worden is wellicht de factor: veiligheid. Een sterkteberekening speelt hierin een belangrijke rol.

Sterkteberekeningen termen die we vaak horen of lezen zijn ‘Factor of Safety’ (FoS) of ’Safety Factor’ (hierna: veiligheidsfactor), maar er zijn verschillende definities en berekeningen waarnaar kan worden verwezen. Laten we eens kijken naar de basisprincipes van de veiligheidsfactor voor ontwerp en engineering.

De veiligheidsfactor, wat houdt dat in?

Een sterkteberekeningen ‘veiligheidsfactor’ verwijst veelal naar één van de twee dingen:
1. het daadwerkelijke draagvermogen van een onderdeel of constructie.
2. de vereiste veiligheidsmarge voor een onderdeel of constructie volgens de voorschriften van wetgeving of ontwerp.

Zodra de spanning in een specifiek gebied groter wordt dan de sterkte van het materiaal, dan wordt de veiligheidsfactorverhouding minder dan 1. Dit houdt in dat in een specifiek gebied van het model de spanning hoger is geworden dan de sterkte dat het materiaal kan dragen. Een ‘veiligheidsfactor’ van 1 is de absolute ondergrens waarbij de ontwerpbelasting is bereikt en de constructie dus geen extra belasting kan dragen. Constructies met ‘veiligheidsfactor’ lager dan 1 zijn dus niet veilig.

Een formule om de veiligheidsfactor te berekenen is om de maximale spanning te delen door de werkende spanning. Is de ‘veiligheidsfactor’ 2 dan betekent dit dat een onderdeel twee keer minder ontwerpbelasting zal hebben, enzovoorts. Als de spanning in het model veel lager is dan de sterkte van het materiaal dan blijft de veiligheidsfactor groter dan 1 en wordt het model dus als 'veilig' beoordeeld.

Indien de veiligheidsfactor overal in de constructie veel hoger is dan 1, dan betekent dit dat het wellicht over-gedimensioneerd is. Vaak is dit niet wenselijk omdat materiaal wordt verspilt en daardoor kosten verhoogt.

Vaak hebben industrieën verschillende ideeën over wat een vereiste veiligheidsmarge zou moeten zijn. Een zekere mate van dubbelzinnigheid is één van de moeilijkheden die gepaard gaat met het gebruik van een veiligheidsfactor, maar er bestaan algemene vuistregels. Het is duidelijk dat wanneer de gevolgen van product falen aanzienlijk is, zoals persoonlijke schade of verlies van eigendom, een hogere veiligheidsfactor vereist is. Een andere overweging die meespeelt zijn de kosten. Hoeveel kost het per onderdeel extra om een bepaalde veiligheidsfactor te behalen, en is dat een rendabel bedrijfsmodel?

Sterkteberekeningen ontwerpfactoren en veiligheid

Afhankelijk van het beoogde gebruik van een product moeten zowel het totale ontwerp als de afzonderlijke componenten zo goed mogelijk worden beoordeeld op de verwachte omstandigheden. De volgende overwegingen kunnen ontwerpers helpen om rekening te houden met realistische omstandigheden en dus een beter product te maken.
• Intensiteit van stressconcentraties; welke componenten worden vaker blootgesteld aan intense stress?
• Is thermisch dan wel extreme blootstelling aan temperatuur een probleem? Welke materialen moeten worden gebruikt?
• Verbetert een combinatie van gebruikte materialen het algehele ontwerp?
• Bestaat de kans dat de slijtage zal versnellen door consumentengebruik?
• Treedt er verslechtering op in het onderdeel door corrosie?

Wij kunnen u helpen om voor sterkteberekeningen een bepaalde veiligheidsfactor voor uw ontwerp te bereiken. Daarbij zoeken wij met u naar de juiste balans tussen functie, veiligheid, productiekosten en klanttevredenheid. We hebben inmiddels veel ervaring opgedaan in meerdere branches en zijn misschien een goede kandidaat voor uw volgende idee.

Lees meer over sterkteberekeningen