Mekanik Tasarımda Emniyet Katsayısı

makine mühendisliği

Emniyet Katsayısı(güvenlik faktörü, güvenlik katsayısı), kabaca mekanik tasarımın taşıyacağı yükün, taşıma kapasitesinden ne kadar büyük olduğunu gösteren birimsiz bir değerdir. Diğer bir tabirle, “sistem olması gerekenden ne kadar güçlü” sorusunun cevabı güvenlik faktöründe saklı. Otomotiv gövdeleri, köprüler, binalar, mekanik tasarımlar he zaman güvenlik faktörü hesabı ile başlar. Sıcaklık, dinamik yükler, titreşim gibi kontrol edilemeyen dış faktörler, güvenlik katsayısı ile tolere edilmeye çalışılır.

Endüstriyel uygulamalarda, güvenlik katsayısının küçük olmasının bir dezavantaj olması gibi, büyük olmasıda bir dezavantajdır. Keza gerekenden fazla çıkan güvenlik katsayısı, ağırlık, fazla malzeme kullanımı, tasarım zorulukları gibi olumsuz durumlara yol açar. Dolayısıyla mühendislik problemlerinden biri de optimal güvenlik katsayısının hesaplanmasıdır.

Bu yazıda matematiksel hesaplamalardan ziyade bu katsayı temel olarak nerden gelir, nasıl yorumlanır ondan bahsedeceğim.

Emniyet Katsayısı Gereksinimi

Mekanizma bir çok farklı açıdan güvenlik katsayısına sahiptir. Materyal özelliği, geometri, başarısızlık analizi, güvenilirlik gibi katsayılar ile tasarımlar gerçekleştirilir. Matematiksel hesaplar ile bu faktörlerin minimum değerleri bulunabilir. Mesela CAD modelde yapılacak bir statik analizle, Von-Mises, Mohr-Coloumb ve Tresca Shear Stress analizleri ile malzeme failure için minimum güvenlik faktörü bulunabilir. Fakat bu minimum değerin ne kadar üstünde kalmak gerekir konusu biraz tasarımcıya bağlı. Fakat genel kanılara değinmek istiyorum.

Mukavemet Emniyet Katsayısı

Mukavemet Emniyet katsayısı, malzemenin atomik özelliklerinden gelen akma gerilmesine göre ne kadar yük taşıyabileceğini belirten bir özelliktir. Mesela, 6061 aluminyum malzemenin T4 ısıl işlem görmüş halinin akma mukavemeti minimumda 110MPa’dır. Bu demektir ki siz bu malzemeye 110MPa’dan büyük bir yük uygularsanız malzeme plastik şekil değştirmeye uğrayacaktır(bkz: Hook doğrusu).
Bu malzeme için 100Mpa’lık gerilme uyguladığınızda güvenlik faktorü = malzeme akma dayanımı / uygulanan mukavemet olarak hesaplanır ve 1 çıkar.
Tasarımda bu güvenlik katsayısı kontrol edilemeyen dış etkenler nedeniyle yüksek tutulmaya çalışılsada, yükseltilmesi maliyet, ağırlık gibi etkenleri artırdığından en uygun değer bulunmaya çalışılır.

Uygulamalarda Güvenlik Katsayısı

Aşağıdaki tablo, kulalnım yerlerine göre güvenlik katsayısı seçimine örnek olabilir:

Kullanım Yeri Emniyet Katsayısı
Hava Araçları Komponentleri 1.5 – 2.5
Kazanlar 3.5 – 6
Civatalar 8.5
Demir Döküm Tekerler 20
Motor Parçaları 6 – 8
Ağır Yük Şaftları 10 – 12
Kaldırma Ekipmanları 8 – 9
Basınçlı Kaplar 3.5 – 6
Sabit Turbin Komponentleri 6 – 8
Döner Türbin Komponentleri 2 – 3
Ağır Yük Yayları 4.5
Binalarda Yapı Çelikleri 4 – 6
Köprülerde Yapı Çelikleri 5 – 7
Tel Halatlar 8 – 9

Genelleme yapacak olursak;

Uygulama Emniyet Katsayısı
Yükün özelliği kesin biliniyorsa, çevre ve yük değişkenlik göstermiyorsa ve malzeme özelliklerine kesin güveniliyorsa 1.3 – 1.5
Yük özellikleri biliniyor, çevre ve yük değişkenlik göstermiyorsa 1.5 – 2
Çevre değişkenlik göstermiyor ve sıradan malzemeler kullanılıyorsa 2 – 2.5
Çevre ve yük değişkenlik göstermiyor, gevrek malzeme ya da özellikleri tam bilinmeyen malzeme kullanılıyorsa 2.5 – 3
Malzeme özellikleri güvenilmezse ya da malzeme zor çevre şartlarında çalışıyorsa 3 – 4

Diğer Güvenlik Katsayıları

Gerçek hayatta ne yazıkki kontrol edilemeyen dış etkenler var. Tasarımdan üretime geçerken üretim hataları, ön görülemeyen dinamik yükler, sıcaklık değişimleri, tasarımınızın güvenilirliği gibi etkenler mevcut. Bunlar içinde genellikle 1 ve 2 arasında birer katsayı belirlenerek yük güvenlik katsayısı ile çarpılarak nihai katsayı uygulaması yoluna gidilir.

Bonus: NASA Uzay Araç Tasarımında Güvenlik Katsayıları

Aşağıdaki tabloda, nasanın önceki uzay görevlerinde kullandığı araçlar için tasarımda kullandığı güvenlik katsayıları yer almakta.

nasa emniyet faktörleri

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir