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安全率(あんぜんりつ)とは、システムが破壊などされる最小の負荷と、システムを安全に利用できる最大の負荷との比(前者÷後者)のことである。応力(荷重・強度)ほか、トルク、電圧、曝露量などさまざまな負荷に対し使われる。

◆概要

安全係数(あんぜんけいすう)とも言う。文科省は学術用語として安全率を採用している[外部リンク] オンライン学術用語集。英語では safety factor または factor of safety で、SF、FOS、F_S などと略す。また、マージン (margin) は、安全率の同義語として使われることがあるが、本来は、安全率から1を引いた余裕部分を意味する。

通常、工業製品では材質の経年劣化や環境の違い、想定外の使われ方等、実際の使用環境は多分に不確実性を含んだものであるため、ある程度の余裕をもって設計される。例えば、10 kgf の荷物を置くための棚について、荷物を置くときの動作の勢いや、棚の上で荷物が偏った置き方をされる場合などを考えると、実際には10 kgf以上の荷重に耐えられるように設計しなければならないことは明白である。

具体的には「耐荷重量: 100 kgf (安全率 2.5)」のように用いる。この場合、安全に使用出来るのは100 kgfまでであり、250 kgfで確実に壊れる(あるいは計算上壊れると予想される)という意味である。

安全率の値はさまざまで、1よりわずかに大きい値から、数百にまでいたる。安全率が大きいほど、安全に対し余裕がある設計である。なお、1をあまり超えない場合、「安全率1.1」の代わりに「安全率0.1」のようにいうことがあるが、正しい用法では無い。

直接的に人命に関わるような部材は安全率も大きめに取られており、例えばエレベーターのかごを吊るすロープなどは安全率を10以上とすることが建築基準法によって定められている。また、同じ自動車の中でも、過積載や現場の判断によって独自の改造などが施されるトラックなどは、一般的な乗用車より安全率が大きめに取られている。

◆目的

安全率とは設計時に計算し尽せない項目に対する、統計的(経験的)補正である。設計者は設計時にできる限り計算をしているが、全てのことを計算し尽くせるわけではない。計算し尽くせない項目には使用環境、使用回数、衝撃、寸法公差などがある。

衝撃を例に我々が普段使用する棚について考えてみると、同じ重さでも置き方一つで衝撃の大きさは容易に変わり、負荷(力)の大きさも変わってしまう。また、その時に置かれた物の剛性が高いほど負荷は大きくなる。そのため、置く物の重量が分かっていたとしても、負荷の値を一意的は定められない。そこで安全率という形をとって遊びを設け、製品の用途に沿った使用での安全を保障する。

このため表示許容値を超えて使用した場合、いつ壊れてもおかしくはない。

◆部材の安全率

部材などについては、極限応力(破壊・変形する応力)と、許容応力(機能を保つとする最大応力)との比が安全率に当たる。許容応力は設計段階での条件によって決定され、極限応力は用いる部材の性質によって定まる。実際の安全率の値は条件によって大きく異なり、通常1.2〜10の間を取る。

安全率=σ_s/σ_a

σ_s:極限応力、σ_a:許容応力

◆化学物質の安全率

人間が摂取する薬品に対しては、100倍等の特段厳しい安全率(安全係数、あるいは不確実係数積ともいう)が用いられる。これは、人体実験が倫理上の理由により行えないため動物実験の結果を人間に当てはめる事になるが、その際に種による誤差(種差)が10倍程度生じると考えられ、また人間の間でもお年寄りや乳幼児のような弱者と健康体の間で10倍程度の感受性の開き(個体差)が生じると考えられ、乗算して100倍を取るからである。

◆航空宇宙の安全率

航空宇宙工学では、安全率が1.15〜1.25倍と極めて低い。これは安全のための設備や余裕が、そのまま機体重量に直結し、経済性の悪化につながるためである。そのため、これらの業界は徹底した品質管理が行われ、また整備に多くの時間をかける。

◆脚注

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・安全率 page1