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冷型鋼的類別及應用

除了使用於建築房屋方面外,冷型鋼應用於其他方面亦相當廣泛,如 汽車車體、火車車箱、穀物倉、囤物架、高架電塔、排水設施與橋樑建 築等。冷型鋼自1940年起始廣泛的為世人所使用,早在1939年,美國康 乃爾大學教授George Winter接受美國鋼鐵協會(American Iron and Steel Institute - AISI)之委託,即開始從事冷型鋼構件強度的相關研究,而第一 份冷型鋼構件設計規範(Specification for the Design of Light Gage Steel Structural Members)於1946年問世。

大體而言,冷型鋼構件應用於建築工程時所具備的優點可略述如下﹕

(Yu,1991)

1. 對於較輕的載重及/或較短的跨矩,使用冷型鋼構件比熱軋型鋼較為經 濟。

2. 由於製造方式的特異性,冷型鋼可輕易製作成所需之特殊形狀,並可 獲得較佳之強度對重量比(strength-to-weight ratios)。

3. 製造完成之巢狀冷型鋼構件在包裝與運送上,不但節省空間且相當經 濟。

4. 冷型鋼承版或鋼片,除了可提供屋頂、牆板與樓版建築外,另可安置 電器或其他設施之管路與導管。

5. 如果與鄰近的支撐構件有良好的結合,冷型鋼承版或鋼片,不僅可承 受垂直載重,更可設計為抵抗橫向力之剪力隔版(shear diaphragm)。

與其他建築材料如木材和混凝土比較之下,冷型鋼構件又能提供下列 之優點:(1)重量輕;(2)高強度與高勁度(high strength and stiffness);(3)製 造便捷與可大量製造;(4)裝設快速與簡易;(5)方便運輸與處理;(6)施工 上不受氣候之影響;(7)可準確地細部規劃與施工;(8)在惡劣的溫度下不 會收縮與潛變(nonshrinking and noncreeping at ambient temperatures);(9)無 需 假 設 工 程 ; (10) 不 易 腐 壞 及 防 蟲 害 ; (11) 品 質 劃 一 ; (12) 不 可 燃 性 (noncombustibility)。

在一般建築中,冷型鋼構件可被使用成為主要與次要建築體之結構。

但在高層建築中,主要之結構架構仍以熱軋鋼構件(hot-rolled structural steel)為主,而冷型鋼構件使用之範圍則可大致為樓層版與屋頂版,牆版 與分隔版、輸送管、和門窗之外框等。因此,從結構設計的觀點來看,

冷型鋼構件可分為(Yu,1991):獨立之結構支撐桿件(individual structural framing members),(請參考圖1.1);及牆板與樓版(panels and decks),(請 參考圖1.2)。

圖1.1

圖1.2

冷型鋼由於具有質量輕、強度大、加工容易等優點,已廣泛地被使用 在工程材料上;如高層建築使用之皺摺鋼板(profiled sheet or corrugated sheet) , 俗 稱 鋼 承 板 或 鋼 浪 板 , 由 於 對 於 垂 直 載 重 與 側 向 載 重 (lateral loading)有相當強之勁度(stiffness),因此在建築業界被廣泛的使用近一百 年歷史(Baehre,1983)。鋼承板複合樓版,與普通RC樓版比較,具有之優 點為:(1)質輕、架設搬運方便,可縮短組裝時間,減少人力;(2)不須垂 直支撐,可連續施工,縮短工期; (3)鋼浪板設計為結構之一部份時,可 取代部份鋼筋,減少成本。

冷型鋼的厚度與一般鋼結構用鋼相比較差異甚多,因此,冷型鋼構 件 的 壓 力 單 元 (compression element) 使 用 了 相 當 大 的 寬 厚 比 (width-to-thickness ratio),壓力單元在產生局部挫屈(local buckling)後,冷型鋼構件 仍 能 繼 續 承 載 相 當 大 的 力 量 , 這 就 是 謂 的 挫 屈 後 強 度 (post-buckling strength),因此局部挫屈,在設計冷型鋼構件當中是極須考慮的一個因 素。而冷型鋼構件在冷壓加工過程中,會造成冷壓殘留應力,即是在斷

面轉角處及其週邊的材料機械性質,如降伏應力與抗拉強度將明顯的增 強。因此,冷型後之作用(cold-work of forming)在分析與設計冷型鋼構件 中,乃為重要的考量之一。冷型鋼之設計考量與熱軋鋼實有不同,因 此,許多國家皆有相關之研究與規範制定。

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