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建立冷軋型鋼構件設計強度規範

由於目前國內使用冷軋型鋼構件之建築物日漸普遍,其應用之建築 物型態大致可分為低層住宅、購物商場、工廠、餐廳、倉儲建築、辦公 大樓與增建物等。依據內政部建築研究所對台北縣地區的調查研究,截 至八十三年止,使用鋼材之建築物約佔全樓地板面積的一成左右,同 時,在本計畫的問卷調查內,亦可發現目前使用冷軋型鋼為構件的建築 物,以工廠與購物商場的比率最高,可知訂定相關規範以保障公眾建築 物的安全實為刻不容緩的事情。

目前台灣正走向已開發國家的行列,人工價錢高漲,人力資源短缺 乃時所必趨,再加上水泥的開採設限與設廠製造對環境的衝擊,以及砂 石的短絀,面對民眾環保意識的不斷提高的時代,在在顯示出,使用具 環保且可回收的鋼材做為建築材料,似乎是台灣未來建築發展的一個重 要趨勢。再者,未來二氧化碳排放量的管制,水泥在製造生產與用於營 建時所產生的環保問題,以及RC建築物在拆除重建時的困難,目睹現今 政府正規劃推動「綠建築」的同時,採用鋼結構似乎是一種時代趨勢。

現今國內使用冷軋型鋼構件日漸普遍的情況下,制訂適合本土輕鋼架(冷 型鋼)構造設計規範,似乎是所在必行。世界各國皆發展以鋼材為建築物 的基本原料,日本在推動鋼構造的建築亦相當的努力,而以冷軋型鋼構 件為主的 steel home 更是其推廣的一個走向,而世界各先進國家皆已先 後制定冷軋型鋼的相關規範與施工標準。

在先前的規範比較之下,可探討出發展較為完整的應為美國鋼結構 協會(American Iron and Steel Institute - AISI)所編訂的「冷軋型鋼構件設計 規 範 」 (Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members),同時,目前國內的「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」乃 以美國鋼構造協會(American Institute of Steel Construction - AISC) 的「鋼 構造建築設計規範」(Design Specification for Structural Steel Buildings) 為 參考依據。大體而言,國內的鋼構造設計規範與美國的規範相比較之 下,不同之處為(1)章節的編排不儘相同;(2)材料之規格映印國內之標 準;(3)載重組合的風力係數依台灣地區的情況設定;(4)耐震設計融合了 國內研究成果;(5)規範與解說(Commentary)以交叉方式呈現等。因此,

在未來制訂國內冷軋型鋼構件設計規範,乃建議參考AISI編訂之規範,同 時,在編排與設計上亦需考量與國內「鋼構造建築物鋼結構設計技術規 範」的一致性,如此才能增加使用者在查尋與閱覽時之便利性。

影響結構安全的因素甚多,較主要者為材料強度及載重預估,容許 應力設計法(Allowable Stress Design - ASD)或塑性設計法(Plastic Design - PD)常以折減材料強度或放大載重作為設計之安全係數,對結構安全的掌 握可能並非為最佳的方法。近年來設計方法逐漸傾向採取以可靠度分析 為基礎之極限設計法(一般稱為limit state design or load resistant factor design),此法以機率模式,將材料強度之變異性與載重之變異性當作決定 強度折減係數與載重係數的依據,使結構物整體的安全性,較能達致一 致之水準。目前國內之「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」分為二部 份:一為鋼結構容許應力設計法規範及解說;另一為鋼結構極限設計法 規範及解說。在目前各國皆傾向以極限設計法為設計準則的同時,建議 國內冷軋型鋼構件設計規範亦應已此法為設計基準。

在國內「建築技術規則」的第五條中,明訂“建築物設計及施工技 術之規範,由中央主管建築機關另定之”,因此,在未來國內冷軋型鋼 相關規範皆應由內政部建築研究所訂定之,而先期應首先制定冷軋型鋼 構件設計規範,對於規範之內容與架構建議可概述如下:

第一章 通則 1.1 適用範圍 1.2 品質要求 1.3 設計基準 1.4 常數

第二章 載重

2.1 適用範圍

2.2 載重係數與載重組合

2.3 其他載重

第三章 材料

3.1 一般規定

3.1.1 冷軋型鋼構材 3.1.2 鋼材檢驗 3.1.3 鋼材品質證明 3.2 適用鋼材

3.3 降伏應力(a) 3.4 冷型之影響(b) 3.5 延展性(c)

3.6 鋼材厚度

(a) 冷軋鋼板或鋼片的應力及應變關係與熱軋鋼頗不相同,除了尖銳降伏 型式(sharp-yielding type)外,平緩降伏型式(gradual-yielding type)的應 力及應變關係,亦常出現於冷型鋼材的特性之中。在分析構件強度 時,除非為局部挫屈(local buckling)或構件挫屈(overall buckling),一 般皆需使用降伏應力加以分析計算。由於平緩降伏型式的應力與應變 曲線上並無明顯之降伏點(yield point),這類材料的降伏應力的取得則 需 採 用 offset method 或 strain-under-load method 。 在 offset method 中,一般在降伏點的抉擇上乃使用0.2 % offset,而虛線的斜率則與此 應力與應變曲線之初始線段之斜率相同。另在strain-under-load method 中,降伏點的決定則是在0.5 % 的固定應變處向上劃垂直線,此線與 應力與應變曲線之交接處即為降伏點。

(b) 冷軋型鋼構件乃由鋼板或鋼片經由滾壓或輾壓而成,與熱軋型鋼頗不 相同,冷軋型鋼構件在冷壓加工過程中會造成冷壓殘留應力,這就是 所謂的冷壓效果(cold-work effect),也即是在斷面轉角處及其週邊的材

料機械性質,如降伏應力與極限應力將明顯的增強,相反地延展度亦 相對的降低。由於在計算壓力單元的承載能力,乃依本體兩側加勁狀 況,與其到達極限強度的應力而定。而冷壓效果所造成轉角週邊材料 性質的變化則依下列因素而改變之﹕

1. 使用鋼的種類。

2. 壓力或張力。

3. 冷壓的方向與應力方向的差異。

4. 極限應力與降伏應力之比值( Fu/Fy ratio)。

5. 內彎半徑與材料厚度之比值(inside-radius-to-thickness ratio, R/t)。

6. 冷壓的數量。

(c) 用於設計冷軋型鋼構件之鋼材,在各國的相關規範內皆有相當的要 求。除了基本的材料性質,如降伏應力與抗拉強度訂有限制外,對於 展延度(ductility)及抗拉強度與降伏應力比(ratio of tensile strength to yield point)亦有相當的要求。展延度的要求乃為了結構安全及冷型考 量,鋼材本身必需具備有足夠的塑性範圍,以免提早破壞。抗拉強度 與降伏應力比的要求,乃可顯示出鋼材本體應變硬化(strain hardening) 程度的指標及材料本身重新分配應力的能力。

第四章 單元設計(d)

4.1 尺寸限制與考量 4.1.1 翼板之寬厚比 4.1.2 腹板之寬厚比 4.2 加勁單元之有效寬度

4.2.1 均佈受壓之加勁單元

4.2.2 均佈受壓之具有圓孔之加勁單元 4.2.3 具應力坡度之加勁單元或腹板 4.3 未加勁單元之有效寬度

4.3.1 均佈受壓之未加勁單元

4.3.2 具應力坡度之未加勁單元或邊緣加勁肢 4.4 具中間加勁肢或邊緣加勁肢單元之有效寬度 4.4.1 均佈受壓之具一個中間加勁肢單元 4.4.2 均佈受壓之具一個邊緣加勁肢單元 4.4.3 具多個中間加勁肢之加勁單元 4.5 加勁肢

4.5.1 橫向加勁肢 4.5.2 剪力加勁肢

(d) 冷軋型鋼的厚度與一般鋼結構用鋼相比較差異甚多,因此,冷軋型鋼 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,冷軋型 鋼構件仍能繼續承載相當大的力量,這就是所謂的挫屈後強度(post-buckling strength),因此局部挫屈,在設計冷軋型鋼構件當中是極須考 慮的一個因素。在設計冷型鋼壓力單元時,冷軋型鋼與熱軋型鋼最大 之差異在於其挫屈後強度之使用。

基本上,冷軋型鋼構件之設計採用有效斷面面積(effective section area)之觀念,所有受壓單元(compression element)之承載能力皆須依據 有效面積方式計算。而受壓單元之有效寬度(effective width)除了與其 自身幾何形狀有關外,亦受到兩側之加勁狀態有所影響。受壓單元基 本上可分為加勁單元 (stiffened element),與非加勁單元(unstiffened element)。而加勁與否則視其兩側是否加勁狀態而定之,自然地,冷 軋型鋼構件之設計承載能力亦有所不同。當受壓單元一旦產生彈性挫 屈(elastic buckling)時,應力在結構本體中可用下列兩種方式表現﹕

1. 局部挫屈應力將平均分佈在壓力單元各部份上﹔

2. 當應力高於局部挫屈應力但小於降伏應力時,新增加之應力將集

中於轉角處或轉角附近的單元上。

第五章 受拉構材 5.1 適用範圍 5.2 設計受拉強度

第六章 撓曲構材(e) 6.1 適用範圍 6.2 一般撓曲設計

6.2.1 標稱斷面強度 6.2.2 側向挫屈強度

6.2.3 翼板連接浪形鋼板之樑 6.2.4 翼板連接屋頂折板之樑 6.3 剪力強度

6.4 撓曲 - 剪力強度 6.5 腹板摺曲強度

6.6 撓曲 - 腹板摺曲強度

(e) 在冷軋型鋼與熱軋型鋼構件,在計算撓曲強度時有相當之差異性,主 要是因冷軋型鋼撓曲構件在計算桿件設計強度時,其中性軸的位置,

將依壓力部份的有效面積(含翼板與部份腹板)而有所改變,同時,也 因中性軸位置的改變,受壓應力的大小亦隨之更動,進而有效面積又 需另加計算之,經由交互作用,最後求得收斂之中性軸位置,因此,

在撓曲強度計算上冷軋型鋼構件則較為複雜。

第七章 受壓構材 7.1 適用範圍

7.2 受壓強度

7.3 扭轉強度與撓曲 - 扭轉挫屈強度 7.4 非對稱構材設計

第八章 構材承受彎矩及軸力 8.1 適用範圍

8.2 軸向拉力與撓曲作用強度 8.3 軸向壓力與撓曲作用強度

第九章 中空圓管構材 9.1 適用範圍 9.2 撓曲強度 9.3 受壓強度

9.4 軸向壓力與撓曲作強度

第十章 合成構材 10.1 適用範圍 10.2 組合斷面

10.2.1 C型鋼組合之I型鋼 10.2.2 受壓單元之接合間距 10.3 側向支撐

10.4 無側向支撐之組合箱形樑 10.5 隔間柱與其組合

10.5.1 撓曲強度 10.5.2 受壓強度

10.5.3 軸向壓力與撓曲強度

第十一章 接合設計 11.1 一般規定 11.2 銲接 11.3 螺栓接合 11.4 自轉螺栓接合 11.5 設計斷裂破壞強度

附錄一 專有名詞中英對照 附錄二 符號說明

附錄三 單位換算表

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