第四章 扣件設計
4.1 扣件設計與數值分析
初步構思連接扣件之細節樣式，並且利用 AutoCAD 製圖，評估是否 可行。斜屋頂板與直立牆板之間的夾角 24∘，斜屋頂與斜屋頂夾角 48∘，
從板牆間的幾何關係，大概能勾勒出扣件基本樣貌（圖 4.2），扣件設計 樣式，朝著板牆間的幾何關係與實際製造可行性，做細部發展設計。
初步設計斜屋頂與直立牆間的扣件，預先設定直立牆板的彎鉤系統 為母扣件，斜屋頂板的彎鉤系統為公扣件，扣件形式為一個楔形狀，底 部延伸公彎鉤與直立牆板之母彎鉤連接，另外斜邊為母彎鉤與斜屋頂板 之公彎鉤連接（圖 4.3），扣件每個零件都需要用焊接固定，但扣件母彎
斜屋頂與直立 牆板之連接扣
斜屋頂與斜 屋頂之連接
圖 4. 2、扣件與板牆幾何關係
圖 4. 3、扣件設計樣式 1
24° 48°
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鉤的方向與斜屋頂之公彎鉤方向差 90∘，斜屋頂板之彎鉤系統需要做更 改才能與此扣件做搭配，故不考慮使用。
在初步設計中另有一款搭配防火三明治夾板的凹槽做設計，從上一 款設計中發現，扣件與彎鉤系統的固定需要良好搭配，因而讓防火三明 治夾板在斜屋頂板與直立牆板、斜屋頂板與斜屋頂板間的彎鉤系統，全 部採用母彎鉤盒，扣件所使用的公彎鉤是獨立的零件，依照母彎鉤盒的 方向能自由搭配扣合，再以螺帽固定於扣件上，圖 4.4 設計圖為此一理念 之雛形，配合三明治牆板之凹槽設計，然因三明治牆板之凹槽可予填平，
而且僅單點連接，強度不足，因此無法採用。
天馬行空的初步設計中，綜合各項優點整理出下一階段的模型，扣 件設計樣式 3 以卡榫的概念進行設計（圖 4.5），扣件不用任何焊接就能 組合，延續前一款設計的優點，防火三明治夾板的彎鉤系統也是採用母 彎鉤盒，再以螺帽固定扣間與彎鉤系統間的獨立公彎鉤，幾何造型採上 下對稱卡榫固定的方式，故只要製造同樣的款式，兩兩成雙，就能完成 一個扣件，從此概念中決定以數值分析判斷其可行性，並以扣件材料厚 度作為參數，預先模擬承受 1.37kN 下需要多少的材料厚度。
圖 4. 4、扣件設計樣式 2
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連接扣件設計樣式 3 如圖 4.6 所示，不用焊接的方式就可以把兩片模 板、牆板以及屋頂板連接起來。0.6mm 鋼板係三明治牆板之外覆鋼板，
為工廠現有，成本最低廉，首先試用於本設計之分析中。樣式 3 建立的 有限元素模型總共有 378 個節點與 348 個元素，HyperMesh 視覺化參數 依照上一章所述，以 200MPa 為鋼板降伏強度，元素呈現紅色代表應力 超過降伏強度，只要超過降伏強度就代表設計不符需求。圖 4.7 為板厚 0.6mm 之樣式 3 扣件受 1.37kN 之模擬分析結果，顯示強度嚴重不足。圖 4.8 為板厚 1.2mm 之樣式 3 扣件受 1.37kN 之模擬分析結果，顯示強度仍 顯不足。若將板厚改為 1.0mm，並在鉤孔加上墊片，則不論墊片之厚度 為 2.0mm 或 3.0mm，強度皆顯不足(圖 4.9 與 4.10)。若將板厚改為 1.2mm，
墊片之厚度亦為 1.2mm，強度仍是不足(圖 4.11)。若將板厚改為 2.0mm，
載重不變(1.37kN），則強度可達要求(圖 4.12)。如果在鉤孔加上 2.0mm 墊 片，結果僅將應力外推，並未有大幅降低應力的效果(圖 4.13)。若將板厚 改為 1.5mm，墊片之厚度亦為 1.5mm，則強度可達要求(圖 4.14)。
圖 4. 5、扣件設計樣式 3
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圖 4. 6、扣件設計樣式 3，由左右兩塊楔形板拼組而成
圖 4.7、板厚 0.6 mm 之連接扣件設計樣式 3 數值模擬分析結果
圖 4.8、板厚 1.2 mm 之連接扣件設計樣式 3 數值模擬分析結果
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圖 4.9、厚 1.0 mm 之連接扣件設計樣式 3 加上厚 2.0 mm 墊片
圖 4.10、連接扣件設計樣式 3 (1.0 mm 之鋼板，3.0 mm 之墊片)
圖 4.11、連接扣件設計樣式 3 (1.2 mm 之鋼板，1.2 mm 之墊片)
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圖 4.12、板厚 2.0 mm 之連接扣件設計樣式 3 (沒有墊片)
圖 4.13、連接扣件設計樣式 3，2.0 mm 之鋼板，2.0 mm 之墊片
圖 4.14、連接扣件設計樣式 3，1.5 mm 之鋼板，1.5 mm 之墊片
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雖然圖 4.12 至 4.14 三款設計皆滿足目前之受力需求，但考慮彎鉤系 統改良後，強度提高至 1.96 kN，此連接扣件之承載能力亦有必要增加。
若採用圖 4.13 之設計參數(2.0 mm 之鋼板，2.0 mm 之墊片)，將載重提高 至 1.96 kN，應力分佈如圖 4.15 所示。由結果可知，此款過於保守。若將 墊片取消，可得結果如圖 4.16，亦滿足目前之受力需求。
圖 4.15、連接扣件設計樣式 3 (2.0 mm 鋼板，2.0 mm 墊片) 1.96 kN 受 力數值模擬分析結果
圖 4.16、連接扣件設計樣式 3 (2.0 mm 鋼板，沒有墊片) 1.96 kN 受力 數值模擬分析結果
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此款設計樣式，理論上左右兩半是對稱的，只需要開一個模，但是 考量厚度影響後，左右兩半卡榫點位置將稍有不同，不完全對稱，成為 兩個不同的造型，且榫齒與榫孔製作成本高，故仍放棄採用。修改成圖 4.17 所示之樣式 4 設計。由厚度皆為 3 mm 的楔形鋼板與平底板經螺栓 結合而成，再加上 3 mm 鉤孔墊片。數值模擬分析考慮多種狀況，數量 繁多，本文不再贅述，只選擇一小部分較具有代表性的結果來加以說明。
當外力為 1.37 kN 時，應力分佈結果如圖 4.18 所示，稍嫌保守。若將墊 片取消，結果如圖 4.19 所示，滿足目前 1.37 kN 之受力需求。
圖 4.17、連接扣件設計樣式 4
圖 4.18、連接扣件設計樣式 4 (3.0 mm 楔形板， 3.0 mm 底板以及 3.0 mm 墊片) 1.37 kN 受力之數值模擬分析結果
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若調高外力為 1.96 kN，圖 4.19 的設計樣式之應力將變成圖 4.20 結 果。若將楔形鋼板改為 2.8 mm 厚，底板 3.0 mm 厚，墊片亦為 3.0 mm 厚，
其數值模擬分析結果示於圖 4.21，兩者皆未達強度要求，且弱點都在底 板。若將圖 4.20 之底板厚度調成 4.0 mm，即可達強度要求（圖 4.22）。
圖 4.19、連接扣件設計樣式 4 (3.0 mm 楔形板與底板，沒有墊片) 1.37 kN 受力之數值模擬分析結果
圖 4.20、連接扣件設計樣式 4 (3.0mm 楔形板與 3.0mm 底板) 1.96 kN 受力之數值模擬分析結果
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從連接扣件設計樣式 4（圖 4.17）數值分析的眾多結果發現，楔形 鋼板與底板因為不是對稱的關係，很難取得材料與強度之間的最佳化設 定，所以又將連接扣件設計樣式 4 改良成對稱型式，如下圖，由兩個淺 一點、上下對稱的楔形板，經由螺栓鎖在一起，圖 4.23 為連接扣件設計 樣式 5，其上下板對稱。
圖 4.21、連接扣件設計樣式 4 (2.8mm 楔形板與 3.0mm 底板以及 3.0mm 墊片) 1.96 kN 受力之數值模擬分析結果
圖 4.22、連接扣件設計樣式 4 (3.0mm 楔形板與 4.0mm 底板，沒有墊 片) 1.96 kN 受力之數值模擬分析結果
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數值模型以 552 個節點與 500 個金屬板殼元素建置（圖 4.24），初始 圖 4.23、連接扣件設計樣式 5
圖 4.24、連接扣件設計樣式 5 有限元素模型
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以 2 mm 鋼板外加 1.37 kN 拉力模擬測試（圖 4.25），以 von Mises 應力分 佈圖結果顯示，2 mm 鋼板之連結扣件樣式 5 受 1.37 kN 拉力符合預期表 現，另外提高鋼板之厚度為 3 mm，模擬在 1.96 kN 拉力下的結果顯示於 圖 4.26，若將 1.96 kN 拉拔力改為剪力，結果顯示於圖 4.27，兩者皆通過 強度要求。
圖 4.25、連接扣件設計樣式 5 1.37 kN 受力之值模擬分析結果
圖 4.26、連接扣件設計樣式 5 (3.0 mm 鋼板，沒有墊片) 受 1.96 kN 拉 拔力之數值模擬分析結果
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為了讓數值分析更加接近真實情況，所以重新將網格細緻化，包含 試體的轉折處圓角處理，彎鉤施力點的配置以輔助判斷連接扣件設計是 否合理，展示如下圖(圖 4.28)。元素建置後開始執行數值分析，元素量大 約是之前的兩倍，分析處理時間大概是 11 小時，比之前處理的時間多出 20 倍，以下是分析結果(圖 4.29)。
圖 4.27、連接扣件設計樣式 5 (3.0 mm 鋼板，沒有墊片) 受 1.96 kN 剪 力之數值模擬分析結果
圖 4.28、連接扣件元素切割細緻化初步構想
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連接扣件設計樣式 5 將安置於組合屋的直立牆板上，如圖 4.30 紅色 圈選處所示，直立牆板與屋頂板之連結處，只需要一組連接扣件設計樣 式 5 就能完成組裝，兩組連接扣件設計樣式 5 結合起來角度呈 48∘，符 合屋頂板與屋頂板之角度，安置於屋頂板與屋頂板之連結處如圖 4.31 紅 色圈選處所示，整體示意圖如 4.32，連結扣件為紅色圈選處。
圖 4.30、直立牆板上之扣件安置位置
圖 4.29、連接扣件設計樣式 5 (3.0 mm 鋼板，有墊片) 受 1.96 kN 拉力 之數值模擬分析結果
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數 值 分 析的 成 果 表示 該 連 接扣 件 理 論上 是 可 以符合 1.37kN 與 1.96kN 拉力之強度，為了謹慎起見，便展開了實體實驗，雙重確認下才 能確保該設計是符合實際運用，下一節為實驗流程與成果展示。
圖 4.31、屋頂板與屋頂板上之扣件安置位置
圖 4.32、整屋扣件安置位置示意圖
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