國內冷軋型鋼構造設計規範及解說之研擬

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(1)內政部建築研究所研究計畫期末簡要報告研究案：鋼構造建築與相關法規研究研究案編號：MOIS 892014 計畫名稱：國內冷軋型鋼構造設計規範及解說之研擬執行期間：中華民國八十八年十一月一日至八十九年十月三十一日. 國內冷軋型鋼構造設計規範及解說之研擬. 計畫主持人：葉祥海共同主持人：潘吉齡共同主持人：李台光共同主持人：余志鵬共同主持人：林新華共同主持人：焦祥梓顧問：于煒文. 執行單位：內政部建築研究所中華民國八十九年九月.

(2) 摘. 要. 針對市場的需求，近二十年來冷軋型鋼結構 (Cold-Formed Steel Structures)已在世界各國多方應用於房屋、橋樑、輸電高架、公路設施等方面，由於冷軋型鋼之厚度薄，在其重量極輕之下，仍然可提供足夠之承載能力，也因此冷軋型鋼的發展亦顯的極其重要。由於環保的考量，木材、砂石等材料的短缺，歐美等國業已制定標準化的低層冷型鋼建築設計並已廣泛地應用在工商業界及一般的住宅上。目前國內使用冷型鋼之建築物日漸增多，冷軋型鋼構材使用範圍亦愈來愈廣，因此，制訂適合本土的冷軋型鋼結構設計規範已是刻不容緩。. 冷軋型鋼由於質量輕、強度大、加工容易等優點，已成為廣泛使用之工程材料，現今世界上發展及從事研究冷軋型鋼的國家皆為先進國家如美國、日本、澳洲、英國等國家。目前國內現有的鋼結構相關規範乃侷限於熱軋型鋼方面，制定冷軋型鋼構造設計規範乃勢在必行之趨勢。本計畫進行相關研究，依據上(88)年度計畫-「輕型鋼(冷型鋼)構造設計規範之調查研究」，所建議之架構與參考標準，研擬冷軋型鋼構造設計規範與解說，期使國內製造、設計與營造業者能有所依循。. 1.

(3) ABSTRACT Recently, the cold-formed steel has been considerably adopted in the construction of steel structures such as buildings, bridges, transmission towers, and highway products due to the demand of market. Even the thickness of cold-formed steel is quite thin as compared to the structure-used steel, the cold-formed steel structure can still take sufficient load-carrying capacity. Therefore, the development of cold-formed steel structure plays a very important role in the recent and future construction field. Due to the environmental concern and lack of construction materials such as lumber, sand, and gravel, standardized single-story metal buildings have been widely used in industrial, commercial, and residential applications in U.S. and European. It can be observed that the utilization of cold-formed steel in the construction area is getting popular in Taiwan. Therefore, fully understanding the domestic conditions about the manufacture and application of cold-formed steel is the first thing to do. Meanwhile, it is necessary to establish the native specification for the design of cold-formed steel member in the near future. Due to the advantages such as lightness, high strength and stiffness, and easy to fabrication and erection, the cold-formed steel has been widely used as the construction material. Most advanced countries like U.S., Japan, Australia, and U.K. have studied the cold-formed steel for decades. However, the cold-formed steel is not included in the domestic specification or code relative to the steel construction in Taiwan, the development of cold-formed steel design specification is the way to go. The main objective of this project is to draft the design specification and commentary for cold-formed steel. In order to promote the native specification for the design of thin-walled structures (cold-formed steel members), the suggested foreign documents and related materials will be based on the previous research - "The Investigation of Design Specification for Cold-Formed Steel Structure".. 2.

(4) 目. 錄. 壹、計畫緣由. ……………………………………………… 4. 計畫背景. ……………………………………………… 4. 重要性. ……………………………………………… 5. 計畫目的. ……………………………………………… 6. 貳、研究方法. ……………………………………………… 8. 參、冷軋型鋼構件設計規範架構肆、建議與結論. ……………………………. 10. ……………………………………………… 12. 研修規範與研擬範例. ………………………………… 12. 建立施工標準 …………………………………………. 13 成立技術研發中心或組織 ……………………………. 15. 伍、參考文獻 …………………………………………………... 16. 附錄、冷軋型鋼構材設計規範(草案). 3.

(5) 壹、計畫緣由. 台灣地區地狹人稠，高層及高密度之集合住宅在近十年間儼然成為建設居住住宅之主流，集合住宅不但可減輕土地成本，其安全的管理乃是另一項為民眾所期望的重要因素。但反觀自 921 集集大地震發生之後，一般民眾對於住宅的選擇又改向低層數的房屋。不論是往高樓或低層建築方向發展，近年來國內營造業面對生存環境的改變與轉型，已是不爭之事實。由於勞動人口的減少、工資的高漲、工地安全與環保的重視、建材防火性的要求、建材輕量化的趨勢與工程品質的提昇，在在顯示出營建業轉型的需求性。傳統厚重的建材與需要眾多勞力的施工方式已逐漸式微，取而代之是高品質、輕量化的營建材料，以及短工期與低勞動量的施工方法。. 一、計畫背景針對市場的需求，冷軋型鋼(Cold-Formed Steel)逐漸地出現在鋼結構設計之中，例如橋樑、樓版、外牆、廠房、屋頂、停機棚與電力輸送塔等(Yu， 2000；SDI，1987)。冷軋型鋼構件乃由碳鋼或低合金鋼板(carbon or low alloy steel sheet, strip, plate or flat bar)經由輾軋(cold roll forming, press brake or bending brake operation)製造而成。而其本身之厚度通常介於 0.0149 in (0.378mm)至 0.25 in (6.35mm)之間。由於冷軋型鋼之厚度薄，在其重量極輕之下，仍然可提供足夠的承載能力，也因此冷軋型鋼的發展亦顯的極其重要，遠自西元 1850 年起，美國與英國開始使用冷軋型鋼構件於房屋建築用途上。. 早在 1946 年美國業已了解冷軋型鋼的重要性與廣泛性，並制定了第一本設計標準，經過多年的研究與改進，在美國鋼鐵協會的主導下，目前. 4.

(6) 的“冷軋型鋼構件設計規範-Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members”(AISI，1999)涵蓋的範圍相當的廣泛。同樣身處地震頻繁的日本亦早有冷型鋼設計相關規範-Recommendations for the Design and Fabrication of Light Weight steel structures(AIJ，1985)。其他國家如澳洲、加拿大、芬蘭、法國、德國、印度、中國大陸、南非、瑞典、英國、蘇俄、奧地利、紐西蘭等國目前皆有對於冷軋型鋼設計之相關規範與標準。在目前國內使用冷軋型鋼構件建築日漸普遍的情況下，制訂適合本土冷軋型鋼構造設計規範已為當務之急。. 二、重要性由於環保的考量，木材、砂石等材料的短缺，美國、澳洲與日本等國發展之標準化的低層冷型鋼建築設計與施工已廣泛地使用在工、商業界及一般住宅上。同時，在近十年來，公共建築如學校、教堂採用冷軋型鋼結構的設計亦日漸多，主要的原因可歸諸於以下之因素： (1)造型可多樣化 (2)快速施工，減少工期 (3)維護及管理費低 (4)易於變更及加蓋. 除了既有的冷軋型鋼設計規範外；美國全國住宅建築協會(National Association of Home Builders-NAHB)聯合了美國聯邦住家與都市發展部 (U.S Department of Housing and Urban Department-HUD)與美國鋼鐵協會 (American Iron and Steel Institute-AISI)業己製訂了「冷軋型鋼構住宅設計方法- Prescriptive Method for Residential Cold-Formed Steel Framing」(AISI， 1997)及相關設計細則。. 5.

(7) 反觀國內冷型鋼築物的日益增多，冷軋型鋼構件使用的範圍亦愈來愈廣，如樓版、帷幕牆之支撐系統、建築物內之輕隔間、工廠、餐廳、一般住宅(透天厝)的構建及到處可見之屋頂加蓋及搭建。而在台灣的高層建築中，冷軋型鋼樓版主要用途為減少支撐系統及易於排筋及澆置混凝土，對於冷軋型鋼皺摺鋼板大都未視為結構體的一部份。另外，對於一般使用冷型鋼構件的單層或雙層建築物中，常被使用單位申請為臨時建築或丙種建築，建照申請所需之結構計算書，因國內未有規範可循，建築事務所或工程顧問公司僅能以國外之規範為標準提出審核，因此，全盤了解國內冷型鋼的製造與使用，進而制訂適合本土的冷軋型鋼結構設計規範已是刻不容緩的。. 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，在上(88)年度計畫-「輕型鋼(冷型鋼)構造設計規範之調查研究」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重要且極需進行的事務工作。. 三、計畫目的目前世界各國皆致力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，而以冷軋型鋼構材為主的 “steel home”(輕型鋼構住宅)更是其推廣的一個走向，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。反觀台灣正走向已開發國家行列的同時，遭遇人工價錢高漲，人力資源短缺，以及砂石的短絀等不可避免的問題，再加上. 6.

(8) 水泥的開採設限與設廠製造對環境的衝擊，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，將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，政府現正規劃推動「綠建築」的同時，採用鋼結構實為一時代趨勢。現今國內使用冷軋型鋼構材日漸普遍的情況下，制訂適合本土冷軋型鋼構造設計規範則顯的相當急迫，因此，建立國內「冷軋型鋼構造設計規範及解說」乃是本計畫之目標。. 7.

(9) 貳、研究方法先前的計畫研究內容之中，在比較各國的冷軋型鋼構件設計規範之下，可探討出發展較為完整的應為美國鋼鐵協會(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。. 在分析結構物強度時，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，而容許應力設計法(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 8.

(10) 構極限設計法規範及解說。因此，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。. 為確保施工之品質與建築使用之安全，本計畫除了針對構件設計做相關規定之研擬外，冷軋型鋼構件設計規範與解說草案內，亦考慮參考國內「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」之編排方式，加入製造、安裝與品管之類似章節。而本計畫的具體實施，可依下列三個階段進行：一、相關資料之收集、整理 1. 美國與澳洲冷軋型鋼構件規範之相關參考資料。 2. 國內、外冷軋型鋼相關研究之文獻資料與技術報告。 3. 國內鋼構造建築物鋼結構設計與施工相關規範。 4. 網路相關研究資源。二、資料歸納、整理與問題探討 1. 探討澳洲冷軋型鋼構件規範參考美國規範之依據方法。 2. 界定國內冷軋型鋼規範草案與美國冷軋型鋼構件規範之差異性。 3. 國內相關建築法令在對冷軋型鋼構件設計之適用性。 4. 研究國內冷軋型鋼規範草案與國內熱軋型鋼設計規範之互通性。三、研擬冷軋型鋼構造設計規範及解說草案。. 9.

(11) 參、冷軋型鋼構件設計規範架構. 在綜合各國的冷軋型鋼構造設計規範之下，本計畫將以發展完整的美國鋼鐵協會所編訂的「冷軋型鋼構件設計規範 (Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members) 」為主要參考依據，同時，為達到與目前國內相關規範格式的一致性，國內「冷軋型鋼構造設計規範及解說」的章節編排與內容編寫方式，皆以「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」為參考範本。. 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，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造設計規範，對於規範之架構與其相關內容則參考附錄。. 為達到與國內「冷軋型鋼構造設計規範及解說」的章節編排與內容編寫方式的一致性，同時，在考量時間之壓力，針對「冷軋型鋼構造設計規範及解說」的編寫，勢必由計畫主持人相互間共同撰稿，因此，一簡單的編寫格式則必需存在，否則較難彙整編列，編輯規則請參考如下﹕. 編輯規則 1. 請使用 Word 97 編輯。 2. 中文字體﹕新細明體，英文字體﹕Times New Roman 內文以 12 號字型為主。 3. 各章標題﹕字體:新細明體、字號:16、粗體 4. 各節標題﹕字體:新細明體、字號:14、粗體 10.

(12) 5. 各款標題﹕字體:新細明體、字號:12、粗體 6. 內文各段﹕字體:新細明體、字號:12、段落第一行位移點數:0.8cm 7. 內文各段的首行皆需縮行。 8. 解說各段﹕字體:新細明體、字號:12、凸排:1.2cm 9. 解說各段的首行皆不需縮行。 10. 內文與解說各段落間不空行，各節與款間則相空一行。 11. 編輯撰寫方式參考“鋼構造建築物鋼結構設計技術規範”相同-先規範內文，再解說內文。 12. 編列方式﹕章 → 節 → 款，如第四章 → 4.1 → 4.1.1。 13. 圖與表之字體:新細明體、字號：12，圖之標題置於圖下方，表之標題置於圖上方。編號則採用該節或款之序號，緊接為-1、-2、-3 等依次排序。如圖與表屬解說範圍，則前需另加”C-“。 14. 公式之編號﹕置於公式之後方，編號則採用該節之序號，緊接為-1、-2、 -3 等依次排序，另以括符為記號，如 (4.1-1)。 15. 參考文獻之引用﹕以中括符為記號，如 [1.2] 或 [4.25，4.36]。各章部份，另請先行按序號編列，如[4.1]、[4.2]、、、，並於各章後頁明列文獻內容，以利日後彙整統一編排。參考文獻之編寫方式﹕ 4.25. Winter, G., Commentary on the 1968 Edition of Light Gage Cold-formed Steel Design Manual, American Iron and Institute, 1970. 16. 頁面邊界﹕上、下各為 2.54 cm，左、右各為 3.17 cm。 17. 專有名稱請參考“附錄一專有名詞中英對照”，如未標示者，請另列出，以供日後加入。. 11.

(13) 肆、結論與建議. 對於國外居家住宅多以木材為建築材料，在木材價格高漲，森林資源保護意識升高的情況下，鋼構住宅很快地成為各國發展的對象。由於環保觀念的提昇與木材的短缺等因素考量下，目前許多國家，如美國、日本、英國與澳洲等，正積極地推動中低層輕鋼構住宅。以美國為例，在 1992 年推動初期，僅有 500 棟此類建築與建，在 1998 年一年間已有 12 萬棟住宅使用輕鋼構建築，約佔當年住宅建築的 10 %，而相信在本年(西元 2000)，其輕鋼構住宅將達一年 20 萬戶的規模(約佔本年住宅建築的 20 %)。同時，依據第十八屆中日工程技術研討會(1997)論文「日本在鋼構住宅之技術現況與展望」之內容資料，澳洲每年有十七萬至十八的新建住宅中，業已有 13 % 是採用輕鋼構住宅建築。. 一、研修規範與研擬範例本計畫所研擬之冷軋型鋼構造設計規範，主要以參考美國鋼鐵協會的冷軋型鋼構材設計規範。然而正如目前國內已制訂完整的「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」，是需要持續的修正，以達到適合本土的內容與方向。因此，不斷地進行相關研究與規範模擬乃為一長期性的工作。. 新設計規範的推廣，相信對一個設計者而言，在其使用上可能會產生自我不信任感，原因乃緣自於其不熟悉規範之應用層面。目前日本冷軋型鋼設計相關規範 - Recommendations for the Design and Fabrication of Light Weight steel structures – 輕鋼結構設計施工指針同解說內亦有設計實例解說，同時，英國標準協會(British Standards Institute)除了制定了“British Standard: Structural Use of Steelwork in Building. Part 5. Code of Practice for 12.

(14) Design of Cold-formed Sections”外，英國鋼構造協會(The Steel Construction Institute)亦有出版“冷軋型鋼構件設計實例說明”。因此，在未來完成制定國內冷軋型鋼構件設計規範的同時，應可考量參考英國與日本之作法，結合社會相關研究單位與機構，共同發行冷軋型鋼構件設計範例，如此較能迅速的推動業界使用規範，並做正確之設計。. 在未來推動設計的範例前，基本構材結構設計例，與構材設計圖表亦為需考量的工作項目，正如美國鋼鐵協會所出版的冷軋型鋼設計手冊 (Cold-Formed Steel Design Manual)內，則包含構材設計範例與設計圖表。構材結構設計例的建立，才能使設計業者對於規範條文規定的應用更加清楚暸解，而不至於在規範內因語意的解讀上有所差異而導致應用錯誤。另由於計算的複雜性，構材設計圖表的建立，旨在提供設計業者在設計計算時的方便性。. 二、建立施工標準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，依據上(88)年度計畫-「輕型鋼(冷型鋼)構造設計規範之調查研究」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。. 由於環保的考量，木材、砂石等材料的短缺，美國、澳洲與日本等. 13.

(15) 國發展之標準化的低層冷型鋼建築設計與施工己廣泛地使用在工、商業界及一般住宅上。為了推廣環保亦可回收的冷軋型鋼建築，除了既有的冷軋型鋼設計規範外，美國全國住宅建築協會(National Association of Home Builders - NAHB)聯合了美國聯邦住家與都市發展部(U.S Department of Housing and Urban Department - HUD)與美國鋼鐵協會業己製訂了「冷軋型鋼構住宅設計方法- Prescriptive Method for Residential Cold-Formed Steel Framing」及相關設計細則。該設計方法制定的目的，主要是提供設計與營造業者能輕易地應用冷軋型鋼於建築物上。. 在美國、英國、澳洲等國發展鋼構住宅的同時，日本亦積極地研發與推廣鋼構住宅，在 1993 年 11 月舉行的通產省都市鋼鐵研討會，會內即決定了以鋼構住宅為研究主題，接著共六家鋼鐵公司參與研究，並開始籌劃制定鋼構住宅結構和耐久性能之設計基準。於 1995 年，建設省與日本建築中心共同設立作業小組，共同籌劃制定鋼構住宅建築物性能評估及評定基準，期始鋼構住宅得到立足點。. 與熱軋型鋼構材相比較之下，冷軋型鋼構材的厚度則顯得薄弱，其在接合部上所使用的接合方式與相關配件，則需要相當的實驗分析做為設計基礎。在本(2000)年八月二十三日，畢利斯颱風過境台灣，造成一屋頂板的脫離而導致死亡的意外發生。一項新材料與建築的推行並非一般所想像的簡單，其所遇到的問題，絕不僅在於規範或標準的建立與否，其他如﹕ 是否有足夠的具有專業知識之設計人員﹔是否有足夠的具備良好技術之施工人員﹔市場上是否有所需之材料與相關尺寸及規格﹔是否有完好之銷售體系等因素，皆須被考量周備。因此，除了儘速制定適合國內的冷軋型鋼構件設計規範外，施工法及施工標準的配合制定，亦為在推展冷軋型鋼為建築材料時，一項不可缺少的重點項目。 14.

(16) 三、成立技術研發中心或組織第一本冷軋型設計鋼規範於 1942 年在美國誕生，當時乃由康乃爾大學 George Winter 教授領導，成立產官學三方的委員會，並在美國鋼鐵協會資助下，印映當時之需求，發展出冷軋型鋼設計規範。因此，觀察各國在研發冷軋型鋼相關規範的過程，可瞭解到成立技術研發中心或技術審議委員會，結合產、官、學三方的知識、技術與需求，如此才能發展出適合本土的設計規範及相關標準。另由國內「建築技術規則」總則編第六條所述， “中央主管建築機關，得組設建築技術審議委員會，以從事建築設計、施工、構造、材料與設備等技術之審議、研究、建議及改進事項”。美日二國在短短的幾年內，由於民間的努力，使得輕鋼構建築在市場上澎渤發展，因此，單靠政府或學界的力量，較難使冷軋型鋼構造相關規範與其延伸的結構建築有發展的空間，所以，結合產、官、學三方的力量，成立技術研發中心或技術審議委員會實有其必要性與需求性。. 15.

(17) 伍、參考文獻. 1. American Iron and Steel Institute, 1999, “Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members with Commentary”, 1996 Edition, Supplement No.1, July, 1999. 2. American Iron and Steel Institute, 1997, “Prescriptive Method for Residential Cold-Formed Steel Framing”, Second Edition. 3. Architectural Institute of Japan. 1985, “Recommendations for the Design and Fabrication of Light Weight Steel Structures”. 4. Baehre, R., 1983, “Cold-Formed Steel Structural Elements, Development in Design and Application”, Instability and Plastic Collapse of Steel Structures, Ed. L.J. Morris, Granada. 5. British Standards Institution, 1987, “British Standards: Structural Use of Steelwork in Building. Part 5. Code of Practice for Design of Cold-Formed Sections”, BS 5950. 6. Steel Construction Institute, 1993, “Building Design using Cold-Formed Steel Sections : Worked Examples to BS 5950 : Part 5 : 1987. 7. SDI, Steel Deck Institute, 1987, “Design Manual for Composite Decks”, Form Decks and Roof Decks, Canton, Ohio. 8. Yu, W.W., 2000, “Cold-Formed Steel Design”, New York: John Wiley. 9. 經濟部中央標準局, 1995，“中國國家標準分類目錄”。 10. 內政部營建署，1998，“最新建築技術規則”，詹氏書局。 11. 營建雜誌社，“鋼構造建築物鋼結構設計技術規範”。. 16.

(18) 冷軋型鋼構材設計規範內容(草案). 17.

(19) 目. 第一章 1.1 1.2 1.3 1.4. 第二章 2.1 2.2 2.3. 第三章 3.1. 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6. 第四章. 錄. 通則適用範圍…………………………………………………… 品質要求…………………………………………………… 設計基準…………………………………………………… 常數…………………………………………………………. 1-1 1-1 1-3 1-6. 載重適用範圍…………………………………………………… 載重係數與載重組合……………………………………… 其他載重……………………………………………………. 2-1 2-1 2-3. 材料一般規定…………………………………………………… 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………………………………………. 適用鋼材…………………………………………………… 降伏應力…………………………………………………… 冷型之影響………………………………………………… 延展性……………………………………………………… 鋼材厚度……………………………………………………. 3-1 3-1 3-1 3-1 3-1 3-3 3-5 3-7 3-8. 肢材設計. 4.1 適用範圍…………………………………………………… 4.2 尺寸限制與考量…………………………………………… 4.2.1 翼板之寬厚比………………………………………. 4.2.2 腹板之寬厚比………………………………………. 4.3 加勁肢材之有效寬度……………………………………… 4.3.1 均佈受壓之加勁肢材………………………………. 4.3.2 均佈受壓之具有圓孔之加勁肢材…………………. 4.3.3 具應力坡度之加勁肢材或腹板……………………. 4.4 未加勁肢材之有效寬度…………………………………… 4.4.1 均佈受壓之未加勁肢材……………………………. 4.4.2 具應力坡度之未加勁肢材或邊緣加勁材…………. 1. 4-1 4-1 4-1 4-3 4-4 4-4 4-8 4-8 4-10 4-10 4-11.

(20) 具中間加勁材或邊緣加勁材之肢材有效寬度……… 4.5.1 具單個中間加勁材之均佈受壓肢材…………. 4.5.2 具邊緣加勁材之均佈受壓肢材………………. 4.5.3 具多個中間加勁材之加勁肢材………………. 4.6 加勁材………………………………………………… 4.6.1 橫向加勁材……………………………………. 4.6.2 剪力加勁材……………………………………. 4.5. 第五章 5.1 5.2. 第六章 6.1 6.2. 6.3 6.4 6.5 6.6. 第七章. 受拉構材適用範圍……………………………………………… 設計受拉強度…………………………………………. 8.1 8.2 8.3. 第九章. 5-1 5-1. 撓曲構材適用範圍……………………………………………… 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 翼板連接鋼承鋼板與外覆板之樑……………. 6.2.4 翼板連接屋頂折板之樑………………………. 剪力強度……………………………………………… 撓曲 - 剪力強度……………………………………… 腹板摺曲強度………………………………………… 撓曲 - 腹板摺曲強度…………………………………. 6-1 6-1 6-1 6-5 6-12 6-13 6-14 6-15 6-17 6-24. 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. 4-11 4-13 4-14 4-15 4-17 4-17 4-17. 7-1 7-1 7-7 7-8. 構材承受彎矩及軸力適用範圍………………………………………………. 軸向拉力與撓曲作用強度……………………………. 軸向壓力與撓曲作用強度…………………………….. 8-1 8-1 8-2. 中空圓管構材 9.1 9.2. 適用範圍………………………………………………. 撓曲強度……………………………………………….. 2. 9-1 9-1.

(21) 9.3 9.4. 第十章. 受壓強度……………………………………………… 軸向壓力與撓曲作強度………………………………. 9-2 9-3. 合成構材. 適用範圍…………………………………………….. 組合斷面…………………………………………….. 10.2.1 合成 I 型鋼…………………………………… 10.2.2 受壓肢材之接合間距………………………… 10.3 側向支撐…………………………………………….. 10.3.1 對稱樑與柱………………..…………………. 10.3.2 C 型斷面與 Z 型斷面樑…………….……….. 10.3.2.1 上翼板連接外覆材之屋頂系統支撐錨定…. 10.3.2.2 無翼板與覆材連結……………………..….. 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………………………… 10.1 10.2. 第十一章. 10-1 10-1 10-1 10-4 10-5 10-5 10-5 10-5 10-7 10-10 10-10 10-11 10-11 10-15. 接合設計. 11.1 一般規定…………………………………………….. 11.2 銲接接合…………………………………………….. 11.2.1 對接開槽銲…………………………………… 11.2.2 電弧點銲……………………………………… 11.2.2.1 剪力………………………………………. 11.2.2.2 拉力………………………………………. 11.2.3 電弧縫銲……………………………………… 11.2.4 填角銲………………………………………… 11.2.5 喇叭形開槽銲………………………………… 11.2.6 電阻點銲………………….……..…………….. 11.2.7 相稱點銲…………………………….……….. 11.3 螺栓接合…………………………………………….. 11.3.1 接合部剪力強度、間距及邊距………………. 11.3.2 接合部拉力強度………………………………. 11.3.3 承壓強度………………………………………. 11.3.4 螺栓的剪力及拉力……………………………. 11.4 螺絲接合……………………………………………… 11.4.1 最小間距……………………………………… 3. 11-1 11-1 11-2 11-3 11-4 11-7 11-8 11-10 11-12 11-16 11-17 11-17 11-19 11-20 11-21 11-22 11-24 11-26.

(22) 11.4.2 最小邊距………………………………………. 11.4.3 剪力……………………………………………. 11.4.3.1 接合部剪力…………………………….. 11.4.3.2 螺絲的剪力強度……………………….. 11.4.4 拉力強度………………………………………. 11.4.4.1 拔出破壞……………………………….. 11.4.4.2 穿刺破壞……………………………….. 11.4.4.3 螺絲拉力強度………………………….. 11.5 剪力撕裂………………………………………………. 11.6 其他材料的接合………………………………………. 11.6.1 承載力………………………………………….. 11.6.2 拉力…………………………………………….. 11.6.3 剪力……………………………………………... 第十二章. 11-26 11-26 11-26 11-27 11-28 11-28 11-28 11-28 11-28 11-29 11-29 11-30 11-30. 製造、安裝、品管. 適用範圍…………………………………………….. 12.1.1 定義…………………………………………… 12.2 一般規定…………………………………………….. 12.3 製造………………………………………………….. 12.3.1 切割…………………………………………… 12.3.2 彎曲與整平加工……………………………… 12.3.3 開口…………………………………………… 12.3.4 銲接…………………………………………… 12.3.5 表面處理……………………………………… 12.3.5.1 防銹塗裝………………………………. 12.3.5.2 鍍鋅法…………………………………. 12.3.6 成品儲放……………………………………… 12.3.7 成品輸送……………………………………… 12.4 安裝………………………………………………….. 12.4.1 牆面安裝……………………………………… 12.4.2 樓板安裝……………………………………… 12.5 品管………………………………………………….. 12.5.1 查驗…………………………………………… 12.5.1.1 牆面安裝查驗…………………………. 12.5.1.2 樓板安裝查驗…………………………. 12.1. 12-1 12-1 12-1 12-1 12-2 12-2 12-2 12-2 12-3 12-3 12-3 12-4 12-4 12-4 12-4 12-4 12-5 12-5 12-5 12-5. 第十三章耐震設計 13.1. 適用範圍……………………………………………... 4. 13-1.

(23) 13.2 13.3 13.4. 載重係數與載重組合……………………………….. 一般規定…………………………………………….. 邊界構材及錨定……………………………………... 參考文獻附錄一. 專有名詞中英對照. 附錄二. 符號說明. 5. 13-1 13-1 13-2.

(24) 冷軋型鋼結構設計規範第一章通則. 1.1 適用範圍本規範適用於以冷軋型鋼構材設計之建築結構，該構件鋼材係由碳鋼或低合金鋼板或鋼片製成，其鋼材厚度不得超過 25.4 mm。解說：本規範係針對以冷軋型鋼構材設計之建築結構物，對於一般結構用熱軋型鋼構材設計，可參照國內建築技術規則[1.1]及鋼構造建築物鋼結構設計技術規範[1.2]或其他相關規範。冷軋型鋼構材的斷面形狀、製程及接合方式皆與熱軋型鋼結構有所不同，通常在室溫下經過輾壓或滾壓而成的冷軋型鋼構材與熱軋型鋼有下列之顯著的差異性： 1.由於製造的方式不同，冷軋型鋼構材不如熱軋型鋼構材製造時在熱軋 (hot-rolling)後，經由不均勻的冷卻(uneven cooling)而造成之殘留應力。 2.冷軋型鋼構材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，相反地延展度亦相對的降低。 3.冷軋型鋼材在其製造過程中經冷軋作用(cold-rolling)後，在未完全退火 (anneal)時，其材料本體應力將略為減少(cold-reducing stress)。 4.由於厚度薄，冷軋型鋼構材內之肢材(element)擁有較大之寬厚比，也因此在受到壓力之下極容易產生局部挫屈。 5.冷軋型鋼材的應力與應變關係，可為尖銳降伏形式(sharp-yielding type)或平緩降伏形式(gradual- yielding type)。 6.冷軋型鋼構材之轉角處為圓弧形。 7.冷軋型鋼構材無填角焊縫(corner fillet)。由於國內冷軋型鋼構材之研究資料尚不齊全，本規範內容係主要參考美國鋼鐵協會所編定之「冷軋型鋼構材設計規範」(Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members)制定[1.3]，同時，本規範內所使用之相關資料，如圖表與符號等亦主要參考該規範。適用於本規範之冷軋型鋼構材設計，其斷面厚度之限制可參考研究文獻[1.4、1.5]。. 1.2 品質要求冷軋型鋼構造施工由購料、加工、接合及安裝完成，均應詳細查驗證明其品質 1 - 1.

(25) 及安全，為確證施工能以達到設計標準，監造人員應負責聘請專業人員辦理查驗工作，詳細記載查驗事項，並剔除不合格部分。在工廠施作鋼構部分，其品質要求亦須符合規定。解說：冷軋型鋼結構之品質管制要求亦如熱軋型鋼結構之規定。由於鋼結構之品質管制影響結構安全甚鉅，其材料、加工、接合、安裝中所造成之瑕疵均可能對結構產生不利之影響，並導致結構無法達到設計標準，故本規範將品質要求列入主文內。. 1.3 設計基準本規範依據載重及強度係數設計法(LRFD)制定，該設計應檢核強度極限狀態和使用性極限狀態。強度極限係指結構之最大承載能力，其與結構之安全性密切相關，而使用性極限係指正常使用下其使用功能之極限狀態。本規範中各構材及接合之設計強度必須大於或等於由因數化載重組合計得之需要強度： φRn≧Ru. (1.3-1). 其中 Ru = 所需強度 Rn = 標稱強度，見第四章至第十一章之規定 φ = 強度折減因子，見第四章至第十一章之規定 φRn = 設計強度解說：當結構體或其構材在受力狀態下，無法滿足原設計之安全與功能時，此結構可能已進入其極限狀態(Limit State)。一般冷軋型鋼構材之極限狀態可能由於過量的撓度、降服、挫屈或是後挫屈(post-buckling)之故。這類的極限狀態已經過充分的研究及分析証實，相關之研究報告可參考文獻[1.6、1.7]之說明。 LRFD 的設計法是考慮下列二種極限狀態：(1)強度極限狀態，是指結構所能抵抗最大承載能力；(2)使用性極限狀態，是指結構在使用功能的狀態，結構設計之主要目標亦在於防止結構物於預估使用期限內產生上述之極限狀態。一般若考慮強度極限狀態，LRFD 的公式可依下列說明： ΣriQi≦φRn (C-1.3-1) 或 Ru≦φRn 其中，Rn 是標稱強度，由標稱斷面依其分析模式計算而得之值，φ是構材強度折減係數(考慮標稱強度存在的變化性)，φ<1.0；Qi 是標稱載重，依載重狀況進行結構分析而得，ri 是載重放大係數（考慮載重之不定性）。LRFD 設計法有如下之優點：(1)針對構材強度及載重分別考慮其不定性及使用不同的係數；(2)以機率理論設計，使結構的安全性，較能達到一致之水準。 (a)機率模式安全係數及載重因子是為了考量在設計過程中所存在的不定性及變化性。結構設計乃包含了二個隨機變數 Q 及 R 的關係(詳圖 C-1.3-1)，若 R<Q 時，則 1 - 2.

(26) 極限狀態成立。一種合適的結構設計是允許存在極小機率的極限狀態發生。然而，Q 及 R 的實際機率分佈並不確知，只有其中平均值 Qm 及 Rm，與標準偏差δQ 及δR 是可得知的。機率密度 Rm. Qm. 載重因子 Q 圖 C-1.3-1. 抵抗強度 R 隨機變數 Q 與 R 之定義 ln(R/Q)m. βσln(R/Q). 超過極限狀態之機率. ln(R/Q) 圖 C-1.3-2. 可靠度指數β之定義. 依據圖 C-1.3-2 所示，吾人即可決定不用構材設計之相對可靠度，圖中所示之分部曲線為 ln(R/Q)，當 ln(R/Q)≦0 時，極限狀態即發生，圖中斜線部分即為極限狀態發生之機率。當統計數據 Rm、Qm、δR、δQ 為已知，且β* σln(R/Q)= ln(R/Q)m，那麼在 ln(R/Q)≦0 之條件下的面積是決定β值的變化，β值可概約地以下式表之：. 1 - 3.

(27) β=. ln(. Rm. Qm. ) (C-1.3-2). VR2 + VQ2. 其中 VR=δR/Rm2 偏差係數 VQ=δQ /Qm 載重偏差係數 β為可靠度指數對結構設計之安全性可作相對性的指標，在比較二種設計時，有較大之β值者，代表其設計較為可靠。利用可靠度指數的概念可以得知對現有設計所存在的相對可靠性，並可用來測試新設計公式的可靠度，上述可用下例有一樑承受靜重及活重之簡支、側撐來作說明。針對此型樑，吾人用容許應力法設計可得： SeFy /Ω=（LS2 S/8）（D+L）（C-1.3-3）其中 Se=依有效斷面得之彈性斷面模數 Ω=5/3 彎矩之安全係數 Fy=降伏強度 Ls=樑長度 S=樑間距 D 及 L 分別是規範中設定之靜重及活重標稱強度之平均值 Rm，可由下式定義[1.8]. Rm= Rn(Pm Mm Fm) 上式中，Rn 是標稱強度，在此例中為. (C-1.3-4). Rn= Se Fy (C-1.3-5) 是根據壓力翼板及腹板之後挫屈強度而計算得之標稱彎矩。 Pm=對實際材料及斷面之試體，其(試驗彎矩值 / 公式計算之彎矩)比值之平均值 Mm=(實際降伏強度 / 最小指定降伏強度)比值之平均值 Fm=(實際斷面模數 / 指定標稱斷面模數)比值之平均值標稱強度 R 之偏差係數等於. VR = VP2 + VM2 + VF2. (C-1.3-6). 上述公式之數據，經由相關試驗、分析及量測得知[1.9、1.10]. Pm=1.11， Vp=0.09， Mm=1.10， VM=0.10， Fm=1.0， VF=0.05 故可得，Rm=1.22 Rn 及 VR=0.14 載重效應之平均值為. Qm = (LS2 S/8)(Dm+Lm) 1 - 4.

(28) (C-1.3-7) 及 VQ =. ( DmVD ) 2 + ( LmVL ) 2 Dm + Lm. (C-1.3-8). 其中，Dm 及 Lm 分別是靜重及活重的平均值，VD 及 VL 分別是其偏差係數。依美國標準局的不同載重統計研究分析指出 Dm =1.5D ， VD =0.1 ， Lm =L ， VL=0.25[1.11]。將此載重設計數據應用於上述公式(C-1.3-7)及(C-1.3-8)，可得 L2S S 1.05D Qm = ( + 1) L 8 L. (C-1.3-9). (1.05 D / L) 2 VD2 + VL2 VQ = (1.05 D / L + 1). (C-1.3-10). 由上式可知 Qm 及 VQ 與(D/L)之比值有關，冷軋型鋼樑通常有較小之(D/L)比值，為了檢核 LRFD 規範之可靠度，吾人假設(D/L)=1/5。故 Qm=1.21L 及 VQ =0.21。從 (C-1.3-3) 式及 (C-1.3-5) 式中，及 D/L=1/5 及Ω =5/3 ，可得標稱強度， Rn=2L(LS2S/8)。利用公式(C-1.3-2)之可靠度指數，β及 Rm=1.22 Rn，吾人可得 Rm 1.22 × 2.0 × L( L2S S / 8) = = 2.02 1.21L( L2S S / 8) Qm 及. β=. ln(2.02) (0.14) 2 + (0.21) 2. = 2.79. 單獨的由此例中所得之β=2.79 是毫無意義的。但是當此β值與其他冷軋型鋼構材或與熱軋型鋼設計，或與其他建材設計相比較時，則此例中之冷軋型鋼樑，可以說有達到平均的可靠度[1.12]。. (b)冷軋型鋼結構 LRFD 設計基礎由於國內尚無相關之研究資料可供參考，本規範將採用美國 AISI 規範作為本章之解說。有關熱軋型鋼結構之研究結果及數據，可參考文獻[1.8]，對於冷軋型鋼構材之β值，美國密蘇里大學有詳盡的研究結果及數據可供參考 [1.13 - 1.17]。文獻[1.11、1.12、1.18]中，對於熱軋型鋼、冷軋型鋼、鋼筋混凝土、鋁結構、複合木材結構及磚造結構等設計之相關研究有極詳細之敘述，本章僅摘錄其主要之分析結果及要點。可靠度指數會因不同之載重、不同之施工及不同之材料設計而有變化，為求能達到更一致的可靠度文獻[1.18]，建議下列目標可靠度值，β0，作為對不同材質 LRFD 設計之依據。基本型式：受重力載重，β0=3.0 接合設計：β0=4.5 風力載重：β0=2.5 由上例得知，在 D/L=1/5，該例可得β=2.79，當使用不同的載重比例，或其 1 - 5.

(29) 他型式之冷軋型構材時，其相對的β值可能與 2.79 相差不多，本章建議使用較低之目標可靠度β0=2.5，基本上，此值是構材實際所得β值之下限。為了避免在接合處提前發生破壞，故建議使用較大之β0=3.5。這二個目標可靠度值與美國 AISI 規範相同[1-3]. 1.4 常數冷軋型鋼構材設計時所用鋼材之彈性模數(E)為 2050 噸/平方公分，剪力模數. (G)790 噸/平方公分，波森比(µ)為 0.3，溫度伸縮係數為 0.000012/ºC。. 1 - 6.

(30) 第二章載重. 2.1 適用範圍本章在於規定冷軋型鋼構材設計時所應採用之載重大小及載重組合情形，各種標稱載重之規定除本章另有規定者外，應依建築技術規則及其相關規範之規定辦理。解說：美國土木工程師學會所制定之載重準則[2.1]有詳細資料可供參考。. 2.2 載重係數與載重組合依據載重及強度係數設計法，(冷軋型)鋼結構及其構材之設計強度必須大於或等於因數化載重組合後之需要強度，需要強度之決定須檢核下列之載重組合： (1) 1.4D + L (2) 1.2D + 1.6L + 0.5(Lr 或 S 或 Rr) (3) 1.2D + 1.6(Lr 或 S 或 Rr) + (0.5L 或 0.8W) (4) 1.2D + 1.3W+ 0.5L + 0.5(Lr 或 S 或 Rr) (5) 1.2D + E + 0.5L + 0.2S (6) 0.9D – (1.3W 或 E) 上式中： D = 靜載重 E = 地震力 L = 活載重 Lr = 屋頂活載重 S = 雪重 Rr = 雨載重 W = 風力注意事項： 1.對於公共集會場所及活載重超過 485 kg/m2 (100 psf)之區域，載重組合(3)、 (4)及(5)中之活載重(L)係數應等於 1.0。 2.當桁樑、橫樑、牆板及屋頂板承受風力時，應乘以風力載重係數 0.9。 3.當屋頂活載重是由於工人及材料在維修之故，在組合(3)中 Lr 之載重係數應以 1.4 取代 1.6。解說：本規範仍將採用美國研發之結果[2.1、2.2、2.3]並摘錄於本章節中，俾利讀者參考相關文獻報告。針對所有不同的構材(包括冷軋型鋼)，美國 ASCE7-95 載重標準提供下列之載重係數及其組合： 2 - 1.

(31) 1. 1.4D 2. 1.2D+1.6L+0.5(L 或 S 或 Rr) 3. 1.2D+1.6(Lr 或 S 或 Rr)+(0.5L 或 0.8W) 4. 1.2D+1.3W+0.5L+0.5(Lr 或 S 或 Rr) 5. 1.2D+1.0E+(0.5L 或 0.2S) 6. 0.9D-1.3W 或+1.0E 本規範第 2.2 節中所規定之載重係數及其組合與上列組合條件有以下之不同處： (a)由於冷軋型鋼結構之靜重要比熱軋型鋼來得較小，故本規範載重組合(1) 是(1.4D+L)而非 1.4D (b)當屋頂活載重是由於工人及材料用於維修時，標稱屋頂活載重之載重係數為 1.4 而非 ASCE 使用之 1.6。此類載重可歸類於施工之載重型式 (c)桁樑、橫樑、牆板及屋頂板屬於次要構材，且承受短期之風力，故可使用較小之可靠度指數。 (d)當地震力模式是根據極限狀態發展而得時，地震力係數為 1.0。當使用冷軋型鋼複合板施工時(Composite Construction)，下列載重組合應予檢核： 1.2 Ds +1.6 CW+1.4C 其中 Ds = 鋼承板重 CW = 施工中濕混凝土重 C = 施工設備載重，包括人員及設備強度折減因子本規範所建議使用之強度折減因子φ，與上述使用之載重提供相互一致的可靠度指數(當載重組合條件為 1.2D+1.6L 及β0=2.5 於構材，β0=3.5 於接合處)。然而在實際的情況下，當使用不同之強度折減因子時，實際之β值也會隨著設定目標值改變。即為以下之解釋： φRn = c(1.2D+1.6L) = (1.2D/L+1.6)cL. (C-2.2-1). c = 轉換載重強度成為載重效應之影響係數假設 D/L=1/5，公式(C-2.2-1)及(C-1.3-9)可重新改寫為 Rn = 1.84(cL/φ). (C-2.2-2). Qm = (1.05D/L+1)cL = 1.21cL 故. (C-2.2-3). (C-2.2-4) Rm/Qm = (1.521/φ)(Rm/Rn) φ值可由公式（C-1.3-2）、（C-1.3-4）及（C-2.2-4）計算而得知[2.4]：. φ = 1.521( Pm M m Fm ) exp(− β 0 VR2 + VQ2 ). 2 - 2. (C-2.2-5).

(32) β0 是目標可靠度指數。由已知的φ值及在 1.2D+1.6L 的載重組合條件下，可求得在容許應力設計法中相對應之安全係數，Ω： Ω = (1.2D/L+1.6)/[φ(D/L+1)] 其中 D/L 是靜載重與活載重之比值。. (C-2.2-6). 2.3 其他載重當結構體承受其他顯著外力如 F(水壓力)、H(土壓力)、P(屋頂積水)及 T(溫度變化效應)，其因數化載重效應為 1.3F、1.6H、1.2P 及 1.2T 應與第 2.2 節中列入考慮。解說：參考文獻[2.1]. 2 - 3.

(33) 第三章材料. 3.1 一般規定 3.1.1 冷軋型鋼構材冷軋型鋼結構所使用之材料包括結構用鋼板、鋼片及螺栓、螺帽、墊片與銲接材料等，均應符合第 3.2 節所列之中國國家標準。. 3.1.2 鋼材檢驗未明列於第 3.2 節之鋼材應依 CNS2608 ”鋼料之檢驗通則”及相關之國家檢驗測試標準，或內政部認可之國際通行檢驗標準檢驗，確認符合其原標示之標準，且證明達到本規範之設計標準者方可使用。解說：本規範有關冷軋型鋼構材之材料均以符合中國國家標準(CNS)為原則，但因世界各國之鋼材不斷在發展及創新，且考慮我國目前及未來可能之需求，將難以禁止使用國外進口材料。且其中部分材料尚未訂立中國國家標準，因此本規範亦容許經由國際通行檢驗標準檢驗合格且達設計所需之最低檢驗標準者。 3.1.3 鋼材品質證明冷軋型鋼構材所使用之各項材料，應由原生產廠家或公正之檢驗機構出具品質證明書或檢驗報告，文件內應備有具體之數據及明確之陳述，足以證明該項材料符合所指定之材料標準。各項材料如因特殊情況，必須使用同等規格品時，除須經證明其材質及加工性均符合原規定外，並經原設計者簽認許可，方可採用。如對鋼材的品質有疑義時，應抽樣檢驗，其結果應符合國家標準的規定和原設計之要求。解說：冷軋型鋼構材所使用之各項材料其化學成分、機械性質、衝擊值特性等均須符合所訂定之相關規定，若有未能符合 CNS 規定需求之鋼材，除經設計者同意，否則不應使用。至於品質之認定方法，通常可依原生產工廠所出具之品質證明書為準，或可以公正檢驗機構出具之品質證明書或檢驗報告辦理。. 3. 2 適用鋼材冷軋型鋼結構之構材應選用符合下列中國國家標準規定之鋼材。 CNS 6183（一般結構用輕型鋼） CNS 9704（鋼承板鋼板材質） CNS 1244（熱浸法鍍鋅鋼片） 3 - 1.

(34) CNS 10804（著色鍍鋅鋼片） CNS 8499（冷軋不銹鋼片或鋼板） CNS 9278（冷軋碳鋼鋼片或鋼帶）結構用螺栓及螺帽除符合中國國家標準之製品外，亦可使用符合美國材料試驗標準 ASTM 及美國銲接協會 AWS 相關規定之同級品。解說：鋼材之選用一般的三個基本原則為：(1)安全性、(2)加工性、(3)經濟性。目前國內土木建築界所使用之熱軋型鋼材大致可分為：(以中國國家標準 – CNS 與美國材料試驗協會 – ASTM 為例) 1. 一般結構用鋼（CNS 2473，ASTM A36） 2. 熔(銲)接結構用鋼（CNS 2947，ASTM A36、A283D、A572、A709） 3. 熔(銲)接結構用耐候性鋼（CNS 4269，ASTM A242 Type I） 4. 高耐候性鋼（CNS 4620 SPA-H，ASTM A588，A709 Gr.50W） 5. 建築構造用軋鋼片（CNS 13812）依據美國鋼鐵協會(AISI)冷軋型鋼構材設計規範內[3.1]，所規定可使用作為冷軋型鋼材料之種類甚多，大致可分為： 1. 一般結構用鋼 A36 2. 高強度低合金鋼 A242、A588 3. 中低強度結構用碳鋼 A283 4. 高強度結構用鋼 A529 5. 結構用碳鋼 A570 6. 熔(銲)接結構用鋼 A572 7. 耐候性高強度低合金結構用鋼 A606（熱軋鋼捲、冷及熱軋鋼片） 8. 加鈮、釩高強度低合金結構用鋼 A607（熱軋或冷軋） 9. 冷軋結構用碳鋼 A611 10. 鍍鋅結構用鋼片 A653 11. 改良成形高強度低合金鋼片 A715 12. 熱浸法鍍鋁鋅合金鋼 A792 一如目前國內「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」內[3.2]，第三章材料篇所示 ”結構用鋼板、鋼棒及型鋼應選用符合下列中國國家標準規定之鋼材”，並名列相關可使用之鋼材料。但依據中國國家標準 CNS 6183(一般結構用輕型鋼，修正日期：84 年 2 月 16 日)之陳述，輕型鋼由鋼板或鋼帶以冷軋成型製造，而其適用之材料僅限於 ”SSC 400”。目前各國規範內對於冷軋型鋼構材之定義，除了在 CNS 6183 內所包含的構材如槽形、Z 形、L 形、C 形及帽形構材外，矩形及圓形鋼管、鋼承板(steel deck，浪形鋼板 – CNS 9704)、屋頂鋼板(steel panel for roof，鋼製屋頂嵌板 – CNS 8182)、牆面鋼板(steel panel for wall，鋼製牆壁嵌板 – CNS 8184)、樓承板(steel panel for floor，鋼製樓板嵌板 – CNS 8186)、屋頂承板(steel roof deck，鋼製屋頂折板 – CNS 8339)等亦屬冷軋型鋼之構材。在 CNS 9704 浪形 3 - 2.

(35) 鋼板的標準中明定可使用之鋼材為 CNS 4622(熱軋軟鋼板)、CNS 9278(冷軋碳鋼鋼片及鋼帶)、CNS 2473(一般結構用軋鋼料)、CNS 4620(高耐候性軋鋼料)，在 CNS 8182、CNS 8184、CNS 8186 標準中，則明定可使用之鋼材為 CNS 1244(熱浸法鍍鋅鋼片)、CNS 10804(著色鍍鋅鋼片)及 CNS 12005(聚氯乙烯金屬積層板)，而在 CNS 8339 中則建議使用折板材料可為 CNS 4620(高耐候性軋鋼料)、CNS 1244(熱浸法鍍鋅鋼片)、CNS 10804(著色鍍鋅鋼片)、CNS 9998(熱浸鍍鋁鋼片及鋼帶)、CNS 9265(冷軋不銹鋼帶)與 CNS 12005(聚氯乙烯金屬積層板)。另外，在 CNS 11984 標準中所說明之 “建築用暗架式牆及平頂輕鋼架”(一般所謂之輕隔間及輕鋼架)，則另有規定其可使用之材料。歸納上述之構材類型，國內使用冷軋型鋼構材的鋼材應不僅限於 CNS 6183 之 SSC 400。在美國的冷軋型鋼設計手冊[3.1]，定義冷軋型鋼材料特性在選擇上的限制為： (1) 降伏應力需介於 172 至 552 MPa (25 至 80 ksi)之間 (2) 抗拉強度需介於 290 至 690 MPa (42 至 100 ksi)之間 (3) 抗拉強度與降伏應力比不能低於 1.13 (4) 伸長率(elongation)不得小於 10 percent。澳洲的冷軋型鋼規範內亦定有類似的要求： (1) 降伏應力需介於 200 至 500 MPa 之間 (2) 抗拉強度需介於 300 至 500 MPa 之間 (3) 抗拉強度與降伏應力比不能低於 1.08 (4)伸長率不得小於 8﹪。當然，在此二種規範內對於應力超出規定值或伸長率小於規定值的鋼材，在使用上則另予以限制或規範之。. 3.3 降伏應力結構設計時所使用鋼材之降伏應力(或降伏點)Fy，不得大於第 3.1 節內材料所規定之值，若考慮第 3.4 節之規定，則可允許使用較高之降伏應力。解說：冷軋型鋼結構的構材強度通常是取決於鋼材之降伏強度，此外，彈性局部挫屈或是整體挫屈亦是影響構材強度的原因。圖 C-3.3-1 代表鋼材之應力-應變曲線，其中(a)圖是尖銳降伏型式（sharp – yielding type），(b)圖是平緩降伏型式（gradual - yielding type），冷軋型鋼材通常具有如(b)圖之應力-應變特性。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)，這類材料之降伏應力的取得則需採用 offset method 或 strain–under–load method。如圖 C-3.3-2(a)所示，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(圖 C-3.3-2(b))，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。影響構材挫屈強度的因素除了降伏強度之外，鋼材之彈性模數(E)也是 3 - 3.

(36) 主要因素之一。冷軋型鋼構材之 E 值通常介於 2000 與 2100 噸/平方公分之間，為便於設計，本規範使用 E=2050 噸/平方公分。. 圖 C-3.3-1. 鋼材之應力-應變曲線 (a) 尖銳降伏型式 (b) 平緩降伏型式. 3 - 4.

(37) 圖 C-3.3-2. 平緩降伏型式之應力-應變曲線示意圖. 3.4 冷型之影響本規範於第 5 章、第 6.2.1 節、第 7 章、第 8 章、第 9 章及第 10.5 節中之構材設計，其使用之鋼材降伏應力(Fy)得以較高值之平均降伏應力(Fya)用於構材之分析設計。 Fya 可由下列條件決定： 1.在軸向壓力構材及彎曲構材依第 4.2 節之規定計算出ρ值為 1.0 時，且為載重設計之用時，其設計降伏應力 Fya 可依下式計算： Fya = C Fyc+(1-C)Fyf. (3.4-1). 其中 C = 全部轉角總斷面積與全斷面積之比值 Fyf = 權重平均降伏應力 Fyc = 轉角之伸長降伏應力 = BcFyv /(R/t)m 3 - 5. (3.4-2).

(38) Bc = 3.69(Fuv/Fyv)-0.819(Fuv/Fyv)2 -1.79 m = 0.192(Fuv / Fyv)-0.068 R = 內彎半徑 Fyv = 原始鋼材降伏應力 Fyu = 原始鋼材極限張力 2.軸向張力構材之降伏強度依上述公式決定之。. (3.4-3) (3.4-4). 解說：冷軋型鋼材與平鋼板之機械性質有所差異，圖 C-3.4-1 顯示冷軋型鋼斷面試驗結果有較高之抗張強度及降伏應力[3.3]，此乃由於鋼材受到冷型之過程所致。. 圖 C-3.4-1. 冷壓效果對槽型鋼材料性質之影響. 進一步的研究得知該機械性質的改變是由於冷型過程後造成應變硬化 (Strain Hardening)及應變老化(Strain Aging)所致[3.4]，如圖 C-3.4-2 所示。在圖 C-3.4-2 中，A 曲線代表原有鋼材之應力-應變曲線，B 曲線代表鋼材在應變硬化區域時釋載，C 曲線是在釋載後立刻回載時之應力-應變曲線，而 D 曲線則是在釋載，經過一段時間的應變老化後回載時之應力-應變曲線。在圖中可觀察到 C 與 D 曲線的降伏點皆高於原鋼材的降伏點，同時，延展度在經應變硬化及應變老化的影響下亦會減低。冷軋型鋼構材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，冷軋型鋼構材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 3 - 6.

(39) 壓力肢材的承載能力，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。有關本節詳細之說明可參考[3.1]。應力增加之 Fy. D. 應變老化. A. 應變老化. C A. 應變老化後之延展度. 應變硬化. B C 應變應變硬化後之延展度原延展度. 圖 C-3.4-2. 應變硬化與應變老化對應力應變曲線之影響. 3.5 延展性未列入本規範中所規定之鋼材，其材料之延展性必須符合下列之規定方得使用。材料試驗應依據美國 ASTM 試驗標準[3.5]，其中(1)抗拉強度與降伏應力之比值不得小於 1.08，(2)5.08cm(2in)長之標準試材，總伸長率不得小於 10﹪，或 20.32cm(8in)長之標準試材試驗，其總伸長率不得小於 7﹪。解說：本節之規定乃依據美國 AISI 規範設定，其目的在於針對新開發之高強度鋼材，並應用於冷軋型鋼構材時，必須符合之性質。 3 - 7.

(40) 3.6 鋼材厚度冷軋型鋼結構於現場進料之鋼構材，其未鍍漆之厚度不得低於該構材設計時指定厚度之 95 %，但構材轉角處之鋼材厚度不在此限。解說：本節之規定提供冷軋型鋼材厚度之容許誤差，一般而言，應在構材翼板中央的部分量測。在計算斷面的性質與承載能力時，除非有特別的考量，一般則考慮以材料本體的厚度為基準。對於經由冷型作用而減少厚度的轉角處，亦使用原本之厚度計算之。另加諸於材料上之披覆(coating)或塗料所增加之厚度，也不以考量計算。. 3 - 8.

(41) 第四章肢材設計. 4.1 適用範圍本章涵蓋了寬厚比的設計要求，同時，加勁受壓肢材、未加勁受壓肢材、具邊緣加勁材的受壓肢材與內部加勁的受壓肢材的有效寬度計算式亦為本章規範之內容。解說：冷軋型鋼構材之斷面可視為由許多個斷面肢材所組成。與熱軋型鋼構材比較之下，冷軋型鋼構材的肢材寬厚比則顯得相當大，即肢材過於寬而薄。當構材在承受撓曲力、軸向壓力、剪力或支承力時，構材肢材可能產生挫屈應力小於該構材降伏應力的局部挫屈。圖 C-4.1-1 顯示樑在受撓曲力時的局部挫屈型態。冷軋型鋼壓力構件之應力行為較熱軋鋼複雜，分析理論也不盡相同。因為冷軋型鋼構件的壓力肢材使用了相當大的寬厚比，同時受壓肢材在產生局部挫屈後，冷軋型鋼構件仍然能繼續承載相當大的力量，這就是所謂的後挫屈強度，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。. 圖 C-4.1-1 樑受壓肢材的局部拙屈. 4.2 尺寸限制與考量 4.2.1 翼板之寬厚比 1.寬厚比之限制 - 在不考慮翼板是否具有內部加勁材，與使用確實之肢材厚度情況下，翼板容許寬厚比(w/t)之上限值可參考如下： (1)加勁受壓肢材一邊連接腹板或翼板，另一邊連接為： a.突唇. 60 4 - 1.

(42) b.其他之加勁材，其 Is ≥ Ia、D/w ≤ 0.8 (按 4.5.2 之規定) (2)加勁受壓肢材二長向連接邊皆為加勁肢材 (3)未加勁受壓肢材與加勁受壓肢材一邊連接為. 90 500. 其他之加勁材，其 Is ≤ Ia、D/w ≥ 0.8 (按 4.5.2 之規定) 60 w 為翼板平寬﹔t 則為翼板厚度。 2.翼板捲曲 - 冷軋型鋼載重樑翼板過寬，則可能產生翼板朝向中性軸方向上的捲曲，其捲曲的程度(cf)可由公式(4.2-1)計算之，此公式可適用受壓或受拉之加勁或未加勁翼板。. wf =. 0.061tdE 4 100c f f av d. (4.2-1). 其中. d = 樑之深度 fav = 未折減之翼板全寬的平均應力(平均應力為翼板最大應力乘以有效設計寬度與真實寬度之比值) t = 翼板之厚度 wf = 腹板下投影之翼板全寬；如為箱形樑或 U 形樑，則為腹板間距的 1/2。 3.剪力延遲– 當樑之跨距小於 wf，同時，其所受之載重為單一集中載重或為數個集中載重且其間距大於 2 wf 時，此樑之翼板(含壓力與張力面)的有效設計寬度與其實際寬度比的上限值見表 4.2.1。表 4.2.1 翼板有效設計寬度與實際寬度比之上限值. L/wf. 上限值. L/wf. 上限值. 30 25 20 18 16. 1.00 0.96 0.91 0.89 0.86. 14 12 10 8 6. 0.82 0.78 0.73 0.67 0.55. 上表中，針對簡支樑而言，L 乃指全跨距﹔如為連續樑，L 則為反曲點間之距離﹔若為懸臂樑，L 為全長之一半。wf 為 I 形樑或類似斷面腹板下投影之翼板全寬；如為箱形樑或 U 形樑，則為腹板間距的 1/2。若 I 形樑或類似斷面的翼板俱有突唇，則 wf 的計算為腹板下投影之翼板全寬加上突唇之深度。解說：大體而言，未加勁受壓翼板的寬厚比超過 30，加勁受壓翼板的寬厚比超過 250，在到達極限設計強度時，構材會產生相當的變形。然而，此二種 4 - 2.

(43) 情形的限制值各為 60 與 500，經由實驗的觀察，在構材達到極限設計強度時，其變形量在合理的範圍內。當受壓肢材超過限制值時，試驗的進行是必需的。如果冷軋型鋼載重樑翼板過寬(當然，翼板厚度較薄)，則可能產生翼板朝向中性軸方向上的捲曲，因而減低樑的承載能力。造成翼板捲曲的原因，乃在於樑在其長向上撓曲，所產生撓曲應力於翼板之內。經實驗證明，翼板捲曲會減低樑的承載能力。在基於一個給予之 cf，公式(4.2-1)則可用以計算 wf 值。另對於此類翼板捲曲問題的分析運算，可參考文獻[4.1]。剪力延遲乃意指樑受彎曲荷重時的行為表現。在冷軋型鋼構材中，剪力變形對載重樑斷面的應力分佈影響通常皆以予省略，但與樑跨距相比之下，如果樑翼板過寬，剪力變形對於彎曲應力的影響將甚為顯注，也就是說，如果載重樑的跨距與翼板寬度比過小，其由彎曲所造成之翼板長向(軸向) 應力將呈現不均勻之分佈情形(如圖 C-4.2-1)。如圖所示，翼板的彎曲軸向應力，隨著離腹板距離愈遠則愈小。為簡化計算，不均勻的應力可轉換為均佈應力，再使用有效寬度的觀念而計算之[4.2]。表 4.2.1 則明列有效設計寬度與實際寬度比的對照表。. 箱形樑. I 形樑. 圖 C-4.2-1 樑翼板受剪力延遲的軸向應力分佈情形腹板之寬厚比撓曲構材腹板容許寬厚比(h/t)之上限值可參考如下： 1. 未加強之腹板 200 2. 腹板俱有橫向加勁材且符合 4.6.1 節之相關規定﹕ (1) 腹板僅俱有承載型橫向加勁材 260 (2) 腹板俱有承載型橫向加勁材與中間加勁材 300 h 為腹板平寬﹔t 則為腹板厚度。如腹板為 2 組或數組鋼板(片)所組合，則 h/t 之限制值應以單一鋼板(片)規定. 4.2.2. 之。解說：在計算腹板寬厚比時所使用之腹板長度(腹板平深)，與計算翼板寬厚比時所使用之翼板長度(翼板平寬)之長度取得方式相同。如為槽型構材，腹板 4 - 3.