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中 華 大 學 碩 士 論 文

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(1)

中 華 大 學

碩 士 論 文

題目:新型先行扶手框性能分析與設計之研究

系 所 別:土木與工程資訊學系 碩士班 學號姓名:M09404022 蘇 昭 慶 指導教授:徐 增 興 博士

(2)

中 華 大 學

碩 士 論 文

題目:新型先行扶手框性能分析與設計之研究

系 所 別:土木與工程資訊學系 碩士班 學號姓名:M09404022 蘇 昭 慶 指導教授:徐 增 興 博士

中華民國 九十七 年 一 月

(3)

摘 要

都市營建業的開發日益發達,但在高度開發的市區內,施工空間有 限。而近年來國內營造業職災比例不斷攀升,在都市高空施工作業中,

如何在安全為優先的考量下,妥當架設施工架是相當重要的。施工架的 安全性與可靠性將會直接影響到施工架上作業勞工的安全。

日本厚生勞動省有鑑於高空施工架搭設的危險性,而發展出先行扶手 框的設計與搭設工法,提升勞工在高空作業的安全性。由於國內 CNS 現 有之標準測試仍針對施工架之主體,而非本研究針對之先行扶手框,因 此,本計畫針對框式施工架之先行扶手框之安全性進行相關的研究與分 析。

本研究依據日本的先行搭設概念,同時配合工地現況開發適合之扶手 框型式雛型,並針對市售之先行扶手框進行強度測試,對實驗所得之數 據資料進行相關強度與破壞行為之探討。再以數值模擬方式進行力學行 為之分析與評估,並透過實驗與數值模擬分析結果來探討框式施工架之 先行扶手框之強度。進一步利用這些實驗與模擬結果來提出框式施工架 之先行扶手框在使用時應遵守的設計方向,提供業界在施工時的參考依 據,以降低職業勞工災害意外的發生。

關鍵詞:先行扶手框、性能測試、新型設計

(4)

Abstract

In highly developed urban area, the space for construction work is getting more and more restricted. As a result, more and more work has to be done in high places. It leads to an increasing number of falling accidents. To reduce the casualty, it is imperative to have a safe and reliable scaffold system.

In order to provide a safer working environment for assembling scaffold systems, the Ministry of Health, Labor, and Welfare of Japan developed the advancing guardrail method. The Chinese National Standard (CNS) currently provides standard tests for the scaffold systems only. This research intends to investigate the safety of the advancing guardrail method.

The current research designs a prelimanary procedure for assembling the advancing guardrails. An prototype of advancing guardrail suitable to the site condition here in Taiwan is also developed. Strength tests were done on currently available advancing guardrails to study the behavior at failure.

Numerical simulations were also performed to analyze the mechanical behavior.

The results of both the experiments and simulations are used as basis for

developing new advancing guardrails. The guideline for design and assemble is also proposed. It is hoped that these efforts can help to reduce the occupational accidents in the construction industry.

Key Words: Advancing Guardrail, Performance Test, New design

(5)

誌 謝

承蒙恩師 徐增興博士兩年來於課業以及研究上的熱心指導與悉心教 誨,並不辭辛勞的給予正確的知識傳授,使學生能夠獨立思考的訓練以 及廣泛學習的機會,使本人之論文得以順利完成,僅此致上最誠摯的謝 意及敬意。

研究期間,承蒙行政院勞委會勞工安全衛生研究所張副研究員智 奇、助理鄒佩璇以及教誨過我之師長在求學過程中惠予協助,並提供許 多本文的指正與建議,使我受益良多。並感謝泓勝學長、鎮華學長、傳 國學長、保旭學長及鐘凱、志浩、郁傑、景翔在課業與研究上所給予的 幫助,在此一併致謝。

最後由衷感謝最親愛的父母,謝謝多年的栽培,同時感謝盈貞在我 求學期間的支持與鼓勵,使我能順利完成學業,僅將此成果與您們分 享。

(6)

目 錄

摘 要 ... i

Abstract ... ii

誌 謝 ... iii

目 錄 ... iv

圖目錄 ... vi

表目錄 ... x

第一章 緒論 ... 1

1-1 前言 ... 1

1-2 研究動機與目的 ... 1

1-3 研究範圍與流程 ... 6

第二章 文獻回顧 ... 9

2-1 文獻探討 ... 9

2-2 國內外相關規範 ... 10

2-3 框式施工架之先行扶手框 ... 14

2-4 國內營造業施工架使用現況 ... 15

2-5 國外營造業施工架使用現況 ... 19

2-6 國內外施工架搭設使用現況比較 ... 27

2-7 國內墜落案例分析探討 ... 30

第三章 先行扶手框之模擬分析 ... 32

3-1 有限元素法電腦輔助分析 ... 32

3-2 建立有限元素法模型 ... 33

(7)

3-3 有限元素靜力分析 ... 38

3-4 新型先行扶手框之模擬分析 ... 55

第四章 先行扶手框實驗測試 ... 60

4-1 實驗設備與實驗設計 ... 60

4-2 實驗流程與目的 ... 66

4-3 國內型實驗結果 ... 68

4-4 改良型及新型實驗結果 ... 73

4-5 結果比較分析 ... 85

第五章 結論與建議 ... 87

5-1 結論 ... 87

5-2 建議 ... 89

參考文獻 ... 90

(8)

圖目錄

圖 1-1 90-94 年度工作場所職災死亡人數統計圖 ... 4

圖 1-2 90-94 年度營造業工作場所職災死亡人數災害類型統計圖 ... 4

圖 1-3 93 年度墜落死亡災害媒介物分析圖 ... 4

圖 1-4 94 年度墜落死亡災害媒介物分析圖 ... 5

圖 1-5 研究流程圖... 8

圖 2-1 日本施工架概圖... 19

圖 2-2 日本先行扶手框... 19

圖 2-3 日本先行扶手框(1)... 20

圖 2-4 日本先行扶手框(2)... 20

圖 2-5 日本先行扶手框測試方法【19】... 25

圖 2-6 日本先行扶手框之測試方法圖【20】... 26

圖 2-7 日本先行扶手框實際動態測試圖【20】... 26

圖 2-8 日本的先行扶手框搭設過程【21】... 29

圖 3-1 國內型扶手框示意圖... 33

圖 3-2 SOLID92 元素模型圖 ... 34

圖 3-3 國內型先行扶手框之實體模型圖... 35

圖 3-4 模擬顏色分區示意圖... 36

圖 3-5 模擬網格化細部示意圖(一)... 36

圖 3-6 模擬網格化細部示意圖(二)... 37

(9)

圖 3-7 省略桿件之先行扶手框之網格圖... 37

圖 3-8 施力方式示意圖... 38

圖 3-9 施力為 30kgf 之變位圖...39

圖 3-10 施力為 30kgf 之變位圖(側向)...40

圖 3-11 施力為 30kgf 之應力圖...40

圖 3-12 施力為 30kgf 之應力圖(側向)...41

圖 3-13 施力為 30kgf 之最大應力位置放大圖...41

圖 3-14 施力為 30kgf 之應變圖...42

圖 3-15 施力為 75kgf 之變位圖...42

圖 3-16 施力為 75kgf 之應力圖...43

圖 3-17 施力為 75kgf 之應變圖...43

圖 3-18 施力為 85kgf 之變位圖...44

圖 3-19 施力為 85kgf 之應力圖...44

圖 3-20 施力為 85kgf 之應變圖...45

圖 3-21 施力為 150kgf 之變位圖...45

圖 3-22 施力為 150kgf 之應力圖...46

圖 3-23 施力為 150kgf 之應變圖...46

圖 3-24 施力為 170kgf 之變位圖...47

圖 3-25 施力為 170kgf 之應力圖...47

圖 3-26 施力為 170kgf 之應變圖...48

圖 3-27 荷重-位移曲線圖... 49

圖 3-28 應力-應變曲線圖... 49

圖 3-29 國內型掛具尺寸規格... 50

(10)

圖 3-31 掛具網格後模擬示意圖(二)... 51

圖 3-32 施 30kgf 之掛具應力分佈示意圖(一)...52

圖 3-33 施 30kgf 之掛具應力分佈示意圖(二)...53

圖 3-34 施 75kgf 之掛具應力分佈示意圖(一)...53

圖 3-35 施 75kgf 之掛具應力分佈示意圖(二)...54

圖 3-36 新型先行扶手框實體... 55

圖 3-37 新型先行扶手框下部設計... 56

圖 3-38 新型先行扶手框勾於立架上橫桿的設計... 56

圖 3-39 新型先行扶手框模擬示意圖... 57

圖 3-40 施 120kgf 之新型先行扶手框應力分佈示意圖(一)...57

圖 3-41 施 120kgf 之新型先行扶手框應力分佈示意圖(二)...58

圖 3-42 施 120kgf 之新型先行扶手框應力分佈示意圖(三)...58

圖 3-43 施 120kgf 之新型先行扶手框應力分佈示意圖(四)...59

圖 4-1 標準法碼示意圖... 61

圖 4-2 國內型先行扶手框示意圖... 61

圖 4-3 國內型掛具示意圖... 62

圖 4-4 紅外線測距儀示意圖... 62

圖 4-5 簡易施工架一架間... 63

圖 4-6 500kg 混凝土塊...63

圖 4-7 底部基座 0.1 m x 0.5 m...64

圖 4-8 加載實驗示意圖... 65

圖 4-9 搭設方式示意圖... 65

圖 4-10 國內型先行扶手框受力後情形... 66

(11)

圖 4-11 設計基座安裝後示意圖... 67

圖 4-12 載重實驗第一次試驗曲線圖... 69

圖 4-13 載重實驗第二次試驗曲線圖... 70

圖 4-14 載重實驗第三次試驗曲線圖... 71

圖 4-15 損壞部位示意圖(一)... 72

圖 4-16 損壞部位示意圖(二)... 72

圖 4-17 損壞部位示意圖(三)... 73

圖 4-18 國內改良型套管示意圖... 74

圖 4-19 國內改良型載重測試實驗曲線圖... 75

圖 4-20 國內改良型載重測試實驗破壞示意圖... 76

圖 4-21 國內改良型 100kg 之位移圖...76

圖 4-22 新型扶手框一號第一次載重測試實驗曲線圖... 81

圖 4-23 新型扶手框一號第二次載重測試實驗曲線圖... 82

圖 4-24 新型扶手框二號載重測試實驗曲線圖... 83

圖 4-25 新型扶手框二號掛鉤斷裂示意圖(一)... 84

圖 4-26 新型扶手框二號掛鉤斷裂示意圖(二)... 84

(12)

表目錄

表 1-1 職災死亡人數統計表... 3

表 1-2 歷年日本施工架扶手框搭設方式比例現況【3】... 5

表 1-3 歷年日本施工架傷亡人數統計表【3】... 6

表 2-1 國內護欄相關規定... 11

表 2-2 日本先行扶手框相關規定... 14

表 2-3 先行扶手框構造選用指引... 15

表 2-4 一般施工架水平母索組立及拆除流程表... 17

表 2-5 國內先行扶手框型式... 18

表 2-6 留置式搭設 1 之先行扶手框【18】... 21

表 2-7 留置式搭設 2 之先行扶手框... 22

表 2-8 推進式搭設之先行扶手框【18】... 23

表 2-9 專用式搭設之先行扶手框... 24

表 2-10 施工架與扶手框衝擊荷重比較表... 27

表 3-1 模擬結果數據表... 48

表 4-1 載重實驗第一次試驗... 68

表 4-2 載重實驗第二次試驗... 69

表 4-3 載重實驗第三次試驗... 70

表 4-4 國內改良型載重測試實驗數據表... 75

表 4-5 新型先行扶手框規格... 78

(13)

表 4-7 新型扶手框一號第一次載重測試實驗數據表... 81

表 4-8 新型扶手框一號第二次載重測試實驗數據表... 82

表 4-9 新型扶手框二號載重測試實驗數據表... 83

表 4-10 先行扶手框之結果比較分析表... 85

(14)

第一章 緒論

1-1 前言

由於現代化都市的開發日新月異,在人口密度越來越高的情況下,要 在有限空間中施工但又不影響施工的品質以及安全性,解決的方法就是 有效率的搭設施工架。一般來說,搭設過程中往往因為求快,以及節省 工程經費,而忽略了必要的安全措施,導致工人墜落等意外事故的發 生。因此本研究引進國外搭設施工架之扶手框先行工法,以期國人重視 施工架之先行扶手框在高樓建設的重要性,並提高此安全措施之使用頻 率。但架設施工架的安全性需依賴先行扶手框本身所能提供的強度,有 安全的、強度夠的扶手框才能使工程人員安全地在高空中作業。目前國 內 CNS 國家標準規範並沒有訂定出一套標準測試與設計參考指引,本研 究針對先行扶手框進行探討,以日本的先行扶手框型式及測試要求為基 礎,分析本國廠商自行設計的先行扶手框的安全性能,以實驗及模擬分 析的方式並進,希望利用這種方式,一方面建立先行扶手框的標準測試 程序,另一方面探討先行扶手框的最佳設計,並以成本效益評估商品化 之可行性,同時對規範及測試標準提出修正建議。

1-2 研究動機與目的

依勞委會的統計,在各行業發生職災案例中,以營造業發生的比例 最高,而在營造業所發生的重大職災案例中,近年來又以墜落佔的比率 最 高 ( 50% 以 上 ) , 即 使 先 進 國 家 如 美 國 , 在 2004 年 由 勞 工 統 計 局

(Bureau of Labor Statistics)的數據,職災死亡人數為1224人,其

(15)

中有36%的原因為墜落;一向注重勞動安全的日本,其職災統計數字也有 相同的趨勢。

墜落問題的嚴重,由國內94年營造業之死亡災害類型統計可見一 斑,墜落佔全部的62%為首位,造成墜落死亡災害之媒介物,則以施工架 24%最高。而較常造成施工架墜落原因中,搭、拆架導致墜落死亡共16 人,僅次於施工架工作台未鋪滿墜落之18人;其次分別為,施工架開口 處墜落13人、未設置護欄墜落13人以及由交叉拉桿下方墜落6人,有48件 施 工 架 墜 落 死 亡 案 例 , 皆 與 護 欄 相 關 , 約 佔 施 工 架 墜 落 意 外 的 一 半

【1】。現地搭設施工架中間樓層時,通常會架設交叉拉桿,而法規雖規 定完整的施工架需有中欄杆,但有交叉拉桿後,裝設中欄杆作業的危險 性即大幅降低,不過架設最頂層的護欄仍然相當危險。一般要求架設時 須設置安全母索,但在工作上常造成一定的不便,且現地常為工作輸送 方便,將交叉拉桿拆除,加上在趕工時施工人員常為貪圖方便不使用母 索,造成墜落意外的機率變大大增加。鄰國日本首先注意到架設施工架 時的安全問題,發展出扶手框先行工法及先行扶手框的設計,在架設頂 層施工架之前,先將扶手框設置完成,進一步提升了高空作業的安全 性。最近本國部分施工架業者也注意到了這個先進的安全設施,推出自 行設計的先行扶手框,但是對於這些新型設備的安全性能以及設計還沒 有完整的規範。

相對於國外(日本)等較先進國家,除了對框式施工架之先行扶手框 的設定有嚴格的要求之外,對框式施工架之先行扶手框的配置、數量、

以及構造標準都有詳細的規範。因為有標準型式的框式施工架之先行扶 手框,就能夠掌握其力學行為,其強度及尺寸等也不會有太大的變異,

(16)

之先行扶手框的研究,研擬構造標準,對於防止墜落意外的發生,將有 非常大的助益。

由於目前國內營造工程臨時構造物的施工架,都是由施工架公司依 施工經驗與習慣來進行,很少有標準程序,因此安全無法保障,且國內 營造工程施工的工期及品質與標準相去甚遠,因此對施工的品質有很大 影響。

由表 1-1可知【2】,國內的營建業職災,墜落佔了很大的比例,

其中墜落因素更有上升的趨勢,墜落死亡人數一直居高不下,施工架的 事故更佔了很大的比例(如圖 1-1 至 1-4),臨時架設物的不安全因素非常 的多,如果能夠使用足夠強度的材質,且先行扶手框有統一的架設方式 及完整的規範,將能大大的減少墜落事故的發生。

表 1-1 職災死亡人數統計表

死亡人數 全產業 營造業 墜落 倒塌崩塌 感電 其他 90 年度 369 198 91 29 27 51 91 年度 334 164 73 28 14 49 92 年度 325 181 96 26 19 40 93 年度 319 160 83 21 16 36 94 年度 379 199 125 25 15 34

(17)

國內營建業年度死亡件數

1.90-94 年度工作場所職災死亡人數統計圖

90-94年度工作場所職災死亡人數統計圖

非營造業, 812 營造業, 898

圖 1-1 90-94 年度工作場所職災死亡人數統計圖 2.90-94 年度營造業工作場所職災死亡人數災害類型統計圖

90-94年度營造業工作場所職災死亡人數災害類型 統計圖

墜落, 468, 53%

倒塌崩塌, 129, 14%

其他, 210, 23%

感電, 91, 10%

圖 1-2 90-94 年度營造業工作場所職災死亡人數災害類型統計圖 3.93 年度墜落死亡災害媒介物分析圖

93年度墜落死亡災害媒介物分析圖

開口部分 屋頂 41%

18%

施工架 鋼樑、鋼構 13%

6%

營建物 8%

梯子、合梯 4%

其他 10%

(18)

4.94 年度墜落死亡災害媒介物分析圖

94年度墜落死亡災害媒介物分析圖

開口部分 23%

梯子、合梯 6%

鋼樑、鋼構 4%

其他 7%

營建物 11%

工作車 5%

施工架 25%

屋頂 19%

圖 1-4 94 年度墜落死亡災害媒介物分析圖

本研究也將日本在實施扶手框先行工法後,日本國內施工架扶手 框 的 種 類 以 及 發 生 墜 落 事 故 的 人 數 做 一 統 計 分 析 ( 如 表 1-2 、 表 1-3)

【3】,在此說明所謂留置方式即為扶手框與交叉拉桿並存,推進方式為 使用先行扶手框臨時搭設並逐次往上設置的搭設方式,專用方式即為先 行扶手框經過設計後適用於專用廠商之施工架,對其他型式施工架並不 適用。經由統計了解先行扶手框對於營造業施工架的墜落事故有實質之 助益,以應證研究的可行性。

表 1-2 歷年日本施工架扶手框搭設方式比例現況【3】

年度 留置式扶手框搭 設(%)

推進式扶手框搭 設(%)

專用式扶手框搭 設(%) 平成 13 年(2001) 91.8 1.6 6.6 平成 14 年(2002) 98.6 0 1.4 平成 15 年(2003) 48.3 34.5 17.2 平成 16 年(2004) 64.5 22.6 12.9

(19)

表 1-3 歷年日本施工架傷亡人數統計表【3】

平成 11 年

平成 12 年

平成 13 年

平成 14 年

平成 15 年 總營造業事故 1901 2796 2668 2651 2512 先行扶手框實施件數 0 0 61 69

國土交通省負 責之全數公共

工程 一般施工架 16 12 8 2 3 受傷人數

先行施工架 0 0 0 0 0 一般施工架 0 3 2 0 0 死亡人數

先行施工架 0 0 0 0 0

一般施工架受傷人數總計 25

一般施工架死亡人數總計 5

先行施工架受傷人數總計 0

先行施工架死亡人數總計 0

1-3 研究範圍與流程

因國內框式施工架中缺乏對先行扶手框的規定,沒有一套適當的測 試標準,在越來越注重勞工安全的同時,國內業者引進或是自行研發的 先行扶手框產品,並沒有一標準可依循。

故本研究主要探討國外的搭設方法及構造的好處,同時研究採用這 些扶手框搭設在國內的可行性。並針對日本使扶手框搭設方法的現況,

以及所使用扶手框材料種類,以及國內業者自行研發之型式,加以調 查。

本研究之研究方法大綱如下:

1. 蒐集國內外使用先行扶手框之現況

(20)

地在無標準規範下採用何種搭設方式及步驟,並加以評估其安全 性。

2. 探討國內先行扶手框之性能

針對國內扶手框進行實驗及電腦分析,確定這些框式施工架之先行 扶手框的強度及其可靠度,並將結果與試驗相關基準及規範的要求 加以比較,確立其適用性。

3. 對現有扶手框進行實驗並分析

參照國外(日本)先進國家所訂定之框式施工架先行扶手框之標準規 範,對該標準規範之扶手框進行實驗及力學分析,以驗證其安全性 及可行性。

4. 探討框式施工架之先行扶手框的設計改良

更進一步研究是否可能發展出強度更好,可靠度更高,以及操作性 更佳的框式施工架之先行扶手框

5. 先行扶手框標準規範及測試規範之研擬及建議

利用以上分析及比較結果為依據,對我國先行扶手框標準規範提出 建議、並利用研究結果對測試規範提出研擬。

(21)

本研究之研究流程:

整合國內在搭設過程 發生墜落意外的原因

整合國內外相關法規 資料

先行扶手框實驗模擬

先行扶手框改良設計 收集扶手框研究資 料以及國內外案例

結論與建議

圖 1-5 研究流程圖

(22)

第二章 文獻回顧

2-1 文獻探討

施工架為營造工程中之假設構造物,在工程完成結束後即被拆除,

故其重要性常常被施工單位所忽略,而工程師習慣只針對建築物做安全 性的設計,而忽略了在工程施作中施工架可能發生的危害,以致於施工 架的災害頻傳。有鑑於此,國內有相關規範規定使用安全母索架設後,

使用安全帶以及防墜器扣掛於安全母索上,人員才能繼續往上搭設,但 其架設過程中仍可能發生危害。基於安全以及便利性的考量下,引進日 本扶手框先行工法以取代安全母索的架設便是本研究討論的重點。

國內有許多專家學者針對施工架的危害,進行有關框式鋼管施工架 之研究。逢甲土木系詹次洚教授進行鋼管施工架承載力之理論分析提出 以數值分析法來預測鋼管架之支撐力,其以單組單層之鋼管架作為基本 組合單元,並對鋼管架上之每一接點取自由度,以 P-∆法得出在不同層數 下鋼管架之支撐荷重【4】。台大土木系楊永斌教授與高健章教授進行有 關模板工程倒塌預警系統的開發研究,對於鋼管施工架在高空作業中的 動態分析承載力有一詳細研究,利用預警訊號的分析與研判技術來達到 防範墜落的目的【5、6】。國立台灣科技大學工業管理系紀佳芬教授對 於意外事故與人為疏失有做許多相關之研究,其中對於營造業的施工架 職災中致命的因素有一詳細之說明,分別在人員的年齡、性別、工作經 驗、以及營造廠商的規模;再者從個人防護設備、歷年事故意外報告、

施工架開口部分缺口、與不適當的工作動作中提出了初級防護措施包 括:固定障礙,例如扶手,護欄,踏板表面保護;二級保護措施包括:

(23)

安全地帶的認知,安全帶的使用,以及安全網的鋪設【7】。

美國土木工程師協會(ASCE)對於建築工程中多數致死的事故,皆由 施工架高處下落造成。R.Navon,M.ASCE,O.Kolton 指出安全控制的重要 性,根據實地調查收集資料整合於自動化系統中,利用自動化模型與螢 幕的控制來達到事故的預防。模型可以辨認使用的地點與施工架鋼管的 長度尺寸,來做有效的計畫防護措施;並可以提供適當的材料選用、架 設時的保護措施、以及危害時的警告,可以作為施工架安全在建築工程 中一個長遠的研究方向【8】。

在上述文獻中探討重點都是以施工架的安全性、以及施工架的各種 提早預防職災的方法為主。本研究即針對施工架在搭設過程中,在搭設 施工架安全母索過程中,其中的危險性以及不便性來做改善,使用的工 法為日本 JIS 中的手褶先行工法,在國內稱之為扶手框先行工法,使用 的框架稱之為先行扶手框。透過強度的分析以及實驗的佐證,並設計發 展成適合國內使用的先行扶手框,進而取代安全母索的設置,不僅可以 提供一個更安全的工作環境,並可提高施工架之可靠度以及操作性。

(24)

國內對於先行扶手框並沒有規範規定,其參考依據為國內施工架護 欄相關規定,以及日本現有之先行扶手框相關規範,主要以安全、簡 易、快速為基本架構,作為本研究評估標準之主要依據。

目前國內施工架對於護欄方面均有相關法規及規範,分見於相關法 規如表 2-1【9、10】,中國國家標準(CNS)總號 4750,類號 A2067(鋼管 施工架)、中國國家標準(CNS)總號 4751,類號 A3079(鋼管施工架檢驗法 皆對護欄有一測試標準【11、12】、行政院勞工委員會營造安全衛生設 施標準,以及參考臨時架設物安全設施構造及試驗相關基準,對於國內 施工標準,先行扶手框規範之建立以不牴觸國內相關法規為前提。

一、 國內相關規範

表 2-1 國內護欄相關規定

規範 法規依據

勞工須知

1、雇主對於高度二公尺以上之屋頂、鋼樑、開口部分、

階梯、樓梯、坡道、工作台、擋土牆、擋土支撐、施 工構台、橋樑墩柱及橋樑上部結構、橋台等場所作 業,勞工有遭受墜落危險之虞者,應於該處設置護 欄、護蓋或安全網等防護設備。

2、雇主為前項設施有困難,或作業之需要臨時將護欄拆 除,應採取使勞工使用安全帶等防止因墜落而致勞工 遭受危險之措施。

營 造 安 全 衛 生 設 施 標 準 第十九條

雇主依規定設置之護欄,應依下列規定辦理:

1、 高度應在九十公分以上,並應包括上欄杆、中欄杆、

腳趾板及杆柱等構材。

2、 以木材構成者,其規格如下:

(1)上欄杆應平整,且其斷面應在三十平方公分以上。

(2)中欄杆斷面應在二十五平方公分以上。

(3)腳趾板寬應在十公分以上,厚度一公分以上,並密 接於地(或地板)面舖設。

(4)杆柱斷面應在三十平方公分以上,間距不得超過二 公尺。

營 造 安 全 衛 生 設 施 標 準 第二十條

(25)

尺 寸 規 格

得小於三.八公分,杆柱間距不得超過二.五公尺。

4、 如以其他材料,其他型式構築者,應具同等以上之強 度。

5、 任何型式之護欄,其杆柱及任何杆件之強度及錨錠,

應使整個護欄具有抵抗於上欄杆之任何一點,於任何 方向加以七十五公斤之荷重,而無顯著變形之強度。

6、 除必須之進出口外,護欄應圍繞所有危險之開口部 分。

7、 護欄前方二公尺內之樓板、地板,嚴禁堆放任何物 料、設備。但護欄高度超過物料堆放高度九十公分以 上者,不在此限。

8、 以金屬網、塑膠網遮覆上、中欄杆與樓板或地板間之 空隙者,依下列規定辦理:

(1)得不設腳趾板,但網應密接於地,且杆柱之間距不 得超過一‧五公尺。

(2)網應確實固定於上、中欄杆及杆柱。

(3)網目大小不得超過十五平方公分。

(4)(四)固定網時,應有防止網之反彈設施。

使 用 須 知

雇主架設之通道(包括機械防護跨橋),應依下列規定:

1、具有堅固之構造。

2、傾斜應保持在三十度以下。但設置樓梯者或其高度未 滿二公尺而設置有扶手者,不在此限。

3、傾斜超過十五度以上者,應設置踏條或採取防止溜滑 之措施。

4、有墜落之虞之場所,應置備高度七十五公分以上之堅 固扶手。在作業上認有必要時,得在必要之範圍內設 置活動扶手。

5、設置於豎坑內之通道,長度超過十五分尺者,每隔十 公尺內應設置平台一處。

6、營建使用之高度超過八公尺以上之階梯,應於每隔七 公尺內設置平台一處。

7、通道路如用漏空格條製成,其縫間隙不得超過三十公 厘,超過時,應裝置鐵絲網防護。

勞 工 安 全 衛 生 設 施 規 則 第三十六條

防 墜 須 知

1、雇主對於高度在二公尺以上之工作場所邊緣及開口部 份,勞工有遭受墜落危險之虞者,應設有適當強度之 圍欄、握把、覆蓋等防護措施。

2、雇主為前項措施顯有困難,或作業之需要臨時將圍欄 等拆除,應採取使勞工使用安全帶等防止因墜落而致 勞工遭受危險之措施。

勞 工 安 全 衛 生 設 施 規 則 第 二 百 二 十 四條

1、雇主對於在高度二公尺以上之處所進行作業,勞工有 勞 工 安 全 衛

(26)

2、雇主依前項規定設置工作台有困難時,應採取張掛安 全網、使勞工使用安全帶等防止勞工因墜落而遭致危 險之措施。使用安全帶時,應設置足夠強度之必要裝 置或安全母索,供安全帶鉤掛。

第 二 百 二 十 五條

雇主對於在高度二公尺以上之高處作業,勞工有墜落之虞 者,應使勞工確實使用安全帶、安全帽及其他必要之防護 具。但經雇主採安全網等措施者,不在此限。前項安全帶 之使用,應視作業特性,依國家標準規定選用適當型式,

對於鋼構懸臂突出物、斜籬、二公尺以上未設護籠等保護 裝置之垂直固定梯、局限空間、屋頂或施工架組拆、工作 台組拆、管線維修作業等高處或傾斜面移動,應採用符合 國家標準一四二五三規定之背負式安全帶及捲揚式防墜 器。

勞 工 安 全 衛 生 設 施 規 則 第 二 百 八 十 一條

二、國外相關規範

在日本 JIS 標準中,有明定先行扶手框之試驗方法【13】,由於我

(27)

國 CNS 規範大部分皆參考日本 JIS 來訂定【14】,因此在我國先行扶手 框規範建立也以日本 JIS 作為參考依據。下表 2-2 為日本對先行扶手框 的相關規範:

表 2-2 日本先行扶手框相關規定

規範 法規依據

勞 工 須 知

1、對高度在二米以上的工作場所、開口部等、工人有墜 落之虞處,應圍起扶手,圍牆等必須設置。

日 本 勞 動 安 全 衛 生 法 第 五 百 十九條 尺

寸 規 格

1、關於鋼管施工架使用的鋼管,應符合日本工業規格 A 八九五一(鋼管立足處)的鋼管規格(以下稱「鋼管規 格」。)如果不符合該規格,使用的材質,抗拉強度必 須是三百七十牛頓平方毫米以上,其厚度必須是外徑 的三十分之一以上。

日 本 勞 動 安 全 衛 生 法 第 五 百 六十條

使 用 須 知

由於在營建業的死亡災害裡面,墜落的死亡災害占全 體的約四成,這四成裡面,由於施工架的墜落死亡災害佔 著約兩成,是最高的比例。因此,厚生勞動省,為有效防 止施工架墜落災害等的有效的對策,制定「手摺先行工法 的方針」。

1、根據遵守勞動安全衛生關係法令的同時,也按照本方 針進行,此一方針作為防止在建設工程發生墜落等公 共傷害的方法。

2、適當設計:

施工架設計載重需考慮自重,裝載負荷,風力,水平 力等。按照施工架最大載重及其構造及材料,決定工 作平台的最大裝載負荷。

3、手摺先行工法徹底實踐:

工作人員必須遵守在工作平台邊未放置扶手框的時 候,不可進行施工架上的作業。

厚 生 勞 動 省 「 手 摺 先 行 工 法 的方針」

【註】:手摺先行工法即為扶手框先行工法,所使用的框架為先行扶手 框。

2-3 框式施工架之先行扶手框

(28)

對於國內框式施工架之先行扶手框之定義,參考臨時架設物安全設 施 構 造 及 試 驗 相 關 基 準 中 有 提 到 詳 細 的 尺 寸 規 格 , 下 表 為 規 格 說 明

【15】:

表 2-3 先行扶手框構造選用指引 外觀

先行扶手框各部位無顯著損傷、變形或腐蝕。

構造

1、先行扶手框由板材、支柱材、扶手材、斜撐材及裝設具等構件構成。

2、使用鋼管為支柱材及扶手材者,其外徑應為 21.4 公厘以上,厚度應為 1.7 公厘以上。

3、裝設具應為堅固,使用中不易脫落者。

4、先行扶手框裝設於框式施工架之框架時,扶手材高度之位置應由作業床具 有 90 公分以上,另外,自先行扶手框之中間部等有墜落之虞者,應於中 間部等設置中間橫桿等,以構成得以有效防止墜落之構造。

製作

1、鋼管應使用無彎曲、凹陷、裂痕等之缺陷者。

2、材料加工及製作,應以不致因撓曲、扭曲等導致強度降低。

3、管與管、管與板之熔接,原則上若係鋼製部分,應採電弧熔接,若係鋁合 金,應採惰氣電弧熔接。

4、先行扶手框為鋼製者,應施予具有防蝕效果之塗飾或電鍍。

2-4 國內營造業施工架使用現況

對於施工架的規格必須詳細考量,對於我們後續的先行扶手框設計 才能有規格參考依據,發展出適合我國使用之先行扶手框。以下為施工 架的型式介紹:

一、鋼管施工架依使用方法及使用範圍分類:

(一)「單管式鋼管施工架」:

是最早期使用的鋼管施工架,主要是仿造圓竹施工架之組合方 式。單管式鋼管施工架結構本體之構造,主要靠許多特殊接頭組合,

(29)

在組裝時可依現場狀況伸縮其總長度。由於單管式鋼管施工架接點組 件過多,在組裝時需要有專門熟練之技術及較多的人員勞力。由於裝 配煩雜且接點過多,在本體結構上形成了許多潛在的破壞點,強度控 制不易,目前國內已甚少使用。

(二)「鋼管門型施工架」:

結構主體是以鋼管為主,在工廠內預先焊接製成門型構架方式,

並可配合交叉拉桿、連接片、平行鉤等附屬構件,組搭成多組多層鋼 管施工架系統。由於是預先製成,所以其形狀規則且接頭數目少,適 合結構規則地基平坦的大型建築物內部使用。有組裝方便,支撐強度 大,所需技術與勞力較少的優點。因此在推出之後,即廣泛地被營建 工地所採用,並逐漸取代單管式鋼管施工架。

(三)「系統施工架」:

為近年來在歐美興起的一種鋼管施工架,主要在輔助鋼管門型施 工架的不足。其特點為系統施工架採用了特殊接頭,可依現場需要任 意調整裝置,也不需要搭配他種施工架使用,亦無強弱軸之分,可適 用於任何地形及不規則之結構物內部使用,但由於造價頗高,目前國 內使用不高。

二、施工架搭設現況改良

由於國內幾乎都是採用「鋼管門型施工架」,但是在架設過程中,往 上搭設立架時,往往都是利用安全帶、拉起安全母索來搭設【16】,工 地裡往往為了方便而沒有使用安全帶,人在上層的危險度將大大提高(如 表 2-4),若在搭設時能夠先搭設先行扶手框並往上延伸搭設(如表 2- 5),並且統一訂定規範,將會大大的減少勞工墜落災害的發生。

(30)

表 2-4 一般施工架水平母索組立及拆除流程表 施工架組立作業:

1、施工架組配作業主管須於現場指揮勞工 作業。

2、作業者將安全帶繫於下層施工架。

3、先架設兩端最外側及次外側之施工架。

4、於兩端次外側施工架拉上安全母索,再 進行中間部份之施工架架設。

施工架拆除作業:

1、施工架組配作業主管須於現場指揮勞工 作業。

2、作業者繫安全帶先拆除中間部份之施工 架。

3、作業者將安全帶繫於下層施工架後,再 拆除本層之安全母索。

4、拆除兩端最外側及次外側之施工架。

產生之危害

1、使用安全母索及安全帶的普遍性不高,容易在搭設頂層立架時發生墜落之意外。

2、人員要架設兩端最外側立架前,須從樓梯上至頂層,再步行至最外側,這期間並 沒有任何防護。

3、安全帶繫於下層施工架說明不清,如是繫於立架上,如發生墜落,其對於人體產 生之衝擊力道十分危險。

(31)

表 2-5 國內先行扶手框型式 先行扶手框國內型式

先行扶手框 國內業者自行研發先行扶手框型

式,由兩個不同的機材組成,右圖為 先行扶手框與掛具。

掛具 先行扶手框搭設方式:(推進式)

1、人員先在下層掛設〝掛具〞於立架上,並使其凹槽部份與立架的直立桿契 合。

2、人員在下層舉起〝先行扶手框〞使框架的兩邊基腳插入〝掛具〞的圓槽內。

3、人員在下層設置上層的水平踏板,並設置樓梯。

4、因為上層已經搭設好〝先行扶手框〞,人員使用安全帶往上層作業,搭設上 層立架以及交叉拉桿等等後續作業。

5、繼續往上搭設時,即拆除此層之〝先行扶手框〞與〝掛具〞,並重複使用往 上設置,此為臨時性搭設。

6、較符合國內施工習慣。

基腳

圓槽 凹槽部份

(32)

2-5 國外營造業施工架使用現況

日本工業標準(JIS)對於施工架的構造及驗證標準較為確定,其工法 稱為手摺先行工法,所以日本的產品【17】(如圖 2-1 至 2-4)顯示出有較 一致性的規格,使業者能有所依據,這對於製造生產、測試驗證及工地 使用較為單純,其安全性較可確保。

圖 2-1 日本施工架概圖

(33)

圖 2-3 日本先行扶手框(1)

圖 2-4 日本先行扶手框(2)

目前在日本已發展出多種先行扶手框的形式,同時針對扶手框有實 際測試,確保各種形式的性能品質一致,避免因品質不良而造成人員的 危害。各式扶手框的型式、搭設流程及試驗方法如下:

一、日本扶手框型式與搭設流程

因為日本的先行扶手框型式眾多,採用的方式都是以型號來做區 分,為了發展出適合國內使用的先行扶手框,首先探討其搭設的構件以

(34)

(一)留置式搭設 1(如表 2-6)

表 2-6 留置式搭設 1 之先行扶手框【18】

先行扶手框支柱部份與立架固定 先行扶少框扶手部勾於已固定好的支 柱部份

另一側支柱部分與扶手部固定 另一側支柱部份與立架固定

設置水平踏板 使用安全帶於扶手框上設置立架

設置踢腳板 交叉拉桿與先行扶手框並存

1 2

3 4

5 6

8

7

(35)

留置式搭設 2(如表 2-7)

表 2-7 留置式搭設 2 之先行扶手框 日本型式

底部設計 型式一

此型式為獨立單片先行扶手框,

其底部設計與上部設計的接頭均與立 架固定。

上部設計 搭設方式:(留置式)

1、架設人員均位於下層施工架往上設置,使底部設計之接頭與立架鎖上。

2、人員再下層設置上層水平踏板後,人員往上層設置立架、交叉拉桿等等。

3、再使先行扶手框的上部設計之接頭與立架固定鎖上。

4、此型式先行扶手框與交叉拉桿並存,增加其強度。

設計接頭

設計接頭

(36)

(二)推進式搭設(如表 2-8)

表 2-8 推進式搭設之先行扶手框【18】

人員蹲下拆除交叉拉桿外的先行扶手框 先拆除先行扶手框較長的支柱部份

再拆除先行扶手框較短的支柱部份 使較長的支柱部份固定於上層立架上

再固定較短的支柱部份於上層立架上 推進式搭設完成

(37)

(三)專用式搭設(如表 2-9)

表 2-9 專用式搭設之先行扶手框 日本型式

型式二

先行扶手框 此型式為獨立單片先行扶手框,

其底部設計與上部設計的接頭均與立 架固定外,此型式為先行護欄型,在 搭設完成後即不拆除並不使用交叉拉 桿。

優點:

因為材質為鋁合金,所

底部設計

1、 以較一般鋼

組成桿件多,防護效果好。

1、價格較貴

製先行扶手框較輕。

2、抵抗側向力強度較好。

3、扶手框 缺點:

上部設計 搭設方式:(專用式)

1、人員均位於下層施工架往上設置,使底部設計之接頭與立架固定鎖上。

2、人員在下層設置上層的水平踏板後,人員往上設置立架等等機材。

3、再使先行扶手框的上部設計之接頭與立架固定鎖上。

4、此型式先行扶手框即為先行護欄,即取代原本所需的交叉拉桿。

設計接頭

設計接頭

(38)

日本搭設程序整理

1、因為型式眾多,故搭設方式有所不同。

2、無論型式為扶手框、交叉拉桿、護欄、均達到先行搭設之目的。

3、參考國外搭設過程與方式,發展出適合國內使用之先行扶手框。

二、日本扶手框測試方法(圖 2-5 至 2-7)

日本於實驗室的測試方式如圖 2-5,將扶手框以夾具裝設在實驗機台 後,在扶手框上放中間加一重錘,重錘為 30 公斤時,變位不得超過 100 公厘,破壞時之重錘重量不得低於 100 公斤重【19】。

夾具

夾具

夾具 先行扶手框

先行扶手框

先行扶手框中點

先行扶手框中點 重錘

圖 2-5 日本先行扶手框測試方法【19】

(39)

此外,日本又將安全帶加在施工架以及加在扶手框之差別來做實驗,

日本測試方式為在扶手框上面掛一重 85 公斤之砂袋,使其瞬間下墜,來 量測其受力行為以及對人體產生之衝擊力(如圖 2-6、2-7)【20】。

扶手框外側端部 扶手框內側端部

安全帶 1.7 公尺,沙袋 85 公斤

圖 2-6 日本先行扶手框之測試方法圖【20】

圖 2-7 日本先行扶手框實際動態測試圖【20】

(40)

工架立架上橫桿處產生的衝擊力為 1200 公斤,扶手框產生的衝擊力為 370 公斤,相對受到的衝擊力小很多(如表 2-10),大約減少人體衝擊力 道的三分之二,對於人體產生之傷害將大大減小,達到衝擊緩和的目 的。

表 2-10 施工架與扶手框衝擊荷重比較表 85 公斤落下時,安全帶 1.7 公尺

安全帶設置位置 落下高度(踏板至重物) 衝擊荷重 下一層立架橫桿上部 2.6 公尺 1200 公斤 先行扶手框上部 2.4 公尺 370 公斤

2-6 國內外施工架搭設使用現況比較

一、國內向上搭設方式 (一) 甚少使用先行扶手框

(二) 國內施工架使用安全母索搭設方式(依 IOSH 安全資料表施工架搭設 及拆除作業【16】)

1、場地勘查 2、地面必須堅實 3、材料檢查

4、防護具及工具檢查 5、放樣

6、設置三角架或(及)調整座

7、施工架組立(含繫牆桿、交叉拉桿及水平踏板) 8、架設樓梯

(41)

9、設置安全母索 10、架設護網及帆布 11、架設斜屏

12、是否有上一層(回到 6) 13、完成檢查

(三)高空作業須注意事項

1、高處作業應先設上下設備及安全母索,並使用背負式安全帶及安 全帽。

2、攜帶防墜器

3、調整座應架設穩固,避免上層傾斜。

二、日本向上搭設方式

日本首先注意到人員搭設施工架往上層搭設至設置立架期間所會發 生的問題,其對於勞動者是有危險的,所以發展出先行扶手框的使用,

對於勞動者的生命財產的保護將大大的提升,以下為日本之搭設流程(如 圖 2-8)【21】:

(一)設置扶手框 (二)設置腳踏板

(三)人員站立於腳踏板上搭設立架及後續作業

(42)

重量僅 7kg,可輕易抬起

斜掛到指定位置

掛好之後立起

兩側鎖上

完成

圖 2-8 日本的先行扶手框搭設過程【21】

對照國內營建的習慣,施工架框架及接頭與日本相似,但搭設時重要 支撐卻自創而隨興,完全以經驗及工地狀況隨意增減,這對安全及品質 而言完全沒有保障。考量國內現況並參考國外制度之優點,可知除了施 工架本身強度之研究外,在搭設的過程中,統一搭設方法、程序是必然 的。

(43)

2-7 國內墜落案例分析探討

墜落案例(一)【22】

1. 災害發生經過:

地點在台中市文心路四段,據勞工曾○○稱:『九十年八月二十一日 下午十七時胡○○帶我及蔡○○等在台中市文心路四段新建工程工地,

安裝外牆鋁板(以電焊安裝)時,胡○○不慎自施工架上墜落地面,經 送中國醫藥學院附設醫院急救延至下午二十二時許不治死亡』。

2. 災害發生原因:

災害現場施工架間未設安全網、施工架踏板未舖滿且未設護欄、又無 安全母索使勞工確實使用安全帶及安全帽。

3. 災害防止對策:

高架作業的時候,不安全且不合標準的施工架是非常危險的,勞工應 該使用安全帶、安全索或安全網等防護具,以及開口處應該設圍欄等設 施是不可忽視的。

墜落案例(二)【23】

1. 災害發生經過:

95 年 10 月 2 日,高雄市某公司所僱勞工於新建工程 4 樓位置之施工 架上從事白鐵欄杆安裝作業時墜落地面,送醫不治死亡。

2. 災害發生原因:未設置安全帶及繫掛裝置。

3. 災害防止對策:

在搭設頂層的不安全立足處的過程中,如果未依照規定使用安全帶,

將是非常危險的,如果能夠訂定先行扶手框的方針,將會使勞動者有一

(44)

墜落案例(三)【23】

1. 災害發生經過:

95 年 12 月 27 日,高雄縣某營造公司勞工從事鷹架搭設作業墜落並遭 地面鋼筋穿透左後腰送醫不治。

2. 災害發生原因:鷹架搭設時沒完善的防護物。

3. 災害防止對策:

施工架組搭過程中,因為是高空作業所以危險度相對的提高,人員在 最上層搭設沒有適當的護欄防護,導致開口部分發生墜落之虞,如能有 先行扶手框的設置,必能減少此類災害發生。

墜落案例(四)【24】

1. 災害發生經過:

95 年 2 月 17 日,桃園縣某建設公司承包的集合住宅新建工程,勞工 在施工架搭建作業時從 5 樓高施工架墜落地面致死。

2. 災害發生原因:向上搭設過程中發生墜落。

3. 災害防止對策:

施工架組搭過程中,必須在搭設過程的每一個環節都要有適當的防 護,避免安全死角的產生,人員在最上層搭設沒有適當防護必相當的危 險,如能有先行扶手框的設置,必能減少此類災害發生。

(45)

第三章 先行扶手框之模擬分析

在實驗之前,如果能了解實驗過程中發生變化的地方,以及各種力 學行為,對實驗之進行有很大幫助,因此,利用電腦軟體來模擬以達到 以上需求,是十分重要的。如此可確實的掌握現有國內業者自行改良之 扶手框之強度,包括可能影響其強度的各種因素。由於臨時工程施工架 扶手框為細長型鋼結構,所以在承受過大的載重狀態下,造成破壞的原 因大部份都是承受彎矩所造成的破壞,而產生的側向大變形造成瞬間全 面性的破壞,此種破壞所造成的災害可想而知,但這些破壞的機制都是 可以有效避免的。在施工架作業的勞工發生墜落的主要原因為安全設施 不足及不良設置與錨定方式造成工作平台的安全堪慮,所以工作平台上 施工架扶手框的設置其安全性便是討論的重點。

本研究利用大量模擬分析來建立扶手框對框式施工架工程安全性的 深入了解,進一步找出如何改善扶手框力學行為與設置位置之建議方 案。電腦模擬分析一方面不需實際的試驗材料,另一方面可迅速取得所 需資訊,因此是一種取代大量實驗的最佳工具。雖然電腦模擬是一個非 常有用的工具,但在使用上也必須格外小心,因為電腦計算能力強大,

卻無法防止使用者犯錯。如果使用者能建立正確的數值模型,電腦就能 迅速的提供正確且有用的資訊。相反的,如果使用者建立了錯誤的模 型,電腦就會提供錯誤的結果。本研究中進行實物實驗的目的之一就在 於驗証電腦模擬所使用的數值模型的正確性。

3-1 有限元素法電腦輔助分析

(46)

析與計算,設計者可以在電腦上模擬結構物的外型及尺寸,以及在受到 外力作用後產生的應力以及應變情形,也可以計算結構物在歷時分析、

動態分析、共振頻率等等的特性,因為其精準度讓設計者可以有個參考 的依據,以判斷此設計之可行性以及受力後的力學行為,此方法已受到 大眾的廣泛認同及接受。

本研究是針對國內業者研發的施工架之先行扶手框來做電腦分析,

扶手框的材料性質為鋼材,分析其線性力學行為,主要使用商用軟體 ANSYS【25、26、27】。

對於國內業者自行研發的型式,本研究以 ANSYS 軟體進行實際施工 架扶手框之尺寸進行模擬分析,因扶手框屬於對稱幾何型鋼結構,其破 壞行為較容易預測,因此使用集中應力來跟實驗對照比較,圖 3-1 為國 內型式,其尺寸規格,高為 130 公分,寬為 175 公分,單管尺寸管徑約 為 2.12 公分,管壁厚 0.15 公分。

圖 3-1 國內型扶手框示意圖

(47)

一、實體模型的建立

在程式中模型的建立方法有兩種,其中為直接建立法與間接建立法 (自動網格建立法)。直接建立法是採用連接節點方式建立元素,但此種 方法對於本研究之圓管結構此種較為複雜的結構,建立過程繁多且容易 錯誤,所以本研究之模型的建立採用間接建立法(自動網格建立法)建 立,自動網格建立法是利用點、線、面積、體積組合而成,尤其對於三 度空間複雜的結構最為有用。本實驗模型所選用的元素為 SOLID92(如圖 3-2)。

圖 3-2 SOLID92 元素模型圖

SOLID92 元素適用於不規則模型的網格化。此原素由十個節點所組 成,每個節點具有 X、Y、Z 三個位移方向之自由度。元素亦具有塑性、

潛變、膨脹、應力強化、大變形與大應變之特性。且 SOLID92 元素較適 用於鋼構系統複雜的模型,所以在分析先行扶手框時,所選用的元素模 型就以 SOLID92 為主【28】。利用程式的體積建立指令先建立一單管,

在建立另一單管使兩管有部分重疊,持續建立以達到完整之實驗模型為 止,模擬國內扶手框之實體模型圖(如圖 3-3)。

(48)

圖 3-3 國內型先行扶手框之實體模型圖 二、網格建立

當實體模型建立完成後,才可以進行網格化,完成網格化後才可稱之 為已完成有限元素模型。

在網格過程中,因為管與管之交接面十分的複雜,角度也十分尖銳,

所以我們在網格化時所需耗費之記憶體十分龐大,交接面越多使得網格 化已經產生記憶體不足之現象,所以我們對於交接面採用分區網格化的 方式來彌補硬體上的不足(如圖 3-4 至 3-6),再將其連結為一整體。

在建立實體模型時,圓管跟圓管之間的斷面是十分複雜的,進行網 格化時需要龐大的記憶體,所以在建立模型的時候使用分段建立以及網 格化,再使其連結,但是整理分段網格後硬體仍不足,所以省略對受力 行為影響較小之桿件來解決硬體上不足的缺點(如圖 3-7)。

(49)

圖 3-4 模擬顏色分區示意圖

(50)

圖 3-6 模擬網格化細部示意圖(二)

圖 3-7 省略桿件之先行扶手框之網格圖

(51)

3-3 有限元素靜力分析

實體模型網格後,進行先行扶手框實體模型的邊界條件設定(如圖 3- 8),使用五個節點來避免集中力的發生,進行模擬時將扶手框與掛具之 接觸位置位移設定為零(包含掛具之圓筒以及掛具之抵擋側向力之焊接實 心柱),本研究使用的扶手框為國內業者研發型式,採用的模型適用分析 尺寸單位為公尺(m),施力單位為牛頓(N),材料性質以 CNS-4435 鋼材為 模擬之參數。

楊氏係數(Young's modulus):2.04×1011N/m2 蒲松比(Poisson's ratio):0.3

圖 3-8 施力方式示意圖

(52)

對 先 行 扶 手 框 施 加 30kgf(294N) 、 國 內 護 欄 強 度 規 範 的 75kgf(735N)、日本 JIS 護欄強度規範的 85kgf(833N)、國內規範的兩倍 強度之 150kgf(1470N),以及日本規範的兩倍 170kgf(1666N)進行模擬分 析,進行模擬時是將先行扶手框與掛扶手框之掛具接觸位置設定為零(即 Fixed),藉以觀察扶手框的變位、應力以及應變的情形,對扶手框中間 點施加一外力,來模擬勞動者在發生危險時與扶手框之受力情形。下列 為先行扶手框利用 ANSYS 有限元素分析,分析結果如圖 3-9-圖 3-26:

圖 3-9 施力為 30kgf 之變位圖

(53)

圖 3-10 施力為 30kgf 之變位圖(側向)

(54)

圖 3-12 施力為 30kgf 之應力圖(側向)

圖 3-13 施力為 30kgf 之最大應力位置放大圖

(55)

圖 3-14 施力為 30kgf 之應變圖

(56)

圖 3-16 施力為 75kgf 之應力圖

圖 3-17 施力為 75kgf 之應變圖

(57)

圖 3-18 施力為 85kgf 之變位圖

(58)

圖 3-20 施力為 85kgf 之應變圖

圖 3-21 施力為 150kgf 之變位圖

(59)

圖 3-22 施力為 150kgf 之應力圖

(60)

圖 3-24 施力為 170kgf 之變位圖

圖 3-25 施力為 170kgf 之應力圖

(61)

圖 3-26 施力為 170kgf 之應變圖

由結果可以得出,當先行扶手框受到一 Y 向集中力時,最大應力以 及應變都在扶手框與掛具的接觸面,最大的位移量在扶手框的受力位 置,表 3-1 為數據的整理,荷重位移曲線圖(如圖 3-27),應力應變曲線 圖(如圖 3-28):

表 3-1 模擬結果數據表

2) 應變

施力(kgf) 位移(cm) 應力(N/m

30 4.7572 1.04x108 0.0005098 75 11.893 2.59x108 0.0012696 85 13.4787 2.93x108 0.0014363 150 23.786 5.18x108 0.0025392 170 26.9574 5.87x108 0.0028726

(62)

荷重-位移圖

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

0 5 10 15 20 25 30

位移(cm)

荷重(kgf)

圖 3-27 荷重-位移曲線圖

應力-應變圖

0 100000000 200000000 300000000 400000000 500000000 600000000 700000000

0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 0.0035 應變

應力(N/m2)

圖 3-28 應力-應變曲線圖

(63)

另外本研究也對先行扶手框的掛具作一模擬,圖 3-29 為國內型式,

其尺寸規格,長為 30 公分,寬為 4.5 公分,套管尺寸長約 18 公分,管 徑約為 3.5 公分,管壁厚 0.15 公分。凹槽部份為套住立架支柱部份,其 接觸面位移設定為零,模擬後的情形如圖 3-30、3-31,並加以分析其受 力情形:

18cm 30cm

圖 3-29 國內型掛具尺寸規格

(64)

圖 3-30 掛具模擬示意圖(一)

圖 3-31 掛具網格後模擬示意圖(二)

(65)

進行模擬時先針對扶手框中間點施加一外力,利用彎矩換算對套管 頂端所承受之力量,來模擬掛具套管受力情形,並將掛具與施工架立架 接觸位置設定為零(即 Fixed),藉以觀察掛具套管的變位、應力以及應變 的情形,下列為先行扶手框利用 ANSYS 有限元素分析結果(圖 3-32 至 3- 35):

圖 3-32 施 30kgf 之掛具應力分佈示意圖(一)

(66)

圖 3-33 施 30kgf 之掛具應力分佈示意圖(二)

圖 3-34 施 75kgf 之掛具應力分佈示意圖(一)

(67)

圖 3-35 施 75kgf 之掛具應力分佈示意圖(二)

8 2

鋼材料的應力強度設計在 2.45×10 N/m ,但當施加拉力至 75kgf時應 力值已經到達 2.59x108N/m ,所以當施加拉力約到達 71kgf時,扶手框已2 經超過分析所設定的強度,即為達到降伏而永久變形。

我國規範對護欄的要求:於任何方向加以 75 公斤之荷重,而無顯著 之變形。現階段之先行扶手框型式還不能符合規範對護欄的要求,目前 國內型扶手框因材質較薄,容易產生變形以及大幅的變位,所以研究需 探討弱面的補強以及管壁的厚度,來達到適合國內使用之需求。

對於掛具應力分佈情況,在施力 75kgf 下,由圖 3-35 可知,套管尖 端處已有大部分區域已超過鋼材料的應力強度,套管已產生破壞而永久 變形。

實驗之測試結果範圍為 70kgf 至 80kgf,在 ANSYS 靜力分析下,發現

(68)

3-4 新型先行扶手框之模擬分析

另外本研究也針對國內型先行扶手框實驗過後產生破壞的方式,對 此做一新型先行扶手框設計,對新型設計也做一模擬分析,圖 3-36 為新 型扶手框,其尺寸規格,長為 130 公分,寬為 175 公分,單管尺寸管徑 約為 2.54 公分,管壁厚 0.2 公分,上橫桿至中橫桿間距為 40 公分,下 部設計與勾於立架上橫桿掛片的設計皆為 0.4 公分厚(如圖 3-37、3- 38)。

圖 3-36 新型先行扶手框實體

(69)

圖 3-37 新型先行扶手框下部設計

圖 3-38 新型先行扶手框勾於立架上橫桿的設計

進行模擬時先針對扶手框中間點施加 120 公斤外力,利用彎矩換算 對直立桿頂端所承受之力量,來模擬單邊新型先行扶手框受力情形(如 圖 3-39),並將施工架立架與新型先行扶手框與接觸位置設定為零(即 Fixed),藉以觀察新型扶手框的變位、應力以及應變的情形,下列為新

(70)

圖 3-39 新型先行扶手框模擬示意圖

圖 3-40 施 120kgf 之新型先行扶手框應力分佈示意圖(一)

(71)

圖 3-41 施 120kgf 之新型先行扶手框應力分佈示意圖(二)

圖 3-42 施 120kgf 之新型先行扶手框應力分佈示意圖(三)

(72)

圖 3-43 施 120kgf 之新型先行扶手框應力分佈示意圖(四)

由實驗結果發現在新型先行扶手框中間施加 120 公斤重後,在掛於 立架上部之掛片部份產生焊接處的斷裂,從模擬分析下,發現應力較大 的部分正是掛片兩鐵片焊接的部份,發現以電腦模擬分析的數據是可以 參考的。

(73)

第四章 先行扶手框實驗測試

4-1 實驗設備與實驗設計

實驗採用靜態試驗對先行扶手框做拉力測試,來測試先行扶手框再受 到拉力時產生的變位以及破壞行為發生的位置,以了解先行扶手框的降 伏強度。使用的試驗方式重錘加載法,持續加載來測試扶手框之位移量 以測試降伏點,而本實驗所需主要設備與機具如下:

一、實驗設備:

(一)標準法碼(包括 5 公斤、10 公斤、20 公斤)(如圖 4-1) (二)扶手框 x 3(如圖 4-2)

(三)掛具 x 3(如圖 4-3) (四)鋼索一條

(五)紅外線測距儀一部(增加其位移精準度)(如圖 4-4) (六)簡易施工架一架間(設置扶手框與掛具)(如圖 4-5)

(七)500 公斤混凝土一塊(避免施工架產生滑動現象)(如圖 4-6) (八)底部基座 x 2(避免施工架產生滑動現象)(如圖 4-7)

(74)

圖 4-1 標準法碼示意圖

圖 4-2 國內型先行扶手框示意圖

(75)

圖 4-3 國內型掛具示意圖

圖 4-4 紅外線測距儀示意圖

(76)

圖 4-5 簡易施工架一架間

圖 4-6 500kg 混凝土塊

(77)

圖 4-7 底部基座 0.1mx0.5m

二、實驗設計:

本實驗為了克服法碼的加載方向,我們使用取代式鋼管配合鋼索來 達到滑輪的效果,採用的加載方式以五公斤法碼為加載單位(如圖 4-8),

另外,使用紅外線測距儀來增加其精準度(如圖 4-4),掛具與扶手框搭設 方式(如圖 4-9),完成實驗安裝後才可進行實驗,圖 4-10 為加載試驗受 力後之示意圖,因為可以持續加載而不受拉伸距離的限制。

以及設計之底部基座其螺帽具有上下調整 30 公分之微調高度,以克 服對扶手框施力無法達到水平的問題,微調螺帽使扶手框高度與施力鋼 索同高,才不會使實驗時產生偏心,造成實驗結果有所誤差。

(78)

圖 4-8 加載實驗示意圖

圖 4-9 搭設方式示意圖

(79)

圖 4-10 國內型先行扶手框受力後情形

對此,國內尚未對扶手框強度有詳細規範,所以在此參考日本對於 扶手框試驗規定,施以 30 公斤時,變位不得超過 100 公厘,破壞時之施 加重量不得低於 100 公斤【19】。

4-2 實驗流程與目的

一、實驗流程

(一)先架設簡易施工架並且使其固定 (二)固定掛具於簡易施工架上

(三)設置扶手框於掛具上

(四)設置鋼索於扶手框上並連接至鋼管,調整設計基座高度使鋼索 與地面平行

(80)

(六)紀錄實驗結果

二、實驗目的

本研究主要是瞭解先行扶手框設置於施工架上時承受之側向拉力造 成的最大變位值,本實驗利用法碼加載的力量來進行強度測試,所以本 實驗設計一強度高於原本基座之取代基座(如圖 4-11),以使進行實驗 時,使其側向拉力增加時而架間不產生滑動的現象,也不會影響先行扶 手框之測試結果:

圖 4-11 設計基座安裝後示意圖

(81)

4-3 國內型實驗結果

因為測試組數會持續增加,所以實驗前先在扶手框設定編號,以及 電腦紀錄的檔案編號設定,以進行分類來避免人為的遺失或檔案的混 雜。

使用標準法碼持續加載來測試扶手框之位移量、總共實驗三次,實 驗數據如表 4-1、表 4-2、表 4-3,曲線圖(如圖 4-12 至 4-14),發現破 壞位置與行為皆為扶手框的基腳以及掛具套管頂端。在加載 0-40kg 時,

發現每加上五公斤法碼位移約為 1.1-1.5cm,加載 40-75kg 時,發現每加 上五公斤法碼位移約 2cm,當到達降伏點時,加載五公斤法碼後,位移會 明顯增大許多,並且不持續加載,位移卻會持續增加,即達到降伏。以 下實驗測出扶手框降伏強度為 75-80kg 之間。

表 4-1 載重實驗第一次試驗 法碼重量(kg) 位移(cm) 附註

5 2 因加載重量,掛具有滑動至固定 10 3.4

15 5 20 6.5 30 9.4

40 12.3 至 40kg,大約每加 5 公斤法碼增加 1.5cm 50 16

60 20.5 65 22.5 70 24.3

75 26.3 至 75kg,大約每加 5 公斤法碼增加 2cm

80 29.8 至 80kg 增加 3.5cm 並持續增加位移,已達到降 伏

(82)

荷重-位移圖

0 20 40 60 80 100

0 10 20 30 40

位移(cn)

荷 重 (kg)

強度不變 達降伏強度

極限破壞

圖 4-12 載重實驗第一次試驗曲線圖

表 4-2 載重實驗第二次試驗 法碼重量(kg) 位移(cm) 附註

5 1.4

10 5 因加載重量,掛具有滑動至固定 15 6.4

20 7.5 25 8.6 30 9.6 35 10.9

40 12.1 至 40kg,大約每加 5 公斤法碼增加 1.1cm 45 14.1

50 15.9 55 18 60 19.9 65 22 70 24.1 75 25.9

80 28 至 80kg,大約每加 5 公斤法碼增加 2cm

至 85kg 增加 4.2cm 並持續增加位移,已達到降 85 32.2

(83)

荷重-位移圖

0 20 40 60 80 100

0 10 20 30 40

位移(cm)

荷重(k g)

極限破壞 強度不變

達降伏強度

圖 4-13 載重實驗第二次試驗曲線圖

表 4-3 載重實驗第三次試驗 法碼重量(kg) 位移(cm) 附註

5 1.2 10 2.7

15 4.4 因加載重量,掛具有滑動至固定 20 8.3

40 12.7 20-40kg 增加 4.4cm 60 22.1 40-60kg 增加 9.4cm 70 26.6

75 28.7

75-80kg 增加 4.6cm 並持續增加,已達到降 80 33.3 伏

85 38.2 迅速再放一個已產生明顯位移

(84)

荷重-位移圖

0 20 40 60 80 100

0 5 10 15 20 25 30 35 40 位移(cm)

荷重(kg)

極限破壞 達降伏強度

強度不變

圖 4-14 載重實驗第三次試驗曲線圖

將先行扶手框受力變形與未受力先行扶手框做一比較,實驗後發生 變形以及產生破壞之位置從圖 4-15、4-16、4-17 可以明顯發現,先行扶 手框與掛具因受外力而變形,由以上結果,可得以下的小結:

1、材質:管壁較薄,導致人員出一推力即產生位移。

2、因力臂稍長、導致掛具與扶手框產生之應力過大而產生永久變 形。

4、規範參考(護欄):於任何方向加以七十五公斤之荷重,而無顯 著之變形。實驗結果已產生明顯變形並不符合國內護欄規範。

5、參考日本測試標準:在扶手框上放中間加一重錘, 重錘為 30 公斤 時,變位不得超過 100 公厘,破壞時之重錘重量不得低於 100 公 斤重【19】。測試結果在 30 公斤時變位約 100 公厘,結果破壞 時重錘約為 75-80 公斤重,並不符合規範。

(85)

已明顯彎曲

圖 4-15 損壞部位示意圖(一)

開口已變形

圖 4-16 損壞部位示意圖(二)

(86)

底部已產生脫離

圖 4-17 損壞部位示意圖(三)

4-4 改良型及新型實驗結果

一、國內型改良之先行扶手框

對於國內業者自行研發之扶手框,改良方式為先行扶手框支柱部份 裡面在套入一直徑較小之內管,增加先行扶手框支柱部份之厚度,如圖 4-18 所示:

參考文獻

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