系統式施工架立柱輪盤性能測試與分析 Performance Test and Analysis for Fixed Rings

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中華大學碩士論文

系統式施工架立柱輪盤性能測試與分析 Performance Test and Analysis for Fixed Rings

系所別：土木工程學系碩士班

學號姓名：M09704005 卓昆賢

指導教授：徐增興教授

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摘要

現今土木營造業的發展逐漸進步，相對於構造物之結構與外型也逐漸多樣化，在這種建構的環境下，不合適的施工架會令勞工在施工時處於不安全之狀況，如何安全、

妥當、可符合建築外觀的架設施工架，以增加搭設與施工時之施工架穩定性與安全性，

為目前重要之課題。

國外有鑑於現行構造物之多樣化且施工架搭設的可變性，進而發展出系統式施工架的設計，藉由各構件連結成一個整體系統，不同以往框式施工架在銳角、多邊形或凹凸面時無法完整搭設，且因由各構件連結，組搭彈性佳、穩定性高，故在國外大量使用。

國內 CNS 現有標準測試單管施工架與框式施工架，系統式施工架並無相關之規範或標準，因此國內廠商引進使用時出現許多混亂與不確定性，而在國外相關規範中目前中國有定相關系統試施工架規範與其規格規定，日本以假設工業會制定標準，歐盟與美國皆以單管施工架標準套用，然而要以何種規範來執行，亦或建立新規範，並無明確判定。因此，本研究針對系統式施工架之安全性與其構件強度進行相關的研究與分析。

本研究依據勞工安全衛生研究所所制定之實驗模式，對市售三款系統式施工架構件進行強度測試，對實驗所得之數據資料進行相關強度與破壞行為之探討，並以數值模擬方式進行力學行為之分析與評估，利用實驗與數值模擬分析結果來探討系統式施工架之強度，再以互相比對所得之參數，進而模擬不同孔洞大小、輪盤樣式、孔洞數量等，比較不同輪盤模組之差異，以提供業界在製造時的參考依據。

關鍵字: 系統式施工架、性能測試、輪盤、數值分析

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ABSTRACT

With the gradual progress and development of the current construction industry, the building structures and appearances have also been gradually diversified. In this kind of construction environment, improper construction scaffold will leave labors in a situation of insecurity. Therefore, it has become an important issue to figure out how to safely and properly install the construction scaffold in compliance with building appearance in order to enhance the stability and safety of construction scaffold during installation and construction.

In light of the diversity of current buildings and the variability of installation of construction scaffolds, the design of system scaffolds has been developed in foreign countries where all components can be assembled into an overall system, unlike the original frame scaffold which cannot be completely installed at an acute angle, polygon, and the convex/concave surface. With all components connected to each other, this scaffold has superior assembly flexibility and high stability such that it has been widely used abroad.

Currently there are existing CNS standards of our country for testing single-pipe scaffold and frame scaffold, but there are no regulations or standards related to system scaffold. Therefore, there has been quite a lot of confusion and uncertainty when it is introduced by domestic companies. In terms of relevant regulations in foreign countries, there are regulations and specification requirements related to system scaffold in China. The standards in Japan have been formulated by the Scaffolding and Construction Equipment Association of Japan, In EU and US the standards for single-pipe construction scaffold have also applied to the system scaffold. However, it is not yet determined on which regulation will be implemented or whether or not a new regulation is necessary in Taiwan. Therefore, in this study we have conducted research and analysis related to the safety and component strength of system scaffold.

In this study we have conducted strength tests with respect to the components of three kinds of commercially available system scaffolds in accordance with the experiment model formulated by the Institute of Occupational Safety and Health. We have also conducted

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holds will be simulated to compare the difference among different wheel modules. The results can provide references for the manufacturing of this industry.

Keywords: System Scaffolds, Performance Test, Fixed Ring, Numerical Analysis

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圖目錄

圖 1-1 研究流程 ... 3

圖 2-1 單管式施工架 ... 4

圖 2-2 框式施工架 ... 5

圖 2-3 系統式施工架 ... 5

圖 2-4 系統式支撐架 ... 6

圖 2-5 系統架作為勞工休息棚架 ... 7

圖 2-6 演唱會臨時舞台 ... 7

圖 2-7 橋面板支撐 ... 8

圖 2-8 萬向連接器 ... 9

圖 2-9 萬向連接器旋轉方式示意圖 ... 9

圖 2-10 依現場結構狀況組立圖 ... 10

圖 2-11 門型立架 ... 11

圖 2-12 交叉拉桿扣釘 ... 11

圖 2-13 交叉拉桿 ... 12

圖 2-14 水平踏板 ... 12

圖 2-15 金屬扣鎖 ... 13

圖 2-17 斜拉桿 ... 14

圖 2-18 各桿件搭接於輪盤上 ... 14

圖 2-19 系統施工架特殊轉角組搭方式 ... 15

圖 2-20 勞工職業災害死亡事件分布圖 ... 16

圖 2-21 施工架職災占總職災分布圖 ... 16

圖 2-22 各型施工架於墜落事件分布圖 ... 16

圖 2-23 災害現場情形 ... 18

圖 2-24 災害現場 ... 19

圖 2-25 螺栓及方型螺帽與桿件滑軌內側凹槽之緊迫方式 ... 20

圖 2-26 發生災害現場 ... 21

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圖 3-3 台灣製八角形立柱之輪盤模型 ... 31

圖 3-4 立柱輪盤強度測試夾具 ... 31

圖 3-5 立柱輪盤抗拉試驗夾具 ... 32

圖 3-6 日本製八角形立柱之輪盤 ... 33

圖 3-7 台灣製八角形立柱之輪盤 ... 33

圖 3-8 台灣製圓形立柱之輪盤 ... 34

圖 3-9 拉拔輪盤之夾具 ... 34

圖 3-10 加壓輪盤之夾具 ... 34

圖 3-11 五十噸萬能油壓機 ... 35

圖 3-12 實驗數據接收電腦 ... 35

圖 3-13 立柱輪盤強度實驗流程圖 ... 37

圖 3-14 立柱輪盤抗拉實驗流程圖 ... 38

圖 4-1 立柱輪盤強度實驗體 A(顯示整體)施加 50KG 之應力圖 ... 40

圖 4-2 立柱輪盤強度實驗體 A(鋼管部分)施加 50KG 之應力圖 ... 40

圖 4-3 立柱輪盤強度實驗體 A(鋼管部分)施加 50KG 之應變圖 ... 41

圖 4-4 立柱輪盤強度實驗體 A(鋼管部分)施加 200KG 之應力圖 ... 41

圖 4-5 立柱輪盤強度實驗體 A(鋼管部分)施加 200KG 之應變圖 ... 42

圖 4-6 立柱輪盤強度實驗體 B(鋼管部分)施加 50KG 之應力圖 ... 42

圖 4-7 立柱輪盤強度實驗體 B(鋼管部分)施加 50KG 之應變圖 ... 43

圖 4-8 立柱輪盤強度實驗體 B(鋼管部分)施加 200KG 之應力圖 ... 43

圖 4-9 立柱輪盤強度實驗體 B(鋼管部分)施加 200KG 之應變圖 ... 44

圖 4-10 立柱輪盤強度實驗體 C(鋼管部分)施加 50KG 之應力圖 ... 44

圖 4-11 立柱輪盤強度實驗體 C(鋼管部分)施加 50KG 之應變圖 ... 45

圖 4-12 立柱輪盤強度實驗體 C(鋼管部分)施加 200KG 之應力圖 ... 45

圖 4-13 立柱輪盤強度實驗體 C(鋼管部分)施加 200KG 之應變圖 ... 46

圖 4-14 A 組立柱輪盤荷重位移圖 ... 49

圖 4-15 B 組立柱輪盤荷重位移圖 ... 49

圖 4-16 C 組立柱輪盤荷重位移圖 ... 49

圖 4-17 立柱輪盤抗拉強度實驗體 A 抗拉試驗施加 200KG 之應力圖 ... 52

圖 4-18 立柱輪盤抗拉強度實驗體 A 抗拉試驗施加 200KG 之應變圖 ... 52

圖 4-19 立柱輪盤抗拉強度實驗體 B 抗拉試驗施加 200KG 之應力圖 ... 53

圖 4-20 立柱輪盤抗拉強度實驗體 B 抗拉試驗施加 200KG 之應變圖 ... 53

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圖 4-22 立柱輪盤抗拉強度實驗體 C 抗拉試驗施加 200KG 之應變圖 ... 54

圖 4-23 A1 試體輪盤下方孔洞剪斷破壞 ... 56

圖 4-24 A3 試體輪盤上方擠壓開裂破壞 ... 57

圖 4-25 B1 試體輪盤下方左側孔洞剪斷破壞 ... 57

圖 4-26 B2 試體輪盤下方右側孔洞剪斷破壞 ... 58

圖 4-27 C1 上方孔洞剪斷破壞 ... 58

圖 5-1 立柱輪盤抗拉強度 O1 抗拉試驗應力圖 ... 62

圖 5-2 立柱輪盤抗拉強度 O1 抗拉試驗應變圖 ... 62

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表目錄

表 2-1 外徑 48.3 MM 鋼管厚度與降伏強度之組合... 25

表 2-2 外徑 48.3 MM 鋁管厚度與降伏強度之組合... 26

表 3-1 輪盤樣式規格 ... 36

表 4-1：立柱輪盤強度實驗體 A 模擬結果數據表 ... 46

表 4-2：立柱輪盤強度實驗體 B 模擬結果數據表 ... 47

表 4-3：立柱輪盤強度實驗體 C 模擬結果數據表 ... 47

表 4-4：立柱輪盤強度測試結果 ... 48

表 4-5：立柱輪盤抗拉強度實驗體 A 模擬結果數據表 ... 55

表 4-6：立柱輪盤抗拉強度實驗體 B 模擬結果數據表 ... 55

表 4-7：立柱輪盤抗拉強度實驗體 C 模擬結果數據表 ... 55

表 4-8 輪盤抗拉強度實驗數據 ... 56

表 5-1 數值模擬模型規格(尺寸、距離單位 MM) ... 60

表 5-2 數值模擬應力應變表 ... 71

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第一章緒論

1.1 前言

國內現今營造業施工中，單管施工架與框式施工架仍為大部分施工單位使用之臨時構造物，但因搭設耗時、防護不易，民國 100 年營造業傷病職災佔整體 35%(營造業 20104 人、整體 57269 人)、失能佔整體 46%(營造業 1783 人、整體 3863 人)、死亡佔整體 32%(營造業 207 人、整體 656 人)。近年來有廠商開始引進系統式施工架，但中華民國國家標準(CNS)與規範中並無對系統式施工架相關規定，且日本僅有日本假設工業會擁有相關驗證過程與文獻，並未納入日本 JIS 標準中，因此本研究以參考系統式施工架安全性評估與測試技術之建立內兩項實驗為範本，對其實驗做數值模擬，以此作依據，再由電腦數值分析互相比對數據以供參考。

1.2 研究動機與目的

系統試施工架在國內現今施工架使用頻繁的營造業中，已逐漸推廣運用，但可供參考之數據仍不多見。

目前系統式施工架主要構件含有可調式基座、立柱、水平桿、斜撐等等，透過日本假設工業會及中國、美國、德國的測試方式探討，對系統式施工架構件進行測試。

為了增加系統試施工架在本國的試用性及實驗數據，本研究在過程中以勞工安全衛生研究所所發行系統試施工架安全性評估與測試技術之建立內容為範本，對新設立倫盤強度試驗、立柱輪盤抗拉強度試驗，以電腦數值分析來做分析比對，使實驗數據更加完善，令實驗數據更加完善，並以所得之參數，模擬不同形式之立柱輪盤，讓業界設計輪盤時有所參考之依據。

1.3 研究方法與步驟

一、本研究將採用下述方式進行研究：

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(二) 現場訪視法

了解目前系統式施工架使用現況與存在之問題，前往使用系統式施工架之工地，

瞭解系統式施工架實際組搭方式與單管、框式組搭方式之差異性。

(三) 實驗驗證法

以電腦數值分析先行模擬，與國外規範做比較，再以實際試驗後數據將前兩者做比對與驗證。

二、本研究之研究步驟如下：

(一) 研究動機與目的 (二) 相關文獻與理論回顧 (三) 收集各國數據

(四) 電腦數值分析

(五) 規劃勞工安全衛生研究所檢測系統式施工架立柱輪盤之方式 (六) 實驗驗證

(七) 比對電腦分析與實驗數據 (八) 建立不同模式之輪盤進行比較 (九) 結論與建議

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1.4 研究步驟與流程

本研究之研究流程如圖 1-1 所示

研究動機與目的

研究方法與流程

材料性質與規格各國規範數據

輪盤實驗數據

相關文獻與資料蒐集

輪盤實驗規畫

選擇檢測之實驗數據

數值模擬模型建立

模擬數據比對

不同形式輪盤模擬

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第二章文獻回顧

2.1 系統式施工架現況

現今在臨時施工場所，所見到大部分都以單管式施工架(圖 2-1)與框式施工架(圖 2-2)為主體，系統式施工架(圖 2-3)在台灣由於使用方便，目前逐漸廣泛。

圖 2-1 單管式施工架

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圖 2-2 框式施工架

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系統式施工架起源於系統式支撐架(圖 2-4)，系統式支撐架本為使用在支撐須組立之大型結構物或結構物灌漿支撐模板上，由於組裝容易、穩定性、組拆效率高，收納方便，國內已有廠商應用在許多地方，也因為有人發現其使用上之優勢，將其使用在於方便施工人員工作之施工架上。系統式施工架特性為穩定性高、組裝拆卸速率高、

運輸便利、容易儲存，已於許多場所可見，例如以系統式施工架搭設勞工臨時休息棚架(圖 2-5)、演唱會臨時舞台搭設(圖 2-6)、以系統式施工架作為橋面板支撐(圖 2-7)。皆可以看出系統式施工架所具有的多功能用途。

圖 2-4 系統式支撐架

(圖片來源：網路、中國無錫速接系統模板有限公司)

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圖 2-5 系統架作為勞工休息棚架 (圖片來源：台塑關係企業管理處)

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圖 2-7 橋面板支撐

2.2 各型施工架搭接方式

2.2.1 單管式施工架與其搭接方式

單管式施工架連接方式是利用萬向連結器如圖 2-8 搭接鋼管建其架構，再與各項金屬配件搭配組合而成為單管施工架。萬向連結器因其設計方式使鋼管與鋼管之間能以全方位作旋轉如圖 2-9，使單管式施工架在組裝能依現場結構狀況改變其角度與鋼管長度調整如圖 2-10，靈活性極高，但因搭接耗時且單管式施工架接點組件過於多，在本體結構上形成許多潛在的破壞點，穩定度低且強度控制不易，需有經驗的工作人員來做組搭與拆卸，使得單管式施工架在現今需臨時工作平台場所已較少使用。

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圖 2-8 萬向連接器

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圖 2-10 依現場結構狀況組立圖

2.2.2 框式施工架與其搭接方式

框式施工架連接方式是以門型立架(圖 2-11)上之扣釘插銷(圖 2-12）扣入交叉拉桿 (圖 2-13）與水平踏板(圖 2-14）之金屬扣鎖(圖 2-15）作為兩座門型立架連結，再與各項金屬配件搭配組合而成框式施工架。上述所言之連接構件，因門框式之設計與框式施工架之桿件長度限制，使框式施工架在組立時，只能朝一方向組立，若遇施工面有轉角或特殊形狀，則需另外連接單管施工架來使工人能在施工面上工作，若遇連續組搭層數，通常無法滿足結構內部高度，但因框式施工架較單管式施工架的組搭可靠度高與簡易，且支撐強度大，所需技術與勞力較少的優點，國內現今仍常使用。

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圖 2-11 門型立架

圖 2-12 交叉拉桿扣釘

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圖 2-13 交叉拉桿

圖 2-14 水平踏板

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圖 2-15 金屬扣鎖

2.2.3 系統式施工架與搭接方式

系統式施工架連接方式是以各桿件(橫桿如圖 2-16、斜拉桿如圖 2-17)上之插銷，

插入立柱之輪盤(圖 2-18）上來做連接的動作，再與各項金屬配件搭配而組搭成系統式施工架。由於是各桿件銜接於立柱之輪盤上，輪盤依廠商設計可水平四方位、八方位、

甚至 360 度搭接，因此若遇形狀特殊之工作面或結構，則可改變其組搭形式如(圖 2-19）

所示，系統式施工架相較於框式施工架組搭彈性高，組裝與穩定性又較單管式施工架高，因此國內廠商接受度漸漸提昇。

圖 2-16 橫桿

(圖片來源：行政院勞委會勞工安全衛生研究所)

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圖 2-17 斜拉桿

圖 2-18 各桿件搭接於輪盤上

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圖 2-19 系統施工架特殊轉角組搭方式

2.3 職災案例回顧

近年來施工架主要職災發生因素，由民國九十九年度營造業重大職災案例可看出，不外乎是倒崩塌與墜落之災害，其職災造成之原因大部分為搭設不當或人為疏失所造成的。

民國九十九年度營造業重大職災[2]案例中，共發生一百二十九件勞工職業災害死亡案件如圖 2-20 所示，直接或間接因施工架所造成之職災共有二十二件如圖 2-21 所示。在施工架職業災案件當中，墜落十九件、倒崩塌三件，墜落與倒崩塌事件各型施工架所佔的數目如圖 2-22 所示。其中墜落事件內有四件職業災害是因建築結構外觀或

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圖 2-20 勞工職業災害死亡事件分布圖

圖 2-21 施工架職災占總職災分布圖

總職災 124 件

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以下為幾則勞工因施工架無完整裝備必要的安全衛生設施或因沒符合法規規範施做，導致墜落災害案例（資料來源：行政院勞委會）

2.3.1 從事懸臂施工架清潔作業發生墜落死亡重大職業災害

災害發生經過

罹災者呂○○及王○○2 人於 5 樓底版高度之懸臂施工架，從事打掃三角架上之夾板作業，因未依實際載重設計托架（托架數量不足）及構件中螺栓開口未達標準邊距，致固定於 5 樓底樓版第 3 與第 4 陽台之間之三角托架所承受自上方重量（包括施工架、施工人員等重量）而產生構件斷面拉裂及挫屈變形，第 3 與第 4 陽台之間之 8 支三角托架全部陷落到地面，造成罹災者呂○○等 2 名勞工隨 8 支三角托架全部陷落，

墜落高度約 16.25 公尺，導致罹災者呂○○當場死亡，另王○○經送醫途中不治死亡如圖 2-23 所示。

原因探討

(一)直接原因：因三角托架支撐力不足倒塌，造成勞工墜落致死。

(二)間接原因：不安全狀況：

1、對於高度 5 公尺以上施工架之構築，未由專任工程人員或指定專人事先依預期施工時之最大荷重，依結構力學原理妥為安全設計，並簽章確認強度計算書。

對於前項施工架之構築，未繪製施工圖說，且未建立按施工圖說施作之查核機制。

2、對於施工架未經常予以適當之保養並維持各部分之牢穩。

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圖 2-23 災害現場情形 (圖片來源：行政院勞委會)

從此職災中可以得知，三角托架因未依結構力學原理果為安全設計，使三角托架支撐力不足倒塌，造成勞工墜落致死，可看出依照結構力學原理設計之重要性，而系統式施工架之立柱輪盤為各桿件搭接處之節點，其強度與設計規劃更要重視。

2.3.2 從事結構補強作業因施工架倒塌發生墜落職業災害災害發生經過

A 公司 A 棟結構補強工程再承攬人 C 公司 99 年 1 月 1 日勞工於該棟 1 樓庫房從事 1 樓頂板（2 樓機台下方）結構補強作業，約於下午 2 時 54 分進行施工時，因作業用搭設之懸吊式施工架之桿件連結構件迫緊處鬆脫而倒塌，4 名作業勞工自約離地 4.2 公尺高該施工架工作平台墜落，其中 3 名勞工墜落至地面，另 1 名勞工吊掛在半空中，當時由 C 公司在場共同作業之 2 名勞工先進行搶救，隨後 A 公司人員到場進行搶救，並隨即將 3 名傷者送往 A 醫院急救治療，另 1 名傷者送往 B 醫院急救治療。

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原因探討

未指導協助再承攬人選任合格之施工架組配作業主管，致未設置施工架組配作業主管。因雇主對於懸吊式施工架之組配作業，未指定施工架組配作業主管於作業現場，

辦理維持作業勞工安全衛生所必要之設備及措施，導致雇主使勞工於懸吊式施工架上從事樓板結構補強作業時，未能供給足夠強度之工作平台。

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圖 2-25 螺栓及方型螺帽與桿件滑軌內側凹槽之緊迫方式 (圖片來源：行政院勞委會)

此次勞安事件因桿件聯結構件迫緊處鬆脫而倒塌，亦為未能供給足夠強度之工作平台，使工作人員從高處落下，由(圖 2-25)可看出其設計之方式以緊迫來做固定，若再加施工人員之重量，則使桿件滑軌更容易變形，此種形式之設計令人想起美國百貨公司內部天橋倒塌事件，皆因設計不良導致崩塌。

2.3.3 從事模板作業因未設安全防墜設備發生墜落致死職業災害災害發生經過

99 年 12 月 19 日下午 15 時 40 分許，○○工程有限公司勞工林○○至地下 2 樓模板支撐架上拿活動扳手時，因該處未設安全防墜設施及上下設備，導致勞工林○○由該處墜落至地面，經緊急通報消防局後，發現罹災者已經死亡。

原因探討

探討墜落災害發生之原因，因雇主未設置護欄、護蓋及上下設備，也因雇主未對勞工實施在職教育，令罹災者利用系統式支撐架立柱輪盤與水平桿件，作為上下移動之設備。

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圖 2-26 發生災害現場 (圖片來源：行政院勞委會)

圖 2-27 未設上下設備及安全防護 (圖片來源：行政院勞委會)

此次事件為最類似系統式施工架所產生之勞安事故，其系統模式皆為系統式施工架組搭模式，僅因構件尺寸不同，從此事件中雖未因輪盤強度或其構件設計強度產生職災，但也因輪盤設計於立柱上之間隔，讓勞工做為攀爬上下移動之工具，導致職災

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做警惕，而輪盤又為系統式施工架之樞紐所在，因此立柱輪盤研究有其必要性。

2.4 文獻回顧

對於系統式施工架相關資料，在各國文獻中，可有許多供為參考，在本國少有文獻，以下為系統式施工架相關文獻與規範。

美國 1970 年之職業安全衛生法案(The Occupational Safety and Health Act of 1970)

賦予職業安全衛生署(Occupational Safety and Health Administration, 簡稱 OSHA)保護美國勞工之權責。與施工架相關者為第 29 號聯邦規範 1926 節之 L 子節(Title 29 of the Code Federal Regulations (CFR) Part 1926, Subpart L)「營造業施工架使用指引」(A Guide to Scaffold Use in the Construction Industry)。其中對以下項目有明確要求：

(一) 基礎：施工架基礎需平整且足以支撐受載重後之施工架，腳柱、立柱等須設置於底板上。

(二) 承載力：施工架及其構件須能承受設計載重的 4 倍，懸吊式施工架須能承受設計載重的 6 倍。

(三) 訓練：雇主須對在施工架上工作之人員進行訓練，使其了解可能危害及控制危害之流程。

(四) 檢查：每日工作前及發生可能影響施工架結構完整性之事故後，施工架及其構件須經具足夠能力之人員檢查，確認無明顯可見之缺陷後方可使用。

(五) 組拆：組拆施工架時，須由具足夠能力之人員確認組拆過程中有適當的上下裝置及墜落防止設施。

指引的附錄 A 中，有針對鋼管施工架構件尺寸的規範，在該表中對立柱及水平桿之尺寸要求為外徑至少 1.9 英吋(48.3 mm)。

美國施工架國家標準為 ANSI A10.8(Safety Requirements for Scaffoldings)[4]的第九章乃針對系統式施工架構件的圖示說明(如圖 2-28)。

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圖 2-28 ANSI A10.8 中系統式施工架主要構件圖示除圖示外，該標準對系統式施工架有以下要求：

(一) 組立之施工架須能承受自重加上至少 4 倍的最大設計載重，立柱及水平桿之間距須滿足前述安全係數之要求。須參考製造商、供應商所提供資料以及專

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(三) 立柱須維持鉛直，水平桿須保持水平。

(四) 當使用護欄時，中欄杆下方的水平桿可移除，但護欄系統拆除後，必須加裝水平桿。水平桿之垂直間距不得超過 7 英尺。

(五) 組立之系統式施工架須依製造商提供之資料設置垂直斜桿，以提供足夠剛性。

(六) 須依製造商提供之資料於最底部設置水平斜桿，或以其他適當之方式維持底部方正，並提供足夠剛性。

(七) 每一層之連接點需確實固定後方可進行下一層之組立。

(八) 當可能發生上浮脫落時，立柱間應以插銷或其他同等功能之方式固定。

(九) 應依第 4 章第 6 節要求設置護欄系統，並依第 4 章第 6 節第 8 條設置安全幕。

(十) 須依第 4 章第 19 節要求設置上下裝置。

(十一) 當施工架高度超過底部最小寬度的 4 倍時，須設置壁連桿，第一組的壁連桿須設置於此高度，之後須以一定之垂直間距，依序設置壁連桿。垂直間距之要求如下：

1. 施工架寬度 3 英尺以下者，每 20 英尺設置。

2. 施工架寬度 3 英尺以上者，每 26 英尺設置。

水平斜桿之垂直間距不得大於 30 英尺，最上層之水平斜桿之設置位置不得低於施工架高度減去 4 倍之施工架寬度。連桿設置需能防止施工架向結構物或向外傾倒。

(十二) 踏板之最大長度須符合第 5 章第 2、3、4 節之要求，同時必須與最大容許載重一致。

(十三) 系統式施工架於可調基座以上之高度如超過 125 英尺，須由具證照之合格專業工程師設計，現場需留存施工圖及規格以備檢查用。

(十四) 系統式施工架之組拆須在具足夠能力人員監督下，由受過訓練之施工架組拆人員進行。

(十五) 不得混用不同製造商生產的系統式施工架構件。

(十六) 組立前，所有構件須經合格人員檢查，損壞及變形之構件不得使用，且須由現地移除。

(十七) 組拆及更改施工架時，需使用製造商或供應商建議使用之工具。

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(十八) 拆除施工架時，壁連桿位置以上之所有構件須全部拆除後，方可拆除壁連桿。

在美國國家標準 ANSI A10.8-2001 內要求，施工架及其構件必須能承受設計載重的 4 倍與系統式施工架構件圖示，並未提及有關於輪盤規格之要求。

在英國國家標準中與施工架相關法規為 BS EN 12810 以及 BS EN 12811，其中 BS EN 12810(Façade scaffolds made of prefabricated components)[5][6]主要專門敘述預鑄構件之工作架部份；然而 BS EN 12811(Temporary works equipment)[7]則是針對所有的臨時構造物設備來做規範。在英國國家標準中並未單一對系統施工架提出構造標準，但對於立柱輪盤，與 BS EN 12810 所標示之預鑄零件類似。

在 BS EN 12810 標准中，內容有要求管壁厚薄度與相對材料要求，鋼管壁較薄者應採用較強的鋼料，表 2-1 為外徑 48.3mm 鋼管之規格要求，厚度在 2.7mm≦t＜2.9mm 者，其降伏強度須在 315 N/mm²以上，厚度大於 2.9mm 之鋼管，其降伏強度則需大於 235N/mm²，而表 2-2 為外徑 48.3mm 鋁管之規格要求，厚度在 3.2mm≦t＜3.6mm 者，

其降伏強度須在 250 N/mm²以上，厚度在 3.6mm≦t＜4mm 者，其降伏強度須在 215 N/mm²以上，厚度大於 4mm 之鋼管，其降伏強度則需大於 195N/mm²以上。

表 2-1 外徑 48.3 mm 鋼管厚度與降伏強度之組合

鋼管厚度 t mm

最低降伏強度 N/mm2

2.7≦t＜2.9 315

t≧2.9 235

(36)

表 2-2 外徑 48.3 mm 鋁管厚度與降伏強度之組合鋁管厚度 t

mm

最低降伏強度 N/mm2 3.2≦t＜3.6 250 3.6≦t＜4.0 215

t≧4.0 195

在 BS EN 12811 中針對各種形式臨時結構物之構件，對於底板、可調式基座、踏板等等，提供相關規範。而 BS EN 128710 中亦有規定製造廠商必需提供其生產之產品使用手冊，對於手冊需填加之內容亦詳加規定。在英國國家標準中，並未對系統式施工架之輪盤提出任何規格與規定。

在日本「仮設工業会、経年仮設機材の管理に関する技術基準と解説[8]、仮設機材構造基準とその解說[9]」內提到，對立柱輪盤實驗之方式與要求立柱上之輪盤板厚度為 5.7mm(6.0±0.3mm)以上。

在中華人民共和國行業標準-建築施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術規程[10]內容有提及：

(一) 插銷外表面應與水平桿和斜桿桿端扣接頭內表面吻合，插銷連接應保證錘擊後不拔脫，抗拔力不得小於 3kN。

(二) 桿件焊接處有效焊縫高度不應小於 3.5mm，輪盤材質需達 ZG230-450 或 Q235B。

(三) 輪盤抗剪承載力設計值須超過 45000N，且須大於作用在輪盤上的垂直集中載重。

(四) 鑄鋼或鋼板熱鍛製作的輪盤之後度不應小於 8mm。

(五) 鋼板沖壓製作的輪盤厚度不應小於 10mm。

(六) 輪盤與立柱焊接固定時，輪盤盤心與立柱軸心的不同軸度不應大於 0.3mm。

(七) 以單側邊連結輪盤外邊緣處為測點，盤面與立柱縱軸線正交的垂直度不應大

(37)

(八) 輪盤孔孔徑不應大於 14mm。

(九) 輪盤具有一定的抗扭轉能力，其扭轉鋼度可取 8.6*10⁷N＊mm/rad

2007 年陰可與黃強[11]針對插銷式系統施工架進行節點焊道裂縫的穩定性分析，

發現焊道裂縫在極限荷載時並不會擴展，破壞模式仍然是立柱部份降伏變形。

2008 年簡斌等人[12]針對同型式之系統式施工架進行安全性能試驗，該研究發現在正常工作狀況下，插銷不會自動滑出，而且節點(輪盤)不會先於立柱破壞；另外節點處(輪盤)的鋼性對極限承載力有很大的影響。

2008 年姜旭等人[13]對另一型式的系統式施工架（插盤式）進行試驗及數值模擬，

發現該型式之系統施工架承載力高，可滿足超高層、大跨度結構施工時之要求，另外實驗結果與數值模擬結果的比較顯示有線分析模型的可行性。

2008 年葉志彥[14]等人於同年也對相同形式的系統施工架進行計算理論的研究，

由該研究結果得到一簡易可行之設計公式。

2009 年 Peng[15]等人對系統施工架進行分析與實際尺寸試驗，結果顯示未加斜桿的系統式施工架強度等同於傳統的框式施工架，加上斜桿後，可有效增加其強度；另外，施工架的強度隨高度增加而減少。

2010 年張智奇[16]對系統式施工架建立安全性評估與測試技術，從中可了解立柱輪盤抗壓實驗與立柱輪盤抗拉實驗數據與破壞模式，更進一步得知不同形式之立柱輪盤，其撕裂破壞模式不同，強度亦不同，實際驗證有其必要性，且要求輪盤全周焊以確實保證安全。

2008 年王郁傑[17]對施工架水平踏板做性能測試與分析，從中可了解數值模擬與實際實驗可互相應證，且以線性模擬對其試體做推估，且破壞位置皆與數值模擬應力最大處相同。

(38)

第三章研究方法

3.1 有限元素法

有限元素在工程業已有超過一百年以上歷史的應用，其發展上是以結構矩陣分析之方式為開端，以樑與桁架結構為主的鋼構上應用，如今有線元素法以推廣至很多的物理領域應用。

時代進展快速的現今，已發明出電算機，也就是人稱之電腦，使用電腦快速運算的能力用於有限元素法之電腦輔助分析，經由電腦快速運算的結果，求得結構設計上不斷的改進，因此常被用來作為設計上的計算與分析。設計工程師可利用在電腦上模擬結構物在受外力作用後所產生的應力與應變情況，並可以計算結構物在動態方面如頻率與其他特性，設計工程師可以應用電腦快速計算分析得到的結果來判斷產品設計的可行性與其破壞情況。因此運用電腦輔助分析可以提高結構物產生的品質與良率，

再現今此一分析法，在各界已有極高認同與使用。

目前有線元素法所運用的領域有限性結構力學、非線性結構力學、流體力學、熱力學、結構動力學等等，是以將物體，分割成不同等分、大小、區域、種類之有限元素，再利用各元素組合系統的元素，築構成系統方程式，再將系統方程式求解得到最後的答案。

3.2 有限元素法於 ANSYS 上之使用

ANSYS 是以有限元素法來做分析之軟體，其在目前業界所廣為運用，ANSYS

是由 CAE 供應商美國 ANSYS 公司所製造出的有限元素分析程式，主要用於結構、熱、

流體和電磁四大物理場獨立或耦合分析。在結構方面，ANSYS 可以計算結構的應力與應變、幾何與材料非線性分析、接觸分析、靜態分析、動態分析、自然頻率分析、挫屈分析與拓樸最佳化等。

ANSYS 分析作業處理流程可分為三部份：

一、前置處理 1.輸入材料特性。

2.輸入節點、座標資料、元素內節點排列次序。

(39)

3.輸入邊界條件。

4.輸入負荷條件。

5.元素切割產生。

二、解題程式

1.元素勁度矩陣計算［K］。 2.全域負荷向量之組合［F］。

3.線性代數方程式［K］［U］=［F］。

4.資料反算求應力、應變、反作用力等。

三、後製處理

搭配前置處理將所求得的答案應力、位移、反力等等資料，用圖像以各種不同表示方式表達出來，如變位圖、應力圖、等變位圖等。

3.3 有限元素法模型建立

在 ANSYS 程式裡，建立模型的方式有兩種，分別為直建立法與間接建立法。

本研究所使用之模型建立法為間接建立法（自動網格），此建立法對於複雜的系統

較有效，他是利用點、線、面積、體積所組合而成的。

其次要選擇的則是元素，本實驗所選擇之元素為 SOLID92，此款元素適用於不規則模型的網格化，其由十個節點所組成，而每節點具有 X、Y、Z 三方向位移的自由度，使得 SOLID92 具有塑性、潛變、膨脹、應力強化、大變形、大應變之特性，因此選擇 SOLID92 作為立柱之輪盤模擬與夾具模擬之元素，以下為立柱輪盤與夾具之實體模型如圖 3-1、3-2、3-3、3-4、3-5 所示。

(40)

圖 3-1 日本製八角形立柱之輪盤模型

圖 3-2 台灣製圓形立柱之輪盤模型

(41)

圖 3-3 台灣製八角形立柱之輪盤模型

(42)

圖 3-5 立柱輪盤抗拉試驗夾具

3.4 實驗規劃與機具介紹

3.4.1 實驗夾具與實驗工具

我國屬於亞洲國家，社會型態與日本極為相似，系統式施工架許多桿件與鋼

管式施工架極為相似，但因立柱輪盤為立柱與水平桿、斜撐銜接之處，並且水平桿上會銜接水平踏板，在水平踏板上重量由立柱輪盤傳遞至立柱上，而不像框式施工架完全焊接在立柱上，由於三家廠商之輪盤型式皆不相同，其孔洞之樣式亦有所差異，故將其規格比較列於表 4。本實驗利用行政院勞委會勞工安全衛生研究所已有的鋼構與場地進行實驗。

測試所需機具設備如下：

一、日本製八角形立柱之輪盤(圖 3-6) 二、台灣製八角形立柱之輪盤(圖 3-7) 三、台灣製圓形立柱之輪盤(圖 3-8) 四、50 噸油壓機(圖 3-9)

五、加壓輪盤之夾具(圖 3-10)

(43)

六、拉拔輪盤之夾具(圖 3-11) 七、實驗數據接收電腦(圖 3-12)

圖 3-6 日本製八角形立柱之輪盤

(44)

圖 3-8 台灣製圓形立柱之輪盤

圖 3-9 拉拔輪盤之夾具

圖 3-10 加壓輪盤之夾具

(45)

圖 3-11 五十噸萬能油壓機

(圖片來源：行政院勞委會安全衛生研究所)

(46)

3.4.2 實驗流程

（一）立柱輪盤強度試驗

實驗方式為測試輪盤之強度，在實際進行實驗測試前，需先檢查試驗體輪盤是否已變形或受損，以防止因測試條件不同而產生錯誤之試驗結果，以及紀錄輪盤之樣式如表 3-1 所示，再由三種外型不同之立柱上各裁切出三段輪盤，裁切為輪盤上方 10cm 處，輪盤下方 20cm 處所示，再將夾具組搭至油壓機上方對輪盤以位移的方式剪斷，壓至破壞時記錄其所需要之荷重。流程圖如圖 3-13 所示。

表 3-1 輪盤樣式規格

A(圖 3-6) B(圖 3-7) C(圖 3-8)

輪盤外型八角八角圓

輪盤大小 120mm 122mm 122mm

立柱管厚 2.5 2.5 2.5

輪盤厚度 8.4mm 6mm 8mm

材質鑄鐵金屬板切割金屬板切割

孔洞數量 8 8 8

(47)

圖 3-13 立柱輪盤強度實驗流程圖

(48)

（二）立柱輪盤抗拉試驗

此實驗方式為測試輪盤受側向拉力之強度，在實際進行實驗測試前，需先檢

查試驗體輪盤是否已變形或受損，紀錄輪盤樣式如表 3-1，再由三家廠商之立柱上各裁切出三段輪盤，其裁切之位置在輪盤上下方各 10cm 處。接著組立夾具於機台上並將輪盤放置於夾具上，將插銷放入夾具孔洞與輪盤中心直徑兩端且有標誌處的孔洞中，進行拉拔試驗直至輪盤破壞為止。由於三家廠商之輪盤型式皆不相同，其孔洞之樣式亦有所差異。流程圖如圖 3-14 所示。

圖 3-14 立柱輪盤抗拉實驗流程圖

(49)

第四章實驗數據結果

4.1 立柱輪盤強度試驗

4.1.1 有限元素法線性靜力分析

本研究對系統式施工架之立柱輪盤部分進行強度試驗，因此在實驗前先以有限元素法分析其力學行為，利用線性靜力分析，以材料降伏強度，先行找出立柱輪盤實驗時，可能破壞之位置與實驗之可行性。

首先建立模型前，所選用之元素為 SOLID92，而分析時所使用之單位尺寸為公厘 (mm)，施力單位為公斤(kg)，材料性質為一般鐵亦同於 CNS-SS400 鋼材，因所選用之單位設定，所以在設定材料性質上，須以同單位設定，揚氏系數為 2.08*10⁷kg/mm²，柏松比為 0.3。

本研究分析之輪盤有三種不同款式，因此對三種不同款式之立柱輪盤進行建模，

模型規格如圖，其中輪盤與鋼管連結處以 GLUE 之方式來做連結，再分別以 50kg、

100kg、200kg、400kg、600kg、800kg、1000kg 對立柱輪盤強度試驗進行模擬，瞭解立柱輪盤的變位、應力、應變之行為。

在邊界條件之設定上，在鋼管與下方平台交界處對 Z 方向做鎖定，在輪盤上方以實際夾具圓管上方設以上述下壓之力，夾具圓管與輪盤交界處以 GLUE 之方式建立。

下列為立柱輪盤使用有限元素分析，因輪盤焊道倒角部分在材料性質方面，無法了解其材料性質(彈性模數、柏松比)，僅了解若母材為 SS400，則焊條焊材須為 E60 級(抗拉強度 Fu 最低 4200kg/cm²，降伏強度 Fy 最低 3360kg/cm²)高於母材，兩者混和後強度幣高於母材，因此對於輪盤周邊焊道應力應變圖(圖 4-1)不進行參考，進而單獨拉出遠低於焊道強度之鋼管應力應變圖（圖 4-2 至圖 4-13）。

(50)

圖 4-1 立柱輪盤強度實驗體 A(顯示整體)施加 50kg 之應力圖

圖 4-2 立柱輪盤強度實驗體 A(鋼管部分)施加 50kg 之應力圖

(51)

圖 4-3 立柱輪盤強度實驗體 A(鋼管部分)施加 50kg 之應變圖

(52)

圖 4-5 立柱輪盤強度實驗體 A(鋼管部分)施加 200kg 之應變圖

圖 4-6 立柱輪盤強度實驗體 B(鋼管部分)施加 50kg 之應力圖

(53)

圖 4-7 立柱輪盤強度實驗體 B(鋼管部分)施加 50kg 之應變圖

(54)

圖 4-9 立柱輪盤強度實驗體 B(鋼管部分)施加 200kg 之應變圖

圖 4-10 立柱輪盤強度實驗體 C(鋼管部分)施加 50kg 之應力圖

(55)

圖 4-11 立柱輪盤強度實驗體 C(鋼管部分)施加 50kg 之應變圖

(56)

圖 4-13 立柱輪盤強度實驗體 C(鋼管部分)施加 200kg 之應變圖

由分析結果可以發現，當立柱輪盤受到 Z 方向的力，其最大應力與應變皆為輪盤與鋼管之交接處，最大位移量是在輪盤外端處，再將模擬數據整理如下表 4-1 至 4-3。

表 4-1：立柱輪盤強度實驗體 A 模擬結果數據表

施力（kg） 50 100 200 400 600 800 應力

（kgf/mm2） 0.285635 0.57127 1.145 2.286 3.429 4.572 應變 2.04E-08 4.09E-08 8.19E-08 1.64E-07 2.45E-07 3.27E-07 實驗體 A 在模擬時材料降伏強度參數為 24.983kgf/mm²，所以施加力大約在 4373kg 時應力值已達到 24.983 kgf/mm²，因此推估當施力為 4373kg 時，將會達到降伏，

再以此電腦線性模擬分析之數據與實驗數據做比對。

(57)

表 4-2：立柱輪盤強度實驗體 B 模擬結果數據表

施力（kg） 50 100 200 400 600 800 應力

（kgf/mm2） 0.226707 0.453413 0.907208 1.814 2.722 3.629 應變 1.63E-08 3.27E-08 6.54E-08 1.31E-07 1.96E-07 2.62E-07

實驗體 B 在模擬時材料降伏強度參數為 24.983kgf/mm²，所以施加力大約在 5509kg 時應力值已達到 24.983 kgf/mm²，因此推估當施力為 5509kg 時，將會達到降伏，

表 4-3：立柱輪盤強度實驗體 C 模擬結果數據表

施力（kg） 50 100 200 400 600 800 應力

（kgf/mm²） 0.166775 0.3337 0.667342 1.335 2.003 2.67 應變 1.09E-08 2.17E-08 4.34E-08 8.69E-08 9.69E-08 1.74E-07 實驗體 C 在模擬時材料降伏強度參數為 24.983kgf/mm²，所以施加力大約在 7486kg 時應力值已達到 24.983 kgf/mm²，因此推估當施力為 7486kg 時，將會達到降伏，

從實驗體 A 與實驗體 C 模擬數據中可發現，兩者皆為厚度 8mm 之輪盤，卻因其設計輪盤之孔洞大小、開孔處至鋼管與輪盤搭接觸的距離而有所影響，使兩者同一處應力、應變數據不同。而實驗體 B 因其厚度為 6mm 之輪盤，使之受同一施加力所產生之應力、應變數值略大於另兩種實驗體。

4.1.2 立柱輪盤實驗數據

由之前的表 3-1 與各廠輪盤之形狀、孔洞與輪盤大小的樣式與材料性質。各類型試體壓測完畢後，各試體破壞之類型分為兩種：

1. 立柱鋼管變形

(58)

（電腦車床）或雷射等高精密儀器裁切，因精準度不夠，導致立柱切口並未與輪盤成水平狀態，令夾具加壓於輪盤時單邊受力，而使之輪盤歪斜。立柱變形實驗體破壞位置，皆為輪盤下方一公分處之鋼管上，壓測實驗體之數據如表 4-5，強度皆為 20 噸以上，可以從中推估出，立柱與輪盤搭接觸強度皆大於 20 噸，可以看出全周焊之效果。

表 4-4：立柱輪盤強度測試結果

實驗樣品銜接方式輪盤厚度

(mm)

厚度基準值(mm) 荷重、強度(kg) 平均值

A1

皆為全周焊符合 E60 焊道

標準

8.42

6± 0.3 以上

22044

21292.667

A2 8.39 21550

A3 8.44 20284

B1 6.34 22521

22931.667

B2 6.25 23047

B3 6.07 23227

C1 8.16 24982

25302

C2 8.05 25020

C3 8.12 25904

在實驗過程中，電腦所顯示之荷重位移圖中發現，其中 A1(圖 4-14)線條前端部分與其他線條不同，經實驗後觀測其實驗體，發覺是因夾具先壓至焊接處的突起塊而導致的，其他線條(圖 4-15、4-16)則可以看出，皆無曲線達到立柱輪盤破壞強度，仍可持續加壓，但因荷重無上升走勢，避免實驗體破壞後彈出，導致人或機械受到傷害，便停止加壓。而切口少許歪斜之 A3 實驗體與 C2 實驗體在荷重位移圖中，並無與其他同廠之線條不同，表示切口少許歪斜影響不大。

(59)

荷重-位移(A)

0.00E+00 5.00E+03 1.00E+04 1.50E+04 2.00E+04 2.50E+04

0.00E+00 2.00E+00 4.00E+00 6.00E+00 8.00E+00 1.00E+01 位移(mm)

荷重(kgf) A1

A2 A3

圖 4-14 A 組立柱輪盤荷重位移圖

荷重-位移(B)

0.00E+00 5.00E+03 1.00E+04 1.50E+04 2.00E+04 2.50E+04

0.00E+0 0

2.00E+0 0

4.00E+0 0

6.00E+0 0

8.00E+0 0

1.00E+0 1 位移(mm)

荷重(kgf) B1

B2 B3

圖 4-15 B 組立柱輪盤荷重位移圖

荷重-位移(C)

0.00E+00 5.00E+03 1.00E+04 1.50E+04 2.00E+04 2.50E+04 3.00E+04

荷重(kgf) C1

C2 C3

(60)

在數值模擬與實驗數據之比對下，可得到以下幾點結論：

1. 數值模擬實驗體 A 與 C 之比對下，發現輪盤在同樣厚度下構造型式之不同，

將會影響立柱輪盤強度。

2. 數值模擬顯示，輪盤最大應力於立柱與輪盤搭接處，可推估其破壞處為此，但因焊材與母材兩者材料混合後產生之焊道，以焊材須符合 E60 級，焊道強度必定大於 SS400 一般鐵，卻因材質混合無法推估焊道材料性質，因此只顯示鋼管之處應力與其分部，發現與實驗破壞模式相同。

3. 數值模擬推估達降伏強度之荷重與實驗數據不符，其原因在於此分析以線性外差法做為一推估值，但模擬出應力最大處與實際實驗破壞處相近，所以仍須以實驗之方式來判定破壞強度為何。

(61)

4.2 立柱輪盤抗拉強度試驗

4.2.1 有限元素法線性靜力分析

本研究對系統式施工架之立柱輪盤部分進行抗拉強度試驗，因此在實驗前先以有限元素法分析其力學行為，利用線性靜力分析，以材料抗拉強度，先行找出立柱輪盤抗拉強度實驗時，可能破壞之位置與實驗之可行性。

首先建立模型前，仍如同前項實驗所選用之元素為 SOLID92，而分析時所使用之單位尺寸為公厘(mm)，施力單位為公斤(kg)，材料性質為一般鐵亦同於 CNS-SS400 鋼材，因所選用之單位設定，所以在設定材料性質上，須以同單位設定，揚氏系數為 2.08*10⁶kg/mm²，柏松比為 0.3。

本研究分析之輪盤有三種不同款式，因此對三種不同款式之立柱輪盤進行建模，

模型規格如圖，其中輪盤與鋼管連結處以 GLUE 之方式來做連結，再分別以 50kg、

100kg、200kg、400kg、600kg、800kg 對立柱輪盤抗拉強度試驗進行模擬，瞭解立柱輪盤的變位、應力、應變之行為。

在邊界條件之設定上，在輪盤孔洞 X 軸相對兩端孔洞施加應力，因未對試驗體做邊界條件之限制，會使數值模擬試驗體產生扭轉之效果，導致位移量暴增，因此位移量在此不做考慮。下列為立柱輪盤拉拔使用有限元素分析，進行分析後之結果如下圖 4-17 至圖 4-22 所示。

(62)

圖 4-17 立柱輪盤抗拉強度實驗體 A 抗拉試驗施加 200kg 之應力圖

圖 4-18 立柱輪盤抗拉強度實驗體 A 抗拉試驗施加 200kg 之應變圖

(63)

圖 4-19 立柱輪盤抗拉強度實驗體 B 抗拉試驗施加 200kg 之應力圖

(64)

圖 4-21 立柱輪盤抗拉強度實驗體 C 抗拉試驗施加 200kg 之應力圖

圖 4-22 立柱輪盤抗拉強度實驗體 C 抗拉試驗施加 200kg 之應變圖

(65)

由分析結果可以發現，當立柱輪盤兩端孔洞各受到 X 方向的拉力，其最大應力與應變皆為孔洞施力端處，在將模擬數據整理如下表 4-5 至 4-7。

表 4-5：立柱輪盤抗拉強度實驗體 A 模擬結果數據表

施力（kg） 50 100 200 400 600 800 應力（kgf/mm2） 7.398 14.8 29.601 59.198 88.798 118.394

應變 4.62E-06 9.25E-06 1.85E-05 3.70E-05 5.55E-05 7.40E-05 實驗體 A 在模擬分析時拉拔強度參數為 40.789kgf/mm²，所以施加力大約在 275.67kg 時應力值已達到 40.789kgf/mm²，因此推估當施力為 275.67kg 時，將會達到降伏，再以此電腦線性模擬分析之數據與實驗數據做比對。

表 4-6：立柱輪盤抗拉強度實驗體 B 模擬結果數據表

施力（kg） 50 100 200 400 600 800 應力（kgf/mm2） 2.256 4.512 9.025 18.049 27.074 36.099

應變 1.41E-06 2.82E-06 5.64E-06 1.13E-05 1.69E-05 2.26E-05 實驗體 B 在模擬分析時拉拔強度參數為 40.789kgf/mm²，所以施加力大約在 904.01kg 時應力值已達到 40.789kgf/mm²，因此推估當施力為 904.01kg 時，將會達到降伏，再以此電腦線性模擬分析之數據與實驗數據做比對。

表 4-7：立柱輪盤抗拉強度實驗體 C 模擬結果數據表

施力（kg） 50 100 200 400 600 800 應力（kgf/mm2） 3.07 6.14 12.279 24.56 36.841 49.121

應變 1.92E-06 3.84E-06 7.67E-06 1.54E-05 2.30E-05 3.07E-05 實驗體 C 在模擬分析時拉拔強度參數為 40.789kgf/mm²，所以施加力大約在 664.32kg 時應力值已達到 40.789kgf/mm²，因此推估當施力為 664.32kg 時，將會達到降伏，再以此電腦線性模擬分析之數據與實驗數據做比對。

(66)

4.2.2 立柱輪盤抗拉強度實驗數據

因為三種實驗試體之輪盤型式不相同，且其使用材質與厚度亦有所差異，經實際測試後發現，會有剪斷與擠壓開裂之不同破壞方式，實驗之數據結果如表 4-8 所示。

表 4-8 輪盤抗拉強度實驗數據

強度(kg) 破壞方式平均值(kg)

A1 4982 剪斷(下方孔洞)(圖 4-23)

5017.667

A2 4711 剪斷(下方孔洞)

A3 5360 擠壓開裂(上方孔洞)(圖 4-24)

B1 6138 剪斷(下方左側孔洞)(圖 4-25)

6087.333

B2 5939 剪斷(下方右側孔洞)(圖 4-26)

B3 6185 剪斷(下方右側孔洞)

C1 4371 剪斷(上方孔洞)(圖 4-27)

4621

C2 4462 剪斷(上方孔洞)

C3 5030 剪斷(下方孔洞)

圖 4-23 A1 試體輪盤下方孔洞剪斷破壞 (圖片來源：行政院勞委會勞工安全衛生研究所)

(67)

圖 4-24 A3 試體輪盤上方擠壓開裂破壞 (圖片來源：行政院勞委會勞工安全衛生研究所)

圖 4-25 B1 試體輪盤下方左側孔洞剪斷破壞

(68)

圖 4-26 B2 試體輪盤下方右側孔洞剪斷破壞 (圖片來源：行政院勞委會勞工安全衛生研究所)

圖 4-27 C1 上方孔洞剪斷破壞

(圖片來源：行政院勞委會勞工安全衛生研究所)

(69)

1. 實驗體 A 在輪盤上烙焊標誌，可發現此行為導致兩種破壞方式（擠壓開裂與剪斷），推估為此輪盤為鑄鐵方式製造，使之輪盤每一部位材料性質略有所不同（雜質分布因素）或因在輪盤表面上烙焊廠牌名稱，令輪盤表面有凹陷，使之出現兩種破壞模式，擠壓開裂結果荷重位移所示。

2. A 與 C 輪盤孔洞皆具有大小一致性，而 C 輪盤孔洞有分大洞與小洞，因此可以從圖中發現長洞之強度相對於短洞來的小。

3. 實驗體 B 輪盤厚度比實驗體 A 輪盤與實驗體 C 輪盤薄 2mm，C 強度亦比 A 與 C 試體輪盤強度大，因此從這可判斷出 B 試體材料強度比 A 與 C 好。

4. 實驗體 A 與實驗體 C 立柱輪盤抗拉強度數據與實際試驗出來之數據是相符的。

(70)

第五章各規格立柱輪盤拉拔模擬比對

由立柱輪盤強度試驗與立柱輪盤拉拔試驗與數值模擬比對中可看出，其破壞方式與數據模擬皆吻合，因此由此參數推討，如表 5-1 所示以 O1 為基準值，以輪盤孔洞數、

孔洞規格、輪盤外觀、輪盤厚度、孔洞據外端之距離、有無烙焊標籤來做比較。

表 5-1 數值模擬模型規格(尺寸、距離單位 mm)

O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7 O8 O9

孔洞數 2 2 2 4 6 8 2 2 2

孔洞形狀

方型方型方型方型方型方型方型方型方型

孔洞呎吋

10

*10

*6

10

*10

*6

20

*10

*6

10

*10

*6

10

*10

*6

10

*10

*6

10

*10

*6

10

*10

*6

10

*10

*6 輪盤樣

式

圓盤圓盤圓盤圓盤圓盤圓盤方盤圓盤圓盤

孔洞至外端之距離

10 15 10 10 10 10 10 10 10

輪盤厚度

6 6 6 6 6 6 6 8 6

烙焊標籤

無無無無無無無無有

5*10*1

(71)

此模型參數設定如下：

1. 材料選擇：SS400，一般鐵 2. 柏松比：0.3

3. 彈性係數:2.08*10⁶ kg/mm² 4. 單位設定:kg、mm

5. 輪盤外觀規格：圓（直徑 1200mm）、方型（120mm*120mm）

6. 拉拔強度：4700kg 7. 模擬方式：線性

在邊界條件之設定上，在輪盤孔洞 X 軸相對兩端孔洞施加應力，因未對試驗體做邊界條件之限制，會使數值模擬試驗體產生扭轉之效果，導致位移量暴增，因此位移量在此不做考慮。下列為立柱輪盤拉拔使用有限元素分析，進行分析後之結果如圖 5-1~5-18 所示。

(72)

圖 5-1 立柱輪盤抗拉強度 O1 抗拉試驗應力圖

圖 5-2 立柱輪盤抗拉強度 O1 抗拉試驗應變圖

(73)

(74)

(75)

(76)

(77)

(78)

(79)

(80)

由分析結果可以發現，當立柱輪盤兩端孔洞各受到 X 方向的拉力，其最大應力與應變皆為孔洞施力端處，在將模擬數據整理如下表 5-2 所示。

(81)

表 5-2 數值模擬應力應變表

應力(kg/mm²) 應變與 O1 應力差

O1(基準) 205.307 0.135e-3 0

O2(孔洞距離外端 15mm)

198.703 0.134e-3 6.604

O3(孔洞規格 (20*10*6)

221.885 0.148e-3 16.578

O4(4 孔) 202.371 0.133e-3 2.936 O5(6 孔) 210.706 0.141e-3 5.399 O6(8 孔) 219.175 0.144e-3 13.868

O7(方盤) 205.597 0.137e-3 0.29

O8(盤厚 8m) 151.037 0.1e-3 54.27 O9(標籤 5*10*1) 288.919 0.192e-3 83.612

由表 5-2 中可以得知以下結果：

(一) O1 與 O3 中之差異可得知輪盤孔洞大小會影響輪盤抗拉之強度。

(二) 由 O1、O4、O6 中之差異可瞭解四方孔強度大於兩端方向孔洞與八方向孔洞。

(三) 從 O1、O7 可瞭解輪盤外型不會大幅影響其抗拉強度。

(四) 經 O1 與 O8 可以知道，當輪盤厚度越大，其抗拉強度越大。

(五) 在由 O9 與 O1 的應力差中得知，輪盤若在孔洞外端烙焊上標籤或廠牌，則會使輪盤在該處產生弱面，導致 O1 與 O9 應力差遠大於其他模型。

(82)

第六章結論與建議

6.1 結論

本研究主要是針對立柱輪盤強度試驗與立柱輪盤抗拉強度試驗以數值線性分析方式進行模擬與探討，使實驗數據更加完善。再經由比對兩者破壞模式來確立模擬參數，進而以此參數模擬不同輪盤孔洞數、孔洞規格、輪盤外觀、輪盤厚度、孔洞距外端之距離、有無烙焊標籤來做比較，對輪盤之形式差異建立更明確的數據，供業界與學術界做參考。本研究結論如下：

一、厚度相同之輪盤，因其設計輪盤之孔洞大小、開孔處至鋼管與輪盤搭接觸的距離而有所影響，使兩者同一處應力、應變數據不同。

二、數值模擬顯示，輪盤最大應力於立柱與輪盤搭接處，可推估其破壞處為此，但因焊材與母材兩者材料混合後產生之焊道，以焊材須符合 E60 級，焊道強度必定大於 SS400 一般鐵，卻因材質混合無法推估焊道材料性質，因此只顯示鋼管之處應力與其分部，發現與實驗破壞模式相同。

三、數值模擬推估達降伏強度之荷重與實驗數據不符，其原因在於此分析以線性外差法做為一推估值，但模擬出應力最大處與實際實驗破壞處相近，所以仍須以實驗之方式來判定破壞強度為何。

四、輪盤上烙焊標誌，可發現此行為導致兩種破壞方式（擠壓開裂與剪斷），推估為此輪盤為鑄鐵方式製造，使之輪盤每一部位材料性質略有所不同（雜質分布因素）

或因在輪盤表面上烙焊廠牌名稱，令輪盤表面有凹陷，使之出現兩種破壞模式，

擠壓開裂結果。

五、由立柱輪盤抗拉模擬中得知，輪盤孔大小會影響輪盤抗拉強度，孔洞越大者，其抗拉強度越低。

六、立柱輪盤抗拉強度模擬得知，同樣孔洞大小者四方向孔洞抗拉強度大於兩極端方向孔洞與六方向孔洞和八方向孔洞。

七、由立柱輪盤抗拉強度模擬可得，輪盤外部樣式如(八角、圓、方)不會大幅影響輪盤抗拉強度。

八、由立柱輪盤抗拉強度了解，SS400(一般鐵)之材質下，輪盤厚度越大，抗拉強度越

(83)

大。

九、由實驗與數值模擬中，得到若在輪盤上烙焊標誌，會使輪盤抗拉強度降低與不可預期之破壞模式(剪斷、擠壓開裂)。

十、電腦數值模擬之強度僅可做為一推估值，因實際狀況如製程不同，皆可能產其差異性。

(84)

6.2 建議

藉由本研究所得到之結果與過程，提供下列建議：

一、建議實驗時所使用之實驗體以新品來做為測試體為佳，若以舊品或缺陷(如生鏽、

焊道氣泡)則會造成強度折減，增加其變因。

二、建議實驗品壓測時，先行詢問製造商其產品之材質、製造方式(如鑄鐵、裁剪、碾壓等)、工順、尺寸構造圖等，以增加建構數值分析之數據可靠度，減少與實物產生之差異性。

三、建議各規格立柱輪盤拉拔模擬比對輪盤孔洞數、孔洞規格、輪盤外觀、輪盤厚度、

孔洞距外端之距離、有無烙焊標籤能以實體實驗來得到實際破壞數據。

四、可研究大型系統式施工架結構強度，建議以 SAP2000 等數值分析系統來做處理，

先以模擬估計其破壞情形，再以實物壓測瞭解其破壞情況，在比對兩者差異性進而修改其搭接處剛性參數，來推演其破壞或缺失所導致之情況。

五、建議依照勞工安全衛生研究所所出刊之系統式施工架安全性評估與測試技術之建立文內所建立之組拆流程來進行施作。

六、建議建立一套以專業組搭人員來進行組搭施工架證照，亦或購買施工架需附組搭與安全配置之說明。

(85)

誌謝

在中華大學研究所四年內的學習，在實驗室的生活中，承蒙恩師徐增興博士細心教導，訓練我獨立思維之能力與教導我待人處事的道理，在這段期間內不斷的教導、

協助及指正之下，才能完成這本論文，在此對恩師敬上最誠摯的感激與無限之謝意。

另外也感謝張智奇博士在學生讀研究所的四年內，不斷的給予教導以及協助，使學生在學習的過程中，能夠學習許多實務上的經驗，至此致上最衷心之感謝。

在論文鑽寫期間，感謝恩師、鎮華學長對學生提供許多寶貴意見，在論文校外口試期間，感謝恩師、邱垂德博士及張智奇博士給予學生相當多寶貴之意見與指正，使本論文缺失之處得以修正而趨近於完善，在此制上由衷之謝意。

實驗及求學階段，感謝泓勝學長、鎮華學長、彥熹學長、祐民學長對學業及實驗不精之處給予指導；感謝同學明長、彥澤、舜友、駿朋在學業上的切磋與討論，並感謝俊豪、家豪、國嘉、隆傑、岳民、沅鴻、士強學弟給予之幫助，我不會忘記在實驗室所經歷之歡笑與淚水，並感謝所有曾經幫助過我的朋友們，僅此致上由衷之感謝。

最後，將此成果獻給於研究期間默默支持我的家人們，以及所有關心我的人，因為你們在這段期間的關懷、體諒及激勵，令我在研究期間能無後顧之憂完成學業，在此致上最深的謝意，謝謝你們!僅將此成果與你們共同分享。

謹致 2012.8

系統式施工架立柱輪盤性能測試與分析 Performance Test and Analysis for Fixed Rings

中 華 大 學 碩 士 論 文