中 華 大 學 碩 士 論 文
題目：水平母索中間支撐使用現況與安全評估之研究
系 所 別：土木與資訊工程學系碩士班 學號姓名：M09304005 卓 傳 國 指導教授：徐 增 興 博 士
中華民國 九十六 年 一 月
摘 要
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 所發生的職災案例中，又以墜落所佔的比率最高，如果能降低營造業墜 落職災的比例，對減少職災會有很大的幫助。因此本研究針對防止墜落 災害要件中之中間支撐進行探討，內容包括國內營造業使用中間支撐之 現況調查、國內現有中間支撐法規之探討、國外法規之規範探討、日本 之標準中間支撐的靜態拉力實驗及動態墜落實驗、以及中間支撐之電腦 模擬分析等項。經本研究中的調查與實驗，對中間支撐的力學行為、需 要補強的地方、以及不同補強方式的效果都有進一步的了解，可供作為 日後工程界設計符合本國使用之中間支撐參考之用。
由實驗及分析結果發現，電腦模擬可相當正確的預估中間支撐挫屈 模式，但模擬時需確實掌握中間支撐材料的物理性質及尺寸。另外，在 使用中間支撐時，因考慮所搭配使用的安全母索材質。除探討中間支撐 之力學性質外，本研究並進一步利用這些實驗與模擬結果，提出中間支 撐在使用時設立中間支撐相關法規可以更改依建築樓層高度調整中間支 撐設立間距，以降低中間支撐使用率也可以增加施工空間，且可以提高 施工業者使用意願，以降低職業勞工災害意外的發生。
關鍵字：安全法規，中間支撐，力學行為
Abstract
According to the statistics released by the council of labor affairs, the construction industry has the highest rate of occupational incidents among all the industries. And percentage of falling incidents is the highest in occupational incidents for the construction industry. Reducing the number of falling incidents will definitely help in reducing the number of occupational accidents. The current research concentrates on one of the most important safety facility, the intermediate support for horizontal lifeline. The safety codes and regulations regarding the intermediate support will be investigated, both domestic and foreign. And experiments and analysis will be performed on the currently available intermediate support. Basing on the investigation and results of this research, the mechanical behavior and weak points of the intermediate support can be better understood. The effectiveness of various types of reinforcement will be explored as well. These results can be used by the industries to design better intermediate support.
Key Words: safety regulation, intermediate support, mechanical behavior
誌 謝
本論文承蒙指導教授 徐增興博士的細心指導，並在學術理論與實務 上的循循善誘與說明，才能順利完成。老師深厚的學識涵養，對於研究 上的執著與努力，令學生總有仰之彌高、鑽之彌堅、瞻之在前，忽焉在 後之景仰心情，浸潤於老師的治學精神與嚴格的指導下使學生收獲盛 豐，師恩浩瀚，永銘我心，特誌卷首，謹申由衷謝忱。
感謝論文審核口試期間，承蒙國立台北科技大學土木工程系暨土木 與防災研究所系主任 李有豐教授與中華大學土木與工程資訊學系 苟昌 煥博士對論文的指正與諸多意見，使學生受惠良多，讓此論文更加充實 與完整，特此感謝。在學期間感謝 廖述濤博士、 張奇偉博士、 李錫霖 博士、 楊國湘博士、行政院勞委會勞工安全衛生研究所 張智奇副研究 員、行政院勞委會勞工檢查處 鄒子廉科長、鹿島工程技術顧問股份有限 公司 刁健原總經理，給予學生多方面指導，學生至感銘謝。
感謝學長泓勝、鎮華、白皮、新民、台北科技大學文岳兄等人之經 驗傳承及幫忙解決實驗上的問題。感謝勞研所助理佩詩、瑩真在行政方 面給予的協助，感謝同儕保旭、季霖、偉哲、政儒、定中等人相互關懷 與扶持。感謝學弟鐘凱、昭慶、景維、政達、煒傑、威廷、裕典、香 腸、郁傑、志浩等人熱心幫忙。感謝我國中與高中死黨們，只有你們可 以帶給我研究以外視野，陪我走過低潮，陪我一起笑，陪我一起度過，
特此一並感謝。
最後感謝我深愛父母親、弟弟、庚築表哥與我眾多的親戚們（族繁 不及備載），感謝這多年來的細心照顧與無限關心支持鼓勵，讓我能以 無後顧之憂順利完成學業，最後願能將此喜悅之心，榮耀之情與關心
我、照顧我的你們一起分享，萬分感謝！
謹誌 2007.1
目錄
摘 要 ... i
Abstract... ii
誌 謝 ...iii
目錄 ... v
圖目錄 ... vii
表目錄 ...xiii
第一章 緒論 ... 1
1-1 前言 ... 1
1-2 研究動機與目的... 1
1-3 研究範圍與步驟... 5
第二章 文獻回顧 ... 8
2-1 國內外營造業水平母索中間支撐使用現況... 8
2-2 日本關於安全母索、中間支撐的使用後安全評估 ... 11
2-3 國外安全母索中間支撐與安全母索的性能試驗說明 ... 15
2-4 災害案例分析與探討 ... 18
2-5 安全母索之中間支撐使用情形現場工地勘查... 29
第三章 電腦輔助分析方法... 36
3-1 有限元素法簡述 ... 36
3-2 有限元素法的相關電腦程式 ... 39
3-3 ANSYS 分析處理作業流程 ... 39
3-4 有限元素分析流程及優缺點 ... 42
第四章 有限元素法分析結果... 46
4-1 中間支撐相關尺寸與規定 ... 46
4-2 有限元素法模型建立 ... 48
4-3 有限元素法結構線性靜力分析 ... 51
4-4 有限元素法結構材料非線性分析 ... 64
第五章 中間支撐實驗測試... 69
5-1 實驗設備與實驗設計 ... 69
5-2 實驗結果... 75
5-3 動態實驗設備與實驗設計 ... 85
5-4 動態實驗結果... 88
5-5 小結... 92
第六章 中間支撐補強分析... 98
6-1 不同型式中間支撐分析 ... 98
6-2 美國型式中間支撐分析 ... 105
第七章 結論與建議 ... 107
7-1 結論... 107
7-2 建議... 109
參考文獻 ... 110
附錄一 美國安全母索相關規定... 112
附錄二 日本安全母索相關規定... 117
圖目錄
圖 1-1 標準中間支撐... 3
圖 1-2 日本中間支撐安裝使用範例 ... 3
圖 1-3 標準中間支撐安裝示意圖 ... 4
圖 1-4 本研究之流程圖... 7
圖 2-1 中間支撐類型圖一... 9
圖 2-2 中間支撐類型圖二... 9
圖 2-3 中間支撐安裝示意圖一... 10
圖 2-4 中間支撐安裝示意圖二... 11
圖 2-5 中間支撐安裝示意圖三... 11
圖 2-6 安全母索中間支撐測試示意圖 ... 15
圖 2-7 安全母索測試示意圖... 16
圖 2-8 模板作業墜落現場圖(一) ... 19
圖 2-9 模板作業墜落現場圖(二) ... 20
圖 2-10 勞工於施工架上作業墜落現場圖(一) ... 23
圖 2-11 勞工於施工架上作業墜落現場圖(二) ... 23
圖 2-12 災害現場鋼構組配作業... 27
圖 2-13 罹災者墜落平面示意圖... 27
圖 2-14 罹災者墜落現場... 28
圖 2-15 罹災者墜落處為鋼樑內側轉角處 ... 28
圖 2-16 一般民宅房屋新建工程工地案例一圖一 ... 29
圖 2-17 一般民宅房屋新建工程工地案例一圖二 ... 30
圖 2-18 一般民宅房屋新建工程工地案例一圖三 ... 30
圖 2-19 一般民宅房屋新建工程工地案例一圖四 ... 31
圖 2-20 一般民宅房屋新建工程工地案例一圖五 ... 31
圖 2-21 體育館新建統包工程現場工地案例二圖一 ... 32
圖 2-22 體育館新建統包工程現場工地案例二圖二 ... 33
圖 2-23 變電所統包工程現場工地案例三圖一 ... 34
圖 2-24 變電所統包工程現場工地案例三圖二 ... 34
圖 2-25 日本中間支撐現況安裝示意圖 ... 35
圖 3-1 以單一彈簧模擬結構體行為 ... 36
圖 3-2 兩結構體以新彈簧系統模擬 ... 37
圖 3-3 元素種類 ... 38
圖 3-4 元素自由度個數... 39
圖 3-5 有限元素分析之流程圖... 41
圖 4-1 中間支撐日本規格尺寸圖 ... 47
圖 4-2 SOLID92 元素模型圖 ... 48
圖 4-3 中間支柱之實體模型圖... 50
圖 4-4 中間支柱之實體模型網格後示意圖 ... 51
圖 4-5 中間支柱之整體模型邊界條件示意圖 ... 52
圖 4-6 施力為 2,000N 之變位圖... 53
圖 4-7 施力為 2,000N 之應力圖... 53
圖 4-8 施力為 2,000N 之最大應力位置放大圖 ... 54
圖 4-9 施力為 2,000N 之應變圖... 54
圖 4-10 施力為 4,000N 之變位圖... 55
圖 4-11 施力為 4,000N 之應力圖... 55
圖 4-12 施力為 4,000N 之應變圖... 56
圖 4-13 施力為 5,000N 之變位圖... 56
圖 4-14 施力為 5,000N 之應力圖... 57
圖 4-15 施力為 5,000N 之應變圖... 57
圖 4-16 施力為 6,000N 之變位圖... 58
圖 4-17 施力為 6,000N 之應力圖... 58
圖 4-18 施力為 6,000N 之應變圖... 59
圖 4-19 施力為 8,000N 之變位圖... 59
圖 4-20 施力為 8,000N 之應力圖... 60
圖 4-21 施力為 8,000N 之應變圖... 60
圖 4-22 施力為 10,000N 之變位圖... 61
圖 4-23 施力為 10,000N 之應力圖... 61
圖 4-24 施力為 10,000N 之應變圖... 62
圖 4-25 施力-位移曲線圖... 63
圖 4-26 應力-應變曲線圖... 63
圖 4-27 安全母索中間支撐楊氏係數與蒲松比 ... 64
圖 4-28 安全母索中間支撐降伏強度與剪切模量參數 ... 65
圖 4-29 安全母索中間支撐降伏強度與剪切模數參數繪出應力應變圖 .... 65
圖 4-30 施力為 10,000N 之變位圖... 66
圖 4-31 施力為 10,000N 之應力圖... 67
圖 4-32 施力為 10,000N 之應變圖... 68
圖 4-33 施力為 10000N 之應力-應變圖 ... 68
圖 5-1 50 頓油壓機示意圖... 69
圖 5-2 中間支撐示意圖... 70
圖 5-3 實驗數據接收用電腦... 70
圖 5-4 固定中間支撐夾具 0.3M×0.3M×0.4M 示意圖 ... 71
圖 5-5 固定底部微調夾具 0.6M×0.3M×0.05M 示意圖 ... 71
圖 5-6 油壓機吊掛大型反力牆上 ... 72
圖 5-7 整體安裝後示意圖... 73
圖 5-8 實驗機具現場安裝示意圖 ... 73
圖 5-9 中間支撐側向施力示意圖 ... 74
圖 5-10 中間支撐正向施力示意圖 ... 75
圖 5-11 一號試體受力前... 76
圖 5-12 一號試體受力後... 76
圖 5-13 一號試體破壞處放大圖... 77
圖 5-14 一號試體荷重-位移曲線圖 ... 77
圖 5-15 二號試體受力前... 78
圖 5-16 二號試體受力後... 79
圖 5-17 二號試體破壞處... 79
圖 5-18 二號試體受力-位移曲線圖 ... 80
圖 5-19 中間支撐受力後與未受力比較圖(一) ... 81
圖 5-20 中間支撐受力後與未受力比較圖(二) ... 81
圖 5-21 中間支撐受力後與未受力比較圖(三) ... 82
圖 5-22 三號試體受力前... 83
圖 5-23 三號試體受力後... 83
圖 5-24 三號試體破壞處放大圖... 84
圖 5-25 三號試體受力-位移曲線圖 ... 84
圖 5-26 待測重物 ... 85
圖 5-27 測距布幔 ... 86
圖 5-28 中間支撐設置間距... 87
圖 5-29 中間支撐架設示意圖... 87
圖 5-30 試驗設備安裝圖... 88
圖 5-31 第一組砂袋墜落圖... 89
圖 5-32 第一組砂袋墜落距離瞬間圖 ... 89
圖 5-33 第二組砂袋墜落圖... 90
圖 5-34 第二組砂袋墜落距離瞬間圖 ... 90
圖 5-35 第三組砂袋墜落圖... 91
圖 5-36 第三組砂袋墜落距離瞬間圖 ... 91
圖 5-37 測試後右側中間支撐... 93
圖 5-38 右側中間支撐主體與翼板交接處 ... 94
圖 5-39 右側中間支撐扣環... 94
圖 5-40 測試後左側中間支撐... 95
圖 5-41 左側中間支撐主體與翼板交接處 ... 95
圖 5-42 左側中間支撐扣環... 96
圖 5-43 測試前與未測試比較圖... 96
圖 5-44 第三組實驗左側中間支撐 ... 97
圖 6-1 中間支撐不同型翼板尺寸圖 ... 98
圖 6-2 中間支撐不同型翼板模型 ... 99
圖 6-3 中間支撐不同型翼板網格後 ... 100
圖 6-4 中間支撐不同型翼板變位圖 ... 100
圖 6-5 中間支撐不同型翼板應力 ... 101
圖 6-6 中間支撐不同型翼板最大應力位置放大圖 ... 101
圖 6-7 中間支撐不同型翼板應變圖 ... 102
圖 6-8 中間支撐不同型翼板最大應力位置放大圖 ... 102
圖 6-9 中間支撐不同型翼板應力應變圖 ... 103
圖 6-10 改變翼板高度示意圖... 104
圖 6-11 美國中間支撐尺寸簡易示意圖 ... 105
圖 6-12 美國中間支撐變位圖... 106
表目錄
表 2-1 日本中間支撐規格表... 10
表 2-2 中間支撐與安全母索安全評估層級說明 ... 12
表 2-3 安全母索中間支撐使用後安全評估表 ... 13
表 2-4 安全母索使用後安全評估... 14
表 2-5 拉緊器使用後安全評估... 14
表 2-6 中間支撐相關規定比較表... 17
表 4-1 模擬結果數據表... 62
表 5-1 三組試驗設置差異表... 88
表 5-2 試驗審查檢視表... 97
表 6-1 補強後分析結果... 104
第一章 緒論
1-1 前言
隨著世界土木科技的演進，結構物由原始的石板屋結構物進化成磚 造結構物、鋼筋混凝土結構物到現今的鋼骨結構物，其演進過程代表著 世界材料與力學科技之進展，也由於材料的演進與力學科技的進展才使 人類可以創造出更高、更大、更別於以往的建築物，例如台北 101、香港 新機場、杜拜夢幻島等大型建築物。這些超乎過往的營造工程，雖帶來 人類的驚嘆號，但那只是最後的結果，其中從無至有都需要相當多的土 木科技人才與現場施工人員，在施工環境中是隱藏許多的工程危險，可 能會造成施工人員的傷害甚而導致死亡，使的整起工程產生遺憾。雖然 新型態的建築物日新月異的在進步，相對的施工人員於施工環境中的施 工安全理應隨之進步。但相較於先進國家，現今台灣各工程由小至大，
需要改進之地方仍有很多。
1-2 研究動機與目的
依據勞委會的統計，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職災案例中，又以墜落所佔的比率最高【1 至 4】，如果能降低營造業墜落職災的比例，對減少職災會有很大的幫 助。
常見的不安全行為如工作中嬉戲，未載安全帽，未確實使用安全母 索等，如果能在工地管理上多下工夫，應該可以大量減少不安全行為所 造成的職災案例。另一個原因是不安全狀態，如沒有安全母索，沒有水 平安全母索中間支撐，沒有防墜落網等。兩者中以不安全行為所佔的比
率較高，但硬體上的缺失問題造成的不安全狀態佔的比例也不小，如果 能在硬體方面加強，確實設置安全設備，研發更有效的安全設備等，應 能對職災防止產生效用。
綜觀國內營造業的施工環境，在鋼構組配階段中，墜落問題相當嚴 重，而且有相當大比率的案例是由於缺乏有效的防護所造成。例如安全 母索未設置，這一類型案例通常較容易察覺，一但發現，也較容易更 正。但是有另外一類問題較難察覺，這類問題中，發生意外的原因不在 於未設置安全設施(如水平安全母索中間支撐設置)，而是沒有確實依照 規定設置，例如設了安全母索，但是沒有確實依照規定設置中間支撐，
因此不但安全母索沒有達到應有的防護效果，反而因為表面上有防護措 施，容易造成施工者疏忽而導致意外，這一種狀況最複雜，也最不易判 定。雖然對於安全設施設置，法規上有相當多的規定，但是對於水平母 索中間支撐之構造標準並沒有特別的規定，亦欠缺相關參考技術資料，
所造成的是事業單位或使用者常以角鋼或圓管充當中間支撐，雖然配置 及數量均符合規定，但是完全無法掌握其受力時的力學行為，安全堪 虞。
相對於日本及歐美等較先進國家，除了對水平安全母索的設定有嚴 格的要求之外，對於水平母索中間支撐的配置、數量、以及構造標準都 有詳細的規範，因此在使用上有標準型式的中間支撐可用（如圖 1-1）。
中間支撐與安全母索的安裝範例（如圖 1-2、1-3），因為有標準型式的 中間支撐，就能夠掌握其力學行為，而且有標準型式的中間支撐，其強 度及尺寸等也不會有太大的變異，對增進整體安全防護系統的可靠度也 有幫助。因此，加強對中間支撐的研究，對於防止墜落意外的發生，應 該有相當大的幫助。
圖 1-1 標準中間支撐
圖 1-2 日本中間支撐安裝使用範例
圖 1-3 標準中間支撐安裝示意圖
1-3 研究範圍與步驟
本研究主要針對現在台灣工地使用中間支撐之狀況做一調查，了解 使用的可行性，並利用電腦分析中間支撐受力狀況，也以實驗方法來測 試中間支撐整體真正受力行為，將電腦分析與實驗結果做相互驗證，以 了解中間支撐受力後的力學行為，進而可以更確定這些中間支撐的強度 及其可靠度，並將結果與水平安全母索設置的要求加以比較，確立其適 用性。因為本研究是以架設在型鋼上的中間支撐作為研究主軸，所以在 進行電腦分析中將假設中間支撐架設於型鋼上。
本研究之研究方法大綱如下：
1. 整理國內有關鋼構組配墜落防護之相關規定。
深入了解現行規範對墜落防護（著重在水平安全母索及中間支 撐）的要求。
2. 參考日本及歐美相關法規並比較。
探討使用這些標準中間支撐的好處，同時研究採用這些標準中間 支撐在國內的可行性。
3. 國內水平母索中間支撐使用現況調查。
目的在確實掌握國內使用中間支撐的現況，以及所使用之中間支 撐種類。
4. 水平母索中間支撐功能及強度需求。
進行力學分析，找出對中間支撐的強度及功能要求，將結果和現 在國內使用的非標準中間支撐以及國外的標準中間支撐實驗及分 析所得強度比較。
5. 中間支撐標準規範及安全檢查要點之研擬及建議。
利用以上分析及比較的結果為依據，對我國中間支撐標準規範提 出建議，同時利用研究結果對安全檢查要點提出建議。
研究步驟流程
圖 1-4 本研究之流程圖 整合國內水平母索中間支
撐 災 害 原 因
國內水平母索中間支撐以有 限元素方法
整 合 國 內 水 平 母索 中 間 支 撐 法 規 資 料 收集水平母索中間支撐研究
資 料 及 案 例 探 討
提出水平母索中間支撐安全品質 建議事項
結論與建議 水平母索中間支撐實驗模擬
探討水平中間支撐力學 行為探討
第二章 文獻回顧
2-1 國內外營造業水平母索中間支撐使用現況
水平安全母索為營造業各種工程中常使用之施工設備，而水平安全 母索中間支撐也是其主要配備，若在一施工環境中只設置了安全母索卻 未加裝任何中間支撐，會誤導施工作業人員以為有了安全母索就認為這 是相當安全的工作環境，但並不全然。因為安全母索安裝長度過長而未 加裝中間支撐會使安全母索產生懸吊而失去安全母索之功效，所以中間 支撐與安全母索為相輔相成的施工設施，但是國內針對中間支撐之相關 研究卻相當稀少，而針對中間支撐的設置規範也規定的不夠明確。根據 行政院勞委會營造安全衛生設施標準部分條文修正條文第二十三條指 出，水平安全母索之設置超過 3m 長者應設立”中間杆柱”，其間距應在 3m 以下相鄰兩支柱或中間支柱間之安全母索只能供繫掛一條安全帶
【5】。國內規定水平母索超過 3m 須設立”中間杆柱”但對於中間杆柱 卻沒有明確的規格與規定，所以常可於施工環境中看見施工單位於母索 中間裝置任意形狀之杆柱，其效果未達到預期反而導致誤解是合理與安 全狀態。相較之下日本針對中間支撐（親綱支柱）就有較明確的規範與 規格，日本針對中間支撐（親綱支柱）大致可分為三種規格：(1)SK- 80D 平行型（如圖 2-1） (2)SK-80DL 直交型（如圖 2-1） (3)SK- 80D 輕量型圖（如圖 2-2），表 2-1 簡單說明三種規格比較。日本規範 指出中間支撐所使用規定只要安全母索超過 10m 就需要安置中間支撐
（親綱支柱），與台灣之安裝距離相差多達 7m，每一區間只能讓一個施 工人員於此施工，且中間支撐與安全母索安裝方式仍有一定的規則（如 圖 2-3、2-4、2-5），方可稱的上安裝完成。【6，7】
圖 2-1 中間支撐類型圖一【6】
圖 2-2 中間支撐類型圖二【6】
表 2-1 日本中間支撐規格表
品名 親綱支柱 親綱支柱 親綱支柱
形式 SK-80D 平行型 SK-80DL 直交型 SK-80D 輕量型
自重 8.5kg 7.5kg 6.9kg
厚度 80mm 50mm 45mm
翼板孔數 4 孔 2 孔 2 孔
圖 2-3 中間支撐安裝示意圖一【7】
圖 2-4 中間支撐安裝示意圖二【7】
圖 2-5 中間支撐安裝示意圖三【7】
2-2 日本關於安全母索、中間支撐的使用後安全評估
國內幾乎沒有針對中間支撐的相關測試與試驗相關規範，可知國內
安全母索
對中間支撐還不是很重視，所以相關的資料、實驗測試設計…等均需參 閱日本之相關文獻，針對國外相關試驗文獻做比較，探討分析其結果以 了解將中間支撐應用與測試在國內進行的可行性。根據日本厚生勞動省 勞動基準局，社團法人假設工業會所發行的「経年仮設機材の管理に関 する技術基準と解說」【8】，其中對於安全母索中間支撐的使用方式、
管理、檢查辦法、試驗標準都有很詳細的說明與介紹。使用後中間支撐 與安全母索需要經過鑑定是否可以再度使用。針對安全母索中間支撐、
安全母索及安全母索拉緊器都有明確的管理方式，針對這三種施工時重 要的防護裝備，依使用後表面的觀察情形分為三級，第一級為無損害外 觀是最好的情形，只需整理清潔後可再度使用。第二級為外觀有些微損 傷，可以利用修補方式恢復材料功能，方可再度使用。第三級為外觀有 明確損害、彎曲、裂痕或扭曲明顯的，則須將材料廢棄，不得再度使 用。表 2-2 至 2-5 說明安全母索與中間支撐使用後之安全評估辦法。
表 2-2 中間支撐與安全母索安全評估層級說明
第一級 第二級 第三級
無 任 何 外 觀 上 明 顯 的 損 壞，需整理清潔後可以再 度使用。
表面上有些許的損傷，但 是只需經過修補、整理就 可以再度使用。
有明顯的損傷，且損傷情 形已達無法修補，或不可 矯正，則將廢棄更換新品 不可再使用。
表 2-3 安全母索中間支撐使用後安全評估表 處理等級
受損項目
第一級 需整理清潔
第二級 需修補
第三級 無法修補
整體外觀損傷 無 不很明顯 非常明顯的損傷
熔接處的龜裂 無 不很明顯 非常明顯的損傷
生鏽情況 無 不很明顯 非常明顯的損傷
附著物體 無 非常明顯
中間支撐主體部分 1.彎曲
2.裂痕 3.扭曲
無 無 無
未達 15mm
未達 10mm、深度未達 4mm 角度未達 5。
15mm 以上
10mm 以上、深度 4mm 以上 角度達 5。以上 裝置的配件損壞
1.裝置零件 2.夾具變形 3.螺栓的損壞
無 無 無
無法矯正 無法矯正 無法再度使用
安全母索搭扣位置 無 明顯的損壞
當裝置的配件中以螺栓有所損壞時，可以更換新螺栓替代，將視做 第二級的需修補層級，而無需丟棄不用。中間支撐產生生鏽的情形或是 有附著其他雜物時，需將此生鏽與附著的雜物去除才可以再度使用。若 中間支撐主體的材料為鋼材，當使用後產生彎曲、損傷或裂痕，在不嚴 重的情況下可以矯正後再度使用。
表 2-4 安全母索使用後安全評估 處理等級
受損項目
第一級 需整理清潔
第二級 需修補
第三級 無法修補
整體損傷 沒有 非常明顯的損傷
繩索上附著物 沒有 非常明顯的損傷
長度縮短 沒有 非常明顯的損傷
繩索 1.磨損 2.切割 3.熔斷
4.接續位置損壞 5.末端的損壞
沒有 沒有 沒有 沒有 沒有
些微損傷可以修補 些微損傷可以修補
損壞直徑 1/10 以上 斷線 5%以上
強度未達標準不可修復 明顯損害不可修復 明顯損害不可修復 掛勾
1.阻擋裝置 2.損壞
無異常 沒有
有異常 有
表 2-5 拉緊器使用後安全評估 處理等級
受損項目
第一級 需整理清潔
第二級 需修補
第三級 無法修補
整體損傷 無 明顯的損壞
附著物 無 有附著物但可去除 明顯的附著物無法去除
拉 緊 器 主 要 功 能 是 否異常
無異常 有異常
2-3 國外安全母索中間支撐與安全母索的性能試驗說明
日本針對安全母索中間支撐的性能相關試驗利用兩根安全母索中間 支撐固定於兩端，兩端相距的距離為 10m，中間支撐間掛有安全母索，
安全母索直徑為 9mm 且需符合日本工業規格 G3525，而在安全母索中間 掛有重達 85kg 的重物如沙包，利用測試切斷器在開始測試時將沙包上扣 繩切斷，沙包與安全母索間有一安全扣環，其繩子長度設定為 1.7m，利 用這樣的裝置模擬施工人員在工作平台上方行走施工時墜落的情形（如 圖 2-6）。
圖 2-6 安全母索中間支撐測試示意圖
經過這樣的墜落試驗後，合格之中間支撐必須是沒有任何的龜裂與 損傷。
安全母索與扣環的試驗，安全母索直徑為 9mm 的鋼索，其母索規格
重 85kg 沙包
測試切斷器
中間支撐 安全母索
10m
1.7m 安全母索拉緊器
安全扣環
符合 JIS 規定，測試的拉伸速度 15cm/min~30cm/min 之間，當施力到達 7kN 時計算鋼索拉伸率作為測試標準，計算出安全母索是否安全，計算 公式為下：
（7kN 時母索拉伸的長度－母索原長度）
母索原長度
利用公式計算的伸長率達 10％以上則為不合格的安全母索，且其安 全母索斷裂的強度需在 23kN 以上。在此試驗中還須觀察當施加拉力達 11.5kN 時扣環是否會失去扣環本身的功能。扣環必須承受最大拉力達 14kN 以上。圖 2-7 為安全母索與扣環測試示意圖：
圖 2-7 安全母索測試示意圖
根 據 美 國 勞 工 部 （ OSHA ） 職 業 性 安 全 衛 生 標 準 （ Occupational Safety and Health Standards）個人防止墜落系統（Personal Fall Arrest System）：Personal Fall Arrest System (Section I - Mandatory; Sections II and III - Non-Mandatory) - 1910.66 App C【9】規定之測試利用 1.83m 短 繩綁上重量約 99.79 ㎏之重物進行墜落試驗，安全母索也須能夠承受 22.24kN 的抗拉強度，且 D 形扣環需承受 22.24kN 的拉力。D 扣環的承
×100％
安全母索 安全扣環
受拉力相較於日本的規範高約 11kN，而安全母索的規定與日本的規定相 仿。
表 2-6 中間支撐相關規定比較表
本國相關規定 日本相關規定 美國相關規定
相 關 規定
行政院勞委會營 造安全衛生設施 標準部分條文修 正條文第二十三 條
勞動安全衛生規則第５ ６３條與５６４條相關 規定
美國勞工部（OSHA）職業性安 全衛生標準（Occupational Safety and Health Standards）個人防止 墜 落 系 統 （ Personal Fall Arrest System ） ： Personal Fall Arrest System (Section I - Mandatory;
Sections II and III - Non- Mandatory) - 1910.66 App C 設 置
間距
水平安全母索之 設置超過 3m 長 者應設立”中間 杆柱”
設置間距最大為 10m，
設 置 間 距 公 式 ：
4 + 3
= X
H
H：容許墜落高度（m）X：中間支撐設置間距
（m）
設置最佳距離約 10m。
中 間 支 撐 強度
安全帶或安全母 索繫固之錨錠，
至少應能承受每 人 2300 ㎏ 之拉 力。
中間支撐墜落實驗，中 間 支 撐 主 體 不 可 有 毀 損。
固 定 點 應 該 是 堅 固 而 且 承 受 2250 磅 (10.01kN) 時不應 偏折 大於 0.04 英吋(1.02 ㎝)。
安 全 母 索 強度
安全母索得由鋼 索、尼龍繩索或 合成纖維之材質 構成，其最小斷 裂強度應在 2300
㎏以上。
安全母索斷裂的強度需 在 23kN 以上。
安全母索也須能夠承受 22.24kN 的抗拉強度。
2-4 災害案例分析與探討
營造業的職業災害案例中，臨時構造物之倒崩塌所佔比例約為百分 之二十。其中有關安全母索墜落事件大多發生於施工過程之中，一但墜 落發生將造成現場工作人員傷亡，導致極為嚴重的損失。以下就是有關 安全母索墜落之災害案例進行分析與探討：
案例一、勞工從事高度作業因模板作業區下未設安全網防護設備且僅提 供未設中間杆柱之 24m 長水平安全母索而發生墜落致死
(一)災害發生經過：
據現場工地作業人員稱：現場工地負責人帶領工作人員四名從事 主、副樑的樑側模工程作業，模板作業區現場工地負責人在地下三樓底 板上備料，工作人員在地下二樓的主樑上施作（主樑寬約 50 ㎝、高約 100 ㎝，主樑上的安全母索繫結於兩側牆筋上，安全母索全長約 840
㎝，中間無任何立柱），罹災者在第二個副樑上施作（副樑寬約 50 ㎝、
高約 90 ㎝，副樑上的安全母索一側繫結於牆筋上另一側繫結於另一條主 樑上的安全母索上，安全母索全長約 24m，中間無任何立柱），當時工 地負責人聽到「碰」一聲及罹災者的一叫聲，回頭一看便發現罹災者從 高約 3.2 m 的地下二樓副樑上墜落撞擊在地下三樓地板上，安全帶（長 度約 1.3m）仍在罹災者身上且垂直懸掛在大幅彎曲的安全母索上，送到 醫院醫生宣告不治。
(二)災害原因分析：
1.直接原因：高處墜落，頭部直接觸地導致頭部外傷合併顱內出血 致死。
2.間接原因：
不安全狀況：高度 3.2m 的房樑上開口模板作業，未設置護欄
或安全網等防護設備，僅提供未設置任何中間杆柱之 24m 長水平安全母索。
3.基本原因：
(1)、勞工安全衛生教育訓練及預防災變訓練不足。
(2)、罹災單位未會同勞工代表訂定工作守則。
(3)、水平安全母索實際長度超過法規 3m 長須設置中間杆柱之要 求，本檢查項目並未列入自主檢查表內，故仍視為未確實執 行自動檢查。
(4)、危害認知不足。
(三)災害防止對策：
高架作業下，安全母索超過 3m 長者應設立中間杆柱，其間距應在 3m 以下。
(四)災害示意圖（如圖 2-8、2-9）
圖 2-8 模板作業墜落現場圖(一)
圖 2-9 模板作業墜落現場圖(二)
案例二、從事螺栓鎖固及檢查作業發生墜落死亡災害 (一)災害發生經過：
罹災者施○○於施工構台支撐之撞擊樑（又稱繫樑，為連接施工構 台柱之橫向支撐Ｈ型鋼）上進行螺栓鎖固及檢查作業（施工構台下方第 一層撞擊樑）。在跨越時失去平衡墜落至地下三樓預留之電梯機坑內，
墜落總高度約 6.4m。
(二)災害發生原因：
1.直接原因：自施工構台之撞擊樑上墜落。
2.間接原因：
(1)、不安全的狀況：施工構台之撞擊樑上未設置安全母索、安
全網等防止墜落之安全設施。
(2)、不安全的行為：於撞擊樑上作業，未能確實使用安全帶。
3.基本原因：
(1)、未設置勞工安全衛生業務主管並訂定自動檢查計畫，實施 自動檢查。
(2)、未辦理勞工安全衛生教育、訓練。
(3)、未訂定安全衛生工作守則，報經檢查機構備查後，公告實 施。
（三）災害防止對策：
1.僱用勞工於 2m 以上高處作業，應於該處設置護欄或護蓋等防 護設備（營造安全衛生設施標準第十條）。
2.僱用勞工從事施工構台架設作業，應選派經訓練之作業主管在 場監督勞工作業，（營造安全衛生設施標準第一三四條）。
3.勞工於高差超過 1.5m 以上之場所作業時，應設置能使勞工安 全上下之設備（勞工安全衛生設施規則第二二八條）。
4.對於在高處 2m 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（勞工安全衛 生設施規則第二八一條）。
案例三、勞工於施工架上作業墜落致死職業災害案 (一)災害發生經過：
九十三年十一月八日十四時四十五分許，當時罹災者於工地施工架 最上層工作台上從事鋼構基礎鏍栓抹油、包覆作業，罹災者由施工架與 結構體間開口墜落地面。
(二)災害發生原因：
1.直接原因：高處墜落致死。
2.間接原因：不安全狀況：高度 2m 以上之施工架工作台與結構體間 開口部分未設置安全網，未設置移動位置時可繫掛安全 帶之安全母索。
3.基本原因：
(1)未設置勞工安全衛生業務主管並訂定自動檢查計畫實施自動檢 查。
(2)未對作業勞工施以從事工作及預防災變所必要之安全衛生教 育、訓練。
(3)未訂定安全衛生工作守則使勞工遵守。
(4)與其承攬人、再承攬人分別僱用勞工共同作業時，未確實採取 工作場所之巡視，確實實施作業人員進場管制，及採取指導、
協助相關承攬事業間之安全衛生教育訓練等積極作為。
(三)災害防止對策：
1.原事業單位應確實採取工作場所之巡視，確實實施作業人員進場 管制，及採取指導、協助相關承攬事業間之安全衛生教育訓練等 積極作為。
2.使勞工於高度 2m 以上之施工架工作台作業，應於該處設置護欄、
護蓋或安全網等防護設備。但如使勞工佩掛有安全帶，並掛置於 堅固錨錠、可供鉤掛之物件或安全母索等裝置，而無墜落之虞 者，不在此限。
3.應設置勞工安全衛生業務主管及訂定自動檢查計畫實施自動檢 查。
4.應對勞工施以從事工作及預防災變所必要之安全衛生教育、訓 練。
5.應會同勞工代表訂定適合其需要之安全衛生工作守則，報經檢查 機構備查後，公告實施。
6.僱用勞工時應施行體格檢查；對在職勞工應施行定期健康檢查。
圖 2-10 勞工於施工架上作業墜落現場圖(一)
圖 2-11 勞工於施工架上作業墜落現場圖(二)
案例四、進行 H 型鋼拆卸作業發生從高處墜落死亡災害
(一)災害發生經過：
九十年十月二日十六時三十分許，罹災者進行 H 型鋼拆卸作業，罹 災者當時正在拆卸螺絲，罹災者不慎墜落於地面。
(二)災害發生原因：
1.直接原因：自 3m 高之水平支撐架 H 型鋼墜落死亡。
2.間接原因：安全母索未依規定繫緊鋼樑，罹災者安全帽未繫緊頤 帶。
3.基本原因：
(1)、未設置勞工安全衛生業務主管。
(2)、未實施勞工安全衛生教育、訓練。
(3)、未訂定勞工安全衛生工作守則。
(4)、未訂定自動檢查計畫實施自動檢查。
(三)災害防止對策：
1.雇主應依其事業之規模、性質、實施安全衛生管理；並依中央主 管之規定，設置勞工安全衛生組織、人員。對於所使用之設備及 其作業，應訂定自動檢查計畫實施自動檢查。（勞工安全衛生法 第十四條第一、二項）
2.雇主對新僱勞工或在職勞工於變更工作前，應使其受適於各該工 作所必要之安全衛生教育、訓練。（勞工安全衛生法第二十三條 第一項暨勞工安全衛生教育訓練規則第十三條）
3.雇主應依勞工安全衛生法及有關規定會同勞工代表訂定適合需要 之安全衛生工作守則，報經檢查機構備查後，公告實施。（勞工 安全衛生法第二十五條第一項）
4.雇主對於高度 2m 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。（勞工安全衛生 設施規則第二八一條）
案例五. 從事鋼構上方安全網設置作業因墜落發生職業災害 (一)災害發生經過：
罹災者於南科園區環西路一段與南科二路交叉口，在高 18.5m 左右 之鋼構上方張掛安全網作業時，未確實使用安全帶，導致由鋼構上方墜 落，經勞工撥打 119 請求救護並立即送往醫院急救無效後，宣告死亡。
(二)災害原因分析：
1.直接原因：由高度 3.5m 的地下二樓頂板墜落地下二樓底板造成 頭部外傷顱內出血死亡。
2.間接原因：
(1)、不安全狀況：無。
(2)、不安全的行為：未確實將安全帶鈎掛於安全母索。
3.基本原因：
(1)、未確實評估墜落危害並採取預防對策。
(2)、原事業單位未確實具體告知鋼構上方安全網設置作業工作 環境及危害告知。
(3)、未確實巡視鋼構上方安全網設置作業。
(三)災害防止對策：
1.未提供承攬人完整的施工工程圖，並將可能發生的危害項目與區 域在圖面加註及帶領相關人員認識工作環境，以達到具體告知的 目的。（勞工安全衛生法第 17 條）
2.未確實巡視工作場所，特別是易於墜落之相關作業。（勞工安全
衛生法第 18 條第 1 項第 3 款）
3.勞工於高度 18.5m 以上之鋼樑上方作業，且勞工有墜落之虞，雇 主未使勞工確實使用安全帶。（勞工安全衛生設施規則第 281 條 第 1 項規定暨勞工安全衛生法第 5 條第１項第 5 款）
4.水平母索固定於兩斜撐鋼樑上，水平間距約 7m，未設置中間杆 柱。（營造安全衛生設施標準第 23 條第 8 款規定暨勞工安全衛 生法第 5 條第１項第 5 款）
5.未依勞工安全衛生法及有關規定會同勞工代表訂定適合其需要之 安全衛生工作守則，報經檢查機構備查後，公告實施。（勞工安 全衛生法第 25 條）。
6.雇主使勞工從事鋼構組配作業時，未使勞工就其作業確實實施檢 點。（勞工安全衛生組織管理及自動檢查辦法第 67 條暨勞工安 全衛生法第 14 條第 2 項）
7.僱用勞工人數在 30 人以上，未於事業開始之日填具「勞工安全 衛生管理單位（人員）設置報備書」陳報檢查機構備查。（勞工 安全衛生組織管理及自動檢查辦法第 86 條暨勞工安全衛生法第 14 條第 1 項）
8.雇主對於高度在 2m 以上之高度作業，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。（勞工安全 衛生設施規則第二百八十一條暨勞工安全衛生法第五條第一項）
(四)災害示意圖（如圖 2-12 至 2-15）：
圖 2-12 災害現場鋼構組配作業
掉落處 墜落處
墜落高度18.5米
圖 2-13 罹災者墜落平面示意圖
罹災者墜落處
（鋼樑內側轉 角處）
圖 2-14 罹災者墜落現場
圖 2-15 罹災者墜落處為鋼樑內側轉角處 墜 落 處 （ 鋼 樑 內側轉角處）
2-5 安全母索之中間支撐使用情形現場工地勘查
位於新竹縣竹北市是新市政重要開發地，許多重大工程以及樓房新 建工程皆在施工中，且有些高樓工程更是達到二十多層，這樣的施工環 境下對於施工人員的人身安全是否有保護妥善，而針對安全母索中間支 撐的使用狀況是否有達到規定。針對安全母索中間支撐使用狀況，工地 現場勘查結果與圖片分別說明如下：
一、一般民宅房屋新建工程
(一)工程名稱：一般民宅房屋新建工程
(二)缺失點：未正確設立安全母索及中間支撐，工人會因為在無安全母 索的工作環境下施工會有墜落產生之危險（圖 2-16 至 2- 20）。
圖 2-16 一般民宅房屋新建工程工地案例一圖一
圖 2-17 一般民宅房屋新建工程工地案例一圖二
圖 2-18 一般民宅房屋新建工程工地案例一圖三
圖 2-19 一般民宅房屋新建工程工地案例一圖四
圖 2-20 一般民宅房屋新建工程工地案例一圖五
二、體育館新建統包工程
(一)工程名稱：體育館新建統包工程
(二)缺失點：雖有安設安全母索，但因未加裝中間支撐，使得安全母索 產生垂吊的狀況，在這樣的施工環境下，施工人員依然有 安全堪慮之憂（圖 2-21 至 2-22）。
圖 2-21 體育館新建統包工程現場工地案例二圖一
圖 2-22 體育館新建統包工程現場工地案例二圖二
三、變電所統包工程
(一)工程名稱：變電所統包工程
(二)缺失點：此工地為一鋼構設計建築，在建築主體外圍設有施工架及 防護網，但是未依規定架設安全母索，所仍是一個不安全 的施工環境（圖 2-24）。
圖 2-23 變電所統包工程現場工地案例三圖一
圖 2-24 變電所統包工程現場工地案例三圖二
由上列多個現場工地案例可以清楚發現，在我國的施工環境中設置 中間支撐的狀況並不多，甚至可以說完全未見過工地有安裝中間支撐。
且有些工地連最基本的安全母索也未正確安裝，即使有安裝安全母索，
施工人員卻因施工方便沒有將安全扣環搭扣於母索上就進行施工動作，
真是險象環生的高危險動作。我國針對施工品質是有所要求與提升，並 且逐年在提高施工技術與施工素質，但是對於施工環境與施工安全仍有 待加強與安全教育勸導。相較於日本，我國使用中間支撐的情況就明顯 落後許多【7、8】。日本對於安裝中間支撐的高度與間距有明確的規 定，中間支撐與中間支撐間隔為五個施工架，每格中間支撐只允許一位 施工人員在其上方進行施工（如圖 2-25）。
圖 2-25 日本中間支撐現況安裝示意圖
第三章 電腦輔助分析方法
3-1 有限元素法簡述
電腦輔助分析乃運用電腦快速運算的能力，經由核對電腦快速運算 結果，以求得結構設計上不斷的改進，電腦因為具有快速的運算能力，
因此常被用來做設計上計算與分析，而達到輔助設計分析的目的。設計 工程師可以在電腦上模擬結構物在受外力作用後所產生的應力及應變情 形，並且可以計算結構物在動態方面如共振頻率等或其他方面的特性。
分析出來的結果，工程師可以判斷這個產品設計的可行性。所以運用電 腦輔助分析技巧，可以提高結構物產生的優良率與結構物的品質。而且 目前此一分析法，也已獲各界認同與使用。
有限元素再工業界的應用已經超過一百年以上的歷史，發展上是從 Matrix Structural Analysis 的方法開始發展，首先是以 Beam 及 Truss 為主 的鋼構上應用。但是推廣至今有限元素法已經可以應用到很多的物理領 域。
假設一懸臂樑，當其末端受外力作用，此結構將產生變形。將此外 力移除，則此結構物將回復至原點，並紀錄尾端應變與應力之關係，會 發現剛好是為一線性關係，此一現象剛好合乎虎克定律：
F ＝ K × X
其中 F 為外力，X 為位移，K 為結構剛性強度。
圖 3-1 以單一彈簧模擬結構體行為 F
F
所以此結構體將可以轉換成彈簧與質量點相連接之狀況來模擬（如 圖 3-1），若只要知道結構體尾端受力變形之情形時，則只要知道此結 構物之截面及長度與彈簧剛性關係，就可以求得彈簧之剛性。但是若想 知道結構體中間或中間以外之其他點的變形情形，只使用一根彈簧來模 擬此系統就太過於簡化了，而難以達成目的。所以必須將此結構系統分 成兩個或多個結構組合而成的系統來做分析，組合而成的新系統可以用 一新彈簧系統一樣可以使用虎克定律來進行求解的動作（如圖 3-2）。
在有限元素的計算分析上，就是將結構體分成多個小單元並轉換成彈簧 與質量點相連接之剛性系統，然後使用虎克定律來進行求解。這些小單 元在有限元素法中專業名詞稱為元素（Element），而組成元素之參考點 稱為節點（Node）。
圖 3-2 兩結構體以新彈簧系統模擬
元素為有限元素法的主軸，它是由許多節點組合而成的，存在的形 狀可以是點元素、線元素、面元素及體積元素等等（如圖 3-3），其計 算方式都是使用虎克定律來進行求解。但是如何轉換成剛性矩陣，又與 選擇的假設與數值方法不同而有所不同，例如能量法、Rayleigh-Ritz 法 等等【16】。在節點上，每一節點都有其具有的物理意義，在節點上都 有描述這些物理量的變數。這些變數就是所謂的節點自由度（Degree of
F
Element Node
Freedom）。一般節點通常包含 UX、UY、UZ 三個自由度，但若在薄殼 元素上就增加了 POTX、POTY 及 POTZ 等共六個自由度。所以節點自由 度通常與所選用的自由度有所相關（如圖 3-4）【17】。
圖 3-3 元素種類 Point Element
Line Element Quadrilateral
Element Hex Element
3D Spar UX、UY、UZ
2D Soild UX、UY、UZ
3D Soild UX、UY、UZ
3D Beam UX、UY、UZ
POTX、POTY、POTZ
3D Shell UX、UY、UZ
POTX、POTY、POTZ
3D Thermal Solid TEMP
圖 3-4 元素自由度個數
3-2 有限元素法的相關電腦程式
有限元素法是眾多數值分析方法中的一種，是由 1950 年一群航空工 程師為了試圖分析飛機複雜的結構問題時所發展出來的一種方法，目前 已經發展的非常的完善，且普遍的應用在機械、電機、電子、航太、土 木工程等領域，為結構分析與設計不可或缺的模擬工具。
由於現在工程結構日愈龐大如台北的 101 金融大樓等，而此類結構 所遭遇到之相關工程問題也愈來愈複雜，而要處理的問題往往是複雜的 幾何形狀與材料性質，因此必須使用更多的元素，而且需要解的方程式 也跟著增加。因此若還是使用人力去計算有限元素的問題已經不符合現 在複雜工程情況，所以利用電腦的快速計算能力來輔助人力上計算的不 足，加上電腦工業的發展一日千里，使得有限元素法的軟體也隨之蓬勃 發展。
本研究是針對中間支撐來做分析，而中間支撐材料為鋼材，而且要 分析的部份為中間支撐的非線性、線性特性、塑性分析、破壞力學等。
所以本研究所使用的軟體就以 ANSYS 這套商用軟體為主，而且它是一 套被廣為適用的套裝軟體，因此要找尋相關資料庫也較為方便。
3-3 ANSYS 分析處理作業流程
一般完整的有限元素方程式（finite element program）包含前置處理
（ pre-processing ） 、 解 題 程 式 （ solution ） 和 後 置 處 理 （ post- processing）。將此三部份內容分述如下：
一、前置處理
1. 建立有限元素模型所需輸入的資料，如節點、座標資料、元 素內節點排列次序。
2. 材料特性。
3. 元素切割產生。
4. 邊界條件。
5. 負荷條件。
二、解題程式
1. 元素勁度矩陣計算
[ ]
K2. 全域負荷向量之組合
{ }
F3. 線性代數方程式
[ ]
K{ }
U ＝{ }
F 求解4. 資料反算法求應力、應變、反作用力等 三、後置處理
將解題部份所得之解答如：變位、應力、反力等資料，經由圖 形介面以各種不同表示方式把等位圖、等應力圖...等呈現出來。
有限分析之流程圖（如圖 3-5）。
圖 3-5 有限元素分析之流程圖 不合理
合理 工程問題
● 蒐集相關資料
● 決定分析項目
● 獲取材料機械性質及幾何條 件、負荷
建立有限元素模型
● 材料性質
● 幾何形狀之定義
● 元素切割產生
● 加邊界條件
● 加負荷條件
● 加時間變化情形
分析
分析結果顯示、列印
結果研判
是否提出改進方法
問題解決或得到最佳設計
有線元素程式
前處理
（Preprocessing）
解題
（Solution）
後處理
（Postprocessing）
3-4 有限元素分析流程及優缺點
一、有限元素法分析流程 1. 選用適當的元素
針對所需要分析的結構體選擇適當的元素，方能確保分析出來的 結果是較正確的，若選擇錯誤的元素則分析結果將會與實際上有 過大的差異。而元素的選用是屬於分析開始的第一項作業。它是 最簡單也是最難的動作。當元素選用完畢，就已經決定模型要如 何簡化與建構方式，同時也決定了解題與邊界條件的可能方式。
因此在元素的選擇上要非常謹慎。
2. 將整個物理空間格點化形成元素，並賦予元素適當的屬性
元素的屬性共有五種，元素的種類、元素的特性參數、材料性 質、元素的座標系統和截面編號，元素屬性的設定只要在建立起 有限元素模型之前先設定好即可，並沒有規定一定要先完成此步 驟才可以進行其他步驟，只是習慣上會先完成此步驟，以方便以 後操作。當元素的特性設定完成後，緊接者就要考慮材料性質。
在設定材料性質時要先考慮材料在變形後是否會進入塑性變形區 而形成材料非線性現象。當這些性質都設定好且結構體模型建立 完成，方可開始做空間格點形成元素。
3. 設定邊界條件
邊界條件的設定在使模型能夠充分的反應在真實的世界中所受到 外在因素的影響，因此如何正確的給定邊界條件是相當重要的，
根據所分析的物理現象不同，而有各種不同的邊界條件。設定拘 束邊界條件乃在破壞剛性矩陣的 Singularity，如此才能進行靜態 方程式的求解。然而不管如何設定，重要的是盡量符合實際結構
體的真實狀況。過度的邊界條件拘束反而容易造成結果的偏差。
4. 選用解題的解法
當要進入求解時，首先必須要先確定到底要使用動態方程式或靜 態方程式，以及以何種方式來求解動態方程式。在靜態的分析 中，並沒有求解的選項需要設定，在大部分的情況下都可以直接 求得答案，不過也因此在求解前更應該注意是否有犯錯，一般結 構靜態分析會看的結果資料有下列三種：
（1）變形
（2）應力和應變 （3）反作用力
5. 組合形成系統方程式並求解
將結構體根據以上步驟流程進行設定完後，就可以進入計算階 段，求解之時間將會因為格點的大小、多寡、材料性質及邊界條 件而有所不同。
6. 解讀結果
對簡單的結構體而言，所得到的資訊是足夠可以判別結構體之行 為變化。但倘若是複雜的結構體，太多的資訊反而會讓人摸不清 頭緒，此時可以利用圖形來快速的了解到結構體的應力應變分布 情形。
二、有限元素法之優缺點
有限元素法雖至今已發展完善且被工程界廣泛的使用，其具備有一 定的特色及優缺點，有限元素法在學術研究與工程分析上是受到歡迎的 一種數值模擬方法，然而該分析方法仍然有一些條件與環境上的限制，
吾人將有限元素法之優缺點列舉如下：
有限元素法的優點：
1. 將整個系統劃分成多個有限元素
2. 不論描述系統的方程式多麼困難、物體的幾何形狀與邊界條 件多麼複雜、材料組成多千變萬化，它都可以切割成一塊塊 的元素直接了當地處理（但是計算不一定簡單）
3. 鄰近元素的材料性質不一定要相同，這樣可以針對多種材料 所組合而成的結構體做分析。
4. 線性、非線性均適用
5. 不需將每個結構體拿進實驗室做測試
6. 不規則形狀的邊界，能用直線的元素做近似估計，或用規則 的元素做近似分析，或用取線邊界做正確配合來描述結構 體。
7. 元素大小可以改變，能視需要而將元素擴大或縮小，元素過 大或縮小相對也會影響求解時間
8. 邊界條件，諸如不連續性的面負荷，這種解法不會產生任何 困難。可以很容易解決混合邊界條件
有限元素法的缺點：
1. 無線區域之問題較難模擬，如基樁周圍之土壤，本身即屬於 無限域之問題，在有限元素法分析中，若模擬土壤邊界的尺 寸過大，則將造成求解時間過長；反之，若模擬的邊界尺寸 過小，將會造成分析結果誤差過大。因此，尺寸的大小將視 分析人員而定，其求解之結果也將會有所差異
2. 整個過程做離散處理，需龐大的資料輸出空間與計算容量，
且若分割過於詳細，解題將非常耗時，但依現今科技日益發
達，根據這項計算上耗時的缺失將會有所改變
由以上敘述得知，利用有限元素法進行結構體的的求解動作，雖在 實做上仍有一些缺點，但這些缺點是讓使用者還能夠接受，且其優點方 面更是可以抵過缺點，使的使用者更願意接受利用有限元素法來求解問 題
第四章 有限元素法分析結果
將實體的物件，分割成不同的大小、種類、小區域稱為有限元素。
利用不同領域的需求，推導出每一個元素的作用力方程式，組合整個系 統的元素，構成系統方程式，最後將系統方程式求出其解。
4-1 中間支撐相關尺寸與規定
針對中間支撐在於國內目前沒有特定的要求而相關之文獻記載也幾 乎是零，根據行政院勞工委員會勞工安全法令第 23 條第八款中有提到安 全母索之設置若超過 3m 長者應設立”中間杆柱”，其間距應在 3m 以下
【5】，雖在勞工安全法令中有提及到中間杆柱，但卻未對其有明確之定 義與規範。但相較於日本針對於中間支撐就有非常明確的定義、尺寸、
規範及試驗法則，吾人將引用日本文獻對中間支撐的尺寸與規定來作為 設計及分析上的導引（如圖 4-1）。
（單位 mm）
圖 4-1 中間支撐日本規格尺寸圖
4-2 有限元素法模型建立
模型的建立方法在程式中有兩種，其一為直接建立法或為間接建立 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 此種方法對於複雜結構，建立過程不僅繁複且容易造成錯誤，或根本無 法完成。所以此程式軟體就提供不同於直接建立法的間接建立法（自動 網格建立法）。本研究之模型建立方式即採用自動網格建立法，自動網 格建立法是利用點、線、面積、體積組合而成。自動網格建立法，對於 複雜的系統較有效，尤其對於三度空間複雜的系統最為有用。不管使用 何種方式建立一完整且正確的有限元素模型是非常花時間的，所以在建 立模型時要有相當大的耐心，更要累積一定的經驗。本實驗模型件所選 用的元素為 SOLID92（如圖 4-2）。
圖 4-2 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，所以在分析中間支稱撐時，所選用的元素模
型就以 SOLID92 為主。
一、實體模型的建立
實體模型的建立有下列幾種方法：
1.由下往上法
由建立最低單元之點，而後依序建立最高單元之體積。先建立 點，建立完點後再由點連接建立線段，由多線段組合成面積，再 由多面積組合成為 3-D 立體體積。
2.由上往下法
由上往下法為直接建立較高單元的物件，其所對應之較低單元物 件一起產生，物件單元高低依序為體積、面積、線段及點。
3.布林運算
除非模型設計的非常簡單否則很難單純利用由上往下法來建立出 實體模型，所以當使用由上往下法建立出來的實體模型，如需要 修改就必須使用到布林運算指令。所以布林運算指令，是利用在 建立實體模型時的物件相互加、減或組合。
4.混合上列三種方法
當我們再建立實體模型所使用的方法沒有一定原則，可以依據個 人的喜好以及個人的經驗來做取捨，但是重要的是能夠取得有限 元素模型為主。所以當在建立模型還未進入網格時，可以混合著 上 列 三 種 方 法 交互 使 用已達到完整 之實體 模型為止 （如圖 4- 3）。
圖 4-3 中間支柱之實體模型圖
二、網格建立
當實體模型建立完成後，方可進行網格化，完成網格後才可稱的上 已 完 成 有 限 元 素 模 型 ， 而 建 立 網 格 方 法 亦 可 分 為 自 由 網 格 （ free meshing）與對應網格（mapped meshing）兩種不同網格方法。不同的網 格方式對於建構實體模型過程有很大的影響。
1.自由網格法
自由網格時實體模型建立較為簡單，無較多限制，選擇自由網格 其網格後元素的排列沒有一定的規則，假使今天在一平面結構 上，雖然所選用的元素為四邊形，但 ANSYS 將會已退化的三角 形元素來完成網格，在立體的結構上，雖然所選用的是六面體元 素，但再 ANSYS 中也會退化成三角錐的形式來完成網格。
2.對應網格法
對應網格時，實體模型建立較複雜，有較多限制。再對應網格中 網格後元素排列有一定的規則，平面結構網格後一定為四邊形，
立體結構網格後的元素一定為六面體。以平面結構而言，對應網 格時面積四邊形，相對應邊元素數目一定要相等，若三邊形面積 欲進行對應網格時，則其三邊元素數目一定要相等且偶數。所對 應網格相較於自由網格就來的限制許多，也提高複雜性。為中間 支撐實體模型網格後（如圖 4-4）。
圖 4-4 中間支柱之實體模型網格後示意圖
4-3 有限元素法結構線性靜力分析
將實體模型網格完畢後，可以進行實體模型中間支撐設定邊界條件
（如圖 4-5）。設計內容：中間支撐的特性可由三維實體元素進行繪 製，再設定邊界條件，本研究所使用的中間支撐為日本標準型（SK-80D 平行型）而分析模型所適用的尺寸單位為 m，施力單位為 N。材料的性質 以 CNS-SS400 鋼材為模擬參數：
楊氏係數(Young's modulus)：2.04×1011N/m2 蒲松比(Poisson's ratio)：0.3
依序對中間支撐稱施加受力為 2,000N、4,000N、5,000N、6,000N、
8,000N、10,000N 進行模擬分析。觀察中間支撐的變位、應力、應變情 形。進行模擬時將中間支撐與鋼構接觸位置的位移設定為零，因為本研 究的中間支撐為架設於型鋼上的中間支撐，所以型鋼相對於中間支撐的 變形來說是相當的小，因此假設當中間支撐與鋼構體接觸的地方沒有位 移量的改變。將中間支撐與安全母索搭扣的位置設定一施加外力，藉此 來模擬中間支撐受拉力的情況。
圖 4-5 中間支柱之整體模型邊界條件示意圖
下列為水平母索中間支撐利用 ANSYS 有限元素分析，進行分析之 結果如圖 4-6 至圖 4-24，所示。
圖 4-6 施力為 2,000N 之變位圖
圖 4-7 施力為 2,000N 之應力圖
圖 4-8 施力為 2,000N 之最大應力位置放大圖
圖 4-9 施力為 2,000N 之應變圖
圖 4-10 施力為 4,000N 之變位圖
圖 4-11 施力為 4,000N 之應力圖
圖 4-12 施力為 4,000N 之應變圖
圖 4-13 施力為 5,000N 之變位圖
圖 4-14 施力為 5,000N 之應力圖
圖 4-15 施力為 5,000N 之應變圖
圖 4-16 施力為 6,000N 之變位圖
圖 4-17 施力為 6,000N 之應力圖
圖 4-18 施力為 6,000N 之應變圖
圖 4-19 施力為 8,000N 之變位圖
圖 4-20 施力為 8,000N 之應力圖
圖 4-21 施力為 8,000N 之應變圖
圖 4-22 施力為 10,000N 之變位圖
圖 4-23 施力為 10,000N 之應力圖
圖 4-24 施力為 10,000N 之應變圖
由結果可以看出，當中間支撐受一 X 軸方向的外力其最大的應力與 應變點集中在中間支撐與翼板的交接處，最大變位量是在中間支撐的頂 端受力處，當第一組模擬為受力 2,000N 時，中間支撐最大的變形位置在 中間支撐的受力位置。將模擬數據整理如下表 4-1
表 4-1 模擬結果數據表
施力（N） 位移（m） 應力（N/m2） 應變 2000 0.005982 9.96027E+07 0.000488623 4000 0.011964 1.99205E+08 0.000977246 5000 0.014954 2.49007E+08 0.00122156 6000 0.017945 2.98808E+08 0.00146587 8000 0.023927 3.98411E+08 0.00195449 10000 0.029909 4.98013E+08 0.00244311
圖 4-25 施力-位移曲線圖
圖 4-26 應力-應變曲線圖
由模擬中鋼材料的應力強度設計在 2.45×108N/m2，但當施加拉力至 5,000N 時應力值已經到達 2.49007×108N/m2，所以 當施加 拉力約到達 500kg 時中間支撐已經超過分析所設定的強度，但我國法規又規定安全 母索須能夠承受 2,300kg 之拉力，因此現階段中間支撐似乎與安全母索
施力-位移圖
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 位移(m)
施力(N)
應力應變曲線圖
0.00000E+00 1.00000E+08 2.00000E+08 3.00000E+08 4.00000E+08 5.00000E+08 6.00000E+08
0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003
應變 應力
