(1)冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說修正研擬

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(1)冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說修正研擬. 內政部建築研究所協同研究報告中華民國 101 年 12 月（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）.

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(3) 冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說修正研擬. 研究主持人：林建宏協同主持人：潘吉齡研. 究員：林新華. 研究助理：單明陽、曹孟修. 內政部建築研究所協同研究報告中華民國 101 年 12 月（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）.

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(5) 目次. 目次. 圖次. .........................................................................................................III. 摘要 .............................................................................................................. V 第一章緒論 ................................................................................................... 1 第一節研究緣起與背景 ....................................................................... 1 第二節計畫內容與目標 ....................................................................... 5 第二章進行方式與步驟 ............................................................................... 9 第三章各章修正說明 ................................................................................. 13 附件一冷軋型鋼構造建築物結構設計規範及解說 .............................. 19 附件二期初甄審會議記錄 ....................................................................... 21 附件三第一次專家座談會會議紀錄....................................................... 29 附件四期中審查會議記錄 ....................................................................... 37 附件五第二次專家座談會會議紀錄....................................................... 45 附件六期末審查會議紀錄 ....................................................................... 55 參考書目 ..................................................................................................... 61.

(6) 冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說修正研擬.

(7) 圖次. 圖次圖 1.1 輕鋼構建築(農舍) .............................................................................. 6 圖 1.2 輕鋼構建築(一般住宅) ...................................................................... 6 圖 1.3 輕鋼構建築(永久安置屋) .................................................................. 6 圖 2.1 研究步驟流程圖 ............................................................................... 12. III.

(8) 冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說修正研擬. IⅤ.

(9) 摘要. 摘. 要. 關鍵詞：冷軋型鋼、結構設計、設計規範一、研究緣起目前國際間發展及從事研究冷軋型鋼的國家為數相當多，如美國、日本、澳洲、英國、歐洲大陸、加拿大、南非與中國大陸等國家，皆有制訂相關的冷軋型鋼規範。國內十多年前應用冷軋型鋼於建築物的情況即已相當普遍，冷軋型鋼構件使用的範圍也相當廣泛，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(別墅)的構建，尤其 921 地震與 88 風災後，政府為災民規劃中、長期性的生活長期方案，如興建臨時房屋、簡易教室、永久安置屋等；而諸如此類的輕鋼構建築，絕大多數係以冷軋型鋼材料組合而成，方便、迅速且質量輕，地震發生時所造成之加速度比 RC 構造小的多，是較有具有安全感的建築物。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，目前世界各國皆發展以鋼材為建築物的基本原料，使用具環保且可回收的鋼材做為建築材料，是台灣在建築發展的一個重要趨勢，因此制定國內本土的冷軋型鋼構造相關規範乃勢在必行，如此國內製造、設計與營造業者才能有所依循；也因如此，內政部建築研究所於 89 年度即著手研擬冷軋型鋼構造設計規範與解說(審議通過後名稱：冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說)，國內建築技術規則的冷軋型鋼構造專章已於 92 年完成審議，並於 93 年 1 月 16 日公布 7 月 1 日實施。規範編撰至今業已有十多年了，隨著時代的向前行，相信規範不斷的更新與修正是一項必須進行的一項工作。. 二、研究方法及過程本研究主要目標在修正冷軋型鋼造建築物結構設計規範與解說，由於在 89 年度研擬之初乃以美國鋼鐵協會(American Iron and Steel Institute, AISI) 1996 的 Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members 為版本，並參考了國內的鋼構造建築物鋼結構設計技術規範的格式與編排方式；因此本研究亦遵循此種模式進行修. Ⅴ.

(10) 冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說修正研擬訂，惟除了修正原有的載重與強度係數設計法(極限強度設計法)外，原有未納入的容許強度法(容許應力法)在本研究中亦是一項重要的撰修任務；因此上述所提及的研究方法－相關資料之收集與整理、資料歸納整理與問題探討是最基本的研究基礎與方法，另在計畫進行的最後階段時期，也就是修正草案初期與初稿成形之時，邀請專家與學者進行座談也是一項必須的研究步驟，. 三、重要發現為確保施工之品質與建築使用之安全，本計畫針對構材設計做相關規定的研究探討，對於「冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說」本身進行了大幅度的修正，透過本計畫的執行與推動，規範在修正方面有以下幾點重要發現： 1. 有效寬度與有效斷面的設計方法已行之有年，雖然可以正確的的獲得構材設計值，然而，在使用上並不是相當的便利，近年來發展出的直接強度法(Direct Strengh Method)已被相關設計規範，做為冷軋型鋼構材的結構設計，因此本次規範的修正也將此方法予以納入，置於附錄四。 2. 在撓曲構材與受軸向像壓力構材強度計算方面，除了需考慮冷軋型鋼特有的局部挫屈問題外，在結構不穩定的強度議題上，撓曲構材須計算側向扭轉挫屈，受軸向壓力構材須計算撓曲挫屈、扭轉挫屈與撓曲扭轉挫屈三種行為，然近十年的研究發現，一種特有的挫屈模式會發生在冷軋型鋼構材上，那就是扭曲挫屈(Distorsional Buckling)，因此本次規範將此種破壞行為的強度計算予以納入修正。 3. 原先規範版本僅規範了牆體隔間柱(立柱)與其組合，在考量外覆材支撐的計算上似乎過於保守，因此本次在本節的修正上，移除了原有的內容，而採用與 AISI 規範同步的方式編列，除了考量有 AISI 具有大量的研究數據為基礎外，另外亦增加了其他構材，如框梁、桁架與樓板框架及屋頂系統的運用與規範。 4. 由於冷軋型鋼構材內的肢材的寬厚比，相對熱軋型鋼構材因此有較複雜的行為，尤其在腹板摺曲(Web Crippling)上更顯得困難，本次規範在次腹板摺曲上 ⅤI.

(11) 摘要. 進行了大幅度的修正。四、主要建議事項根據研究發現，本研究針對「冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說」的進行修正，提出下列具體建議。以下分別從立即可行建議及中長期建議加以列舉。建議一 (建議事項)立即可行之建議－規範審議主辦機關：內政部營建署協辦機關：內政部建築研究所、行政院公共工程委員會由行政院內政部營建署進行冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說」的審議工作，以儘早完成相關行政作業與程序，讓業界能有最新的規範資料，以確保使用冷軋型鋼結構的安全與品質。建議二 (建議事項)長期性建議－規範推廣主辦機關：內政部建築研究所協辦機關：各地方政府機構、台灣建築中心、台灣輕型鋼構建築協會台灣在輕鋼構建築推展之初期，一般相關業界對於輕鋼構建築大多不予以重視，印象中認定此類鋼結構僅侷限於小型工廠、倉庫、增建物或假設工程設施等簡易工程。因此，一般設計人員可能誤用熱軋鋼結構規範。同時，施工人員對冷軋型鋼相關知識的匱乏，導致業界對冷軋型鋼結構應用於建築上的不確定性。另外，對於一般使用冷軋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，各地建營單位在認定無危害的情形下草率過關；就算建營單位要求結構計算書，建築師事務所或工程顧問公司也僅能以國外之規範為標準提出審核。也因此使冷軋型鋼構造住宅在台灣的建築市場上一直無法大量的推廣，但考量此類建築物的種種優點，國內仍有不少的業者很努力在推動輕鋼構住宅，期許政府與一般民眾在注重「環保與安全」的觀念上，能慢慢的接受冷. ⅤII.

(12) 冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說修正研擬軋型鋼構造的建築型態。所以，對於各地方政府的建築或土木主管部門的人員、建築師或技師等設計人員、製造與施工人員，皆可考慮安排有關輕型鋼構住宅的推廣工作。. ⅤIII.

(13) 摘要. ABSTRACT. Keywords: cold-formed steel, structural design, design specification The study and research about the field of cold-formed steel are popular in some countries such as US, Canada, Australia, Japan, Mainland China, and British, and the specification related to cold-formed steel structual design has been established in these countries. The adoption of cold-formed steel in the buildings is very commom in Taiwan since 10 years ago. The utilization of cold-formed steel members includes floor deck, bacing system of curtain wall, partition of room, as well as the construction of factory, restaurant, and low-rised house. Due to the effect of 921 Chi-Chi earthquake and 88 typhone, using steel as construction material seems a trend for the building construction in Taiwan. Because of lightness, high strength, easy to production characteristics, the cold-formed steel has been widely used as the engineering materials. In addition, the steel is kind of recyclable and enviromental material, using cold-formed steel member as the construction material is an important trend in the developing of building construction in Taiwan. Therefore, it is necessary to systematically establish relative information document of cold-formed steel in order to promote the light-weight steel building. In the begining of 1990, Architecture & Building Research Institute started to draft the design specification for the cold-formed steel using in the structural design of building. A special chapter related to cold-formed steel structures in Taiwan’s Building Code and Regulations was accomplished in year of 2003 and was announced in Jan. 16th, 2004. A routine and regulative work for amending the existing specification is sort of important mission. Therfore, the purpose of this project is focused on amendind the design specification in order to provide the state of art information.. IX.

(14) 冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說修正研擬. X.

(15) 第一章緒論. 第一章第一節. 緒論. 研究緣起與背景. 一、研究主題目前國內的「冷軋型鋼造建築物結構設計規範與解說」乃於民國 89 年度研擬，於 92 年度完成國內建築技術規則冷軋型鋼構造專章完成審議，並於 93 年公佈施行，從研擬至今業已經過 12 年了，隨著經濟的發展與科技的進步，適時的修正規範是必須進行的一項工作，因此本計畫主要目的在於修訂適合現今的冷軋型鋼造建築物結構設計規範與解說。另外國內「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」的設計上分為二部份：一為鋼結構容許應力設計法規範及解說；另一為鋼結構極限設計法規範及解說。89 年度研擬冷軋型鋼造建築物結構設計規範與解說時，僅呈現極限強度設計法，未能將容許應力法納入考量，因此，本次修正冷軋型鋼造建築物結構設計規範時，可參造美國美國鋼構造協會 AISC 與美國鋼鐵協會 AISI 在編修最新規範的作法，將國內冷軋型鋼的鋼造建築物結構設計規範，除了修正原有極限強度設計法的相關內容外，並加入容許應力法設計法於規範內。. 二、研究緣起目前國際間發展及從事研究冷軋型鋼的國家為數相當多，如美國、日本、澳洲、英國、歐洲大陸、加拿大、南非與中國大陸等國家，皆有制訂相關的冷軋型鋼規範。國內十多年前應用冷軋型鋼於建築物的情況即已相當普遍，冷軋型鋼構件使用的範圍也相當廣泛，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(別墅)的構建，尤其 921 地震與 88 風災後，政府為災民規劃中、長期性的生活長期方案，如興建臨時房屋、簡易教室、永久安置屋等；而諸如此類的輕鋼構建築，絕大多數係以冷軋型鋼材料組合而成，方便、迅速且質量輕，地震發生時所造成之加速度比 RC 構造小的多，是較有具有安全感的建築物。. 近年來由於國內缺乏輕型鋼構建築的結構計算技術，國內部分廠商直接與 1.

(16) 冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說修正研擬. 發展輕型鋼構建築多年的日本建築業合作，但在建材價格上與 know how 的技. 冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說修正研擬. 術上等因素上，讓輕鋼構建築的成本比傳統鋼筋混凝土建築高出許多，也因此冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說修正研擬在市場上的競爭性相對不足；既使冷軋型鋼構造住宅在台灣的建築市場上一直. 無法大量的推廣，但考量此類建築物的種種優點，國內仍有不少的業者很努力冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說修正研擬. 在推動輕鋼構住宅，期許政府與一般民眾在注重「環保與安全」的觀念上，能. 慢慢的接受冷軋型鋼構造的建築型態。冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說修正研擬冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說修正研擬. 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，目前世界各國皆發展以鋼材為建築物的基本原料，使用具環保且可回收的鋼材做為建築材料，是台灣在建築發展的一個重要趨勢，因此制定國內本土的冷軋型鋼構造相關規範乃勢在必行，如此國內製造、設計與營造業者才能有所依循；也因如此，內政部建築研究所於 89 年度即著手研擬冷軋型鋼構造設計規範與解說(審議通過後名稱：冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說)，國內建築技術規則的冷軋型鋼構造專章已於 92 年完成審議，並於 93 年 1 月 16 日公布 7 月 1 日實施。. 雖然國內已制訂了「冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說」，但在 89 年度研擬此規範時，乃以美國鋼鐵協會(American Iron and Steel Institute,AISI)所編訂的 1996 年版「冷軋型鋼構材設計規範 (Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members)」為參考依據，事值今日業已有十多年了，隨著時代的向前行，相信規範不斷的更新與修正是一項必須進行的一項工作。. 本規範的研擬與修正有其需求性與必要性，因此本計畫在推動和規劃上的基本動機及理由為： 1. 民國 2000 年所編撰的冷軋型鋼構造建築物設計規範與解說，乃依據 1996 年美國的冷軋型鋼結構構材設計規範，至今已近十二年未能予以修正。 2. 第一版的規範內容僅針對載重及強度係數設計法(LRFD)，未能將容許應力法 (Allowable Stress Design)納入規範，然而近年對於原本欲以載重及強度係數設計法，取代的容許應力法已轉變為強度概念設計，如此對於規範在整合編撰上將較過去以往以兩本編列的方式為簡易清晰，所以本次規範修訂也將容許強度法(Allowable Strength Design)一併考量納入修正。 2.

(17) 第一章緒論 3. 更多的研究引導更安全更正確的設計規定，由於近十年是世界各國在冷軋型鋼領域上的研究相當的多，同時使用冷軋型鋼為結構主體的輕型鋼構建築已漸漸成為主要的構造方法，所以導入國外最新的規範以予同步修正本國規範，實為一與時俱進的作法。 4. 原規範的內容主要針對冷軋型鋼構材的結構設計與要求，然而，輕型鋼構建築的結構元件不像一般鋼結構為構架結構，實為以牆板為結構體的結構設計，因此純鋼的設計並不適用於冷軋型鋼建築，因此在規範上的相關章節須考量構件組合與輕型鋼構建築體的板牆結構。. 三、研究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, 2001)。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。. 與其他建築材料如木材和混凝土比較之下，冷軋型鋼構材能提供下列之優點：(1)重量輕；(2)高強度與高勁度；(3)製造便捷與可大量製造；(4)裝設快速與簡易；(5)方便運輸與處理；(6)施工上不受氣候之影響；(7)可準確地細部規劃與施工；(8)在惡劣的溫度下不會收縮與潛變；(9)無需假設工程；(10)不易腐壞及防蟲害；(11)品質劃一；(12)不可燃性。在一般建築中，冷軋型鋼構件可被使用成為主要與次要建築體之結構。但在高層建築中，主要之結構架構仍以熱軋鋼構件 (hot-rolled structural steel)為主，而冷軋型鋼構件使用之範圍則可大致為樓層版與屋頂版，牆板、輸送管、帷幕牆之支撐架，和天花板之固定支撐等。. 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己廣泛地使用在工、商業界及一般住宅上。以美國為例，在 1992 年推動初期，僅有 500 棟此類建築興建，在 1998 年一年間. 3.

(18) 冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說修正研擬已有 12 萬棟住宅使用輕鋼構建築，約佔當年住宅建築的 10%，在 2000 年其輕鋼構住宅達一年 20 萬戶的規模(約佔當年住宅建築的 20%)。由於加州與佛羅里達州的氣候則顯得潮濕，而加州則為地震頻繁區域，佛羅里達州則有相當的颶風發生，也因此，美國使用輕鋼構住宅有相當大的比例集中在加州與佛羅里達州，在 2004 年南佛羅里達州以輕鋼構形式新建的住宅已達 47%。而日本更是在短短的幾年間，在鋼鐵製造業共同的努力下結盟成立協會(鋼材俱樂部)，不但進行生產、製造及推廣，同時亦進行研究發展工作，讓所謂的鋼屋(steel house)市場在日本蓬勃發展，2001 年間日本已有超過 6000 戶的興建，2002 年已有 3 萬戶的規模。而輕鋼構住宅在澳洲方面，其市場在 2004 年佔有率約為 25%，每年皆有明顯的成長。. 目前國際間發展及從事冷軋型鋼構材結構強度與其應用研究的國家為數相當多，如美國、日本、澳洲、英國、歐洲大陸、加拿大、南非與中國大陸等國家，皆有相當完整的冷軋型鋼規範。國內應用冷軋型鋼於建築物的情況也日益普遍，冷軋型鋼構件使用的範圍愈來愈廣，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(別墅)的構建，及到處可見之屋頂加蓋及搭建。大體而言，冷軋型鋼構件應用於建築工程時所具備的優點 (Yu, 2001)﹕(1)對於較輕的載重及/或較短的跨矩，使用冷軋型鋼構件比熱軋型鋼較為經濟；(2)由於製造方式的特異性，冷軋型鋼可輕易製作成所需之特殊形狀，並可獲得較佳之強度對重量比(strength-to-weight ratios)；(3)製造完成之巢狀冷軋型鋼構件在包裝與運送上，不但節省空間且相當經濟；(4)冷軋型鋼承版或鋼片，除了可提供屋頂、牆板與樓版建築外，另可安置電器或其他設施之管路與導管；(5)如果與鄰近的支撐構件有良好的結合，冷軋型鋼承版或鋼片，不僅可承受垂直載重，更可設計為抵抗橫向力之剪力膈版(shear diaphragm)。. 4.

(19) 第一章緒論. 第二節. 計畫內容與目標. 一、本研究計畫之重要性台灣地區地狹人稠，高層及高密度之集合住宅在近都會地區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。. 台灣在輕鋼構建築推展之初期，一般相關業界對於輕鋼構建築大多不予以重視，印象中認定此類鋼結構僅侷限於小型工廠、倉庫、增建物或假設工程設施等簡易工程。因此，一般設計人員可能誤用熱軋鋼結構規範。同時，施工人員對冷軋型鋼相關知識的匱乏，導致業界對冷軋型鋼結構應用於建築上的不確定性。另外，對於一般使用冷軋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，各地建營單位在認定無危害的情形下草率過關；就算建營單位要求結構計算書，建築師事務所或工程顧問公司也僅能以國外之規範為標準提出審核。但在現今國內冷軋型鋼相關規範逐步建立的情形下，已有業者使用以冷軋型鋼構造為主的建築物出現。雖然目前已有不少營造業者嘗試推動以冷軋型構造為主的低層住宅，但皆因沒有相關的設計資料與數據來支撐這類建築的結構計算基礎，因此常以申請建照較為簡單的農舍為興建的對象，圖 1 則為建築實例。. 另外由於國內缺乏輕型鋼構建築的結構計算技術，國內部分廠商直接與發展輕型鋼構建築多年的日本建築業合作，圖 2 則為此類建築的工程實例，但在建材價格上與 know how 的技術上等因素上，讓輕鋼構建築的成本比傳統鋼筋混凝土建築高出許多，也因此在市場上的競爭性相對不足。既使冷軋型鋼構造住宅在台灣的建築市場上一直無法大量的推廣，但考量此類建築物的種種優點，國內仍有不少的業者很努力在推動輕鋼構住宅，期許政府與一般民眾在注重「環保與安全」 5.

(20) 冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說修正研擬的觀念上，能慢慢的接受冷軋型鋼構造的建築型態。圖 3 為 88 風災後，由政府與民間共同的力量，在南部所興建的輕型鋼構住宅(永久安置屋)。. 圖 1.1 輕鋼構建築(農舍). 圖 1.2 輕鋼構建築(一般住宅). 圖 1.3 輕鋼構建築(永久安置屋) 目前國內的「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」一直持續的進行修正與調整，相信同樣為鋼結構領域的「冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說」，亦應隨著時代的腳步而有所編修，如此才能與實務界接軌。二、研究內容與目的早在 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，目前的“冷軋型鋼構件設計規範 -Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members”(AISI, 2007)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、 6.

(21) 第一章緒論印度、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，雖然國內已制訂了「冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說」，修訂國內的冷軋型鋼構造設計規範是一項持續的工作，也是本研究的主要目的。目前國內的「冷軋型鋼造建築物結構設計規範與解說」乃於民國 89 年度研擬，於 92 年度完成國內建築技術規則冷軋型鋼構造專章完成審議，並於 93 年公佈施行，從研擬至今業已經過 12 年了，隨著經濟的發展與科技的進步，適時的修正規範是必須進行的一項工作，因此本計畫主要目的在於修訂適合現今的冷軋型鋼造建築物結構設計規範與解說。另外國內「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」的設計上分為二部份：一為鋼結構容許應力設計法規範及解說；另一為鋼結構極限設計法規範及解說。89 年度研擬冷軋型鋼造建築物結構設計規範與解說時，僅呈現極限強度設計法，未能將容許應力法納入考量，因此，本次修正冷軋型鋼造建築物結構設計規範時，可參造美國美國鋼構造協會 AISC 與美國鋼鐵協會 AISI 在編修最新規範的作法，將國內冷軋型鋼的鋼造建築物結構設計規範，除了修正原有極限強度設計法的相關內容外，並加入容許應力法設計法於規範內。. 7.

(22) 冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說修正研擬. 8.

(23) 第二章計畫進行方式與步驟. 第二章. 計畫進行方式與步驟. 一、研究採用之方法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)常以折減材料強度或放大載重作為設計之安全係數，對結構安全的掌握或許並不是最佳的方法，但往往是工程師普遍使用的設計法。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做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；另一為鋼結構極限設計法規範及解說。89 年度研擬冷軋型鋼造建築物結構設計規範時，僅呈現極限強度設計法，未能將容許應力法納入考量，因此，本次修正冷軋型鋼造建築物結構設計規範時，可參造美國美國鋼構造協會 AISC 與美國鋼鐵協會 AISI 在編修最新規範的作法，將容許應力法與極限強度法在構材的設計計算上，朝向整合一致化的方式呈現，因此，本次修正冷軋型鋼造建築物結構設計規範時，將容許應力法直接納入於規範內，如此較能符合業界與時代所需。. 規範在研擬之初乃以美國的冷軋型鋼構材設計規範(Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members)為參考藍本，本次修正亦考慮以最新的北美設計規範(North American Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members)為依據，如此較能與先前的國內規範版本接軌並呈現其連慣性。另外考量國內有部分業者在輕型鋼構建築上，引用日本之技術與施工方法，因此當初在設計規範擬訂時，將”日本薄板輕量型鋼構造設計準則”納入規範並置入附錄三內，本次修正亦會參考最新的日本設計準則，修正規範的內容以符合市場的需求。. 由於先前在研擬冷軋型鋼造建築物結構設計規範與解說時，乃參考美國鋼鐵協會 AISI 所制訂的冷軋型鋼構材設計規範，現今該規範在這十年進行大幅度的 9.

(24) 冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說修正研擬修正外，亦已整合加拿大與墨西哥兩國的規範，成為「北美冷軋型鋼構材設計規範」。由於相當的的學者專家在這些年，在冷軋型鋼相關領域的鑽研，因此在比較新舊規範的差異性時，發現有相當比例的修正，如在有效斷面的肢材計算上，進行了大幅度的改變，如構件設計計算上，考慮扭曲挫屈(distorsional buckling) 對於撓曲構材與受壓構材的影響，如在樓板、屋頂或牆面等鋼隔板構造的強度計算上，將強度折減因子與安全因子做了全面的修正；另外，也將這些年在學界研究的成果，如利用直接強度法設計冷軋型鋼構材(Design of Cold-Formed Steel Structural Members Using Direct Strength Method)置於附錄內，以提供設計者在計算構材強度時的另一種選擇。. 為確保施工之品質與建築使用之安全，本計畫除了針對構材設計做相關規定之研究探討外，冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說的修正版本，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，對於製造、安裝與品管之類似章節亦需加以調整修正。而本計畫的具體實施，可依下列三個階段進行： 1.相關資料之收集、整理 (1)美國與澳洲冷軋型鋼構材設計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。 2.資料歸納、整理與問題探討 (1)探討澳洲冷軋型鋼構材設計規範參考美國規範之依據方法。 (2)界定國內冷軋型鋼規範與美國冷軋型鋼構件規範之差異性。 (3)研究國內冷軋型鋼規範與國內熱軋型鋼設計規範之互通性。 (4)針對所擬規範草案，請業界專家學者座談，提出修訂意見，俾使規範符合業界之需求。 3.修正冷軋型鋼構造建築物結構設計規範及解說。. 二、研究採用方法之原因本研究主要目標在修正冷軋型鋼造建築物結構設計規範與解說，由於在 89 年度研擬之初乃以美國鋼鐵協會(American Iron and Steel Institute, AISI) 1996 的 Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members 為版本，並參. 10.

(25) 第二章計畫進行方式與步驟考了國內的鋼構造建築物鋼結構設計技術規範的格式與編排方式；因此本研究亦遵循此種模式進行修訂，惟除了修正原有的極限強度設計法外，原有未納入的容許應力法在本研究中亦是一項重要的任務；因此上述所提及的研究方法－相關資料之收集與整理、資料歸納整理與問題探討是最基本的研究基礎與方法，另在計畫進行的最後階段時期，也就是修正草案已初稿成形之時，邀請專家與學者進行座談也是一項必須的研究步驟。. 三、預計可能遭遇之困難及解決途徑本研究除了針對既有的冷軋型鋼造建築物結構設計規範與解說進行修正研擬外，亦需加入原來規範未有的容許應力法，以現有的研究人員（包含協同主持人，研究人員與研究助理）而言，似乎在研究工作上人力有些吃緊，解決這個問題的途徑上僅有督促本研究團隊，在限定的期限內努力達成本計畫的目標。. 四、預期成果 1. 完成修訂國內冷軋型鋼構件設計規範與解說，建立適合本土之設計規範，讓製造、設計與營造業者能有所依循。 2. 透過專家座談與計畫執行時的訪談，提出相關實務問題，並研擬解決之道，除了利於設計規範的修正外，對於未來在修正施工規範上亦有相當的助益。 3. 激發業界與設計者對冷型鋼之重視，確保建築結構安全，共同結合產、官、學之力量以提升工程品質。 4. 有利學術界及工程界能進一步了解其設計原理應用，以發掘和推廣冷軋型鋼在國內之研究。. 五、研究步驟＜請參考下頁的流程圖＞. 11.

(26) 冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說修正研擬. 計劃目標相關資料收集集各國規範之收集及研究. 相關技術報告. 各國規範. 問題分析與探討. 專家與業者座談. 研究文獻. 網路資源. 內容架構研擬. 調查與訪談. 資料歸納與內容整理. 規範內容適用性探討. 撰寫與修正規範完成期末報告. 圖 2.1 研究步驟流程圖. 12.

(27) 第三章各章修正說明. 第三章各章修正說明.  第一章在民國 90 年編列之初，考量世界在鋼結構設計法上已漸漸趨向以載重與強度係數設計法(Load Resistance and Factored Design)為主軸，此種設計法類似鋼筋混凝土的極限強度設計法(Limit State Design)，主要是以統計的方法並以強度(strength) 設計為基礎而發展出來的設計法，與業界使用已久的容許應力法(Allowable Stress Design)相比較，載重與強度係數設計法以機率理論設計，使結構的安全性較能達到一致之水準，也較為經濟與安全，也因此在擬定本規範時則以此法為依歸，而未考慮將容許應力法納入。惟經過多年後的今日，原本認為會漸漸失去其市場的容許應力法，並沒有如原來想像的被淘汰，反而將原有的設計基礎由應力轉型為強度，名稱也更名為容許強度法(Allowable Strength Design)，如此將可以與載重與強度係數設計法在結構構材的計算上採用相同的公式，對於原來容許應力法的使用者的設計習慣由應力設計轉變為強度設計，也對於規範在編撰上將較為簡易清晰，由美國鋼構造協會(AISC) 在 2005 年編撰的鋼結構建築規範(Specification for Steel Structural Buildings)，與美國鋼鐵協會 (AISI) 在 2007 年的冷軋型鋼構材設計規範 (Specification for Cold-Formed Steel Structural Members)，可觀察出皆將載重與強度係數設計法與容許強度法合併編列成為一本規範，所以本次規範修訂也將容許強度法一併考量修正，因此在本章第 1.3 節設計準則以予納入說明。.  第二章本次在第二章『載重』的修正依據主要為美國鋼鐵協會所編定之「北美冷軋型鋼構材設計規範」(North American Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members)，並參考美國土木工程師學會所制定之「建築與其他結構最小設計載重」(Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures)。除了原有的載重與強度係數設計法的載重係數與載重組合加以修正外，亦另加一節以規範容許強度法的載重組合。原本在第 2.2 節解說部分所提的”強度折減因子(strength reduction factor)”，以予移除並納入第一章第 1.3.2 節中加以說明。另第 2.3 節『其他載重』以予刪除， 13.

(28) 冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說修正研擬並在第 2.2 節的解說中加以說明。.  第三章為因應市場需求並於國外同步，將原規定的抗拉強度與降伏應力比不能低於 1.13 的限制改為 1.08，另外也提出國外可運用於冷軋型鋼結構上的材料修正。.  第四章在第 4.3.1 節均布受壓之加勁肢材的有效寬度公式的修正上，將原有隱藏在細長因子()裡的彈性挫屈應力(Fcr)，明顯的呈現在計算公式上。在第 4.3.2 節上的修正，將原有僅針對「均布受壓具有圓孔之加勁肢材」的設計要求，擴大加入“具有非圓孔之加勁肢材”的相關規定。在第 4.3.3 節「腹板及具應力坡度之加勁肢材」方面，原先用於計算腹板有效寬度的公式，對於腹板全寬(ho)與翼板全寬(bo)比值超過 4.0 時，會產生不保守的現象，因此，對於 ho / bo  4 情形下的計算公式仍加以保留，新增對於 ho / bo > 4 情形下的計算公式。另外，對於原來規範未能含括“具應力坡度之 C 型斷面開孔腹板” 的部分，新增一節(第 4.3.3 節)以予相關規定。研究結果發現原第 4.4.2 節「具應力坡度之未加勁肢材及邊緣加勁材」，對於挫屈係數 k 值使用 0.43，用以計算具應力坡度的未加勁肢材似乎是有些保守，因此對於具應力坡度未加勁肢材的有效寬度計算提出修正。原第 4.5 節的標題為「具中間加勁材或邊緣加勁材之肢材有效寬度」，此次修正將“中間加勁材”與“邊緣加勁材”以予分節處理，將具中間加勁材之肢材的有效寬度規定移至第 4.6 節，而新修正的第 4.5 節「具邊緣加勁材之均佈受壓肢材的有效寬度」中所適用的相關計算，僅針對邊緣加勁材為簡單突唇者，其因乃是先前版本的計算方式，似乎在較複雜的邊緣加勁材的斷面上有不保守的問題存在。在新修正的第 4.6 節部分，前一版(民國 93 年)“具單個中間加勁材之均布受壓肢材”和“多個中間加勁材之加勁肢材”的相關規定，主要以先前的研究結果發展研擬。透過後續的相關研究，本次將具單個中間加勁材或多個中間加勁材均佈受壓肢材的有效寬度計算，以予整合處理。另外，有別於前一版僅考量局部挫屈的影響，新修正的具中間加勁材之均佈受壓加勁肢材的板挫屈係數，取決於兩類的挫屈行為：(1)局部挫屈－中間加勁材在變形中維持一樣的位置；(2)扭曲挫屈－中間加勁材隨著板挫屈的曲線移動。. 14.

(29) 第三章各章修正說明原第 4.6 節”加勁材”的部分，考量其作用乃屬撓曲構材的範疇，移至第六章以予修正說明。.  第五章受拉構材的受拉強度原規定以淨斷面(An)的降伏計算之，在本次修正上，將承受軸向拉力載重的標稱受拉強度的計算與「鋼結構極限設計法規範與解說」內容所呈現的計算法一致，也就是受拉強度應取在全斷面的降伏強度或在淨斷面之斷裂強度兩者之較低者。載重與強度係數設計法上的強度折減因子（）與容許強度法上的安全因子（），分別與本國鋼結構極限設計法規範與解說和鋼結構容許應力法規範與解說相同，也與美國鋼構造協會的鋼結構建築規範的值相同。.  第六章依非彈性保留容量計算標稱撓曲強度時，對於構材具未加勁受壓肢材的 Cy 值提供新的計算公式。側向挫屈強度的要求，在本章分別給予不同的設計規定：(1)具開放斷面構材的側向-扭轉挫屈強度；及(2)具中空方管構材的側向-扭轉挫屈強度。本章增加了對於具開放斷面構材可能發生扭曲挫屈(Distorsional Buckling)不穩定的破壞行為，並提供不同的設計公式給予不同斷面型式的要求。對於原章節考慮翼板以貫穿式接合於鋼承板或外覆板之梁及翼板連接屋頂系統摺板之梁，將此章節更動移至第十章組合構材中。剪力強度的規定修正分別給予不同的設計考量：(1)腹板不具有開孔，及(2)C型斷面腹板具開孔。腹板皺曲強度的設計考量於本章節中作大幅度的修改，包括使用單一腹板皺曲強度設計公式，配合表列之不同斷面型式所提供的設計係數，並依據不同的載重條件決定各項係數。另外，對於 C-型斷面腹板具開孔時也增加了這個設計規定。本章也增加對於無側向支撐的撓曲構材承受彎曲-扭轉載重(Combined Bending and Torsional loading)時的設計規定要求。.  第七章本章的修改及增加的內容主要是對於軸心載重受壓之構材，其軸壓強度除了依. 15.

(30) 冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說修正研擬據原設計規定外(即考慮降伏、撓曲、撓曲-扭轉、及扭轉挫屈之標稱強度)，另外增加對於 I 型、Z 型、C 型、帽型或其他開放型斷面的扭曲挫屈強度(Distorsional Buckling Strength)的設計要求。第 7.5 節－翼板連接鋼承板或外覆板之受壓構材移至第十章組合構材中。.  第八章對於承受軸力及彎矩之構材，本章提供依據容許強度設計法(ASD)及載重與強度係數設計法(LRFD)之後設計規定，當構材承受軸向拉力與撓曲交互作用時，其標稱拉力強度應依規範第五章之規定計算；在構材承受軸向壓力與撓曲交互作用時，其標稱壓力強度應依規範第七章之規定計算。而構材之標稱撓曲強度則依第六章相關之規定計算。.  第九章在第 9.2 節中影響空圓管標稱撓曲強度之因子(D/t)修正；在第 9.3 節修正有效中空圓管之斷面積。.  第十章原先版本在第 10.4 節僅規範了牆體隔間柱(立柱)與其組合，在考量外覆材支撐的計算上似乎過於保守，因此本次在本節的修正上，移除了原有的內容，而採用與 AISI 規範同步的方式編列，除了考量有 AISI 具有大量的研究數據為基礎外，另外亦增加了其他構材，如框梁、桁架與樓板框架及屋頂系統的運用與規範。原 10.3.2.1 節承受重力載重之屋頂系統的支撐之錨定—上翼板連結外覆材者移至 10.6.4 節說明與修改。對於第五章考慮翼板以貫穿式接合於鋼承板或外覆板之梁及翼板連接屋頂系統摺板之梁，將此章節更動移至第十章第 10.6.1 節與第 10.6.2 節予以規範說明。原第 7.5 節－翼板連接鋼承板或外覆板之受壓構材，更動移至第十章第 10.6.3 節予以規範說明。.  第十一章在第 11.2.2 節中修正電弧點銲有效熔融區之直徑(de)為 9.53mm；在第 11.2.2.1 節增訂鋼板與鋼板接合處之電弧點銲標稱剪力強度；在第 11.2.2.2 節連接鋼板及支. 16.

(31) 第三章各章修正說明承材的每一電弧點銲，於無偏心載重下，其上揚標稱拉力強度之公式修正；在第 11.2.6 節修訂點銲的標稱剪力強度計算公式，並刪除以表列板厚與標稱剪力強度之關係；增加剪力遲滯現象對斷面張力強度影響之一節，以說明對斷面於銲接處有效淨斷面積之破壞及降伏現象；在第 11.3.2 節修正接合部淨斷面之破壞強度(剪力遲滯)，包含接合部材料是否有無開孔情形等均納入考慮因素；在第 11.3.3 節增訂螺栓接合承壓強度之計算公式，並增列螺栓承壓強度係數及承壓接合方式之修正係數；在第 11.4.2 節修訂從連結物中心點到任一邊緣的距離(即邊距) ；在第 11.4.3.2 節修訂螺絲邊距大小影響連結物剪力強度之計算公式；在第 11.4.4.2 節在考慮螺絲型式與墊圈使用情形，修訂螺絲標稱穿刺強度；增訂剪力與穿刺力之聯合作用、張力撕裂、區塊剪力撕裂等內容；在第 11.6.1 節刪除材料接合之承壓面為混凝土支承之情形。.  第十二章配合行政院公共工程委員會所頒定之公共品質管理作業要點，修正部份用詞、用語。.  第十三章新增地 13.3.5 節－纖維板外覆材，也就是說用於抗剪力的牆體外覆材，除了原設定的鋼板、石膏板與木質板外，牆體外覆材的可使用纖維板外覆材。對於所負的 3 種表格－「剪力牆之耐風及其它平面側向力標稱強度」、「石膏板與纖維板之耐風及耐震力」、「剪力牆之標稱耐震抗剪力」進行全面的更改與說明。.  附錄一 (專有名詞中英文對照) 【修正完成】.  附錄二 (符號說明) 【修正完成】.  附錄三 (日本薄板輕量型鋼構造設計準則) 【無修正】. 17.

(32) 冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說修正研擬.  附錄四 (直接強度法) 【新增附錄】.  參考文獻【修正完成】. 18.

(33) 附件一. 附件一冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說. 19.

(34) 冷軋型鋼構造建築物結構設計規範及解說目第一章通則 1.1 適用範圍 1.2 品質要求 1.3 設計基準 1.4. 常數. 錄. ................................................................................................... ................................................................................................... .................................................................................................... 1-1 1-2 1-2. ............................................................................................................ 1-7. 第二章載重 2.1 適用範圍. .................................................................................................... 2-1. 載重組合. .................................................................................................... 2-1. 第三章材料 3.1 一般規定 3.2 適用鋼材. ................................................................................................... .................................................................................................... 3-1 3-1. 降伏應力 ................................................................................................... 冷作成型之影響 ....................................................................................... 延展性 ....................................................................................................... 鋼材厚度 .................................................................................................... 3-4 3-5 3-8 3-8. 第四章肢材設計 4.1 適用範圍 ................................................................................................... 4.2 肢材尺寸之限制與考量 ........................................................................... 4.3 加勁肢材之有效寬度 ................................................................................ 4-1 4-4 4-6. 2.2. 3.3 3.4 3.5 3.6. 4.4 4.5. 未加勁肢材之有效寬度 ......................................................................... 具中間加勁材或邊緣加勁材之均部受壓肢材的有效寬度 .................. 4-16 4-19. 4.6. 具中間加勁材之均部受壓加勁肢材或邊緣加勁肢材的有效寬度. 4-26. ..... 第五章受拉構材 5.1 適用範圍 ................................................................................................... 5.2 第六章 6.1 6.2. 設計受拉強度(抗力). 5-1. ................................................................................. 5-1. 適用範圍 ................................................................................................... 一般撓曲設計 ............................................................................................ 6-1 6-1. 撓曲構材. I.

(35) 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7. 剪力強度 ................................................................................................. 撓曲–剪力強度 ..................................................................................... 腹板皺曲強度 ......................................................................................... 撓曲–腹板皺曲強度 ............................................................................. 撓曲–扭轉作用 ...................................................................................... 6-20 6-23 6-26 6-37 6-41. 6.8. 加勁材. 6-42. ...................................................................................................... 第七章軸心載重受壓構材 7.1 適用範圍 ................................................................................................... 7.2 7.3. 降伏、撓曲挫屈、撓曲-扭轉與扭轉挫屈之標稱強度設計受壓強度 . 7-1 扭曲挫屈強度(抗力) .............................................................................. 7-10. 第八章承受軸力及彎矩之構材 8.1 適用範圍 ................................................................................................... 8.2 8.3 第九章. 7-1. 軸向拉力與撓曲交互作用強度軸向壓力與撓曲交互作用強度. 8-1. ............................................................... ................................................................ 8-1 8-2. 中空圓管構材. 9.1. 適用範圍. .................................................................................................... 9-1. 9.2 9.3 9.4. 撓曲強度(抵抗彎矩) ................................................................................ 軸向壓力強度(抗力) ................................................................................ 軸向壓力與撓曲作用強度 ........................................................................ 9-3 9-4 9-5. 第十章組合構材 10.1 適用範圍 ............................................................................................... 10.2 組合斷面 ............................................................................................... 10.3 側向支撐 ............................................................................................... 10.4 10.5 10.6. 冷軋型鋼框架式構造 ......................................................................... 樓板、屋頂或牆體面等鋼隔板構造 ................................................. 金屬屋頂與牆體系統 .......................................................................... 10-1 10-1 10-5 10-18 10-20 10-21. 第十一章接合設計 11.1 一般規定 ............................................................................................... 11-1 11.2 銲接接合 ............................................................................................... 11-1 11.3 螺栓接合 ............................................................................................. 11-20 11.4 螺絲接合 ............................................................................................. 11-30 11.5 11.6. 撕裂剪力撕裂 ..................................................................................... 其他材料的接合 ..................................................................................... II. 11-38 11-39.

(36) 第十二章製作、安裝、品管 12.1 適用範圍 ............................................................................................... 12.2 一般規定 ............................................................................................... 12.3 製造 ....................................................................................................... 12.4 安裝 ....................................................................................................... 12.5 品質管制計畫 ........................................................................................ 12-1 12-1 12-2 12-4 12-5. 第十三章耐震及耐風設計特別規定 13.1 適用範圍 ................................................................................................ 13-1. 冷軋鋼輕型剪力牆壁之耐震及耐風要求 ........................................... 應用條件 ............................................................................................... 設計抗剪力 ........................................................................................... 耐震設計規定 ........................................................................................ 13-1 13-1 13-3 13-3. 附錄一. 專有名詞中英對照. ................................................................................ A-1. 附錄二. 符號說明. ................................................................................................ B-1. 附錄三. 日本薄板輕量型鋼構造設計準則. 附錄四. 以直接強度法設計冷軋型鋼構材(新增). 13.2 13.3 13.4 13.5. 參考文獻. ....................................................... C-1. ............................................. D-1. ................................................................................................................ R-1. III.

(37)

(38) 冷軋型鋼構造建築物結構設計規範及解說 (修正草案) 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物結構，該構材係由碳鋼或低合金鋼板或鋼片冷軋成型，其鋼材厚度不得超過 25.4 mm。解說：冷軋型鋼構材(cold-formed steel members)乃由碳鋼或低合金鋼板或鋼片 (carbon or low alloy steel sheet, strip, plate or flat bar)在室溫下經由輾軋或滾壓(cold roll forming, press brake or bending brake operation)製造而成。冷軋型鋼構材可應用的範圍相當廣泛，其使用於建築方面亦相當的普及。在目前的建築構材考量上，除非為低層住宅建築，一般而言，冷軋型鋼構材的使用大都為次結構構材或為非結構構材，其應用之部位可區分如下﹕ 1. 結構構材(structural member，beam or column) 2. 屋頂桁條與橫桿(roof purlin and side rail) 3. 牆體立柱隔間牆(wall stud partition) 4. 樓板格柵梁托梁(floor joist) 5. 門或窗之過梁(lintels) 6. 牆板(wall claddings) 7. 屋頂板(roof panels) 8. 樓承板(floor deck) 9. 桁架(truss) 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.冷軋型鋼構材在冷軋加工過程中會造成冷軋殘留應力，即是在斷面隅角處及其周邊的材料機械性質，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 1-1.

(39) 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.冷軋型鋼構材之隅角處(corner)為圓弧形，而非填角(corner fillet)。冷軋型鋼材與一般熱軋型鋼材的厚度相比較之下相差甚多，其本體之厚度通常介於 0.38 mm (0.0149 in)至 6.35 mm (0.25 in)之間。在澳洲與紐西蘭的冷軋型鋼規範內則指出，針對結構之需求，某些厚及 25 mm 的鋼板或鋼棒(steel bar) 成功地經過冷型作用而成為結構用型鋼。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「北美冷軋型鋼構材設計規範」(North American 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及安全，為確證施工能以達到設計標準，設計人、監造人及承造人應依其權責辦理查驗工作，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 設計基準本規範的設計基準包括依據載重及強度係數設計法及容許強度法制定，容許強度及設計強度分別依第 1.3.1 節及第 1.3.2 節的設計方法計算，當構材或接合的強度計算不適用於本規範的規定時，得依下列方式求取： 1. 相關規範建議之實驗。 2. 基於適當的學術理論、試驗的數據佐證、工程的判斷評估下的合理的工程分析。當構材或接合的強度經由實驗或合理的工程分析取得時，安全因子及強度折減因子的應用值則須符合下列規定： 1. 構材：= 2.00（容許強度法），= 0.80（載重及強度係數設計法）。 1-2.

(40) 2. 接合：= 2.50（容許強度法），= 0.65（載重及強度係數設計法）。. 1.3.1 容許強度法 (ASD) 本規範中各構材及接合之容許強度必須大於或等於由載重組合所得之需要強度： Rn/≥R. (1.3-1). 其中 R = 所需強度 Rn = 標稱強度，見第四章至第十一章之規定 = 安全因子，見第四章至第十一章之規定 Rn/= 容許強度解說：容許強度法的計算中，結構構材的所需強度（撓曲彎矩、軸力、剪力等）係以工作載重組合依合理的結構計算取得。. 1.3.2 載重及強度係數設計法 (LRFD) 該設計載重及強度係數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： Rn ≥Ru. (1.3-2). 其中 Ru = 所需強度 Rn = 標稱強度，見第四章至第十一章之規定 = 強度折減因子，見第四章至第十一章之規定 Rn = 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、降伏、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證實，相關之研究報告可參考文獻[1.6、1.7]之說明。載重及強度係數設計法(Load and Resistance Factor Design, 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 ≤ Rn. (C-1.3-1) 1-3.

(41) 或 Ru ≤ Rn 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，是構材強度折減係數(考慮標稱強度存在的變化性)，<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而使用不同的係數；(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 Qm. Rm. 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. 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 βσln(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： ln(R m ) Qm β (C-1.3-2) VR2 VQ2 其中 VR =δR / Rm 偏差係數 VQ =δQ / Qm 載重偏差係數 β為可靠度指數. 1-4.

(42) ln(R/Q)m ln(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. 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，上述可用下例有一梁承受靜重及活重之簡支、側撐來作說明。針對此型梁，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=梁長度 S=梁間距 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 F y (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. 1-5.

(43) 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=1.22Rn 及 VR=0.14 載重效應之平均值為 Qm = (LS2 S/8)(Dm+Lm). (C-1.3-7). 及 VQ . (D m VD ) 2 (L m VL ) 2 D m L m. (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 Qm. L2S S 1.05D  ( 1)L 8 L. VQ . (C-1.3-9). (1.05D / L) 2 VD2 VL2 (1.05D / L 1). (C-1.3-10). 由上式可知 Qm 及 VQ 與(D/L)之比值有關，冷軋型鋼梁通常有較小之(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. R m 1.22 2.0 L(L2SS / 8)  2.02 Qm 1.21L(L2SS / 8) 及. β. ln(2.02) (0.14) (0.21) 2. 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梁，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]。 1-6.

(44) 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] (c)強度折減因子本規範所建議使用之強度折減因子，與第 2 章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： Rn = c(1.2D+1.6L) = (1.2D/L+1.6)cL (C-1.3-11) 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-1.3-11)及(C-1.3-9)可重新改寫為 Rn = 1.84(cL/). (C-1.3-12). Qm = (1.05D/L+1)cL = 1.21cL 故. (C-1.3-13). Rm/Qm = (1.521/)(Rm/Rn) (C-1.3-14) 值可由公式（C-1.3-2）、（C-1.3-4）及（C-1.3-14）計算而得知[1.19]： 1.521(Pm M m Fm ) exp(0 VR2 VQ2 ). (C-1.3-15). β0 是目標可靠度指數。由已知的值及在 1.2D+1.6L 的載重組合條件下，可求得在容許強度設計法中相對應之安全因子，Ω： Ω = (1.2D/L+1.6)/[(D/L+1)] 其中 D/L 是靜載重與活載重之比值。. 1.4 常數 1-7. (C-1.3-16).

(45) 冷軋型鋼構材設計時所用鋼材之彈性模數(E)為 20,50020,700 kg/mm2 (203,000 MPa)，剪力模數(G)為 7,9007,950 kg/mm2 (78,000 MPa)，波森比(µ)為 0.3，溫度伸縮係數為 0.000012/ºC。. 1-8.

(46) 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：載重及強度係數設計法乃以可靠度理論為基礎，考量國內相關之資料尚不完整，本規範所採用之載重組合主要參考美國鋼鐵協會所編定之「北美冷軋型鋼構材設計規範」 (North American Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members)制定。另外，美國土木工程師學會所制定之「建築與其他結構最小設計載重」(Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures)載重準則[2.1]有詳細資料可供參考。. 2.2 載重組合冷軋型鋼結構或建築的載重大小及載重組合，須依第 2.2.1 節的載重與強度係數設計法之規定計算或依第 2.2.2 節的容許強度設計法之規定計算。本節中所提不同形式載重的定義如下： D = 靜載重 E = 地震力載重 L = 活載重 Lr = 屋頂活載重 S = 雪載重 R = 雨載重 W = 風力載重. 2.2.1 載重與強度係數設計法的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，其對應之標稱載重與載重組合應依據建築技術規則及相關規範之規定辦理。需要強度之決定若建築技術規則及相關規範中無相關規定，則須檢核下列之載重組合(載重設計)： (1) 1.4D (2) 1.2D + 1.6L + 0.5(Lr 或 S 或 R) 2-1.

(47) (3) 1.2D + 1.6(Lr 或 S 或 R) + (L 或 0.8W) (4) 1.2D + 1.6W + L + 0.5(Lr 或 S 或 R) (5) 1.2D + 1.0E + L + 0.2S (6) 0.9D + 1.6W (7) 0.9D + 1.0E (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 + 1.5E + 0.5L + 0.2S (6) 0.9D –(1.3W 或 1.5E) 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低於超過 500 kg/m2 之區域，載重組合(3)、(4) 及(5)中之活載重(L)係數可應等於 0.51.0，公共集會場所仍須以 1.0 為其係數。 2.載重組合(2)、(4)及(5)中之雪載重(S)可以是平屋頂之雪載重或是斜屋頂之雪載重。 2.當桁條、圍梁、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係在維修之故，在組合(3)中 Lr 之載重係數應以 1.4 取代 1.6。 4.在極限狀態基礎下，如特定的規範規定之地震載重模型情況，載重組合(5) 及(6)中之地震力(E)係數應等於 1.0。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)、結構、基礎，美國 ASCE 7-05 載重標準提供下列之載重係數及其組合： 1. 2. 3. 4.. 1.4(D+F) 1.2(D+F+T) + 1.6(L+H) + 0.5(Lr 或 S 或 R) 1.2D + 1.6(Lr 或 S 或 R) + (L 或 0.8W) 1.2D + 1.6W + L + 0.5(Lr 或 S 或 R). 5. 1.2D + 1.0E + L + 0.2S 6. 0.9D + 1.6W + 1.6H 2-2.

(48) 7. 0.9D + 1.0E + 1.6H 其中 F 為洪水壓力，H 為側向土壓力或地下水壓力，T 為自我應變力 (self-straining force)，而自我應變力(T)乃結構或構材因溫度變化所造成膨脹或收縮的內部力量，或是因潛變或沉陷所造成的內部力量。參考目前國內的「鋼結構極限設計法規範與解說」[2.2]對於載重所涵蓋之範圍，並未將此 3 種載重納入考量，其因應考慮結構體及其構材所受之載重，本節在載重係數與載重組合亦以此方式呈現，惟如有此類的載重出現時則須納入考量計算。 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)由於一般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)在考量載重組合(3)時，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)在考量載重組合(3)、(4)及(6)時，桁條、圍梁、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)在考量載重組合(5)及(6)時，當地震力模式是根據極限狀態發展而得時，且特定的規範規定之地震載重模型情況，地震力係數可為 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 ，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： Rn = c(1.2D+1.6L) = (1.2D/L+1.6)cL 2-3.

(49) (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/). (C-2.2-2). Qm = (1.05D/L+1)cL = 1.21cL 故. (C-2.2-3). Rm/Qm = (1.521/)(Rm/Rn) (C-2.2-4) 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]：. 1.521( Pm M m Fm ) exp(0 VR2 VQ2 ). (C-2.2-5). β0 是目標可靠度指數。由已知的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)/[(D/L+1)] (C-2.2-6) 其中 D/L 是靜載重與活載重之比值。 2.2.2 容許強度法的載重組合依據如許強度設計法，(冷軋型)鋼結構及其構材之容許強度必須大於或等於由載重組合所得之需要強度，其對應之工作載重與載重組合應依據建築技術規則及相關規範之規定辦理。若建築技術規則及相關規範中無相關規定，則須檢核下列之載重組合(載重設計)： (1) D (2) D + L (3) D + (Lr 或 S 或 R) (4) D + 0.75L + 0.75(Lr 或 S 或 R) (5) D + (W 或 0.7E) (6) D + 0.75(W 或 0.7E) + 0.75L + 0.75(Lr 或 S 或 R) (7) 0.6D + W (8) 0.6D + 0.7E 注意事項：載重組合(4)及(6)中之雪載重(S)可以是平屋頂之雪載重或是斜屋頂之雪載重。解說：針對所有不同的構材(包括冷軋型鋼)、結構、基礎，美國 ASCE 7-05 載重標準提供下列之工作載重及其組合： 1. D + F 2. D + H + F + L + T 2-4.

(50) 3. 4. 5. 6.. D + H + F + (Lr 或 S 或 R) D + H + F + 0.75(L + T) + 0.75(Lr 或 S 或 R) D + H + F + (W 或 0.7E) D + H + F + 0.75(W 或 0.7E) + 0.75L + 0.75(Lr 或 S 或 R). 7. 0.6D + W + H 8. 0.6D + 0.7E + H 參考目前國內的「鋼結構容許應力設計法規範與解說」[2.2]對於載重所涵蓋之範圍，並未將洪水壓力(F)、側向土壓力或地下水壓力(H)或自我應變力(T) 此 3 種載重納入考量，其因應考慮結構體及其構材所受之載重，本節在工作載重與載重組合亦以此方式呈現，惟如有此類載重出現時則須納入考量計算。. 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)，其因數化載重效應分為 1.3F、1.6H、1.2P 及 1.2T，且應於第 2.2 節中列入考慮。解說：參考文獻[2.1]. 2-5.

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(1)冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與 解說修正研擬

(1)冷軋型鋼構造建築物結構設計規範與解說修正研擬