钢结构设计2015

1、1鋼結構設計2015Steel Structure Analysis蔡仁卓 Ren-Jwo Tsay國立成功大學土木工程博士，土木技師，結構技師 Ph. D of NCKU Civil EngineeringP.E. of Civil EngineerP.E. Of Structure Engineer2鋼結構型式3鋼結構壞型式4Index(1/3)續論結構分析與設計、鋼結構規範、容許應力設計鋼材料性質與力學行為鋼材力學行為、鋼疲勞強度、鋼殘餘應力、鋼材規格與選用法、塑性設計法軸向壓力構件柱彈性挫曲理論、壓力構件有效長度因素n梁結構梁受力與變形、梁塑性彎矩與形狀因素、梁構件極限狀態 5Inde

2、x(2/3)n梁結構ASD半結實梁分析、LRFD半結實梁分析 n梁柱構件P- 效應、梁柱放大係數、ASD梁柱分析n螺栓接合螺栓接合型式、螺栓接合破壞型式、螺栓接合尺寸與配置 6Index(3/3)n銲接接合銲接接合型式、銲接接合施工與符號 n鋼結構塑性分析與設計鋼結構塑性分析基本觀念，降伏與極限載重 7Textbookn陳紹蕃，房屋建築鋼結構設計(上下)，中國建築工業出版社，20128Ref webnGB50017-2003n建築技術規則建築構造編(台灣) n鋼結構設計手冊(台灣)n鋼構造建築物鋼結構設計技術規範(台灣) 20100916.tw/chine

3、se/index.php?option=com_content&view=article&id=10491&Itemid=100nLRFD manual910Ch1續論n鋼結構優缺點n鋼結構設計概念11鋼結構的優點鋼結構的優點l材料強度高，總重較輕。材料強度高，總重較輕。l塑性和韌性能力強。塑性和韌性能力強。l材質均勻，品質易控管。材質均勻，品質易控管。l營造簡易、施工期短。營造簡易、施工期短。l拆除容易，材料可回收利用。拆除容易，材料可回收利用。12鋼結構的缺點鋼結構的缺點n耐腐蝕性較差耐腐蝕性較差n耐火性差、極低溫成脆性耐火性差、極低溫成脆性n易挫屈易挫屈n殘餘應力

4、高殘餘應力高13鋼結構特性n歐洲熱浸鍍鋅鋼結構之概況 - 中華民國鋼結構協會 14鋼結構設計規範 nUSA: AISC(American institute of steel construction ) /nJapain: AIJ(architecture institute of Japain) http:/www.aij.or.jp/aijhome.htmnTaiwan:鋼結構設計規範 .tw/chinese/index.php?option=com_content&view=article&id

5、=10491&Itemid=5715中國鋼結構設計相關規範nGB50017中國鋼結構設計規範nGB50009建築結構荷載規範nGB50011建築抗震設計規範nGB18306中國地震動參數區畫圖16鋼結構設計方法 nASD (allowable stress design)容許應力設計 nLRFD (load and resistance factor design)載重係數設計(極限設計法) 17ASD容許應力設計n 標稱強度n 外載重n 安全係數n基本安全係數1.67niinQFSR1.nRiQ.FS18構件受力狀態破壞模式SF拉力構件全斷面降伏1.67淨斷面斷裂2壓力構件非彈性挫曲

6、1.67-1.92彈性挫曲1.92彎曲梁達極限彎矩塑性铰1.67側向扭轉挫曲1.67受剪力梁剪切破壞1.5銲接、螺栓接脆性剪力破壞2.5319LRFD極限設計法 n ：折減係數n ：標稱強度n ：載重組合iinQrR nRirD4 . 1LD6 . 12 . 1WLD6 . 15 . 02 . 1ELD5 . 02 . 1WD6 . 19 . 0ED 9 . 020折減係數構件受力狀態構件受力狀態極限狀態極限狀態拉力桿件全斷面降伏0.9淨斷面拉力或剪力斷裂0.75壓力桿件非彈性或彈性挫屈0.85彎曲桿件達極限彎矩產生塑性鉸、彈性或非彈性側向扭轉挫屈、剪切破壞0.9組合梁0.85螺栓接合螺栓拉斷

7、及鋼板承壓破壞0.75承壓型螺栓剪斷0.75摩阻型螺栓剪斷1.0或或0.85銲接依銲接方式不同而定0.750.80.9腹板或翼板承受集中力翼板局部彎曲0.9腹板局部降伏1.0腹板壓皺0.75腹板承壓挫屈0.9腹板側移挫屈0.8521塑性設計法塑性設計法n載重因數載重因數(load factor) 塑性設計法將工作載重乘以某一個大於工作載重乘以某一個大於1之載之載重因數重因數(load factor，其可視為安全因數)成為極限載重，然後再以載重進行設計。1nniiiRrQ22ASD與與LRFD之比較之比較合理性合理性 相較相較ASD幾乎採用幾乎採用1.67做為安全因數之下，做為安全因數之下，LR

8、FD具有設具有設計方法上的合理性。計方法上的合理性。 經濟性經濟性 如果結構設計活載重與靜載重相較之下甚小，亦即如果結構設計活載重與靜載重相較之下甚小，亦即L/D越越小，則以小，則以LRFD設計的鋼結構會比設計的鋼結構會比ASD設計者較為經濟。設計者較為經濟。 使用性使用性 因為因為ASD幾乎只用到材料線彈性部分，相較於幾乎只用到材料線彈性部分，相較於LRFD，ASD較無使用性問題。較無使用性問題。 23鋼構件斷面表示法鋼構件斷面表示法n公制的鋼構件斷面表示法基本上就是將斷面的高度、寬度、版厚的尺寸，以公公釐釐(mm)為單位依序寫出(斷面高度d)(翼板寬度fb)(腹板厚度1t)(翼板厚度2t)

9、 24常見型鋼的斷面與尺寸表示法常見型鋼的斷面與尺寸表示法n鋼板鋼板(plates) nH型鋼型鋼(工型鋼，寬翼緣工型鋼，寬翼緣I型鋼，型鋼，wide flange section) n標準標準I型鋼型鋼(American standard beam) 斷面尺寸表示法同斷面尺寸表示法同H型鋼。型鋼。 (鋼板厚度t)(斷面寬度b)(鋼板長度L) (斷面高度d)(翼板寬度fb)(腹板厚度1t)(翼板厚度2t) 25nT型鋼型鋼(structural tee) n槽鋼槽鋼(channel)n角鋼角鋼(angle) (斷面高度d)(翼板寬度fb)(腹板厚度1t)(翼板厚度2t) (斷面高度d)(翼板寬

10、度fb)(腹板厚度1t)(翼板厚度2t) (長肢長度1b)(短肢長度2b)(肢材厚度t) 鋼結構組成n跨越結構n高聳結構26鋼結構載重nGB50009建築結構荷載規範2728Ch2鋼結構材料鋼結構材料29鋼與鐵鋼與鐵n含碳量在2%以下是鋼；而含碳量在2%至4%者為鐵。n鐵之單位重為7.25，鋼之單位重為7.85。鋼構材料30Q235nQ代表的是这种材质的屈服极限，后面的235，就是指这种材质的屈服值，在235MPa左右Ref: http:/ stress)係指材料體在未受未受力力的情形下，存在於體內可自相平衡自相平衡的應力。n殘留應力的形成主要有二：（1）鋼的塑性加工行為）鋼的塑性加工行為（2

11、）溫度的不均勻冷卻）溫度的不均勻冷卻42鋼的塑性加工產生殘餘應力鋼的塑性加工產生殘餘應力冷彎與預拱冷彎與預拱型鋼校正型鋼校正鋼材的冷切割與鑽孔鋼材的冷切割與鑽孔43溫度的不均勻冷卻產生殘餘應力溫度的不均勻冷卻產生殘餘應力n冷卻快的部分產生殘留壓應力；冷卻慢冷卻快的部分產生殘留壓應力；冷卻慢的部分產生殘留拉應力。的部分產生殘留拉應力。 n火焰切割處與銲接處因具有高熱具有高熱，故必冷卻較慢冷卻較慢產生殘留拉拉應力。 n火焰切割與銲接所造成的殘留應力遠大遠大於於熱軋自然冷卻的殘留應力。44熱軋型鋼殘餘應力分佈45殘留應力對鋼結構力學行為的殘留應力對鋼結構力學行為的影響影響l降低受壓鋼構件的挫屈強度降

12、低受壓鋼構件的挫屈強度l殘留應力會影響疲勞限度。殘留應力會影響疲勞限度。l殘留應力有可能使構件斷裂。殘留應力有可能使構件斷裂。鋼材料強度對溫度影響4647鋼的防高溫措施鋼的防高溫措施（1）防火披覆）防火披覆（2）防火時效）防火時效（3）耐火鋼）耐火鋼結構桿件 自頂層起算不超過 4 層之各樓層 自頂層起算超過第 4 層至第 14 層之各樓層 自頂層起算超過第15層以上之各樓層 梁 1 小時 2 小時 3 小時 柱 1 小時 2 小時 3 小時 樓版 1 小時 2 小時 2 小時 屋頂 0.5 小時 48防火披覆49CNS防火時效實驗 nCNS12514nCNS http:/.tw/n防防 火火

13、原原 理理 、 防防 火火 材材 料料 及及 建建 築築 物物 防防 火火 設設 計計 理理 念念 之之 介介 紹紹.tw/tech/techjour/tcj21/q21-8.PDF50鋼的腐蝕防制鋼的腐蝕防制油漆塗裝油漆塗裝n鋼構造物防銹工法最普遍之方法為噴塗鋼構造物防銹工法最普遍之方法為噴塗油漆，簡稱塗裝。油漆，簡稱塗裝。熱浸鍍鋅熱浸鍍鋅鋅鋁熔射鋅鋁熔射51n鋼結構熱浸鍍鋅介紹 - 中華民國熱浸鍍鋅協會 52鋅鋁熔射鋅鋁熔射n1.可噴塗超高膜厚實現重防蝕保護之目的。n2.可依鋼結構物部位之腐蝕度來調整噴塗膜厚。n3.被加工物不受高溫影響而變形或強度降低。n4.可適用於各類的鋼結構物體，無大小或材質之限制。 n5.設備輕巧，現場施工或部份熔射均佳，適用於舊設備之維護。 n6.屬於環保型防蝕技術，無水處理問題且不會造成其他公害。n 7.以噴砂為主的表面處理、不會產生氫脆化現象。n鋅鋁熔射施工鋅鋁熔射施工 http:/ 53鋼結構用鋼材與銲材熱軋型鋼編碼方式5455輕型鋼構 (Light-g