廠房裝設吊車結構計算之研討

曾浩雄  技師

一、使用場合

大型給水廠因其出水量較大，因此需要採用大型氯氣鋼桶做為日常添加氯氣之用，氯氣鋼桶需要儲存倉，如台水公司第一區管理處新山給水廠暖暖淨水場因其出水量較大，因此須要採用桶裝氯氣鋼筒。氯氣是危險會立即致命之氣體，氯氣筒之操作必須非常謹慎，為了裝卸方便，氯倉都會加設吊車起重機，以利作業。若大型給水廠每日出水量為300,000CMD，加氯量一般約為4ppm，則每日加氯氣量為4ppm* 300,000*1,000=1,200公斤。給水廠經常存量約為6,000至9,000㎏（以重量或容積單位表示）。因此一桶氯氣鋼桶7天就用完。

二、廠房之建造

一般氯倉大都為一樓鋼筋混凝土造(當然也可採用鋼骨造)，其跨距約為8公尺(可存放兩排)，為吊起氯氣鋼筒之吊車起重機應有吊起10 T重之能力。因此氣倉之大樑中央必須能承受12 T之集中荷重。

三、基本資料

1.吊車機應有吊起10 T重之能力。假設氯倉之跨距約為8公尺(可存  放兩排)，為吊起氯氣鋼筒，氣倉之大樑中央必須能承受12T之集中荷重(含吊車機氯及氣鋼筒)。

2.一樓剛架(Rigid Frame)，如圖1。

3..設氯倉之長 * 寬= 10 m*8 m，四周牆梁之尺寸為25 cm*50cm，一樓大梁之尺寸為35 cm *50 cm，則氯倉大梁承受頂板之面積A=(10-0.25)/2 * (8-0.25) =37.78 m²。設頂板之厚度 = 15 cm。

   頂板之重量= 2.4 * 0.15 * 37..38 = 13.46 T 。

    一樓大梁自重= 2.4 * 0.4 * ( 0.60 - 0.15 ) = 0.43 T。若加設之鋼梁採用300 mm * 300 mm *10  mm 之I型鋼， 其單位重量= 94 kg/m。I=20,400 m⁴。則一樓剛架承受之總重w =  = 13.46 + 0.43 + 0.94 + 0.2 * ( 10 – 0. 25 ) / 2  ( 活載重 ) ≒  15.81 T。柱自重= 2.4 * 0..5 * 0.5 * 3.6 (高) = 2.16 T。

4..依據「結構力學設計手冊」^【1】P. 166. Ш.21.3，一層樓剛架( Rigid   Frame ) 之k值= I_b / I_c * h / ℓ = ( 35 * 50^3 / 36 + 20,400 ) / (50 *50^3/36) * 3.6 / 8 = 0.37。

四、長期應力分析

(一)因自重引起之作用力

1.氯倉架承受之自重

(1)氯倉架，詳如圖2。

(2)V = V_A = V_D = w * ℓ / 2 +柱自重= 15.81 * 8 / 2 + 2.16 = 65.4 T。

(3)H=H_A=- H_D = w* ℓª / ( ( 4 * h ) *( 2 + k ))=15.81* 8^2 / ( ( 4 * 3.6 )*( 2 + 0.37)) =29.65 T。

(4)M_A = M_D = w * ℓ² / ( 12 * ( 2 + k ) ) = 15.81 * 8^2 / ( 12 * ( 2 + 0.37 ) )= 35.58 T-m。

(5)M_B= M_C = w * ℓ² / ( 6 ( 2 + k ) ) =15.81 * 8^2 / ( 6* ( 2 + 0.37 ) ) =71.16 T-m。

(6)M_max = w * ℓ² / 24 * ( 2 + 3k ) / (2+ k ) = 15.81 * 8^2 / 24 * ( 2 + 3 * 0.37) / ( 2 + 0.37 ) = 126.27 T-m。

(二)因吊車引起之作用力(如圖3)

1.V = V_A = V_D = 1 / 2 P =12/2 = 6 T。

2.H = H_A = - H_D = 3P * ℓ / ( 8 * ( 2 +k ) * h ) ) = 2.67 T，

3.M_A = M_D /= P * ℓ / ( 8 * ( 2 + k ) ) = 12* 8 / ( 8 * ( 2 += 3 * 12 * 8 / (8 * ( 2 +0.37 ) * 3.6 ) ) = 4.22 T-m。

4.M_B = M_C = P * ℓ / ( 4 * ( 2 + k ) ) =12 * 8 / ( 4 * (2 +0.37 ) = 10.13 T-m。

5.M_P = P * ℓ * ( 1 + k ) / ( 4 * ( 2 + k ) )= 12 * 8 * ( 1 + 0.37 ) / ( 4 * ( 2+0.37 ) ) = 13.87 T-m。

(三)因風力引起之作用力(如圖4)。

1.V = -V_A = V_D = w * h² * k / ( ℓ* ( 1 + 6k ) ) = 2.94 T。

2.H_A= w * h / 8 * ( 13 + 6 k) / ( 2 + k)=15.81 * 3.6 / 8 * (13 + 6 * 0.37 )/( 2 + 0.37 ) =45.69 T。

3.H_D = - w * h / 8 * ( 3 + 2k ) / ( 2 +k ) = -15.81 * 3.6 / 8 * ( 3 + 2 * 0.37 ) / ( 2 +0.37 ) = -11.23 T。

4.M_A = w * h² / 24 / ( 30k² + 73 k +15 ) ) / ( ( 2 + k ) *  ( 1 + 6 k ) ) = 15.81* 3.6^2 / 24 * ( 30 * 0.37^2 + 73 *0.37 +15 ) ) / ( 2 + 0.37 )。

5.M_D = / 24 w * h² / 24 * ( k* ( 23 + 6k ) / ( 1 + k ) ( 1 + 6 k ) )。M_B= M_A - H_A * y - w * y ² / 2。

6.ym =(13+6k) *k / ( 1 + K ) / (8 * (2+ K ))。

(四)因地震引起之作用力(如圖5)。

1.V= -V_A＝　V_D=　3＊　p　h　k　/ ( ℓ * ( 1 + 6k ) )。

2.H=H_A=- H_D = - 1/2 F。

3.-M_A = M_D = F * h /2 / ( ( 1 +.3k)*( 1+6 k ) )。

4.M_B = - M_C  = F * h * ( 3k / ( 1 +6 k ))。

(五)長短期應力整合

1.根據規範，所有材料對應短期作用力之容許應力可提升1/3，因此作用力整合時須先就短期作用力折減為其原有之3/4。

2.設整合後之作用力分別為SV_A、SH_A、SM_A、SM_A、 SM_C。

(六)核算安全性

1.H型鋼之壓應力=SV_A / A (型鋼之斷面積)應小於1,000kgf/cm²。

2.H型鋼之剪應力=SH_A / H型鋼之斷面積應小於750kgf/cm²。

3.H型鋼之拉應力=SM_A / Z型鋼之斷面積應小於1,400kgf/cm²。

五、結論

大型給水廠為每天處理大容量之氯氣加藥量，需要採用桶裝氯氣鋼筒，為了裝卸方便，都會加設吊車起重機，因此氯氣儲存倉在設計之前就必須考量其梁柱之受力，以確保建築物之安全。

圖1  氯氣倉平面圖		圖2 自重引起之作用力示意圖
圖3 吊車引起之作用力示意圖		圖4 風力引起之作用力示意圖
圖5 地震引起之作用力示意圖