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技師報於85年11月18日土木日創刊
新聞局出版事業登記證局版省報字第48號


中華民國九十七年十月四日

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總 編  輯:拱祥生
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本期主筆:周子劍
執行編撰:李惠華
文字記者:許素梅

鋼結構山型廠房設計原則介紹(下)

陳正平 技師

5.10  柱之類型

廠房之柱一般可分為構架柱及天車柱兩類。構架柱主要承擔主構架之長期載重及短期載重(風力及地震力),天車柱主要承擔天車載重。在實務上常將構架柱及天車柱兩者組合併置或共構,其形狀分為:

1. 托架柱(bracketed column)

2. 階梯式柱(stepped column)

3. 繫條柱(laced column)

4. 繫板柱(battened column) 

 

柱之最經濟設計之假設條件:

1. 固定柱基底部。惟其基礎亦須檢核傾倒彎矩。

2. 具有水平斜撐桁架,使側向天車載重可分配至鄰近之柱。

3. 當屋頂構架為桁架時,斜撐桁架位置設在下部弦桿(bottom chord)之高度上。

4.立面構架儘可能設置斜撐系統。惟須檢核接頭集中力及基礎之上舉及下壓力。

5.11  柱與基腳之連接

依設計分析時假設其為固定或鉸接而有多種不同之接合之方式。鋼柱與混凝土墩間之接合宜設置剪力釘。 

5.12  屋頂斜撐

屋頂斜撐在具有天車系統之工廠建築物中,特別重要。使用勁度較高之屋頂斜撐系統可得較經濟的設計,因屋頂斜撐可使吊車之側向載重分配至鄰近的構架,而減少載重構架支柱的彎矩。當然構架之設計彎矩仍不得少於分擔之風力所產生者,而構架與柱之位移亦得均勻分佈。至於未具屋頂斜撐系統時,天車側力由單一構架承擔。由於屋頂斜撐之勁度在分擔側力時很重要,建議斜撐構材採用角鋼或T型鋼,而不要使用棒鋼(rods)。 

5.13  牆面斜撐

天車縱向衝擊力及風力通常由牆面斜撐來承擔,對於傳遞天車縱向力之斜撐建議採用下列配置:

縱向力 斜撐配置
2tf 以下 使用抗風斜撐
2 tf ~4 tf 使用水平桁架將力傳遞至斜撐平面
4 tf 以上 直接在縱向力立面上設置斜撐

又天車柱斜撐系統通常用X型斜撐,若遇通道處可採用門型斜撐,但門型斜撐配置會使斜撐承受極大之垂直力。

5.14  天車道梁(crane runway girder)之設計

1. 載重考慮

 (1) 最大輪載重與輪間距。

 (2) 多部天車位於同一走道或相鄰走道之影響。

 (3) 垂直向衝擊力。

 (4) 剎車力及縱向衝擊力。

 (5) 橫向衝擊力。

 (6) 疲勞效應。

 (7) 其他。

 

2. 影響天車道梁設計之天車特性

 (1) 掛釣容量(包括起重裝置在內之吊起載重)

 (2) 吊車重量(bridge)

 (3) 吊機重量(trolley)

 (4) 吊車淨空間與掛釣高度。

 (5) 載重之服務類別。

 (6) 移動速度、加速度與剎車速度。

 (7) 跨度(軌道中心距,會受到屋架撓度而變動)

 (8) 輪子數量與間距。

 (9) 最大輪載重。

 (10) 集電環鐵軌(或其他動力來源)之型式與位置。

 (11) 走道鐵軌尺寸及軌道與道梁間之偏心。

 (12) 緩衝裝置之受壓縮長度。

 (13) 緩衝裝置(止動架)距吊車鐵軌頂之高度。

 

3. 選擇吊車大梁之原則

 (1) 輕型吊車及短跨度:用寬翼梁。

 (2) 中型吊車及中跨度:用寬翼梁並以槽鋼蓋板或角鋼補強上翼板。

 (3) 重型吊車及長跨度:用板梁,上翼板以桁架或實體版加強。

 (4) 單軌天車:I型鋼。

5.15  天車載重下之撓度限制

大梁由於活載重(不包括衝擊載重)產生之垂直允許撓度如下:

1. 輕型與中型吊車  L/600(L為跨距)

2. 鋼廠吊車  L/1000

3. 天車道梁之側向允許撓度 L/400 

5.16  天車道梁設計步驟

1. 計算滿足撓度控制所需之慣性矩 (IxIy),對於輕型及中型吊車,其垂直撓度宜限制在L/600以下,重型吊車則宜限制在L/1000以下。

2. 將天車之載重置於最臨界之狀況,如產生最大彎矩或最大剪力等。

3. 計算撓曲彎矩(包括衝擊效應)MxMy

4. 選擇斷面,須考慮無支撐長度及側向挫屈,若疲勞控制時,亦須考慮容許的應力差值(應力幅)範圍。

5. 以下式校核斷面

其中,

MxMy=分別對鋼梁強軸及弱軸計算撓曲彎矩(包括衝擊效應) (tf-m)

FbxFby =分別對鋼梁強軸及弱軸之容許撓曲應力 (tf / cm2)

Sx =對鋼梁強軸之斷面模數 (cm3)

Sy’=上半部斷面對y軸之斷面模數(cm3)

根據AISE#13之規定,由於吊車車輪通過大梁之上翼版產生之局部縱向彎曲應力為:

其中,fbw=由於輪載重產生撓曲於上翼板之局部縱向應力(t/cm2),數 值通常在0.070.28t/cm2的範圍;

P  =最大輪載重(t)

tf  =上翼板厚度(cm)

IR  =鐵軌之斷面慣性矩(cm4)

If  =上翼板之慣性矩(cm4)

h  =翼板間之淨距(cm)

t  =腹板厚度(cm)

上翼板之頂部應力,會增加此局部應力,而上翼板底部應力,則會減少此局部應力值。

6. 天車道梁為避免不均勻沈陷產生額外之彎矩,一般不論實際是否為連續梁均以簡支梁設計。

7. 軌道安裝時,常因施工精度及構架側向撓度等因素,而無法與梁腹板中心一致而產生偏心彎矩,故天車道梁腹部宜設置加勁板,但考量疲勞效應的影響,加勁板不宜銲接於下翼板。

5.17  天車道梁止動架

1. 螺旋彈箕式緩衝器(coil spring bumper)

其中,

F=長向總慣性力,由天車大梁(bridge)及吊機(trolley)之總重量所產生之慣性力,作用於天車系統之重心上,並依此重心位置分配於二側之止動架;

W=天車總重量(不含吊重);

V=撞擊時之速度,採用額定載重速度之50%m/s

Ct=撞擊時彈簧之壓縮長度(m);

g=重力加速度,9.8m/s2

2. 無充分資料時,每側止動架之作用力採用天車總重量(不含吊重)10%。

 

六、結語

廠房結構設計與一般建築結構設計最大的差異在載重的差異非常大,尤其是有很多設備或運轉載重(振動、衝擊、溫度等)設計者常誤將廠房載重比照建築結構之靜態載重處理方式設計,而造成結構體損壞或振動過大而影響使用性。另外廠房結構之穩定系統型式會影響施工順序,鑑於經常發生廠房在施工中倒塌,在此特別提醒設計者,將結構穩定系統較特殊者之施工順序註明於設計圖上,讓施工者有所遵循,以防施工者一時疏忽釀成災害。

 七、參考資料

1. 陳正平, (1997) ”鋼結構設計手冊”(容許應力法) CSSE 86-05A 中華民國結構工程學會。

2. 鍾善藤, (1987) ”鋼造廠房之設計第一屆鋼鐵構造技術研討會論文集,台灣營建研究中心。

3. Fisher, J. M. and Buettnet D. R., (1979) “Light and Heavy Industrial Buildings” AISC

4. Association of Iron and steel Engineers, (1990)“Guide for the Design and Construction of Mill Buildings” AISE Technical Report No. 13 Aug. 1979.

4. Edward J. Teal(1975)“Seismic Deismic Design Practice for Steel Buildings”AISC Engineering Journal, 4th Quarter.

6. MBMA, (1986)“ Low Rise Building system Manual”.

7. Walter Henn(1975)Building for Industry”.

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