¶ 冷軋型鋼構造建築物結構設計規範及解說-附錄四 以直接強度法設計冷軋型鋼構材(1/4)
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附錄四 以直接強度法設計冷軋型鋼構材
D.1 一般準則
D.1.1 適用性
冷軋型鋼構材之標稱軸向強度及撓曲強度可由本附錄準則計算之。於附錄
D.2.1 及D.2.2.節中提供冷軋型鋼構材柱及梁斷面之使用,但其斷面幾何性質
及材料使用限制則分別於D.1.1.1 及D.1.1.2 節說明,安全因子(Ω)及強度折減
因子(φ)亦於D.2.1 及D.2.2 節中說明。若使用D.2.1 及D.2.2 節計算其他限制外
之柱及梁斷面,其安全因子(Ω)及強度折減因子(φ)應以合理之工程分析方法獲
得。
目前直接強度法對冷軋型鋼構材承受張力、剪力、撓曲與剪力、腹板皺曲、撓
曲與腹板皺曲或軸向荷重與撓曲(梁柱)等構材行為,並無明確設計準則;冷軋
型鋼構件之組合、結合與接頭亦未規範。
對冷軋型鋼構材之行為或其他條件未於原設計規範述及者,此附錄所提及之直
接強度法可考慮採用。當採用直接強度法時,應配合合理之工程分析方法分析
之,並依照下列原則處理:
1.採用之規範應以原冷軋型鋼構造建築物結構設計規範為主。
2.當採用合理之工程分析方法時,應提高安全因子(Ω)並降低強度折減因子
(φ)。
解說:冷軋型鋼構材(例如梁、柱等)可採用直接強度法分析構材強度與勁度,附錄中採用安全
因子(Ω)及強度折減因子(φ)以說明構材之幾何性質與形狀關係。附錄所呈現對目前冷軋
型鋼構材之梁、柱強度分析大都採用規範 [A.1] 及附錄四等方法,若無其他更好的方
式,上述兩種方式會被採用分析構材強度,任一方式所預測之構材強度或許較高或較
低,這代表需有其他調整或修正係數,而Ω與φ係數即是用來修正以獲得較高之準確值。
附錄所提供之設計規範係針對梁與柱斷面,但需配合規範 [A.1]以涵蓋剪力或梁-柱等其
他行為。例如若以附錄之方式設計過梁之彎矩強度,相同情形之下,規範 [A.1]因考慮
剪力作用或剪力與彎矩交互作用下,其 斷面強度會較高。若採用規範 [A.1]分析
梁-柱行為,則較為保守,當採用此附錄分析則可得較真實應力分布情形。
D.1.1.1 合格柱斷面
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未開孔之柱斷面,其幾何形狀與材料性質符合表D.1.1-1 者,應採用D.2.1 節
之安全因子(Ω)及強度折減因子(φ)。
解說:有許多柱斷面以絞支承及集中載重測試[A.2,3],其結果皆以直接強度法修正。陸續有相
關更多的斷面以直接強度法被驗證,因此表格及斷面一直被增加與建構,針對特殊之斷
面,使用者可依照可自行測試並參考規範 [A.1]採用較低之Ω 值與較高之φ值;若使用
非合格之斷面,仍可使用本附錄規定,但需以合理之分析[A.1],增加Ω 值與降低φ值。
表D.1.1-1 合格柱斷面之限制
| 未開孔之柱斷面,其幾何形狀與材料性質符合表D.1.1-1 者,應採用D.2.1 節 之安全因子(Ω)及強度折減因子(φ)。 | |||
|---|---|---|---|
| 解說:有許多柱斷面以絞支承及集中載重測試[A.2,3],其結果皆以直接強度法修正。陸續有相 | |||
| 關更多的斷面以直接強度法被驗證,因此表格及斷面一直被增加與建構,針對特殊之斷 | |||
| 面,使用者可依照可自行測試並參考規範 [A.1]採用較低之Ω | |||
| 非合格之斷面,仍可使用本附錄規定,但需以合理之分析[A.1],增加Ω | |||
| 表D.1.1-1 合格柱斷面之限制 | |||
| 有突唇之C 型斷面 對所有C 型斷面: | |||
| 簡單突唇 ho/t<472 | |||
| bo/t<159 | |||
| 4<D/t<33 | |||
| 0.7<ho/bo<5.0 | |||
| 0.05<D/bo<0.41 | |||
| θ=90 o | |||
| 複雜突唇 E/Fy>340 [Fy<593MPa] | |||
| 對有複雜突唇之C 型斷面: | |||
| D2/t<34 | |||
| D2/D<2 | |||
| D3/t<34 | |||
| D3/ D2<1 | |||
| 注意事項: | |||
| (1)θ2之值可不同(D2之突唇角度可內彎或外彎) | |||
| (2)θ3之值可不同(D3之突唇角度可朝上或朝下) | |||
| 有突唇與加勁腹板之 有一或二個中間加勁板: | |||
| C 型斷面 ho/t<489 | |||
| bo/t<160 | |||
| 6<D/t<33 | |||
| 1.3<ho/bo<2.7 | |||
| 0.05<D/bo<0.41 | |||
| E/Fy>340 [Fy<593MPa] | |||
| Z 型斷面 ho/t<137 | |||
| bo/t<56 |
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其中r/t<10,r 為中心線之撓曲半徑
bo為斷面總寬度
D 為斷面突唇深度
t 為板厚
ho為斷面總深度
D.1.1.2 合格梁斷面
未開孔之梁斷面,其幾何形狀與材料性質符合表D.1.1-2 者,應採用D.2.1 節
之標準化安全係數(Ω)及強度折減因子(φ)。
解說:有許多側向支撐梁斷面[A.4, A.5, A.6, A.7]與帽型梁、鋼承板[A.8, A.9, A.10]等被檢(試)驗,
其結果皆以直接強度法修正,斷面之幾何形狀詳如本附錄,斷面幾何形狀發展至C 型斷
面、Z 型斷面等含突唇加勁肢材,若採用不合本規範知斷面,即需修正合理之Ω 值與。
使用者需瞭解合格梁斷面,通常擁有較大寬厚比之受壓肢材,其採用本附錄之分析模式
會比規範 [A.1]預測斷面強度更保守[A.11]。若梁斷面之受壓翼板有較小之縱向加勁肢
材,當採用本附錄規範有較佳之預測值。
| 0<D/t<36 1.5<h/b<2.7 o o 0.00<D/b<0.73 o θ=90o E/F>590 [F<345MPa] y y | |
|---|---|
| Rack Upright | 請參考有複雜突唇之C 型斷面 |
| 帽型斷面 | h/t<50 o b/t<43 o 4<D/t<6 1.0<h/b<1.2 o o D/b=0.13 o E/F>428 [F<476MPa] y y |
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表D.1.1-2 合格梁斷面之限制
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其中r/t<10,r 為中心線之撓曲半徑
bo為斷面總寬度
D 為斷面突唇深度
t 為板厚
ho為斷面總深度
D.1.2 彈性挫屈
柱之分析需考慮其局部挫屈、扭曲挫屈和整體挫屈之載重,而梁之分析則
需考慮其局部挫屈、扭曲挫屈和整體挫屈之彎矩。對某些斷面而言,上述之梁
| D/t<34 2 D/D<2 2 D/t<34 3 D/ D<1 3 2 注意事項: (1)θ 之值可不同(D 之突唇角度可內彎或外彎) 2 2 (2)θ 之值可不同(D 之突唇角度可朝上或朝下) 3 3 | |
|---|---|
| 帽型(鋼承板)斷面有受壓 之加勁翼版 | h/t<97 o b/t<467 o 0<d/t<26 (d 為加勁肢材之深度) s s 0.14<h/b<0.87 o o 0.88<b/b<5.4 o t 0<n≤4 (n 為受壓加勁肢材之數量) E/F>492 [F<414MPa] y y |
| 不規則四邊型之帽型(鋼 承板)斷面有受壓之加勁 翼版 | h/t<203 o b/t<231 o 0.42<(h/sinθ)/b<1.91 o o 1.10<b/b<3.38 o t 0<n≤2 (n 為受壓翼板加勁肢材之數量) c c 0<n ≤2 (n 為腹板加勁肢材之數量或摺疊數) w w 0<n≤2 (n 為張力翼板加勁肢材之數量) t t 52 o<θ<84o(θ 為腹板與水平面之夾角) E/F>310 [F<655MPa] y y |
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及柱之行為不一定存在,斷面強度則依D.2.1 及D.2.2. 節內容計算。
解說:彈性挫屈載重是使構材呈中性化平衡,包含斷面挫屈與平直狀態。輕薄鋼至少有3 種彈
性挫屈模式,包含局部挫屈(local buckling)、扭曲挫屈(distorsional buckling)和整體挫屈
(overall buckling)等;柱之整體挫屈行為則有撓曲挫屈(flexural buckling)、扭轉挫屈(torsional
buckling)和撓曲-扭轉挫屈(flexural-torsional buckling),而梁之整體挫屈行為則有側向扭轉
挫屈(lateral-torsional buckling)。傳統規範[A.1]只論述局部挫屈與整體挫屈,針對局部挫屈
行為之分析,是將構件拆成肢材狀,探討每一肢材之局部挫屈行為。
本附錄將構材所可能產生之挫屈行為全數納入考慮,而斷面之挫屈行為是整體行為考
慮,並非將構材拆成單一肢材,如此方能確保構材結點之相容性及平衡。以圖C-D.1.2-1(a)
之具突唇C 型斷面為例,經分析構材之彈性局部挫屈載重為:
假設柱之全斷面積(
根據規範[A1.1]計算每一肢材之板挫屈係數、應力及有效長度,而推估臨界挫屈應力如
下:
突唇:
翼板:
腹板:
即使整個斷面以肢材聯接在一起,每一肢材仍呈現不同之挫屈應力,這些應力之不同
並未反應於傳統規範[A.1],翼板與突唇擁有較高之應力與低應力之腹板截然不同,經
有限元素法分析得知翼板可協助腹板之挫屈應力,由4.6 ksi(32MPa)提昇至6.59
ksi(45.4MPa),但翼板與突唇因交互作用也因此下降挫屈應力。傳統規範[A.1]亦未述及
斷面扭曲挫屈應力之行為[A.12, A.13]。
本附錄採用合理之分析方法來決定局部挫屈、扭曲挫屈和整體挫屈之載重或彎矩,使
用者需留意構材之強度不等於其彈性挫屈載重(彎矩),事實上構材之彈性挫屈載重會低
於構材強度,尤其是長細構件有挫屈後強度時,或忽略構件非彈性行為之效應而高估
彈性挫屈載重。無論如何構件之長細與極限強度都將影響斷面彈性挫屈載重之大小。
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(a) AISI 2002 冷軋型鋼設計手冊範例I-8 9CS2.5x059
圖 C-D.1.2-1 以有限元素法分析彎矩和軸向載重之彈性挫屈