¶ 新版鋼結構設計技術規範中因應我國載重與工程特性之相關參數研究｜第三章 研究內容（1／7）
發布機關：內政部建築研究所
受委託單位：中華民國鋼結構協會
研究主持人：王炤烈；共同主持人：林克強
版本與性質：111年12月；委託研究報告（11115G0019、PG11102-0058）
官方來源：研究成果發布頁 ｜ 官方原始PDF
閱讀提醒：本件為111年12月研究成果，不是現行設計規範。原報告所提載重、安全係數、材料與草案內容均須連同研究假設閱讀，不可直接當作法定設計要求。
受委託單位：中華民國鋼結構協會
研究主持人：王炤烈；共同主持人：林克強
版本與性質：111年12月；委託研究報告（11115G0019、PG11102-0058）
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研究報告目錄 ｜ 建研所研究報告與技術資料 ｜ 結構設計與材料
本件採分範圍收錄，未重製附錄三、四；原檔文字、圖表與頁序依出版時內容保留。
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第三章 研究內容 第三章 研究內容 3.1 研究課題 本研究案於民國 111 年 2 月 1 日起辦理相關研究資料蒐集，並進行相關課題研究， 由於國內疫情自年初又再次大規模流行，相關專家學者委員之實體座談會議，為避免群 聚及防疫考量，未能如期順利召集啟動，但為使本計畫之相關座談意見徵詢作業不致中 斷，本研究成員工作成員仍積極電訪，或以遠距視訊方式蒐集各研究小組委員之重要寶 貴意見，作為本計畫研究之課題與重點。 主要針對鋼結構規範的相關重點課題進行研討，各專家委員主要的研究具體課題建 議方向，內容彙整如下所示： (1) 主要研討與編撰「鋼結構設計技術規範之修正研擬」，其以美國鋼結構協會 AISC 360- 16 與 AISC 341-16 兩本規範為依據，進行新版鋼結構設計技術規範之修訂，期能透 過本規範的編撰，提昇國內鋼結構建築之技術發展，並與國際進行接軌。 (2) 本研究之相關參考規範如下所示： (a) 鋼構造建築物鋼結構設計技術規範 99 年版。 (b) 鋼構造建築物鋼結構設計技術規範(106 年修訂草案)。 (c) AISC 360-16。 (d) AISC 360-22 (Draft)。 (e) AISC 341-16。 (f) AISC 341-22 (Draft)。 (3) 關於新版鋼結構設計規範(草案)中的 ASD 與 LRFD 兩種設計法，將採用美國 AISC 360-16 的方式，將兩種設計法合併，並以 LRFD 為主。 (4) 國內鋼結構規範名稱將原規範名稱「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範」，簡化為 「鋼結構設計規範」。 (5) 台灣地區活載重大小對「容許應力設計法 ASD」與「極限強度設計法 LRFD」架構 之影響，因應新版規範 ASD 與 LRFD 兩設計法合併使用之差異探討，LRFD 法為主 11
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新版鋼結構設計技術規範中 因應我國載重與工程特性之相關參數研究 之架構下，ASD 設計法之參數方式修正建議。 (6) 新版規範之風力大小與載重組合之影響，應配合現行耐風設計規範，調整 AISC 是 採使用階段(service level)的風力，探討力量大小影響載重組合的設定。我國耐風設 計規範則是以強風階段(ultimate level)的風力，風力載重的使用情形與新版規範之載 重規定，宜詳細研究。 (7) 對於鋼板之材料規定，我國(CNS)大都參照日本規範，雖然目前新版鋼結構設計規範 草案有參考兩者的差別，並依我國情況做調整，但針對較特殊的耐震結構物與特殊 之施工方式，本草案可能仍有不足，亦仍宜再詳細研究。 故為使我國新版鋼結構設計規範更精進、更臻完善，及符合工程需要與我國工程特 性，故將再進行本項因應我國載重與工程特性及美國 AISC 規範所考量不同情況之比較 與研究，並將依研究結果，修改新版規範之相關參數。 3.1.1 活載重對 ASD 法與 LRFD 法架構之影響 建築技術規則構造編中有活載重的相關規定，早期且欠缺本土化的資訊。民國 87 年 「建築物載重之現況調查與分析」計劃中，藉由實際的活載重調查，以獲取相關參數與 活載重機率分佈型式；並利用建立之數學模式，求取各不同用途建築之最小設計活載重 與活載重折減公式，已獲得初步之成果，並擴大涵蓋至對其他不同用途建築的背景調查 基準。 工程師在進行建築物的結構設計時，除了必須依循建築技術規則建築構造編中所列 之載重大小與相關的規定外，其中活載重部分是依據不同的使用用途，規定不同設計對 象的最低活載重設計值。 建築技術規則相關活載重的設計標準：住宅的活載重是 200 公斤/平方公尺，商店或 圖書閲覽室活載重是 300 公斤/平方公尺，若是書庫該活載重高達 600 公斤/平方公尺。 美國 AISC 是以活載重為靜載重的 3 倍來考慮相關載重組合，而台灣的載重大小常 是反過來，靜載重大於活載重大，此項載重情況會影響「容許應力設計法 ASD」與「極 限強度設計法 LRFD」之架構，因新版規範是將 ASD 與 LRFD 兩設計法合併在一起， 12
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第三章 研究內容 以 LRFD 法為主來訂定規範內容，而 ASD 則以參數方式修改後使用，為使 ASD 在台灣 能合理使用與推動，應再詳細檢討。 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，過去常用的設計理念， 是以折減材料之強度來作為設計之安全係數 ，此即為容許應力設計法，容許應力設計 法對結構安全的掌握並非最佳的方法。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，此法以機率模式，將材料強度之變異性與載重之變異性當作決定強 度折減係數與載重係數的依據，使結構物的整體安全性，較能達到一致之水準。將強度 函數與載重函令其相同時： φR = γQ m m 其中，φ為強度折減係數，γ為載重放大係數。一般設計規範常以標稱值 R 及 Q n n 來表示，因此上式可寫為： φR ≥ γQ n n 強度折減係數與安全指標之配合，須經不同載重組合計算與比較，此類計算甚為費 時，在實際設計中，甚多實例其最大載重組合是由垂直力所控制，而垂直作用力之組合， 亦是首先必須檢核之載重組合。若建築技術規則及相關規範中並無相關規定，則可採用 本規範所列之載重組合。在訂定本規範所列之載重組合時，靜載重與活載重之統計資料， 為引用美國地區之研究結果， 因此在垂直力作用下之載重係數，本規範採用與美國地 區相同之φR ≥ 1.2D + 1.6L，若考慮材料強度之分佈情形及設定安全指標β為 3.0 時，上 n 式之φ值約在 0.8 至 0.85 之間。 表 3-1 為 AISC 規範委員會在 LRFD 規範中所決定之強度折減係數，我國之鋼構材 質與製造標準與美國地區差異不大，在未有更進一步之廣泛調查資料可資運用前，本文 之抵抗力部分暫時參照美國地區之研究成果。在求取風力載重係數時有關構件之抵抗力 部分則只取較具有代表性之張力桿件、組合梁與柱構件，而風力大小除用全臺灣平均值 外，另檢核臺北、臺中、高雄等大都會區，取其較保守者為本規範建議之載重係數。 13
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新版鋼結構設計技術規範中 因應我國載重與工程特性之相關參數研究 表 3-1 AISC-LRFD 規範中之強度折減係數φ 我國規範草案是依 AISC 2016 規範，將 LRFD 與 ASD 合成一本，且整本規範草案 均是以 LRFD 法來編訂，再將 LRFD 公式以參數方式，傳換成 ASD 公式來使用。AISC 從 1989 起，不再發行 ASD 設計手冊，因此 ASD 相關參數，應以 LRFD 為基準，調適 合理對應之參數，藉以獲得一致的設計結果。1989 年，AISC 推行 LRFD 設計法時，主 要基於一項重要之假設，即活載重效應約為靜載重效應之 3 倍，而本次規範之設計法合 併的基本假設亦基於此，即 L=3D，L 為活載重效應，D 為靜載重效應。茲比較兩者設 14
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第三章 研究內容 計法之設計理念，取其中一種載重組合，靜載重加上活載重之載重組合(載重組合 1)，若 要使兩種設計方法有相同的設計成果，可以設定： LRFD：φR = 1.2D +1.6L n R n ASD： = D + L Ω 當設計結果期望相同時，同時取 L = 3D 之假設，在式中 R 相同的情況下，有： n (1.2D + 1.6L) 1.2D + 1.6 × 3D 6D LRFD： R = = = n φ φ φ ASD： R = Ω( D + L) = Ω( D + 3D) = Ω4D n 6D 令兩者相同，即，φΩ= = 1.5 4D 亦即，AISC 是基於φΩ=1.5 之條件下，以 LRFD 之φ值為基準，適度調整設定 ASD 1.5 法所需之安全係數 Ω ， Ω = 。以φ= 0.9 為例， Ω = 1.5 / 0.9 = 1.67 。 φ 但是由於國內 L = 3D 之適用假設條件與 AISC 在美國本土之情況不同，若以活載 重與靜載重之倍率來討論，設定 L = mD ，為活靜載倍率值，前述之條件即為 m = 3 之 情形，但國內較為適用 m 值，大約為 m = 0.33 ~ 0.55 之間，故應探討相對應之 ASD 安 全係數合理範圍。 (1.2 + 1.6m) D 1.2 + 1.6m φΩ = = (1 + m) D 1 + m 15
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新版鋼結構設計技術規範中 因應我國載重與工程特性之相關參數研究 圖 3-1 LRFD 與 ASD，ϕΩ 值與活靜載重比值比較圖(載重組合 1) 但若仔細探討，以 L=3D 的設定條件，利用前述條件進行計算，不同φ值應有不 同的 ASD 設計法安全係數 Ω ，如表 3-3 所式，然而早期 ASD 規範其濃縮簡化為表 1 中之安全係數。而其設定之背景仍以 L=3D 來出發。 考慮國內 L=mD， m=0.35~0.55，RC 約在 0.33~0.45，Steel 約在 0.4~0.55 間，依 (1.2 + 1.6m) Ω = 所換算之 ASD 安全係數 Ω ，約落在 1.30~2.06 之間，如表 3-2 所示。 φ(1 + m) 表 3-3，為 LRFD 不同φ值與 ASD 採用之 Ω 對照表。 16
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第三章 研究內容 表 3-2 以 LRFD 為基準之本土化安全係數 Ω φΩ Ω = φ m φ= 1.0 φ= 0.9 φ= 0.85 φ= 0.8 φ= 0.75 φ= 0.65 0.33 1.30 1.44 1.53 1.62 1.73 2.00 0.35 1.30 1.45 1.53 1.63 1.74 2.01 0.4 1.31 1.46 1.55 1.64 1.75 2.02 0.45 1.32 1.47 1.56 1.66 1.77 2.04 0.5 1.33 1.48 1.57 1.67 1.78 2.05 0.55 1.34 1.49 1.58 1.68 1.79 2.06 0.6 1.35 1.50 1.59 1.69 1.80 2.08 0.65 1.36 1.51 1.60 1.70 1.81 2.09 0.7 1.36 1.52 1.61 1.71 1.82 2.10 0.75 1.37 1.52 1.61 1.71 1.83 2.11 0.8 1.38 1.53 1.62 1.72 1.84 2.12 m = 3 1.50 1.67 1.76 1.88 2.00 2.31 17
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新版鋼結構設計技術規範中 因應我國載重與工程特性之相關參數研究 表 3-3 以 LRFD 為基準之 ASD 安全係數 Ω Ω 構 件 極 限 狀 態 φ ASD 本土化 m = 3 對應 Ω m = 0.33 ~ 0.55 降 伏 極 限 狀 態 0.9 1.67 1.67 1.44~1.49 受拉構材 撕 裂 極 限 狀 態 0.75 2.0 2.0 1.73~1.79 受壓構材 - 0.85 1.67 1.76 1.53~1.58 撓曲構材 - 0.9 1.67 1.67 1.44~1.49 組 合 梁 - 0.85 1.67 1.76 1.53~1.58 0.75 2.0 2.0 1.73~1.79 銲接接合 依銲接方式不同而定 0.8 1.5 1.88 1.62~1.68 0.9 1.5 1.67 1.44~1.49 拉力及承壓強度極限狀 0.75 2.0 2.0 1.72~1.79 態 承壓型螺栓剪力極限狀 螺栓接合 0.65 2.0 2.31 2.0~2.06 態 摩阻型螺栓剪力極限狀 1.0 1.5 1.5 1.30~1.34 態 接合剪力 接合之剪力斷裂極限狀 0.75 2.0 2.0 1.73~1.79 斷裂 態 翼 板 局 部 彎 曲 1.67 1.67 1.44~1.49 腹板或翼 腹 板 局 部 降 伏 1.0 1.5 1.5 1.30~1.34 板承受集 腹 板 壓 褶 0.75 2.0 2.0 1.73~1.79 中力 腹 板 承 壓 挫 屈 0.9 1.5 1.67 1.44~1.49 腹 板 側 移 挫 屈 0.85 1.67 1.76 1.53~1.58 在上述載重組合下，若以 LRFD 設計結果為基礎，在建築工程實務常用的 m(=0.35~0.55)值範圍，由 ASD 法採用 ϕΩ=𝟏𝟏.𝟓𝟓的設計結果較為保守。 此外，進一步討論當地震力效應併入載重中計算時，其φΩ 以國內設計環境採用 之建築物耐震設計規範，將有圖 3-2 之結果，φΩ 約為 1.45~1.7 之間。其中，考量之 地震力載重組合為本次新版鋼結構設計規範草擬之載重組合如下： 1.2D + L + E (載重組合 2) D + 0.75L + 0.7E 1.2D + L + E (載重組合 3) D + 0.7E 18
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第三章 研究內容 圖 3-2 LRFD 與 ASD，ϕΩ 值與活靜載重比值比較圖(載重組合 2、3) 以 LRFD 法設計結果為基礎，m 介於 0.35~0.55 間，以 ϕΩ=𝟏𝟏.𝟓𝟓且在載重組合 2 下， 由 ASD 法獲得較不保守的結果；在載重組合 3 下，ASD 法與 LRFD 法所得的結果較為 一致。 因此，採用 ϕΩ=𝟏𝟏.𝟓尚𝟓 屬合理，而根據安全係數之設計理念，安全係數越大，將會大 幅降低對構件可使用之容許應力或容許強度，相同的基本載重需求條件下，構件斷面 或尺寸，將會大幅增加，亦即，與 LRFD 之設計成果相比較，安全係數越大，ASD 之 設計成果會更加保守，也會引致過度的材料使用，較不符合經濟設計的現代理論。相 關之 ASD 安全係數與 LRFD 折減係數之關係，如表 3-4 及 3-5 所示。 19
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新版鋼結構設計技術規範中 因應我國載重與工程特性之相關參數研究 表 3-4 考量地震力載重組合之 ASD 安全係數比較表(載重組合 2) 𝐸𝐸 = 𝑛𝑛 𝑛 n=2 n=3 n=4 n=5 m ∅Ω值 0.3 1.54 1.61 1.65 1.69 0.35 1.54 1.60 1.65 1.68 0.4 1.53 1.60 1.65 1.68 0.45 1.53 1.60 1.64 1.68 0.5 1.53 1.59 1.64 1.68 0.55 1.52 1.59 1.64 1.67 m ∅ = 0.9 ASD 安全係數Ω 0.3 1.71 1.79 1.84 1.88 0.35 1.71 1.78 1.83 1.87 0.4 1.70 1.78 1.83 1.87 0.45 1.70 1.77 1.83 1.86 0.5 1.70 1.77 1.82 1.86 0.55 1.69 1.77 1.82 1.86 m ∅ = 0.85 ASD 安全係數Ω 0.3 1.81 1.89 1.95 1.99 0.35 1.81 1.89 1.94 1.98 0.4 1.80 1.88 1.94 1.98 0.45 1.80 1.88 1.93 1.97 0.5 1.80 1.87 1.93 1.97 0.55 1.79 1.87 1.93 1.97 m ∅ = 0.8 ASD 安全係數Ω 0.3 1.92 2.01 2.07 2.11 0.35 1.92 2.00 2.06 2.11 0.4 1.91 2.00 2.06 2.10 0.45 1.91 2.00 2.05 2.10 0.5 1.91 1.99 2.05 2.09 0.55 1.90 1.99 2.05 2.09 m ∅ = 0.75 ASD 安全係數Ω 0.3 2.05 2.14 2.21 2.25 0.35 2.05 2.14 2.20 2.25 0.4 2.04 2.13 2.20 2.24 0.45 2.04 2.13 2.19 2.24 0.5 2.03 2.12 2.19 2.23 0.55 2.03 2.12 2.18 2.23 m ∅ = 0.7 ASD 安全係數Ω 0.3 2.20 2.30 2.36 2.41 0.35 2.19 2.29 2.36 2.41 0.4 2.19 2.29 2.35 2.40 0.45 2.18 2.28 2.35 2.40 0.5 2.18 2.28 2.34 2.39 0.55 2.18 2.27 2.34 2.39 20
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第三章 研究內容 m ∅ = 0.65 ASD 安全係數Ω 0.3 2.37 2.47 2.54 2.60 0.35 2.36 2.47 2.54 2.59 0.4 2.36 2.46 2.53 2.59 0.45 2.35 2.46 2.53 2.58 0.5 2.35 2.45 2.52 2.58 0.55 2.34 2.45 2.52 2.57 21
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