認識鋼結構

tclai

開這個主題, 掙扎了一些時候 !
我進來沒多久, 當初是因為想找塊農地, 弄一些自己想玩的東西 !
快要退休了, 總不能退休後整天閑蕩,沒事幹, 那不就真的是 "混吃等死" 了嗎 ??

混到這個網站以後, 看到一些朋友蓋的 "鋼構屋" .........實在有一點擔心 !
大家都以為 "鋼結構" 一定比 RC 結構安全, 真的是如此嗎 ??

以一個專業工程師(土木技師)的良心, 我的答案是: 不見得 ! 那得看情況而定 !

我在土木建築行業, 服務了 30 幾年, 期間在鋼結構專業廠商(資本額好幾億的), 也待了 10 多年,
舉凡鋼結構相關的設計, 製造,  安裝...各項工作,都曾親身參與, 經歷,
應該可以稱得上是 "鋼結構專業" 了吧 !?

在這個主題裏, 我想陸續提出一些基本的觀念及注意事項, 提供一些正確的概念,
讓想蓋鋼構屋的朋友,  或正在蓋鋼購屋的朋友, 有一個參考的方向.

對鋼結構有興趣的朋友, 如果有時間的話, 這裡面有很多專業的資料可以參考

首先, 看看 "房屋結構" 是怎麼運作的.
通常, 我們都會把家具擺放在樓版上, 人也會在樓版上隨意走動,所以, 樓板就直接承受了 "載重" ,
這些載重, 透過樓版傳遞到樑, 再傳遞到柱, 最後傳到基礎, 透過基礎分散以後傳到大地上面.

所以, 如果你曾經仔細觀察過 RC 大樓的結構, 你會發現,
越底層的柱子斷越越大, 但是低樓層的樑與高樓層的樑, 斷面卻沒有明顯的變化 !
因為, 樑 --- 只承載這個樓層的載重量, 而柱----低樓層的柱還要承載高樓層柱的載重量.

結構體是不是這樣運作, 我沒做過實驗 ! 不過, 至少 "結構計算" 是這樣考慮的 !
如果, 房屋結構只承受這些載重, 那事情就簡單了 !
重點在 "地震" 來襲的時候,
地震會前後擺動, 左右搖動, 上下跳動....根本不知道它會怎麼搖 !
所以設計的時候, 還要將地震會造成的載重加上去,  然後, 樑變大了, 柱子就更粗了 !

房屋, 就是這麼一回事, 粗壯的樑柱, 為的是確保地震來襲時候的房屋不會垮掉 !
當然鋼結構的建築, 還有其他的考慮因素, 那就不談了 .

找到了一篇文章鋼骨構造的認識 介紹還算清楚, 有興趣的朋友可以下載下來看看.

corey

任何東西都是看情況及比較,不管如何做,良好的設計搭配優質的施工一切就會比較好
再好的東西亂設計亂施工也是白搭,要看預算,個人需求,環境限制,建築技術,挑一個
最適合的
鋼結構" 不會一定比 RC 結構安全,但也不會一定比 RC 結構不安全
玉嬌龍拿青冥劍還打不過李慕白拿竹子
所以不是有青冥劍就厲害,要看功夫的高低阿

tclai

鋼結構的材料, 以斷面形狀區分, 可以概分為兩種  : 板類, 型材,  如果再談材質, 那就區分更多了 !  

板類 : 就是一般的鋼板, 它可以利用各種加工方法, 變化出各種不同的斷面型態.
型材 : 就是一般所說的熱軋型鋼, 包括 H 型鋼, 槽鋼, 角鐵, 它們直接從鋼胚擠壓出不同的斷面形狀.

鋼板,
薄一點的, 透過成型機以後, 可以成為各種規格的 C 型鋼, 也可以變成 鋼承板 (Deck).
更薄的, 就做成浪板, 拿來當 牆面板 或 屋面板 使用, 也可以當圍籬.
厚一點的, 用 4 片鋼板經過電焊, 可以變成矩形鋼, 或用 3 片鋼板焊接成 H 型鋼. 當然它也可以變成圓形的鋼管 !

不同形狀的材料, 適合於不同的用途,  使用的基本原則是看它承受什麼樣的載重 !
通常,
樑的兩端會連接在相隔的兩根柱子上, 中間空空的, 所以樓板的載重傳遞下去以後,
它就會懸垂下來,  樑的上緣被擠壓, 下緣被拉伸, 在力學上我們稱它為承受 "彎矩" .
如果上下緣使用相同的材料, 這上下緣的距離越遠,  所能承受得彎矩越大 !
所以, 不論是 RC 樑或是鋼結構樑, 通常樑的深(高)度會大於寬度.

柱,  因為它在 4 個方向都有可能連接樑, 而且各方向的承載力可能不太一樣 !
所以, 有可能是矩形, 方形, 甚至是圓形...., 完全看需要決定 !

假設你有一張 4 支腳的椅子, 你想利用它墊高爬上去拿東西, 那麼你會站在椅面的中央呢?
還是椅子的一邊 ? 還是再椅面上架一塊木板伸出來, 站在伸出來的木板上, 遠離椅面 ?
我想, 答案很明顯, 一定是站在椅面上 ! 為什麼, 因為這樣比較平均, 比較穩固 !
所以, 前面說到樑連接到柱上,  
一個原則, 連接點的位置最好在柱的中心 !

根據上面說到的一些概念, 就以板上常看到的 H 型鋼來說,
標稱呎吋 300x300 的型鋼, 在我們的行業裏它可以代表幾種不同的斷面, 詳細資料可以看這裏.
通常它的高度, 寬度都是 30 公分, 或是很接近 30 公分, 這種斷面通常會拿來做柱使用.
樑, 通常會選擇深度比寬度大一點的斷面, 如 300x200 ,  300x175 .... 等 .

構件的斷面就談到這裏.

tclai

這裏要談的是 油漆

鋼鐵曝露在空氣中由於氧氣的作用, 時間久了就會生鏽 ,
油漆的目的就是隔絕鋼材的表面, 讓它不要接觸到空氣, 那麼就可以不會生鏽了 !

前面談到的兩種基本材料, 都是將 "鋼胚" 在它還 "軟" 的時候, 用機器擠壓出來的,
要讓鋼鐵變軟就需要加熱,  加熱以後,  鋼鐵的表面會被氧化, 變成氧化鐵.
這層東西(我們稱之黑皮), 在剛才賣出來的時候, 有些已經脫落了, 有些還附著在上面,
但是不久後, 如果是放在外面任它風吹雨打, 大概 1~2 個月吧它也都會全部掉光光 !
不過, 這時候鋼材表面大概也都已經佈滿了一層紅褐色的氧化鐵, 這層就是鐵鏽啦 !
把前面講的那兩層東西拿乾淨以後, 就可以上油漆了 .

我們用的方法是 "噴砂" , 利用高壓空氣帶動矽砂(也有用甩輪噴鋼砂的), 打在鋼材的表面,
把那些黑皮, 鐵鏽...打下來,這時候可以看出鋼鐵的 "本色" ,大概是銀灰色吧, 各種材質會有些差異.  
然後在 8 個小時之內上第一道底漆. 等這道底漆 "乾" 了, 在上另一道底漆, 然後是 上 "面漆".......,
按照設計, 通常會上 4 道漆 .
上那麼多道漆的目的, 就是在封住油漆表面的毛細孔, 讓鋼材表面能夠與空氣隔絕.

油漆材料有很多種, 我們以 "系列" 區分, 比較常用到鋼鐵材料防鏽上面的是
氯化橡膠塗料, 環氧樹脂塗料......各系列塗料都有 底漆, 及其適合使用的面漆產品.
如果使用了不相容的底漆與面漆, 有可能會是塗上去的漆膜整片剝落下來.
油漆材料使用國產會進口品牌, 基本上功能相同, 重要的還是在 "施工" .

關於油漆施工, 這裏有幾點要提醒的 :
1.  除鏽要乾淨, 一般只使用鋼刷或電動鋼刷, 無法把黑皮完全清除乾淨.
2. 空氣相對溼度85%以下才可以噴砂施工, 噴砂完要在 8 小時以內上第一道底漆.
3. 底漆與面漆要選相容的系統, 這個可能要問油漆廠商, 或上它們網站詢問.
4. 與混凝土接觸面的鋼材, 不要噴漆, 會影響混凝土與鋼材間的附著力.

當然, 噴砂油漆施工, 還有很多細節,  那些很專業的問題, 就不多談了.

tclai

這裏要談的是基礎, 以及鋼材與混凝土材料的接合.

通常, 鋼柱會與 RC 接處連接, 靠的是基礎螺栓.
鋼柱會與 RC 牆面連接, 也會與 RC 樓板連接, 靠的是剪力釘.

鋼結構通常是利用預埋螺栓或預埋鋼板與鋼筋混凝土連結,
比較常看到的是鋼柱利用基礎螺栓安裝在鋼筋混凝土基礎上.
如果是鋼樑, 如懸挑的雨庇, 則會使用預埋鋼板, 然後將鋼樑焊接在鋼板上.
基礎主要的功用是將柱的承載力傳遞到大地上, 所以要使用什麼型式的基礎
(如 獨立基腳,閥式基礎,樁基礎…),將會與大地所能承受的壓力(地耐力)有關.
通常會在鋼柱的底端設計柱底板, 柱底板的功用在提供基礎螺栓錨碇的位置,
也將柱的承載力平均的傳遞到基礎柱墩上.
在安裝基礎螺栓時, 通常會利用一塊 “樣板” 以確保每支螺栓的相對位置與柱底板螺栓孔的位置相符合.
這塊樣板還提供埋設基礎螺栓, 澆置 RC 時的高程控制參考點.
樣板必須挖空中央部份, 否則會影基礎RC澆置的密實, 平整….
更重要的一點 ! 鋼柱安裝前, 這塊樣板要 “全部拿掉” !
柱底板與RC 之間, 通常利用一層(通常約5公分)不收縮水泥砂漿填充,
以確保兩者能夠完全密合接觸, 達到 “平均的傳遞” 的目的.

至於柱底板的厚度, 基礎螺栓的直徑或支數或是長度, 排列方式……, 這些都是設計者專業的工作, 這裏不談.

有時候施工者會建議, 將鋼柱底端的一段埋進 RC 裏面, 這樣做有什麼好處呢 ?
如果埋進去的那一段鋼柱,
1.  鋼柱表面已經有油漆處理, 那麼混凝土無法有效的附著在鋼材表面, 萬一油漆
     的施工不確實, 鋼材在混凝土裏面生鏽了, 反而造成保養維護時的困難 !
2.  鋼柱表面沒有油漆, 而且有打 "相當數量" 的剪力釘, 而且包覆在 "鋼筋混凝土"
    裏面 "相當長度" , 這樣確實可以增加鋼柱的錨碇效果.
鋼柱的錨碇就談到這裏.

鋼樑, 如果上面承載 RC 樓版, 通常會在鋼樑面(上翼版的上面)植焊剪力釘,
剪力釘的直徑, 長度, 數量與間距  這些也都是設計專業考慮的事情,
有興趣的朋友, 可以參考前面提到的設計手冊.

有些時候設計者也可能在鋼柱, 鋼樑外週再包裹一層鋼筋混凝土, 這時候就變成
"鋼骨混凝土構造" (SRC), 這又是另外一門學問了 !

這裏有一張鋼樑, 樓板剪力釘,  RC 樑的設計圖, 提供參考.

tclai

這裏要談的是鋼鐵材料的 接合

鋼筋混凝土, 利用混凝土的膠結能力, 將樑柱的鋼筋緊緊的接合在一起.
鋼鐵材料的連接, 早期有使用到錨釘(老的西螺大橋), 現在大多會使用電焊與螺栓接合.
上個月, 因公經過高屏溪, 看到就的高屏溪鐵橋(下淡水溪鐵橋), 刻意繞過去參觀了一下,
它也是用錨釘接合的鋼結構橋樑.
這條橋目前已停止使用, 列為古蹟開放參觀.

通常我們看到了樑柱接合方式是 : 在鋼柱上面, 利用焊接的方式,
焊上有螺栓孔的連接板, 提供接頭給鋼樑連接, 當然鋼樑的端不需要預先鑽孔.
這裏有一張樑柱接合的參考圖, 提供參考.


鋼結構的特性, 在於 "高強度" , 意思就是用很小的斷面, 就可以承載很大的荷重.
以小型結構物經常使用的材質 A36 或 SS400 為例,
它的降伏強度為 每平方公分2500 Kg ,  抗拉強度是 每平方公分4100 ~ 5200 Kg , 伸長率 17% ~ 23% .
降伏強度的物理意義是 : 在這個受力範圍內, 鋼材可以保持完全彈性, 就像橡皮筋一樣, 受拉力就伸長, 力量去除就回覆原狀.
抗拉強度的物理意義是 : 受力達到這個限度時, 它會被拉斷掉 !
伸長率 的物理意義是 : 當它被拉段時的長度, 會比原來的長度增加多少百分比 !
伸長率 17%,
從這個數字看, 假設一支跨距 5 公尺的鋼樑, 當它受力被拉斷時, 長度至少會變成 5.85 公尺 !
這就是鋼結構最大的好處 ! 破壞以前會產生很大的變形量, 並且在結構物外觀上表現出來 ,
提供足夠的修復或逃生時間 !

實際上, 鋼結構的破壞, 全部都會是由接頭開始 !
接頭, 通常是鋼結構最弱的地方, 也是施工者首先必須要注意的地方 !
任何一位設計者都希望他設計的鋼結構構造物, 在 極限受力 的狀況下, 會先產生較大的外觀變形, 以提供逃生的機會 !
鋼結構接頭的破壞, 通常不會產生很大的變形,  從外觀上根本無從發現,
當破壞累積到一定程度, 超出它能承受的範圍後, 接頭會 "瞬間斷裂" , 完全無法預測及逃生 !

如果你有仔細看過前面的那個 "樑柱接合Sample" 的附件, 你可以發現 :
鋼結構接頭, 一定會使用到電焊及螺栓 .
螺栓, 不管是一般的 "機械螺栓" 或 "高張力螺栓" , 都是從工廠製造出來的產品, 至少都會有相當的強度 (至少它都是鋼鐵製品 !) .
只要連接兩者的 "螺栓孔" 與 "螺栓直徑" 適當的 配合, 通常都可以提供相當足夠的接合強度 !
電焊, 就完全是另外一回事了 !  焊接的方式,  焊條的等級, 焊接口的處理方式, 施工者的技術.........等等, 都影響它的品質, 也就影響它的強度  !
這個也就是我在前面提到, "有一點擔心" 的事情啦 !

焊接的方式
最平常用到的是 "手焊條" , 也是 2home 版上 蓋鋼構屋通常使用的焊接方法,
它只需要一台普通電焊機,  110V 或 220V , 電流量大小則與使用的焊條直徑有關, 電流量越大, 機器越大台.
其他焊接方式, 不多討論.
焊條的等級
為了要提供 "接頭強度大於鋼材強度" 的設計原則, 以最普通的 鋼材(A36) 的強度等級 ,  
通常會使用 E60XX 等級的焊條, 焊條的抗拉強度是 "每平方英吋 60 千磅" , 大約是 每平方公分4200 Kg 以上 .
這裏 XX 代表一組數字, 表示這個焊條適用的 "焊接姿勢或位置"........等等的資訊, 有點專業.
更高強度的鋼材, 如 A572 會 SM490 通常會用  E70XX 或以上等級的焊條.
焊條的包裝外面,  就可以看到   E60?,或   E70?? 這些標註 .
焊接口的處理方式
將連接板焊接到鋼材上面, 連接板與鋼材的接觸面, 通常有兩種處理的方式 : "開槽" 或 "不開槽 "
不開槽 : 在 2home 板上看到的鋼構屋, 它們的接頭焊接口處理方式, 全部都是 "不開槽" 的型式, 也就是 "填角焊" 的方式 .
焊道的強度由 "焊道長度" 與 "有效焊喉" 所提供,  
焊道長度就是焊接的長度, 有效焊喉, 就有一點學問了 !
填角焊, 焊道的外觀通常是一個 "直角等腰三角形" ,  焊道腳長就是三角形的腰長 ,
有效焊喉就是三角形頂角(直角)計算的高.
開槽 : 通常使用在較厚板(厚度大於 19 mm 或 1.9 公分)的焊接, 或有特殊強度需求的接頭,
通常較大型的結構物材會使用到 . 較大型, 可能是 4 樓以上, 樑跨距大於 10 公尺,.............等.
所謂開槽, 就是將連接板的鋼材切掉一部分, 騰出一個缺口, 再用焊條將這個缺口填滿並且連接在型鋼上面 .
附圖是一般 T 形接合的焊接標準圖,  其中圖 A 是 "不開槽"  方式 , 圖 B 是 "開槽"  方式 .

施工者的技術
這是一個很難檢討的議題, 不過有一個參考標準, 就是 "內政部" 發給的 "焊接技術士" 執照 !
這個執照是有等級區分的, 甲, 乙, 丙 三級, 丙級是最基本的要求 !
雖然, 電焊工有這張執照並不代表他真的技術很好, 但是至少代表他有接受過 "正規" 的訓練 !
在我們的行業裏, 通常會針對不同的案件, 執行 "焊工考試" , 以檢定焊工對焊接作業的熟練程度 .

接頭的部分, 就談到這裏 .

鑒於一般 2home 的朋友, 都不是 "鋼結構專業" 的人員, 這裏提供一些簡單的原則,
讓你檢驗你的 "鋼結構專業承包廠商" 是不是在唬爛你 !
1.  H 型鋼 , 以 "工" 這個字表示, 它的強軸方向是中間那 "一豎" 的方向 !
    當你拿它做為樑時, 這 "一豎" 要垂直指向地面, 當你拿他當柱時,
    這 "一豎" 要與樑的 "一豎" 相重疊 ! 尤其是把人字型屋架接在鋼柱上的時後 !
2. 所有的接頭都要接在型鋼的 "中心點" 上面 !  你可以參考前面附件 "樑柱接合Sample" 的圖示.  
   鋼樑如果接在柱的側邊, 通常需要增加一個俗稱 "牛腿" 的托架,
   在這個情況下, 樑的反力對柱的中心而言, 有一個 "偏心" 的距離, 這個距離會造成一個旋轉的力矩,
   給鋼柱一個額外的荷重 .  況且, 這個托架, 需要用很多的焊道連接,
   而且有很多施工上要注意的細節, 通常會在工廠裏面就焊接完成,
   不會在工地, 等柱子豎起來了再進行 !
3. 焊道的表面, 要盡可能保持平順, 不要有結癤, 突起, 或 凹陷 , 這些在焊道表面 "微小的劇烈變化",
    會造成 "應力集中" , 久之會產生細微的裂痕或腐蝕, 慢慢擴大, 就.......破壞了 !
4. 常常聽到電焊工(包商老闆也可能 !)會跟你說 "一點當 3 噸" , 這是 "屁" 話 !
    所謂的 "焊道"  至少都需要有一定的 "連續長度"  通常這個長度是 5 公分 !

kuan1950

正好在土法練鋼, 很期待 tclai 大 的往下文章, 期待中.........

jerrylai63

搬椅子來聽課~

l70077007l

可以大略分享各型號H鋼梁承重跨距嗎?

tclai

歡迎板上各位前輩賞光 !

可以大略分享各型號H鋼梁承重跨距嗎?
l70077007l 發表於 2012-5-20 01:45

前面有說到, 樑承載彎矩,  如果你可以估算出樑的均佈載重,
就可以利用公式計算出樑的最大彎矩, 然後查出可以利用的斷面 .

這個過程真的有一點......... 很困難 !
如果有興趣的話, 可以到前面那些連結裏面看看, 那裏有兩本鋼結構設計手冊.
容許應力法﹝ASD﹞ 及 極限設計法﹝LSD﹞

書的內容裏面, 也有一些設計的例子 .
看看這個目錄, 就知道書的內容有哪些了 !