鋼結構(steelwork) / CON4334
詳解例題

Tutorial 3 Q2:完全約束樓面樑及腹板(web)局部驗算(check)

展開教學步驟旁的「動畫解說(Animation lab)」,觀看圖解或逐步讀取原式。模型為示意,原題答案完整保留。

中英術語對照(Terminology)

想先看簡單圖解?可展開難點旁的「淺白解說(Simple explanation)」。這些補充不會取代原有完整推導。

驗算(check) B1、B2、B3 的彎曲、剪力(shear force)及外加荷載(imposed load)撓度(deflection),飾面屬脆性(brittleness)另按給定剛性承壓長度(stiff bearing length)及局部約束,驗算 B3 支承處腹板承壓(web bearing)及屈曲(buckling)

原始來源:LectureNotes/Ch 3_Beam.pdf — 第 35 頁第 36 頁標為已知(given)的值來自題目或圖;查表(lookup)值來自指定表格;計算(calculated)值由以下步驟求得;假設(assumptions)均會明確說明。

讀圖並整理已知資料(given data)

給定或採用的輸入確切來源
樓面幾何Figure Q2:圖上每條水平 B1/B2 跨 9m;豎向 B3 跨 3+3=6m。樓板(slab)在水平樑之間沿圖上豎向跨度(span)傳力。
分擔荷載(tributary load)寬度上/下 B1 各分擔一個 3m 樓板(slab)開間的一半,即 1.5m。中央 B2 兩側各收 1.5m,合共 3m
樓板(slab)厚度(thickness)每個樓板(slab)開間括號中的 130,表示 130mm 鋼筋混凝土(RC)板厚,不是荷載強度。
面荷載(area load)Q2 題文:飾面 1、間隔牆 1、屋宇裝備 0.5、外加荷載(imposed load) 5,單位均為 kNm2
構件B1:406×140×46 UB;B2 及 B3:457×191×67 UB。S355、簡支;Q2 受壓翼緣(compression flange)獲完全約束。
B3 額外支承資料剛性承壓(stiff bearing)150mmae=75mmbe=0;明確給定兩項局部翼緣(flange)約束。
用於自重(self-weight)的表列質量Data File 第 9 頁:46.067.1kgm。本數值示範乘假定換算因子 9.811,000

在資料未提供前,保留 γ(混凝土單位重(unit weight)kNm3)及 g(加速度,ms2)為符號。以下是對缺少輸入資料、由來源支持的一般解:

面恆載:G=0.130γ+1+1+0.5=0.130γ+2.5kNm2B1 極限均佈荷載:1.4[1.5(0.130γ+2.5)+46g1000]+1.6×7.5kNmB2 極限均佈荷載:1.4[3(0.130γ+2.5)+67.1g1000]+1.6×15kNmB3 中點力=B2 均佈荷載乘 92,得 kN;自身均佈荷載=1.4×67.1g1000kNm。把這些荷載代入下方平衡及強度公式。只由外加荷載引起的撓度不受 γg 影響。

計算前:辨認題型與選擇策略

選公式前先追蹤傳力路徑。B1、B2 均承受樓面均佈荷載(uniformly distributed load, UDL)B3 承受中央 B2 的端反力(reaction)及自身重量。B1 端反力位於 B3 支承處,會增加柱/節點反力,但不增加 B3 跨內彎矩(bending moment)Q2 完全樓板(slab)約束抑制 LTB,但不會免除剪力(shear force)、撓度(deflection)及腹板(web)局部破壞驗算(check)

1. 換算樓板(slab)厚度(thickness)並整理面荷載(area load)

淺白解說(Simple explanation):樓板荷載怎樣走到樑?(Load path)

每條樑收集屬於自己的那條樓板帶所承受的荷載。

樓板荷載怎樣走到樑?(Load path) — 每條樑收集屬於自己的那條樓板帶所承受的荷載。
自編教學示意圖(Teaching sketch)・非按比例・可按圖放大。題目尺寸一律以原題圖為準。
  1. 按平面圖找分擔寬度(Tributary width)。
  2. 面荷載(Area load)× 分擔寬度 = 線荷載(Line load)。
  3. 支承另一條樑時,接收的是該樑的端反力(End reaction)。

注意(Remember):端反力形成集中荷載(Point load),不能直接當作均佈荷載(UDL)。

相關概念與完整方法(Full method)

樓板恆載:0.130m×24kNm3=3.12kNm2gk=3.12+1+1+0.5=5.62kNm2qk=5kNm2極限面荷載:1.4gk+1.6qk=1.4×5.62+1.6×5=7.868+8=15.868kNm2B1 自重:46.0×9.811,000=0.45126kNmB2/B3 自重:67.1×9.811,000=0.658251kNm

自重(self-weight)屬恆載(dead load),所以下方才乘 1.4只計外加荷載(imposed load)的正常使用驗算(check),不採用任何強度荷載分項系數(partial load factor)

動畫解說(Animation lab)從特徵荷載到設計荷載(Load factors)2 個概念 · 1 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. G 是永久荷載,Q 是外加荷載;面荷載與線荷載的單位也不同。
  2. 本示意使用課程重力組合 原文其他荷載組合仍使用各自的係數。
  3. 示意取 調整 Q,觀察兩種荷載各自的貢獻。
  4. 不可直接把此極限狀態(ULS)總荷載代入撓度公式;須遵從指定的正常使用狀態(SLS)荷載。

2. 邊樑 B1:荷載、內力、截面及撓度(deflection)

淺白解說(Simple explanation):夠強與夠硬,是兩個問題

書架可能不會斷,卻彎得太多而不好用。

夠強與夠硬,是兩個問題 — 書架可能不會斷,卻彎得太多而不好用。
自編教學示意圖(Teaching sketch)・非按比例・可按圖放大。題目尺寸一律以原題圖為準。
  1. 極限狀態(ULS)檢查相關破壞模式的安全。
  2. 正常使用狀態(SLS)檢查指定使用限值。
  3. 每項驗算都用自己的指定荷載工況(Load case)。

注意(Remember):抗彎承載力(Bending resistance)通過,不代表撓度(Deflection)通過。

相關概念與完整方法(Full method)

B1 線恆載:5.62×1.5+0.45126=8.88126kNm線外加荷載:5×1.5=7.5kNmwu=1.4×8.88126+1.6×7.5=24.433764kNm由對稱:R=wL2=24.433764×92=109.951938kNV(x)=Rwx,在 x=L2=4.5mV=0M(x)=Rxwx22所以:Mmax=wL28=24.433764×928=247.391861kN·m

查表(table lookup):Data File 第 9–10 頁,準確選取 406×140×46 UB 列。第 9 頁列尺寸,第 10 頁列截面性質(section properties)D 是總深度;d 是兩角根圓角之間的腹板(web)淨深度,不是型鋼標稱尺寸。

截面性質(section properties)查表(table lookup)值/換算
尺寸D=403.2、腹板(web) t=6.8、翼緣(flange) T=11.2、角根半徑 r=10.2、淨深 d=360.4,單位全為 mm
局部寬厚比(width-to-thickness ratio)bT=6.35dt=53
強軸(major axis)截面性質(section properties)Ix=15690cm4=1.569×108mm4Zx=778cm3Sx=888cm3
LTB 所需性質ry=3.03cm=30.3mmu=0.871;扭轉指數 x=38.9
S355,翼緣 T=11.2mm,所以 py=355Nmm2ε=275355=0.880141翼緣:bT=6.35<9ε=7.921268受彎腹板:dt=53<80ε=70.411267兩者均屬 Class 1,所以 βW=1,可用塑性彎矩承載力。dt=53<70ε=61.609858按課程限值,不須計算剪切屈曲。
Av=tD=6.8×403.2=2741.76mm2Vc=pyAv3=355×2741.763×1,000=561.949335kNVmax=109.951938kN<Vc,抗剪通過。0.6Vc=337.169601kN>Vmax,連峰值剪力也屬低剪力,所以全樑可用低剪力受彎公式。Mc=min(pySx,1.2pyZx)=min(355×8881,000,1.2×355×7781,000)=min(315.24,331.428)=315.24kN·m|M|max=247.391861kN·m,抗彎通過。

撓度(deflection)用外加均佈荷載(uniformly distributed load, UDL) 7.5kNm=7.5NmmL=9,000mmE=205,000Nmm2Ix=15,690×104mm4簡支均佈荷載公式由曲率(curvature)EI 關係積分(integration),並代入(substitution)兩端支承位移為零而得。

δmax=5qL4384EI=5×7.5×9,0004384×205,000×15,690×104=19.920181mm脆性飾面限值:L360=9,000360=25mm19.920181<25,撓度通過。
動畫解說(Animation lab)追蹤樓面荷載(3D load path)7 個概念 · 21 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 樓面承受 的面荷載;標示的樓面帶由一條次樑承擔。
  2. 面荷載乘分擔寬度(tributary width):本示意
  3. 主樑在接駁位置承受次樑反力;該反力不會自動變成全跨均布荷載。
  4. 反力沿鋼柱傳至基礎;同一承載面積只計一次。

3. 內部樑 B2:兩倍樓面分擔荷載(tributary load)寬度

B2 線恆載:5.62×3+0.658251=17.518251kNm線外加荷載:5×3=15kNmwu=1.4×17.518251+1.6×15=48.525551kNmR=wL2=48.525551×92=218.364981kNMmax=wL28=48.525551×928=491.321208kN·m

查表(table lookup):Data File 第 9–10 頁,準確選取 457×191×67 UB 列。第 9 頁列尺寸,第 10 頁列截面性質(section properties)D 是總深度;d 是兩角根圓角之間的腹板(web)淨深度,不是型鋼標稱尺寸。

截面性質(section properties)查表(table lookup)值/換算
尺寸D=453.4、腹板(web) t=8.5、翼緣(flange) T=12.7、角根半徑 r=10.2、淨深 d=407.6,單位全為 mm
局部寬厚比(width-to-thickness ratio)bT=7.48dt=48
強軸(major axis)截面性質(section properties)Ix=29380cm4=2.938×108mm4Zx=1296cm3Sx=1471cm3
LTB 所需性質ry=4.12cm=41.2mmu=0.872;扭轉指數 x=37.9
S355,翼緣 T=12.7mm,所以 py=355Nmm2ε=275355=0.880141翼緣:bT=7.48<9ε=7.921268受彎腹板:dt=48<80ε=70.411267兩者均屬 Class 1,所以 βW=1,可用塑性彎矩承載力。dt=48<70ε=61.609858按課程限值,不須計算剪切屈曲。
Av=tD=8.5×453.4=3853.9mm2Vc=pyAv3=355×3853.93×1,000=789.892822kNVmax=218.364981kN<Vc,抗剪通過。0.6Vc=473.935693kN>Vmax,連峰值剪力也屬低剪力,所以全樑可用低剪力受彎公式。Mc=min(pySx,1.2pyZx)=min(355×14711,000,1.2×355×12961,000)=min(522.205,552.096)=522.205kN·m|M|max=491.321208kN·m,抗彎通過。
外加荷載撓度:5×15×9,0004384×205,000×29,380×104=21.276218mm<9,000360=25mm通過。傳至每條 B3 的特徵外加荷載反力:15×92=67.5kN

每條 B3 承受 B2 總荷載的一半。只計外加荷載(imposed load)撓度(deflection)時,不要代入(substitution) 218.364981kN 極限反力(reaction)

動畫解說(Animation lab)追蹤樓面荷載(3D load path)7 個概念 · 17 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 樓面承受 的面荷載;標示的樓面帶由一條次樑承擔。
  2. 面荷載乘分擔寬度(tributary width):本示意
  3. 主樑在接駁位置承受次樑反力;該反力不會自動變成全跨均布荷載。
  4. 反力沿鋼柱傳至基礎;同一承載面積只計一次。

4. 支承樑 B3:一個中點反力(reaction)加自重(self-weight)

給定跨度 L=3+3=6m。極限跨中集中力 P=RB2=218.364981kN。極限自重:w=1.4×0.658251=0.921551kNm由樑跨內荷載產生的支承反力:R=P2+wL2=218.3649812+0.921551×62=111.947145kNMmax=PL4+wL28=218.364981×64+0.921551×628=331.694453kN·m

B3 與 B2 同用 457×191×67 截面,所以前面已證明的 Class 1 及不須剪切屈曲(buckling)計算結果同樣適用。每個角位的柱另接收 B1 的 109.951938kN 端反力(reaction)該力在支承處,不產生 B3 跨內彎矩(bending moment)

Av=tD=8.5×453.4=3853.9mm2Vc=pyAv3=355×3853.93×1,000=789.892822kNVmax=111.947145kN<Vc,抗剪通過。0.6Vc=473.935693kN>Vmax,連峰值剪力也屬低剪力,所以全樑可用低剪力受彎公式。Mc=min(pySx,1.2pyZx)=min(355×14711,000,1.2×355×12961,000)=min(522.205,552.096)=522.205kN·m|M|max=331.694453kN·m,抗彎通過。
此正常使用驗算只計跨中的外加集中力 P=67.5kNδ=PL348EI=67,500×6,000348×205,000×29,380×104=5.043252mm限值 6,000360=16.666667mm,通過。

跨中(midspan)集中力公式含 L3Data File 第 2 頁印出的集中力公式 L4 量綱(dimension)不對;課程例題用 L3N×mm3Nmm2×mm4mm

動畫解說(Animation lab)追蹤樓面荷載(3D load path)7 個概念 · 3 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 樓面承受 的面荷載;標示的樓面帶由一條次樑承擔。
  2. 面荷載乘分擔寬度(tributary width):本示意
  3. 主樑在接駁位置承受次樑反力;該反力不會自動變成全跨均布荷載。
  4. 反力沿鋼柱傳至基礎;同一承載面積只計一次。

5. B3 支承處腹板承壓(web bearing)

淺白解說(Simple explanation):力集中在小地方,會怎樣?

同一個力壓在窄接觸面,局部會比攤開施力更吃力。

力集中在小地方,會怎樣? — 同一個力壓在窄接觸面,局部會比攤開施力更吃力。
自編教學示意圖(Teaching sketch)・非按比例・可按圖放大。題目尺寸一律以原題圖為準。
  1. 找實際剛性承壓長度(Stiff bearing length)及距端部位置。
  2. 局部壓潰(Bearing)與腹板屈曲(Web buckling)分別驗算。
  3. 每條公式都要滿足其約束條件(Restraint conditions)。

注意(Remember):缺少接觸尺寸(Contact dimensions)時,不能靠圖面比例猜測。

相關概念與完整方法(Full method)

題目給定剛性承壓(stiff bearing)b1=150mmae=75mmbe=0端部承壓(bearing)按課程擴散系數 n=2k=T+r 是翼緣(flange)厚加角根半徑的距離。本模型局部作用力為 B3 跨內荷載產生的反力(reaction) 111.947145kN

k=12.7+10.2=22.9mmb1+nk=150+2×22.9=195.8mmPbw=(b1+nk)tpy=195.8×8.5×3551,000=590.8265kN111.947145<590.8265,腹板承壓通過。

B1/柱角位接合的傳力細節未標明。若 B1 反力(reaction)亦進入同一 B3 腹板承壓(web bearing)區,可保守採用 111.947145+109.951938=221.899083kN此替代需求亦低於下列承壓(bearing)及屈曲(buckling)承載力(resistance)不要自行虛構另一種實際承壓構造。

動畫解說(Animation lab)集中力如何傳入腹板(Web bearing)1 個概念 · 7 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 集中反力先經承壓/接觸範圍傳入。
  2. 翼緣及根部幾何使荷載在進入腹板前擴散。
  3. 相同力下,較闊的有效承壓範圍可降低局部應力。
  4. 端距、剛性承壓長度及約束條件必須來自原題;滑桿只供示意。

6. B3 支承處腹板屈曲(web buckling)及結論

淺白解說(Simple explanation):題目少了一個數,怎麼辦?

計算機不能替圖紙補出從未給過的尺寸。

題目少了一個數,怎麼辦? — 計算機不能替圖紙補出從未給過的尺寸。
自編教學示意圖(Teaching sketch)・非按比例・可按圖放大。題目尺寸一律以原題圖為準。
  1. 分開已知值(Given)、查表值(Lookup)及計算值(Calculated)。
  2. 先完成資料足夠的驗算。
  3. 在有條件結果(Conditional result)旁列明欠缺輸入。

注意(Remember):示範假設(Illustrative assumption)不可悄悄變成原題已知值。

相關概念與完整方法(Full method)

d=407.6mm0.7d=285.32mmae=75<285.32,所以用端部折減腹板公式。端部系數:ae+0.7d1.4d=75+285.321.4×407.6=360.32570.64=0.631431腹板系數:25εt(b1+nk)d=25×275355×8.5195.8×407.6Px=[360.32570.64]×[25×275355×8.5195.8×407.6]×590.8265=246.986831kN

題目指定的兩項局部翼緣(flange)約束均存在,所以不用額外 Pxr 折減。111.947145kN 低於 246.986831kN即使保守合併角位需求 221.899083kN 亦低於它。在明確採用的荷載常數下,Q2 所要求的樑驗算(check)全部通過。

動畫解說(Animation lab)腹板如短柱般屈曲(Web buckling)1 個概念 · 1 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 集中力使兩翼緣之間的局部腹板受壓。
  2. 薄腹板可能先向側面屈曲,早於局部壓潰。
  3. 原教材分開考慮轉動約束及相對側向位移約束。
  4. 腹板承壓及腹板屈曲是獨立驗算;須選假設條件已符合的原公式。

精簡考試答案(exam answer)

極限剪力(shear force) V/彎矩(bending moment) M外加荷載(imposed load)撓度(deflection) δ/限值結果
B1109.952kN247.392kN·m19.92025mm通過
B2218.365kN491.321kN·m21.27625mm通過
B3111.947kN331.694kN·m5.04316.667mm通過

gk=5.62qk=5kNm2包括表列樑重量,採 g=9.81截面屬 Class 1。B3:Pbw=590.8265kNPx=246.9868kN,局部約束已給定。完全樓板(slab)約束表示 Q2 不須 LTB 驗算(check)

應避免的錯誤

  • 9m 是 B1/B2 跨度(span),不是 B3 跨度。
  • B2 分擔荷載(tributary load)寬度為 3m,B1 為 1.5m
  • 外加荷載(imposed load)撓度(deflection)不乘 ULS 分項系數。
  • 跨中(midspan)集中力用 L3,均佈荷載(uniformly distributed load, UDL)L4

處理陌生變式的程序

  1. 從來源讀取樓板(slab)跨度(span)方向、分擔荷載(tributary load)寬度、樑跨度及約束位置。
  2. 分開特徵恆載(dead load)/外加荷載(imposed load),只對強度用荷載乘分項系數。
  3. 把被支承樑的反力(reaction)傳給支承樑,不是傳其全部荷載。
  4. 畫樑自由體圖(free-body diagram),求反力(reaction)及剪力(shear force)/彎矩圖(bending moment diagram, BMD)各點數值。
  5. 讀準確型鋼表列、作截面分類(section classification),選受彎公式前先驗算(check)剪力(shear force)
  6. 外加荷載(imposed load)撓度(deflection)驗算(check)統一用 Nmm
  7. 題目要求時,分別驗算(check)承壓(bearing)/腹板屈曲(web buckling)及每段無約束長度(unrestrained length)

獨立自我測試

自己試一試。自擬變式:面外加荷載(imposed load)5 增至 6kNm2哪條 9m 樑先超過脆性(brittleness)飾面撓度限值(deflection limit)

顯示答案及解釋

撓度(deflection)隨外加荷載(imposed load)線性增加。B1:19.920181×65=23.904217mm<25mmB2:21.276218×65=25.531461mm>25mm,不通過。B3:6.051902mm<16.666667mm極限荷載(ultimate load)已改變,強度驗算(check)須另外重算。

動畫解說(Animation lab)觀察剛度與撓度(Deflection)2 個概念 · 3 個原式

原教材的補充解說。啟用 JavaScript 即可播放動畫、逐步讀取原式及旋轉 3D 模型;下列文字亦可離線閱讀。

  1. 選用指定 SLS 荷載、跨度及支承條件;此示意採全跨均布荷載。
  2. 樑受荷後彎曲;圖中變形放大,以便觀察。
  3. 簡支樑全跨均布荷載:保持 w、E、I 不變,L 加倍便使 δ 增至 16 倍。
  4. 讀數示意採 容許值須按原表的飾面及支承類別選取。