前言
一般土木建築工程的安全係數,除了拉力樁為3.0以外,其餘的安全係數幾乎都在2.0以下,常用的安全係數介於1.2~1.8。但是施工用的移動式起重機或類似之吊車機具,其吊重用之鋼索的安全係數都遠超過4.0。鋼索之安全係數異於常態之土木建築工程,是否有獨特之涵義?值得探討了解。
相關之規範標準
依照職業安全衛生法所規定之移動式起重機(照片1),安全檢查構造標準,起重機結構部分所使用之鋼材,其容許抗拉應力(Ft)以降伏強度(Fy)除以1.5、或抗拉強度(Fu)除以1.8計算,兩者取其小值,安全係數(SF)約為1.5。但起重機捲揚用之鋼索,其安全係數則為4.5。且工程會之施工綱要規範第14641章門形移動式起重機(照片2),規定鋼索之設計強度,應保持5倍以上之安全因數;第14612章亦規定廠房電動架空移動起重機(照片3),鋼索之安全係數應為5以上;而第14611章亦規定橋式起重機鋼索之設計強度,應保持5倍以上之安全因數。
照片1移動式起重機
照片2 門型起重機
照片3 廠房架空起重機
安全係數評估
起重機的結構鋼架與鋼索實為一體的設備,鋼索強度安全係數之放大,係因操作時緊急剎車的需求。舉例言之,於圖1之移動式起重機作業,當起重機吊掛某物體,其重力W=40kN,以定速v =1 m/sec向下緩緩降落。若鋼索之自重不計,鋼索之斷面積A=6cm2,鋼索之彈性模數E=200,000MPa。當起重機之開關突然剎車停止,鋼索於停住時之垂掛長度L=20m,頓時的剎車會擴大鋼索之伸長量。此時,鋼索內部之總應變能量,包括鋼索之彈性靜態應變能量、運動之動態能量與鋼索超過靜態伸長之應變能量。若以δst 代表W所造成之靜態伸長量,δ代表鋼索於頓時剎車之總伸長量,則鋼索內部總能量為:
圖1 移動式起重機作業
由於鋼索之拉應力大小與伸長量成正比,足見於緊急剎車時鋼索將增加約5倍之拉應力,所以安全係數取5以上,方為合理。其實,實際安全係數之大小與吊重大小、鋼索斷面積、下降速度及剎車時之垂掛長度有關,謹整理數種情況,如表1。
從表1不難看出,於相同載重、鋼索斷面積相同、同樣之落下速度,當垂掛長度愈小者,需要較大之安全係數。另外,於相同載重、鋼索斷面積相同、落下高度相同,當落下速度愈快時,也需要較大之安全係數。
表1 各種操作情況之安全係數需求
吊重(kN) |
鋼索斷面(cm2) |
下降速度(m/s) |
垂掛長度(m) |
δst(mm) |
鋼索需要安全係數 |
30 |
5 |
1 |
10 |
3.00 |
6.83 |
40 |
6 |
1 |
10 |
3.33 |
6.53 |
40 |
6 |
1 |
20 |
6.67 |
4.91 |
40 |
6 |
1.5 |
20 |
7.50 |
6.53 |
50 |
7 |
1 |
10 |
5.36 |
5.36 |
安全係數之啟示
既然起重機的操作過程,隨意剎車需要更大的安全係數,起重機的操作,必須事先做好妥善之規劃與整備,切忌由操作手隨意剎車。且起重吊裝時,起重機下方,應禁止人員進入,以免發生危險。
參考文獻
陳純森著(2021年7月)。工程綜合力學,科技圖書公司。
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