鋼結構平屋頂 樓版構架系統積水效應探討

摘要

「水池效應」,係鋼結構平屋頂積水或蓄水之載重産生明顯撓度後,進水管即會供水,塡補該撓度産生之空間而増加載重,此増加之載重,又會産生額外之撓度空間,進水管則陸續供水塡補...,如此悪性循環,最後發生屋頂塌陷。省立豐原高中大禮堂屋頂,因在屋頂蓄水隔熱,産生「水地效應」,民國72年8月24日,大禮堂内正進行該校新生訓練時,突然塌陷,釀成26人死亡,84人輕重傷的慘劇。AISC 360附錄2,提供了水池效應檢核方法,惟僅適用於簡支構架,筆者進一歩提供簡易略算法及設計注意事項,供工程師設計參考,以避免悲劇重演。

一、前言

民國72年8月24日下午1時30分許,省立豐原高中大禮堂屋頂突然塌陷,釀成26人死亡,84人輕重傷的慘劇(見照片1至3)。豐原高中大禮堂倒塌,係起因屋頂鋼桁架預拱量不足,致排水坡度不足而經常漏水,經委託「一流式企業有限公司」,設計承包責任施工「豐原高中大禮堂鋼桁架梁平屋頂一流式防水隔熱工程」,屋頂積水隔熱工法之工程内容,主要係拆除屋頂舗面既有油毛氈、水泥粉刷及油面紅方塊磚等材料,改為一流式防水層,並在屋頂面四周,環以18至20公分高擋水牆,及留設溢流排水孔三處,完工後蓄水5~12公分(現場量測為7~20公分)。

該禮堂屋頂翻修完工驗收使用僅18天,卻發生大禮堂屋頂突然塌陷。研判係在驗收試水及使用18天蓄水狀態下,發生了積水載重之「水池效應」。

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照片1 豐原高中大禮堂屋頂塌陷後正立面

 

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照片2 豐原高中大禮堂倒塌後内部情況

 

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照片3 豐原高中大禮堂鋼桁屋架倒塌後情況

二、積水載重「水池效應」檢核法

美國鋼結構協會,(2016)「鋼結構房屋設計規範(American Institute of Steel Construction Specification for Structural Steel Buildings)AISC 360-2016」,提供了屋頂構架系統承載積水載重時,是否具足夠之強度與勁度的檢核方法。雖然積水載重産生破壞,大部分發生在瞬間暴雨量超過排水量,造成屋簷處累積較多雨水重量所致;但某些地區會出現較大之雪載重,也可能會造成災害。

積水載重「水池效應」檢核法,適用於主要桿件與次要桿件,均為簡支之矩形平屋頂樓版構架系統,其小梁等間距配置時,大梁可視為承載均布載重。除非屋頂有足夠之斜度及排水措施,可防止雨水累積,否則應檢核屋頂在積水情況下,具足夠之強度及穩定性。積水之「水池效應」檢核方法,分為:1、簡算法;2、詳細計算法;3、精算法。

2.1簡算法

屋頂若同時符合下述二條件,屋頂結構系統可視為具有足夠之穩定度,不須再作其他檢核:

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圖2.1 主要桿件之柔度係數

 

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圖2.2 次要桿件之柔度係數

2.3 精算法

次要桿件為小梁或鋼桁小梁(joist),直接承受分布在屋頂結構上之積水載重。主要桿件為梁或大梁,支承次要桿件所傳遞過來的集中載重。主要桿件及臨界(跨度中央)次要桿件之撓度形狀,以半正弦波(half-sine)形代表,積水的重量及分布,可依撓度形狀估計,進而毎一根桿件之撓度對總積水撓度之貢獻,可用下式表示(Marino, 1966):

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三、簡略算法

筆者認為對於以AISC 360-2016附錄2所提供之檢核方法,不能適用之複雜平屋頂構架系統,可採用簡略算法。計算程序為先預估(假設)一較大之撓度,再計入包含此預估(假設)撓度空間水重之總積水載重,來計算總撓度,若計得之總撓度小於先前預估(假設)撓度値,則此平屋頂構架系統可視為穏定。若計得之總撓度大於先前預估(假設)撓度値,則重新預估(假設)一更大些之撓度値,作重新檢核。同理,亦可先計算平屋頂構架系統之撓度値,再依此撓度値進行設計一大於此撓度値之預拱量。

四、結語

積水載重「水池效應」檢核法,適用於主要桿件與次要桿件均為簡支之矩形平屋頂樓版構架系統,其小梁等間距配置時,大梁可視為承載均布載重。除非屋頂有足夠之斜度及排水措施可防止雨水累積,否則應檢核屋頂在積水情況下,具足夠之強度及穩定性;鋼結構平屋頂樓版積水效應檢核方法,僅適用於未預拱之平屋頂簡支構架系統,且四周無妨礙排水之設施;若四周設計有環繞有無妨礙排水之設施,或主要桿件與次要桿件非為簡支支承之情況,而致不能以AISC 360-2016附錄2所提供之方法檢核時,則建議採用筆者所建議之簡化略算法,可達到防止因積水載重産生水池效應而倒塌。

檢核積水效應時,平屋頂構架系統中之主要桿件與次要桿件,因靜載重、活載重及積水效應産生之撓曲應力,不須同時計入風力或地震力。平屋頂構架系統若有向上預拱,且四周無妨礙排水之設施,則可不必考慮積水效應,但是否能順利排水避免滲漏仍須考慮。平屋頂四周若設計環繞有妨礙排水之設施,則須設置溢流排水系統,且排水量必須足以宣洩最大降雨強度之降雨水量,並須防止落葉等堵塞。設計時除考慮預計之最大蓄水高度外,至少須另加2.5cm擁水高度之水重,若為大面積屋頂尚須考慮水力坡降之高差産生之水重,並須考慮撓度産生之空間所増加之水重。

永久性蓄水或積水之水重,及其撓度所増加之水重,須計入結構體静載重及活載重,且容許應力不得視為短期應力而予提高。

當屋頂構架係由一系列等間距配置之梁支承在牆頂時,此些梁視為次要桿件支承在一剛性主要桿件上。簡略算法之檢核公式適用於主要桿件之二側均有次要桿件之情況;當主要桿件僅一側有次要桿件時(邊梁之情況),計得之P1値得減半。因為桁架梁及鋼桁小梁(joist)之腹桿及斜撐的剪力剛度較全腹板之梁為小,因此當簡化僅以桁架或鋼桁小梁之弦桿斷面積計算慣性矩時,其慣性矩折減15%,成為85%。通常平屋頂桁架在沒有向下撓度之情況下,視覺感受仍會有下垂的錯覺,為了避免産生此種錯覺,及維持適當之排水坡度避免屋頂漏水及發生積水之水池效應,建議在不致影響使用及美觀條件下,盡可能加大鋼梁之預拱量。

參考文獻

1.美國鋼結構協會 (2016)「鋼結構房屋設計規範(American Institute of Steel Construction Specification for Structural Steel Buildings)」。

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】

 


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