起重機鋼索安全係數之啟示

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δ_st 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

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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