SN鋼材

SN鋼材,是當代社會用以建築的結構鋼材規範之一,因為具有特殊的工法要求,提升了鋼鐵的「強度」、「韌性」、「銲接性」,而具有較佳的耐震效果,不同於較早期的SS系列及SM系列鋼材因為沒有規定最高降伏強度或拉力強度,使得建材產生強度可能過高、降伏比的問題,及合金元素規定不足的情形使得不易管制。因此新一代的SN系列材料的規範也就因應而生。SN鋼材目前主要運用在房屋結構、廠房、車站等其他建築物上,因為安全需求高所以在部分先進國家會進行使用SN鋼材的要求限制。[1]

鋼結構工程的演進编辑

鋼結構的歷史,應始於平爐煉鋼法發明前數十年,1779年英格蘭塞文河上建造世界首座鑄鐵橋梁。後又採用鐵製作桁架,其中承受拉力的桿件採用鍛鐵。1823 年,發明蒸汽機火車頭的喬治·史蒂芬森建造了第一座鑄鐵造之鐵路橋梁。十八世紀金屬結構漸使用於建築物上,1851年在英國倫敦博覽會上建造的水晶宮是以鐵作骨架,十九世紀50年代隨著平爐煉鋼法的問世,鋼結構得以迅速發展,例如1874年美國聖路易斯由J.B.Eads設計之伊茲橋是世界上第一座鋼桁橋,跨徑達152米,橫跨密西西比河。1889年英國福斯灣上之福斯橋採用懸臂式桁架橋梁,其懸臂桁架採用直程3.66 m之鋼管。但由於鋼結構理論之發展不夠完善,因此在二十世紀初建造的鋼結構橋梁偶有失敗,但採用鋼結構建造的建築結構卻少有失敗之例子。

十九世紀末,各種型鋼的生產進展快速,與各種不同寬度厚度的鋼板組合可製任何規格和強度的鋼結構組件。1885年生產的最重之型鋼每英尺還不到100磅,而到二十世紀60年代已超過每英尺700磅之巨型型鋼斷面(板厚在10公分以上)。第二次世界大戰後,摩天大樓由於鋼材之進步與鋼結構理論的發展而迅速蓬勃起來,二十世紀20年代又出現爭向高度發展的趨勢,1931年在紐約建造的102層,381米高的帝國大廈保持了40 年的最高紀錄,這座大樓在短短的一年零45天內達成,說明鋼結構設計和施工技術均有很大的進步。

第二次世界大戰後,廣泛採用銲接代替螺栓和鉚釘。戰後以來各種鋼材在不同載重下的應力狀況,包括極限強度的研究,有了長足的進展,因而能對鋼結構作更為精確和系統的分析,且可依不同的需要應用不同強度的鋼材,鋼結構已成為工業化國家土木或建築物的主要建材,如日本採用鋼結構或鋼骨鋼筋混凝土結構之建築物佔80%以上,而鋼橋的比例亦佔50%以上,SN鋼材也在追求新技術的時代裡孕育而生。[2]

SN鋼材料規範之演進编辑

在鋼材的村料規範上,由於早期SS系列SM系列鋼材未規定最高降伏強度或拉力強度之關係,以致產生強度可能過高與降伏比的問題,甚至產生合金元素規定不足的問題。因此新一代的SN鋼材料規範也就因應而生,最早由日本JIS標準於1994年6月頒佈了”建築結構用軋延鋼材”的編號G3136 SN(Steels for New Structure)新規範,其與編號G3101(一般構造用SS鋼材)及編號G3106(熔接構造用SM鋼材)的碳當量及化學成份比較後發現,SN鋼材規範較為嚴格,如SM系列鋼材之P及S含量為0.035%以下,但SN400B與SN490B之P須小於 0.030%,而S須小於0.015%, SN400C及SN490C之磷(P)與硫(S)更須分別小於 0.020%及0.008%,SN鋼材並規定降伏比須小於0.8,而降伏強度及拉力強度亦增加上限值的規定以控制強度變異,而為因應銲接設計日趨複雜及鋼板厚度方向韌性較差,容易產生銲接撕裂的現象,因此SN400C及 SN490C更增加厚度方向拉伸試驗的要求,規定厚度方向之斷面縮減率必須大於25% 。 SN鋼材更增加碳當量及冷裂敏感度之要求,尤其對於需要較佳銲接性及耐震性能者應採用SN之B或C系列鋼材,銲接施工複雜者更應採用SN之C系列鋼材。[3]

1995年日本阪神大地震,造成許多鋼結構建築物損害,其中很多都是鋼材直接撕裂破壞,讓人很難相信,韌性的材料會造成如此嚴重的破壞。所以許多專家學者在阪神大地震後相繼研究破壞的原因,發現只有SN鋼材才能符合耐震材料的特性,所以在日本建築規範中明訂將SS及SM鋼材自建築結構用取消,相信將來重要結構之耐震設計會以SN材為主。[4][5]

製程编辑

一般軋延编辑

1960年代以前,沒有微合金添加(Microalloying) 的理念,亦無控制軋延(Controlled Rolling)的技術,強度上完全依賴與合金元素,故碳當量Ceq非常高,如SM490之 Ceq高達約0.5%,不適於銲接作業。[6]

正常化處理编辑

1960年以後有了正常化處理(Normalizing),即鋼板加熱至約900°C,停留一段時間,再空冷下來,可藉此而細化晶粒提高強度,因此SM490之Ceq、由過去的0.5%降到約0.42%水準,鋼構才能由鉚接的時代過渡到銲接時代。

控制軋延编辑

1970年代又發展了微合金添加(如Nb、V...…等)及控制軋延的技術,50kg/mm2等級鋼板之Ceq。因此可降低到 0.38%左右的水準,更提升鋼板銲接性。

熱機控制軋延编辑

1980年代開發了鋼板線上加速冷卻系統(On-Line Accelerated Cooling System),生產50kg/mm2等級鋼板,其碳當量更可降低到0.33%左右的水率。該生產製程簡稱TMCP( Thermo-mechanical controlled process)。

特性编辑

SN系列鋼材在機械性質方面有下列特性。[2]

降伏強度编辑

降伏強度之上、下限的規定可以控制鋼材降伏強度的變異性。鋼材降伏強度的變異性過大時會導致如下的顧慮:(a)強柱弱梁的設計理念無法落實;(b)三維構架在非彈性階段可能產生額外的地震偏心力扭矩;(c)容量設計的理念無法落實。

SN系列鋼材厚度在12mm以上之B級鋼板及厚度在16mm以上之C級鋼板,其降伏強度即有上限及下限之規定。

降伏比编辑

鋼材之降伏比為實測降伏強度與實測抗拉強度之比值。鋼材降伏比較低可使梁柱接頭的塑性鉸區範圍擴增,這樣除可減少應力集中現象外,亦可增加塑性轉角容量,提升梁柱接頭之延展性及消能容量。日本JIS的SN系列規定降伏比不得大於0.8;美國ASTM A992建築結構用鋼則規定降伏比不得大於0.85。另一個影響梁柱接頭延展性及消能容量的重要因素為梁柱接頭型式,美國對梁柱接頭型式有明確的規定(例如:切削式或補強式梁柱接頭),故鋼材降伏比採用比SN系列鋼材稍微寬鬆的規定(不得大於0.85)。

衝擊值编辑

Charpy衝擊值越高表示產生相同斷裂面所需的能量越高,Charpy衝擊值越高就越不容易產生不穩定的裂縫成長(或稱脆性斷裂),因此對銲接瑕疵的容忍度也較高。Charpy衝擊值受測試時的溫度及加載速率(loading rate)的影響很大,測試時的溫度越低、加載速率越高Charpy衝擊值越小。一般應視結構體在使用情況下之最低溫度來規定Charpy衝擊試驗的溫度,但是Charpy衝擊試驗的加載速率遠高於結構體受力時之加載速率,因此Charpy衝擊試驗的溫度可以稍加提升,補償加載速率不同所造成的差異。以日本為例,日本的最低氣溫低於攝氏零度不少,但是日本規範卻規定鋼材Charpy衝擊試驗的測試溫度為攝氏零度。國內絕大部分的結構物使用的最低溫度約在攝氏10度,因此Charpy衝擊試驗的溫度可以比攝氏10度高,但是目前中國國家標準(CNS)直接引用日本的規定,並未針對台灣地區的實際情況調整,尚待修正。

化學成分改變编辑

SN鋼材對化學成分的控制相當嚴謹,如降低等不利於鋼結構銲接含量,增加銲接性,尤其是高入熱量銲接,故較適用於使用潛弧銲等高入熱量銲接之組合型鋼。

SN鋼材特性编辑

SN鋼材目前主要是用在房屋結構、廠房、車站等其他建築物,大樓及大型建築物已經使用普遍,使用等級為SN490B或C等級,如興建中的雲林高鐵,採用SN490B、C系列鋼材。但低矮層使用之SN400系列鋼材,國內雖有鋼鐵廠生產,但只有少數消費者知曉,以前都是以 SS400、SM400或ASTM A36興建,在日本低矮層建築使用鋼結構比例不低,但在阪神地震中,前述鋼材已被證實不具耐震能力,且之後設計之低矮層建築物都已SN鋼材,目前國內生產鏈已供應,將來設計者應優先採用SN等級之鋼材。[2]

耐震建築結構鋼材規範國家標準编辑

台灣內政部營建署自1997年起即參考日本SN鋼材標準,建立我國耐震建築結構鋼材規範國家標準(標準編號CNS 13812 G3262)。並自2003年起逐漸研修,擬對建築物之重要鋼骨結構,逐步引導使用SN等級的鋼材。在2014年,CNS 13812增添了降伏強度250 N/mm2等級的SN400YB、SN 400YC及降伏強度325 N/mm2等級的SN490YB、SN 490YC鋼材選項,作為耐震鋼材的標準。[7]

另見编辑

參考來源编辑

  1. ^ 阪神地震後「SN鋼材」,耐震建築唯一指標,中時電子報2014年09月22日報導. [2014年10月14日]. (原始内容存档于2014年10月15日). 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 談「房屋結構用鋼材選用ASTM規格」,陳正平,技師報No.605
  3. ^ 建築結構用軋鋼料SN系列鋼材特性介紹(下),陳正平,技師報No.462
  4. ^ 鋼結構行為與設計,陳生金 科技圖書公司,2009,第一版
  5. ^ 你家的建築結構鋼ㄟ穩? 選購鋼材 耐不耐震有學問,中時電子報2014年09月22日報導. [2014年11月17日]. (原始内容存档于2014年12月9日). 
  6. ^ 結構用鋼材之規格與性能手冊-第二版中華民國鋼結構協會
  7. ^ 高品質鋼材建構的家 才是最安全的避風港,中時電子報2014年09月22日報導. [2014年11月17日]. (原始内容存档于2014年12月6日). 

延伸閱讀编辑