「內政部委託辦理營造業工地主任 220 小時職能訓練課程講習計畫」職能訓練課程教材

「內政部委託辦理營造業工地主任220小時職能訓練課程講習計畫」職能訓練課程教材「內政部委託辦理營造業工地主任220小時職能訓練課程講習計畫」職能訓練課程教材課程內容：工程材料檢測及判識 (鋼結構-1)委託單位：內政部授課講師：詹碩仁中華民國九十七年

工程材料檢測及判識(鋼結構) • Material-鋼鐵材料的組成特性會影響到鋼結構的特性 • Machine-鋼結構是需要精密機械來準確加工 • Man-加工人員的素質與程度是重要的影響因素 • Money-鋼鐵材料生產費用隨國際油價，礦砂激漲，成本負擔也愈形沉重 • Methodology-吊裝、電銲技術之方法程序及進度安排，每一環節都會對鋼結構品質產生嚴重影響。

工程材料檢測及判識(鋼結構)課程綱要 • 概論 • 鋼結構材料之加工 • 鋼結構工地安裝 • 鋼結構之焊接 • 鋼結構之防蝕及防火處理 • 鋼結構材料之品質檢驗 • 鋼結構材料檢測及判識

鋼結構概論 • 鋼鐵材料簡介 • 鋼鐵材料組成成份和微結構 • 力學特性 • 腐蝕和腐蝕特性 • 結構鋼之種類和特性

鋼結構概論 • 鋼鐵材料簡介 • 鋼鐵材料依需求可製造成不同品質與形態之鋼材。 • 大部分結構鋼材斷面係經由連續輾軋製造而成，輾軋後鋼材之力學特性，除受到化學組成成份之影響外，將受到開始輾軋溫度、材料變形（應變）程度、和冷卻速率之影響，熱處理也會轉變鋼材的性質。

鋼結構概論 • 鋼鐵材料組成成份和微結構 • 鋼鐵組成成份： 1.鋼鐵材料化學組成主要係為鐵和碳之合金，但為了符合不同特性之需求，可加入一些其他合金元素而製造成不同種類之合金鋼材。 2.鋼鐵之最大含碳量為2 %，一般結構鋼之含碳量小於0.3 %，依其化學組成而一般分成碳鋼和低合金鋼。 3.碳量增加，強度增加，但韌性及延展性降低。

鋼結構概論 • 鋼鐵材料組成成份和微結構 • 顯微結構：鑄鐵和合金之顯微結構由組成相態和/或晶粒之幾何排列、體積、結晶大小和形態所組成，可利用顯微鏡之觀察而間接判斷材料力學性質。

鋼結構概論 • 力學特性設計結構鋼構件主要考慮為鋼材型式、使用環境狀況（例如抵抗大氣腐蝕）、鋼之等級、強度或組合型式。鋼材由於製造過程(軋製循環之程度、熱處理之冷卻速率等）、機械或熱處理而形成不同之化學組成（鍛造和固化過程造成元素集中或分離），以致於兩者之內部和界面特性不同，造成品質變異，這是經結構鋼使用者和製造者所公認之變異性，設計時必須加以考慮。

鋼結構概論 • 力學特性 • 應力-應變行為 1.彈性變形─曲線開始第一區域( OA )為線彈性行為（亦即應力和應變之關係為線性；當應力解除後，應變將回復至原來位置） 2.降伏強度（開始降伏、塑性或永久變形之應力），而降伏強度為工程設計時之最大依據，依其強度決定一般設計之容許或有效強度。

鋼結構概論 • 力學特性 • 應力-應變行為 3.低碳或中碳鋼通常會有兩個降伏點，當應力超過降伏點後，則持續又一次地升高和下降，其中以第一個開始下降點（上降伏點）作為降伏強度。

鋼結構概論 • 力學特性 • 應力-應變行為 4.均勻塑性變形─AB區域之試樣，產生永久變形且斷面均勻減少產生大量之塑性變形。應力之增加使試樣深一層降伏或變形，此過程稱為「應變硬化」。 5.局部塑性變形（頸縮）─DE區，當最大載重發生後，材料較弱之部分則產生伸長變形和斷面減少之現象，導致塑性不穩定；此現象係集中於試樣局部斷面，稱認「頸縮」(necking)，最後試樣生破裂或破壞。

鋼結構概論 • 力學特性 • 破裂韌性破裂韌性係為材料突然承受應力（衝擊狀況），在破裂前產生塑性變形所能吸收之能量，工程設計上並不完全考慮韌性，但它對於必須承受載重和/或環境狀況，而導致脆性破裂之結構鋼斷面而言，則相當重要。鋼材承受衝擊載重而抵抗脆性破裂時，必須吸收相當多之能量，會造成應力集中。

鋼結構概論 • 力學特性 • 可銲性鋼結構常使用銲接以接合鋼材斷面或鈑塊方法，以熔銲最佳也最普遍，其方法係將被銲接金屬接合處加熱至再結晶或熔合溫度，再使用或不使用壓力，將金屬填入而使結合處凝固成為一體銲接對金屬材料附近所造成之區域稱之熱影響區（HAZ），此區域之顯微結構將有所改變，而且力學特性變差，其改變係依據：( l）兩金屬之組成成份， ( 2）原來或可能發生之狀況，( 3）銲接後之冷卻速率而定。當鋼之含碳量和合金含量增加時，可銲性將隨之降低。

鋼結構概論 • 腐蝕和腐蝕特性 • 腐蝕機理腐蝕係金屬受到環境作用產生化學或電化學反應，而造成有害侵蝕或退化之現象。氧化後所形成之含鐵氫氧化合物（Fe2O3、H2O）即為鐵銹。

鋼結構概論 • 腐蝕和腐蝕特性 • 腐蝕型式 (1)一般腐蝕：一般腐蝕或鐵銹是鋼腐蝕最常見之型式，通常在腐蝕表面形成無數微細腐蝕組織之均勻腐蝕過程，氧通常為氧化劑，而來自於雨水、凝結水或濕氣之水份，則有效地幫助其產生反應；原來已存在之腐蝕產物（鐵銹）並無法阻礙鐵銹繼續產生，但是腐蝕將滲入鋼表面之下而鐵銹繼續循環產生。 (2)坑洞腐蝕：為一種非均勻之局部腐蝕，係由於坑洞之瑕疵所造成；暴露於沿海地帶結構物之含氯化物腐蝕即為此種型式

鋼結構概論 • 腐蝕和腐蝕特性 • 腐蝕型式 (3)流電腐蝕：當被接合或雙極電力之兩種不同電位金屬存在於濕氣或水溶液中，即形成陽極-陰極，鋼和銅接觸為最常見之例子。 (4)應力腐蝕：在應力作用下，腐蝕過程相當快，當其形成局部腐蝕時，將導致材料脆性破裂；混凝土中之預力鋼鍵即為此腐蝕型式。 (5)裂隙腐蝕：當濕氣和污染存在於裂隙中，則造成腐蝕加速。

鋼結構概論 • 腐蝕和腐蝕特性 • 腐蝕控制 (1)塗膜保護：使用塗料將鋼和大氣層隔絕，而達到防止腐蝕之方法。 (2)電鍍保護：將鐵和鋼浸泡於鋅電鍍液中，熱電鍍使鋅附著於鐵和鋼之表面而形成保護膜；而金屬處理則是利用噴槍將鋅噴灑於鋼表面而達到保護效果。使用鋅做為保護塗膜之原因為： 1.鋅氧化薄膜將形成有效之障壁，阻擋鋼和大氣層接觸。 2.鋅腐蝕之速率較鐵或鋼快。 3.鋅做為犧性材料而保護鐵（因為在大氣溫度下，鋅比較容易氧化，相較之下鐵為陰極而鋅則為陽極）。

鋼結構概論 • 腐蝕和腐蝕特性 • 腐蝕控制 (3)陰極保護：此方法通常使用於深入地面以下或水中之結構物，並和塗膜保護膜法合併使用。由於腐蝕之發生，必須在陽極和陰極間有流動之電子流，因此可控制電流方向和大小以降低或消除腐蝕反應；在原來陽極鋼之表面給予相反方向電流，使其成為陰極而無腐蝕反應作用。 (4)抗腐蝕鋼：利用合金元素添加於鋼材內，使其形成氧化保護膜，而延長鋼材暴露於大氣環境（風化作用）之使用壽命，對於抵抗大氣腐蝕之效益而言，含銅之合金鋼為純碳鋼之4~8倍；因此可添加銅、磷、鉻、鎳和矽於碳鋼中，以達到抗腐蝕之性能。

鋼結構概論 • 結構鋼之種類和特性 • 一般結構用鋼:在台灣最常用之結構鋼料(Structure Steel, SS)為中國國家標準之CNS SS400 及CNS SS490 等，其抗拉強度分別為400N/mm2 (MPa)以上及490N / mm2 (MPa)之以上，降伏強度則分別為235N/ mm2(MPa)及275N/mm2(MPa)以上與日本工業標準之JIS SS400及SS490相同。此種SS級材質之鋼材化學成分均限制磷、硫之含量，但不限制碳、錳含量，適合於栓接用之鋼結構。

鋼結構概論 • 結構鋼之種類和特性 • 銲接結構用鋼：銲接結構用鋼屬造船專用(Steel Marine, SM)之銲接鋼料，其標準為中國國家標準之CNS SM400及CNS SM490等，其抗拉強度亦分別為400 N/mm2(MPa)以上及 490 N/mm2 (MPa)以上，降伏強度則分別為235 N/mm2(MPa)及275 N / mm2(MPa) 以上與日本工業標準之JIS SM400 及SM490相同。如標示符號為SM490A則代表材料韌性A 級；而標示符號為SM490YA者代表高降伏強度材料且韌性屬於A級。此種SM級材質之鋼料化學成分限制碳、矽、錳、磷、硫等之含量，適合電銲接合。 • 美國材料試驗協會之ASTM A36及A572等鋼種，亦屬於適合電銲接合之材質。高層建築物鋼梁或斜撐使用ASTM A36的材質，而鋼柱常用ASTM A572材質。

鋼結構概論 • 結構鋼之種類和特性 • 建築結構用鋼：鋼料之降伏強度以往僅規定最低值，而部份煉鋼廠所生產的鋼料，為了達到此一標準，其降伏強度都有偏高的現象，造成了降伏強度與抗拉強度過於接近，以致降低了材料的韌性。高層建築之鋼結構其韌性要求比較嚴格，使用韌性鋼料是一大趨勢，所謂的SN(Steel New）材質即是，如SN400A、SN490B等，其抗拉強度雖亦分別為 400N/mm2及490N /mm2以上，但是其降伏強度最高值限制不得高於抗拉強度的80%。

鋼結構概論 • 結構鋼之種類和特性 • 銲接用材料：銲接用之材料有人工電銲之銲條、二氣化碳（CO2）助熔電銲之銲線、包藥電銲之銲線及潛弧電銲之銲線等四種。傳統式人工電銲之銲條呈棒狀，中心為鋼條，外側包覆砂質之助熔劑，助熔劑的功能係用來保溫以促成銲條及鋼料之間的緊密熔合。二氣化碳助熔銲接法之銲線比較細，直徑約0.9mm至2.4mm，呈盤捲狀，每捲銲線的重量約為15至25kg。包藥銲線亦為盤捲狀，其助熔劑係包裹在管狀的銲線中心，故稱為「包藥銲」。此種銲線之材質比較特殊，成本亦比較高。潛弧式電銲之銲線亦呈盤捲狀，銲線之直種約2.4mm 至 6.4mm，因為銲線之直徑比較大，故適合電銲量比較多之場合。電銲時，採用散狀或粉狀之銲劑作為助熔劑，銲線之熔解均潛躲在銲劑下面進行，銲接時看不到電銲火花，亦名「沉弧式電銲」。

工程材料檢測及判識(鋼結構)課程綱要 • 概論 • 鋼結構材料之加工 • 鋼結構工地安裝 • 鋼結構之焊接 • 鋼結構之防蝕及防火處理 • 鋼結構材料之品質檢驗 • 鋼結構材料檢測及判識

鋼結構材料之加工 • 製造流程 • 放樣作業 • 下料切割 • 開孔 • 組合 • 電銲 • 螺栓接合 • 試安裝

鋼結構材料之加工 • 製造流程: 鋼結構之製造項目包括鋼板切割、鑽孔、組裝、電銲及塗裝等

鋼結構材料之加工 • 放樣作業施工廠商於完成施工圖後，須進行放樣或展冊檢查，確實核對施工圖之所有細節，以防止工廠誤製或吊裝錯誤。放樣檢查方式為原圖檢查及展開圖查核，必要時並準備製造用「樣鈑」供工廠下料或鑽孔之用。為確保鋼結構之施工品質，放樣檢查之工作甚為重要，務必詳實。可以利用電腦軟體核對檢查，提升製造圖的品質。

鋼結構材料之加工 • 下料切割 • 落樣:落樣為在鋼鐵材料表面繪製記號以供製造，一般鋼結構的加工精度均以mm量度，精度標準非常細膩，放樣工作直接影響加工之品質，故放樣作業務必須十分嚴謹。

鋼結構材料之加工 • 下料切割 • 冷作: 鋼鈑、型鋼等原材料之切割、開孔、組合及點銲等工作皆屬冷作，目前鋼鐵材料的切割或開孔工作採用數據控制自動作業，精度甚高。將切割與開孔完成之鋼料零件依照施工圖組合為鋼構件，並加以點銲即為組合工作。

鋼結構材料之加工 • 下料切割 • 瓦斯切割: 瓦斯切割的工作效率最高，工廠內可採用大量輕便型的瓦斯切割機器作業，除了可以大量生產以外尚可節省許多作業空間。但由於瓦斯切割係利用高溫氣體搭配機器的移動將鋼料切斷，故切割表面常有不同程度的粗糙面，。

鋼結構材料之加工 • 下料切割開槽角度粗糙度切割凹痕切割面垂直度開槽面根部熔渣

鋼結構材料之加工 • 下料切割-切割方式比較—氣體火焰切割

鋼結構材料之加工 • 下料切割-切割方式比較—機械切割

鋼結構材料之加工 • 開孔鋼結構之開孔有鑽孔、沖孔與切孔等三種。螺栓接頭之開孔直徑應比螺栓直徑大1.5公厘，而裝設之精度必須非常確實才能妥善安裝。

鋼結構材料之加工 • 組合組合作業係將裁切及鑽孔妥善之鋼材，放置在構台固定之，再依照施工圖組合成鋼件加以點銲之。樑:鋼橋的組合作業約分為四個步驟，即平鈑組合、隔鈑組合、圍鈑組合及封鈑組合及翻轉加工。柱:建築物方型鋼柱之橫隔鈑作為傳遞鋼梁應力之用，其位置與鋼梁上下翼鈑之位置相齊，厚度亦與翼鈑之厚度相同。為使橫隔鈑之四側均能與柱面鈑確實銲接，橫隔鈑之兩側通常設置電熱熔渣銲接（ESW）或電熱氣體銲接（EGW）之預備缺口。

銲接處組立精度(1/2)

銲接處組立精度(2/2)

鋼結構材料之加工 • 電銲組合鋼構件後，利用電銲熔解之方法，緊密將鋼構件組合在一起，電銲結合包含角銲、部分滲透電銲及全滲透電銲等方式。使構件內各金屬間部份或完全熔合接著，採金屬接合銲接方式。

鋼結構材料之加工 • 電銲銲接方法 • 被覆電弧銲接(SMAW--Shield Metal Arc Welding) • 氣體遮護電弧銲接(GMAW--Gas Metal Arc Welding) • 包藥銲線電弧銲接(FCAW--Flux-Cored Arc Welding) • 潛弧銲接(SAW--Submerged Arc Welding) • 電熱熔渣銲接(ESW--Electro Slag Welding) • 電熱氣體銲接(EGW--Electro Gas Welding) • 植釘銲接(SW--Stud Welding) 等7類

鋼結構材料之加工 • 螺栓接合鋼結構之接合除了用電銲接合以外，尚可採用螺栓接合及鉚釘接合方式。一般均採用品質控制較易之螺栓接合，材質為摩擦型強力螺栓。方法為扭力自動控制法，，當螺栓被鎖固後，螺稈之尾件會自動斷落，相當方便檢查。強力螺栓之規格以美規ASTM A325或ASTM A490材質，而日規F10T、F11T、S10T或S11T之規格。

鋼結構材料之加工 • 試安裝鋼結構構件尺寸都相當龐大，所以於工廠製造完成，為了安裝順利起見，在工廠製造後經常辦理「試安裝」工作，將每根梁、柱或斜撐等鋼構件先在工廠預裝妥當，並修正其製造誤差，然後再個別拆開，運送到工地正式安裝，建立完整之作業程序，保證鋼結構之品質及精度。試安裝的目的在於確認鋼構件製造的品質，以減少工地修改，而試安裝時並非將所有的螺栓均予鎖固，也並非將所有之電銲接合均予銲完。而平面或立面比較規則的鋼結構，若信心十足，可免辦試安裝，

假安裝(預組)之考量 • 接頭調整困難之大型構件 • 複雜之接頭型式 • 組立時程要求 • 構件施工環境嚴苛 • 構件精密度確認 • 假安裝(預組)之目的即是進行接頭精度之確認，利用假安裝事前重現構件接合條件，配合檢驗標準進一步確認，將不符接合標準部分於工廠製造階段即予以修正，避去現場之修改作業。

工程材料檢測及判識(鋼結構)課程綱要 • 概論 • 鋼結構材料之加工 • 鋼結構工地安裝 • 鋼結構之焊接 • 鋼結構之防蝕及防火處理 • 鋼結構材料之品質檢驗 • 鋼結構材料檢測及判試

鋼結構工地安裝 鋼結構工程為預製式施工，為了準確按照設計圖說達成結構構件，在吊裝前應先擬妥鋼結構施工計畫書，包括安裝圖繪製、人員組織、機具設備、運輸計劃、材料堆放地點、安裝程序、架設計劃與品質控制及工程預定進度表等等。施工計劃也應包括可能互相干擾之相關工作事項，例如鋼結構與檔土支撐措施之介面，開工前應事先套繪圖樣，防止鋼梁、鋼柱與支撐、中間柱相衝突。

鋼結構工地安裝 • 安裝流程工地安裝之項目包括基礎螺栓埋設、成品點收、測量基礎中心、吊裝構件、精度調整、強力螺栓鎖固、必要電銲、安全網鋪設、品質檢驗及防護處理等。

鋼結構安裝計畫及作業流程 銲接計畫切割計畫吊裝計畫 l 試拼裝 l 放樣 l劃線 l切割 l 組合 l銲接 l整修辦理鋼構廠 l 塗裝檢驗 l 精度檢查 l膜厚檢查 l塗裝檢查營造公司監造單位 l 接鈑方式 l鈑邊加工 l 尺寸控制 l避免施工應力 l完整性檢驗 l外觀控制抽驗

施工與檢驗基準~工地安裝流程

鋼結構工地安裝 • 鋼柱吊裝高層建築物鋼架之吊裝多半以「節」為單位，每節（根）柱的範圍約為二至四層樓高。如果低層區的柱子太重時，有時候一節柱僅包含一樓或二樓的柱子。於大部分的設計，第一節柱都是埋入混凝土中，表面並無油漆。由於混凝土基礎表面粗糙不平，鋼柱底鈑無法與混凝土面密接，通常在兩者之間會灌入「無收縮性灌漿材料」。

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