攀岩场馆结构力学

 

岩场结构力学

人工攀岩场馆结构的安全与否,应是业主最重要的考量,一座岩场不论设计的多漂亮,外型多壮观,造价多便宜,但若是结构安全有问题,恐将对使用者的生命财产造成严重的损害。所以业主在此议题上不可不慎,免得投入宝贵的资源后,才发现这座岩场的结构安全是有顾虑的。因此我们特别以15年的岩场设计、建构经验,针对人工攀岩场馆结构安全的问题,撰写此一答客问,提供您参考。

何谓人工攀岩场馆?

人工攀岩场馆建构有国家安全标准吗?

要如何认定这座岩场是安全的?

有哪些国际标准可以参考?

欧洲标准EN12572主要的内容是什么?

人工攀岩场馆为什么要计算结构应力?

何谓人工攀岩场馆的结构?

独立式岩塔与依附建筑物岩场的结构有何区别?

人工攀岩场馆与建筑结构间的安全关系?

是否可以用别的方法来取代结构安全应力计算

有些厂商提出他们的材料测试合格报告,是否可视为此座岩场也是安全的?

钢构越粗结构是否越安全?

我们在岩场结构安全应力计算书上可看到静载重及活载重,何谓静载重?

何谓活载重

强风对于人工攀岩场馆的结构安全有何影响?

如何做风力测试?

地震对于人工攀岩场馆的结构安全有何影响?

零组件的强度对岩场的安全有何影响?

如何计算岩场的结构应力?

如何计算人工攀岩场馆的稳定性?

岩板为什么要有耐撞击测试?

如何测试岩板的耐撞击?

岩场完工后是否需要做任何测试?

何谓确保点?为什么要有确保点?确保点要注意什么?

如何测试确保点的安全?

何谓上方确保点?为什么要有上方确保点?上方确保点要注意什么?

如何测试上方确保点的安全?

举办​​比赛的岩场是否有结构安全标准的要求?

如何选择有能力设计一座安全岩场的专业厂商?

厂商若只是在投标文件中提出一份证明,证实他们承建过的岩场合于EN12572标准,是否可以视其产品皆可通过EN12572标准?

如何判断投标厂商所提的结构应力报告书是合于EN12572规定的?


 

Q. 何谓人工攀岩场馆?
A. 人工攀岩场馆就是一个人造的攀登结构,英文的正式名称是Artificial Climbing Structure,简称ACS。

Q. 人工攀岩场馆建构有国家安全标准吗?
A. 目前我国尚未有​​人工攀岩场馆建构安全标准的法规。

Q. 要如何认定这座岩场是安全的?
A. 虽然我国尚未订定安全标准,但为了保障业主权益及使用者的安全,我们仍然可以借用一些国际标准来作为人工攀岩场馆结构安全上的要求。

Q. 有哪些国际标准可以参考?
A. 目前世界上最严整的人工攀岩场馆建构安全标准,是欧洲共同体19个会员国,在1999年12月所共同通过,并一体遵守的欧洲标准European Standard EN12572。

Q. 欧洲标准EN12572主要的内容是什么?
A. 此标准主要分为几个章节:
第1章是说明此标准乃为规范人造攀登结构之确保点及稳定性之要求及测试方法。
第2章是此标准所引用的参考规范
第3章是对人工攀岩场馆各部结构及零组件加以正式的定义。
第4章这是本标准规范中最重要的一章,在本章中详细叙述人工攀岩场馆安全设计上的需求(Requirements)。包括:
4.1以公式来说明如何在岩壁上的适当位置安装确保点。
4.2 各式确保点的形状要求。
4.3 结构体组件强度计算及测试方法,并有一附表详列攀登者及坠落时对岩场结构产生的各种应力数据,以做为应力计算的标准。
4.4 岩板的耐冲击测试。
4.5 验收测试。
第5章岩场完工后应有一告示牌说明此岩场的基本资料,及是否通过测试。
第6章岩场使用指导手册的内容规范。
第7章此岩场是否通过欧洲标准EN12572的宣告条件说明。

Q. 人工攀岩场馆为什么要计算结构应力?
A. 如前所述,人工攀岩场馆的正式名称是人造攀登结构,既然是人造的结构体,就如同房屋、桥梁一样,必须经由科学的计算,才能确保这个结构体在遭致各种应力状况下,仍然能保持其稳定性。

Q. 何谓人工攀岩场馆的结构?
A. 人工攀岩场馆的结构包括岩板(Panels),固定岩板的支撑杆(Secondary frame),将整座岩场固定于建筑物或独立于空地上的主结构(Primary frame)。

Q. 独立式岩塔与依附建筑物岩场的结构有何区别?
A. 依附建筑物是在原有之建物上,架设钢架结构及专用固定连结装置,再将各式岩板固定在上面,最后装上岩块即可。由于岩场主体是附着于固定建筑物上,因此大多不会再移动,但原则上要扩充并无太大困难。这种模式也是目前相当通用的结构工法。但若没有合适的壁面,或是希望设置于空地上,就必须采用独立结构的技术。与依附建物的技术相较,独立结构需要较多的结构材料与详细的安全分析,而且若是在室外通常必须考量更高标准的耐候因素,例如在台湾空旷地上的独立岩塔,就要考虑是否能承受台风带来的强风吹袭而无破坏之虑。

Q. 人工攀岩场馆与建筑结构间的安全关系?
A. 当一座岩场是依附在一栋原有的建筑物上时,岩场结构体除了必须要能够承受板面结构的重量,以及使用者墬落时产生之冲击力量外,更要考虑及这些应力,是否会对原有之建筑结构造成破坏。所以设计岩场时更需要做结构应力分析,确实算出岩场结构体与原建筑物连结点的三向应力,以便业主能据以检查他原建筑物结构的设计是否可以承受此人工攀岩场馆加诸其上的负荷。若发现已超过时,业主可视状况需要更改本身的结构设计,或要求人工攀岩场馆制造商依据业主提新数据更改岩场设计。总而言之,双方都必须经过此一程序,互相签字确认,接受彼此的数据及设计,以便厘清未来的责任归属,一旦双方确认后,人工攀岩场馆制造商则将对其承建或设计的岩场本体,及其附着的建物部分负完全责任。

Q. 是否可以用别的方法来取代结构安全应力计算?
A. 根据欧洲安全标准EN12572的规定,人工攀岩场馆制造商必须提供岩场结构安全力学分析资料给业主,以证明该人工攀岩场馆的结构完全符合该安全标准的规定,无法提供此服务的公司,其产品将被视为不符此人工攀岩场馆安全标准。所以岩场整体的安全稳定性必须经由结构计算来证实,不可用其他的方法来取代。

Q. 有些厂商提出他们的材料测试合格报告,是否可视为此座岩场也是安全的?
A. 单独的零组件通过测试,只能代表这个零组件的强度是合于标准的,但并不能代表由它组装起来的整座岩场结构是安全的,岩场结构是否安全唯一只有经由应力计算来证实。

Q. 钢构越粗结构是否越安全?
A. 基本上是,相对的建构成本也会增加许多,但经过应力计算后,我们可以列出为了达到安全标准,所需结构材料的最经济材质、形状、尺寸及数量,以作为设计的依据,而这些都要有相关的数据提出,以便业主或其结构工程师能够审核。

Q. 我们在岩场结构安全应力计算书上可看到静载重及活载重,何谓静载重?
A. 静载重(Dead load)就是岩场本身的重量,包括岩板、岩块、钢构、五金零件等的总重量,对结构体产生的负荷。但除非这座岩场只是盖来观赏用,且不准攀登,否则应力计算就不可只考虑静负荷。

Q. 何谓活载重
A. 人工攀岩场馆的结构体除了要承受岩板本身及零组件的静载重负荷外,还要考虑使用者于攀登过程中,因墬落时对结构所产生的活载重(Live load)影响。除了这些外,若是岩场建于户外,还需要考虑天候、强风对它的影响,例如,台湾地区因为有台风的关系,室外岩场的结构设计就要能承受强风吹袭而不损坏。

Q. 强风对于人工攀岩场馆的结构安全有何影响?
A. 建于室外的人工攀岩场馆,其岩板将会成为一个很大的风阻面,所以在强风吹袭下(例如台风的150Km/小时阵风),将对岩板产生很大的风压,同时这些风压也会对结构体产生应力,所以在做应力分析时,就必须根据建筑法规的规定,依岩场所在地区的风压等级,计算风力对整体岩场结构的影响,进而算出所应使用的钢构材料等级和地基设计。

Q. 如何做风力测试?
A. 标准的风力测试可以在风洞里实施,依岩场比例做一个小模型,放到风洞里作各种不同风速的测试。但这并不是一个实际的做法,因为只要岩场形状有一点点变动,每次都要重做模型,事实上岩场受风力的影响可以用结构计算的方式求出其应力,然后再根据此应力要求选择合适的结构材料。所以一个专业厂商并不是将它的标准产品拿去风洞里用强风吹,然后看它是否能抗风压。正确的做法是,将岩场的形式设计好​​后,了解岩场将装设地点的可能最大风速是多少,将这个最大风速值带入结构计算中,再利用计算出来的应力分析去选用适当的结构材料,所以事实上每一座岩场因其外观形状及所在地理位置的不同,必然会有不同的应力计算结果和不同的结构。

Q. 地震对于人工攀岩场馆的结构安全有何影响?
A. 地震的影响与建筑物的质量成正比,也就是说越重的建筑物受地震的影响越大,而人工攀岩场馆基本上是一种薄壳建筑,其质量与体积比甚小,地震对它的影响力远远小于强风对它的影响,所以在应力分析上可略而不算。

Q. 零组件的强度对岩场的安全有何影响?
A. 零组件乃为整体结构的一部份,所以零组件的强度一定要能达到整体应力计算的要求。

Q. 如何计算岩场的结构应力?
A. 岩场的结构应力分析乃为一般工程结构计算的运用,只是必须于计算过程中引用EN12572所规定的一些参数,其计算方式很难用三言两语在此说明,若有兴趣,请与本公司联络。

Q. 如何计算人工攀岩场馆的稳定性?
A. 人工攀岩场馆的稳定性计算也是应力计算的一部份,EN12572附件A. 2.6节中有有规定其方法,与前条同,有兴趣者,请与本公司联络。

Q. 岩板为什么要有耐撞击测试?
A. 目前市售岩板最普遍的材质有玻璃纤维补强树脂及木夹板两种,也有少数的合金材料,欧洲标准EN12572并未限制岩板的材质,因此厂商可以用任何材质去生产岩板,但为了确保各种材质制造的岩板其强度皆能符合安全要求,所以特别规定岩板的耐冲击试验方法,以检验其品质。

Q. 如何测试岩板的耐撞击?
A. 此测试是模拟攀登者坠落时双脚撞击岩板的负荷状况。受测岩板必须是厂商的标准产品,取长宽各1公尺的板材,依水平及垂直放置方式,并以一22+/-0.1kg的撞击器自1.5公尺高度直接冲击岩板中心点3次,岩板不得有任何破损或断裂。详细测试方式请参考EN12572附件C表面原件的冲击测验(Impact test of surface elements)。

Q 岩场完工后是否需要做任何测试?
A. 根据EN12572的要求,岩场完工后必须做验收测试(Proof test),也就是对所有上方确保点及每条攀登路线自下端起算的前三个确保点,都需要施以8kN超过10秒以上的拉力测试,并且必须毫无损坏。

Q. 何谓确保点?为什么要有确保点?确保点要注意什么?
A. 岩墙上的确保点乃为保护攀登者,避免直接坠落地面而设置,攀登者身上穿着的吊带系着一条攀登绳,绳子随着攀登者向上延伸,每经过一个确保点,攀登者都要将绳子扣入连接在确保点的钩环上,绳子的另一端则由在地面的确保者握持住,万一攀登者失手,他将被挂在确保点的绳子拉住,而不会直接坠落到地面。因此确保点的强度,必须能承受一个人体坠落时,所产生的重力加速度。依据EN12572的规定,此确保点在测试时,必须能承受8kN超过10秒以上。

Q. 如何测试确保点的安全?
A. 确保点必须能通过25kN以上的断裂强度测试。

Q. 何谓上方确保点?为什么要有上方确保点?上方确保点要注意什么?
A. 上方确保点就是安装在岩墙最上端的确保点。攀岩训练最基础的方式称为上方确保法,也就是将连系在攀登者身上的攀登绳,直接挂在这最上端的确保点上,绳子的另一端则由在地面的确保者握持住,万一攀登者失手,他将被穿过上方确保点的绳子拉住,而不会直接坠落到地面。这种训练方式的好处是技术不熟的初学者不必一面向上攀登,还要一面分心去将绳子挂到经过的确保点上。。因此确保点的强度,必须能承受一个人体坠落时,所产生的重力加速度。依据EN12572的规定,此确保点在测试时,必须能承受8kN超过10秒以上。

Q. 如何测试上方确保点的安全?
A. 确保点必须能通过30kN以上的断裂强度测试。

Q. 举办比赛的岩场是否有结构安全标准的要求?
A. 根据2001年最新版的国际山岳联盟(UIAA)攀岩竞赛手册,第2章竞赛组织(Section 2 Competition organization),第4节岩墙及定线(Climbing wall & Route setting),4.1款规定:举办​​攀岩比赛的人工攀岩场馆,必须通过欧洲标准EN12572的所有安全规定,比赛不可在未经验证合格的岩场举行。主办单位有责任要求承建厂商提出岩场符合EN12572标准的证明书。

Q. 如何选择有能力设计一座安全岩场的专业厂商?
A. 我们可以下列的检核方式来找出合适的人工攀岩场馆专业设计者及制造商。
1. 实绩纪录
从以往的实绩可以看出来,此人工攀岩场馆制造商是否有足够的承建经验。以往实绩中,案子的大小及施工品质是否能达到此个案的要求。当然除了本地的实绩外,其品牌在全世界的安装实绩也是一个重要的参考资料,可以看出此公司在各个不同领域内的经验。

2. 产品的多样性
是否可以提供多种不同材质及结构的人工攀岩场馆组合,因为这样表示他们对每个个案都有较大的设计弹性,也就是可以根据业主的预算及功能需求,做出较多的组合选择。若只有一两种岩场,则往往受制于其简单的材质或结构设计,而无法完全满足业者的要求。

3. 设计能力
是否可以提供够水准的设计图、平面图、剖面图、结构图、施工大样图。是否能在企划案中,以文字及图形详细说明该岩场的设计考量重点,包含使用对象的考量,使用功能上的考量,安全上的考量,甚至将来扩充可能性的考量。

4. 专业能力
是否能在设计阶段就提出岩场的力学安全分析资料给业主。这项其实是考核厂商最重要的一点,因为我们要确保制造商所提出的岩场设计,是完全符合结构安全要求的。若业主本身的结构工程师审核后,发现此人工攀岩场馆的结构计算有不妥之处,则厂商也应有能力,据以更改原设计并马上提出新的规划。总而言之,任何一家厂商若无法即时提供其结构安全力学分析报告书给业主审核,则可以断言这不是一个妥当的合作对象。因为事实上,这表示此厂商必定没有专业能力及素养,来提供一个结构安全有保障的人工攀岩场馆。

5. 岩场未来的扩充能力
所设计的岩场,除了能满足目前的活动人数及难易度外,是否有未来扩充性的可能,除了攀登面积可扩充外,若因为使用一段长时间后,使用者因太熟悉其路线规划而失去新鲜感时,是否可以做岩板的重新排列,来改变整座岩场的外型及攀登路线的重新设计。

6. 售后服务
该人工攀岩场馆制造商是否有经验丰富的攀岩人员,是否能够提供硬体以外的如岩场管理,课程设计,活动设计,甚至教练支援等售后服务工作。是否有保固维修的能力。

 经过以上的检核程序,将可以较正确的选出一家有专业能力的人工攀岩场馆制造商。

Q. 厂商若只是在投标文件中提出一份证明,证实他们承建过的岩场合于EN12572标准,是否可以视其产品皆可通过EN12572标准? 
A. 以往承建过的岩场合于EN12572标准,并无法证明该厂商未来建构的岩场亦合于标准。EN12572的精神,在于每座单独的岩场都必须依规定去设计建构,其理由是:人工攀岩场馆并非大量生产的标准工业产品(Mass production),像电视机只要一台通过检验合格,其他相同型号的电视机都可贴上合格证,但每座人工攀岩场馆都是依客户需求单独设计的(Custom made),即使两座外型相同的岩场,也会因为建构的地点不同,所受到的气候环境影响不同,或所依附的建筑物不同,而必须有不同的结构设计。
所以投标文件一定要附上该标案岩场的结构应力计算报告书,始能证明该厂商确实已为这座岩场的结构安全做了最仔细的考量,这是EN12572的规定,无法在投标文件中提出结构应力报告书的厂商,将被视为不合格。

Q. 如何判断投标厂商所提的结构应力报告书是合于EN12572规定的?
A. 1.首先看在计算书第一页是否有清楚定义,除了静载重(Dead load)外,也已根据EN12572的需求规定,将活载重(Live load)包括攀登者载重(Climber load),墬落载重及气候载重(Climatic load)的所有数据,都列入结构应力计算中。
2.对于安置于室外的人工攀岩场馆,是否已依据建筑法规,将岩场所在地的风压也列入结构应力计算中。若是如此,可在计算书中很明确的看到这个风压数据,例如风速Km/小时或daN/平方公尺或力公斤/平方公尺。
3.是否有利用图说,将整座岩场结构中每一根结构钢连接点、每一个确保点、每一个岩场结构体与建筑物或地面接触点,都以数字编号注明。
4.每一个数字编号是否都有3D座标位置,例如:编号(node)101,X座标–1800mm、Y座标0.0mm、Z座标–1000mm等等。
5.在计算书中是否可以看到各种不同Case的计算,也就是厂商是否确实的将每一个单独确保点墬落的状况都当成一个Case分别计算,并且列出每一点墬落对整体结构产生的应力影响。假如厂商有如此做的话,他的计算书上将可看到一系列的Case定义及计算结果。
6.在计算书的最后,是否列表指出整座岩场结构,在静载重及活载重的影响下,受力最大及最小的支点(node)编号,及这些支点的X、Y、Z轴向应力。

总而言之,一份结构应力计算书,假如只做了静载重(Dead load)计算,那绝对是不合安全需求的,也无法保证攀登者的安全,或在台风吹袭下是否能安然无恙,运气好的话,或许短时间内没有大影响,但岩场的寿命可能无法长久,或是需要很高的维修费用。所以审核厂商提供的应力计算书时,一定要确认,以上6点确实已包括在计算书内,若不清楚,可请厂商逐条说明以上各点在他所提供计算书上的正确位置。


 

您要是对人工攀岩场馆结构的安全还有疑问,敬请与本公司联络,我们将尽速提供进一步的资料,或派人向您解说。谢谢!