GPC預(yù)鑄板以背孔螺栓作為固定系件之研究

1、GPC預(yù)鑄板以背孔螺栓作為固定繫件之研究林志善 莊智斌 楊功宇 王蘊(yùn)中關(guān)鍵詞：石材、抓釘、鉤釘、背孔螺栓、PC預(yù)鑄工法摘 要面對(duì)社會(huì)多樣化、高度化的需求，使得石材工程在技術(shù)上有逐漸專門化之傾向，為了生產(chǎn)一棟優(yōu)良的建築物，針對(duì)石材施工上領(lǐng)域的固定繫件開發(fā)加以探討，是亟待研究的課題。本研究主要是針對(duì)GPC預(yù)鑄板以背孔螺栓作為固定繫件所作之研究，文中主要是探討新式背孔螺栓外加墊片對(duì)RC之握裹強(qiáng)度並與傳統(tǒng)PC預(yù)鑄板使用之固定繫件作一比較，本研究設(shè)計(jì)幾組模組並利用本中心之實(shí)驗(yàn)器材來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中利用拉拔試驗(yàn)來(lái)證實(shí)背孔螺栓外加墊片對(duì)PC預(yù)鑄板中RC之握裹強(qiáng)度大小，此設(shè)計(jì)之搭配方式不僅強(qiáng)度增強(qiáng)及增加安全性

2、外，對(duì)於石材之使用率也大大增加，不僅可節(jié)省材料成本，也可減輕PC預(yù)鑄板之重量。財(cái)團(tuán)法人石材工業(yè)發(fā)展中心總經(jīng)理財(cái)團(tuán)法人石材工業(yè)發(fā)展中心設(shè)計(jì)組組長(zhǎng)財(cái)團(tuán)法人石材工業(yè)發(fā)展中心設(shè)計(jì)組副研究員財(cái)團(tuán)法人石材工業(yè)發(fā)展中心設(shè)計(jì)組研究助理一、前言目前有關(guān)石材固定繫件，業(yè)界所研發(fā)之背孔螺栓已經(jīng)實(shí)際運(yùn)用在工程上，但卻缺乏有力之理論依據(jù)，來(lái)驗(yàn)證其強(qiáng)度、安全性及施工性，因此本研究主要是針對(duì)業(yè)界所開發(fā)之背孔螺栓，使用在GPC預(yù)鑄板時(shí)並配合墊片進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試其在RC中之握裹強(qiáng)度是否達(dá)到允許範(fàn)圍，若達(dá)到此範(fàn)圍或大於此範(fàn)圍時(shí)，其安全性與施工性皆無(wú)問(wèn)題時(shí)，除了用於乾式工法外，也可取代目前PC預(yù)鑄板所使用之抓釘，以降低成本及縮短工期

3、。二、GPC預(yù)鑄板工法GPC又稱為外貼花崗石帷幕牆，石材的厚度通常採(cǎi)用3左右的厚度，若採(cǎi)用較此為薄的厚度時(shí)，則採(cǎi)用機(jī)械式錨釘開孔錨定，此方式的開孔加工常易使石材被貫通，因此不可使用太薄的石材，同時(shí)太薄的石材會(huì)使得石材端面邊釘插入位置的尺寸縮小而降低的抗拉強(qiáng)度。傳統(tǒng)GPC預(yù)鑄板所使用之固定繫件大都採(cǎi)用五金型式有傳統(tǒng)插入石材端面用的邊釘（3.2，4）以及在石材背面適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)的抓釘（3.2，4）以及在石材背面的中央部分等重點(diǎn)設(shè)置的機(jī)械式錨釘（6），此等五金的種類與數(shù)量視石材種類而異，採(cǎi)用此等五金是在預(yù)嵌石材的場(chǎng)合，藉此五金讓石材與背面混凝土達(dá)到完全附著固定的效果，其型式及位置如圖1所示。圖1 固定用五

4、金繫件配置圖傳統(tǒng)使用之GPC預(yù)鑄板工法之五金繫件大致可分為抓釘、鉤釘與機(jī)械式錨釘三種，其特徵與形式如下說(shuō)明：1.抓釘通常抓釘為不銹鋼材SUS 304線徑一般4，兩腳斜向插入石板深度約20，石板鑽孔為6，45°方向鑽23，鑽孔深度不宜過(guò)深以免石材被鑽破，兩腳孔洞距離一般為90110，抓釘數(shù)依其容許拉拔力、風(fēng)力及石材重等條件計(jì)算。2.邊釘一般常用之邊釘為不銹鋼材SUS 304線徑為3.2中者，在石材邊緣厚度一半處鑽一4.8之水平孔，深度約22（邊釘水平長(zhǎng)一般為20）。另外，有關(guān)傳統(tǒng)面貼石材預(yù)鑄混凝土工法五金繫件之特性及圖例，如表1所示。表1 傳統(tǒng)面貼石材預(yù)鑄混凝土工法之五金繫件五金種類特

5、徵參考圖號(hào)抓釘以環(huán)氧樹脂固定於石材背面考慮避免石材受外力影響產(chǎn)生破裂而飛散，抓釘宜平均配置之抗拉拔力大小因石材種類與厚度而異，原則上以250kg/根左右為標(biāo)準(zhǔn)圖2鉤釘以環(huán)氧樹脂設(shè)置於石材外周邊端，每側(cè)邊端以設(shè)置兩處為原則鑒於鉤釘對(duì)石材邊端的拘束力而易因此影響石材受熱膨脹等的變形行為，最近在日本已不太使用抗拉拔力大小，因石材種類與厚度而異，原則上以每對(duì)（兩根）500kg為標(biāo)準(zhǔn)圖3圖2 抓釘例圖3 鉤釘例三、背孔螺栓當(dāng)新的石材固定方法使用在建築物的外觀時(shí)，可顯露出背孔螺栓之優(yōu)處，背孔螺栓固定的重點(diǎn)在於石板的背面，此種固定方法看不見(jiàn)石材的接縫處，並且相較於傳統(tǒng)使用之插銷（PIN）具有較高的承載力，隨

6、著新工法、新技術(shù)不斷的演進(jìn)，目前最新式之固定繫件背孔螺栓已經(jīng)實(shí)際運(yùn)用在工程上，例如已完成之臺(tái)中新光三越百貨及目前正在施工中之臺(tái)北新光信義二館都已採(cǎi)用此施工方式。背孔螺栓的形式及尺寸如下所示。1.背孔螺栓背孔螺栓形式鑽孔直徑（）鑽孔深度（）擴(kuò)孔直徑（）適用最小石板厚（）M611101413.520M813151915.530德國(guó)fischer公司背孔螺栓形式鑽孔直徑（）鑽孔深度（）擴(kuò)孔直徑（）適用最小石板厚（）M67.211149.220M89.2151711.230國(guó)內(nèi)廠商自行研發(fā)尺寸2.背孔深度示意圖此外，石板之背孔可於工廠直接鑽孔並鎖上背孔螺栓，直接運(yùn)至工地就可安裝，不必在工地現(xiàn)場(chǎng)有切槽之

7、動(dòng)作出現(xiàn)，除了可加速安裝速度外，另外也可大大縮短工期，以下將針對(duì)背孔螺栓之鑽孔、安裝與實(shí)務(wù)上之使用作一說(shuō)明。1.背孔螺栓現(xiàn)場(chǎng)鑽孔組裝之情形(1)由廠商自行研發(fā)之背孔鑽孔機(jī)此鑽孔機(jī)一次可鑽二孔所費(fèi)時(shí)間約1分30秒，並可二邊同時(shí)作業(yè)。(2)鑽孔機(jī)所使用之鑽頭 (3)鑽孔機(jī)實(shí)際鑽孔情形其主要是利用偏心軸的原理來(lái)作擴(kuò)孔，鑽孔時(shí)主要是利用電腦來(lái)設(shè)定其位置，一次可設(shè)定兩個(gè)位置。 (4)鑽完石材背孔後，利用機(jī)具將其背孔螺栓鎖入 (5)最後成果2.背孔螺栓在石材上之應(yīng)用範(fàn)例目前國(guó)內(nèi)對(duì)於背孔螺栓之使用才剛起步，但依其特性可用於許多的施工面上，例如帷幕牆、轉(zhuǎn)角板、梁柱板及內(nèi)外牆，未來(lái)若能減少PC預(yù)鑄板厚度，甚至可

8、用於隔間牆、景觀等，以下為應(yīng)用之實(shí)例。(1)帷幕牆(2)轉(zhuǎn)角板(3)梁柱板(4)內(nèi)、外牆3.背孔螺栓之優(yōu)點(diǎn)(1)防震(2)在安裝時(shí)減少噪音(3)全年施工，不受天候影響(4)拆下板片，易於檢查、更換(5)採(cǎi)用OPEN JOINT系統(tǒng)(6)增加建築物的美觀(7)縮短工期，不需特別專業(yè)工人，因?yàn)榭墒孪仍诠S鑽孔，組合及配裝(8)可計(jì)算出每一單點(diǎn)受力的最佳狀況，不受設(shè)計(jì)上的限制四、實(shí)驗(yàn)計(jì)畫本實(shí)驗(yàn)的目的主要是在探討PC預(yù)鑄板使用石材面貼材時(shí)，應(yīng)用背孔螺栓其拉拔強(qiáng)度是否足夠。因此，本研究所設(shè)計(jì)之模組，除了廠商提供之墊片外，另外也作了7組實(shí)驗(yàn)?zāi)＝M，以作為對(duì)照之用。1.實(shí)驗(yàn)相關(guān)規(guī)範(fàn)概述本研究實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所採(cǎi)用之

9、材料相關(guān)規(guī)範(fàn)如表2所示：表2 實(shí)驗(yàn)相關(guān)材料規(guī)範(fàn)材料種類項(xiàng)目CNSJISASTM石材石材分類6300 A1028A5003C615混凝土卜特蘭水泥61 R2001C91建築用砂387 A2003細(xì)粒料比重及吸水率試驗(yàn)法487 A3006粗粒料比重及吸水率試驗(yàn)法488 A3007混凝土配比設(shè)計(jì)準(zhǔn)則12891 A1045混凝土圓柱試體抗壓強(qiáng)度之檢驗(yàn)法1232 A30452.實(shí)驗(yàn)流程圖4 PC預(yù)鑄板石材拉拔試驗(yàn)流程3.實(shí)驗(yàn)方法(1)結(jié)構(gòu)體的採(cǎi)用本實(shí)驗(yàn)採(cǎi)用4300psi（300/2）的混凝土為底材。(2)混凝土配比本實(shí)驗(yàn)所採(cǎi)用之混凝土配比，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度、水灰比及各材料之重量如表3所示。表3 拉拔試驗(yàn)混凝土

10、配比表項(xiàng)目數(shù)值設(shè)計(jì)強(qiáng)度300kg/cm2設(shè)計(jì)需要強(qiáng)度345 kg/cm2取樣試體26個(gè)水灰比0.448設(shè)計(jì)配合比例（水泥：砂：石）1：1.78：2.50用水量29.12水泥量65.00粗骨材162.50細(xì)骨材115.70鋼纖維20.80附加劑無(wú)總量393.12公路局：(3)實(shí)驗(yàn)用各種墊片尺寸本實(shí)驗(yàn)所採(cǎi)用之墊片，除了考慮到取得容易外，也考慮其強(qiáng)度，採(cǎi)用市面上現(xiàn)有之墊片是為了降低成本，另外配合廠商自行研發(fā)之墊片作一對(duì)照用。本實(shí)驗(yàn)採(cǎi)用市面上之墊片加廠商自行研發(fā)之螺旋墊片總共4種，其墊片尺寸規(guī)格如下說(shuō)明：(A)無(wú)加工之墊片尺寸如下：內(nèi)徑：1.70外徑：3.80內(nèi)徑：1.30外徑：3.20內(nèi)徑：1.00

11、外徑：2.60（B）有加工之墊片尺寸如下：4.實(shí)驗(yàn)?zāi)＝M經(jīng)由上述各墊片，本實(shí)驗(yàn)將其搭配成各種模組進(jìn)行試驗(yàn)，各模組樣式、尺寸及搭配方式說(shuō)明如下：(1)未加工之墊片模組(A)樣式石板尺寸為10×10×3，墊片最大尺寸3.8(B)樣式石板尺寸為10×10×2，墊片最大尺寸3.2（C）樣式石板尺寸為10×10×3，墊片最大尺寸2.6(2)有加工之墊片模組石板尺寸為10×10×2、10×10×3，螺旋墊片尺寸3.47五、實(shí)驗(yàn)成果1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(A)未加工之墊片（A樣式）試樣編號(hào)12平均值最大荷重（kgf）97

12、910501014.5(B)未加工之墊片（B樣式）試樣編號(hào)123平均值最大荷重（kgf）736818995849.7(C)未加工之墊片（C樣式）試樣編號(hào)123平均值最大荷重（kgf）591697628638.7(D)有加工之墊片（石板厚度3）試樣編號(hào)123平均值最大荷重（kgf）1108732896912(E)有加工之墊片（石板厚度2）試樣編號(hào)12平均值最大荷重（kgf）1030917973.52.實(shí)驗(yàn)成果分析(A)墊片與拉拔強(qiáng)度間之關(guān)係3.83.47由上述結(jié)果可知拉拔強(qiáng)度的大小與其墊片大小及墊片與石板間之距離有關(guān)，而與其加工形式無(wú)關(guān)，例如無(wú)任何加工之墊片其墊片直徑約3.8時(shí)，其拉拔強(qiáng)度平均為

13、1014.5kgf；有加工之墊片其墊片直徑約3.47時(shí)，其拉拔強(qiáng)度平均為912 kgf及973.5kgf。因此，當(dāng)墊片尺寸愈大時(shí)，其拉拔強(qiáng)度將更大，但基於安全上的考量，本研究建議其值約在1000kgf上下最為妥當(dāng)，目前這兩種墊片皆符合設(shè)計(jì)需求。另外經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知墊片尺寸與拉拔強(qiáng)度之關(guān)係曲線如圖5所示圖5 墊片尺寸與拉拔強(qiáng)度之關(guān)係曲線(B)石材厚度與拉拔強(qiáng)度之關(guān)係3厚2厚由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，石板的厚度與其拉拔強(qiáng)度無(wú)關(guān)，因此施工時(shí)石板的厚度可變薄，以節(jié)省材料成本。(C)石材與拉拔強(qiáng)度關(guān)係由圖上可知其破壞處為石材，且強(qiáng)度約為1050kgf，因此與拉拔力約在同一強(qiáng)度，這也是本研究所希望得到的結(jié)果，因

14、為我們不希望任何一方先破壞，或兩者破壞強(qiáng)度相差太大，這是基於安全上及成本上之考量，所以此設(shè)計(jì)方式，符合要求。六、綜合結(jié)論經(jīng)由上述探討可得到以下結(jié)論（1）PC預(yù)鑄板外貼石材所使用之固定繫件背孔螺栓配合墊片，其與混凝土間之握裹力強(qiáng)度與所使用之墊片大小及背孔螺栓螺桿長(zhǎng)有關(guān)，如以目前之螺桿長(zhǎng)度搭配墊片其強(qiáng)度已足夠，但未來(lái)如果加長(zhǎng)螺桿將使?jié)仓没炷習(xí)r骨材更易深入石材與墊片間，除了增加施工性外也可增加強(qiáng)度，但必須減小墊片之尺寸，以避免造成強(qiáng)度過(guò)大之情形發(fā)生。（2）減少石板厚度，經(jīng)過(guò)3與2石材之拉拔試驗(yàn)結(jié)果，其兩者間並無(wú)太大差異，因此，拉拔強(qiáng)度與石材之厚度並無(wú)關(guān)聯(lián)，甚至可使用更薄之石板，但必須同時(shí)搭配背孔螺栓才可使用較薄之石板，代替原先之3板。（3）此背孔螺栓搭配墊片之固定方式平均