☆ 房性中 ☆
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一、時 間：91年8月20日(09：00∼15：00) 二、地 點：台北市科技大樓6樓會議室607室 三、主 題：石材帷幕牆之施工技術及耐震性試驗 四、主 講 人：橋本 敏男(日本建材試驗中心中央試驗所、構造群組負責人) 五、執行單位：財團法人石材工會發展中心 六、資料提供：財團法人石材工會發展中心 |
此回研討會，事實上，我是以非結構性建材的耐震性能試驗實施者的立場，以我所見聞的試驗，對「對於石材帷幕牆之施工技術及耐震性試驗」做一介紹。 |
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一、石材帷幕牆之施工技術 (一)石材建築用石材是用來裝飾、保護建築物軀體。在建築物使用期間，石材的外觀不能毀損，不能脫落，更而要求的性能為容易安裝及維修。因此，於表1中列出了滿足這些特性要求的一些性質。用於帷幕牆的石材，外牆多使用花崗岩、安山岩等耐久性材料，內牆多使用大理石、蛇紋石等色彩、模樣多樣性及富於變化的材料。但是，因為石材的物性會隨著種類、礦源的不同及尺寸大小的不同而有極大的差異，所以設計時的容許使用應力，希望以實驗來加以確認。又，使用公訂的物性數值時，因為採掘礦區的不同，所訂的值會乘上(3/4)的降低係數。  (二)施工方法石材帷幕牆的施工方法，分別有使用砂漿的濕式工法及不使用砂漿的乾式工法。以下便做一概要性介紹。 1.濕式工法 濕式工法是安裝金屬與石材緊結後，石材與建築物軀體之間充填砂漿，將石材與建築物軀體形成一體化。濕式工法於地震時，建築物軀體的移動難以追從，所以這種施工法多使用於剛硬構造(層間變位1/500以下程度)且僅用於小規模之中低層建築物(10公尺以下)。又，依照濕式工法的砂漿填充方式，濕式工法又可分為全部填塞工法、局部填塞工法及空積工法。 (1)全部填塞工法：建築物軀體的面積及石材的背面之間有4cm程度以砂漿填充，錨釘是打入建築物軀體，掛件金屬是安裝在石材上，上下石材之間以double pin接合，之後再灌入填充砂漿使建築物軀體與石材成一體的工法。這種工法，砂漿是分多次填充，所以砂漿的粘著性很有問題。最近有新規定，每隔3公尺以內，由建築物軀體延伸出去的L型掛件，必須呈載石材的重量。又，使用的石材厚度最少要25mm以上，希望是30cm以上。 (2)局部填塞工法：不像全部填塞工法以砂漿充填全部的石材背面，只有在石材上下的橫方向，也就是在金屬掛件部分，上下100mm程度，帶狀式範圍充填砂漿，其他空間則不充填砂漿。兵庫縣南部地震時，此種工法的損害最大，因此現在多不採用這種工法。 (3)空積工法：安裝金屬物件的周圍以超速硬性水泥砂漿包覆，其他空間則不充填砂漿。高度在4公尺以下的內壁牆多採用此種工法。又，此種工法採用石材厚度在25mm以上，一塊石板的面積在0.8m2以下。 2.乾式工法 乾式工法有兩種工法：一種是將單片石材以金屬掛件直接固定在建築物軀體的石材張貼工法。另一種工法，是以不銹剛連接掛件將石板並排安裝，以補強用篩網狀筋為配筋，再以混凝土填鑄、養生的石材預鑄PC板工法。前者，為近年急速擴大使用的工法。 (1)乾式石材張貼工法：此法與濕施式工法不同，完全不採用充填砂漿，而是以錨定螺栓、金屬墊片等安裝掛件將石板固定在建築物軀體。乾式石材張貼工法的石板會隨著建築物軀體產生變形，因此在轉角等部位所使用的材料之可移動性要非常注意要求。本工法所使用的石材，厚度要在30mm以上，寬度要120mm以下，長度要800mm以下，面積要1m2以下。石材室依靠金屬掛件支撐，因此稍有裂縫產生，它的破片就會掉落而產生危險。為了提高石材的耐衝擊性，石材的背面以玻璃纖維，或者是乙烯樹脂纖維織布，以環養樹脂、聚脂樹脂黏結劑黏貼。據已經發表的報告顯示，經過上述處理的石板，其耐衝擊性可以提高1.5∼2.0倍。全國建築石材工業會，將此工法的適用範圍限定為：「高度30公尺以下的鐵筋混凝土造及鐵骨鐵筋混凝土造的外牆，高度在16公尺以下的部分石材以locking方式施工的場合」。最近，ALC帷幕牆及押出成型混凝土帷幕牆採用的場合也有。 (2)石材預鑄PC板工法：石材預先在工廠施工成PC預鑄板，成為帷幕牆的構造材料。因為此種工法可以縮短工期，安全性也可以提高，所以很多的高層建物或是柔性建物都採用此種工法。石材預鑄PC板，石材與混凝土的漲縮有差異，兩者的附著性不是很好，因此石材要用金屬件加以固定。因此，此工法比乾式石材張貼工法所使用的金屬件要多。固定金屬件已經成為多樣化在發展。 石材預鑄PC板的重量太重為其缺點，最近改用輕量混凝土，及開發使用金屬框架來安裝石材。本工法使用的石材厚度多為25∼40mm，石材的面積0.8m2以下。 (三)安裝金屬件 安裝金屬件是用來固定石材於建築物軀體。安裝金屬件依施工方法及變形吸收機能等不同而有不同式樣。圖1∼圖3所顯示的為施工方法別的代表例。 1.濕式工法安裝金屬件有double pin、插銷、承載金屬件、拉引金屬件。其中，double pin、插銷與乾式工法安裝金屬件相同。承載金屬件為angle(角鐵)狀，尺寸及斷面的大小，由所支撐的石材重量來決定。拉引金屬件為直徑3.2∼4.0mm的不銹鋼製品。 2.乾式石材張貼工法所使用的安裝金屬件有一次角鐵、二次plate、double pin、插銷、錨掛件、連結掛件。必須確保對石材重量、慣性力、及風壓力等外力的安全性。為提高耐久性的問題，希望能採用不銹鋼製品。 3.石材預鑄PC板工法所使用的安裝金屬件有安裝於軀體金屬件、安裝於預鑄板之金屬件、連結用金屬件、調整用金屬件、接合用連結掛件等。為了防止生銹，安裝金屬件會有事先做鍍鉛防銹處理。安裝於軀體金屬件是安裝於建物的樑，安裝於預鑄板之金屬件是預先在工廠就埋在PC板內。連結用金屬件是用來連接軀體金屬件及預鑄板之金屬件。為了吸收軀體及施工誤差，連結掛件設計有可供移動大螺栓孔。為了減少連結用金屬件與安裝於預鑄板之金屬件之間移動時產生的摩擦力，會插入不銹剛片或氟素樹脂片；因此，地震時就不會拘束PC板的移動，可充分發揮本來的層間變位追蹤機能。用來減低摩擦力的材料也具有防止生銹的功能。 (四)接縫 1.濕式工法的全部填塞工法的接縫：石材往上連續張貼石，上方石材的本身重量不會被最下段的石材承受，依此來設計3公尺以內的承載金屬件，此部份即是作為伸縮調整的接縫。其他的接縫寬度設為6∼12mm。空積工法的接縫，一般是採用睡眠態(接縫處為突出狀態)接縫。 2.乾式石材張貼工法的接縫：依照石材層間變位追蹤方式，此種工法的接縫有兩種，根部接縫及破裂接縫。前者適用於鎖定式，後者適用於拖曳式。鎖定式的縱方向移動接縫較大，拖曳式的橫方向移動接縫較大。接縫寬度的大小，以石材相互間移動時，不會發生碰撞為原則，一般式設定在8∼10mm之間。 3.石材預鑄PC板工法的接縫：設計的考慮點為，地震時，石材預鑄PC板的晃動，石材預鑄PC板相互間及其他部位的衝撞，來決定接縫的寬度。特別在拖曳式的場合，角落部位的PC板若有接縫，比一般部位的接縫要來的寬。但是，接縫處的止水問題及PC板的施工性也都要列入考慮。又，不必考慮石材間的接縫寬度，接縫部位的舉動，6∼8mm的寬度要確保。 (五)乾式工法與濕式工法的比較 乾式工法與濕式工法的一般特徵比較，顯示於表2。
地震時，為了應變帷幕牆的層間變位，必須設計能吸收變位的緩衝材料，對石材及鑲板的安裝部分可移動性設計也需加以考慮。在此，介紹四種基本的思考方式： 1.固定方式：為了讓帷幕牆可以固定於軀體上，鑲板周邊的緩衝設計及空間設計，應該想辦法設計成可以應變層間變位。 2.面內變形應變方式：使用鋁擠型材當部材時，面內剛性比較小，容易產生面內變形。以安裝固定方式，依主構成材料變形來應變層間變位。但是，全部的材料不可能都隨著變形，針對不可能變形的材料，固定方式及緩衝空間都必須確保。 
3.圖4a顯示鑲板，不管是上端固定或是下端固定，另一端便可以於水平方向進行滑動。帷幕牆在地震時產生層間變位，便可以在面內方向隨之移動。在角落的部分，X、Y兩構面鑲板若同時使用上述方法位移，有可能造衝突。因此，位於角落的鑲板需要非常注意緩衝空間的設計，又位於角落的材料多使用鎖住方法加以固定。4.圖4b顯示鎖住固定法用來應對層間變位，鑲板的下端中央，及下端左右兩端部分為迴轉中心，當發生層間變位，鑲板便以迴轉方式應變。此時，上端的安裝金屬物，成上下方向可滑動的組合。這就是本方法應對層間變位的機能，期待會有更高的應變性能開發出來。 二、地震與地震災害 (一)地震與地震動1.地震動的強度 地球的表面被七大板塊覆蓋。這些板塊少許移動，相互壓縮，內部的變形便會慢慢累積，到一定程度後，便會造成激烈的破壞。這種破壞叫做斷層。此時，破壞能量從斷層處以氣的型態釋放出來。上述即為地震機構(mechanism)。由於地震而釋放出來的能量，會以地震波型態傳播，而使地盤及地表上的建築物產生搖晃。這種搖晃就稱做地震動。圖5顯示，地震的特性是由下列五項來決定：最大加速度、斷續時間、周波數特性、包絡曲線的形狀。這其中的最大加速度是地震動的指標。最大地動加速度的代表為1940年的imperial山谷地震(el santoro)326 Gal，1993年的釧路沖地震919Gal，眾多死傷者的1995年兵庫縣南部地震818 Gal。1978年的宮城沖地震(最大地動加速度294 Gal)，東北大學的9樓觀測到1000 Gal。 2.地震動的週期特性 
地震動的週期特性，與震源的距離及地點地盤的性狀會有極大的變化。週期特性是由地震動的波形中所含的週期波較多者來決定。在地震波形所含有的週期成分中，佔有特別大的比率的週期成分叫做卓越週期。建築物固有的週期和地震動週期一致時，建築物會陷入共震狀態，產生劇烈搖晃。因此，建築物及建築地點最好事先調查地盤的卓越週期。地盤的卓越週期，計量常時微動，以傳立葉解析求得。軟弱地盤的卓越週期長，相同的軟弱地盤，地盤厚度越厚，地盤的卓越週期就越長。軟弱地盤卓越週期為0.8秒，硬質地盤的卓越週期為0.4秒。el santoro地震波的卓越週期0.5秒、1秒、3秒附近都有，釧路沖地震波的卓越週期為0.3秒∼0.8秒，兵庫縣南部地震波的卓越週期為0.8∼1.0秒。(二)建築物的搖晃 建築物的震動特性，以質量及彈性所決定的固有週期為代表。建築物一質點的固有週期和地震波用來解析震動，可以求得變位、速度、加速度等相關答案的最大值。甚者，以此種作業來整理各種地震波，可以得到如圖6所顯示的地震應答spectrum圖。參看應答加速度圖，和中低建築物的1秒比較起來，高層、超高層的2秒，就能了解只有很小的差異。所以，在地震國的日本，超高層建築物是有可能，就是依據此理由。應答spectrum的特徵總結為以下四點：  2.地震的速度spectrum：長週期的範圍，速度大致上呈一定值傾向。此意味著，地震釋放大量、長週期的能量，大體上是為定值。 3.地震的變位spectrum：有週期越長，變位越大的傾向。所以，週期長的地震傳向高層、超高層建築物頂部所造成的水平變位會比週期短的地震所造成的中低層建築物頂部的水平變位來得大，且會緩慢搖晃。 4.減衰定數(h)的值愈大，spectrum值就會隨著減少。 (三)地震傷害 張貼石材帳牆的地震傷害案件，以包含在PC帷幕牆內的傷害報告案件很多，但是單獨張貼石材帳牆的傷害報告極少。在此，便舉幾個與張貼石材帳牆相關的PC帷幕牆為中心做介紹。 1.PC帷幕牆 (1)1978年的宮城沖地震(M7.4)，以鐵鼓骨建造的四層店舖的外牆所使用的PC板脫落，壓倒正下方的乘用車輛。這是在日本，第一次有關PC板在地震時脫落的事件。接著，1995年兵庫縣南部地震(M7.2)時，有六件部材脫落的事件被確認。這種時機，PC板脫落的模式，敘述如下： (2)除了脫落以外，下述現象在很多建築物都可以看得到。 以上就是非構造部材產生重大損傷的建築物，因為地震力超過設計標準要求，軀體巨大變形；層間變位的力量超過安裝金屬物所能吸收範圍；以及安裝金屬物的機能被阻礙以致吸收變形能力降低；而產生種種危害之原因。 2.張貼石材帳牆 鐵骨建造及鋼筋混凝土建造的建築物1樓部份以濕式工法張貼之石材帳牆脫落及破裂數量很多。其中大半是因為層間變位產生迴轉，和床面產生衝突而受傷。 三、耐震安全性及耐震設計 (一)耐震安全性的目標依據日本建築學會的「非構造部材的耐震設計指標、解說及耐震設計、施工要領」，耐震安全性的目標，規範如下： 1.大地震時，非構造部材的破壞或變形，不能直接或間接危害人的生命及身體。遇地震災害時，建築物的社會重要機能必須確保。(必須預先設定建築物在耐用年限中，有可能遭遇大地震。標準剪切力係數Co為1.0，地動的最大加速度為300∼400cm/sec2) 2.中地震時，非構造部材的損壞及變形，不能直接或間接地使建築物的機能變差。如此，非構造部材的損壞及變形，也不需要花費很多錢去整修。(在此，中地震的設定建築物在耐用年限中，有可能遭遇大地震，標準剪切力係數Co為0.2，地動的最大加速度為80∼100cm/sec2) (二)耐震設計 1.對於慣性力之檢討 「建築工事標準仕樣書，同解說JASS14帷幕牆工事(日本建築學會)」中，對慣性力有以下之設定： (1)大地震時之慣性力 在設計構造體，考慮地震動之上下動時 在設計構造體，不考慮地動之上下動時 上述的設計震度是應用於鑲板吊掛時，本身重量的慣性力。針對此慣性力，來設計鐵板及固定件所使用的材料的短期容許應力度。 (2)中地震時，設計用水平震度KH=0.5用來計算鑲板的本身重量在中地震時的慣性力，以此來設計鑲板產生裂縫的最大容許值。最大容許裂縫的寬度，無開口鑲板為0.2mm，開口鑲板為0.1mm。再者，在固定件以摩擦接合場合時，鬆動的固定件的容許摩擦力應設計為慣性力無法使鑲板移動。 2.對於層間變形角之檢討 上述的JASS14帷幕牆工事，對於PC帷幕牆的層間變形角的破壞程度區分為如表3之設定，此種水準有必要施行來確保。換言之，大地震時，對強制層間變形角，以固定件來應變，就不會發生鑲板脫落的事件了。以及，於中地震時，對強制層間變形角，固定件非得有能平順應變之性能才行。 表4顯示，各種大、中地震時的層間變形角的基準參考值。  1.設計上的注意點 (1)設定耐震設計用慣性力。 (2)製造及搬運的方法要確定。 (3)全體帳牆部材的舉動要確認。 (4)確認建築物的外牆重量是在構造計算值以下。 (5)決定能符合安裝精度、強度、層間變位應變能力的安裝金屬物件。 (6)經由計算來確認PC板的強度、決定部材斷面及配筋。 (7)在PC板安裝時及地震時，軀體的變形(撓曲、扭曲)必須確認是在容許值之內。 2.施工上的注意點 (1)確認安裝於軀體金屬物之形狀、尺寸、位置、間隔等之錨定計劃。特別是在RC造的建築物，於混凝土澆注前，金屬錨定的安裝狀態必須確認。 (2)連結PC板及軀體的金屬安裝物的機能必須十分了解，施工誤差吸收方法必須確認。安裝的anchor、plate、bolt、底座、部材預先安裝的anchor bolt等的尺寸、厚度、孔位置等都必須確認。 (3)確認：吊裝PC板的揚重機的機種、最大揚重能力、捲上速度、迴旋範圍。 (4)確認PC板的位置精準度。確認slide ball的安裝螺栓位置在施工容許誤差以內。確認：部材之間的接縫、容許應變層間變位的接縫寬度、使用能確保接縫性能之接縫材料(2次水密襯墊，耐火接縫等)。 四、實體大小的石材帳牆的耐震性能試驗 (一)接合部分的強度試驗以下的試驗，是對接合部分在慣性力作用下的安全性調查。 1.合釘板(dowel)的固定耐力試驗 本試驗如圖7所示，將石材固定於試驗裝置，合板釘以加利用jig，在垂直方向連續施加荷重力，直到石材破裂為止。然後紀錄最大荷重立及破壞性狀。試驗體為工地所使用之石材，表面處理過並烘乾。試體大小為250×250×石材的厚度d(mm)。試驗體的個數，依照試驗體的種類，表面載荷用及被面載荷用，各準備5個以上。又，用來試驗的合板釘及填充合板釘穴的材料和形狀，要與施工現場相同，施工樣式也比需一樣。 2.石材預先壓鑄混凝土用的finishing connector的固定耐力試驗 本試驗如圖8所示，將石材固定於試驗裝置，以混凝土為接著劑把jig固定後，在垂直及水平方向連續施加復合荷重力，直到石材破裂為止。然後紀錄最大荷重力及破壞性狀。試驗體為工地所使用之石材，表面處理過並烘乾。試體大小為150×150×石材的厚度d(mm)。試驗體的個數，依照試驗體的種類，各準備5個以上。用來試驗的finishing connector及接著劑的材料，要與施工現場相同。石材背面的設計有絕緣層時，澆鑄混凝土於絕緣層。當石材背面的設計有絕緣層時，finishing connector的固定耐力試驗也需測試。  
3.石材預先壓鑄混凝土用的軀體安裝金屬物的耐力試驗本試驗如圖9所示，將埋設安裝軀體金屬物的PC板固定於試驗裝置，以jig在垂直及水平方向連續施加復合荷重力，直到石材破裂為止。然後紀錄最大荷重力及破壞性狀。試驗體為與工地所使用相同調和、養生處理過之軀體安裝金屬物埋設在裡面的混凝土板。試體大小1000×1000×PC板的厚度d(mm)。試驗體的個數，依照試驗體的種類，各準備3個以上。用來試驗的finishing connector及接著劑的材料，要與施工現場相同。石材背面的設計有絕緣層時，澆鑄混凝土於絕緣層。當石材背面的設計有絕緣層時，finishing connector的固定耐力試驗也需測試。 (二)動態變形能試驗 本試驗如圖10所示，試驗體依照實際施工方法安裝完成後，模擬地震的搖晃，以正弦波形(參照圖11)對試驗體進行強制水平變位移動；然後觀察構成材及安裝部位的損傷脫落情形。同時，也觀察試驗體的層間變位應變性能。試驗方法如附件1「非耐力牆之面內折斷彎曲移動變形能試驗方法(JSTM J2001：1998)」，「以乾式工法張貼之石材帳牆」及「以石材預鑄PC板工法施工之帳牆」的動態變形能試驗結果介紹為參考。 1.以乾式工法張貼之石材帳牆 試驗試體，以鋼架組合成模擬軀體，尺寸600×800×20mm的石材20片，以hook bolt等之安裝金屬件，把內裝石材貼掛於帳牆上，帳牆的一端設有『入リ隅上部』。 試驗，第1階段以1/300rad(加振震動數f=3.0Hz)、第2階段以1/200rad(f=3.0Hz)、第3階段以1/150rad(f=3.0Hz)、第4階段以1/120rad(f=3.0Hz)、第5階段以1/100rad(f=3.0Hz)、第6階段以1/75rad(f=3.0Hz)、第7階段以1/50rad(f=3.0Hz)來施行變形能震動試驗。其結果，試驗試體的目標層間變形角1/200為止的加振，都不會發生石材移動及勾型螺栓(hook bolt)的鬆動等異狀。1/150的加振時，承受自身重量的石材開始有裂痕產生。1/120的加振時，石材缺角開始發生。1/100的加振時，在勾型螺栓(hook bolt)部位的石材開始有裂痕產生。1/75的加振時，勾型螺栓(hook bolt)破斷。1/50的加振時『入リ隅上部』石材大塊破裂。 以上的試驗，是用來確認，中地震時，對於層間變形1/200，在機能上沒有異狀發生。又，大地震時，對於層間變形1/100，只有石材輕微破裂發生，構成部材無脫落現象。那就可以說，具有十分耐震安全性。   試驗試體，以H型鋼組合成模擬軀體，有開口部的PC板(3975×3175×250mm)在加振方向及垂直方向各配置1塊，在角落部位配置角落鑲板(330×330×1990×160mm)配置成立體構面。 試驗，第1階段以±1/300rad、第2階段以±1/100rad，實施靜態變形能試驗。之後，目標變形角±1/100rad、加振震動數0.017Hz，以正弦波形重複操作3回，實施動態變形能試驗。其結果，PC板和鎖定件的位移、鬆脫，PC板和角落鑲板的位移、接合處產生裂縫、部材落下等都沒有發生。本試驗的層間變位應變性能設計條件(1)1/300rad時，接合處產生裂縫等支障沒有發生，(2)1/100rad時，部材的脫落、破損等沒有發生。若作以上的設計試驗時，以本試驗的設計條件而言，便可以說是具有十分耐震安全性。 (三)其他必要的試驗 1.彎曲試驗 本試驗，如圖12所顯示，試驗試體的span為200mm，2等分1線荷重方式，連續加載彎曲荷重，直到試驗試體斷裂，測量撓曲強度。石材試體和工地所使用的石材相同，乾燥後測試。試體尺寸100×300×石材厚度d(mm)。試驗數量為5個。
3.水密試驗水密試驗，如圖14所顯示，試驗裝置是由試驗試體、壓力箱、水噴霧裝置、送風機、壓力調節機、脈動發生裝置、壓力測定器所組成。試驗試體的室內面，全面以每分鐘4L/m2的水量均等噴霧。同時，以平均壓力(49.0、147.0、245.0、392.0、539.0、735.0、980.0、1225.01568.0 Pa)為中心、週期2秒正弦波的脈動壓力，10分鐘內加壓，1分鐘內減壓，依順序施行。觀察試驗體是否從室內側漏水。 4.耐風壓試驗 耐風壓試驗，如圖15所顯示，由試驗試體及耐風壓試驗機構城壓力箱。壓力箱以空氣加壓或減壓，造成試驗試體的正壓或負壓荷載，其目的為確認對風壓力的安全性。荷載壓力試驗有兩種：階段性靜風壓及階段性脈動風壓。階段性靜風壓是在檢測試體的主要點變形及確認應力定量數值。階段性脈動風壓是在觀察試體的疲勞及撥音異常點之有無。
7.地震と建築：大崎順彥。 8.JIS A 1414建築用構成材(パネル)及びその構造部材の性能試驗法：日本規格協會發行。 9.建材試驗情報1991 VOL.27「非耐力壁の動的變形能試驗」：(財)建材試驗セソタㄧ。 10.建材試驗情報1992 VOL.28「複合カㄧテソウォㄧルの對衝擊試驗」：(財)建材試驗セソタㄧ。 |
