廠房之「金屬屋面板及牆面板」,是否可作為剪力牆抵抗地震力?

近日筆者代表技師公會,參加内政部建築研究所「鋼結構與鋼骨鋼筋混凝土建築物耐震能力初歩評估平台開發與應用」,研究案期中報告審査會議,從期中報告得知,該研究案將廠房之金屬牆面壁板納入抵抗地震力元件之一,並取金屬壁板之剪力強度Vmsi之計算如下:Vmsi=0.58fy.msTmsWms,其中,fy.ms為金屬壁板材料之降伏強度,Tms為金屬壁板厚,Wms為金屬壁板寛。如此將金屬壁板納入鋼結構廠房建築物耐震能力初歩評估之耐震元件是否恰當?又其力學行為否能符合耐震安全需求?値得商榷。

為免民衆冒著承受地震災損及危害生命安全的風險,及讓評估技師冒著被追訴評估不實的責任風險,特提出探討。不當之處尚請工程先進指正。

一般廠房結構之傳力系統,係先由牆面板將所受風力先傳至抗風柱,再由抗風柱將風力往上、下傳往屋面水平斜撑横膈板系統、及地面以下之基礎,然後將傳往屋面水平斜撑系統之力量,横向傳往二側之豎向斜撑系統,再往下傳回地面基礎。若將金屬屋面板及牆面壁板,作為屋頂横隔板及剪力牆使用,亦即,金屬屋面板作為「屋面水平斜撑系統」使用,金屬牆面壁板作為「豎向斜撑系統」使用。實務設計上,並無將金屬屋面板作為屋頂横隔板、及牆面壁板,作為剪力牆的設計法,況且其面内方向之力學行為與傳力路徑,均無法發揮剪力傳遞的效果,其主要理由可歸納如下:

1、 廠房之金屬屋面及牆面板;並非主要抗側力元件,其主要用途係作為排水及抗風壓需求,且為了節省金屬屋面及牆面板材料,其板厚通常甚薄,民間私有廠房建築使用之金屬屋面板及牆面壁板,厚度大約為0.4mm至0.5mm,較具規模之製造廠商所出産之金屬屋面板及牆面壁板産品厚度,則有從0.6mm至1.0mm者。因金屬屋面板及牆面壁板之厚度不大,致其平板之勁度及強度均不足,為達抗風壓需求,必須將其斷面形狀軋製成槽形或波浪形,以提高金屬屋面板及牆面板之面外勁度及強度。 另一方面為使雨水不致溢流入屋内,而必需有槽溝形狀以利排水,因此若將金屬屋面板作為屋頂横隔板、及牆面壁板作為剪力牆用途時,因這些金屬板均為薄板元件,當剪力作用方向為平行溝肋時,因波浪形斷面之腹板無上、下翼板來承受拉、壓力,致受拉側會像手風琴的風箱一樣,會因受拉而展直。受壓側亦會因壓縮變形而縮短;若剪力作用方向為垂直溝肋之走向時,因金屬板均為薄板元件且為波浪形斷面,承受剪力必會産生張力場作用,但因金屬屋面及牆面板為波浪形斷面,受拉時亦會像手風琴的風箱一樣而展直,因展直動作之變形量太大,勁度過低,無法形成張力場行為而無法受力。

2、 廠房之金屬屋面板及牆面板,在結構設計時完全未將其納入抵抗側力之結構系統,其上、下二端與廠房梁柱構架間,亦僅依頼二至三根自攻螺絲釘,與桁條梁或牆梁連接,金屬屋面板及牆面板螺絲釘孔邉邉距強度、及承壓強度,以及螺絲釘之剪力強度等,均不足以承受金屬屋面板及牆面板産生之張力場之拉力。

3、 金屬屋面及牆面板為波浪形斷面,受拉時除會像手風琴的風箱一樣而會有展直現象外,因唯一固定金屬屋面及牆面板的桿件,為桁條(purlin)及牆梁(girt),且固定金屬屋面板及牆面板抵抗張力場之張力,係作用於桁條及牆梁之弱軸方向,這些桁條及牆梁,一般均採用槽鋼或C型鋼,其弱軸方向之勁度與強度均甚低,很容易産生較大之撓度或變形,而無法承受張力場之拉力。甚至金屬屋面板及牆面板,均接在桁條及牆梁之外側(見照片1),金屬屋面板及牆面板,承受剪力産生之張力場拉力時,除會對桁條及牆梁産生弱軸向拉力外,亦會對桁條及牆梁産生扭力。且此等力量,最後係傳遞至牆梁或桁條二端之固定螺栓,此接合螺栓一般均採用小號數普通螺栓,難以固定張力場作用之拉力及扭力。

4、 因二片金屬屋面板或牆面板間之連接方式,部分使用自攻螺絲釘固定至桁條梁或牆梁,部分則為「按扣式接合夾」連接,不論採用何種方式連接,其抗剪能力均甚低。甚至通過構架梁或柱時,均無任何連接裝置,無法將剪力産生之傾倒力矩傳遞至横向梁、柱構架。因此無法産生張力場行為,最多僅能在構架産生側移後,使金屬屋面板或牆面板,産生達Tmsi=0.9fy.msTmsWms時之水平分力,但因側移達高度之2%時,Vmsi僅有Tmsi之水平分力(約1.1%),亦即Vmsi=0.01fy.msTmsWms。且尚須受桁條梁或牆梁,弱軸抗彎強度及扭轉強度,以及螺絲釘和桁條梁或牆梁端部接合螺栓等強度的控制。亦即表示「金屬屋面板或牆面板」,對耐震所能貢獻的強度,微乎其微,應予忽略。

5、 廠房之金屬屋面及牆面板上,常會開設採光通風窗及門窗,因此更難以形成張力場力學行為之模式。

結語

綜上探討,廠房結構設計實務上,金屬屋面板及牆面板,在結構設計時,完全未將其納入抵抗風力及地震力等側力之結構元件,且文獻資料亦均未見有將金屬屋面板及牆面板,作為側向力抵抗系統的元件的資料。另從力學傳力路徑觀之,亦無法形成完整有效之側向力抵抗系統的行為,且所有與桁條及牆梁之接合,都是偏在桁條及牆梁之外側而會産生扭轉效應,接合扣件又均為普通強度螺絲或螺栓。廠房之金屬屋面板及牆面板,也常會在長期使用後産生嚴重銹蝕(見照片2),或颱風時整面被掀開或吹掉的情形(見照片3),不但自身難保又如何能達Vmsi=0.58fy.msTmsWms之抗震強度?由以上探討:「金屬屋面板或牆面板」對耐震所能貢獻的強度,微乎其微,應予忽略。應以増設屋面水平斜撑系統、及牆面或内側之立面斜撑系統補強,才是正途。今「建築物耐震能力初歩評估方法研究案」,冒然將金屬屋面板及牆面板作為耐震元件,實不妥當,爰建議内政部建築研究所,對該研究案儘速研議修正。

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照片1 屋面板置於桁條之外側

 

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照片2 桁條銹蝕嚴重

 

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照片3 屋面板及牆面板受颱風吹掉

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