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 |   技師報於85年11月18日土木日創刊 新聞局出版事業登記證局版省報字第48號 | |||
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| 混凝土錨栓應用 賴映宇 結構技師 前言 台灣建築結構採用混凝土的比例較高，建築結構中有許多附屬結構或設備需依附在主體結構，在工程進行中，附屬結構及設備的進場時程較晚，若在規劃階段未有及早協調，事先預留附屬結構或設備使用之固定鐵件，就需要仰賴後置式膨脹螺栓或是化學螺栓將附屬設備與主體結構做連結。 國內設計後置式錨栓主要依據：內政部頒布之「結構混凝土設計規範」附篇D、ETAG、PCI Design Handbook三種設計規範\手冊，以下分別探討此三種設計方式之差異。 設計規範 1.結構混凝土設計規範（土木401-100） 內政部於民國100年7月1日頒布之最新「結構混凝土設計規範」（本文以「土木401-100」簡稱之），對於錨栓應用設計方式做了大幅度的修改，然內容主要係延續美國混凝土協會ACI（American Concrete Institute）發佈之結構混凝土設計規範附篇D規定。 2.ETAG 歐洲針對應用於混凝土中之金屬錨栓亦有推行技術設計規範ETAG，國內常用之喜利得固定技術手冊，其設計方法SOFA （Solution for Fastening）即是由ETAG規範演化而得。 3. PCI Design Handbook（PCI-6TH） 美國預鑄預力混凝土協會Precast/Prestressed Concrete Institute於2004年推行第六版之PCI Design Handbook（本文以「PCI-6TH」簡稱之），第六章接合設計雖針對預埋式剪力釘（STUD）所撰寫，然對於此種安裝於混凝土結構中之金屬錨栓，ACI 318規範與PCI Design Handbook多有相互參考，故同樣具有應用價值。 設計載重 混凝土結構應用「強度設計法」已有30餘年，強度設計法是以各種設計使用載重乘上對應之載重因數與構材之計算強度乘上強度折減因數做一比較，前者不應超過後者。各規範規定之設計載重組合如下表所列。
D為靜載重、L為活載重、W為風力載重、E為地震力載重 ETAG規定永久載重及變異載重之載重因子分別為1.35及1.5，上表係直接將此一載重因子比照土木401-100 / PCI-6TH規範之載重組合加乘。 拉力強度 錨栓埋設於混凝土中承受拉力作用，破壞模式大抵為鋼材破壞（Steel Failure）、混凝土拉破破壞（Breakout / Concrete cone Failure）、拔出破壞（Pullout Failure）、劈裂破壞（Splitting Failure）／側面脹破（Side-Face Blowout），以下將三種設計規範針對拉力強度之敘述整理比較如下，其中假設錨栓為韌性鋼材，混凝土破壞面有輔助鋼筋通過，混凝土構材經分析不會開裂，且為高可靠度安裝。 1.鋼材拉力強度（Steel Failure） 由上表知，三種規範除安全係數略有差異外，對於鋼材拉力破壞之檢核式相同。 2.混凝土拉破破壞（Breakout / Concrete Cone Failure） 三種規範針對錨栓群拉力強度檢核式相同，皆是自最外側錨栓中心延伸1.5倍螺栓埋深所得之錨栓群投影面積除以單根錨栓在相同埋深下所得之拉力投影面積，作為比例放大。 除去預埋式與後製式的差異，基本混凝土拉破強度三者皆相同。 三種規範偏心及邊距效應修正定義相同，開裂修正PCI-6TH修正較多。劈裂修正係針對後製式錨栓，PCI-6TH主要探討預埋式剪力釘，因此未有規定相關修正因子。ETAG指明若錨栓埋深超過100mm或錨栓附近有配置D13@150mm鋼筋，則劈裂修正因子為1.0；401-100則不計入鋼筋貢獻，僅以安裝邊距作為修正要項。 總和而言，在相同設計條件狀況下，不計入劈裂修正所得出之混凝土拉破計算強度，三種設計方式所得結果相同，然計入強度折減因子（ETAG中為安全係數 3.拔出破壞（Pullout Failure） ETAG規範未有錨栓拔出破壞之參考計算式，而是明文規定須以實驗值檢核，401-100及PCI-6TH中雖亦有同樣的規定，但仍舊指定出一個拔出破壞的上限值。以上表所列，401-100與PCI-6TH在相同條件下（混凝土在設計載重作用下是否會開裂），設計拔出破壞上限數值相同，但401-100使用之單位為kgf而PCI-6TH使用之單位為lbf，兩者相差2.205倍。 401-100與PCI-6TH另有訂出彎鉤型錨栓拔出強度的上限，計算所得結果與上表所得結論相同，計算數值相同，但單位導致強度相差2.205倍。 4.劈裂破壞（Splitting Failure）／側面脹破（Side-Face Blowout） 在相同設計條件狀況下401-100與PCI-6TH設計側面脹破強度相同。401-100與PCI-6TH規範指出錨栓之混凝土側面脹破適用於預埋擴頭錨栓，後制式錨栓依據ACI 355.2研析，安裝時之劈裂比邊緣脹破更是控制因素，而ETAG規範採用拉破強度乘上邊距與埋深的影響係數 剪力強度 錨栓埋設於混凝土中承受剪力作用，破壞模式大抵為鋼材破壞（Steel Failure）、混凝土剪破破壞（Breakout / Concrete Edge Failure）、橇破破壞（Pryout Failure），以下將三種設計規範針對剪力強度之敘述整理比較如下，其中假設錨栓為韌性鋼材，混凝土破壞面有輔助鋼筋通過，混凝土構材經分析不會開裂，且為高可靠度安裝： 1.鋼材剪力強度（Steel Failure） 針對預埋式擴頭錨釘 401-100與PCI-6TH所得之鋼材剪力強度相同；而針對擴頭錨栓或彎鉤錨栓401-100與ETAG所得之鋼材剪力強度相同。 2.混凝土剪破破壞（Breakout / Concrete Edge Failure） 401-100與ETAG針對錨栓群剪破強度檢核式相同，皆是將錨栓群在混凝土基材最小邊距側之破壞面投影面積除以單根錨栓在相同邊距側下所得之破壞面投影面積，作為比例放大；PCI-6TH則細分為受力前端有限邊距(PCI-6TH 6.5.5.1)、角隅狀況(PCI-6TH 6.5.5.2)、側邊有限邊距(PCI-6TH 6.5.5.3)及無限邊距(PCI-6TH 6.5.7)四種狀況。 三種規範偏心及邊距效應修正定義相同，開裂修正PCI-6TH修正較多，401-100並未對受剪力作用下基材厚度進行修正，另兩個規範則有；此外ETAG還針對剪力施加方向有一修正係數。 3.橇破破壞（Pryout Failure） 401-100與ETAG針對橇破破壞檢核式相同，皆由混凝土拉破強度乘以一個係數轉換為橇破強度，但安全係數略有差異；而PCI-6TH則是針對較短的預埋剪力釘規定以6.5.7.1式檢核，此外大部分的狀況是由鋼材剪力破壞控制。 結論與建議 1. 以混凝土拉破破壞強度（breakout / concrete cone failure）而言，規範之計算式係將錨栓群拉力投影面積ANc除以單根錨栓在相同埋深下之拉力投影面積ANco作比例放大，然在有限邊界的狀況下，錨栓埋深越大，計算式之分母ANco亦越大，導致淺埋深反而有較高之拉破破壞強度，與物理直覺不符。 2. 承上點，規範如此定義混凝土拉破破壞強度應是不鼓勵於太過極端之有限邊界配置錨栓，但仍建議增加一個埋深與邊距的修正因子，使有限邊界的拉破破壞強度有一界限，埋深一旦超過，破壞強度即為定值，不隨深度減少。 3. 錨栓群剪破強度部分，401-100及ETAG規範將混凝土基材最小邊距側之破壞面投影面積除以單根錨栓在相同邊距側所得之破壞面投影面積，作為比例放大；然在基材厚度小於側邊邊距時，分子式錨栓群投影面積會較小，而分母式僅與邊距有關，在無限邊距的狀況下，若受力側前端邊距Ca1隨意假定，將導致分母式大小不定，且有邊距越大剪力強度越低的現象，與物理直覺不符。 4. 承上點，建議增加一個邊距修正因子，使無限邊界狀況下的剪破強度有一界限，受力側前端邊距若超過一定值，剪破強度就不再變動。 5. PCI-6TH在剪力破壞上較其他規範有更細微的分類，針對設計者而言，應用上較具彈性。 6. ETAG規範與401-100在拉力與剪力的定義上相似，然主要考量後置式錨栓的應用，安全係數的拿捏較為寬鬆。 參考文獻 [1] 中國土木水利工程學會（2011年7月）。混凝土工程設計規範與解說（土木401-100）。 [2] PCI Design Handbook（2004）.6th Edition, Precast/Prestressed Concrete Institute, Chicago. [3] Guideline for European Technical Approval of Metal Anchors for Use in Concrete（1997）, ETAG, EOTA. [4] 固定技術手冊09（2009）。喜利得。 |
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）後之設計強度，ETAG較其餘兩者小約35%（1.8 / 1.33 = 1.35）。
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