防倒 L 型鐵件直接鎖在石膏板上:板用錨栓從一支加到三支,拉拔力只多 8% 到 15%
想把櫃子固定在牆上防倒,牆卻是石膏板,剛好的位置又沒有柱子,最後常常是用板用錨栓把 L 型鐵件直接鎖在板上。日本建築學會 1999 年刊出的一份實驗把這種作法拿去拉:在 9.5 mm 石膏板上,錨栓從 1 支加到 3 支,最大拉拔力只從 32.5 kgf 變成 37.4 kgf,多 15%;換鋼製錨栓只多 8%。先壞的是石膏板,不是錨栓。作者給的實用值是三支錨栓的鐵件每個約 30 kgf。閱讀約 9 分鐘。
網友問的事
2013 年 2 月,日本「教えて!住まいの先生」(使用 Yahoo!知恵袋的系統與資料)有人發問:想幫家具做防倒, 但牆是石膏板,「剛好的位置沒有柱子」(原文:ちょうどいい所に柱がありません)。 他的打算是在牆面橫著釘兩三支木料,木料本身鎖進牆裡的柱子,再把防倒金具鎖在木料上,問這樣能不能補強。 補充說明裡他提到天花板是吊頂,頂天桿不太好用,所以想用 L 型金具或鋼索。
被選為最佳解答的是一位一級建築士:補強板要確實鎖進牆裡的下地材,石膏板牆裡一定有柱或間柱,間柱通常每 45.5 cm 一支,偶爾是 30.3 cm。 其他回答多半在講怎麼找柱子、用多長的螺絲鎖進去,也有一位非專家說用頂天桿就夠。
這些回答都在講怎麼找到下地、把木料鎖進下地,沒有人回答提問裡那個沒說出口的問題:如果真的找不到柱子,或柱子不在家具頂端的位置, 直接把鐵件用錨栓鎖在石膏板上,到底能撐多少? 找到柱子之後螺絲要多長,本站另一篇 石膏板兩層再打到柱子:40 mm 螺絲只吃進柱子約 10 mm,最大 102.5 kgf;換 70 mm 為 270 kgf 已經用實驗數據講過,這一篇只講柱子以外的部分:只靠板用錨栓的情況。
這份實驗怎麼做
阪神淡路大地震後,日本成立了「家具轉倒防止對策檢討委員會」,底下的實驗工作小組由東京大學生產技術研究所的中埜良昭主持。 1999 年刊在《日本建築學會技術報告集》的這篇報告,開頭先說推薦的作法是把家具頂端鎖到牆內的桟或新加的橫木上, 但現實裡常有鎖不到的情況,所以這次刻意把 L 型金具「直接鎖在牆的面材上」,量它能撐多少。
| 項目 | 條件 |
|---|---|
| 牆 | 集合住宅常見的乾式牆:45×36 木料骨架,面材二選一 |
| 面材 | 石膏板 9.5 mm(JIS A 6901),或化妝合板 4 mm |
| 鐵件 | 市售標準 L 型金具,腳長 90 mm、寬 18 mm、厚 2 mm,每腳 3 孔 |
| 錨栓 | 市售強化塑膠製擴張式錨栓、鋼製擴張式錨栓;石膏板用的比合板用的大 |
| 錨栓支數 | 1 支(最靠近折彎處的孔)或 3 支(三孔全用) |
| 試驗 | 垂直拉拔、反覆拉拔、斜向拉拔(約 17.7°)、剪力;每組 2 到 5 個試體 |
斜向拉拔的角度不是隨便選的:作者假設一個高 182 cm、深 58 cm 的衣櫃,櫃子往前倒時頂端繞著前下角轉, 對角線和牆面的夾角約 17.7°,鐵件受到的就是這個方向的拉力。 石膏板的厚度,英文摘要寫 9 mm,本文和試體圖都是 9.5 mm,本站照本文寫。
兩種錨栓都是空心牆用的:鎖螺絲時,錨栓在板子背面撐開,靠撐開的部分頂住板子背面。 實驗沒有寫產品名稱,所以下面的數字只能代表「那個年代市售的這兩類錨栓」,不能直接套到某一個型號上。
錨栓加到三支,石膏板上只多一成左右
先看最直接的問題:錨栓多鎖幾支,能撐多少。
| 面材 | 錨栓 | 1 支 | 3 支 | 3 支÷1 支 |
|---|---|---|---|---|
| 石膏板 9.5 mm | 塑膠製 | 32.5 | 37.4 | 1.15 |
| 石膏板 9.5 mm | 鋼製 | 30.0 | 32.3 | 1.08 |
| 合板 4 mm | 塑膠製 | 26.8 | 53.3 | 1.99 |
| 合板 4 mm | 鋼製 | 47.0 | 82.2 | 1.75 |
石膏板上,三支錨栓比一支只多 8% 到 15%。作者的話是本數增加帶來的耐力增加「不太能期待」。 同樣的鐵件換到只有 4 mm 的合板上,三支是一支的 1.75 到 1.99 倍。 合板比石膏板薄一半以上,同種錨栓三支相比,最大拉拔力卻是石膏板的 1.4 到 2.5 倍。
差別出在誰先壞。石膏板上,塑膠錨栓三支的試體最後是石膏板破壞;鋼製錨栓則是在最大值之後耐力掉得快, 作者的解釋是鋼製錨栓太硬,早早就把錨栓周圍的石膏板局部壓碎。 三支錨栓之間的荷重怎麼轉移,論文沒有量;它記下的是結果:石膏板上,錨栓多鎖兩支,最大值只多一成左右。
合板的情況不同:第一支錨栓還沒失去耐力之前,隔壁的錨栓就開始分擔,所以三支接近兩倍。 合板上的塑膠錨栓最後是連同螺絲一起被拔出,合板只有少許破損;鋼製錨栓則是合板破壞。
用 5 mm 當上限,每個鐵件約 30 kgf
最大拉拔力發生在多大的變形,各組不同;合板的最大值有些要拉到 8 mm 以上才出現。 作者認為這種大變形下的最大值不能拿來當實用耐力:錨栓拔出越多,家具和牆之間越鬆,家具搖晃時的動作會被放大。 所以他們把鐵件相對牆面的位移限制在 5 mm,看 5 mm 以內的最大荷重。
| 面材 | 錨栓 | 垂直拉拔 | 反覆拉拔 | 斜向拉拔 |
|---|---|---|---|---|
| 石膏板 9.5 mm | 塑膠製 | 36.2 | 40.0 | 32.8 |
| 石膏板 9.5 mm | 鋼製 | 32.3 | 32.6 | 32.1 |
| 合板 4 mm | 塑膠製 | 38.3 | 40.7 | 36.3 |
| 合板 4 mm | 鋼製 | 59.9 | 58.9 | 52.6 |
加上 5 mm 的限制後,石膏板和合板配塑膠錨栓的差距就幾乎不見了,四組裡有三組落在每個鐵件 32 到 38 kgf; 只有合板配鋼製錨栓約 60 kgf。斜向拉拔比垂直拉拔低,比值 0.89 到 0.99,論文的說法是降幅約在一成以內。 反覆拉拔的作法是先在 0 到 2 mm 之間來回兩次,再到 5 mm 來回兩次,之後拉到破壞;比較 5 mm 以內的最大值,反覆與單調差不多(比值 0.98 到 1.10)。
作者在結論裡收斂成一個數字:三支錨栓固定的 L 型金具,實用上的拉拔耐力可以假設為 30 kgf 左右(約 294 N,本站換算)。 這是每一個鐵件的值,家具頂端左右各鎖一個,就是兩個 30 kgf。
石膏板上,鋼製錨栓一過最大值就往下掉
看平均值,石膏板上兩種錨栓相差不到 4 kgf,但荷重和位移的曲線長得不一樣。 鋼製錨栓在石膏板上大約 1 mm 左右的位移就到最大值,之後耐力開始下降;反覆加載時下降得更明顯,作者用的詞是「顯著」。 塑膠錨栓在 5 mm 以內,反覆和單調拉拔的曲線差不多,三支的試體在大變形時的耐力下降也比一支少。
地震不是只拉一次,家具前後搖,鐵件就被反覆拉。這份實驗的反覆程序是 0 到 2 mm 兩次、5 mm 兩次,5 mm 以內的最大值和單調拉拔差不多; 差別出在最大值之後。作者在結論特別寫:石膏板配鋼製錨栓在反覆試驗和斜向試驗裡, 1 mm 前後的最大值之後耐力下降大;合板則在 5 mm 之後耐力還會上升,乾式牆要固定的話,「固定在合板上比較好」。
這不代表塑膠錨栓一定比鋼製好。這份實驗各只測了一種市售品,而且是 1999 年的產品;它說明的是一種機制: 在石膏板上,錨栓比板子硬很多時,先壞的是板子,錨栓的強度用不到。
下方固定:剪力比拉拔大,但都是大變形時的值
同一份實驗也測了鐵件裝在家具下方、受到平行牆面的力(剪力)的情況。
| 面材 | 錨栓 | 1 支 | 3 支 | 3 支÷1 支 |
|---|---|---|---|---|
| 石膏板 9.5 mm | 塑膠製 | 46.1 | 95.1 | 2.06 |
| 石膏板 9.5 mm | 鋼製 | 49.0 | 69.9 | 1.43 |
| 合板 4 mm | 塑膠製 | 76.7 | 122.3 | 1.59 |
| 合板 4 mm | 鋼製 | 104.5 | 182.0 | 1.74 |
剪力方向上,三支錨栓在石膏板上也有 1.4 到 2.1 倍的效果。作者的解釋是三支時鐵件繞著離受力點最遠的那支轉, 等於把力轉到 L 型金具抗彎剛性大的方向,隔壁的錨栓就開始分擔。
但這些最大值出現在位移十幾到四十幾 mm 的時候,作者自己也說實用上還要考慮反覆和斜向的加載。 另外,正文與結論把石膏板配鋼製錨栓三支寫成約 65 kgf,表 6 是 69.9 kgf,原文前後不一致,本站表格照表 6。 上方拉拔和下方剪力是分開試驗的,沒有測上下同時固定:表 6 的剪力數字不能直接加到頂端鐵件的拉拔耐力上,上下一起固定時下方能分擔多少,這份實驗也量不出來。
振動台上,壞的也是固定螺絲
2007 年東京大學目黒公郎等人在《日本地震工學會論文集》發表的振動台實驗,用木塊模擬家具, 裝上市售的鏈條式與 L 型金具式防倒器具去搖。結果和他們事前做的材料強度試驗一樣: 兩種器具都是固定用的木螺絲被拔出來,防倒的效果就沒了。
這份實驗要讀清楚限制:木塊比真的家具輕,所以他們依重量比換用了比附件小的木螺絲,是縮尺試驗; 刊出的數據是牆面為合板的條件,石膏板牆雖然也做了,結果沒有刊出。 能帶走的只有一件事:在振動台上,防倒器具的失效方式也是「固定螺絲被拔出」。 中埜等人的試驗裡,記下的破壞也是面材破壞或錨栓拔出。兩份實驗合起來看,弱點在鐵件和牆的接合,實際能撐多少,要看面材和錨栓或螺絲怎麼搭配。
找不到柱子時,照這個順序判斷
第一步,先確定真的沒有柱子。 提問裡的回答指出,一般木造住宅的石膏板牆裡有柱或間柱,間距多半是 455 mm,偶爾 303 mm。 間距若是規則的,寬度超過 45.5 cm 的家具頂端背後通常會有一支(本站推算);輕鋼架骨架、實際從哪裡起算,回答都沒有涵蓋,仍要敲擊或查施工資料現場確認。找到之後螺絲要多長,看 石膏板兩層再打到柱子:40 mm 螺絲只吃進柱子約 10 mm,最大 102.5 kgf;換 70 mm 為 270 kgf。
第二步,柱子不在家具頂端的位置,就照提問者的作法:先橫鎖一支木料。 木料跨過兩支以上的柱子鎖牢,鐵件再鎖在木料上。這樣鐵件後面是木頭,不是石膏板, 上面那張表的 30 kgf 就不適用;這種作法能撐多少,論文沒有量。這也是中埜等人在論文開頭寫的推薦作法。
第三步,真的只能鎖在石膏板上,就把每個鐵件當成約 30 kgf。 這是 9.5 mm 石膏板、三支錨栓、位移 5 mm 以內的實用值。本站建議三個孔都鎖上(這是本站依數據的建議,論文沒有提出這項施工建議):最大值雖然只多一成多, 但塑膠錨栓三支的試體在大變形時掉得比一支慢。 市售錨栓的尺寸依面材厚度而不同,實驗裡石膏板用的比合板用的大;適用板厚請照產品說明。
第四步,看牆的面材。 如果查施工資料發現面材本身是合板,實驗裡 4 mm 合板的結果比石膏板好: 三支錨栓是一支的 1.75 到 1.99 倍,配鋼製錨栓在 5 mm 以內約 60 kgf。作者的結論也是乾式牆要固定時,合板比較好。 石膏板後面另有合板襯板的複合牆沒有測,這些數字不能直接套用。
第五步,家具越矮越深,斜向角度越大,要另外評估。 實驗的 17.7° 來自高 182 cm、深 58 cm 的衣櫃;作者明寫,家具形狀決定的角度比這個大時,要另外考慮。論文只測了這一個角度,沒有給折減係數。
本頁的錨栓是在板子背面撐開的空心牆用錨栓;鎖在混凝土裡的錨栓是另一類,能吊多重見 壁虎螺絲能吊多重; 石膏板本身是怎麼被螺絲固定在骨架上的,見規範允許的螺絲數量比釘子少。
這一頁不能下的結論
30 kgf 夠不夠撐住你的櫃子,這份實驗沒有算。論文量的是鐵件能撐多少,沒有算家具在地震時會對鐵件施加多大的拉力, 那和家具的重量、高寬比、內容物、樓層與地震動都有關。 數字來自 9.5 mm 單層石膏板、45×36 木料骨架、1999 年的兩種市售錨栓與一種 L 型金具,每組 2 到 5 個試體; 12.5 mm 石膏板、雙層板、輕鋼骨架、其他品牌的錨栓都沒有測,不能直接套用。 反覆試驗只是 0 到 2 mm 兩次、5 mm 兩次的特定程序,不能代表任意的地震反覆;剪力最大值出現在大變形時,剪力試驗也沒有做反覆或斜向加載; 17.7° 以外的角度沒有測,不能自己外推折減值,也不能把上下固定的耐力相加。 振動台那份是縮尺試驗,刊出的是合板牆的結果,不能拿來推石膏板牆的震度界線。
這一篇屬於第 1 步,母材。完整的順序是母材、牙、頭型、驅動、表面處理、文件;至於為什麼順序做反了是重工而不是微調,見指定一顆螺絲。
常見問題
防倒 L 型鐵件可以直接鎖在石膏板上嗎?
可以鎖,但能撐的有限。依中埜等人 1999 年的實驗,在 9.5 mm 石膏板上用三支板用錨栓固定一個 L 型金具,位移 5 mm 以內的拉拔耐力約 32 到 36 kgf,作者建議實用上假設每個鐵件約 30 kgf。先壞的是石膏板,不是錨栓。
石膏板上錨栓多鎖幾支會比較牢嗎?
拉拔方向上幫助不大。同一實驗裡,石膏板上錨栓從 1 支加到 3 支,最大拉拔力只多 8%(鋼製)到 15%(塑膠製);同樣的鐵件鎖在 4 mm 合板上則是 1.75 到 1.99 倍。不過三支的塑膠錨栓在大變形時耐力掉得比一支慢,本站建議三個孔都鎖(這是本站依數據的建議,論文沒有這樣寫)。
石膏板牆找不到柱子,防倒要怎麼做?
先橫鎖一支木料,讓木料跨過兩支以上的柱或間柱,鐵件再鎖在木料上。一般木造住宅的柱或間柱間距多半是 455 mm,偶爾 303 mm,木料沿牆方向長一點就碰得到,位置仍要現場確認。只能鎖在板上時,把每個鐵件當成約 30 kgf 來估。
參考資料
- 中埜良昭、掛川誠一、高橋廣志、渡辺伸介(1999)—— 家具の転倒防止用金具の耐力に関する実験的検討,日本建築學會技術報告集 第 7 號,57–62(J-STAGE 全文)
- 目黒公郎、吉村美保、伊東大輔、佐藤芳仁(2007)—— 市販の家具転倒防止装置の効果に関する実験・数値解析的検証,日本地震工學會論文集 7(4)(J-STAGE 全文)
- 教えて!住まいの先生(2013-02-06)—— 家具の転倒防止をしたいのですが、壁は石膏ボードでちょうどいい所に柱がありません
- 石膏板兩層再打到柱子:40 mm 螺絲只吃進柱子約 10 mm,最大 102.5 kgf;換 70 mm 為 270 kgf —— 找到柱子之後的螺絲長度
- 壁虎螺絲能吊多重:同一支 M10,認證文件上的容許拉力從 418 到 969 公斤
- 規範允許的螺絲數量比釘子少
中埜等(1999)的 PDF 是舊掃描,文字層無法直接使用;本站把六頁轉成圖逐字核對,表 2 至表 6 另外放大確認。英文摘要的板厚(9 mm)與本文(9.5 mm)、本文的剪力值(65 kgf)與表 6(69.9 kgf)有不一致,本頁照本文與表格。kgf 換算成 N(×9.8)為本站計算。
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