高度超過 18 公尺建築物直橫料式帷幕牆設計例

一辦公大樓平面尺寸為 ，樓高約 112.2m，女兒牆高度為 1.2m，

位於台北市，假設建築物四面上風處為 B 地況，且無特殊地形。外牆使用直橫 料式帷幕牆系統，假設整棟大樓皆採用高 3.3m、寬 2m 之帷幕牆單元，如圖 7.1。

本範例針對此一超過 18 公尺建築物承受最大風壓之直橫料式帷幕牆構件，

先決定面材、直料、橫料及繫件之設計風壓(力)，再依序檢核各構件之強度及變 形。

第一節 帷幕牆各構件設計風壓

理論上可根據表面風壓之分佈情況，將整面帷幕牆分為若干區域設計帷幕牆 構件；但為簡化設計，故本範例只分析設計 AB 牆面承受最大風壓之帷幕牆構件，

其中 AB 牆面定義於表 7-1；根據圖 7.2，分別為 AB 牆面位於頂層角隅處面材(○^e -○^f -○^g -○^a )、繫件(○^h 點)、橫料(○^c -○^d 及○^e -○^f )以及頂部三層直料(○^a -○^e -○^c -○^b )。

圖 7.1 第七章計算例之帷幕牆示意圖 (資料來源：本研究整理)

38 m  36 m

直料 橫料

面材

繫件

76

77

78

79

圖 7.3 第七章計算例之面材、直料及橫料之承受風壓面積 (資料來源：本研究整理)

直料左側之承受風 壓面積

直料右側之承受風 壓面積

橫料上側之承受風 壓面積

橫料下側之承受風 壓面積

面板之承受風壓面積 2 m

3.3 m

45∘

ⓐ

ⓓ

ⓒ

ⓔ ⓕ

ⓖ

ⓑ

80

81

82

83

要取負值-3.1，該面材設計負風壓為 。

彙整面材、橫料上(下)側、每一層直料左(右)側及繫件的設計負風壓，將數 值分析結果列於表 7-2。

風垂直 DA 牆面

根據建築物資料與工址風環境可知，建築物以 Y 軸為對稱軸，BC 牆面與 DA 牆面開口面積相同，BC 牆面與 DA 牆面上風側地況相同，以及建築物周邊 地形相同。因此，當風垂直吹向 DA 牆面時，其結果與當風垂直吹向 BC 牆面 的結果相同。

-553.30 kgf

2

p  m

84

85

承受風壓面 積(m²)

最大正風壓 ( )

最大負風壓 ( )

單位長度正風 力( )

單位長度負風 力( )

面材○^e -○^f -○^g -○^a 6.6 312.58 -553.3

橫料○^e -○^f 上側 1 357.75 -664.75 178.88 -332.38 橫料○^e -○^f 下側 1 357.75 -664.75 178.88 -332.38 橫料○^c -○^d 上側 1 353.20 -664.75 176.60 -332.38 橫料○^c -○^d 下側 1 353.20 -664.75 176.60 -332.38 直料○^a -○^e 左側 2.3 344.19 -601.06 239.89 -418.92 直料○^a -○^e 右側 2.3 344.19 -601.06 239.89 -418.92 直料○^e -○^c 左側 2.3 339.91 -601.06 236.91 -418.92 直料○^e -○^c 右側 2.3 339.91 -601.06 236.91 -418.92

直料○^c -○^b 左側 2.3 335.57 -601.06 233.88 -418.92 直料○^c -○^b 右側 2.3 335.57 -601.06 233.88 -418.92 繫件○^h 單側 3.3

344.19 -616.98 (資料來源：本研究整理)

kgf/m

2

kgf/m

^{2 kgf/m kgf/m}

86

22 ksi=15.47 kgf

2

mm

；假設採用之直橫料形狀與斷面性質如表 7-4 所示。

87

88

89 384 384 7101 355 10

w h 384 768 7101 107 10

g

90

91

容許應力參考 ADM(AA,2005) Table 3.4-3

, ,

92

第三節 繫件設計檢核

帷幕牆繫件剖面圖及平面圖如圖 7.9 及圖 7.10，繫件包括 L 型鋁板、樓板 上鋁板及相關之螺栓與母材。連接樓板及樓板上鋁板之鋸齒螺栓有兩顆，其中一 顆位於 A 處，其規格假設採用 A325 M16 螺栓，母材為 6061T6 厚度為 8mm 之 板。直料與 L 型鋁板以四顆螺栓連結，其中位於 B 處之螺栓通常遭受較大應力，

其規格假設採用 A325 M12 螺栓，母材為 6061T6 厚度為 6mm 之板。L 型鋁板與 樓板上鋁板間以兩顆鋸齒螺栓連接，其中一顆位於 C 處，其規格假設採用 A325 M16 螺栓，母材為 6061T6 厚度為 6mm 之板。D 為帶寬 30mm，強度為 20psi 之 結構矽膠。

圖 7.9 第七章計算例之帷幕繫件剖面圖 (資料來源：本研究整理)

A

B

C

樓板上鋁板

L 型鋁板

93

圖 7.10 第七章計算例之帷幕繫件平面圖 (資料來源：本研究整理)

B D

A

C

94

95

貳、繫件設計載重之決定

繫件設計載重可由兩種方法決定，分別為以耐風規範中外牆扣件計算繫件承 受風壓面積與直料與橫料之設計風壓轉移至繫件。圖 7.11 標示繫件○^h 單側所受 設計正(負)風力

F

_wt(

F

_wt)，並繪製出正(負)風力傳導路徑。

(a)負風力傳導圖

Section 1 Section 2

Section1

Section 3

Section1

F

_wt

B C

F

_wt

Section 1 Section 2 Section 3

D

F

_wt

F

_wt

96

(b)正風力傳導圖

圖 7.11 第七章計算例之力傳導平面圖 (資料來源：本研究整理)

繫件設計風力

若以耐風規範中外牆扣件計算繫件有效受風面積之方法計算，繫件單側有效 受風面積如圖 7.12 斜線區域。

圖 7.12 第七章計算例之繫件有效受風面積 (資料來源：本研究整理)

繫件○^h 單側所受設計正(負)風力

F

_wt(

F

_wt)，為表 7-3 中繫件○^h 之最大正(負) 風壓乘上面材一半的面積

設計正風力

F

_wt

3.3 2

344.19 1135.8

wt 2

m m

F kgf kgf

 m

   

設計負風力

F

_wt

97 3.3 2

616.98 2036

wt 2

m m

F kgf kgf

 m

     

設計靜載重

此帷幕牆單元採用一組直橫料以及全玻璃面板，其單位重約略為

45 kgf

₂

m

， 而繫件單側所承受之靜載重

F

_d為

(45

2

3.3 2 )

148.5

d

2

kgf m m

F m kgf

 

 

本計算例以耐風規範中外牆扣件計算繫件承受風壓面積之方法決定，故後續 計算採用之繫件單側設計正風力

F

_wt為

1135.8kgf

，繫件單側設計正風力

F

_wt為

2036kgf



，繫件單側靜載重

F

_d為

148.5kgf

。

98

參、A 處螺栓與母材之檢核 使用 A325-M16 螺栓

直徑

d

_b

 1 6 m m

抗拉斷面積

A

_s

 198 mm

² 抗剪斷面積

A

_r

 133.6 mm

²

極限強度

F

_{u b,}

1 2 0 ksi 8 4 . 4 kgf

₂

  mm

降伏強度

F

_{y b,}

6 5 ksi 4 5 . 7 kgf

₂

  mm

螺栓顆數

n

_s

 1

6061T6 母材

厚度 = 8 mm

承壓應力

F

_up

3 8 ksi 2 6 . 7 2 kgf

₂

  mm

99

100

101

102

103

104

shear shear shear shear

F  F F F  kgf

105

陸、C 處螺栓與母材之檢核 使用 A325-M16 螺栓

直徑

d

_b

 1 6 m m

抗拉斷面積

A

_s

 198 mm

² 抗剪斷面積

A

_r

 133.6 mm

²

極限強度

F

_{u b,}

1 2 0 ksi 8 4 . 4 kgf

₂

  mm

降伏強度

F

_{y b,}

6 5 ksi 4 5 . 7 kgf

₂

  mm

螺栓顆數

n

_s

 1

6061T6 母材

厚度 = 6 mm 承壓應力

圖 7.16 第七章計算例之 C 處螺栓受力圖 (資料來源：本研究整理)

38 26.72

2 up

F ksi kgf

  mm

Section 1 Section 2 Section 3

F

_wt

F

_wt

C

F

ten

20

106

螺栓拉力檢核

抵抗正風壓螺栓拉力

F

_ten

 F

_w

 1135.8 kgf

抵抗負風壓時，最大螺栓拉力為抵抗鋁板彎矩形成的的拉拔力

0 4072

0 2

w

4

ten

mm

F F kgf

mm







 

螺栓拉力

F

_ten

 max F (

_ten，

F

_ten

) 4072  kgf

容許張力

F

_T

A

_s min 0.4

F

_{u b,} ,0.75

F

_{y b,}

n

_s 6680

kgf

 

       

 

螺栓拉力 < 容許張力 ，檢核通過

在工程實務上因為鋁料有垂直向長孔，靜載重無法傳遞，故此螺栓不會承受靜載 重造成之剪力。

107

108

帶寬

b

_t



3 0

m m 

0 . 0 3

m

容許拉應力

F

_t

20 psi 14060 kgf

₂

  m

圖 7.18 第七章計算例之 D 處結構矽膠位置圖 (資料來源：本研究整理)

矽膠拉力檢核

參考本章第一節表 7-3，面材之最大設計負風壓為

553.3 kgf

₂

 m

，因此

矽膠拉力

F

_ten為 ²

553.3 3.3 2

344.5 2 (3.3 2 )

kgf m m

m kgf m m m

 

  

容許拉力

F

_T

   F

_t

b

_t 421.8

kgf m

矽膠拉力 < 容許拉力 ，檢核通過。

Section 1 Section 2 Section 3

D

F

_wt

F

_wt

109

玖、直橫料連接處檢核

使用六顆 304SS A2-70 M6 不鏽鋼螺絲 直徑

d

_b

 6 m m

螺絲根面積

A

_R

 18.06 mm

²

極限強度

F

_{u s,}

1 0 5 ksi 7 3 . 8 2 kgf

₂

  mm

降伏強度

F

_{y s,}

6 2 . 5 ksi 4 3 . 9 kgf

₂

  mm

螺絲顆數

n

_s

 1

圖 7.19 第七章計算例之直橫料連接處細部圖 (資料來源：本研究整理)

螺絲剪力檢核

參考圖 7.19，六顆螺絲中受橫料負風力以及靜載重形成之最大剪力者為 E 螺絲，故分析 E 螺絲做為設計檢核依據。

E

110

111

不鏽鋼板彎曲應力檢核

由靜載重

F

_db與其力偏心距

e  20 mm

，形成之偏心彎矩

M

_b

2 1320

b db

M  F   e kgf mm g

板寬

b  150 mm

，板厚

t  12 mm

，偏心彎矩

M

_b造成板彎曲應力

2 2

1 0.37 6

b ben

M kgf

F mm

b t

 

 

不鏽鋼板降伏應力

F

_y

21 kgf

₂

 mm

，容許彎曲應力

0.6 12.6

2

B y

F F kgf

  mm

板彎曲應力 < 容許彎曲應力 ，檢核通過。

112

第四節 面材設計檢核

面材○^e -○^f -○^g -○^a 假設採用高 3.3m 寬 2m 厚度為 16mm 單層完全回火玻璃 (fully tempered glass)，根據表 7-3 讀取最大負風壓為-553.3 ，參照 ASTM E1300(2016)做面材檢核。

採用長延時(Long Duration Load)係數 3.0，玻璃承壓強度為

面材承壓 < 容許承壓 ，檢核通過。

2.8kPa 3=856.3 kgf

2

 m

553.3 kgf

2

m 856.3 kgf

²

m

113

圖 7.21 第七章計算例之玻璃強度及變形曲線圖 (資料來源：擷取自 ASTM E1300，FIG. A1.10，2016)

114

表 7-5 玻璃種類係數表

(資料來源：擷取自 ASTM E1300，TABLE 1，2016)

115

在文檔中 帷幕牆系統結構耐風設計手冊研擬 (頁 96-136)