石膏板牆上鎖扶手托架:40 mm 螺絲穿過兩層板只吃進柱子約 10 mm,最大 102.5 kgf;換 70 mm 為 270 kgf

牆內探測器找到了柱子,接下來的問題是螺絲要多長。布田健等人 2003 年在《日本建築學會技術報告集》發表的扶手托架實驗裡,有一組可以拿來對照:12.5 mm 石膏板貼兩層、後面是木柱,用 40 mm 螺絲,托架最大只撐到 102.5 kgf,作者的解釋是螺絲只吃進柱子約 10 mm;同一面牆換成 70 mm 螺絲,到 270 kgf,是全部 81 個試體裡最高的。測的是扶手托架,不是層架。閱讀約 8 分鐘。

兩個牆體剖面並列,各有一個金屬扶手托架以螺絲穿過兩層石膏板鎖向木柱;左邊短螺絲只有尖端進入木柱,尖端塗紅,右邊長螺絲深入木柱。

知恵袋上的問題:3 公分夠不夠

2017 年 11 月,Yahoo!知恵袋有人問:用牆內探測器找到了間柱,用探針量出石膏板大約 2 公分厚, 要裝捲簾的托架,也要裝層架的棚受和棚柱。他問了木螺絲可不可以、要皿頭還是鍋頭、要不要不鏽鋼, 最後一題是「長さは3センチでいいでしょうか」,又擔心太長的螺絲會不會太粗。

被選為最佳解答的回答說,板厚要再確認一次,可能是 15 mm 或兩層;長度以「固定物的厚度和板厚的 3 倍左右」為理想, 也提醒夾在棚受和柱子之間的石膏板並不牢固。另一位回答說現在常在間柱外加胴緣(橫向木條),板面到間柱變遠了, 他自己用 50 mm 以上;還有一位把托架厚、板厚、要吃進間柱的長度加起來,推估 45 到 50 mm。

三個回答方向一致:要更長。但都是經驗值,沒有人說短了會差多少。 下面這篇實驗在同一面牆上比過 40 與 70 mm 兩種長度。

實驗怎麼做

布田健(當時任職建築研究所)等七位作者,針對日本住宅常見的牆構造,測試扶手托架鎖在牆上能撐多少。 他們做了 27 種牆,每種 3 個,共 81 個試體。壁面材有 9.5 mm 與 12.5 mm 石膏板、硬質石膏板、合板; 後面的下地有木柱、寬 35 mm 與 27 mm 的間柱、輕鋼骨架,也有完全沒有下地的。

實驗 1 的條件(布田等,2003,§2-1、§2-2、表 1、表 2)
項目條件
試體600 × 600 mm 的牆,27 種 × 3 個=81 個
螺絲皿頭自攻螺絲,直徑 3.5 mm、長 40 mm;托架用 2 支或 3 支
下地木料柱 105 × 88 mm(白木,比重 0.40);間柱寬 35 mm(SPF,0.54);間柱寬 27 mm(白木,0.45)
加載只加鉛直荷重;先加到 60 kgf(590 N)再卸載,然後加到破壞,以最大荷重評價
離散同條件 3 個試體,標準差約為平均值的 13%

論文舉的一條荷重-變位曲線(圖 5)在大約 60 kgf 時斜率開始變緩,作者判斷是壁面材開始被壓壞; 到最大荷重時,螺絲開始被拔出來。論文寫明,除了下面 70 mm 那一組,其他試體的破壞原因都是螺絲拔出。

40 mm 與 70 mm:同一面牆,差 2.6 倍

論文第 2-3 節第 (5) 項專門比較螺絲長度。牆是 12.5 mm 石膏板貼兩層,後面是木柱,螺絲分 40 mm 和 70 mm 兩種。

螺絲長度的比較(布田等,2003,§2-3 (5)、圖 10)
螺絲長度最大荷重怎麼壞的吃進柱子(本站推算)
40 mm102.5 kgf(1,004.5 N)螺絲拔出約 10 mm(作者也寫約 10 mm)
70 mm270 kgf(2,648 N),81 個試體裡最高托架斷裂,唯一一組約 40 mm

作者對 40 mm 那組的解釋只有一句:螺絲只掛進柱子約 10 mm。對 70 mm 那組,他寫的是: 其他試體都是螺絲拔出,只有這組是托架本身斷掉,螺絲長度對強度的影響「特に高い」。 40 mm 的荷重是 70 mm 的 38%。

「吃進柱子」那一欄是本站的算術:螺絲長度減掉托架座板(論文圖 2 標示 5 mm),再減掉兩層板共 25 mm。 40 − 5 − 25 = 10,和作者說的約 10 mm 對得上;同樣算法,70 mm 留在柱子裡約 40 mm。 70 mm 那支的直徑,論文沒有寫。

兩個牆體剖面並列:金屬托架以螺絲穿過石膏板鎖進木柱,左邊短螺絲只有尖端進入木柱,右邊長螺絲有一大段進入木柱,進入木頭的部分塗成紅色,托架上方有向下的箭頭。
同一面牆(石膏板+木柱),短螺絲只有尖端進到柱子,長螺絲大半段留在柱子裡;紅色部分是吃進木頭的長度。示意,未按比例。

把全部試體依強度排列的圖 11 裡,還可以看到板厚的影響。下表的前三列是本站從圖上讀的平均值,只有 102.5 與 270 是論文內文寫出的數字。

40 mm 螺絲、3 支、鎖進木柱時的板厚與荷重(布田等,2003,圖 11;「約」為本站讀圖)
石膏板吃進柱子(本站推算)最大荷重平均
9.5 mm 一層約 25 mm約 170 kgf
12.5 mm 一層約 22 mm約 133 kgf
12.5 mm 兩層約 10 mm102.5 kgf
12.5 mm 兩層,螺絲換 70 mm約 40 mm270 kgf

板越厚,荷重越低,方向一致。但板厚同時改變了兩件事:螺絲留在木頭裡的長度,以及托架和柱子之間那層會被壓碎的材料有多厚。 論文只對 40 與 70 mm 那一組下了原因判斷,前兩列的差距不能全部算在吃進深度上。

支數與木料:2 支只有 3 支的一半

長度之外,同一篇還比了下地。壁面材統一用 9.5 mm 石膏板,結果如下。

下地別的最大荷重平均(布田等,2003,§2-3 (3)、圖 8;數值為本站讀圖)
下地與支數最大荷重平均
間柱寬 35 mm,3 支約 205 kgf
柱,3 支約 170 kgf
間柱寬 35 mm,2 支約 110 kgf
間柱寬 27 mm,2 支約 85 kgf
輕鋼骨架(板厚 0.8 mm),3 支約 75 kgf

作者寫的結論有三點。第一,2 支的荷重約為 3 支的 50%。 第二,輕鋼骨架最低,原因是 0.8 mm 的鋼板讓螺絲能咬的牙太少。 第三,間柱比柱子強,原因在木料:單支螺絲的拔出試驗裡,間柱 35 mm 平均 306.18 kgf,柱子平均 247.35 kgf, 而且柱子的標準差是 105.24 kgf,間柱只有 16.76 kgf(表 3)。同一支螺絲,換一根木頭,拔出力可以差這麼多。

作者還加了一段現場的提醒:實際施工時下地的位置常常找不準,要讓 3 支都打進間柱並不容易, 所以應該把 2 支的強度當成實際強度。寬 27 mm 的間柱在實驗裡就只容得下 2 支。

這些數字怎麼對照「夠不夠」

論文拿日本ベターリビング(Better Living)的優良住宅部品認定基準當參考:步行輔助扶手在中央加 1,150 N(120 kgf), 動作輔助扶手在端部與中央加 590 N(60 kgf),扶手與金具不能鬆動、脫落或損壞。 作者「暫且」以此把試體分組:120 kgf 以上是 A 組,代表性的構法是柱或間柱打 3 支; 40 mm 穿兩層 12.5 mm 板的 102.5 kgf 落在 B 組。

這個對照有兩個限制。基準講的是一整支扶手,實驗 1 測的是單一托架; 論文的實驗 3(9 個試體、每種 1 個,托架間距 910 mm)裝上扶手管之後,單一托架分到的荷重約為單托架試驗的 80% 到 91%(集成材管約 80%、樹脂被覆鋼管約 83%、不鏽鋼管約 91%); 作者也提醒,實際還要看管材的剛性與托架間距。 另外,最大值是先加到 60 kgf 卸載、再加到破壞所得,沒有做反覆荷重試驗;長期使用的鬆動,作者寫明留給後續研究。

論文也試過窄間柱的補強:在寬 27 mm 的間柱上用一支 6 × 50 mm 的方頭木螺絲固定一片墊板,再把托架鎖在墊板上, 墊板直徑 50 mm 時約為 40 mm 自攻螺絲 2 支的 1.6 倍,80 mm 時約 2 倍。作者提醒,把方頭木螺絲鎖進間柱這種窄木料時,要先開導孔以防萬一裂開。

找到柱子之後,螺絲長度這樣算

論文沒有給「螺絲要多長」的公式,它只有 40 與 70 mm 兩個點。下面的步驟是把論文裡的幾何關係與結果,接到現場可以做的判斷上。

  1. 先量到木頭之前有多厚。 本站的建議是用探針在要鎖的位置量,不要只量一處(論文沒有談測量)。石膏板可能是兩層,間柱外面可能還有胴緣(知恵袋的回答提到這點), 這些都要算進「木頭之前的厚度」。
  2. 用減法算出吃進木頭的長度。 螺絲長度 − 托架或層架座板的厚度 − 木頭之前的厚度 = 留在木頭裡的長度。 知恵袋的提問者是 30 mm 螺絲、約 20 mm 的板,扣掉托架之後剩不到 10 mm,比論文裡 102.5 kgf 那組的約 10 mm 還少。
  3. 把 70 mm 那組當成比較點。 論文裡唯一沒有被拔出、壞在托架本身的條件,本站推算是螺絲留在柱子裡約 40 mm。 這只是一種牆、兩個點裡的一個,70 mm 的直徑也沒寫,不是建議值:不代表 40 mm 是下限,也不代表 30 mm 就不行;但約 10 mm 的那組,荷重只有 38%。
  4. 數有幾支真的打進木頭。 托架有 3 個孔,不代表 3 支都在間柱上。論文沒有提供打完後判定每支是否進到木頭的方法, 作者的建議是用 2 支的強度估算,2 支約為 3 支的一半。
  5. 窄間柱先開導孔。 論文的提醒是針對在寬 27 mm 間柱上鎖 φ6 × 50 mm 方頭木螺絲:窄木料先開導孔,以防萬一裂開。 其他螺絲要不要開、開多大,依螺絲與木料而定,可以參考導孔那條規則會指名木材。
  6. 後面是輕鋼骨架,數據就不適用。 0.8 mm 的鋼板在實驗裡是下地最低的一種,論文的解釋是螺絲能咬的牙少。木頭吃進深度的算法用在這裡沒有依據,這是本站的判斷。

石膏板本身用來固定在木構架上的螺絲,美國的示範規範 IRC 要求進木材至少 5/8 in(約 16 mm), 本站整理在規範允許的螺絲數量比釘子少。那是把板固定上牆的規定, 沒有談托架的承載;要掛東西的托架,論文裡吃進約 10 mm 的那組只有 102.5 kgf,兩者不能互相套用。

如果找不到柱子、只能鎖在石膏板上,那是另一個問題。本站另一篇用防倒 L 型鐵件做過試驗: 防倒 L 型鐵件直接鎖在石膏板上:錨栓從一支加到三支,拉拔力只多 8% 到 15%。

這一頁不能下的結論

論文的長度比較只有一組牆(12.5 mm 石膏板兩層+木柱)、兩種長度、每種 3 個試體,所以不能從中得出「吃進幾 mm 就夠」或最佳長度。 70 mm 螺絲的直徑論文沒有寫,所以也不能說「長度加長、直徑不變」就有這個效果。 「吃進柱子」的 mm 數是本站用座板 5 mm 推算的;圖 8 與圖 11 的數值是讀圖。 全部是鉛直荷重(先加到 60 kgf 卸載一次,再加到破壞),沒有長期反覆荷重。荷重是單一扶手托架的最大值,不能換算成層架能放幾公斤。 實驗 3 的 80% 到 91% 來自托架間距 910 mm、每種 1 個試體的組合,不能直接套到其他扶手管或間距。 木料是日本試體用的白木與 SPF,其他木料的拔出力不同。知恵袋的回答是個人經驗。

這一篇不屬於六步中的任何一步。它橫跨各步,或者發生在組裝之後。導致它的那些決定是在哪裡做的,見指定一顆螺絲,那篇寫的是順序,以及為什麼順序做反了是重工。

常見問題

石膏板後面有柱子,螺絲要多長?

用「螺絲長度 − 座板厚 − 板厚」算出留在木頭裡的長度。布田等 2003 年的實驗,12.5 mm 石膏板兩層加木柱,40 mm 螺絲只吃進柱子約 10 mm,托架最大 102.5 kgf;70 mm 螺絲 270 kgf,螺絲沒有被拔出,壞的是托架。論文沒有給最佳長度。

托架有 3 個孔,3 支都打得到間柱嗎?

不一定。論文作者指出現場常找不準間柱位置,寬 27 mm 的間柱只容得下 2 支,建議以 2 支的強度為準;2 支的荷重約為 3 支的 50%。

石膏板固定螺絲要求進木材 16 mm,掛東西也照這個嗎?

不能直接套用。IRC 的 5/8 in(約 16 mm)是把石膏板本身固定在木構架上的規定。要承重的托架,在布田等的實驗裡只吃進柱子約 10 mm 時,最大荷重是 102.5 kgf,換成吃進約 40 mm(本站推算)時是 270 kgf。

後面是輕鋼骨架呢?

論文裡 0.8 mm 輕鋼骨架是下地最低的一種,3 支約 75 kgf(讀圖值),原因是螺絲在薄鋼板裡能咬的牙少。木頭吃進深度的算法不適用。

參考資料

論文 PDF 為舊掃描,所有數字對照掃描頁讀取:102.5 kgf、270 kgf、約 10 mm、50%、13%、表 3 的拔出力、認定基準與實驗 2、3 的倍數照原文。圖 8、圖 11 的數值是本站讀圖,標「約」;吃進柱子的 mm 數用圖 2 的座板 5 mm 推算,是本站的算術。

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