第一節 損壞舊木料
本 研 究 購 置 最 常 用 材 種 福 州 杉 （ 杉木，China fir, 學名：
Cunninghamia lanceolata
）之損壞舊木料。木料來自於台北市孔廟西 庫與西廂修復時損壞欲廢棄之楹構件。第二節 試驗方法
首先以 SYLVATEST 超音波儀檢測福州杉舊料的性質，再以目視法與 超音波法將福州杉舊料依其損壞程度分段後，以 SYLVATEST 超音波儀、
DmP 檢測儀檢測分段舊料徑向之損壞程度。將上述非 破 壞 檢 測 後 之 舊 木 料 分段，裁製成彎曲試驗試片，以 SHIMADZU 1991 年出廠之加長型 萬能強度試驗機進行破壞試驗。
圖 4-2.1 SYLVATEST 超音波儀檢測福州杉舊料的縱向音速示意
圖 4-2.2 SYLVATEST 超音波儀檢測福州杉舊料的橫向音速示意
圖 4-2.3 SYLVATEST 超音波儀檢測福州杉舊料分段試材的縱向音速示意
圖 4-2.4 SYLVATEST 超音波儀檢測福州杉小試材縱向音速測定示意圖
30cm
60cm
50cm 3
3
3 2 1 8 7
6 5
4
4-2-1 SYLVATEST 超音波儀
本 實 驗 使用瑞士製 SYLVATEST 超音波儀，該儀器係以兩個壓電性 (piezo-electrical) 換 能 器 (transducer) ， 一 個 波 動 發 振 器 (pulse generator)產生，另一個波動接受器(receiver)接受頻率為 30kHz 之超 音波，由音波測定儀讀出所需時間(t)其單位為微秒(Microsecond, μ s)精度為百萬分之一秒，測其於木材中之傳播速度，藉以評估木材材 質，該儀器同時可測定木材溫度 0-50℃及含水率 0-156%。本實驗分別 求出木構件舊料全試材平行方向超音波速（圖 4-2.1）以及每 30 公分之 距離測橫向音速（圖 4-2.2）。超音波檢測之際是將波動接收器與發振器 分別固定於構件之等分單元檢測位置的兩端相對位置，共測得 4 個直徑 方向（圖 3-3.1-A），而波動發振器所發生之衰減振動波波動是經由電氣､
音響變換轉變成彈性波波動後，從大木構材之一端傳至接受器改變為電 氣的信號後，由音速測定儀讀出所需時間，每一單元共測得 4 個超音波 橫向傳播時間，再根據（1）式計算傳播速度，求其平均，即為該單元 之音速。
V= l / t （1）
V：超音波傳播速度 m/sec
l ：波動發振器與接收器架設於大木構件上之間距 m t： 傳播時間 sec
然後舊料全試材依每段 60 公分之長度裁斷為小試材後，再進行縱 向音波傳遞速度之測定（圖 4-2.3）。而在裁製小試材 3×3×50cm3進行中 央集中載重抗彎試驗前，再進行縱向音波傳遞速度之測定（圖 4-2.4）。
1.手動式探針鬆開螺絲 2.鏈帶安置軌道 3.探針鬆開警告燈 4.電瓶容量檢查鈕
5.使用時壓力指示燈 用電標準指示燈 6.超負載安全鈕
7.探針支撐鏈帶 8.探針管嘴 9.攜帶式皮帶架 10.電源電纜線 11.電腦數據電纜 12.板機鈕
13.探針鬆開鈕 14.鉗口配件
4-2-2 DmP 非破壞檢測系統
本 實 驗 所 使 用 之 DmP 非破壞檢測系統，圖 4-2.5 為 DmP (Digital MicroProbe) 儀器配件圖示說明（Digital MicroProbe 儀器說明書），是 利 用 配 備 的 馬 達 驅 動 探 針 鑽 入 木 構 件 中， 測 得 木 構 件 對 探 針 的 鑽 孔 阻 抗 強 度 。 其 探 針 頭 為 扁 平 匙 狀 ， 長 度 為 1.5mm。 藉 助 此 儀 器 與 電 腦 連 線 ， 可 瞭 解 木 構 件 劣 化 之 程 度 與 損 壞 位 置 ， 可 提 供 後 續 構 件 修 復 之 重 要 參 考 資 料， 對 於 古 蹟 及 歷 史 建 築 結 構 安 全 性 評 估 極 為 重 要 。 所 得 之 鑽 孔 阻 抗 力 分 佈 圖 （ 圖 4-2.6） 中Y 軸之 數值代表探針鑽入木材時鑽孔阻抗力之高低，當探針遇到密度較高的部 分時，鑽孔阻抗力增加，探針旋轉的次數就會增加，相對的當探針遇密 度較低之木材時（如春材或腐朽的位置時），鑽孔阻抗力下降，探針旋 轉的次數便會減少。
圖4-2.5 DmP (Digital microProbe) 儀器配件
圖 4-2.6 鑽孔阻抗力分佈圖
4-2-3 萬能強度試驗機(Universal Testing Machine)
在非破壞實驗後，進行破壞性試驗，乃將前述 SYLVATEST 超音波 儀檢測過之福州杉小試材 3×3×50cm3進行中央集中載重抗彎試驗，求出 其比例限度載重與撓曲，再由載重與撓曲曲線圖求出抗彎彈性模數
（MOE）、抗彎強度（MOR）。
3P ( l – l’)
（ 1 ） 抗 彎 強 度( M O R )= 2bh2 (kgf/cm2) 3Pp ( l – l’)
（2） 抗彎比例限σbp = 2bh2 (kgf/cm2)
（3）抗彎彈性模數(MOE) =
Pp ( l – l’) [ 3 l2 – 2( l – l’)2 ] 8δp bh3
(kgf/cm2)
l’為載重點間距離 (cm)
b 為長方形斷面之寬 (cm) h 為高度 (cm) δp是為 Pp載重時，在載重點之下﹝跨距中央﹞之撓曲(cm)
l 為試片跨距 (cm)
第三節 結果與討論
西庫右間后 5 5340 65
significant *
*
VL(m/s)Mean 5626 5658 現 MOE 由61080∼109010 kgf/cm2，MOR 則為450∼1062 kgf/cm2，將音速值 與 MOE、MOR 進行回歸分析，可發現其 R2值分別為 0.34、0.27（圖 4-3.1、
圖 4-3.2），其值雖小，然 F 值仍達極顯著狀態，另考慮密度之影響，以 密度與 MOE、MOR 進行回歸分析，亦可發現其呈一正相關趨勢，R2值分 別為 0.44、0.39（圖 4-3.3、圖 4-3.4）。當考慮音速值與密度值之關係，
而以音速值動彈性模數（MOEdv）之形式與 MOE、MOR 進行回歸分析時，
則可發現其 R2值分別提高至 0.63、0.53（圖 4-3.5、圖 4-3.6）。由此
3 5233 76516 588
0 2000 4000 6000 8000 V
MOE
圖 4-3.1 台北孔廟西庫與西廂各分段試材之音速值與 MOE 之關係圖
y = 0.24x - 664.8 R2 = 0.27
0 200 400 600 800 1000 1200
0 2000 4000 6000 8000 V
MOR
圖 4-3.2 台北孔廟西庫與西廂各分段試材之音速值與 MOR 之關係圖
y = 221937x + 2737.4 R
2= 0.4401
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000
0.00 0.20 0.40 0.60
density
MOE
圖 4-3.3 台北孔廟西庫與西廂各分段試材之密度值與 MOE 之關係圖
y = 2515.3x - 228.98
0.00 0.20 0.40 0.60
density
0 50000 100000 150000 200000 250000
MOEdv
MOE
圖 4-3.5 台北孔廟西庫與西廂各分段試材之動彈性模數與 MOE 之關係 圖
y = 0.0043x + 14.347 R2 = 0.53
0 200 400 600 800 1000 1200
0 50000 100000 150000 200000 250000
MOEdv
MOR
圖 4-3.6 台北孔廟西庫與西廂各分段試材之動彈性模數與 MOR 之關係 圖
4-3-3 試材橫向音速值分析
因古蹟現場對於梁與柱均無法進行縱向超音波測定，惟有可進行橫 向音速值之檢測部份，因此本次試驗就全試材每間隔 30cm 區隔為一小 段，分別進行橫向音速之檢測，其結果如圖 4-3.7~4-3.18。由圖 4-3.7 可看出西庫右間后 4 試材，經橫向音速測定，僅端部受到損害，試材中 央段（90~240cm）仍屬健全，音速值尚保有約 1300m/s。由圖 4-3.8 可 看出西庫右間后 5 試材除 210~240cm 段橫向音速值在 1000~1200 m/s 外，其餘均低於 1000 m/s；圖 4-3.9、4-3.10、4-3.14、4-3.15、4-3.17 之西庫右間后 7、西庫右間前 3、西庫左間前 8、西廂四-2、西廂五后 3 則多均在 1000 m/s 以下，因此該材料亦難以再利用。圖 4-3.18 之西廂 七前 4，在 60~240cm 範圍內，橫向音速值均在 1300 m/s 以上。
0
0
0
0
4-3-4 DMP 檢測木構件斷面損壞之適用性
的情況下，超音波速亦還有平均約 1000 m/s 的數值，顯示該材料於其他
的開裂。
圖 4-3.29 及圖 4-3.30 其含水率分別為 33.6 %、16.2 %，由橫斷 面剖面圖看來，沒有嚴重的缺點存在，而經由超音波儀的檢測結果看 來，前者的 VR值的平均約為 1200 m/s，經由 DMP 圖譜的檢測，亦無缺 點的存在，而平均年輪寬為 0.82 cm。而後者的超音波速值平均約為 1000 m/s，同時 4 個方向的超音波速亦無異常，由前者的圖譜與超音波速數 值的結果來推測，此材料應無缺點的存在，再由斷面剖面圖看來所得到 3-7 方向的結果與推測相符，是故超音波與 DMP 的檢測應用於古蹟材料 之缺點及老化的判定上，有一定的可信度。
圖 4-3.19 台北孔廟西庫右間前 6 (距 A 端 90 ㎝)木構件 DMP 檢測結果
0 5 10 15 20 25
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
含水率＝22.0％
方向 直徑 超音波波速 1-5 20 1020.41 2-6 21 1093.75 3-7 20 1020.41 4-8 20 793.65
圖 4-3.20 台北孔廟西廂五后 3 (距 A 端 300 ㎝) 木構件 DMP 檢測結果
0 5 10 15 20 25 30
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
含水率＝16.7％
方向 直徑 超音波波速 1-5 18.5 515.32 2-6 19.2 845.81 3-7 20 471.70 4-8 19.9 436.40
圖 4-3.21 台北孔廟西廂四-3 (距 A 端 60 ㎝) 木構件 DMP 檢測結果
0 5 10 15 20 25
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
含水率＝21.7％
方向 直徑 超音波波速 1-5 19 1727.27 2-6 18.5 943.88 3-7 18.6 1430.77 4-8 21.2 1766.67
圖 4-3.22 台北孔廟西庫右間前 8 (距 A 端 120 ㎝) 木構件 DMP 檢測結果
0 5 10 15 20 25
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
含水率＝33.0％
方向 直徑 超音波波速 1-5 18.5 943.88 2-6 18 994.48 3-7 18 814.48 4-8 17.5 1093.75
圖 4-3.23 台北孔廟西庫右間后 7 (距 A 端 90 ㎝) 木構件 DMP 檢測結果
0 5 10 15 20 25
0 50 100 150 200
含水率＝21.9％
方向 直徑 超音波波速 1-5 18.5 646.85 2-6 17.3 905.76 3-7 19 954.77 4-8 19.7 1000.00
圖 4-3.24 台北孔廟西廂四-3 (距 A 端 300 ㎝) 木構件 DMP 檢測結果
0 5 10 15 20 25
0 50 100 150 200
含水率＝20.9％
方向 直徑 超音波波速 1-5 19 633.33 2-6 18.5 804.35 3-7 18.6 759.18 4-8 21.2 593.84
圖 4-3.25 台北孔廟西庫右間前 3 (距 A 端 30 ㎝) 木構件 DMP 檢測結果
0 5 10 15 20 25 30 35
0 50 100 150 200
含水率＝14.7％
方向 直徑 超音波波速 1-5 19 945.27 2-6 20 1273.89 3-7 20.5 1073.30 4-8 20 664.45
圖 4-3.26 台北孔廟西庫右間前 3 (距 A 端 270 ㎝) 木構件 DMP 檢測結果
0 5 10 15 20 25 30
0 50 100 150 200
含水率＝18.2％
方向 直徑 超音波波速 1-5 19 1005.29 2-6 20 1010.10 3-7 20.5 401.96 4-8 20 1075.27
圖 4-3.27 台北孔廟西庫二-6 (距 A 端 60 ㎝) 木構件 DMP 檢測結果
0 5 10 15 20 25 30
0 50 100 150 200
含水率＝23.7％
方向 直徑 超音波波速 1-5 16.8 1615.38 2-6 17.2 587.03 3-7 17.5 665.40 4-8 18 1607.14
圖 4-3.28 台北孔廟西庫右間后 4 (距 A 端 30 ㎝) 木構件 DMP 檢測結果
0 10 20 30 40
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
含水率＝16.5％
方向 直徑 超音波波速 1-5 18.7 653.85
圖 4-3.29 台北孔廟西庫右間前 8 (距 A 端 60 ㎝) 木構件 DMP 檢測結果
0 5 10 15 20 25
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
含水率＝33.6％
方向 直徑 超音波波速 1-5 18.5 1241.61 2-6 18 1267.61 3-7 18 1232.88 4-8 17.5 1093.75
圖 4-3.30 台北孔廟西庫左間前 8 (距 A 端 300 ㎝) 木構件
含水率＝16.2％
方向 直徑 超音波波速 1-5 18 983.61 2-6 19 1043.96 3-7 19 1775.70 4-8 17.5 1023.39
4-3-5 小結
(1) 本研究以超音波儀檢測台北孔廟抽換舊木料內部健全處之縱向音 速值均在 4763∼5671 m/s，符合健全材音速值之範圍。目視判斷試材 僅周遭腐朽（近外側邊材），材料內部仍保有相當完整之斷面。結果顯 示，國內古蹟修復抽換大多僅憑木料外觀目視之判斷，材料內部仍保 有相當完整之斷面應仍能承受外力，或當作其他部材再利用，因此古 蹟抽換木料之標準應即時建立，方不會因修復抽換木料而減損古蹟之 歷史價值與浪費資材。
(2) 將全試材依每段 60 公分之長度裁斷為小試材後，再進行縱向音波傳 遞速度之測定，發現每段試材之縱向音波傳遞速度與全試材之縱向音 速值並無明顯差異，經 F 值檢測無顯著性差異。因此判斷可以縱向音 速值來評估試材品質。
(3) 將各分段試材進行音速值與抗彎性質試驗，其結果 MOE 由 61080
∼109010 kgf/cm2，MOR 則為 450∼1062 kgf/cm2，將音速值與 MOE、
MOR 進行回歸分析，其 R2值分別為 0.34、0.27，F 值達極顯著狀態。
以密度與 MOE、MOR 進行回歸分析，亦可發現其呈一正相關趨勢，R2 值分別為 0.44、0.39。當考慮音速值與密度值之關係，而以音速值動 彈性模數（MOEdv）之形式與 MOE、MOR 進行回歸分析時，則可發現其 R2值分別提高至 0.63、0.53。由此在評估試材品質時，可藉由音波之 傳遞速度與其本身之密度來達成。
(4) 本研究就全試材每間隔 30cm 區隔為一小段，分別進行橫向音速與 DMP 之檢測，其結果顯示超音波與 DMP 的檢測應用於古蹟材料之損 壞上，有一定的可信度。