本章針對古蹟暨歷史建築疊斗式木構架結構狀態之檢測進行探討，首先本 研究實地至臺中霧峯林家、彰化鹿港龍山寺、雲林北港朝天宮與台北大龍峒保 安宮，現場勘查疊斗式木構架結構狀態變化之現象。其次透過結構分析電腦程 式 STAAD. Pro，並以半剛性接頭模式模擬木構架之榫卯接合，開始對疊斗式木 構架進行數值模擬分析。第三再對微振動量測應用於疊斗式木構架結構狀態檢 測進行探討，以求最後建構古蹟暨歷史建築木構架結構狀態之預警檢測機制。
4-1 疊斗式木構架結構狀態變化之現場勘查
本研究茲以臺中霧峯林家(觀察其受 921 震害之木構架損壞情形)、彰化 鹿港龍山寺(觀察其大殿屋頂拆解後之純木構架狀態)、雲林北港朝天宮(觀 察其即將進入修復之木構架狀況)、台北大龍峒保安宮(觀察其修復後之木構 架情況)為現場勘查疊斗式木構架結構狀態變化之對象，現場勘查紀錄與評 述如下表 4-1 所示:
表 4-1 木構架結構狀態變化之現場勘查紀錄與評述表
位置 臺中霧峯林家現場勘查紀錄與評述
(觀察其受 921 震害之木構架損壞情形)
景薰樓組群
屋架結構受地震力從接續處鬆脫 之情形。
柱礎之型式，代表與柱之接頭型式接近 鉸接方式。
景薰樓組群
柱底端之卡榫型式及卡榫剪力破壞
情形。 屋架與柱榫接之桁梁脫落情形。
景薰樓組群
柱上部結構側向位移情形。 門架柱底端因接近鉸接而產生旋轉傾 斜情形。
景薰樓組群
屋架卡榫鬆脫情形。 屋架卡榫鬆脫情形。
景薰樓組群
短梁側向剪力破壞。 門架柱底端卡榫剪斷情形。
景薰樓組群
枋上短柱破壞情形。 以斜稱增加木構造抵抗側向橫力之 能力。
頤圃
建築整體傾倒情形，但屋瓦完整，表示 係整體構造破壞所導致。
混合式木構造可保持『強柱弱梁』之設 計理念。
位置 彰化鹿港龍山寺現場勘查紀錄與評述 (觀察其大殿屋頂拆解後之純木構架狀態)
拜殿
木構架已老化損壞。 柱與礎接合之細部。
拜殿
構材內部已遭蟲蛀損毀。 拜殿屋頂拆解後之純木構架狀態。
大殿
大殿屋頂拆解後之純木構架狀態。 大殿屋頂拆解後之純木構架狀態。
大 殿
木構架老化損壞情形。 構件毀壞情況。
大 殿
棟架拆解後仍保存良好。 榫卯毀損情況。
大 殿
榫卯毀損情況。 短柱接合之細部。
位置 雲林北港朝天宮現場勘查紀錄與評述 (觀察其即將進入整修之木構架狀況)
三 川 殿
木構架屬較飽滿紮實型構架。 木構架上彩繪已有些許脫落。
正 殿
正殿內木構架保存情況。 正殿內木構架保存情況。
檐 廊
木構架與牆體接合情況。 柱與牆體混合牆況。
位置 台北大龍峒保安宮現場勘查紀錄與評述 (觀察其修復後之木構架情況)
正 殿
木構架修復後之情形。 棟架屬較飽滿紮實形式。
前 殿
棟架屬較飽滿紮實形式。 木構架與牆體接合細部。
照明設備與梁之安置情形。 照明設備與柱體之安置情形。
照明設備之安置情形。 監視設備之安置情形。
小結:
1.臺中霧峯林家(觀察其受 921 震害之木構架損壞情形)
因臺中霧峯林家受震害後已歷經多次清理，本研究僅能以現場之殘存 環境加以勘察。除對木構架受震害之結構狀態變化(毀壞部位、毀壞模式..
等)已於表 4-1 說明外，另建議修復方式除採用相似材料或原材料修復外，
亦可考量加入新材料及新工法來加固或補強，避免相同的破壞情形再次產 生。
2.彰化鹿港龍山寺(觀察其大殿屋頂拆解後之純木構架狀態)
(1)彰化鹿港龍山寺大殿是屬於磚石木之混合構造。本研究現場勘查時 間，因正逢龍山寺的大殿屋頂進行拆解，更可明顯看出其構造型式與 毀壞情形。
(2)彰化鹿港龍山寺大殿之木構架毀壞原因主要以構材老化與蟲蛀為主。
(3)大木結構中的雀替，不難看出裝飾的成分偏多。
(4)建議再次修繕時，能針對結構方面做徹底補強，例如考慮加入隔震或 制震工法，以提升其抗震能力。
3.雲林北港朝天宮(觀察其即將進入修復之木構架狀況)
本研究現場勘查雲林北港朝天宮時，其即將進入修復，但由整體觀
之，其木構架尚難看出有毀壞或變位情形，且因木構架受香火薰黑，表面 損害情形亦難辨別。
4.台北大龍峒保安宮(觀察其修復後之木構架情況)
(1)台北大龍峒保安宮的修復含蓋整個完整的古蹟修復技術，包含現代工 程，例如蟲害工程、水電工程及景觀工程等。
(2)台北大龍峒保安宮的木構架因地震而毀傷屬少部分，主要以蟲害為 主，破壞多是在榫接部位。
(3)照明與監視設備之架設主要以固抓之方式安置，避免毀傷建築物本體。
4-2 疊斗式木構架之數值模擬分析
本研究對於疊斗式木構架進行數值模擬分析，來探討大木構架在靜力和振 態分析上的狀態，同時計算出原尺寸大木架構和縮小模型的基本週期，用以作 為後階段實驗研究基本周期識別實驗的數據參考。
一、以半剛性接頭模式模擬木構架之榫卯接合
榫接是木構架中相當特殊的構件，其結構行為相異一般的鋼筋混凝土結構 的剛性接頭(Rigid Joint)，也不同於鉸接(Hinge Joint)的行為。
而傳統木結構建築構件榫接點結構行為因為而其相接卯榫構件接頭非一 整體，外力作用下因為間隙(gap)的存在及擴大而導致構件發生相對的轉角變 位，轉角並不似鉸接自由無限制而是具有箝制作用的，仍舊承受彎矩作用，而 其就好比許多的彈簧置於間隙擔任傳遞應力工作，所以是介於鉸接和剛接的半 剛性(Semi-rigid)接頭，而會隨著榫舌磨損及角度轉動，導致構件之間的有效面 積減少，而其彎矩和剪力極易對榫舌造成破壞。
一般的構件結點行為多以輥接(Roller)、鉸接和剛接的假設來歸納簡化其分 析類型，相較於傳統木構架建築，其榫頭靠各構件榫卯的形式及作用力方向互 制而使構件成立，並無螺栓和側板等鎖件加以箝制變位並將各構件緊繫固定，
故在榫卯間留下較大間隙。而此種行為可以半剛性結點理論(Semi-Rigid Joint) 描述，也就是在各結點間加入扭轉彈簧(Torsion Spring)，如圖 4-1 和 4-2，而 基本上外力彎矩與轉角的變形轉角比值即為彈簧的勁度(K= d M /dθ) (陳鴻 毅，1992)。
圖 4-1 半剛性結點轉角變位示意圖(陳鴻毅，1992)
圖 4-2 半剛性結點理論示意圖(陳鴻毅，1992)
榫卯接頭受力後的彎矩-轉角曲線在完全剛性與理想樞接兩個極端之間，為 一個典型的半剛性行為，而國內外也有在剛結構的半剛性接頭進行研究，曾提 出多折式線性模式、多項式模式、乘冪模式、指數模式與有限元素法模式等。
而近來有學者提出接頭正切勁度模式，此模式將接頭受力後逐漸軟化的過程 中，如圖 4-3，非線性接頭的彎矩-轉角正切勁度從初始勁度 ki 開始，以指數函 數描述，並逐漸遞減到零。其方程式假設如下(閻嘉義等，1995):
kt = ki [ 1- ( M / Mu )c ] 其中 kt=接頭正切勁度
ki=接頭初始正切勁度 M=接頭極限彎矩 Mu=接頭所受彎矩
c=對應 kt 遞減率的形狀係數
而根據閻嘉義等人在 84 年於榫卯接頭的試驗研究中，對於全新榫卯、人 工缺陷榫卯進行載重試驗，其中於全新榫卯作一次試驗，而在人工缺陷榫卯則 進行多次的反覆試驗測試。
而其試驗結果如下:
1.全新榫卯
根據圖 4-4 的 a 在彎矩-轉角試驗曲線初始荷重區為線性，隨著彎矩的增加 便很快呈現非線性，且切線斜率逐漸緩和，最後遞減至零，亦即到達破壞或降 服，而接頭行為模擬所需的參數，ki 與 Mu 可由試驗曲線直接讀取，而 C 則由 調整試驗曲線與模擬曲線間的最小平方差至最小值決定，而各種接頭的曲線模 擬參數 ki 、Mu、C 值如表 4-2。
圖 4-3 接頭彎矩-轉角曲線(閻嘉義等，1995)
表 4-2 各種全新接頭之試驗曲線模擬參數值(閻嘉義等，1995)
榫卯形式 Ki(kgf-m/rad) Mu(kgf-m) C
單向直榫 289.0 11.50 1.6
單向雙榫 223.0 11.10 1.7
大併小出直榫 595.0 22.70 1.55
燕尾榫 99.1 7.50 1.65
單向搭接榫 27.0 3.60 2.35
蟻榫 239.0 7.80 2.05
公母榫 90.8 3.85 1.30
2.人工缺陷榫卯
所有人工缺陷榫卯，均進行 4 次反覆載重試驗，在第一次試驗所得的彎矩 -轉角曲線，如圖 4-5 的 a 曲線，類似全新榫卯的試驗結果，仍為仍為典型的線 性-非線性-降伏模式，但在第二、三、四次試驗時，除了初始勁度與極限彎矩 有逐漸降低外，接頭降伏後會有相當長的塑性區，但經過極大的變形後，接頭 反而會逐漸硬化。
圖 4-4 全新大併小出直榫試驗與模擬結果(閻嘉義等，1995)
圖 4-5 人工缺陷大併小出直榫試驗與模擬結果(閻嘉義等，1995)
二、疊斗式木構架之主要構件電腦模型建立
疊斗式木構架之主要構件模型建立，透過 STAAD. Pro（Structural Analysis & Design）電腦輔助設計程式來操作，是美國 net Guru 公司的 Research Engineers International 部門新一代的土木工程之鋼構混凝土設計分 析軟體。
(一)STAAD. Pro 之操作流程
STAAD. Pro 之操作流程大體可分為 4 各步驟，
首先將張廖家廟的模型透過建立模型前的條件假設，進而輸入模型建立、
之後進行靜力與動力的分析。如下圖所示：
圖 4-6 STAAD. Pro 之操作流程圖
圖形介面所見即所得的概念，藉由桿件性質、材料、載重形式、支承、節 點、桿件自由度等模型條件，建立出疊斗式木構架模型。
疊斗式木構架模型進入分析的階段，則透過靜力分析和動力分析兩個部分 來探究疊斗式木構架在兩個分析情況下的行為狀態。而其分析結果的驗證則由 靜力的各項內力圖及位移圖和動態分析的振態圖等來做檢視和探討。
(二)疊斗式木構架之主要構件電腦模型建立
本研究是為一傳統大木構架中的疊斗式木構架，該架構平面各木構架間無 任何填充體箝制各構件因外力作用所產生變位及轉角，藉由大木構架在地震力 或其他外力作用時的反應模式，以及結點受力狀況。
由於透過結構分析軟體需將結構體簡化，故須先設定本研究疊斗式木構架 之主要構件的結構體模擬條件，而其條件如下:
1.各水平及垂直構件相結合點接假設為半剛性節點(Semi-rigid Joint) ， 而因為模型建構及分析軟體 STAAD.Pro 在材料特性的設定僅能在彈性範
1.各水平及垂直構件相結合點接假設為半剛性節點(Semi-rigid Joint) ， 而因為模型建構及分析軟體 STAAD.Pro 在材料特性的設定僅能在彈性範