第二章 研究成果與整合
2.1 建築組件、材料及耐候耐久實驗室實驗設施建置規劃研究
2.1.1 實驗室空間配置
「建築材料與組件實驗群」包含三大類型實驗室依序如下：(一)建 築組件實驗室，(二)建築材料實驗室，(三)建築材料耐候耐久實驗室。其 空間配置參見表2.1 及圖 2.1~2.7 所示。有關第一期發包土建工程(不含大 型力學實驗室)之相關平面設計圖請參見附錄一。
表2.1 實驗室空間配置
實驗室類型 室別 面積(m2) 樓層
大型力學組件實驗室 781.2 1F
控制室 82.8 1F
儀器校正室 17.14 1F
建築組件實驗室
工具儲藏室 27.6 1F
恆溫恆濕室 65.7 BF
養護室 61.59 BF
一般力學物理實驗室(一) 146.63 1F 一般力學物理實驗室(二) 108.99 1F
裝修材料實驗室 117.3 1F
水性能實驗室 62.07 1F
切割室 57.89 1F
木質材料實驗室 179.37 2F
非破壞性實驗室 87.98 2F
建築材料實驗室
電子顯微鏡研究室 55.58 2F
耐凍、耐朽實驗室 113.47 2F
圖2.1 實驗室建物平面配置圖
圖2.2 實驗室地下室空間配置平面圖
圖2.3 實驗室一樓空間配置平面圖
圖2.4 實驗室二樓空間配置平面圖
圖2.5 實驗室三樓空間配置平面圖
圖2.6 實驗室四樓空間配置平面圖
圖2.7 實驗室五樓空間配置平面圖
2.1.2 實驗儀器及設備
目前國內已經有許多大型力學實驗室，包含各大專院校結構實驗 室，以及財團法人國家實驗研究院國家地震工程研究中心，這些實驗室 已經提供給各學術單位試驗研究的設備與場所的部分需求。規劃設立一 個在國內可以領導前掄的新研究實驗室必須先完整瞭解整個現況，再針 對各個現有實驗室的問題與缺失進行探討，根據前人的調查結果顯示，
國內現有勉強可進行與建築材料相關實驗之儀器設備不僅重複性高，且 多半以土木材料實驗為主，部分研究單位或廠商之實驗室雖擁有較特殊 之設備，但收取費用高昂或不輕易外借與支援實驗。
各計畫所規劃之實驗儀器設備皆由主持人敦聘國內具相關實驗經 驗之專家，組成一任務編組研究群舉行密集專家學者座談與諮詢，儘量 以使用者觀點作為將來實驗室規劃設計作出發點，同時亦須兼顧在土建 工程施工方面的可行性。針對不同之實驗室所規劃的實驗儀器設備分別 敘述如2.1.2.1~2.1.2.3。
2.1.2.1 建築組件實驗室實驗設施建置規劃研究
2.1.2.1.1 大型力學組件實驗室設備規格、數量與價格
(一)反力牆與强力地板
反力牆及強力地板實驗系統，除了可提供一般傳統的大型結構靜 態試驗 ( quasi-static tests)或反覆載重試驗(cyclic loading tests )外，更可以 完 成 一 般 結 構 物 之 大 比 例 尺 ， 甚 至 實 尺 寸 的 大 型 擬 動 態 試 驗 (pseudo-dynamic tests )。其中利用反力牆與強力地板進行擬動試驗可以 克服振動台試驗中所會遇到的困難，例如過大質量的試體可能與振動 台產生互制效應，或者是原型結構與和縮尺後的模型結構彼此之間所 存在之動態模擬與材料模擬上的困難。對於一般的結構試驗而言，反 力牆可以用來固定油壓致動伺服器（簡稱油壓致動器），並在油壓致 動器施力時提供反力作用；而強力地板則用來錨固試體，以防止試體 的移動或轉動。除此之外，在進行結構試驗時，更希望反力牆與及強 力地板不會產生任何的變形或位移。為達到此一目的，反力牆及強力 地板就必須建造成具有非常強大的勁度與強度。
儘管目前多數大專院校的大型力學實驗室均有反力牆與强力地 板的配置，基於實驗場地運用與大部分的實驗需求考量下，在經由數 次的專家諮詢及建築研究所的團隊討論之後，決定在本計畫之大型力 學實驗室中建置反力牆與强力地板。反力牆的型式可分為兩種：單翼 型與雙翼型，單翼型反力牆的優點為牆厚度較薄，對於空間較小之實
驗場地而言，可較有效地運用空間，缺點在於總勁度較差，施工時常 正、3. 荷重計(Loadcell)之校正、4.各種構材組件之強度測試。前三項 的試驗或校正工作，國內現有的設備都可以負擔，但是對於構材組件
2.8 及 2.9 所示，萬能材料試驗機規格如表 2.3 所示。
圖2.8 連福橡膠製品公司 6000 噸萬能材料試驗機
圖2.9 連福橡膠製品公司 6000 噸萬能材料試驗機尺寸圖 表2.3 連福橡膠製品公司 6000 噸萬能材料試驗機規格表
規格 垂直最大出力 6000 ton 垂直最大行程 500 mm 垂直最大速度 25 mm/min 側壓最大出力 500 ton 側壓最大行程 2000 mm 側壓最大速度 25 mm/min
上工作台面 2000 x 2000 mm2
主機開口 1500 mm
下工作台面 2000 x 2000 mm2 下工作台移動距離 2000 mm
由規格表(表 2.3)中可以知道，雖然該萬能材料試驗機最大抗壓能 機上方兩夾具之間，藉由下方横軛( cross head)往下移動，安裝於上方 之試體即承受拉力；同理，進行壓力試驗時，試體安裝於横軛與强力
圖2.10 美國 UC Berkeley 2000 噸萬能材料試驗機
2.日本 Public Works on Research Institute (PWRI) 實驗室
位於日本筑波市之 PWRI 實驗室，是一個專門進行土木建築結構 方面力學試驗的實驗室。如圖2.11 所示，該萬能材料實驗機之抗壓能 量為 3000 噸，抗拉能量為 1000 噸，可對同一試體進行拉力與壓力之 反覆載重試驗。在萬能材料試驗機四支結構鋼柱旁有四支螺芽鋼棒，
藉由四支螺芽鋼棒的旋轉可以使橫軛升降到升降高程內任意的位 置，螺芽鋼棒如圖2.12 所示，橫軛可升降的最大高程為 15m，因此在 橫軛升降的範圍內，任何高度的試體皆可以進行試驗，試體安裝時，
在主結構上有一工作平台，如圖2.13 所示，工作平台可藉由實驗場天 車吊至適當高程，讓工作人員站在平台上架設量測儀器以及輔助試體 之架設工作。此外，萬能材料試驗機外側有兩正交方向之滑車軌道，
如圖 2.14 及 2.15 所示，可藉由軌道上之滑車將試體運送進萬能試驗 機安裝。滑車除了運送試體的功能外，若要進行梁受三點載重之彎矩 試驗，萬能試驗機軌道兩旁之兩台滑車可作為梁之支點，而由萬能試 驗機施壓力於梁上，藉此模擬簡支梁之受彎矩行為。兩旁軌道之間距 離為 30m，故可進行實尺寸梁之彎矩試驗，為了進行梁彎矩試驗，在 進行試驗的方向地板需要經過特別的設計，以抵抗萬能材料試驗機之
壓力。此機種是一台多功能的萬能材料試驗機，規格如圖2.16 與表 2.5 所示。
圖2.12 升降橫軛之螺芽鋼棒
圖2.11 日本 PWRI 3000 噸萬能材料試驗機 圖 2.13 方便工作人員進行作業之工作平台
圖2.14 萬能材料試驗機兩側之滑車軌道 圖2.15 萬能材料試驗機兩側之滑車
圖2.16 日本 PWRI 3000 噸萬能材料試驗機尺寸圖
表2.5 日本 PWRI 3000 噸萬能材料試驗機規格表
進行梁三點彎矩試驗之功能，將會佔去實驗室極大的用地空間，故規
不可行。
在CASE2 中，本研究團隊與日本廠商 shimadzu 以及美國廠商 MTS 接洽，該廠商雖然有許多實務經驗，但是基於保護日本相關產業技 術，所提出的價格與建研所預期差距太大，使本研究團隊感到萬分的 無奈與遺憾；美國廠商則表示 PWRI 系統之萬能材料試驗機，其昂貴 之處在於四支升降横軛用之螺芽鋼棒，因此MTS 開出之報價亦不在可 接受的範圍之內，至此，若不考慮更改主架構系統(及横軛之移動方 式)，則 CASE2 幾乎確定不可行。
在CASE3 中，本研究團隊與連結機械公司接洽，該公司技術人員 表示有能力製造，且採用的方式與 PWRI 以及連福橡膠製品公司不同 之機械系統，其横軛亦可做升降至試體安裝之最佳高度，但是是採用 跳躍式而非連續式之升降模式，亦即無論是上升或是下降，都必須以 最小單位(約 1m)做移動，無法像 PWRI 之螺芽鋼棒可將横軛升降至任 意的位置，雖然功能性較差，但亦屬於可接受之範圍，且其報價亦屬 合理，目前仍在與連結機械公司做進一步之接洽，等待其設計以及進 一步之詳細報價。連結機械公司設計之萬能材料試驗機如圖2.18 所示。
圖2.18 連結機械公司設計之萬能材料試驗機
其主要規格為：
(1)最大開距 15m（不含工作台車）。
(2)升降工作平台行程 11m，離地面最低位 3m。
(3)升降工作平台最大荷重 1000kg。
(4)有兩組移動或伸縮步道至中央工作區。
(5)移動式台車馬達驅動行程 6m。
(6)台車可抗壓 3000 噸，但不供拉伸作業。
(7)台車可載重 100 噸。
(8)主壓缸升降滑動移動量 2m。
(9)從地面上 2m 處至 15m 高度內移動間距單位為 1m。
(10)升降速度一秒 10mm。
在CASE4 中，本研究團隊與美國廠商 MTS 接洽，MTS 公司採用四 支鍍鉻圓柱導桿以輔助横軛之升降，當横軛移動至適當實驗位置時可 利用油壓系統加以鎖固，相關機械原理已有專人負責向本研究團隊進 行詳細之報告，由於不必採用類似日本 PWRI 之螺芽鋼棒之升降與固 定方式，故其報價尚有商談之空間。本研究團隊與MTS 正積極做進一 步之洽談。其所提出之規格如下所述：
(1)可測試試體之最大高度不可小於 15 m，可利用移動式之橫軛配合試 驗試體高度做調整，調整高程為3~15 m。
(2)構架的四根導桿水平淨間距為 3 m x 1.23 m。
(3)構架的軸向勁度為 4,201 kN/mm。
(4)構架底部底板尺寸為 2.8 m x 2.8 m，配有間隔 400 mm 的孔洞讓螺桿 穿過以固定實驗試體，在底板以下(即基礎部分)有一淨高 2 m 的工作 空間供人員工作。
(5)橫軛採油壓系統負責控制升降及定位，並在試驗機近距離範圍內配 置一控制面板以便於掌控。
(6)裝設於橫軛的油壓致動器滿足以下條件：
(a)壓力能量為 30 MN，拉力能量為 20 MN。
(b)拉力及壓力反覆加載中無間隙及鬆動現象。
(c)位移容量為 1000 mm。
(d)油壓伺服閥(servovalve)具備三階且流量 940 l/min 的特性，且可因應 日後之動態需求升級。針對所有不同規格的油壓伺服閥需提供其 對應之性能曲線圖。。
(e) 提供油壓分歧座(HSM)負責控制油壓開關及高低壓力的調整。
選擇配件如下所述：
(1)一組(兩個)抗壓接合板，上抗壓接合板接合於油壓致動器軸端，下 抗壓接合板接合於底板上，其中在上抗壓接合板包含有一球座軸 承，採特殊包覆以減低摩擦力。
(2)設計一便於工作人員安裝試件及觀察試驗之可自由升降平台。
(2)設計一便於工作人員安裝試件及觀察試驗之可自由升降平台。