台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章
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3.2.2 木材基礎物理性質實驗
(1)木材密度試驗法(Wood - determination of density for physical and mechanical tests)
木材因含水率改變時，它的重量及容積均會改變，因此密度是會依含水率而 異，故在表示木材密度時需將它的含水率明示。密度種類依含水率之不同而區分 為以下四種：
一. 絕乾比重(Specific gravity in oven dry)
γ
0 = W0/V0 ………(公式 1)─────────────────────────────────────────
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三. 生材比重(Specific gravity in green)
γ
g=Wg/Vg ………(公式 3) Wg：為生材重量Vg：為生材體積
依生材含水率不同而異之值，且在含水率超過 35％以上時，生材體積就不 再依含水率而有變化。
四. 容積密度(bulk debsity)
R = W
0/Vg (g/cm3) ………(公式 4)(2)木材抗壓試驗法(Wood - determination of compression properties)
木材的抗壓性質非常重要，依木紋方向以及施壓面積之不同，依據木材抗壓 試驗法(CNS 總號 453 類號 O2004)，抗壓強度可分為下面三種：
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1. 縱向抗壓強度(圖 3-5)：外力方向與纖維走向互相平行，杉木氣乾狀態之縱向 木理壓縮強度約300～700 kgf/cm2。
Ec = σ /ε= (l / l△) * ( P /△ A) ………(公式 5) σc = Pm/A ………(公式 6) Ec：縱向抗壓彈性模數(MPa) (kgf/cm2)
σc：縱向抗壓強度(kgf/cm2) Pm：最大載重(N)
A：斷面積(mm2) P(施力)
l：標點距離(mm)
木材試體
木纖維方向
P (施力)
圖3-5 縱向抗壓強度
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2. 橫向抗壓強度(圖 3-6)：外力方向與木理走向垂直，強度甚小且劈裂性大，可 分為徑向與弦向壓縮及載重方向與年輪角度成00～900者。
Ec90 =σ /ε= (l / l) * ( P / A)△ △ ………(公式 7) σc90 = P m/A………(公式 8)
Ec90：橫向抗壓彈性模數(MPa) (kgf/cm2) σc90：橫向抗壓強度(kgf/cm2)
Pm：最大載重(N)
A：斷面積(mm2) P(施力)
l：標點距離(mm)
木材試體
木纖維方向
P(施力)
圖3-6 橫向抗壓強度
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(3)木材抗彎試驗法(圖 3-7)(Wood - determination of static bending properties) 木材的抗彎性質測定：依據 CNS 木材抗彎試驗法(CNS 總號 454 類號 O2005)，試體之寬度及厚度必須小於長度之 1/14，再以一定之變形速度破壞試 體，評估其最大載重(Pm)及彈性模數(MOE)
MOE = P * l △ 3 /( 4 y * a * h△ 3) ………(公式 9) MOR = 3Pm * l /(a * h2) ………(公式 10) MOE：抗彎彈性模數(MPa)(kgf/cm2)
MOR：抗彎強度(MPa)(kgf/cm2) Pm：最大載重(N)
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(4)木材平行纖維方向剪力試驗法(圖 3-8)(Wood - determination of ultimate shearing stress parallel to grain)
木材平行纖維方向抗剪性質測定：木材平行纖維方向沿著徑切面或弦切面，
施加逐漸增大之抗壓載重，以測計平行纖維方向之剪力強度。
τw = Pm/2A………(公式 11) τw：剪力強度(MPa)
Pm：最大載重(N) A：斷面積(mm2)
P(施力)
剪斷面A
支點 支點
圖3-8 木材平行纖維方向剪力試驗
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3.2.3 實驗結果
(1) 木材密度試驗法 (Wood - determination of density for physical and mechanical tests)
依據 CNS 木材密度試驗法(CNS 總號 451 類號 O2002)，本研究採用絕乾比 重(Specific gravity in oven dry)來取得材料之密度。實驗步驟如下(圖 3-9)：
1.先製作邊長皆為 3cm 之材料的立方體 10 個 2.量秤空鐵盤之重量
3.秤取材料及鐵盤總重
4.放進循環式烘箱烘乾(溫度設定為 110 度，烘乾 24 小時)
5.從循環式烘箱取出在秤重一次
圖3-9 密度試驗
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實驗結果如下表3-2
表 3-1 密度試驗量秤之重量表
空鐵盤 烘乾前 烘乾後
量秤重量 396 g 493 g 474 g
量秤重-鐵盤重 97 g 78 g
故代入公式1，得到材料密度為：
W0 = 78 (g) V0 = 27 (mm3)
γ
0 = W0/V0= 78*10
-3/(27*10-6*10) = 288.889 kg/m3台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章
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(2) 木材抗壓試驗法(Wood - determination of compression properties)
依據木材抗壓試驗法(CNS 總號 453 類號 O2004)規定，木材抗壓試驗邊長介 於20-40mm，高度介於 2-4 倍之邊長。
1.縱向抗壓試體之邊長為 30mm，高度為 60mm，故受壓面積 A=900mm2。 2.橫向抗壓試體之邊長為 25mm，高度為 50mm，故受壓面積 A=625mm2。 實驗結果如下：
：
圖3-10 縱向抗壓
圖3-11 橫向抗壓
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1.縱向抗壓強度(圖 3-12)：
圖3-12 縱向抗壓應力-位移
圖3-13 縱向抗壓應力-位移(線性)
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根據圖3-12 並代入公式 6，求得縱向抗壓強度，計算如下：
A = 900 mm2 Pm = 22.54(KN) σc = Pm/A
= 22.54*1000/900 = 25.04 (MPa)
根據圖3-13 並代入公式 5，求得縱向抗壓彈性模數，計算如下：
l = 30(mm)
P/ l = 50.95△ △ (KN/mm) Ec = ( P * l )/( l * A)△ △ = 50.395*1000*30/900 = 1698.333 (MPa)
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2.橫向抗壓強度(圖 3-14)：
圖3-14 橫向抗壓應力-位移
圖3-15 橫向抗壓應力-位移(線性)
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根據圖3-14 並代入公式 8，求得橫向抗壓強度，計算如下：
A = 625 mm2 Pm = 1.8(KN) σc = Pm/A
= 1.8*1000/625 = 2.88 (MPa)
根據圖3-15 並代入公式 7，求得橫向抗壓彈性模數，計算如下：
l = 25(mm)
P/ l = 1.204△ △ (KN/mm) Ec = ( P * l )/( l * A)△ △ = 1.204*1000*25/625 = 48.16 (MPa)
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(3) 木材抗彎試驗法(Wood - determination of static bending properties)
依據木材抗彎試驗法(CNS 總號 454 類號 O2005)，木材抗彎試驗之試體邊長 介於20-40mm 之間，支點跨距必須大於邊長之 14 倍，且試體長度必須大於支點 跨距的2 倍邊長。故本試驗之支點跨距為 450mm，施力點距離為 150mm。而試 體之邊長皆為30mm，長度為 60mm。實驗結果如下：
圖3-16 抗彎試驗
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圖3-17 抗彎試驗應力-位移
圖3-18 抗彎試驗應力-位移(線性)
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根據圖3-17 並代入公式 10，求得抗彎強度(破壞係數)(MPa) ，計算如下：
a = 30 (mm) h = 30 (mm) l = 450 (mm) Pm = 2.5 (KN)
MOR// = 3Pm * l /(a * h2)
= 3*2.5*1000*450/(30*302) = 125 (MPa)
根據圖3-18 並代入公式 9，求得抗彎彈性模數(MPa) ，計算如下：
P/ y = 0.289 (KN/mm)
△ △
MOE// = P * l △ 3 /( 4 y * a * h△ 3) = 0.289*1000*4503/(4*30*303) = 8128.125 (MPa)
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(4) 木材平行纖維方向剪力試驗法(Wood - Determination of ultimate shearing stress parallel to grain)
木材平行纖維方向剪力之試驗(圖 3-19)，試體受壓面積為 30mm*30mm，剪 斷面積為30mm*30mm*2。實驗結果如下：
圖3-19 木材平行纖維方向剪力試驗
圖3-20 平行纖維方向剪力試驗應力-位移
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圖3-21 平行纖維方向剪力試驗應力-位移(線性)
根據圖3-20 並代入公式 11，求得平行纖維方向剪力強度，計算如下：
A = 900(mm2) Pm /2 = 1.1 (KN)
τw = Pm/2A
= 1.1*1000/900 = 1.222 (MPa)
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