第四章 法規及規範之新增/修訂建議
第三節 木構造建築設計及施工技術規範「CLT 專章」增
直交集成板Cross Laminated Timber(CLT)為近年來用於建造高層木建築之主 要材料，主要發源於中歐，目前則廣泛應用於世界各地。直交集成板有固碳永續、
施工快速、及加工容易等優點。我國在近幾年亦有部分以此材料設計及興建的建 築。有鑑於本木構造材料不同於以往之原木、集成材、或其他工程木材等材料，
因此，建議於木構造建築設計及施工技術規範中，增訂「CLT 專章」，以利民間 業者推廣及應用。然而，由於目前先進國家中，對於 CL 之結構設計及具體規範 均在研擬中，並且國內 CLT 之 CNS 標準並未完成。因此，本研究針對 CLT 之 設計原則及各國現有法規進行比較說明，並建議日後於規範中增訂以下章節。
第 1 章 CLT 的定義及用途 第 2 章 各國 CLT 適用規定 第 3 章 結構性能及分析原則 第 4 章 主要接合形式
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4.2.1 增訂章節概述
4.2.2 CLT 的定義及用途
CLT 為一種預製的工程木材，由不少於三層的實心鋸製材(solid-sawn lumber) 或結構複合木材(structural composite lumber)組成，其中相鄰的層是正交方向 (cross oriented)的並用結構粘合劑粘合以形成實木元件。板材之尺寸可以依設計 需求訂製。
圖 4.1 CLT 之生產及製作流程
圖 4.2 CLT 之膠合原則
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4.2.3 各國
CLT 適用規定目前各國針對 CLT 之法規大多在研擬階段，因此關於各國之 CLT 相關規定，
北美可參考 NDS、CLT Handbook 之相關規定，日本可參考 CLT 關連告示等解 說 書 、 CLT 建築施 工設計手 冊 等相關 規定 ，歐 盟則可參 考 Euro Code EN 16351:2015 Timber structures-Cross laminated timber. Requirements。
4.2.4 結構性能及分析原則
理論上，當 CLT 達到相當厚度時，可視為一組僅受面內作用之剛體，當受 到靜力側推的情況下，各獨立之 CLT 沿著底部之角隅接合(bracket connection / hold-downs)向上部進行轉動行為(rocking)，產生層間位移。由圖 4.5 中，CLT 之 基本構造系統及接合形式可知，在 CLT 產生剛體轉動行為時，靜力側推下之主 要力學傳遞模式為透過接合鐵件之變形產生抵抗靜力側推之作用力，CLT 系統 之遲滯迴圈亦主要由此部分的力學行為模式產生。整體力學傳遞機制及變形行為 可由圖 4.4 中之模擬圖表現，接合鐵件所受到之外力亦可由以下推導式得到概略 的描述。由上述 CLT 在靜力側推下之行為可知，CLT 之整體結構性能評估主要 針對 CLT 為剛體條件下進行，因此 CLT 之膠合厚度是否可有效率地提供靜力側 推情況下面外力之抵抗能力，為其重要因素。
(1)
另外，轉動行為(rocking)過程中，接合鐵件(bracket connection / hold-downs) 對於 CLT 之束制能力則影響 CLT 整體遲滯迴圈的表現，對實驗完成後之數值分 析模型的建立有著深遠的影響。然而，台灣由於無 CLT 生產工廠，材料仰賴國 外進口。因此，CLT 的長寬尺寸受到貨櫃影響甚大，長向板須由若干較短之 CLT 利用卡榫或鐵件等方式接合而成。亦即各 CLT 板材間之卡榫或鐵件接合對於各 板材間之獨立轉動行為具有束制能力，對於 CLT 在靜力側推下之遲滯迴圈的表 現有一定程度影響。
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圖 4.3 CLT壁體之基本構造系統及接合形式 [16]
圖 4.4 CLT壁體受到靜力側推之變形行為 [17]
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4.2.4.1 北美CLT 結構設計原則
目前大多數國家對於 CLT 的強度模擬方法為根據實驗結果，建立數值分析 模擬模型，用以模擬 CLT 之遲滯迴圈行為，檢證數值模擬與實驗結果之差異，
得到合理的模擬結果應用於建築結構設計上。在北美的 CLT 結構設計上，根據 CLT Handbook 2013 US Edition，透過 32 組不同高寬比、不同接合件之形式等進 行牆體在靜力加載下之側推實驗，藉此得到在不同高寬比、不同接合件等條件下 之牆體降伏強度、降伏變形、極限強度、極限變形等資訊。並透過數值模擬的方 式檢證模型與實驗結果之吻合度(圖 4.6)，藉以得到接合部強度及結構計算時之 基礎數據。
圖 4.5 CLT 實驗與理論之比較分析(Popovski et al. 2010)
依據 ASTM E-2126-11 建築結構剪斷抵抗之循加載試驗，分別有單一水平加 載試驗(Monotonic)和反覆水平加載試驗(Cyclic)，加載速度為 2.57mm/s。單一水 平加載試驗紀錄最大載重(Maximum absolute load , Ppeak)、最終加載(Ultimate displacement, Pu)、最大加載位移(Maximum absolute displacement , Δpeak)和最終 位移(Ultimate displacement, monotonic,Δm)，最終位移為加載值下降至最大值之 80%為止(Pu ≥ 0.8 Ppeak)，最終位移為反覆加載之參考。ASTM E-2126-11 中之反 覆加載方法(Cyclic testing protocols)分別為 Method B 和 Method C。
Method B(ISO 16670)之各階段振幅與試驗次數如表 4-4 所示，包含兩種逐步 增加位移振幅之位移型態，圖 4.5 為反覆加載位移階段與增加比例示意圖。第一
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型態中，循環之振幅增加量為最終位移量(Δm)之 1.25%、2.5%、5%、7.5%與 10%，
即達到最終位移之 0.1Δmj 為止，每階段反覆施力一次。第二型態中，振幅為最 大振幅之 20%、40%、60%、80%與 100%。第八施力階段後，每階段振幅持續增 加 20%Δm，直至牆面最大載重值下降至 80%為止。
Method C(CUREE, Consortium of Universities for Reserach in Earthquake Engineering)，各階段振幅與試驗次數如表 4-5 所示，包含四種逐步增加位移振幅 之位移型態，圖 4.6 為反覆載重位移階段與增加比例示意圖。第一型態中，其循 環之振幅增加量為最終位移量(Δm)之 5%共反覆 5 次；第二型態開始為一主震 位移和數個 75%主震振幅位移，主震振幅為最終位移量之 7.5%和 10%，包含主 震共反覆 7 次；第三型態主震振幅為重中位移量之 20%和 30%，包含主震共反 覆 4 次；第四型態主震振幅為最終位移量之 40%、70%和 150%，包含主震共反 覆 3 次，直至牆面最大加載值下降至 80%為止，試驗過程記錄每次施力階段最大 加載。
圖 4.6 ASTM E-2126-11 反覆加載方法示意圖 (ISO16670)
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表 4.3 ASTM E-2126-11 反覆加載-位移關係 (ISO16670)
Pattern Step Minimum nuber of cycles Amplitude Δm(%)
1 1 6 5
2 2 7 7.5
3 7 10
3 4 4 20
5 4 30
4 6 3 40
7 3 70
8 3 100
9 3 150(100+100α)
10 3 Additional increments of 100α (Until specimen failure) α≦0.5
圖 4.7 ASTM E-2126-11 反覆加載方法示意圖(CUREE)
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表 4.4 ASTM E-2126-11 反覆加載-位移關係 (CUREE)
Pattern Step Minimum nuber of cycles Amplitude Δm(%)
1 1 6 5
2 2 7 7.5
3 7 10
3 4 4 20
5 4 30
4 6 3 40
7 3 70
8 3 100
9 3 150(100+100α)
10 3 Additional increments of 100α (Until specimen failure) α≦0.5
試驗過程記錄各加載階段之最大載重，並計算破壞時之剪斷強度 (Shear strength, vpeak) (公式 2 )，以及 0.4Ppeak和Ppeak之剪斷模數 (Shear modulus,G’) (公 式 3 )、彈性限界內之剪斷剛性 (Elastic shear stiffness,Ke) (公式 4) 和降伏強度 (Yield load,Pyield) (公式 5 )。
(2)
vpeak為剪斷長度；Ppeak為最大破壞載重；L 為結構牆寬度。
(3)
P 與∆分別為每階段循環最大載重之 40％、60％與相對應之變位量；H 為結 構牆之高；L 為結構牆之寬度。
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(4)
(5)
如果 ，則𝑃𝑦𝑖𝑒𝑙𝑑=0.85𝑃𝑝𝑒𝑎𝑘
𝑃𝑦𝑖𝑒𝑙𝑑為降伏強度(N)；A 為位移由 0 至∆𝑢之載重位移面積(N．m)；∆𝑒之彈性界
限內之位移(0.4𝑃𝑝𝑒𝑎𝑘)。
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4.2.4.2 日本CLT 結構設計原則
在日本的CLT 設計上，主要引用「日本住宅･木材技術センター」及「一 般社團法人CLT 協會」所制訂發行的 CLT 關連告示等解說書及 CLT 建築物之 施工手冊，其中亦透過不同高寬比、不同接合件之形式等之CLT 牆體，在靜力 加載下之側推實驗，藉此得到在不同高寬比、不同接合件等條件下之牆體降伏 強度、降伏變形、極限強度、極限變形等資訊。並將此資訊進行規格化的制式 表列(如圖 4.8 及圖 4.9 所示)，藉以提供設計者結構設計上之強度資料。
然而除了以上所提及之表列規格化結構強度估算表之外，根據「日本住宅･
木材技術センター」所制訂容許應力設計法之彈塑性模型推算法，亦可根據以下 四種方式推算 CLT 之分析模型的降伏點，以推算方式中求得之降伏點最小值為 理論值。此外，除了上述四種方法外，亦可利用加載-變形之遲滯迴圈所包覆之包 絡線進行推導求得完全彈塑性模型之降伏耐力，如圖 所示。利用容許應力設計 法之彈塑性模型推算法所求得CLT 不同組構條件加載下之降伏耐力值(彈性階段) 及極限耐力值(塑性階段)後，將彈塑性曲線代入結構分析軟體建立分析模型，進 行非線性靜力推覆分析(Pushover) ，得到實驗結果及理論推導式下之模擬結果檢 證，提供設計單位或未來法規制定上之參考依據。
(a) 降伏耐力Py (當試體有明顯降伏點時) (b) 最大變形耐力Pu=0.2√(2μ－1) (c) 最大耐力Pmax*2/3
(d) 變形角 1/120rad 時之耐力
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實驗方法根據日本工業規格 JIS (Japanese Industrial Standards)制定之木造軸 組構法之耐力壁試驗法進行靜力側推。壁體尺寸分為壁寬1000mm、2000mm 及 3000mm 三種，高度固定為 2730mm。木造軸組構法之耐力壁試驗法中，靜力側 推之正負變位角分別為 1/450、1/300、1/200、1/150、1/100、1/75、1/50rad，同 一變位角需進行3 次的正負加載試驗。試驗過程中，當通過變位角 1/50 rad 後，
並達到最大試驗荷載之80%的載重階段時實驗則可視為完成。然而原則上，最大 變位角加載至1/15 rad 之變形狀況為最終目標。
試驗過程中之主要考察項目，除了加載與變形間之關係外，加載-變形之遲 滯迴圈所形成之包絡線、試驗中試體及鐵件接合部之破壞行為等均是記錄重點項 目。另外，變位角控制及計算方法，可依位移計分布之位置及 CLT 受面內作用 時之剪力變形行為（γ）、CLT 角隅轉動變形角(θ)之關係，進而求得 CLT 之層 間變位。
剪力變形
γ＝（δ１－δ２）／Ｈ (6) 角隅轉動變形角θ
θ＝（δ３－δ４）／Ｗ
(7) 層間變位角 γ0
γ0＝γ－θ
(8)
其中，δ１：頂部之水平變位(mm) （變位計H1）
δ２：角隅部之水平變位(mm) （變位計H2）
Ｈ：變位計H1及H2間之距離(mm)
δ３：角隅部之鉛直方向變位(mm) （變位計V3）
δ４：角隅部之鉛直方向變位(mm) （變位計V4）
Ｖ：變位計 V3 及 V4 間之距離(mm)
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(a) JIS 耐力壁試驗法靜力側推加載方式
(b) 利用包絡線求得完全彈塑性模型之降伏耐力之方法
圖 4.8 日本 CLT 實驗方法及彈塑性模型之求取
1/450 1/300 1/200
1/150
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4.2.5 主要接合形式
由於 CLT 結構主要由接合鐵件進行各板材間的接合，並透過接合鐵件傳遞 CLT 板間所產生的內力，因此接合鐵件的形式對於整體結構表現及強度有著深 遠的影響。當牆板用來承受水平作用力時，參考北美、歐洲、日本等，對於牆體 在水平作用力的評估標準，其強度及性能依 ASTM E-2126-11、ISO16670、JIS 等 方法進行試驗並取得證明者，其試驗結果適用於 CLT 牆板設計。各板材或其他 部位接合部通過上述 ASTM、ISO、JIS、JAS 等試驗標準，試驗結果則適用於 CLT 之結構設計。其中，北美 CLT Handbook US Edition、以及日本 CLT 建築施工設 計手冊等，已透過上述之實驗方法，將部分制式工法之接合形式及強度估算進行 整理。本研究參考北美 CLT Handbook US Edition、以及日本 CLT 建築施工設計 手冊，將 CLT 建築中主要部位的接合形式整理如下以供參考。
圖4.9(a) Floor to Floor 主要接合形式
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圖4.9(b) Wall to Floor 主要接合形式
圖4.9(c) Wall to Floor 主要接合形式
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圖4.9(d) Wall to Floor 主要接合形式
圖4.9(e) Wall to Floor(Platform System)主要接合形式
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圖4.9(f) Wall to Floor(Ballon System)主要接合形式
圖4.9(g) Roof to Wall 主要接合形式
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圖4.9(h) Wall to Foundation 主要接合形式
圖4.9(i) Wall to Foundation 主要接合形式
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圖4.9(j) Wall to Foundation 主要接合形式
圖 4.9 北美CLT Handbook中主要接合形式
日本 CLT 建築施工設計手冊，將 CLT 建築中主要部位的接合形式以及接合 部的設計強度值，以荷重-變形關係呈現接合部之完全彈塑性行為。本研究將參 考文獻中之制式工法及設計強度整理如下。