第五章 仿古磚牆試體之實驗
第一節 牆體實驗計畫
(一)實驗動機
古蹟暨歷史建築具有傳承歷史及文化的使命，更具有不同時空技術 及藝術多元的意義，有保存及再利用的價值。本實驗即在不破壞古蹟建 築本體之前提下，製作一仿古蹟建築之牆體，並利用施予其側向水平作 用力模擬牆體受地震力作用。以了解古蹟建築之牆體受外力前後之基本 振動週期變化為如何?
(二)實驗目的
本實驗藉由微振量測得知古蹟建築之牆體受力前後之基本振動週 期。再依據實驗之結果，探討其基本振動週期變化與結構破壞之關係，
作為診斷之參考。
二、實驗範圍
(一)混合構造古蹟暨歷史建築牆體之類型
混合構造古蹟暨歷史建築牆體之類型主要包含磚牆、土墼牆、斗仔 砌磚牆及亂石砌牆等，而各種牆體類型所佔比例多寡目前文獻上並無一 確切統計數據。由相關文獻(詳表 2-3)發現，磚牆為混合構造組合類型 中常見的牆體類型。因此，本研究考量研究之應用價值及實體製作性，
選擇混合構造組合類型中常見的磚牆為實驗之牆體類型。
圖 5-1 新埔上枋寮劉宅磚牆圖 圖 5-2 台中霧峯林家景薰樓磚牆圖
圖 5-3 台中霧峯林家景薰樓磚牆之立面圖 (二)磚牆試體之尺寸參考依據
本研究考量混合構造古蹟暨歷史建築磚牆尺寸資料的齊全、試體 之製作與研究經費許可之下，選擇以台中霧峯林家景薰樓其一之磚牆 (如圖 5-3)為製作試體之尺寸參考依據，資料不足之處則以其他相關 文獻為輔。此磚牆之尺寸為 340cm × 296cm × 33cm。磚塊之尺寸為 22cm
× 10cm × 5cm，試體磚塊數量為 2448 塊。垂直灰縫厚度為 0.9cm，水 平灰縫厚度為 0.75cm。磚牆之立面圖與剖面圖則如圖 5-4 與圖 5-5 所 示。
圖 5-4 磚牆之立面圖 圖 5-5 磚牆之剖面圖
340cm × 296cm
資料來源:見王鴻楷,台灣霧峯林家建築圖集頂厝篇(台北市:自立報系文化出版,民國 77 年)頁 153。
三、實驗規劃
本實驗內容主要是利用微振量測儀器量測混合構造古蹟暨歷史建築磚牆 之試體受人工外力前後，試體基本振動週期之變化。試體在製作完成與養護 21 天後，即利用微振量測得知初始基本振動週期為何。在建築物質量(M)不變，
側向勁度(K)與基本振動週期有 關係之假設下，試體在受人工外力 後，試體結構受到破壞，即側向勁度改變，基本振動週期也隨之產生變化。根 據觀測試體依序受不同程度人工外力下之微振量測結果，探討其基本振動週期 變化與結構破壞之關係，作為診斷混合構造古蹟暨歷史建築磚牆之參考，以達 成實驗之目的。本研究考量研究經費，茲研擬以下三個實驗執行方案，分別描 述如後。
(一)方案一(全尺寸、國家地震中心實驗):
1.磚牆試體之尺寸: 磚牆試體依台中霧峯林家景薰樓其一之磚牆原比例 製作，尺寸為 340cm × 296cm × 33cm。磚牆試體底部透過鋼板與強力 地板作接合，牆基礎部份則與以省略。
2.人工外力之施予方式 (1)設備與場地
擬向國家地震工程研究中心租借反力牆、強力地板、千斤頂、測力 計與位移計等相關設備與場地進行實驗。
(2)來回水平作用力
本方案人工外力之施予是採來回水平作用力方式，利用 80ton 施力 載重容量之油壓千斤頂(假設試體在實驗過程由橫斷面水平灰縫劈裂，
試體橫斷面面積為 33×340=11220cm2，磚牆水平灰縫抗剪強度擬為 3.56kgf/cm2，則磚牆抗剪預估值=灰縫面積×剪力強度=11220×3.56=
39943.2≈40ton，再考慮 2 倍安全係數，故選用 80ton 之施力載重容量 之油壓千斤頂)，並搭配電動油壓機以高壓軟管連接千斤頂，再藉方向 閥及壓力閥控制出油方向及施力大小，作為提供前進後退之油路控制。
K T=2π M
圖 5-6 方案一實驗圖
(3)鋼樑與植筋
本方案為使千斤頂來回施力過程中，磚牆試體上方之鋼樑與植筋 能將施加之水平力適當傳遞於試體，故將植筋之強度作如下之預估。
假設力量之傳遞方式為油壓機→千斤頂→上樑→螺桿→磚牆，植筋採 用 M12 螺桿(鋼筋材料之抗剪強度取 0.4×4200=1680kgf/cm2)，則每支 M12 螺桿所能承受之剪力(0.6)2× π × 1680=1900.03 kgf ，傳遞 40ton 破壞力之植筋數 40000/1900.03=21.05..至少 22 支。
配合施作考慮，H 型鋼樑兩側各植筋 11 支(如圖 5-7 與 5-9 所 示)，實作共 22 支。每支間距 26cm，考慮實驗過程外力可以有效傳 遞之磚牆，以及避免植筋部份之磚牆因植筋傳遞之水平力而造成植筋 附近灰縫破壞，植筋深度採取深淺交錯，兩旁較深植筋深度約 13cm，
中間較淺植筋深度約 8cm。
H 型鋼樑尺寸之選擇，因磚牆試體之厚度為 33cm，故選用 30cm × 30cm × 1.5cm × 1cm (h × b × t1 × t2 )之 H 型鋼樑(如圖 5-8 所 示)，並配合實驗於受力側加裝 1.5cm 鋼底板，以固定千斤頂與受力 計。
圖 5-7 H 型鋼樑植筋細部圖 圖 5-8 H 型鋼樑尺寸圖
圖 5-9 植筋間距與深度圖
本實驗總共安裝 4 支位移計(如圖 5-10 所示)。編號 A 與 B 位移 計用以紀錄牆體上方與下方面內位移量，編號 C 與 D 位移計則紀錄牆 體下方兩邊的翻轉量，磚牆試體變位角則如下式所示。
(5)微振量測儀器
本實驗微振量測儀器為向內政部建研所借用之日本 Tokyo Soukushin Co.Ltd 所製造型號 VSE-15D-1 之微振動感測器(如圖 5-11)，歷時記 錄系統則是 SPC-51 之攜帶型紀錄器(如圖 5-12)。
3.實驗步驟
磚牆試體變位角= 上部位移(A)-下部位移(B) 牆體高度
左側翻轉(D)-右側翻轉(C) + 牆體寬度
圖 5-10 位移計架設位置圖
位移計 A
位移計 B
位移計 C 位移計 D
千斤頂施來 回水平力
圖 5-11 微振動感測器 圖 5-12 歷時記錄系統 SPC-51
(1)製作混合構造古蹟暨歷史建築磚牆之試體，並養護 21 天。
本方案因考慮經費限制，無法製作或租借一強度夠高之反力牆(受 力後之變位極小)來進行實驗，故改以製作兩道尺寸材料皆相同之磚牆 試體，將千斤頂至於兩道磚牆試體之間(如圖 5-13 所示)，並各別量測 兩道磚牆試體受力後之位移，來進行實驗。
1.磚牆試體之尺寸: 考量經費限制，將磚牆試體之尺寸縮減為 200cm × 174cm × 33cm。磚塊之尺寸為 22cm × 10cm × 5cm，試體磚塊數量為 840 塊。
2.人工外力之施予方式 (1)設備與場地
擬向國家地震工程研究中心租借千斤頂、測力計與位移計等設備，
實驗場地則另安排於戶外空地進行實驗。
(2)來回水平作用力
本方案人工外力之施予是採來回水平作用力方式，利用 50ton 施 力載重容量之油壓千斤頂(假設試體在實驗過程由橫斷面水平灰縫劈 裂，試體橫斷面面積為 33×200=6600cm2，磚牆水平灰縫抗剪強度擬為 3.56kgf/cm2，則磚牆抗剪預估值=灰縫面積×剪力強度=6600×3.56=
23496≈24ton，再考慮 2 倍安全係數，故選用 50ton 之施力載重容量之 油壓千斤頂)，並搭配電動油壓機以高壓軟管連接千斤頂，再藉方向閥 及壓力閥控制出油方向及施力大小，作為提供前進後退之油路控制。
(3)鋼樑與植筋
圖 5-13 方案二實驗圖
本方案為使千斤頂來回施力過程中，磚牆試體上方之鋼樑與植筋 能將施加之水平力適當傳遞於試體，故將植筋之強度作如下之預估。
假設力量之傳遞方式為油壓機→千斤頂→上樑→螺桿→磚牆，植筋採用 M12 螺桿(鋼筋材料之抗剪強度取 0.4×4200=1680kgf/cm2)，則每支 M12 螺桿所能承受之剪力(0.6)2× π × 1680=1900.03 kgf ，傳遞 24ton 破 壞力之植筋數 24000/1900.03=12.63..至少 13 支。
配合施作考慮，H 型鋼樑兩側各植筋 7 支(如圖 5-14 與 5-16 所示)，
實作共 14 支。每支間距 29cm，考慮實驗過程外力可以有效傳遞之磚牆，
以及避免植筋部份之磚牆因植筋傳遞之水平力而造成植筋附近灰縫破 壞，植筋深度採取深淺交錯，兩旁較深植筋深度約 13cm，中間較淺植 筋深度約 8cm。
H 型鋼樑尺寸之選擇，因磚牆試體之厚度為 33cm，故選用 30cm × 30cm × 1.5cm × 1cm (h × b × t1 × t2 )之 H 型鋼樑(如圖 5-15 所 示)，並配合實驗於受力側加裝 1.5cm 鋼底板，以固定千斤頂與受力 計。
圖 5-14 H 型鋼樑植筋細部圖 圖 5-15 H 型鋼樑尺寸圖
圖 5-16 植筋間距與深度圖
本方案總共安裝 8 支位移計(如圖 5-17 所示)，兩道磚牆試體各 4 支分組量測。編號 A 與 B 位移計用以紀錄牆體上方與下方面內位移量，
編號 C 與 D 位移計則紀錄牆體下方兩邊的翻轉量，磚牆試體變位角則 如下式所示。
(5)微振量測儀器
微振量測儀器內容同方案一所述。
3.實驗步驟
磚牆試體變位角= 上部位移(A)-下部位移(B) 牆體高度
左側翻轉(D)-右側翻轉(C) + 牆體寬度
圖 5-17 位移計架設位置圖
位移計 A
位移計 B
位移計 C 位移計 D
千斤頂施來回水平力
(1)製作混合構造古蹟暨歷史建築磚牆之試體兩道，並養護 21 天。
1.磚牆試體之尺寸: 考量經費限制，將磚牆試體之尺寸縮減為 200cm × 174cm × 30cm。磚塊之尺寸為 20cm × 9cm × 5cm，試體磚塊數量為 900 塊，如下圖 5-18 所示。
2.人工外力之施予方式
本方案人工外力之施予，因受限於研究經費無法以國家地震中心之 反力牆或千斤頂儀器來進行實驗，本研究改以量化之人工外力來替代。
人工外力之施予方式則是利用重錘以擺動方式施力於試體上。為使試體 能均勻承受人工外力，於試體受力側加立枕木，枕木與磚牆間以灰漿固 著，枕木底部則不與地面黏著。另一側之枕木則入地 55cm，以提供側 向支撐。試體施予人工外力之方式則如下圖 5-19 所示。人工外力之施 予以不使試體產生崩塌毀壞，即質量改變為原則。
3.實驗步驟
圖 5-19 方案三實驗圖 圖 5-18 方案三試體尺寸圖
(1)製作混合構造古蹟暨歷史建築磚牆之試體，並養護 21 天。
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1.使用挖掘機開挖基礎 2.開挖體積約 250cm×60cm×60cm
3.吊立側向支撐枕木(240cm×36cm×25cm) 4.枕木下以卵石回填固定
土配比及材料行為之研究》此一研究中，曾訪談匠師了解砌紅磚牆之灰 漿配比(詳表 2-8)。本試體則選用其一作為灰漿製作參考，此灰漿材料 內容包含蠣殼灰漿泥、紅土、砂，重量配比則為 1:2.5:1.5。本試體之 磚牆施作過程紀錄則如表 5-6 所示。
1.試體所使用之紅磚(20cm×9cm×5cm) 2.將磚塊泡水與陰乾
3.灰漿材料內容 4.依灰漿配比並加適量的水扮合
5.砌磚前吊立水線以求水平垂直 6.磚牆試體開始疊砌
(續表 5-6)
7.置入固定枕木用之螺桿 8.第一天僅砌一半牆高
7.置入固定枕木用之螺桿 8.第一天僅砌一半牆高