第五章 結構接點實驗與分析
第二節 穿斗式木接點足尺力學實驗計畫
不論在國內或是國外，多數的研究大多將木造接點視為鉸接
（hinge joints），即使在國外亦僅少數研究者針對木造接點之旋轉 勁度進行研究。事實上在現實世界裡並不存在完全剛接（rigid joints）及鉸接，穿斗式接點力學行為亦不例外，其力學行為介於純
將木造接點依照構件間的接續方式可分為利用金屬構件相接及 用榫卯系統相接，國外針對木造接點的研究數量雖不少，但大多集中 在金屬構件相接部分，其原因為現代木結構的構件間大多利用金屬構 件相接。而利用榫卯系統相接的研究大多集中在日本，且多針對日本 傳統建築物接點系統。在研究的力學行為方面，國外大多集中在破壞 模式上，針對接點的旋轉勁度的研究亦相當稀少。國內現今針對傳統 大木構造接點的力學行為之研究相當的少，且試體數量亦不足以說明 分析木造接點的旋轉勁度，為了使日後相關人員得以直接評估木造接 點的旋轉勁度，本研究考慮適當的實驗設計法及配合足夠的試體數 量，暨能瞭解影響穿斗式木構架接點的因子，及該因子的影響程度，
有了這樣的資料後可使我們日後直接在現場評估穿斗式木造接點的 旋轉勁度。
在實驗方法方面，一般實驗計畫法可分為四種：（1）試誤法
（trial-and-error）；（2）一次一因子法（one-factor-at-a-time）；
（3）全因子法（full-factorial-experiments），及（4）田口式直 交法（Taguchi’s orthogonal arrays）。試誤法乃憑個人的經驗及 直覺，選擇一組設計參數，若實驗結果可以接受即可。這樣的方法太 過依賴個人經驗，有時候很有效率，有時則非常沒有效率，是一個較 沒有系統性的實驗法。一次一因子法是常常被使用的方法，亦即每一 次實驗只變動一個因子，再一次求出各個因子的效應。這樣的方法有 一個明顯的缺失，亦即該方法所求得的因子效應是在某一種偏見
（bias）下所評估出來的。全因子法考慮了所有因子的可能排列，依 次加以進行試驗，這樣的方法的好處是可以完全去除一次一因子法的 偏見，但是這樣的方法亦有相當的缺點，即實驗量往往很大，例如欲 討論 7 個因子，其中有 6 個因子有三種可能性，一種因子有 2 種可能 性，則需要進行 1458 次試驗，顯然是相當沒有效率的。田口式直交 表法乃利用田口玄一博士所設計的直交表進行試驗，是一種部分因子 法（Fractional Factorial Method），此種試驗方法的好處在於可以 用較少的實驗次數來獲得有用的統計資訊，其缺點在於無法完全消除
的了。上述四種實驗方法大部分皆採用於工業界產品的製程上，但是 亦可使用於討論各種影響因子與品質特性的關係。
不論採用上述何種實驗設計法，首先必須先訂出可能會影響接 點旋轉勁度的影響因子。經過仔細考慮後，明顯影響穿斗式接點的旋 轉勁度之因子包括接點材種、穿的連接形式、穿材與柱接觸的面積、
樑與柱的彈性模數等，其他可能會影響的包括柱的殘餘面積，將上述 影響因子的訂定分類繪製如圖 5-3 的魚骨圖中，樑柱接點剖面如圖 5-4 所示，個別因子的影響將在後面說明。
圖 5-3 影響因子魚骨圖
接點旋轉勁度 柱深度（D）
穿材寬度（C）
穿材深度（B）
柱寬度（A）
柱斷面形式 穿材連接形式
幾何因子
接點材種
樑逆紋彈性模數 柱順紋彈性模數 材料因子
可見的
不可見的
穿材寬度
穿材深度
柱深度 柱寬度
圖 5-4 樑柱接點剖面
穿材連接形式：在解體調查南投張宅後發現，穿材在穿進柱的部 分（無法目視到的部分）形式可分為三種，包括：
(1)連續構件；(2)斷開成兩段僅接觸，及(3)斷開且 做燕尾榫相接。此三種連接形式不但會影響接點的 旋轉勁度，亦可能會影響接點的破壞模式。
柱的斷面形狀：在經過現場調查後可發現，柱的斷面主要可分為 圓形斷面及方形斷面兩種，柱斷面形狀是否會影響 接點的旋轉勁度至今仍無法確定。
穿材深度及寬度：穿材插入柱後，接觸面積為柱寬度與穿材寬度 的乘積。在一般的概念中，梁深及梁寬越大，則旋 轉勁度越大，唯其影響為何尚不知道，因此將此兩 個因子分開討論。
柱的深度及寬度：在一般的概念中，柱深及柱寬越大，則旋轉勁 度越大，為討論其影響，亦將此兩個因子列入討論。
樑與柱的彈性模數：木材是一種相當複雜的材料，由於自然構造 因素，使其彈性模數變化相當大。對於穿斗式木接 點而言，柱與穿接觸的彈性模數又有相當大的差
往往相差 20 倍左右。經研判，彈性模數會強烈影響 木造接點的旋轉勁度，一般而言應將之列入討論因 子。前置研究針對 60 組試體進行彈性模數試驗，發 現這些試體的平均彈性模數為 78500kg/cm2，標準差 為 13000kg/cm2，也就是說，約有 95％的試體其彈性 模數介於 53000 kg/cm2至 104000 kg/cm2之間。由此 可知到，在進行實驗時，要控制木材的彈性模數是 相當困難的，有可能在一批木料中，僅有 5％的木料 可以使用，在本研究中決定將之視為干擾因子，而 不予控制。
接點材種：現存古蹟及歷史建築物中所使用的材種主要可分為檜 木及杉木兩大類，檜木的使用大多在日據時期之 後，但數量較少，因此本次實驗決定先使用杉木做 試體。
由上節討論可知本次欲探討的因子包括穿材形式、柱寬度及深 度、穿材寬度及深度、樑及柱個別的彈性模數、柱斷面形狀及材種 等九種。在考慮可以控制的因子後，在計畫中乃決定探討穿材寬度 及深度與柱材寬度及深度等四項幾何影響因子。若欲針對這四項影 響因子進行實驗探討，如果每一種因子有兩個變動程度，則共需要 32 組試驗，而且每一種參數組合僅可以進行一組實驗。因此本研究 首先利用部分因子法（田口方法），透過 8 表加以安排實驗，亦即 共有 8 組不同的因子組合，且每一組試驗（不同的因子安排）皆重 複三次，這樣的安排係因為木材本身變異性相當大，如果僅針對不 同的幾何條件進行一組試驗，則其代表性較薄弱；當然，若能增加 試體數量，則可以提高實驗結果的可靠度，惟在有限的經費下，重 複三次是相當適當的安排。在各種影響因子的水準方面，整理如表 5-1 所示，而實驗參數安排則如表 5-2 所示。
柱寬 12 18
樑深 12 18
梁寬 6 9
柱厚 15 18
表 5-2 試驗參數安排
柱寬 樑深 交互作用 梁寬 交互作用 交互作用 柱厚 試驗
A B A×B＋C×D C A×C＋B×D B×C＋A×D D
1 1 1 1 1 1 1 1
2 1 1 1 2 2 2 2
3 1 2 2 1 1 2 2
4 1 2 2 2 2 1 1
5 2 1 2 1 2 1 2
6 2 1 2 2 1 2 1
7 2 2 1 1 2 2 1
8 2 2 1 2 1 1 2
其中 A×B 代表因子 A 與因子 B 的交互作用
在實驗試體規劃方面，本研究決定採用足尺試體加以試驗。由於 國內過去亦曾經針對傳統木構架接點進行縮尺試體試驗，惟縮尺試驗 的試驗結果僅能提供作為定性討論的依據，其原因在於接點的各種尺 寸雖然縮小，然而木材纖維並未縮小，因此與實際接點的行為往往不 可一概而論，這樣的差異一般稱之為『尺寸效應』（Size Effect）。
因此在國外的相關研究中，鮮少針對木接點進行縮尺研究，為了使研 究成果可以直接應用，本研究乃決定採用足尺試體加以試驗。
在實驗裝置方面，實驗架如圖 5-5 所示。柱試體固定於底座上，
利用油壓機驅使千斤頂，使其施力於樑上，並藉由線性電壓位移轉換 計（LVDT）及荷重元（Load Cell）分別量測樑的垂直位移及千斤頂 的施力大小。由於柱固定於底座上，因此千斤頂施力的力臂為定值，
可獲得接點的旋轉角。
Load Cell LVDT
Amplifier
Data Logger
圖 5-5 實驗架示意圖
一般而言，進行實驗的目的在於獲得木接點的旋轉勁度及降服 彎矩（圖 5-6），在圖 5-12 中，旋轉勁度=降服彎矩/降服轉角，降服 彎矩則為接點彎矩與旋轉角實驗曲線進入非線性的彎矩，旋轉勁度與 降服彎矩為一個接點重要的品質特性（力學行為）。在獲得實驗結果 之後將進行參數分析，可獲得各種影響因子與品質特性（旋轉勁度及 降服彎矩等）之間的關係（如圖 5-7），總共可以得到八個如圖 5-13 一般的因子影響圖，說明各個影響因子的影響程度。在獲得這樣的圖 後，我們以後可以藉由這樣的因子影響圖評估木造接點的旋轉勁度等 品質特性。舉例來說，如果我們藉由實驗得知有一用杉木所做的木造 接點，穿材連接形式為斷開、柱深度 15cm、穿材寬度 6cm、穿材深度 15cm、樑逆紋彈性模數 4000kg/cm2、柱順紋彈性模數 80000kg/cm2、 柱殘餘寬度 4.5cm（即所有條件皆在表 5-1 中的第二水準），我們知 道這樣的接點旋轉勁度為 10000，現在有一個實際的接點其他條件都 與前面接點相同，僅穿材寬度為 8cm，我們可以從圖五概估該接點旋 轉勁度為 11000。
圖 5-6 接點彎矩與旋轉角關係圖 圖 5-7 因子影響圖