古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究

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(1)第一章緒論. 第一章緒論第一節研究背景與目的古蹟修復是重要的文化資產，而其文化訊息如技術史、藝術史等價值則多蘊含於實體構材中，故依據新版文化資產保存法第二十一條中規定：「古蹟應保存原有形貌及工法….」[1]，然由既往修復經驗中發現，絕大部分古蹟木梁構件局部損壞較嚴重時多藉其結構安全、施工便利、舊不如新、業主喜好等理由，未能審慎評估，而採整根抽換新材方式，嚴重違反古蹟保存的精神。本研究將依文化資產保存法之規範，探討如何採用現代科技與工法，儘量保存古蹟木梁構件之原有形貌。採高強度之碳纖板為修復補強材，主要兼顧強度可設計、最少干擾、施工簡便、提高韌性、具隱蔽性及免受紫外線等優點，此修復觀念於國際間係屬創舉。研究重點將針對古蹟木梁構件之修復工法，施作一系列理論分析與試驗研究，以研發不影響原有形貌且簡便有效的木梁構件隱蔽式修復補強工法為本研究之主要目的。. 第二節研究內容本研究之內容，主要可分為下列七點進行：ㄧ、蒐集國內外木梁構件修復之相關文獻。二、分析研究古蹟木梁構件之各種載重受力行為。三、分析研究適用古蹟木梁構件隱蔽式修復補強材料之特性。四、模擬古蹟木梁構件實體試驗與理論分析。(含模型與足尺) 五、初步建立古蹟木梁構件損壞與修復對策。六、初步建立古蹟木梁構件隱蔽式修復標準程序與技術。七、初步建立古蹟木梁構件隱蔽式修復操作規範。. 1.

(2) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究. 第三節研究方法本研究擬採用下列六項主要研究方法；一、資料蒐集法：蒐集國內外相關木梁修復及法令資料。（一）木梁:：將關於木梁及大木作等相關書籍資料加以蒐集分析。（二）補強材：蒐集適合木梁修復補強材料之資料。（三）法規類：文化資產保存法、文化資產保存法施行細則、威尼斯憲章第三條、威尼斯憲章第九條、CNS 中國國家標準。（四）研究報告類：收集國內外相關理論計算方法。二、.田野調查法：（一）實際瞭解古蹟木梁構件之承載力學行為。（二）實際瞭解古蹟木梁構件之損壞型式。（三）實際瞭解古蹟木梁構件之各種接頭型式。三、理論分析法：（一）分析研究古蹟木梁構件之各種載重受力行為。（二）分析研究古蹟木梁構件之損壞型式。（三）分析研究古蹟木梁構件各種接頭型式模型。（四）分析研究適用古蹟木梁構件修復補強材料之特性。四、專家研討分析法：針對古蹟木梁構件修復技術等有關專家學者、技術人員為對象進行研討，以蒐集分析古蹟木梁構件修復之原則與執行重點建議。五、木梁試驗法：（一）本研究針對古蹟木梁構件之受力行為進行靜曲試驗。（二）本研究試驗與理論分析分為 A.B.C 三階段: 1. A 階段 CNS454 木梁模型試體，為長寬 4 cm×4 cm 長度 64cm 木梁模型，不同接頭位置、接頭型式、接頭長度、接頭角度、補強材貼覆（鑲埋）之參數，共製作約三百組。(前期研究，試驗已完成). 2.

(3) 第一章緒論. 2. B 階段 39 根足尺新木梁足尺試體，為直徑 15cm 長度 300cm 新木梁，依不同接合位置、補強材水平鑲埋或垂直鑲埋之參數，利用環氧樹脂(EPOXY)與碳纖維板(DFRP)做為試體製作之基本補強材料，共製作 39 組試體。 3. C 階段 34 根足尺舊木梁足尺試體，為直徑 12~15cm 長度 300cm 舊木梁，依不同接合位置之參數，利用環氧樹脂(EPOXY)與碳纖維板(DFRP)做為試體製作之基本補強材料，共製作 34 組試體。 4.試驗木梁以福州杉木為主。六、綜合分析法：經由文獻資料、法令、實地現況調查、專家研討、理論分析及試驗等方面所得結果進行綜合分析，藉以得出本研究之結論與建議，並做為未來推廣實施之參考依據。. 3.

(4) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究. 第四節研究流程本研究之研究流程如圖 1-1 所示：. 圖 1-1 研究流程圖. 4.

(5) 第二章文獻回顧. 第二章文獻回顧. 第一節古蹟木梁構件承載力學行為古蹟建築物結構主要為梁柱系統，屋瓦的重量藉由檁條平均的傳遞於梁上，再經由梁傳遞給柱最後由柱傳遞到基礎，其接頭為可活動之榫接系統，於受地震力時可位移抵消部份地震力，以下針對木構架結構系統及載重形式作說明。一、木構架結構系統. 【2】. （一）穿斗式構架：穿斗式構架立柱沿著房屋進深方向，但柱的間距較密，柱直接承受檁的重量，不用架空的抬梁，而以數層穿枋貫通各柱，組成一組組的構架，屋頂的重量直接傳遞於柱子。穿枋不承受屋面重量只保持柱子穩定的作用，如照片 2-1、圖 2-1 所示。. 照片 2-1 穿斗式構架【3】. 圖 2-1 穿斗式構架【3】. （二）抬梁式構架：抬梁式結構佔木結構中主要地位。沿著房屋的進深方向在石礎上立柱，由立柱與橫梁組成，以數層重疊的梁架，逐層縮小，逐級加高，直至最上層梁上立脊，構成一組木構架，如照片 2-2 所示。各層梁頭上和脊瓜柱上承托檁條，又在檁條間密排許多櫞子構成屋架，其力的傳遞如圖 2-2 所示，屋面重量由檁傳遞於橫梁兩側數層重疊，有效的減少彎矩及橫樑斷面積，其原理如圖 2-3 所示。（三）疊斗式構架：疊斗式構架其結構與抬梁式構架相似，以梁上垂直疊組的斗和拱頂住檁子的架構。由於建築物全部重量由構架負擔，牆壁只起維護與隔絕. 5.

(6) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究作用，而非承重結構。其力的傳遞由屋面重量通過檁條，梁傳到柱子上。這類構架這類構架在較大的廳堂中常見。. 圖 2-2 抬梁、疊斗木梁承載示意圖【3】. 照片 2-2 疊斗式構架【3】. 圖 2-3 木梁載重分析圖【3】二、木梁承載位置圖. 【3】. 木梁構件修復技術的研究目的，為確保古蹟建築物的安全性，而木梁構件受力的形式以集中載重與均佈載重兩種為主，因此本研究分別針對木梁集中載重及均佈載重承載位置做不同說明及解釋如圖 2-3~2-6 所示。（一）集中載重【3】檁條將屋面重量傳遞於立柱上，或瓜柱將屋頂之重量分為兩點傳遞於橫樑上，造成集中載重的力學行為，如照片 2-3、2-4 圖 2-4、2-5 所示。（二）均佈載重【3】屋頂櫞子均勻分佈於木檁上，屋頂重量經由平均分佈的木檁構架傳遞至木梁上，造成均佈載重的力學行為。如照片 2-5、圖 2-6. 6.

(7) 第二章文獻回顧. P. P. 照片 2-3. 集中載重木梁結圖構系統狀況 2-4. 集中載重剪力〈V〉彎距〈M〉圖 P/2. P/2. P/2. P/2. V. M 照片 2-4. 將一集中載重，分成兩力加壓於梁的圖兩端，以減少彎距及梁斷面積 2-5. 左右平均載重剪力〈V〉彎距〈M〉圖. W L V. M 照片 2-5. 採均佈載重之木梁結構系統現況. 圖. 均佈載重 2-6 剪力〈V〉彎距〈M〉圖 7.

(8) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究三、木梁力學運用之公式本試驗主要探討為單件木梁的靜曲載重，在固定的斷面用不同的修復方式，其所能抵抗的最大應力為多少，而在古蹟建築中木梁的斷面多為矩形或橢圓形，但為簡化計算故本試驗以矩形及圓形式體為主，運用下列公式來做理論計算，所得之答案再比對每根試體的應力，尋求其規律性，進而推導出合理的修復公式。. σ=. My. (kgf / cm ). L. 2. I. M：彎矩 =. PL (kg − cm ) 4. σ：靜曲應力. (kgf / cm ) 2. y：形心軸 (cm) I：慣性矩 =. bh 3 12. 、. πD 4 64. (cm ) 4. 圖 2-7 剪力彎矩分析圖. 8.

(9) 第二章文獻回顧. 第二節古蹟木梁構件之損壞型式台灣位於亞熱帶屬於海島型氣候，氣候高溫濕熱對於木梁構件保存相當不利，而在古蹟大木構架之構件劣化原因如表 2-1 所示，黃斌根據劣化因素為五大類：（1）生物劣化、（2）吸水吸濕劣化、（3）天候劣化、（4）應力劣化、（5）人為燃燒劣化【4】，而曾逸仁歸納為三大因素：自然因素、構造因素與人為因素。【5】比較各類木構件劣化類型的發生頻率，以白蟻蛀蝕發生頻率最高，表示各種構件皆有遭受白蟻蛀蝕劣化可能。其次為腐朽是木構件劣化損壞的另一個主要原因，由於在案例調查當中會發生腐朽的情形與屋頂漏水、滲水或是構材表面發現水漬有關連性，因此受潮而導致腐朽確實為劣化另一可能。劈裂則為第三高，且根據構材特性，多為大面積或長形之構材如通、瓜筒、枋與壽樑等，幾乎案例中多多少少都會發現劈裂的情形。【6】以下則是根據大木建築實際調查，藉由目視方式紀錄大木構架之構件損壞類型，可歸納大木構架之構件為白蟻蛀蝕、受潮腐朽、自然乾裂與構件受力變形破裂等為其主要劣化類型如表 2-2 所示，而單件木梁構件主要的損壞位置如表 2-3 所示，大致分為五種：一、木梁接頭損壞：木梁構件接頭因漏水、壁體上升潮氣造成腐朽蛀蝕或因地震力的破壞造成脫榫。二、木梁梁頂腐朽：木梁構件因漏水造成木梁頂腐朽蛀蝕。三、木梁內部腐朽：木梁構件因漏水、含水率過高及材齡不足使木材腐朽菌、霉菌類與蟲蟻等之寄生造成蛀空情形。四、木梁外部腐朽：木梁構件因木材腐朽菌、霉菌類與蟲蟻等之寄生造成木梁中央蛀空情形五、木梁表面劈裂：木梁構件因含水率變化造成木梁構件表面劈裂。. 9.

(10) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究表 2-1 木構件之劣化原因分類表【4】【5】【7】資料來源. 劣化的種類. 劣化的原因. 1. 生物劣化. 木材腐朽菌、霉菌類腐蝕與蟲蟻等之寄生. 2. 吸水吸濕劣化. 木材因含水率變化反翹、變形或割裂引起收縮或膨脹. 【4】. 黃斌. 3. 天然劣化. 木材受紫外線、風砂雨水之打擊與熱、濕氣、氧氣之綜合作用，在木材內部引起物理及化學變化. 4. 應力劣化. 乾燥應力. 5. 人為燃燒劣化. 火燒. 劣化的情形. 木材組成分改變、並使木材發生漸次發生硬脆、磨耗之現象，外觀受損，裂、變形等隨之發生木口割裂、表面割列、內部割裂燒損、燒毀自然環境下損壞---. 環境因素. 老化、風化、光、溫濕度等。. 1. A.白蟻的危害. 自然因素生物與微生物破壞. 曾逸仁【5】. C.蛀木蟲的破壞 D.其他生物的破壞. 地震力的破壞滲水現象. 2. 構造因素. 屋頂構造與構材的破壞木構造的力學破壞. 3. 人為因素. 管理維護失當使用不當自然劣化. 歷史建築保存 1 維護再利用執行手冊，文建會【7】. 2. 10. B.腐朽菌的危害. 常見的自然損壞. 颱風、豪雨、水患地震蟻害、蟲害、腐壞植物之危害. 常見的人為破壞. 火災人為破壞與竊盜不當的使用與維護.

(11) 第二章文獻回顧. 表 2-2 大木構架之構件損壞類型類別. 1. 白蟻蛀蝕. 示意圖. 說明木材遭受攻擊的首先是細菌與低等真菌，然後是霉菌，再來才是白蟻。然而白蟻蛀蝕有時亦會直接攻擊健康的木材，但比較起來仍較喜愛啃蝕，遭木材腐朽菌或是霉菌攻擊過的地方。【5】木構件受到腐朽菌嚴重侵襲，榫卯接點及木構件埋入牆體部分因為長時間水氣聚集，往往造成嚴重腐朽，樑、楹或通等構件因屋頂滲水，表面形成水漬，長時間水氣無法發散，受潮腐朽。. 2. 受潮腐朽. 3. 自然乾裂. 正殿中脊因含水率變化引起收縮或膨脹自然乾裂. 構件受力變形破裂. 大木構架受地震力所造成之劣化情況，是以斷裂、偏斜、榫卯接點脫開等最為常見，大木構架本身設計或施作上的缺陷而導致長時間產生之傾斜、變形等，亦是大木構架可能的劣化因素。【6】. 4. 資料來源：本研究整理. 11.

(12) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究表 2-3 木梁構件主要損壞位置表類別. 1. 示意圖. 說明木梁構件接頭因漏水、壁體上升潮氣造成腐朽蛀蝕或因地震力的破壞造成脫榫. 木梁接頭損壞 L1. 2. 3. 木梁梁頂腐朽. 木梁外部腐朽. 4. 木梁內部腐朽. 5. 木梁表面劈裂. 木梁構件因屋頂漏水造成木梁頂腐朽蛀蝕. 木梁構件因漏水、含水率過高使木材腐朽菌、霉菌類與蟲蟻等之寄生造成蛀空情形. 木梁構件因木材腐朽菌、霉菌類與蟲蟻等之寄生造成木梁中央蛀空情形. 木梁構件因含水率變化造成木梁構件表面劈裂. 資料來源：本研究整理. 12.

(13) 第二章文獻回顧. 第三節修復材料之特性一、碳纖維【12】早期使用的貼片材料為鋼板，並配合環氧樹脂黏結劑來使用，但因其自重過重且易於腐蝕，因此逐漸被纖維加勁貼片(fiber einforced plastic plate，簡稱. FRP plate) 所取代。所謂 FRP 乃是一種複合材料，其組成為纖維及樹脂。其中纖維為補強材料，主要用於承受拉力，但因其脆性(高彈性模數)，所以使用樹脂(韌性，低彈性模數) 將纖維材料束制在一起使外部荷重能均勻地分佈到纖維上。而本研究所使用之碳纖維板則是將十層碳纖維網以樹脂連結而成，比傳統纖維加勁貼片具有更高之力學強度，且碳纖維板為片狀較碳纖維網適合嵌入式的施工方法，其特性如下所述：碳纖維(carbon fiber，簡稱 CFRP)︰碳纖維材料具有抗濕、不易溶解、抗鹼、抗弱酸、可與混凝土、木材直接接觸等其優點如下：. 1.強度與重量的比值高。 2.具優異的抗電化學侵蝕能力。 3.自重輕，方便施工。 4.較鋼材有較優的拉力強度及抗疲勞特性。 5.減低場地混亂程度。 6.降低維修元件的尺寸。 7.結構之外形改變較小。二、環氧樹脂. 【12】. 環氧樹脂是一種高分子材料，廣泛地為各產業界使用，具有多項優點其特性如下所述：. 1.接著力強：具有環氧基、氨基等極性基，有很強的鍵結力。 2.凝聚力強：樹脂反應後，接著層之凝結界面強度大，而接著力又大，所以破壞不會發生在結著面附近。. 3.低收縮率：收縮小，黏結層之應變小，相較於其他材料產生的收縮破壞較少。. 13.

(14) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究. 4.耐水性佳。 5.抗化學腐蝕。 6.電氣性質佳：為熱與電的絕緣體。 7.EPOXY 配比可調整：可依照不同的需求調整架橋劑、硬化劑、摻料的比例。. 8.反應後不放出水分：反應時不放出水分或副產品，可以用於不透氣材質，如金屬、玻璃等等。而市面上常見的環氧樹脂分為一液型與兩液型兩類。一液型多有潛在性硬化劑，在特殊條件下才會反應、硬化，例如加熱或是光感應。兩液型則是主劑與硬化劑分開，當主劑與硬化劑混合後開始產生化學反應而硬化。在傳統木構材修復中常使用摻料，以降低環氧樹脂的使用量如木屑或是石英粉。有時則會依需要添加稀釋劑，降低環氧樹脂的黏度，增加工作性，另一方面加入填充料可降低環氧樹脂材料的力學強度，來減少補強材對於整體構件力學行為的影響。國內目前所採用的環氧樹脂多為二液型（含有Ａ、Ｂ劑），按照一定比例配比調製而成，具有強度高、黏著力強、收縮率低、耐水性佳、抗化學腐蝕等優點。而本研究因考慮使用需求選用環氧樹脂為二液型，混合後為膏狀黏著劑不垂流具有高黏結強度，雖選用高黏結強度之環氧樹脂，但因在修復補強時所使用之環氧樹脂其主要功能為連結而非填充空洞使用，故用量極少對整體木構件並不會產生應力集中等力學行為的影響。. 14.

(15) 第二章文獻回顧. 第四節 W.E.R 修復工法【3】【8】木構件因受損需加以補強的方法，以加拿大在 1970 年代發展出的 WER 法(Wood Epoxy Reinforcement)最為常見。其目的是為了保存具有彩繪、雕刻等藝術、歷史價值的木構件，在不影響既有結構的情形下所採用的拼接補強方式。以往 W-E-R 系統修復木梁構件時，皆將構件接合處完全以環氧樹脂灌注結合，形成一個剛性接頭，如圖 2-8、2-9 所示，易產生應力集中現象，就西式桁架式而言並無不當，前曾於 1982 年至 1985 年間引進國內討論，但應用於我國古蹟榫接系統之木構架時，則會明顯的失去原有材料與構架的韌性與半剛接的結構特性，且不具可逆性，將嚴重失去保存構件與確保結構安全之目的，至今並無實際應用案例。相對的諸多重要修復案例中，因修復技術無法克服，仍多流於以抽換為主，其保存原則與目的有頗大的矛盾。本研究將 W-E-R 系統進行改良，以隱藏的方式，在環氧樹脂中埋置高拉力強度的補強物(碳纖維板)，達到增強原構件強度的目的。以利用環氧樹脂為媒介，將修補的木材能與補強物緊密的結合成一體，不需要抽換原木梁的情形下，可達到補強效果，以下將簡單描述 W-E-R 的意義及步驟：一、 [W-E-R]各字母代表的意思 :. W: Wood ，為木梁之意，指等待補強修復的木梁。 E: Epoxy，環氧樹脂，包括樹脂、硬化劑、填縫材料、添加劑。 R: Reinforcment，補強物，指所用的材料為木、金屬、FRP。. 圖 2-8 木梁以環氧樹脂及玻璃纖維棒補強圖【8】圖 2-9 木梁鋼板補強圖【8】二、 W.E.R 工法的步驟為：. A.畫出所需切除的範圍 D.灌入 Epoxy. B.依照所畫範圍切除 C.依所需深度切除。. E.將補強材置入修補之或與其他構件接合。. 15.

(16) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究. 第五節木梁碳纖板隱蔽式修復模型試驗【9】 CNS454 木梁碳纖板隱蔽式修復模型試驗，為探討木梁構件設計修復補強的方式，主要是模擬損壞的木梁構件，何種修復方式能使木梁構件經修復後達到其原有力學強度，藉由理論分析及試體試驗討論何種修復工法最有效率且符合文資法之精神。ㄧ、試驗材料：試驗材料，如下所述：（一）福州杉（China fir）本試驗採用古蹟常用的福州杉（China fir），其標準含水率為. 9~11%，彈性模數約 80,000 kgf/cm2。（二）環氧樹脂（Epoxy）採用台灣西卡公司出品的 SIKADVR 330 型環氧樹脂，包括. A、B 兩劑，AB 兩劑混合後的比重約為 1.31 kg/L。拌合的重量比分別為 A：B = 4：1，膠凝時間於常溫下（35oC 下）需要 30 分鐘〈可達五公斤的強度〉，而在較低的溫度下（15oC 下）膠凝時間需要 90 分鐘（可達五公斤的強度）。抗拉強度（DIN 53445）為 305.81 ，彈性模數（DIN 53452）為 38,735 kgf/cm2 kgf/cm2（23oC 養護七天）（23oC 養護七天）。（三）鋼棒採用唐榮公司所生產直徑為 0.5 公分，長度為 4 公分的鋼棒。（四）碳纖維布（DFRP）採用台灣西卡公司出品的 SIKAWRAP 203C 型碳纖維布，其纖維走向為單一方向的碳纖維布，單位重量為 25.5 kgf/cm2，厚度約. 0.13 mm ，抗拉強度為 35,677 kgf/cm2 ，彈性模數為 2,344,546 kgf/cm2。. 16.

(17) 第二章文獻回顧. （五）碳纖維板（DFRP）由台灣西卡公司所提供 SIKA-CARBODUR-S1014 之型號的碳纖維板，其比重為 0.0015cm2、寬度為 100mm、厚度為 1.4mm、抗拉強度約為 31,090 kgf/cm2，彈性模數為 1,681,957 kgf/cm2。二、試驗內容：（一）試體新舊材接頭位置探討接頭位置不同，主要是模擬木梁構件在受到集中載重外力的作用之下，不同的破壞位置的損壞情形，有不同的修復方式來進行，本試驗規劃了三種不同的接頭位置，分別為端點接頭、中央二分之一處接頭及四分之三處接頭形式。（二）試體接頭形式比較不同的接頭形式，主要是模擬木梁構件在修復時，使用哪一種接頭形式最為經濟且能夠達到修復的目的，本試驗規劃了二種不同形式的接頭，分別為直榫式接頭及燕尾榫形式的接頭如圖 2-10 所示，作為比較的依據。. 圖 2-10 試體接頭形式示意圖（三）試體接頭長度比較不同的接頭長度，主要是模擬木梁構件在修復時，使用哪一種接頭的長度最符合經濟的效益，也能夠達成抵抗彎矩的能力，本試驗規劃了三種不同長度的接頭，長度分別為四公分、六公分、八公分的直榫接頭及燕尾榫接頭如圖 2-11 所示，分別作為比較的依據。. 圖 2-11 試體接頭長度示意圖. 17.

(18) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究. （四）試體接頭角度探討接頭角度的不同，主要是模擬木梁構件在修復時，使用哪一種接頭的角度最符合修復的條件並且能夠符合抗彎試驗的結果，本試驗規劃了兩種不同的接頭角度，分別為垂直於木梁構件 90o 角及水平木梁構件 0o 角度分別作為比較依據。（五）貼覆〈鑲埋〉修復材料貼覆〈鑲埋〉修復材料的目的，主要是模擬木梁構件在修復的時候，使用哪一種修復材料能夠達成復原有損壞處的材料，藉由試體的數據和結果，討論不同損壞位置，使用何種修復材料最有效率且符合修復的條件，貼覆〈鑲埋〉的修復材料共七種分別為：埋設鋼棒、包覆碳纖維布、埋設鋼棒並包覆碳纖維布、貼覆碳纖維布、水平鑲埋碳纖維板、垂直鑲埋碳纖維板、貼覆碳纖維板。三、理論分析與試驗成果：. CNS454 木梁碳纖板隱蔽式修復模型試驗結果中發現如表 2-3 所示，其中新木梁之靜曲極限載重平均約為 345kgf，中央處以環氧樹脂垂直膠合木梁靜曲極限載重平均約為 194kgf，將兩者相除可得到環氧樹脂膠合強度係數α值約為 0.56，而環氧樹脂膠合強度係數α值越趨近於 1 其膠合強度越大，反之環氧樹脂膠合強度係數α值越趨近於 0 其膠合強度越小，並可計算出距兩端 X(0.28L)值，亦即接合處在距兩端 X(0.28L) 範圍內，理論上以環氧樹脂接合即可。以下為理論分析與試驗成果如下所述: （一）由表 2-4 中可得知木梁接合處在端點之試體，因其範圍落在 X(0.28L) 之內，破壞處皆落在中央靜曲最大處，表示破壞並無在試體接合處，已達到保存功效，且使用直榫接合即可達到接合效果，可應用於大部份木構件端點局部腐朽時之局部截除作接合。（二）由表 2-4 中可得知木梁接合處在 3/4L 及 1/2L 之試體，因其範圍落在中央 L-2X 之內，破壞處皆落在接合處，表示環氧樹脂之膠合強度在 L-2X 處會產生不足現象，必須另以補強材進行修復，其中經. 18.

(19) 第二章文獻回顧. 過整體碳纖板補強後，可大幅提升木梁之強度與韌性，若局部補強因補強材與木梁強度之差異，則易產生應力集中現象。（三）碳纖布或碳纖板之彈性模數與鋼接近，但其拉力強度約為鋼的 10 倍[10]，修復補強時可大大減少補強材斷面尺寸，亦即減少木梁修復之外露痕跡。另碳纖布或碳纖板之彈性模數約為杉木的 15 倍[11]，可藉由提昇木梁加碳纖布或碳纖板之整體慣性矩 I 值，進而增強木梁靜曲時之載重能力，以達到修復補強保存原木梁之功效。. P1 = 194kgf. (中央膠合). P = 345kgf L. PL M1 = 1 4. PL M= 4. X1. X2 環氧樹脂修護即可範圍. 圖 2-12. P2 =50kgf. (新木料). L-2X1. L-2X2. M2 =. X1. X2. α1 = 0.56. (中央膠合). P2 L 4. , x1 = 0.28 L. α2= 0.145 , x2 = 0.72 L. 環氧樹脂膠合強度不足之範圍. 環氧樹脂膠合強度係數 α 值關係圖. 19.

(20) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究. 表 2-4 CNS454 木梁碳纖板隱蔽式修復模型補強試驗表【9】 3. 接合處在端點. 中央破壞. 接合處破壞. 接合處破壞垂直接合 (194kgf). 中央破壞. 接合處破壞. 接合處破壞. 短燕尾榫接合 (348kgf). 短直榫接合 (221kgf). 中央破壞長燕尾榫接頭 (339kgf). 短直榫接合 (213kgf). 接合處破壞長燕尾榫接合 (185kgf). 接合處破壞長燕尾榫接合 (225kgf). 長直榫接頭 (175kgf). 中央破壞短直榫接合 (333kgf) P1 = 194kgf (中央膠合). M. =. 1. P = 345kgf. P1 L 4. 接合處環氧樹脂修護即可之範圍. M. L-2X. X. X. α. = 0.55. 短直榫接合 (170kgf). 接合處破壞. P1 = 194kgf (中央膠合). (新料). L PL M = 4. 1. =. P = 345kgf. P1 L 4. L-2X 處環氧樹脂膠合強度不足需加修復補強材. X. L-2X. M X. α. = 0.55. 1. =. P = 345kgf. P1 L 4. L-2X 處環氧樹脂膠合強度不足需加修復補強材. (新料). L PL M = 4 X. L-2X. X. α. = 0.55. 中央 L-2X 處膠合強度不足. 應力集中. 中央破壞短燕尾榫接合加鋼釘 (350kgf). 接合處破壞 P1 = 194kgf (中央膠合). (新料). L PL M = 4. 中央 L-2X 處膠合強度不足. 短直榫接合加包覆碳纖布 (340kgf. 中央破壞. 應力集中長直榫接合加包覆碳纖布(349kgf) 短燕尾榫接合加貼覆碳纖版(330kgf) P1 = 194kgf (中央膠合). M. 1. =. P = 345kgf. P1 L 4. 接合處環氧樹脂修護即可之範圍. P1 = 194kgf (中央膠合). (新料). L PL M = 4 X. L-2X. M X. α. = 0.55. 兩端 X 範圍內膠合即可中央破壞. 中央破壞. 整體補強. 2. 垂直接合 (210kgf). 端兩端 X 範圍內膠合即可. 接合處局部補強. 接合處在 L 處. 4. 垂直接合 (345kgf). 接合處以環氧樹脂膠合. 1. 接合處在 L 處. 長直榫接合加嵌碳纖版 (547kgf). 1. =. P = 345kgf. P1 L 4. L-2X 處環氧樹脂膠合強度不足需加修復補強材. (新料). L PL M = 4 X. L-2X. X. α. = 0.55. 局部補強易產生應力集中現象. 中央破壞垂直接合加貼覆碳纖版 (530kgf). 中央破壞. 中央破壞直榫接合加嵌碳纖版 (460kgf). 直榫接合加嵌碳纖版 (472kgf). P1 = 194kgf (中央膠合). P1 = 194kgf (中央膠合). M1 =. P = 345kgf (新料). P1 L 4. 接合處環氧樹脂修護即可之範圍. M =. X. L PL 4. L-2X. M1 = X. α. = 0.55. L-2X 處環氧樹脂膠合強度不足需加修復補強材. M =. X. L PL 4. L-2X. 中央破壞垂直接合加嵌碳纖版 (440kgf) P1 = 194kgf (中央膠合). P = 345kgf (新料). P1 L 4. 中央破壞直榫接合加貼覆碳纖版 (533kgf). M1 =. X. α. = 0.55. P = 345kgf (新料). P1 L 4. L-2X 處環氧樹脂膠合強度不足需加修復補強材. M =. X. L PL 4. L-2X. X. α. = 0.55. 碳纖版補強可提升整體強度及韌性碳纖版補強可提升整體強度及韌性碳纖版補強可提升整體強度及韌性. 20.

(21) 第二章文獻回顧. 第六節木梁碳纖維板隱蔽式修復工法修復案例木梁構件碳纖板隱蔽式修復工法已運用於許多一、二、三級古蹟及歷史建築修復工程中，本節將針對其中一案例台北市三級古蹟集應廟，就其木梁構件損壞類型及修復方式介紹說明。一、歷史沿革『集應廟』最早建於咸豐年間，由安溪大平高姓族人先在景尾竹圍內（今景美國小南側）築廟感恩，供奉守護神保儀尊王，並從祀林氏夫人。嗣因年久失修，風水不佳，同治年間再遷建景尾下街今址。二、損壞現況及對策『集應廟』位於台北市文山區景美街上，於修復前因年代久遠屋面漏水造成許多處木構件遭蟲蛀或已腐朽，且有部份已塌毀，故於民國九十一年進行修復工程並於民國九十四年完工，詳細範圍如圖 2-13、2-14 所示，而修復前因年代久遠及屋面漏水造成多處木梁遭蟲蛀或已腐朽，以往因無適當之修復工法在結構安全、施工便利、舊不如新、業主喜好等理由，未能審慎評估，而採整根抽換新材方式，嚴重違反古蹟保存的精神。故在保存原有文化構件的考量下，. 集應廟修復工程於大殿採用碳纖板隱蔽式修復工法，對部分受損之木梁進行修復，其修復形式大致分為兩種類型：類型一：為木梁構件因老化、蟲蛀或腐朽劣化造成木梁構件承載力降低，為安全考量而加嵌碳纖維板提高其承載力。類型二：為木梁端部因白蟻蛀食或腐朽，故切除腐朽接頭後以同斷面良好木料以直榫接著，再加嵌碳纖維板提高其承載力達其設計強度。由照片 2-6、2-7 可顯示木梁構件經碳纖板隱蔽式修復工法修復後除可保存原有構件外，於外觀並不易察覺修復痕跡，符合文資法保存原有構件之精神。. 21.

(22) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究. 3. 5 6. 11. 10. 圖 2-13 集應廟山門 D 架橫向剖面圖工法修復範圍. 圖 2-14 集應廟平面圖. 照片 2-6 木梁加嵌碳纖板以環氧樹脂黏結補強. 22. 照片 2-7 木梁構件修復完成.

(23) 第二章文獻回顧. 三、木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序如上節所述集應廟木梁構件損壞類型大致分為兩類，本節將對第二類型修復過程進行說明如下所示：（一）截去腐朽木料如照片 2-8、2-9 所示，將木梁構件因白蟻蛀食或腐朽之局部木梁截除。. 照片 2-8 截去腐朽端部木料. 照片 2-9 木梁構件截去腐朽木料. （二）製作公母榫如照片 2-10、2-11 所示，為補足木梁構件因白蟻蛀食或腐朽截除後所需長度，以良好補充木料製作公母榫便於與舊木料接合，公母榫依修復需求切割。. 照片 2-10 公母榫表面整平. 照片 2-11 以電鋸製作公母榫. 23.

(24) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究. （三）接頭處上環氧樹脂如照片 2-12、2-13 所示，接頭表面必須堅固，平整，潔淨，不得有鬆動之碎削、石蠟、漆類及油脂等異物，必要時需以吸塵器或空氣噴槍將表面灰塵清除以確保良好之接著效果。以鏝刀、利刀或適切之工具將攪拌後之環氧樹脂黏著劑均勻塗佈於榫頭表面，厚度約為 1~2mm。. 照片 2-12 公榫塗佈環氧樹脂. 照片 2-13 母榫塗佈環氧樹脂. （四）接頭接合如照片 2-14、2-15 所示，將塗佈環氧樹脂黏著劑完成之補充木梁與保存木梁接合緊密，達到環氧樹脂滿漿溢出為止，小心地移除多餘的環氧樹脂黏著劑，並依建築師指示進行表面清潔。施作後須平放靜置修補部分至少 24 小時，在施作後 7 日後環氧樹脂黏著劑可達到設計強度。. 照片 2-14 木梁榫頭接合. 24. 照片 2-15 木梁接合校準.

(25) 第二章文獻回顧. （五）鋸縫如照片 2-16、2-17 所示，嵌入碳纖維板凹槽處理：依建築師設計之位置與尺寸，在擬嵌入碳纖維板之木材元件上切割一凹槽，凹槽寬度應較碳纖維板板厚度再增加 2.0 ± 0.5 mm。. 照片 2-16 製作凹槽過程. 照片 2-17 以電鋸製作凹槽. （六）凹槽空氣槍吹木屑及試嵌碳纖維板凹槽內必須堅固、平整、潔淨，不得有鬆動之碎削、石蠟、漆類及油脂等異物。凹槽需以吸塵器或空氣噴槍將表面灰塵清除以確保良好之接著效果，於清潔完成後試嵌碳纖維板，以防碳纖維板因清潔不確實無法嵌入凹槽內，如經試嵌無法嵌入則須再如潔淨凹槽鬆動之碎削、石蠟、漆類及油脂等異物以確保施工品質，照片 2-18、2-19 所示。. 照片 2-18 潔淨凹槽過程. 照片 2-19 試嵌碳纖維板. 25.

(26) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究. （七）貼遮蔽帶需以環氧樹脂無法滲透材質用膠帶確實貼附於裂縫內 5±2mm，以防止環氧樹脂溢出污染保存木梁構件，如照片 2-20、2-21 所示。. 照片 2-20 黏貼遮蔽帶. 照片 2-21 裁切遮蔽帶. （八）灌環氧樹脂使用針筒或小型注射器注入，需從凹槽底部灌注達裂縫頂端 4±1 mm，如照片 2-22、2-23 所示。. 照片 2-22 以注射器置入凹槽底端. 照片 2-23 灌注環氧樹脂. （九）鑲碳纖版在環氧樹脂黏著劑拌合後可使用時間（Pot life）內，迅速將條狀碳纖維板嵌入於已注入環氧樹脂黏著劑裂縫，達到環氧樹脂滿漿溢過碳纖維板為止，在小心地移除多餘的環氧樹脂黏著劑，並依建築師指示進行表面清潔及嵌入木條修整，如照片 2-24、2-25 所示。. 26.

(27) 第二章文獻回顧. 照片 2-24 裁切碳纖維板. 照片 2-25 嵌入碳纖維板. （十）凹槽嵌入木條修整為隱蔽凹槽及未來施工需求，以同材質木料嵌入凹槽內，木條厚度需達 5±1 mm，如照片 2-26、2-27 所示，以使表面一致。. 照片 2-26 木條對準凹槽. 照片 2-27 嵌入木條修整. （十一）靜置養護施作完成後須平放靜置修補部分至少 24 小時，在施作後 7 日後環氧樹脂黏著劑可達到設計強度，表面則依建築師要求處理。. 照片 2-29 木梁架上靜置養護. 照片 2-29 木梁靜置養護. 27.

(28) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究. 28.

(29) 第三章古蹟足尺木梁構件碳纖板隱蔽式修復試驗與分析. 第三章古蹟足尺木梁構件碳纖板隱蔽式修復試驗與分析. 第一節足尺新木梁構件碳纖板隱蔽式修復試驗與分析ㄧ、試驗計畫在前期研究 CNS454 木梁碳纖板隱蔽式修復模型試驗中，對於木梁修復理論分析，已有初步結果，但未有足尺木梁試驗，故本研究以足尺木梁構件為試驗對象，其結果可作為古蹟木構修復技術之參考依據。（一）試驗材料 1.木梁：福州杉（杉木）、尺寸為（15Ø ×300）cm，其標準含水率為 9~13 ﹪，彈性模數約為 108,300 kgf/cm2。 2.sikadur 330 環氧樹脂：由台灣西卡公司所提供，分為 A、B 兩劑，其試劑容量為 A 劑 1 ㎏、B 劑 4 ㎏，而在調和配比部分，B 劑需為 A 劑的 4 倍（A:B=1:4 重量比）。 3.碳纖維板：由台灣西卡公司所提供 SIKA-CARBODUR-S1014 之型號的碳纖維板，其比重為 0.0015 cm2、寬度為 100 ㎜、厚度為 1.4 ㎜，抗拉強度為 31,090.72 kgf/cm2，彈性模數為 1,681,957 kgf/cm2。【12】（二）試驗設備 1.100 頓 MTS 萬能結構試驗機本 MTS 萬能結構試驗機為中國科技大學建築工程系所提供，該設備係電氣式閉路伺服閥（Servo Valve）控制，亦及利用終端之感應計，如荷重劑（Load Cell）、線性位移計（LVDT）或應變計等之感應訊號作為回饋，控制油壓之流量及方向，使所加之力或位移正好在期望值上。由於係閉路式控制，故在迴路中之各種系統誤差可以自動補償消除，而得到較高精度之結果。. 29.

(30) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究. 2.變位計 Kyowa 公司所出產之變位計，在本試驗中所採用長度為 100mm，1/100 mm 刻度之錶面，同時錶內附有貼應度計之簧片，可將位移量轉變成電壓訊號經放大後輸入紀錄系統，產生之電壓訊號應與錶面刻度一致，校正方法是在裝設該位移計之前，先將位移計至於該校正環內使指針很容易固定在某一刻度上，然後讀得輸出電壓，換算出比例常數，輸入電子計算機，在行校正，如此反覆操作，直至電子計算機所印出之讀數值與錶面刻度直能一致為止。 3.試體支承鋼材構架本試驗所採用的鋼材構架是依照與古蹟建築物實際木構件尺寸（1：1）之大小所訂製，採用一般鋼構材為最主要之支撐材料，其尺寸大小分別為長 295 cm、寬 15 cm、高 19.4 cm、兩端距離 280 cm，主要的目的是方便足尺木梁之抗彎試驗進行。 4.磁性座本試驗是採用 TECCORK 公司所出品的磁性座，其主要是與變位計共同使用作為測量變位的儀器，最主要的目的為於試驗時將變位計固定支承鋼材構架上，以致不輕易產生移動等現象，而影響試驗結果，所以能夠精密量測變位數據是為最終目的。 5.電子秤本試驗採用高擎所出品的電子秤，電子秤的量測範圍主要是界定於 8100g 至 0.1g 之範圍精度值，其主要的目的是在量測環氧樹脂的重量值，由於環氧樹脂的工作度是依照重量比例的大小所調製而成，所以必須在準確重量值下完成，使所調製的環氧樹脂達成應有的應力強度，電子秤的尺寸大小為長 33 cm、寬 21 cm、高 8 cm，並且附有整流器一台。 6.含水率測定器本試驗採用賽陽公司所出品的含水率測定器，木材若長期處於高含水率狀態時，易受菌、蟲等危害，而產生腐朽，在平均年降雨量大. 30.

(31) 第三章古蹟足尺木梁構件碳纖板隱蔽式修復試驗與分析. 於 254 公厘之氣候時，若木材含水率高於 35﹪，通常木材已腐朽。含水率之測定可使用電阻（插針式）、電容式、放射性含水率計在測定時一定要穿透木材 3mm 以上方可正確量測到木材內部是否產生腐朽。 7.模擬集中載重接頭本試驗為了模擬集中載重的力學行為，由工廠訂作鋼性集中載重接頭，其目的主要是於試驗的過程中，將 MTS 萬能結構試驗機的力量，能夠完全集中於與木構件接觸的點上，模擬集中載重的力學行為，模擬集中載重的接頭其尺寸大小分別為長 20 cm、寬 20 cm、高 6 cm。 8.溫溼度計本試驗採用 PRECISION 公司所出品的溫溼度計，其主要測量溫度及溼度，其目的是測定試驗進行的過程中，大氣的溫度及溫溼度值所設置。（三）試驗內容本試驗試體主要是依據與實際古蹟建築物（1：1）相同之比例尺寸，製作本試驗所需要之試體，主要為圓形橫斷面柱體，試體的斷面直徑，（D）為 15 cm，試體的總長度 300 cm（L）為 20 倍的斷面直徑（D）試體試驗架跨距長度為 280 cm。試驗是模擬木構件的損壞位置，利用補強材修復補強的方式達到修復古蹟建築物木梁構件之目的，因此為模擬木構件實際損壞情形，試驗參數因其補強材、纖維板嵌入角度、接頭位置等不同而區分，補強材分為環氧樹脂、碳纖維板、無補強材三類，纖維板嵌入角度分為水平嵌入及垂直嵌入兩類，接頭位置分別為完整無接合、1/2處榫頭接合、1/3處榫頭接合、1/4處榫頭接合、1/5處榫頭接合五類其詳細試體編號，如下表3-1所示，而足尺木梁接合製作如圖3-1所示。. 31.

(32) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究. 表3-1足尺新木梁構件碳纖板隱蔽式修復試驗試體編號表. 無嵌碳纖維板新木梁. 嵌碳纖維板新木梁. 嵌碳纖維板新木梁. 完整木梁. 1/2處榫頭接合. 1/3處榫頭接合. 1/4處榫頭接合. 1/5處榫頭接合. NCN01. NN21. NEN31. NEN41. NEN51. NCN02. NEN22. NEN32. NEN42. NEN52. NCN0 3. NEN23. NEN33. NEN43. NEN53. -. NEH21. NEH31. NEH41. NEH51. -. NEH22. NEH32. NEH42. NEH52. -. NEH23. NEH33. NEH43. NEH53. -. NEV21. NEV31. NEV41. NEV51. -. NEV22. NEV32. NEV42. NEV52. -. NEV23. NEV33. NEV43. NEV53. 第一碼:N代表新木梁第二碼:E、T、C代表補強材分別為環氧樹脂、碳纖維板、無補強材第三碼:H、V、N代表碳纖維板嵌入角度分別為垂直、水平、無嵌入第四碼:0、2、3、4、5代表接頭位於構件全長1/2、1/3、1/4等位置第五碼:1、2、3分別代表試體編號. 32.

(33) 第三章古蹟足尺木梁構件碳纖板隱蔽式修復試驗與分析. 項目 STEP.1. 製作公母榫. STEP.2. 接頭處上環氧樹脂. STEP.3. 接頭接合. STEP.4. 鋸縫. STEP.5. STEP.6. STEP.7. 灌環氧樹脂. 說明. 照片. 製作時保存木梁作與補充木梁長度應與直徑相等. 損壞木梁. 接合之榫頭周圍應均勻塗環氧樹脂. 接合縫隙應控制於 1~2mm 內. 凹槽位置與深度依建築師指示製作。灌注環氧樹脂需從底部灌注達凹槽頂15± 1mm. 鑲碳纖版. 靜置養護. 嵌入施工規範規定之碳纖維版於凹槽中，深度依所需設計之。凹槽口置入木條修補多餘木條刨除，使表面平整。 (靜置養護七天) P. STEP.8. 靜曲強度試驗. P. 圖3-1 足尺木梁接合製作及靜曲試驗流程圖. 33.

(34) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究. 二、試驗成果由試驗結果可知足尺新木梁構件碳纖板隱蔽式修復靜曲強度試驗與文獻回顧中 CNS454 木梁碳纖板隱蔽式修復模型試驗之結果，比較後有相同之趨勢，試驗結果如表 3-2 所示：表3-2足尺新木梁構件碳纖板隱蔽式修復靜曲試驗強度表編號. 極限載重編號（kgf）. 極限載重（kgf）. 編號. 極限載重編號（kgf）. 極限載重（kgf）. NEN21. 945. NEH21. 1505. NEV21. 1720. NEN22. 995. NEH22. 1560. NEV22. 1840. NEN23. 950. NEH23. 1570. NEV23. 1670. 平均：963.3. 平均：1545. 平均：1743.3. NEN31. 1135. NEH31. 2165. NEV31. 2455. NEN32. 1265. NEH32. 2080. NEV32. 1995. NEN33. 945. NEH33. 1785. NEV33. 2130. 平均：1115. 平均：2010. 平均：2193.3. NEN41. 1795. NEH41. 1920. NEV41. 2105. NEN42. 1890. NEH42. 2130. NEV42. 2320. NEN43. 1860. NEH43. 2013. NEV43. 1995. 平均：1848.3. 平均：2021. 平均：2255. NCN01. 1755. NEN51. 1775. NEH51. 2230. NEV51. NCN01. NCN02. 1660. NEN52. 1875. NEH52. 1885. NEV52. NCN02. NCN03. 1935. NEN53. 1715. NEH53. 1820. NEV53. NCN03. 平均：1783.3. 斷面形式. 平均：1788.3. （O）. 平均：1978.3. 平均：2140. （H）. 第一碼:N代表新木梁第二碼:E、T、C代表補強材分別為環氧樹脂、碳纖維板、無補強材第三碼:H、V、N代表碳纖維板嵌入角度分別為垂直、水平、無嵌入第四碼:0、2、3、4、5代表接頭位於構件全長1/2、1/3、1/4等位置第五碼:1、2、3分別代表試體編號. 34. （V）.

(35) 第三章古蹟足尺木梁構件碳纖板隱蔽式修復試驗與分析. 三、試驗分析由試驗結果可知足尺新木梁接合靜曲強度試驗與文獻回顧中 CNS454 木梁碳纖板隱蔽式修復模型試驗之結果，比較後有相同之趨勢，茲將理論分析如下所述: （一）由圖 3-2 中為無接合木梁、中央處垂直膠合、L/4 處垂直膠合加嵌碳纖維板三者之 P－△圖，如圖中可瞭解中央處垂直膠合之木梁，環氧樹脂膠合強度不足，破壞時為脆性破壞，接合處以垂直膠合加嵌碳纖維板之木梁，破壞時為韌性破壞，而無接合之木梁，破壞時為介於脆性與韌性破壞。故加嵌碳纖維板之木梁不只強度提升而且具有極大的韌性，對於古蹟木梁構件耐震能力具有一定之助益。（二）由圖 3-3 中可知無接合木梁承載力 P=1,783kgf，中央處垂直膠合木梁承載力 P1=963kgf，將兩者相除可得到環氧樹脂膠合強度係數 α 值約為 0.54，並可計算出距兩端 X(0.27L)值，亦即接合處在距兩端 X(0.27L) 範圍內，理論與試驗皆可驗証以環氧樹脂接合即可，例 L/4、L/5 接合處以環氧樹脂膠合之木梁，皆在中央最大靜曲處破壞。（三）由圖 3-3 中可知木梁嵌碳纖維板在 L/3、L/4、L/5 接合處，皆大於無接合木梁承載力 P（1,783kgf），另 L/2 處承載力稍不足，但可設計增加碳纖維板長度或厚度予以補強，以達到其原有木梁之強度。（四）由圖 3-3 中可知 L/2、L/3 接合處之木梁，因其範圍落在 L-2X 之內，破壞處皆落在接合處，表示環氧樹脂之膠合強度在 L-2X 處會產生不足現象，必須以補強材進行修復，經過整體碳纖維布或碳纖維板補強後，可大幅提升木梁之強度與韌性。（五）由無接合木梁與垂直膠合加嵌碳纖維板兩者之 P－△圖，經計算比較加嵌碳纖維板之木梁試體其韌性約為無接合木梁試體 2.3 倍。故加嵌碳纖維板之木梁不只強度可修復補強於原有強度，且可大幅提升木梁構件之韌性，此為抽換新木梁亦無法達到之優點。. 35.

(36) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究. P 回復曲線. △（mm）圖 3-2 足尺木梁靜曲強度試驗 P－△圖 2500 2225. 2193. 2140 2021. 2010. 2000. 無膠合木梁本身平均強度之承載力約為 1783kgf 1500. 1848. 2015 1805. 1743 1545. 1115. 1000. 963. 500. 0. 1/2 L. 1/3 L. 1/4 L. 環氧樹脂中央處垂直接合. 963. 1115. 1848. 1805. 環氧樹脂垂直膠合加水平嵌碳纖板. 1545. 2010. 2021. 2015. 環氧樹脂垂直膠合加垂直嵌碳纖板. 1743. 2193. 2225. 2140. 圖 3-3 足尺新木梁接合靜曲強度統計圖. 36. 1/5 L.

(37) 第三章古蹟足尺木梁構件碳纖板隱蔽式修復試驗與分析. 第二節古蹟足尺舊木梁構件碳纖板隱蔽式修復試驗與分析一、試驗計畫於上述足尺新木梁構件碳纖板隱蔽式修復試驗試驗中，對於足尺新木梁復理論分析，已有初步結果，但未有足尺寸舊木梁試驗，其修復強度可能因其材料年久劣化與新木梁有所不同，故本研究將針對足尺舊木梁碳纖板隱蔽式修復進行試驗分析。（一）試驗材料 1.木梁：採用台北市某三級古蹟舊木梁，經建築師與業主認為損害嚴重決議抽換之木梁，為福州杉（ china fir ），學名為 Cunninghamia lanceolata，其含水率介於 12~16﹪之間。 2.sikadur 330 環氧樹脂：由台灣西卡公司所提供，分為 A、B 兩劑，其試劑容量為 A 劑 1 ㎏、B 劑 4 ㎏，而在調和配比部分，B 劑需為 A 劑的 4 倍（A:B=1:4 重量比）。 3.碳纖維板：由台灣西卡公司所提供 SIKA-CARBODUR-S1014 之型號的碳纖維板，其比重為 0.0015cm2、寬度為 100mm、厚度為 1.4mm、抗拉強度為 31,090.72 kgf/cm2，彈性模數為 1,681,957 kgf/cm2。（二）試驗設備試驗設備如上節新木梁構件碳纖板隱蔽式修復試驗與分析試驗設備所述。（三）試驗內容本試驗將舊木梁分為八組如表 3-3，每組木梁長度均為 300cm，分別探討完整舊木梁之極限載重、完整舊木梁嵌入碳纖板之極限載重、舊木梁經榫頭接合之極限載重以及舊木梁經榫頭接合後，再嵌入碳纖版之極限載重。試體來源為三級古蹟「景美集應廟」左方廂房上方木梁，試. 37.

(38) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究. 體主要選取斷面直徑接近 15cm 之木梁，試體的跨度(L)為與前期試驗相比較，選定為 300cm，試驗參數因其補強材、纖維板嵌入角度、接頭位置等不同而區分，補強材分為環氧樹脂、碳纖維板、無補強材三類，纖維板嵌入角度分為垂直嵌入及無嵌入纖維板兩類，接頭位置分別為完整無接合、1/2 處榫頭接合、1/3 處榫頭接合、1/4 處榫頭接合、1/5 處榫頭接合、1/6 處榫頭接合、1/7 處榫頭接合、1/8 處榫頭接合八類，其詳細試體編號如表 3-3 所示，而足尺舊木梁修復補強試體製作如圖 3-4 所示。表3-3足尺舊木梁構件碳纖板隱蔽式修復試驗是體編號表完整木梁無嵌碳纖維板舊木梁嵌碳纖維板舊木梁. 1/2處榫頭接合 1/3處榫頭接合 1/4處榫頭接合. OCN01. OEN21. OEN31. OEN41. OCN02. OEN22. OEN32. OEN42. OCN03. -. -. -. OTV01. OTN21. OTN31. OTN41. OTV02. OTN22. OTN32. OTN42. OTV03. -. -. -. 1/5處榫頭接合 1/6處榫頭接合 1/7處榫頭接合 1/8處榫頭接合無嵌碳纖維板舊木梁嵌碳纖維板舊木梁. OEN51. OEN61. OEN71. OEN81. OEN52. OEN62. OEN72. OEN82. OTN51. OTN61. OTN71. OTN81. OTN52. OTN62. OTN72. OTN82. 第一碼:O代表舊木梁第二碼:E、T、C代表補強材分別為環氧樹脂、碳纖維板、無補強材第三碼:H、N代表碳纖維板嵌入角度分別為垂直、無嵌入第四碼:0、2、3、4、5、7、8代表接頭位於構件全長1/2、1/3、1/4等位置第五碼:1、2、3分別代表試體編號二、試驗成果（一）抗彎強度：試體經抗彎試驗後所得知其最大抗彎強度如表 3-4 所示。. 38.

(39) 第三章古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復試驗與分析. 圖片說明. 文字說明切割木梁. 選取舊木梁. 選取長度約在 3 米長、直徑約為 12~16 公分之舊木梁，將腐朽之端部截去，並切割至試驗之設計長度。. 依照試驗之需求，將舊木梁做直榫之切割。製作直榫拌合完成. 拌. 環氧樹脂. 合. 劑 AB. 試驗使用西卡公司所提供的 SIKADUR330 型環氧樹脂(EPOXY)，包括 A 劑〈主劑〉、B 劑〈硬化劑〉，拌合的重量比為 A：B = 4：1。. 塗抹區域. 塗抹環氧樹脂. 將 EPOXY 塗抹在榫頭接合側，使其膠合，靜置七天養護至 EPOXY 完全發揮膠合強度。. 鋸縫. 縫. 斷面示意圖. 鋸縫. 開. 待榫接試體養護完成，即以輪鋸刀鋸出欲放進 Sika CardoDur S1014 型碳纖維板的鋸縫與設計深度。. 嵌入碳纖維板. 灌注環氧樹脂. 灌注器. 斷面示意圖. 貼遮蔽帶. 吹出木屑. 以空氣噴鎗吹出在鋸縫中的木屑，再以薄紙與透明膠帶製作遮蔽帶貼於鋸縫外，防止灌膠時環氧樹脂溢出破壞試體表面。. 使用自製灌注器將環氧樹脂灌入鋸縫後，將碳纖維板置入後，抽起遮蔽帶，將試體靜置養護七天，至 EPOXY 完全發揮膠合強度。. 圖3-4 足尺舊木梁修復補強試體製作流程圖. 39.

(40) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究. 表3-4足尺舊木梁構件碳纖板隱蔽式修復靜曲試驗應力強度表破壞處直徑極限載重 I (cm ) or It 破壞處 (cm4) (cm) (kgf) 4. 試體編號. OCN01 OCN02 OCN03 OTV01 OTV02 OTV03 OEN21 OEN22 OEN31 OEN32 OEN41 OEN42 OEN51 OEN52 OEN71 OEN72 OEN81 OEN82 OTN21 OTN22 OTN31 OTN32 OTN41 OTN42 OTN51 OTN52 OTN71 OTN72 OTN81 OTN82. 14.27 13.47 12.63 15.61 15.67 14.97 15.39 14.86 13.32 13.32 13.48 15.64 13.11 12.53 12.65 13.54 13.11 12.85 14.69 14.89 15.20 14.01 14.08 13.80 14.54 14.18 14.06 16.35 14.33 14.33. 1445 1295 730.5 2470 2460 2235 1010 820 900 880 1175 1270 1180 960 1031 1280 1353.15 1098.57 1600 1750 2215 1800 1861.59 1468.97 1980 1865 1715.41 2630.5 1853.06 1875.55. 2034.44 1615.17 1248.43 3391.21 3357.76 3361.61 2752.35 2392.35 1544.42 1544.42 1619.98 2935.6 1449.31 1209.36 1256.35 1649.00 1490.00 1337.71 2778.69 2805.10 3317.74 2326.01 2410.00 1915.89 2665.65 2415.15 2235.40 3952.18 2506.48 2506.48. 中央中央中央中央中央中央接頭接頭接頭接頭接頭接頭中央中央中央中央中央中央中央中央中央中央中央中央中央中央中央中央中央中央. 靜曲應力 (kgf/cm²). σ. 354.74 377.40 338.14 387.48 392.84 339.28 197.72 178.25 271.43 265.64 342.20 236.82 373.59 348.12 360.00 367.03 365.23 369.35 278.92 317.05 346.76 369.98 380.66 370.33 368.64 373.52 377.63 380.89 370.80 375.30. 平均靜曲應力 σ ave (kgf/cm²). 356.94. 373.20. 187.99 268.54 289.51 360.86 363.51 367.29 297.99 358.37 375.50 371.08 379.26 373.05. 第一碼:O代表舊木梁第二碼:E、T、C代表補強材分別為環氧樹脂、碳纖維板、無補強材第三碼:H、N代表碳纖維板嵌入角度分別為垂直、無嵌入第四碼: 0、2、3、4、5、7、8代表接頭位於構件全長1/2、1/3、1/4等位置第五碼:1、2、3分別代表試體編號. 40.

(41) 第三章古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復試驗與分析. 三、試驗分析於試驗過程中發現，足尺舊木梁因長年使用致木梁本身纖維老化造成靜曲強度驟減，故修復設計時於舊木梁之壓力側加嵌碳纖維板，與張力側之碳纖維板形成一對力偶，以達其預期靜曲應力強度。由表 3-3 可知足尺寸舊木梁接合靜曲應力強度試驗與表 3-4 新舊木梁修復補強比較表，比較後新舊木梁與模型之力學行為有相同之趨勢，其理論分析如下所述: （一）環氧樹脂膠合強度係數 α 值關係：由圖 3-5 中可知完整舊木梁平均靜曲應力 σ O-ave=356.94kgf/cm2，中央處直榫環氧樹脂接合木梁平均靜曲應力 σ E-ave =188kgf/cm2，將兩者相除可得到環氧樹脂膠合強度係數 α 值約為 0.53，並可計算出距兩端 X(0.27L)值，亦即接合處在距兩端 X(0.27L)範圍內，理論與試驗皆可驗証以環氧樹脂接合即可，例 L/5 接合處以環氧樹脂接合之木梁，皆在中央最大靜曲處破壞；而 2/L、3/L 接合以環氧樹脂接合之舊木梁則在接頭處破壞。（二）加大 It 值：補強材碳纖維板之彈性模數與鋼接近，但其拉力強度約為鋼的 10 倍[10]，修復補強時可大大減少補強材斷面尺寸，以較小之外露痕跡便於隱蔽性嵌入木梁中。另碳纖維板之彈性模數約為杉木的 15 倍[11]，木梁可藉由加嵌碳纖板來提昇整體慣性矩 I 值，進而增強木梁之承載應力強度。（三）隱蔽性佳：本研究採高強度之碳纖板為補強材，此修復工法外觀具隱蔽性，及使膠合用環氧樹脂免受紫外線之影響等優點，若應用於古蹟或歷史建築物之珍貴文化木梁構材(如有彩繪)修復，可免於修復時對於木梁外觀造成二次破壞，此隱蔽性修復觀念於國際間係屬創舉。. 41.

(42) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究. （四）木梁修復強度可設計：由圖 3-6 中可知完整舊木梁平均靜曲應力 σ. 2 O-ave=357kgf/cm ，而以. 碳纖維板補強之舊木梁構件，除於 1/2L 處接合之試體平均承載應力強度未達完整舊木梁承載應力外，其餘皆達 357kgf/cm2 之靜曲應力以上，而於 1/2L 處接合之試體因其接合位置位於中央最大應力集中處，故其強度稍有不足，但可透過設計增加碳纖維板之厚度、寬度及數量與以補強，以達到所設計之承載應力強度，此點為換新木梁強度值固定所無法達到之優點。（五）提高木梁構件韌性：由圖 3-7 中可知舊木梁試體嵌入碳纖維板補強後其韌性皆大於完整舊木梁，從足尺舊木梁之 P－△圖可看出嵌入碳纖維板之試體其曲線分為三階段，第一階段時成等比例的斜率上升，試體所受承載應力增加持續變位，當達到第二階段時曲線呈水平，試體維持一定區間內之承載應力強度持續變位，第三段當解除承載應力時試體彈性回復可達約 93% 強，故木梁嵌入碳纖維板可大幅提升木梁之強度與韌性，提高其安全性，此點亦為換新木梁所無法比擬。. 400 300 200 100 0. L. L/2. L/3. L/4. L/5. L/7. L/8. 未加嵌碳纖維板. 356.94. 187.99. 289.51. 363.51. 297.99. 375.5. 379.26. 加嵌碳纖維板. 373.2. 268.54. 360.86. 367.29. 358.37. 371.08. 373.05. 圖3-5 足尺舊木梁接合靜曲應力強度統計圖. 42.

(43) 第三章古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復試驗與分析. 無接合之完整舊木梁σ. σ. E−ave. O− ave. =188kgf/cm2. po1 po2 Y Y1 1 4 + 4 + I I 1 2 t O t O − − = σ 3 O−ave. p. E1. 4. σ. E − ave. =357kgf/cm2 ，中央直榫接合之舊木梁. =. I. Y. p 1. E2. + 4. t − E1. 2. I. Y. t−E2. po3 4 Y1 I t −O3 = 354.74 + 377.99 + 338.14 = 357 kgf 3 cm 2. 1. =. 271.43 + 265.64 kgf = 188 2 2 cm. σ α =σ. E − ave O − ave. kgf 2 cm = ≈ 0.53 kgf 357 2 cm 188. 1. PO1、PO2、PO3 與 It-O1、It-O2、It-O3 分別為完整舊木梁之靜曲極限載重及等值慣性矩 2. PE1、PE2 與 It-E1、It-E2 分別為於中央直榫接合舊木梁之靜曲極限載重及等值慣性矩. 圖3-6. 舊木梁環氧樹脂膠合強度係數 α 值關係圖. 圖 3-7 足尺舊木梁靜曲強度試驗 P-△圖. 43.

(44) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究表 3-5 足尺新舊木梁修復補強比較表. 1 接合處在 L 處 5. 足尺接舊合木處梁以環氧樹脂膠足合尺新木梁. I=1329cm2 靜曲應力=361kgf/cm² Po-ave (中央膠合). 44. 足尺舊木梁. 接合位於X範圍以環氧樹脂膠合即可達到其強度. M=. X. L-2X. I=1544 cm2 靜曲應力=269kgf/cm² Po-ave (中央膠合). (舊木料). α. =. X. σ σ. E − ave. P1 = 963kgf (中央膠合). M1 =. P = 1783kgf. α = 0.53. X. L-2X. Po-ave L PL M= 4. P1 L 4. L-2X 處環氧樹脂膠合強度不足需加修復補強材. X. L-2X. α = 0.54. σ α =σ X. M1 =. P = 1783kgf. L-2 X 處環氧樹脂膠合強度不足需加修復補強材. E − ave. α = 0.53. (新料). M=. X. L-2X. σ α =σ X. E − ave. α = 0.53. L PL 4. α = 0.54. L-2X. M1 =. Po-ave L PL M= 4. P1 L 4. L-2X 處環氧樹脂膠合強度不足需加修復補強材. X. L-2X. α = 0.54. σ α =σ X. P = 1783kgf. L-2 X 處環氧樹脂膠合強度不足需加修復補強材. E − ave. α = 0.53. (新料). M=. X. L-2X. α = 0.54. X. P = 1783kgf. α = 0.53. (新料). L PL 4. P1 L 4. M=. X. L-2 X 處環氧樹脂膠合強度不足需加修復補強材. L-2X. X. α = 0.54. It=2792 cm2 靜曲應力=298kgf/cm². M1 =. Po-ave L PL M= 4. P1 L 4 X. L-2X 處環氧樹脂膠合強度不足需加修復補強材. (舊木料). σ α =σ. L-2X. X. E − ave O − ave. α = 0.53. It=2768cm2 靜曲應力=314kgf/cm² P1 = 963kgf (中央膠合). M1 = X. L-2X. X. E − ave O − ave. I=2484 cm2 靜曲應力=204kgf/cm². O − ave. L PL 4. P1 L 4. σ α =σ. M=. Po-ave (中央膠合). (舊木料). It=2768cm2 靜曲應力=395kgf/cm² P1 = 963kgf (中央膠合). 接合位於X範圍以環氧樹脂膠合即可達到其強度. M1 = X. (舊木料). L PL 4. P1 L 4. M1 =. P1 = 963kgf (中央膠合). (新料). M=. X. Po-ave. O − ave. It=2822 cm2 靜曲應力=358kgf/cm². M1 = X. P = 1783kgf. P1 L 4. L-2 X 處環氧樹脂膠合強度不足需加修復補強材. O − ave. L PL 4. P1 L 4. L-2X. X. Po-ave (中央膠合). (舊木料). It=2768cm2 靜曲應力=385kgf/cm² P1 = 963kgf (中央膠合). 接合位於X範圍以環氧樹脂膠合即可達到其強度. M=. I=2572 cm2 靜曲應力=188kgf/cm² Po-ave (中央膠合). (舊木料). I=2484 cm2 靜曲應力=236kgf/cm². It=2540 cm2 靜曲應力=371kgf/cm² Po-ave (中央膠合). L PL 4. P1 L 4. M1 = X. Po-ave. P1 = 963kgf (中央膠合). (新料). L PL M= 4. P1 L 4. M1 =. O − ave. I=2484 cm2 靜曲應力=378kgf/cm². M1 =. 足尺新木梁. L PL 4. P1 L 4. M1 =. 接合位於X範圍以環氧樹脂膠合即可達到其強度. 接合處以環氧樹脂膠合加嵌碳纖維板. Po-ave. 1 接合處在 L 處 2. 1 接合處在 L 處 3. P = 1783kgf. P1 L 4. L-2 X 處環氧樹脂膠合強度不足需加修復補強材. (新料). L PL M= 4 X. L-2X. X. α = 0.54.

(45) 第三章古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復試驗與分析. 第三節試驗與理論分析比較於前期 CNS454 模型試體試驗中以建立木梁構件碳纖板隱蔽式修復工法之理論，故本試驗主要為討論木梁構件碳纖板隱蔽式修復工法，運用於足尺木梁構件修復之可行性及新舊木梁構件於修復上是否具有差異性，其結果將使木梁構件碳纖板隱蔽式修復工法更為完備。而木梁構件碳纖板隱蔽式修復工法主要原理，為將碳纖板嵌入木梁構件中做為補強材，以求提高木梁構件整體之 It 值，而木梁構件經補強提高 It 值。一、木梁靜曲強度補強修復原理：木梁構件經補強提高 It 值所能達到效益主要有兩點如圖 3-8 所示說明如下：（一）當應力 σ 一定 It 值提高時，表示木梁構件所能承受之重量 P、W 也隨之提高，也代表木梁構件可用更小之斷面達到要求承載力。（二）當彎矩 M 一定 It 值提高時，表示其木梁構件之靜曲破壞應力 σ 也隨減少，也代表木梁構件之容許應力 σ 相對提升。. 圖3-8 木梁計算相關公式圖. 45.

(46) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究. 二、新木梁靜曲強度理論計算：本小節將比較足尺新木梁構件經碳纖板隱蔽式修復工法修復之試體理論值與試驗值之差異：（一）無嵌入碳纖維板之計算編號：NCN01、NCN02、NCN03 木梁直徑 D：平均 15cm 木梁全長 L：280cm 圖 3-9. NCN01 試驗極限載重 P：1755kg. 完整新木梁斷面示意圖. NCN02 試驗極限載重 P：1660kg NCN03 試驗極限載重 P：1935kg 1.求試體 NCN01、NCN02、NCN03 平均彎矩 M. M ave =. P1 + P2 + P3 3. ×L. 4. 1755 + 1660 + 1935. =. 3. × 280. 4. = 124833 .33kgf − cm. 2.求試體 NCN01、NCN02、NCN03 慣性矩 I. I=. π × D4 64. =. 3.14 × 154 = 2485.05cm 4 64. 3.求試體 NCN01、NCN02、NCN03 之平均抗彎應力 σ. σ ave =. M × Y 124833.33 × 7.5 = = 376.75kgf / cm 2 I 2485.05. （二）嵌入碳纖維板之計算編號：NTV41、NTV42、NTV43 木梁直徑 D：平均 15 cm 木梁全長 L：280cm 碳纖維板嵌入深度：3cm 碳纖維板厚度：0.14cm 碳纖維板嵌入差距：1cm. 46. 圖 3-10. 嵌碳纖板新木梁斷面.

(47) 第三章古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復試驗與分析. 試驗極限載重 NTV41：2105kg. NTV42：2320kg NTV43：1995kg 1.將碳纖維板換算成木頭面積. n值 =. E碳纖 1681957 = = 15.83 E杉木 108300. 圖 3-11 補強材等值面積示意圖（新）. 放大成木斷面 m = n-1=14 倍（取整數）. X = n × 0.14 = 14 × 0.14 = 1.96 cm 2.計算試體 NTV41、NTV42、NTV43 新形心軸距離. Y =. ΣAY 7.5 × 7.5 × 3.14 × 7.5 + 1.96 × 3 × 1 × 2 = = 7.09 ΣA 7.5 × 7.5 × 3.14 + 1.96 × 3 × 2. ∴新形心軸於自斷面下緣向上算至 7.09cm 處，偏離原形心軸 0.41cm 3.計算試體 NTV41、NTV42、NTV43 慣性矩 I .. I1 =. π × D4. 64 = 2556.24. 3.14 × 154 + Ad = + 176.7 × 0.41 64. I1. 2. I2. 圖 3-12 I 值計算分段示意圖（新）. ⎛ bd 3 ⎞ ⎛ 1.96 × 6.09 3 1.96 × 3.093 ⎞ ⎟⎟ = ⎜⎜ ⎟⎟ × 2 = 256.68 I 2 = ⎜⎜ − 3 3 ⎝ 3 ⎠ ⎝ ⎠. ΣI = I1 + I 2 = 2556.24 + 256.68 = 2812.92cm 4 4.計算試體 NTV41、NTV42、NTV43 平均限載重 P P +P +P Pave = 1 2 3 = 2255kg 3. 47.

(48) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究. 5.理論與試驗數據差異計算理論計算數據σ為完整新木梁之平均值 M =. P=. σ ×I. M =. Y M ×4 L. P計算 - P試驗. 376 .75 × 2812 .92 = 149473 .57 7.09. P=. 149473 .57 × 4 = 2135 .34 kg 280. 2135 .34 - 2255 = 0.056 = 5.6% 2135 .34 P計算以此類推足尺新木梁其理論與試驗數據差異如下表所述： × 100% =. 表 3-6 足尺新木梁理論與試驗數據差異表嵌碳纖維板補強接合處在 L/3 新木梁 (平均值). 嵌碳纖維板補強接合處在 L/4 新木梁 (平均值). 嵌碳纖維板補強接合處在 L/5 新木梁 (平均值). 試驗值. 2193.30 kgf. 2255.00 kgf. 2140.00 kgf. 理論值. 2135.34 kgf. 2135.34 kgf. 2135.34 kgf. 2.70%. 5.60%. 0.20%. 誤差值%. 三、舊木梁理論計算：在試驗過程中發現足尺舊木梁因長年使用致木梁本身纖維老化造成靜曲強度驟減，故於修復設計時於舊木梁之壓力側加嵌碳纖維板，與張力側之碳纖維板形成一對力偶，已達到其原有木梁強度，本小節將比較完整足尺舊木梁構件嵌入碳纖維板補強之試體理論值與試驗值之差異：（一）無嵌入碳纖維板之計算編號：OCN01 木梁直徑 D：平均 14.27cm 木梁全長 L：280cm 試驗極限載重 P：1445kg. 48. 圖 3-13 OCN01 斷面示意圖.

(49) 第三章古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復試驗與分析. 1.求試體OCN01彎矩M. M =. P × L 1445 × 280 = = 101150 kgf − cm 4 4. 2.求試體 O01 慣性矩 I π × D 4 3.14 × 14.27 4 I= = = 2034.44cm 4 64 64 3.求試體 OCN01 之抗彎應力 σ. σ=. M × Y 101150 × 7.135 = = 354.74 kgf / cm 2 I 2034 .44. ∴OCN01 之抗彎應力：354.74kgf/cm² （二）無嵌入碳纖維板之計算編號：OCN02 木梁直徑 D：平均 13.47cm 木梁全長 L：280cm 試驗極限載重 P：1295kg. 1.求試體 OCN02 彎矩 M. 圖 3-14 OCN02 斷面示意圖. P × L 1295 × 280 = = 90650 kgf − cm 4 4 2.求試體 OCN02 慣性矩 I π × D 4 3.14 × 13.47 4 4 M = I=. = = 1615.17cm 64 64 3.求試體 OCN02 之抗彎應力 σ. M × Y 90650 × 6.734 = = 377.94 kgf / cm 2 I 2034 .44 ∴OCN02 之抗彎載重：377.94kgf/cm² （三）無嵌入碳纖維板之計算. σ=. 編號：OCN03 木梁直徑 D：平均 12.63cm 木梁全長 L：300cm 試驗極限載重 P：730.5kg. 1.求試體 OCN03 彎矩 M. M =. 圖 3-15 OCN03 斷面示意圖. P × L 739 .5 × 280 = = 51135 .98 kgf − cm 4 4 49.

(50) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究. 2.求試體 OCN03 慣性矩 I. π × D4. 3.14 × 12.634 I= = = 1248.43cm 4 64 64 3.求試體 OCN03 之抗彎應力 σ M × Y 51135 .78 × 6.315 = = 338 .14 kgf / cm 2 I 955 ∴OCN03 之抗彎載重：356.94kgf/cm². σ =. 完整木梁試體之平均抗彎應力 σ 為：（354.74+377.94+338.14）/3=356.94kgf/cm² （四）嵌入碳纖維板之計算編號：OTV01 木梁直徑 D：平均 15.61cm 木梁全長 L：280cm 碳纖維板嵌入深度：3cm 碳纖維板厚度：0.14cm. 圖 3-16 OTV01 斷面示意圖. 碳纖維板嵌入差距：1.15cm. 試驗極限載重 P：2470kg 1.將碳纖維板換算成木頭面積 E 1681957 = 15.83 n值 = 碳纖 = 108300 E杉木放大成木斷面 m = n-1=14 倍（取整數）. X = n × 0.14 = 14 × 0.14 = 1.96cm 2.計算試體 OTV01 新形心軸距離 Y =. 圖 3-17 補強材等值面積示意圖（舊）. ΣAY 7.805 × 7.805 × 3.14 × 7.805 + 1.96 × 3 × 1.15 × 2 + 0.98 × 3 × 14.11 × 2 = 7.6 = 7.805 × 7.805 × 3.14 + 1.96 × 3 × 2 + 0.98 × 3 × 2 ΣA. ∴新形心軸於自斷面下緣向上算至 7.6cm 處，偏離原形心軸 0.205cm 3.計算試體 OTV01 慣性矩 I. I1 =. π × D4. 64 = 2921.17. 50. 3.14 × 15.614 + Ad = + 191.28 × 0.205 64. I3 I1. 2. I2. 圖 3-18 I 值計算分段示意圖（舊）.

(51) 第三章古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復試驗與分析. ⎛ bd 3 ⎞ ⎛ 1.96 × 6.453 1.96 × 3.453 ⎞ ⎟⎟ = ⎜⎜ ⎟⎟ × 2 = 296.7 I 2 = ⎜⎜ − 3 3 ⎝ 3 ⎠ ⎝ ⎠. ⎛ bd 3 ⎞ ⎛ 0.98 × 6.863 0.98 × 3.863 ⎞ ⎟⎟ = ⎜⎜ ⎟⎟ × 2 = 173.34 I 3 = ⎜⎜ − 3 3 ⎝ 3 ⎠ ⎝ ⎠. ΣI = I1 + I 2 + I 3 = 2921.17 + 296.7 + 173.34 = 3391.21cm 4. 4.理論與試驗數據差異計算理論計算數據σ為完整舊木梁之平均值 M =. 356 .94 × 3361 .61 = 164594 .39 7.29 164594 .39 × 4 P= = 2351 .35 kg 280. σ ×I. M =. Y M ×4 P= L. P計算 - P試驗. 2351.35 - 2235 = 0.049 = 4.9% P計算 2351 .35 以此類推足尺舊木梁加嵌碳纖維板其理論與試驗數據差異如下表所述： × 100% =. 表 3-7 足尺舊木梁理論與試驗數據差異表舊木梁 OTV01. 舊木梁 OTV02. 舊木梁 OTV03. 試驗值. 2470kgf. 2460 kgf. 2235 kgf. 理論值. 2275.30 kgf. 2235.21 kgf. 2351.35 kgf. 誤差值%. 8.60%. 10.00%. 4.90%. 四、新舊木梁比較分析（一）環氧樹脂膠結強度係數 α 值關係由下述計算式中可看出新舊木料之環氧樹脂膠結強度係數 α 值約介於 0.53~0.56 之間，α 值越趨近 1 表示其膠結強度越大，由此顯現出兩個重點：1 為環氧樹脂運用於模型試體及足尺木梁試體其連結強度雖有差異但相當接近，故其尺寸效應並不明顯對。2 為環氧樹脂運用於新舊木梁試體上其連結強度相當接近並不會因材料上之差異產生強度劇減之情形。. 51.

(52) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究. α. α. 模型. =. 舊木料. P模型E P模型O =. σ σ. − ave. =. − ave. 194kgf ≈ 0.56 345kgf. 舊木料E − ave 舊木料O − ave. α. 新木料. =. P新木料E P新木料O. − ave. =. − ave. 963kgf ≈ 0.54 1783kgf. kgf cm 2 ≈ 0.53 = kgf 357 2 cm 188. （二）理論計算及試驗值之比較如下圖 3-19 所示理論計算值皆小於試驗值，而新木梁之理論計算值 P 與試體試驗所得之 P 值其誤差值約介於 0.2%~5.6%之間，但舊木梁之誤差值放大為 4.9%~10%之間明顯較新木梁增加，研判應為舊木梁本身年代久遠使其試體本身變數增加，增大其理論與試體試驗所得數值之差異，而木材本身必非均質材料並無法如 RC 設計如此精準控制其強度，且本研究為避免使用繁複計算，提供簡化計算方式而採用彈性公式來推算，所得理論計算較為保守在實際運用中可提高安全性，故雖有誤差但尚於可接受範圍之內。 3000 2500 2000 1500 1000 500 0. 新木梁L/3 (平均值). 新木梁L/4 (平均值). 新木梁L/5 (平均值). 舊木梁 OTV01. 舊木梁 OTV02. 舊木梁 OTV03. 試驗值. 2193.3. 2255. 2140. 2470. 2460. 2235. 理論值. 2135.34. 2135.34. 2135.34. 2275.3. 2235.21. 2351.35. 誤差值%. 2.70%. 5.60%. 0.20%. 8.60%. 10.00%. 4.90%. 圖 3-19. 52. 足尺新舊木梁理論及試驗抗彎強度誤差值統計圖.

(53) 第三章古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復試驗與分析. 五、本研究之效益本研究之古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復工法有以下列效益：. (一)、保存珍貴的文化構材：若應用於古蹟或歷史建築物之珍貴木梁文化構材 ( 如有彩繪 ) 修復，可保存免於修復時因修復技術不足而遭受二次破壞，以挽救修復中不該被抽換之木梁構件，對於古蹟保存非常有貢獻及潛力。. (二)、生態保育：採本研究木梁構件局部損壞時以修復為主，儘量不予抽換換新，可大量減少森林樹木的砍伐，對於生態保育亦有貢獻。. (三)、降低成本：以直徑 18 公分 500 公分長之檜木木梁構件為例，材料成本新檜木材為 45,000 元，若以本修復裝置之纖維板、環氧樹脂及部份檜木材料費約僅為 14,000 元，約為換新成本之三分之一，可大量降低成本。. (四)、木料修復強度可設計：木梁修復經本研究修復工法，因纖維板隱密嵌入木梁之拉力側，其嵌入纖維板之厚度、長度與數量，皆為控制設計木料整體強度之因素。此優點可以改善木梁構件在固定尺寸下無法提升強度的缺點。. (五)、提高木梁構件韌性：木梁構件因外力或蟲腐造成局部破壞變形時，其破壞變形為無預警之脆性破壞，若經本研究之修復裝置，纖維板隱蔽嵌入木梁之拉力側可提高構材韌性，為韌性修復，增加預警時間。此優點亦可以改善木梁構件無法提升韌性的缺點。. (六)、施工簡便：先將木梁構件因外力或蟲腐，造成的端點破壞處予以截除，再於兩端製作簡便之接頭，以環氧樹脂接合後，必要時再將纖維板隱蔽嵌入木梁之拉力側，施工簡便。. (七)、安全性高：經本研究之修復工法，因可提高木梁構件之韌性及設計適當強度，. 53.

(54) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究. 此點是換新材亦無法達成之優點，故其修復後之安全性大為提高。. (八)、延長古蹟或歷史建築壽命：經本研究之修復工法，可大幅提升安全性，即可延長古蹟或歷史建築壽命。. 54.

(55) 第四章碳纖板隱蔽式修復對策建議與修復程序操作規範初步建立. 第四章碳纖板隱蔽式修復對策建議與修復程序操作規範初步建立第一節修復對策與程序建議一、修復程序初步建立修復程序分為三個階段：損壞類型研判、修復對策、操作三個階段，損壞類型主要依木梁構件損壞位置及補強材分類，共分為七類；修復對策階段則依損壞類型提出七類修復對策再根據對策提出五種操作程序對應。（一）損壞類型研判階段依損壞類型研判如圖 4-1 所示，說明如下：. 1.依損壞位置分類依木梁構件損壞位置共可分為七類（1）木梁無損壞：木梁構件無損壞或輕微劈裂無明顯腐朽，此損壞類型歸類為 A 類。（2）木梁劈裂：木梁構件因含水率變化造成木構件本身收縮劈裂，此損壞類型歸類為 A 類。（3）木梁端部局部腐朽：木梁構件端部因漏水、壁體上升潮氣造成腐朽蛀蝕，此損壞類型歸類為 C 類。（4）木梁局部腐朽：木梁構件因漏水造成木梁頂腐朽蛀蝕，此損壞類型歸類為 D 類。（5）木梁內部腐朽：木梁構件因漏水、含水率過高及材齡不足使木材腐朽菌、霉菌類與蟲蟻等之寄生造成蛀空情形，此損壞類型歸類為 E 類。（6）木梁外皮腐朽：木梁構件因木材腐朽菌、霉菌類與蟲蟻等寄生造成木梁中央蛀空，此損壞類型歸類為 F 類。. 55.

(56) 古蹟木梁構件碳纖板隱蔽式修復程序與操作規範之研究. （7）木梁腐朽嚴重：木梁構件因漏水、含水率過高使木材腐朽菌、霉菌類與蟲蟻等之寄生造成木梁腐朽嚴重無法修復，此損壞類型歸類為 G 類。. 2.依補強材分類依所需補強材分類，共分為環氧樹脂膠合修復及碳纖板隱蔽式補強兩類：（1）環氧樹脂膠合修復：木梁構件經結構計算以環氧樹脂接合即可修復或其接頭位置於構件總長 1/5 處內，無需加嵌碳纖維板加勁者。（2）碳纖板隱蔽式補強：木梁構件經結構計算因結構強度不足需加嵌碳纖維板加勁或木梁構件以環氧樹脂接合接頭修復位置於總長超出 1/5 處，需加嵌碳纖維板加勁以達所需結構強度提高木梁韌性。. 3.損壞類型研判程序：木梁構件損壞類型研判主要依損壞類型及補強材兩項目，來研判木梁構件損壞類型，其研判程序如圖 4-1 所示：. 圖 4-1 木梁構件研判程序圖. 56.