碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP) 應用於木構造古蹟建築補強之研究

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(1)碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP) 應用於木構造古蹟建築補強之研究. 內政部建築研究所研究報告中華民國九十四年十一月.

(2) 09401070000G3002. 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP) 應用於木構造古蹟建築補強之研究. 受委託者 : 國立台北科技大學土木與防災研究所研究主持人：毛犖協同主持人：李有豐、蔡明哲研究員：李東明研究助理：謝耀明、魏廷芳、王婉柔、陳顗夫. 內政部建築研究所研究報告中華民國九十四年十一月.

(3) ARCHITECTURE AND BUILDING RESEARCH INSTITUTE MINISTRY OF THE INTERIOR RESEARCH PROJECT REPORT. A study on wooden historical building retrofitted by using carbon fiber reinforced plastic. BY MAU, LUO LI, YEOU-FONG; TSAI, MING-JER LI, DONG-MING SHIE, YAO-MING; WEI, TING-FANG; WANG, WAN-ROU CHEN, YI-FU. November, 2005.

(4) 目次. 目次表次...................................................................................... III 圖次........................................................................................V 摘要...................................................................................... XI 第一章緒論...........................................................................1 第一節研究背景 ................................................................1 第二節研究範圍 ................................................................2 第三節研究目的 ................................................................2 第二章文獻回顧...................................................................5 第一節 FRP 彎矩補強文獻回顧 .......................................6 第二節 FRP 剪力補強文獻回顧 .......................................8 第三節 CFRP 應用於工程上之案例 ................................9 第三章腐朽木構材以 CFRP 彎矩補強之研究 ................ 11 第一節實驗材料 .............................................................. 11 第二節實驗方法 ..............................................................15 第四章受損木構材 CFRP 彎矩補強實驗結果 ................27 第一節木材靜曲破壞模式 ..............................................27 第二節影響木材靜曲性質之因素 ..................................29 第三節彎矩補強測試結果 ..............................................37 第五章 CFRP 補強木構件短梁之研究 .............................75 第一節第二節第三節第四節. 預備實驗方法 ......................................................75 預備實驗靜曲試驗結果 ......................................78 長-短梁臨界跨深比破壞模式之探討.................86 CFRP 補強木構件短梁實驗設計.......................92. 第六章 CFRP 補強木構件短梁靜曲試驗測試結果 .........95 第一節木材物理性質量測 ..............................................95 第二節三點抗彎測試結果 ..............................................96 I.

(5) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. 第七章結論與建議 .......................................................... 109 第一節結論 ................................................................... 109 第二節建議 ....................................................................112 附錄一審查意見及專家座談 ...........................................113 附錄二孔洞對木材強度之影響 .......................................119 附錄三 CFRP 應用於木構件彎矩補強之理論推導及實驗 .............................................................................. 125 參考書目............................................................................ 145. II.

(6) 表次. 表次表 3-1 碳纖維貼片測試項目規範及規格值 .......................13 表 3-2 底漆測試項目規範及規格值 ...................................13 表 3-3 積層樹脂測試項目規範及規格值 ...........................14 表 3-4 CFRP 彎矩補強受損（模擬蟲蛀腐朽）木構件實驗規劃表 .......................................................................15 表 4-1 各木理傾斜角試材之靜曲強度的實測值與推算值32 表 4-2 木曾產日本扁柏的徑切面與弦切面彎曲比較........32 表 4-3 d/h 和靜曲強度（ σ bb ）之關係 ................................36 表 4-4 荷重點至節為止的距離（S）及靜曲強度（ σ bb ）之關係 ...........................................................................36 表 4-5 B-A、B-B 與 B-C 組試材平均含水率以及密度 ....38 表 4-6 B-D 與 B-E 組試材平均含水率以及密度 ...............39 表 4-7 B-A 組三點抗彎測試結果以及補強提昇效能........44 表 4-8 B-B 組三點抗彎測試結果以及補強提昇效能........48 表 4-9 B-C 組三點抗彎測試結果以及補強提昇效能........53 表 4-10 B-D 組三點抗彎測試結果以及補強提昇效能......57 表 4-11 B-E 組三點抗彎測試結果以及補強提昇效能 .....62 表 4-12 B-A~B-E 對照組三點抗彎測試結果以及極限載重/ 極限位移提昇（減少）效能 .................................64 表 4-13 B-A~B-E 組包覆 1 層 CFRP 三點抗彎測試結果以及極限載重/極限位移提昇（減少）效能 ............66 表 4-14 B-A~B-E 組包覆 2 層 CFRP 三點抗彎測試結果以及極限載重/極限位移提昇（減少）效能 ............68 表 4-15 B-A~B-E 組包覆 3 層 CFRP 三點抗彎測試結果以及極限載重/極限位移提昇（減少）效能 ............70 表 4-16 各組試材斷面慣性矩計算表 .................................72 表 4-17 對照組與補強組平均極限應力數值 .....................73 表 5-1 預備試驗跨深比實驗規劃表 ...................................75 表 5-2 預備實驗各組試材木材物理性質量測表 ...............77. III.

(7) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. 表 5-3 預備實驗各組試材靜曲試驗 MOR 值以及破壞模式 ................................................................................... 85 表 5-4 長-短梁臨界跨深比實驗規劃表 ............................. 86 表 5-5 長-短梁臨界跨深比木材物理性質量測 ................. 87 表 5-6 長-短梁臨界跨深比靜曲試驗之破壞模式 ............. 88 表 5-7 CFRP 補強木構件短梁實驗規劃表 ....................... 92 表 6-1 木構件短梁各組試材之物理性質量測表............... 95 表 6-2 C 組靜曲試驗結果................................................... 98 表 6-3 P 組靜曲試驗結果 ................................................. 100 表 6-4 U 組靜曲試驗結果................................................. 102 表 6-5 UP 組靜曲試驗結果 .............................................. 104 表 6-6 對照組與補強組三點抗彎測試結果以及補強提昇效能............................................................................. 105 表 7-1 B-A~B-E 組相同斷面面積損失百分比及不同 CFRP 包覆層數條件下，CFRP 補強後極限載重以及極限位移增加（減少）百分比..................................... 109 表 7-2 B-A~B-E 組在同一 CFRP 包覆層數下，其健全斷面以及非健全斷面極限載重以及極限位移增加（減少）百分比............................................................110. IV.

(8) 圖次. 圖次圖 3-1 碳纖維複合材料-碳纖維 ..........................................13 圖 3-2 B-A 組實驗變因示意圖............................................16 圖 3-3 B-B 組實驗變因示意圖............................................17 圖 3-4 B-C 組實驗變因示意圖............................................18 圖 3-5 B-D 組實驗變因示意圖............................................19 圖 3-6 B-E 組實驗變因示意圖............................................20 圖 3-7 萬能強度試驗機以及資料記錄器 ...........................21 圖 3-8 木材縱向鑽孔設備 ...................................................21 圖 3-9 CFRP 貼覆施工流程圖............................................22 圖 3-10 材料準備 .................................................................23 圖 3-11 去除劣化層（砂磨）..............................................23 圖 3-12 上底漆 .....................................................................24 圖 3-13 上積層樹脂 .............................................................24 圖 3-14 試材之養護 .............................................................25 圖 4-1 引張面之破壞型 .......................................................27 圖 4-2 彎曲材之破壞類型 ...................................................28 圖 4-3 RT 面之靜曲破壞路徑 .............................................28 圖 4-4 l/h 比和靜曲強度之關係 ..........................................29 圖 4-5 台灣雲葉之木理傾斜角（ θ ）與靜曲強度值（ σ bp ,σ b , Eb ）之關係 .......................................................................31 圖 4-6 鐵杉材之木理傾斜角（ θ ）與靜曲強度值（ σ bp ,σ b , Eb ）之關係 .......................................................................31 圖 4-7 靜曲彈性係數之變化和含水率之關係荷重木口面， Apitong 材.................................................................35 圖 4-8 各組試材之對照組（下圖由左至右分別為 B-A、 B-B、B-C、B-D 以及 B-E） ..................................40 圖 4-9 超音波檢測儀（Sylvatest Duo） ............................40 圖 4-10 超音波檢測儀（Sylvatest Duo）檢測現況圖 ......40 圖 4-11 B-A 組試材現況圖（由左至右分別為對照組、1 層. V.

(9) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. CFRP、2 層 CFRP 與 3 層 CFRP）................... 42 圖 4-12 B-A-0 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材編號 1~5) ................................................................ 42 圖 4-13 B-A-1 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材編號 1~5) ................................................................ 42 圖 4-14 B-A-2 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材編號 1~5) ................................................................ 43 圖 4-15 B-A-3 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材編號 1~5) ................................................................ 43 圖 4-16 B-A 組極限載重提昇 (減少) 效能比較圖 .......... 44 圖 4-17 B-A 組極限位移提昇 (減少) 效能比較圖 .......... 45 圖 4-18 B-A 組平均載重-位移曲線圖................................ 45 圖 4-19 B-B 組試材現況圖（由左至右分別為對照組、1 層 CFRP、2 層 CFRP 與 3 層 CFRP）................... 46 圖 4-20 B-B-0 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材編號 1~5) ................................................................ 47 圖 4-21 B-B-1 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材編號 1~5) ................................................................ 47 圖 4-22 B-B-2 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材編號 1~5) ................................................................ 47 圖 4-23 B-B-3 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材編號 1~5) ................................................................ 48 圖 4-24 B-B 組極限載重提昇（減少）效能比較圖 ..... 49 圖 4-25 B-B 組極限位移提昇（減少）效能比較圖 ..... 49 圖 4-26 B-B 組平均載重-位移曲線圖................................ 50 圖 4-27 B-C 組試材現況圖（由左至右分別為對照組、1 層 CFRP、2 層 CFRP 與 3 層 CFRP）................... 51 圖 4-28 B-C-0 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材編號 1~5) ................................................................ 51 圖 4-29 B-C-1 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材編號 1~5) ................................................................ 52 圖 4-30 B-C-2 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材 VI.

(10) 圖次. 編號 1~5).................................................................52 圖 4-31 B-C-3 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材編號 1~5).................................................................52 圖 4-32 B-C 組極限載重提昇（減少）效能比較圖..........53 圖 4-33 B-C 組極限位移提昇（減少）效能比較圖..........54 圖 4-34 B-C 組平均載重-位移曲線圖 ................................54 圖 4-35 B-D 組試材現況圖（由左至右分別為對照組、1 層 CFRP、2 層 CFRP 與 3 層 CFRP） ...................55 圖 4-36 B-D-0 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材編號 1~5).................................................................56 圖 4-37 B-D-1 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材編號 1~5).................................................................56 圖 4-38 B-D-2 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材編號 1~5).................................................................56 圖 4-39 B-D-3 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材編號 1~5).................................................................57 圖 4-40 B-D 組極限載重提昇（減少）效能比較圖..........58 圖 4-41 B-D 組極限位移提昇（減少）效能比較圖..........58 圖 4-42 B-D 組平均載重-位移曲線圖 ................................59 圖 4-43 B-E 組試材現況圖（由左至右分別為對照組、1 層 CFRP、2 層 CFRP 與 3 層 CFRP） ...................60 圖 4-44 B-E-0 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材編號 1~5).................................................................60 圖 4-45 B-E-1 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材編號 1~5).................................................................61 圖 4-46 B-E-2 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材編號 1~5).................................................................61 圖 4-47 B-E-3 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材編號 1~5).................................................................61 圖 4-48 B-E 組極限載重提昇（減少）效能比較圖..........62 圖 4-49 B-E 組極限位移提昇（減少）效能比較圖..........63 圖 4-50 B-E 組平均載重-位移曲線圖 ................................63 VII.

(11) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. 圖 4-51 B-A~B-E 對照組極限載重提昇（減少）效能比較圖 ............................................................................ 65 圖 4-52 B-A~B-E 對照組極限位移提昇（減少）效能比較圖 ............................................................................ 65 圖 4-53 B-A~B-E 組貼覆 1 層 CFRP 極限載重提昇（減少）效能比較圖 ............................................................ 67 圖 4-54 B-A~B-E 組貼覆 1 層 CFRP 極限位移提昇（減少）效能比較圖 ............................................................ 67 圖 4-55 B-A~B-E 組貼覆 2 層 CFRP 極限載重提昇（減少）效能比較圖 ............................................................ 69 圖 4-56 B-A~B-E 組貼覆 2 層 CFRP 極限位移提昇（減少）效能比較圖 ............................................................ 69 圖 4-57 B-A~B-E 組貼覆 3 層 CFRP 極限載重提昇（減少）效能比較圖 ............................................................ 71 圖 4-58 B-A~B-E 組貼覆 3 層 CFRP 極限位移提昇（減少）效能比較圖 ............................................................ 71 圖 4-59 平均極限應力與斷面慣性矩損失量關係圖......... 73 圖 5-1 預備實驗各組試材現況圖（由下而上分別為 S1~S12 之試材）................................................................... 78 圖 5-2 S1 組試材靜曲破壞現況圖 ..................................... 79 圖 5-3 S2 組試材靜曲破壞現況圖 ..................................... 79 圖 5-4 S3 組試材靜曲破壞現況圖 ..................................... 80 圖 5-5 S4 組試材靜曲破壞現況圖 ..................................... 80 圖 5-6 S5 組試材靜曲破壞現況圖 ..................................... 81 圖 5-7 S6 組試材靜曲破壞現況圖 ..................................... 81 圖 5-8 S7 組試材靜曲破壞現況圖 ..................................... 82 圖 5-9 S8 組試材靜曲破壞現況圖 ..................................... 82 圖 5-10 S9 組試材靜曲破壞現況圖.................................... 83 圖 5-11 S10 組試材靜曲破壞現況圖.................................. 83 圖 5-12 S11 組試材靜曲破壞現況圖.................................. 84 圖 5-13 S12 組試材靜曲破壞現況圖.................................. 84 圖 5-14 不同跨深比與 MOR 之關係圖 ............................. 85 VIII.

(12) 圖次. 圖 5-15 AS1-1 靜曲破壞現況圖 ..........................................89 圖 5-16 AS1-2 靜曲破壞現況圖 ..........................................89 圖 5-17 AS1-3 靜曲破壞現況圖 ..........................................89 圖 5-18 AS1-4 靜曲破壞現況圖 ..........................................89 圖 5-19 AS2-1 靜曲破壞現況圖 ..........................................90 圖 5-20 AS2-2 靜曲破壞現況圖 ..........................................90 圖 5-21 AS2-3 靜曲破壞現況圖 ..........................................90 圖 5-22 AS2-4 靜曲破壞現況圖 ..........................................90 圖 5-23 AS3-1 靜曲破壞現況圖 ..........................................91 圖 5-24 AS3-2 靜曲破壞現況圖 ..........................................91 圖 5-25 AS3-3 靜曲破壞現況圖 ..........................................91 圖 5-26 AS3-4 靜曲破壞現況圖 ..........................................91 圖 5-27 木構件短梁實驗規劃示意圖 .................................93 圖 6-1 C1 靜曲破壞現況圖 .................................................96 圖 6-2 C2 靜曲破壞現況圖 .................................................96 圖 6-3 C3 靜曲破壞現況圖 .................................................96 圖 6-4 C4 靜曲破壞現況圖 .................................................97 圖 6-5 C5 靜曲破壞現況圖 .................................................97 圖 6-6 C 組試材平均載重-位移曲線圖 ..............................97 圖 6-7 P1 靜曲破壞現況圖 ..................................................98 圖 6-8 P2 靜曲破壞現況圖 ..................................................98 圖 6-9 P3 靜曲破壞現況圖 ..................................................99 圖 6-10 P4 靜曲破壞現況圖 ................................................99 圖 6-11 P5 靜曲破壞現況圖 ................................................99 圖 6-12 P 組試材平均載重-位移曲線圖.............................99 圖 6-13 U1 靜曲破壞現況圖..............................................100 圖 6-14 U2 靜曲破壞現況圖..............................................100 圖 6-15 U3 靜曲破壞現況圖..............................................101 圖 6-16 U4 靜曲破壞現況圖..............................................101 圖 6-17 U5 靜曲破壞現況圖..............................................101 圖 6-18 U 組試材平均載重-位移曲線圖 ..........................101 圖 6-19 UP1 靜曲破壞現況圖 ...........................................102 IX.

(13) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. 圖 6-20 UP2 靜曲破壞現況圖 .......................................... 103 圖 6-21 UP3 靜曲破壞現況圖 .......................................... 103 圖 6-22 UP4 靜曲破壞現況圖 .......................................... 103 圖 6-23 UP5 靜曲破壞現況圖 .......................................... 103 圖 6-24 UP 組試材平均載重-位移曲線圖 ....................... 104 圖 6-25 對照組與補強組極限載重提昇（減少）效能比較圖 .............................................................................. 106 圖 6-26 對照組與補強組極限位移提昇（減少）效能比較圖 .............................................................................. 106 圖 6-27 對照組與補強組試材平均載重-位移曲線圖 .... 107. X.

(14) 摘要. 摘要關鍵詞：古蹟及歷史建築物、碳纖維強化高分子複合材料、木構件補強本研究擬以應用於鋼筋混凝土結構物的補強已臻成熟之碳纖維強化高分子複合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP），作為木構造古蹟建築修復補強的材料。研究團隊之先期國科會計畫（NSC 89-2313-B-002-195）已經探討過木構件與 CFRP 膠合性質之可行性，並且進行初步之彎矩補強研究，研究成果顯示 CFRP 強化木構件之張力側可提升整體木梁構件的強度、剛性以及韌性，並且建立木梁張力側貼覆 CFRP 之彎矩補強理論模式。因此本計畫進行 CFRP 補強木構件之後續研究，研究項目包含 CFRP 貼覆日式與西式建築物之受損木構件彎矩補強研究、CFRP 貼覆木構件短梁補強研究，並且建立 CFRP 補強木構件之施工流程標準程序（此工法為一可逆之工法，符合文資法第三十條之規定）。經由本計畫之執行，已完成如下之具體成果：（1）建立 CFRP 貼覆木構件之施工流程以供業界現場施工之參考；（2）CFRP 彎矩補強木梁構件後續研究，瞭解木梁構件斷面受損（模擬蟲蛀腐朽）後之彎矩補強效能，以供古蹟現場大木構件修復補強之參考依據；（3）探討碳纖維強化高分子複合材料補強木構件短梁之可行性，瞭解不同型式之補強方式對木構件短梁補強效能的影響等。. XI.

(15) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. XII.

(16) 第一章緒論. 第一章緒論木材是可再生的生物材料，且具有許多優良的居住特性，自古以來一直為人類所喜愛而大量選用為建築材料，也由於台灣地區盛產木材，因此以前較傳統的建築中主結構體屬於木構造者佔有相當之比例，隨時光推演成了今日的古蹟與歷史建築物。古蹟與歷史建築為國家重要之文化資產，能為歷史作見證，也為民族傳統文化之表徵，其重要性已被多數進步國家所認可。. 第一節研究背景臺灣地區位於地震頻繁之環太平洋地震帶上，民國八十八年九月二十一日凌晨一點四十七分，發生了百年來規模最大的地震，這次地震不只震垮了台灣地區許多新建的鋼筋混凝土建築物，也震毀了許多以木構架為主的古蹟與歷史建築物。由於以木構架為主的古蹟（木結構古蹟佔國內指定古蹟的六成以上）以及歷史建築物之結構特性與使用材料特性，包括結構體抵抗如地震之水平力較差、木構件長期使用後腐蝕之問題，使得其修復及補強的困難度超過一般的鋼筋混凝土建築物。基於文化資產保存法第二十一條：「古蹟應保存原有形貌及工法，如因故毀損，而主要構造與建材仍存在者，應依照原有形貌修復，並得依其性質，由所有人、使用人或管理人提出計畫，經主管機關核准後，採取適當之修復或再利用方式。且文化資產保存法施行細則第四十六條：「古蹟修護，應依下列原則為之：一、保存原有之色彩、形貌。二、採用原用或相近之材料。三、使用傳統之技術及方法。四、非有必要不得解體重建」。在八十九年二月九日修正通過的文資法第三十條增列了保存科學的應用技術等文字：「…前項修復計畫之提出，必要時得採用現代科技與工法，以增加其防震、防災、防蛀等機能」。這無疑的被認為國內文化資產保存修復實務引用現代科技與工法，以達到保存目的，為必然之趨勢。基於此因，本研究構想以碳纖維強化高分子複合材料（CFRP）應用在木. 1.

(17) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. 構件上之補強，CFRP 具有質量輕、耐腐蝕，強度高等優點，CFRP 補強工法可說是現代科技與工法之結合。CFRP 可貼覆於木材外面，經過磨除後，可以恢復木構造之原有外觀，它亦符合保存科學的應用技術之可逆性。. 第二節研究範圍本研究範圍以台灣日式及西式木構造建築物為對象；其中日式木構造建築又稱為和小屋式建築，這種建築方式為日本傳統木構特點，其在於屋架之構件僅具小柱與大樑，無斜置構件（方仗）；而西式木構造建築多為中柱式洋小屋型，其桁架結構大致為中柱式桁架俗稱正同柱桁架，構面內設置有斜撐材，抵抗橫力作用較抬樑式與穿斗式桁架有利，為今日西式木構造中最常用者。中柱式結構建築在構架上由合掌、真束、陸樑、吊束及方杖等構件組成桁架式屋架，每一個組成構件及其結點由於承重之應力及幾何位相上的不同，各有其對應之構法，此乃因其在不同之幾何位相及受力情況下有不同之力學行為所致。. 第三節研究目的結構物補強一般可分為劣化補強、耐震補強與強度補強等三大類；劣化補強乃因構件腐蝕而做的處理，環氧樹脂灌注修復法等，其目的是在防止結構物繼續劣化；而耐震補強則因為時空的變遷及規範的更新，為了符合現行法規的要求，而必須採用的補強方法，係利用增設隔減震設備或改變結構物的結構系統，來增加結構物的剛性，如複合材料包覆補強；而強度補強則因為強度不足而必須利用補強方式來增加強度的皆屬此類。在舊有傳統補強基礎上，研發新的補強材料與工法，並應用於木構造建築的修復，除了能預防或減少下一個地震來臨時所造成的災情，也能達到保存文化資產之目的。另一方面，對於木構造建築進行修補，不需大量拆除重建木構造建築，不會造成木材此一生態材料的浪費，有助於人類對地球環境之保護。本計畫的目的為探討 CFRP 應用於木構造古蹟與歷史建築補強之效應。研究方向將從其材料面與力學面來探討 CFRP 應用於木構造古蹟與歷史建築. 2.

(18) 第一章緒論. 補強之可行性與實用性。主要工作包括： 1. 針對受損木梁構件（模擬蟲蛀腐朽）進行彎矩補強後續研究； 2. 探討不同補強方式對木構件短梁補強之效能； 3. 建立 CFRP 補強木構件之施工流程標準程序，以供業界現場施工之參考。. 3.

(19) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. 4.

(20) 第二章文獻回顧. 第二章文獻回顧台灣歷史建築物中，木材被大量使用於結構體上，就木構材長期曝露於大氣中使用時容易發生老化或劣化的現象，而減低其利用價值，加上台灣屬於高溫高濕的海島型氣候，木構材如未經處理或定期維護，老化及劣化的現象更容易發生，使木構材的承載力及耐久性縮減，因而在強震侵襲下發生各種不同程度的損傷，其中對於完全倒塌之建築物除非有特殊狀況，否則只有選擇拆除重建。以九二一集集大地震為例，在中部及北部地區造成嚴重的災情，數以萬計的房屋毀損、倒塌，除了鋼筋混凝土建築及鋼造建築外，尚有磚造建築、土塊厝建築及木構造建築等傳統建築，而地震中大部分木造、磚造、土塊厝等傳統建築因缺乏耐震能力而毀損（葉祥海與蔡克銓，1999）。以古蹟及歷史建築物而言，政府在震後對於文化資產保存法進行修正及增訂，其中不但對於歷史建築列入保護，並修訂古蹟的修復在不損及原有風貌之前提下，必要時得採用現代科技與工法，以增加其防震、防災以及防蛀等機能。因此，在顧及古蹟與歷史建築物之原有風貌與安全性下，對於國內古蹟木構件遭受侵蝕損壞之修復補強，乃是防震重點之一，亦是解決安全性問題最經濟的方法。補強乃視損傷或劣化之嚴重程度，必須將造成損傷或劣化之因素消除或加強其性能之補修（丁育群與陳宗禮，2000）。補強亦稱強化，可分為構造全體的補強與構件的補強，其中構件的補強是在構件上加上木材、金屬、或使用玻璃纖維、碳纖維及合成樹脂等現代化材料進行補強（伊原惠司，2000）。近年來纖維強化高分子複合材料（Fiber Reinforced Plastics, FRP）被應用於鋼筋混凝土（RC）與預力混凝土（PC）結構物的補強材料，以提高其強度與剛性，FRP 補強之主要優點為耐腐蝕性強、強度高、重量輕、剪裁容易、施工容易而且適用於幾何形狀複雜之黏貼面等，FRP 之補強功能主要是靠高強度之纖維（Fiber，如碳纖維、玻璃纖維及克維拉纖維）與基材（Matrix，如環氧樹脂）之共同作用，FRP 中以碳纖維之補強最為普遍，主因在於三種 FRP 中以碳纖維的強度最高，耐腐蝕性亦最佳（徐耀賜，2001）。近年來碳纖維的 5.

(21) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. 應用更擴大到工程及建築上，目前國內將 CFRP 普遍應用於混凝土結構物的補強。在混凝土補強方面，碳纖維主要是作為抗拉力與圍束材料，例如碳纖維用在補強高速公路上，以增加卡車運輸噸數的承受量、抗震並解決鹽腐蝕的問題，因此混凝土以碳纖維補強的需求急速的增加（Ogawa，2000）。李有豐等人（1999，2000，2001）亦從事許多 RC 橋柱以 FRP 補強後之耐震試驗以及理論分析的研究，實驗結果發現以 CFRP 補強後之橋柱其消能能力以及強度、韌性均會提昇。. 第一節 FRP 彎矩補強文獻回顧在國外 CFRP 應用於土木結構物之補強技術已經非常的成熟，Shokrieh （2001）採用 11 根 RC 梁，藉由包覆與未包覆 FRP 複合材料，利用實驗與理論以及數值分析來比較其四點靜曲破壞模式，實驗結果發現：（1） RC 梁藉由 FRP 複合材料強化後，1.5 mm（單層）增加大約 80%；（2）FRP 不但可以強化未損壞之混凝土梁，也可以強化損壞後之混凝土梁。Beter 等人（2001）藉由一層、四層、七層及十層 FRP 來強化 RC 梁，並把試體加載至破壞，實驗結果發現：（1）在一定之載重下，鋼筋之應力-變形是小於對照梁的；（2）強化梁之極限載重可以用傳統梁之靜曲理論預測；（3）混凝土之強度也會影響梁之剛性及極限載重。目前國內將 CFRP 普遍應用於混凝土結構物的補強，以單層 CFRP 圍束補強混凝土圓柱試體 (直徑 15 cm，高度 30 cm)，其平均破壞載重約增加 2.27 倍；雙層圍束補強者之平均破壞載重約增加 3.18 倍（張寬勇等，1998）。另外以 90°走向之 CFRP 補強 RC 梁，其增加剪力強度並提高整體韌性；以 0°走向之 CFRP 補強可提高 RC 梁抗彎強度，貼覆層數愈高，抗彎矩能力愈強（李有豐等，1998）。在國外應用 CFRP 於木質材料以及木質結構物之強化補強研究的案例也非常的豐富，Bohannan（1962）探究預力低等級結構木材及未預力低等級結構木材在靜曲性質的製造評估比較得知：（1）木梁的剛性不會因為預力的效果而增加；（2）預力梁比未預力梁在破壞前將支承一個較大的載重且測試結果指出，藉由預力的強化會產生一個較大的現存靜曲強度之使用性。Wangaard. 6.

(22) 第二章文獻回顧（1964）與 Biblis（1965）則使用環氧樹脂為膠合劑，膠黏 GFRP 於不同材種的心板兩面，彎曲彈性係數增加 20%~50%。Boehme 與 Schweiz（1974）以 GFRP 貼面處理粒片板與合板，獲致在抗彎強度與剛性、引張強度與壓縮強度的顯著增加。Plevris 與 Triantafillou（1995）採用 FRP 以環氧樹脂強化木梁張力側後之潛變行為提供一個基本的認知，其研究發現：（1）FRP 強化梁的潛變行為初始是受到木材潛變的控制；（2）由實驗驗證，CFRP 在強化木構材靜曲強度為一優良的材料，只要超過 1%些許的 CFRP 面積，將會減少總構材變形量 40%以及潛變行為減少 50%。Mosallam 與 Kreiner（1999）採用 8 根 8 吋 ×8 吋×10 呎長的花旗松木構件進行抗彎實驗至試材破壞，其研究結果發現：（1）補強梁和對照梁相較之下，補強梁載重容量增加到 260%以及剛性是增加到 90%；（2）針對損壞的預裂縫梁增加額外的 FRP 層數，會增加 180%的載重彎矩容量以及剛性提升至 150%。Martin 等人（2000）使用 GARP （Glass-Aramid Reinforced Polymer）以及 ARP（Aramid Reinforced Polymer）兩種型態之 FRP 補強橋面版之張力側，實驗結果顯示 FRP 強化後對橋面板之強度、剛性以及韌性都有提昇之效能。Fave 與 Tingley（2001）以 FRP 強化集成梁之張力側，其研究結果得到：（1）針對張力區較高百分比的強化可以減少梁指接強度的影響；（2）針對延展性的測試方面證實，強化集成梁較未強化集成梁在韌性有特別的增加。Fiorelli 與 Dias (2003) 採用 CFRP 以及 GFRP 針對木梁進行張力側之彎矩補強，從其實驗結果發現採用 FRP 補強可增加梁構件之剛性、強度以及韌性，並且有效預防由於木梁構件之缺點而引起之張力破壞。Borri 等人（2003）採用 CFRP 貼片以及 CFRP 棒進行木構件彎矩區域之強化，從其實驗結果發現以 CFRP 貼片強化木梁彎矩區域不論是平貼或是 L 型貼覆，皆能增強其強度、剛性以及韌性，而以 CFRP 棒補強對提升整體之彎矩強度效能卻不顯著。國內將 CFRP 應用於木材或木質材料補強之相關文獻較少，黃耀富、江吉龍（1997）研究發現木材粒片與碳纖維織布複合之製板，成板之比靜曲破壞係數、比靜曲彈性係數、內聚強度及木螺絲保持力等性質均隨結構碳纖維織布層數的增加而提高，並明顯改善粒片板表面之耐燃性，而木材纖維與碳. 7.

(23) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. 纖維織布複合之製板的成效亦與木材粒片與碳纖維織布複合之製板相同。謝耀明（2002）應用 CFRP 補強鐵杉與杉木之張力側，並進行彎矩補強理論推導，經由補強木梁與未補強木梁實驗結果與理論驗證下，其強度、剛性以及韌性都有提昇之效果。依謝耀明等人（2002）以四種不同佈膠量之底漆以及環氧樹脂應用於木構件膠合性質之可行性研究，藉由拉拔測試來探究最佳之佈膠量，其研究結果發現最佳之佈膠量為 0.20~0.25kg/m2，但在考量不缺膠之情況下，其建議採用 0.25 kg/m2 環氧樹脂佈膠量。周惠娟（2003）在 CFRP 補強木材複合材靜曲效能改善之研究中，將 CFRP 貼覆於含柳杉等五種試材上，並以浸漬剝離試驗及煮沸剝離試驗兩項劣化流程對 CFRP 與木材之膠合進行試驗，結果顯示 CFRP 與木材間並無剝離現象，此已符合 CNS11031 結構用集成材中之 I 類使用環境者。. 第二節 FRP 剪力補強文獻回顧在國外 CFRP 應用於土木以及木質構材之研究如次所述：Triantafillou （1997）採用 CFRP 當作集成木梁之剪力補強材料，其研究成果發現：（1）使用 CFRP 補強可加強其剪力效能；（2）理論分析與實驗測試相較之下，其誤差百分比相近。Triantafillou（1998）研究發現以 CFRP 貼片或是編織的方式作為混凝土、石材以及木材的剪力補強是一個高效率的技術。使用 FRP 強化混凝土以及石材可以視為典型之桁架類比法來處理並且可以求得有效 FRP 之應變（依 FRP 之規格不同而有差異）；對木材剪力補強而言，以簡單之材料力學的方式即可對 FRP-木複合構材進行分析。Täljsten 與 Carolin（2001）推導 CFRP 剪力強化 RC 梁之理論，並且進行實驗測試與理論驗證等工作，實驗變因包含 CFRP 貼覆角度以及層數之變化並且應用有限元素分析去證實理論之可靠性。Lopeez 等人（2001）測試在-29℃高振幅循環的靜曲及剪力強化梁，實驗結果顯示：（1）靜曲循環遲滯載重測試的應變資料顯示，當 CFRP 板在循環次數增加時會有應變重新分配的趨勢；（2）剪力梁在-29℃單向載重作用下會發生 CFRP 板的剪力脫膠，且此現象是伴隨著混凝土的剪力破壞而產生的；（3）在-29℃循環遲滯載重的作用下，初始破壞是在第一層的強化鋼筋，. 8.

(24) 第二章文獻回顧然而鋼筋的破壞是歸因於低溫下之脆性破壞。Cao 等人（2001）從事 GFRP 貼片以及條狀 GFRP 貼片於 RC 梁之剪力補強，實驗控制變因為 RC 梁剪力跨距以及條狀 GFRP 之間距，實驗結果發現：（1）不論是用 GFRP 貼片或是條狀 GFRP 都能增加其剪力效能，且使用 GFRP 量越高其增加之效能越大，但其剪力跨距大小並不會影響補強效能；（2）當載重達到 GFRP 之極限承載力時，條狀 GFRP 逐漸產生脫層，而 GFRP 貼片則產生全面之脫層；（3）FRP 之平均應變是受到 FRP 使用量以及強化之方法影響，當 FRP 使用量越高則在剪力跨之平均 FRP 應變越小。Tascioglu 等人（2003）採用 ILSS（Interlaminar Shear Strength）測試與非破壞評估（NDE）的方法探究真菌（白腐菌與褐腐菌）對 E-FRP 補強木梁是否造成剪力強度減少以及 E-FRP 面積損失的研究，其研究結果發現：（1）E-FRP 材料的確會遭受木材腐朽菌的危害；（2）剪力強度損失的原因為真菌在 E-FRP 與木材界面產生代謝物造成界面破壞；（3）研究結果驗證 ILSS 以及 NDE 的方法可以監測真菌之危害情況。在國內只收集到 CFRP 應用於 RC 構件剪力補強的研究，至於應用 CFRP 於木質構件之剪力補強文獻相當稀少。曹智強（2002）採用 U 型、條狀、面狀、L 型以及前述四種組合變化之補強方式，針對 RC 梁進行剪力補強，在其四點抗彎測試結果發現：（1）各種補強方式均能增加 RC 梁之剪力強度，因此 CFRP 貼覆梁之側面可有效預防剪力裂縫之發生；（2）理論上要預防剪力裂縫之產生，必須配置 CFRP 於剪力裂縫之垂直向，但因施工不易，又混凝土強度與圍束狀態有關，因此以 U 型補強效果最佳。. 第三節 CFRP 應用於工程上之案例在台灣，FRP 應用於現地古蹟以及歷史建築之強化仍有待開發，雖然 FRP 強化木梁構件符合現代科技與工法，未來若有更適當且可替代之材料時，可將木梁表面之 FRP 磨除並應用新的技術，為一可逆性之材料；但基於許多學者對於古蹟及歷史建築保存之理念不同，應用於目視可及之構架仍會遭受質疑，因此本文建議僅考慮應用於台灣日式以及西式木構架隱蔽處，例如天花板上方之構架，至於有施以彩繪之建築仍有待開發其應用之可行性。在國外， 9.

(25) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. FRP 應用於歷史建築修復工程上之案例如次所述： Katsumata等人 (2001) 應用CFRP之技術在歷史建築的強化以及降低價錢，節省時間以及忽略結構外表的改變。Meier (2001) 採用CFRP複合材料去強化以及加勁兩棟歷史建築，強化結果顯示，CFRP是適用於強化以及加勁諸如上述二類的木構造建築。. 10.

(26) 第三章腐朽木構材以 CFRP 彎矩補強之研究. 第三章腐朽木構材以 CFRP 彎矩補強之研究本章主要目的為探討木構件在遭受蟲蛀腐朽時，以 CFRP 貼片彎矩補強木構件之可行性；並且在 CFRP 貼覆木構件施作過程中拍攝 DV 影片，以建立 CFRP 貼覆木構件之施工標準流程。實驗材料包含 CFRP 貼片、杉木以及環氧樹脂等；實驗以鑽孔機器進行木材縱向全長鑽孔，探討不同斷面面積損失百分比（模擬構材斷面受損程度）在不同 CFRP 貼覆層數下，其彎矩補強之效能。以下分別詳述彎矩補強之實驗材料、實驗方法以及施作流程。. 第一節實驗材料 CFRP 彎矩補強受損（模擬蟲蛀腐朽）木梁構件試驗材料包含杉木（Cunninghamia lancelata）、碳纖維強化高分子複合材料，材料之特性以及規格如下所述：一、杉木本研究使用常用之材種杉木（Cunninghamia lancelata）來進行實驗測試，含水率為 15~17%。二、碳纖維強化高分子複合材料碳纖維強化高分子複合材料（CFRP，見圖 3-1）有三個基本成份：碳纖維（Carbon Fiber）與基材（Matrix）以及纖維－基材之界面（Interface）等。碳纖維為強化材料，使 CFRP 材料具有很高的強度和彈性係數，且使 CFRP 材料承受應力時不致於彎曲或破壞；碳纖維強化材料是決定 CFRP 材料機械性能的主要因素，碳纖維強化材料於 CFRP 材料中之功能綜合歸納成下列五點：（a）承受主要負載；（b）限制微裂紋延伸；（c）提高材料強度與剛性；（d）改善材料抗疲勞以及抗潛變性能；與（e）提高材料使用壽命與可靠性。 CFRP 材料必須證實其製造過程是經過嚴謹的品質控制，製造商需通過 ISO 9000 系列認證或是同等級之認證標準，以確保補強材料符合規範需求， 11.

(27) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. 本研究 CFRP 所採用的規格如表 3-1 所示。基材（Matrix）最主要的功能是傳送應力或分散應力到每根纖維中，且使纖維固定在所需要的排列方向，基材亦可以保護纖維免受到摩擦或侵蝕，同時基材也可結合纖維，使複合材料受應力時不致於破壞或變形。基材的性質是決定纖維複合材料最高使用溫度、電氣特性、化學性質之主要因素，大部份的高分子化合物，熱固性樹脂、室溫硬化樹脂或熱塑性塑膠，均可加入纖維強化材料使其性能增加，最常用之熱固性樹脂為不飽和聚酯（Unsaturated Polyester Resin）和環氧樹脂（Epoxy Resin）。纖維－基材的界面是決定複合材料使用壽命之重要因素，在界面處具有很高的局部應力，纖維複合材料可能從界面處先破壞，故纖維－基材界面必須具有良好的物理和化學性質，以便使負荷能夠很順利的由基材傳送到纖維。在木材表面塗佈底漆的目的主要在於浸透木材表層，以提升木材表面與 CFRP 間之接合性。本研究採用國內財團法人工業技術研究院所研發生產之 MRL-A2 型底漆主劑及 MRL-B2 型環氧樹脂硬化劑，底漆之調配比例為主劑：硬化劑＝100：35，其測試規範及規格值如表 3-2 所示。積層樹脂是用以膠結碳纖維貼片於木材表面，並固定碳纖維貼片在木材表面的位置，本研究係採用國內財團法人工業技術研究院所研發生產之 MRL-A3 型基層樹脂主劑及 MRL-B2 型環氧樹脂硬化劑，積層樹脂之調配比例為主劑：硬化劑＝100：35，其測試規範及規格值如表 3-3 所示。. 12.

(28) 第三章腐朽木構材以 CFRP 彎矩補強之研究. 圖 3-1 碳纖維複合材料-碳纖維. 表 3-1 碳纖維貼片測試項目規範及規格值品名. FAW-200. 測試規範. 單位面積重量（g/m2）. 200. CNS13062. 抗張強度（kgf/cm.ply）. 460. CNS13555. 抗張係數（kgf/cm.ply）. 25,800 以上. CNS13555. 設計抗張強度（kgf/cm2）. 490. －. 設計抗張係數（kgf/cm2）. 2.35×106. －. 設計厚度（mm/ply）. 0.11. －. 伸長率（%）. 1.8. CNS13555. 貼片幅寬（cm）. 50. －. 表 3-2 底漆測試項目規範及規格值項目. 測試規範. 規格值. 材質. －. 室溫硬化型環氧樹脂. 混合後初黏度（25℃）. CNS13065. 600-1,300 cps. 可操作時間（25℃）. 溫度上升法. 60-120 min.. 接著強度（乾燥表面）. CNS11053. >20 kgf/cm2 （混凝土破壞）. 13.

(29) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. 表 3-3 積層樹脂測試項目規範及規格值項目. 14. 測試規範. 規格值. 可操作時間（25℃）. 溫度上升法. 60-120 min.. 混合後初黏度（25℃）. CNS13065. 900-3,000 cps. 抗張強度 25℃、R.H.65%硬化 7 天. CNS4396. >400 kgf/cm2. 抗張係數 25℃、R.H.65%硬化 7 天. CNS4396. >30,000 kgf/cm2. 抗彎強度 25℃、R.H.65%硬化 7 天. CNS4392. >800 kgf/cm2. 剪切強度 25℃、R.H.65%硬化 7 天. CNS5606. >100 kgf/cm2.

(30) 第三章腐朽木構材以 CFRP 彎矩補強之研究. 第二節實驗方法一、彎矩補強實驗設計本項實驗目的為探究以 CFRP 彎矩補強受損（模擬蟲蛀腐朽）木梁構件之可行性，參照 CNS454 木材靜曲試驗法進行試驗，試材為正方體橫斷面柱體，斷面邊長（a）＝20~40mm，長度（L）＝跨距＋2a，跨距為 a 之 14 倍。採中央集中載重（三點載重）方式進行抗彎測試。彎矩補強試驗之試材尺寸為長×寬×高等於 48 cm×3 cm×3 cm，實驗變因包含在木材縱向全長進行不同孔徑大小之鑽孔以及採用不同 CFRP 層數貼覆在木材之張力側，探究木梁構件在斷面損失狀況下，彎矩補強所提昇之效能。彎矩補強受損（模擬蟲蛀腐朽）木構件實驗規劃如表 3-4 所示，對照組以及補強組示意圖如圖 3-2~圖 3-6 所示。. 表 3-4 CFRP 彎矩補強受損（模擬蟲蛀腐朽）木構件實驗規劃表組別內容孔徑（cm）斷面面積損失百分比（%）斷面慣性矩損失百分比（%） CFRP 張力側貼覆層數試材數量. B-A. B-B. B-C. B-D. B-E. 0. 1.2. 1.5. 1.8. 2.2. 0. 13. 20. 28. 42. 0. 1.5. 3.8. 7.7. 17. 0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3. 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5. 15.

(31) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. 圖 3-2 B-A 組實驗變因示意圖. （a）末貼覆 CFRP. （b）引張側貼覆 1 層 CFRP. （c）引張側貼覆 2 層 CFRP. （d）引張側貼覆 3 層 CFRP. 16.

(32) 第三章腐朽木構材以 CFRP 彎矩補強之研究. 圖 3-3 B-B 組實驗變因示意圖. （a）末貼覆 CFRP、鑽孔直徑 1.2 cm 貫穿全長. （b）引張側貼覆 1 層 CFRP、鑽孔直徑 1.2cm 貫穿全長. （c）引張側貼覆 2 層 CFRP、鑽孔直徑 1.2 cm 貫穿全長. （d）引張側貼覆 3 層 CFRP、鑽孔直徑 1.2 cm 貫穿全長. 17.

(33) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. 圖 3-4 B-C 組實驗變因示意圖. （a）末貼覆 CFRP、鑽孔直徑 1.5 cm 貫穿全長. （b）引張側貼覆 1 層 CFRP、鑽孔直徑 1.5 cm 貫穿全長. （c）引張側貼覆 2 層 CFRP、鑽孔直徑 1.5 cm 貫穿全長. （d）引張側貼覆 3 層 CFRP、鑽孔直徑 1.5 cm 貫穿全長. 18.

(34) 第三章腐朽木構材以 CFRP 彎矩補強之研究. 圖 3-5 B-D 組實驗變因示意圖. （a）末貼覆 CFRP、鑽孔直徑 1.8 cm 貫穿全長. （b）引張側貼覆 1 層 CFRP、鑽孔直徑 1.8 cm 貫穿全長. （c）引張側貼覆 2 層 CFRP、鑽孔直徑 1.8 cm 貫穿全長. （d）引張側貼覆 3 層 CFRP、鑽孔直徑 1.8 cm 貫穿全長. 19.

(35) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. 圖 3-6 B-E 組實驗變因示意圖. （a）末貼覆 CFRP、鑽孔直徑 2.2 cm 貫穿全長. （b）引張側貼覆 1 層 CFRP、鑽孔直徑 2.2 cm 貫穿全長. （c）引張側貼覆 2 層 CFRP、鑽孔直徑 2.2 cm 貫穿全長. （d）引張側貼覆 3 層 CFRP、鑽孔直徑 2.2 cm 貫穿全長. 20.

(36) 第三章腐朽木構材以 CFRP 彎矩補強之研究. 二、實驗設備（1） 10 噸萬能強度試驗機及支承反力座（圖 3-7）。（2）資料記錄器以及實驗資料顯示器（圖 3-7）。（3）鑽孔設備（圖 3-8）。. 圖 3-7 萬能強度試驗機以及資料記錄器. 圖 3-8 木材縱向鑽孔設備. 三、 CFRP 貼覆木構材施工流程本實驗參考工法為工研院工業材料研究所參照國外的補強工法與經驗以及國內成功案例之經驗歸納後，所研發之碳纖維貼片補強混凝土結構物之規範，此工法應用於木構件時，稍做變化，其步驟如下（CFRP 貼覆施工流程圖如圖 3-9），並以文字說明如後。. 21.

(37) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. 圖 3-9 CFRP 貼覆施工流程圖. 準備工程. 斷面復舊工程. 底層處理工程. 木構件表面FRP貼附之定位不平整面整修. 底層處理工程. 底漆工程. 表面不平整之再修復. CFRP補強貼附附工程. 養護工程. 實驗測試 • 準備工作試驗前各種材料及工具之準備，使用之材料包括木材、CFRP 貼片、底漆及積層樹脂等，使用工具包括剪刀、毛刷、滾筒、砂紙、攪拌容器、紙杯、手套以及尺等，如圖 3-10 所示。. 22.

(38) 第三章腐朽木構材以 CFRP 彎矩補強之研究. 圖 3-10 材料準備. • 底層（面層）處理 (1) 使用砂紙或磨光機將木材表面的劣化層除去（圖 3-11）； (2) 研磨完後以毛刷或高壓空氣鎗將粉塵及已鬆動的物質去除掉； (3) 若補強施工之構件為具有銳利的隅角時，必須將其磨成圓弧 R 角，目的為使應力能夠傳遞，但若補強位置僅為單面時可不需磨成 R 角。. 圖 3-11 去除劣化層（砂磨）. • 底漆（Primer）工程 23.

(39) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. 底漆工程係採用工研院所研發生產之 MRL-A2 底漆主劑及 MRL-B2 環氧樹脂硬化劑，主劑：硬化劑配比為 100：35（圖 3-12）。. 圖 3-12 上底漆. • CFRP 補強貼覆工程本研究 CFRP 補強貼覆工程係採用工研院所研發生產之 MRL-A3 積層樹脂主劑及 MRL-B2 環氧樹脂硬化劑，主劑：硬化劑配比為 100：35，貼覆照片如圖 3-13 所示。. 圖 3-13 上積層樹脂. • 養護工程室外施工時為不使雨水、砂、灰塵等附著於貼片上，須使用塑膠布養護。溫度 20℃時須養護 1 週，溫度 10℃時須養護 2 週，平均溫度在 20℃以上，初. 24.

(40) 第三章腐朽木構材以 CFRP 彎矩補強之研究期硬化養護時間約 1 天，本研究之試材於台大森林系林產館二樓之調濕室進行養護（圖 3-14）。. 圖 3-14 試材之養護. 25.

(41) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. 26.

(42) 第四章受損木構材 CFRP 彎矩補強實驗結果. 第四章受損木構材 CFRP 彎矩補強實驗結果在探討實驗結果之前，先將木材靜曲破壞模式以及影響靜曲性質之因子作一回顧，這些前人的經驗足以當作本研究參考的借鏡。. 第一節木材靜曲破壞模式平井信二（1953）是使用以肉眼從試材側面觀察的分類法。ASTM（1980）是將引張面肉眼的破壞模式區分為：與纖維垂直方向成平滑折斷的平滑狀破壞，和將纖維包含在內剌剌的齒狀破壞兩種。前者為脆弱材，後者是為高堅韌木材會出現者，圖 4-1 為靜曲破壞引張側之肉眼破壞型之一例。. 圖 4-1 引張面之破壞型. (平井信二，1953) 杉山英男（1971）依木材之易碎性、粘性、木理方向等，而將木材之一般破壞型態，分成圖 4-2 所示的五種型態。當然其中亦有二、三型之破壞會同時發生的。 (1) 單純引張破壞：此類型破壞是發生在木理通直的乾燥木材； (2) 斜走木理引張破壞：此類型破壞是當木梁的引張側存在有斜走木理，螺旋木理時會發生； (3) 破裂性引張破壞：此類型破壞會發生在易碎，而且較堅韌的木材； (4) 脆性引張破壞：此類型破壞會發生在脆性木材，其會像折斷白粉筆一樣的狀態；. 27.

(43) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. (5) 剪斷破壞：此類型破壞會在 l/h（跨距與厚度比）較小之木梁的場合，其會沿著跨距方向作水平剪斷的破壞。. 圖 4-2 彎曲材之破壞類型. (杉山英男，1971） Suzuki 等人（1979）將 Ramin 之破壞型態（如圖 4-3 所示），依破壞路徑與解剖構造之關係區分為三種：. 圖 4-3 RT 面之靜曲破壞路徑. （Suzuki 等人，1979） (1) 破壞是向著弦向發展者，即破壞是沿著生長輪成直線狀發展； (2) 破壞路徑會表示無秩序線狀者，此係應力度為 26 o 及 39 o 試材，其裂最初是發生在徑向，然後會獨自的沿著木質線組織方向及生長輪方. 28.

(44) 第四章受損木構材 CFRP 彎矩補強實驗結果. 向進展； (3) 破壞會向著徑向發展者，此係應力度為 51 o、64 o、77 o 及 90 o 試材，其破壞大部分會沿著徑向發展，隨著應力度之減小，會增加其鋸齒狀的範圍。. 第二節影響木材靜曲性質之因素一、木梁之形狀大小 (1) 靜曲強度當在木梁上加以荷重，使發生彎曲力矩時，靜曲強度（ σ bb ）和最大水平剪力（ τ b ）之比與 l/h 之間有次式關係：. σ bb 2l = τb h. （4-1）. 式（4-1）中，l 為跨距，h 為梁厚。由此式可知，l/h 愈小時，其 σ bb / τ b 值會愈小。即木梁並非破壞於 σ bb ，而是因 τ b 而引起的破壞。一般因 σ bb 較 τ b 為大，因此當 τ b 所引起破壞，就當作為 σ bb 破壞。藉式（4-2）加以計算時，則其 σ bb 值會偏小。即當 l/h 變小時，木梁之 τ b 會減低其 σ bb 值。圖 4-4 表示 σ bb 和 l/h 之關係。當其 l/h ≥ 20 以上時，其靜曲強度才會成一定值。. 圖 4-4 l/h 比和靜曲強度之關係. （Kollmann,1967）. 29.

(45) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. σ bb =. 3 pl （kgf/cm2） 2bh 2. （4-2）. 當將 l/h ≥ 40 之長木梁的靜曲性質當作 σ bb ，而 l/h<40 之長木梁的靜曲強度為 σ bb ' ，兩者之關係為：. σ bb = σ bb '. 1 l = σ bb 1+ h /l l+h. （4-3）. Tanaka 指出，靜曲強度的計算式由式（4-4）表示. σ bb =. 3 pl 2bh n. （4-4）. 依 Tanaka, n 大於或小於 2 是依樹種而定，依多數試驗其 n 值是依木材而 1 一級：無缺點木材，n=11/6~10/6、○ 2 二級：商品木材（構造木材）定。○ ， 3 三級：含有多數節之廢材，n=9/6~8/6。 n=10/6~9/6、○. (2) 木構材之撓度當木材受彎時，其撓度是由兩種型式之撓度所形成者。即，由彎曲力矩和垂直剪力所引起的撓度。由彎曲力矩所引起之撓度以 δ 1 = 由垂直剪力所產生的撓度以 δ 2 =. pl 3 表示，而 4bh 3 Eb. 3 pl 表示，其中 G 為剛性係數，因此全撓 10Gbh. 度 δ 可由式（4-5）表示。. δ=. E h pl 3 pl 3 3 pl + = [1 + 1.2 b ( ) 2 ] 3 3 G l 4bh Eb 10Gbh 4 Eb bh. （4-5）. 二、木理傾斜角木材靜曲強度是以材軸和木理方向成平行，即木理方向和跨距方向成平行時（ θ = 0 ° ）為最大，亦即 σ // 值為最大。而木理方向和跨距方向成垂直時（ θ = 90 ° ）為最小，即 σ ⊥ 值為最小。各種木理傾斜角之木材靜曲強度可以依. Hankinson 之式子表示：. σθ =. 30. σ // ⋅ σ ⊥ （kgf/cm2） n σ // sin θ + σ ⊥ cos θ n. （4-6）.

(46) 第四章受損木構材 CFRP 彎矩補強實驗結果式（4-6）中，n 為常數。一般木材之 n 值是取 2。根據王松永（1974, 1975,. 1983）對於台灣雲葉及鐵杉所得靜曲強度受木理傾斜角之影響，如圖 4-5、圖 4-6 以及表 4-1 所示。可以看出木理傾斜角和靜曲強度性質間的關係亦可以式（4-6）表示。. 圖 4-5 台灣雲葉之木理傾斜角（ θ ）與靜曲強度值（ σ bp ,σ b , Eb ）之關係. （王松永，1974、1975、1983）圖 4-6 鐵杉材之木理傾斜角（ θ ）與靜曲強度值（ σ bp ,σ b , Eb ）之關係. （王松永，1974、1975、1983）. 31.

(47) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. 表 4-1 各木理傾斜角試材之靜曲強度的實測值與推算值. 樹種. 台灣雲葉樹. 鐵杉. 木理傾斜角 θ o. σ bp （kgf/cm2）. σ b （kgf/cm2）. Eb （kgf/cm2）. 實測值. 推算值. 實測值. 推算值. 實測值. 推算值. 0. 516.6. 516.6. 756.8. 756.8. 74620. 74620. 15. 325.5. 318.1. 566.7. 556.9. 52250. 49670. 30. 210.0. 197.3. 284.7. 308.9. 24220. 25960. 45. 134.4. 141.9. 191.0. 188.1. 8840. 15710. 60. 113.0. 115.2. 146.8. 133.0. 6890. 11260. 75. 98.7. 103.4. 109.1. 110.1. 4130. 9330. 90. 100.8. 100.8. 103.0. 103.2. 8780. 8780. 0. 567.0. 567.0. 974.9. 974.9. 93920. 93920. 15. 483.0. 494.3. 872.2. 853.0. 82170. 76710. 30. 321.0. 299.8. 485.8. 452.2. 51670. 29790. 45. 121.8. 174.0. 148.4. 226.5. 8280. 12200. 60. 96.6. 116.0. 116.2. 137.9. 5640. 6750. 75. 84.0. 91.0. 91.0. 103.7. 3720. 4850. 90. 84.0. 84.0. 94.1. 94.1. 4360. 4360. （王松永，1974、1975、1983）在針葉樹材其春材和秋材的比重有顯著的差異。當然其對外力的抵抗亦會有不同。松材之春材彈性模數 Eb 約為 75,000 kgf/cm2，而秋材之 Eb 約為. 300,000 kgf/cm2 時，則徑切面和弦切面之靜曲外力抵抗是應該會不相同的。但實際上，是無明顯差異。就日本木曾產日本扁柏的徑切面彎曲（荷重為徑切面），弦切面彎曲（荷重面為弦切面）所得結果，則如表 4-2 所示。. 表 4-2 木曾產日本扁柏的徑切面與弦切面彎曲比較彎曲方向. σ bb （kgf/cm2）. 徑切面弦切面. 679 632. （王松永，1974、1975、1983）. 32. Eb. （kgf/cm2）. 74,500 69,700.

(48) 第四章受損木構材 CFRP 彎矩補強實驗結果. 三、木材比重依春秋材之密度與其靜曲強度之關係可得次式：. σ bb 2 =. 1 [(σ bbe 2 ⋅ ρ l1 − σ bbl 2 ⋅ ρ e1 ) + (σ bbl1 − σ bbe 2 ) ρ1 ] ρ l1 − ρ e1. （4-7）. 式（4-7）中 σ bb 2 為木材在含水率 u2 時之破壞係數。σ bbe 2 為春材在含水率. u2 時之破壞係數。σ bbl 2 為秋材在含水率 u2 時之破壞係數。 ρ1 為木材在 u１含水率時的密度， ρ e1 為 u１含水率時春材之密度， ρ l1 為 u１含水率時秋材之密度，由此可知，木材靜曲強度會隨其秋材率增加而呈直線狀的增大。木材比重與其靜曲強度間，可當作比例關係加以考慮。即可以用 σ bb = bγ 之形式表示。b 值是依樹種以及含水率而異。一般氣乾材之平均值 b=2900。王松永（1976）對於 25 種南洋材之氣乾材，氣乾比重為 0.35~1.05 之間，得到比重（ γ u ）和靜曲強度之間有次述之直線迴歸式關係：. σ bp = 1204.1γ u − 152.2 （kgf/cm2）. （4-8）. σ bp = 1204.1γ u − 152.2 （kgf/cm2）. （4-9）. τ b = 69.3γ u − 6.3 （kgf/cm2）. （4-10）. Eb = 182308.2γ u − 84.8 （kgf/cm2）. （4-11）. 四、木材含水率在纖維飽和點以內，木材靜曲強度會隨含水率增加而減低，而在纖維飽和點以上時會成一定。含水率由 5%至纖維飽和點為止可以直線式或二次式關係表示之。在含水率 5%以下，3~5%時，其靜曲強度會表示最大值。木材含水率每增減 1%會使其靜曲強度減增的百分率會依強度種類而異。概算時是靜曲強度（ σ bb ）為 4%，靜曲比例限度纖維應力（ σ bp ）為 5%，靜曲彈性係數（Eb）為 2%，比例限度為止靜曲功為 8%，破壞為止靜曲功為. 0.5%。Eb 和含水率（u）之間可以次式表示：. Eb = 122000 − 1090u. （4-12）. 33.

(49) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. 上式為北韓產松材， γ 0 = 0.39 ~ 0.42 ， u = 0 ~ 30% 之範圍。五、木材溫度木材之溫度對於靜曲性質強度之影響已是眾所週知的。通常強度會隨溫度增高而減低。Kollmann（1967）研究發現溫度對不同比重及含水率的松材靜曲強度的影響，所得結果：（1）木材靜曲強度會隨溫度的增加及比重的減低而減低；（2）靜曲強度在 0℃以上時，會隨含水率的增加而減低；（3）靜曲彈性係數會隨溫度及含水率的減低，比重之增加而增大；（4）最大破壞變形會發生在 0℃，因此破壞荷重功亦在 0℃時會達最大。六、蒸煮加熱處理蒸煮材於乾燥後，其強度是否會較無處理材為小，此是極為重要的問題。寺澤真（1974）就含水率 7~10%之古魯音（Keruing）無處理材，試驗時比重為 0.66，試體大小為 2×2×25 cm3，跨距為 20 cm，進行木理平行方向之靜曲試驗，得知隨蒸煮溫度增高，其靜曲強度會增大，但在蒸煮處理 4 小時者，是以 120℃為最大後會再次下降。古魯音（Keruing）蒸煮材是收縮率會增大，比重會增大。因此當將靜曲強度除以比重，而以比強度（ σ bb / γ ）表示時，則蒸煮溫度或時間之影響會更顯著。蒸煮溫度是以 100~120℃時對於無處理材之增加比率為最高，其最大為 1.2。以往對於加熱和強度之關係的研究，加熱處理和強度試驗時均使含水率在同一狀態下加以比較者，於是含水率高時，處理材之強度是較無處理材為，但當將含水率材加熱處理，其後再乾燥時，其強度是較低（Kubinsky,1971）無處理材為高。圖 4-7 是表示木理垂直方向之靜曲彈性係數和含水率之關係。就 Apitong 蒸煮材與無處理材加以比較者，蒸煮材是在 120℃以下，處理 1.5 小時者。試體是分為生材，及蒸煮後即刻取出，製成 1 cm（L）×1 cm（R）×14 cm（T）. 34.

(50) 第四章受損木構材 CFRP 彎矩補強實驗結果之試體，再緩慢的邊乾燥邊選出 6~8 個適當含水率之試體，再由木口面加上荷重，以求出其變形量，從該時之斷面尺寸求出彈性係數者，其跨距為 10 cm 試體之絕乾比重在無處理材為 0.69，蒸煮材為 0.7 程度，兩者差異不大，比強度之關係亦和圖 4-2.4 相似。可看出隨含水率減低而引起彈性係數之上昇率在蒸煮材是較無處理材為大，即使至低含水率為止亦不能達一致。. 圖 4-7 靜曲彈性係數之變化和含水率之關係荷重木口面，Apitong 材. 至一定溫度為止蒸煮乾燥後木材強度之上昇或高溫長時間蒸剪所引起強度之減低，是可以用加熱引起木材結晶領域之增加以及纖維素等受熱所引起崩壞現象來加以說明。含水率之減低引起蒸煮材強度之增加只考慮為收縮增大所引起比重之增加，不如考慮為加熱所引起變化之細胞壁構造是在結合水損失過程中，其會與無處理材表示不同舉動有關。所以，比較強度時是依含水率或蒸煮時間以及溫度等之不同，蒸煮材和無處理材之強度比會不同。細胞構造及化學成分不同之闊葉樹與針葉樹材，又木理垂直方向與平行方向之加熱處理之結果是不同的。針葉樹材是較闊葉樹材，又木理平行方向是較其垂直方向不容易受到加熱處理之影響。七、木材的節木材靜曲時，缺點對其強度的影響程度，是當該缺點存在於引張側時，會較存在於壓縮側者為大。節對強度之影響亦相當大，而生節有時存在於壓. 35.

(51) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. 縮側反而會增大其強度。當一個節從一個側面貫通側另一側時，梁之厚度（h）與節之直徑（d）之比，即 d/h 和靜曲強度（ σ bb ）之關係如表 4-3 所示。而荷重點至節為止的距離（S）及靜曲強度（ σ bb ）之關係如表 4-4 所示。. 表 4-3 d/h 和靜曲強度（ σ bb ）之關係. d/h. 靜曲強度 σ bb （kgf/cm2）. 0 0.12 0.28 0.39. 622 606 579 464. d/h 每增加 0.01 時 σ bb 相對的減少率% － 1.33 2.45 8.44. 表 4-4 荷重點至節為止的距離（S）及靜曲強度（ σ bb ）之關係 S （cm）. d/h. 無節材 0 0.1~10.0 10.1~20.0 20.1~30.0 30.1~40.0 40.1~50.0. － 0.17 0.21 0.15 0.29 0.19 0.23. σ bb （kgf/cm2） 622 553 594 598 569 599 644. 對無節材的百分率%. 100.0 88.9 95.5 96.1 91.5 96.3 103.5. 八、荷重速度荷重速度對木材靜曲強度的影響可以 P = A − B ⋅ log t 表示。P 為強度對標準荷重速度或荷重時間的比，t 為至破壞為止的時間，A 及 B 各為常數。靜曲強度之場合，A=120.7~124.0，B=7.56~8.75。又含水率為 6~12%之花旗松（Douglas-fir）有次述之實驗式關係。. P=. 18.4 + 183 x 0.4635. 式（4-13）中 x 為外力的作用時間。. 36. （4-13）.

(52) 第四章受損木構材 CFRP 彎矩補強實驗結果. 第三節彎矩補強測試結果一、木材物理性質量測彎矩補強測試前先針對各組試材（圖 4-8 與表 3-4 為各組試材之對照組）之含水率、密度以及外觀進行量測以及記錄（儀器設備如圖 4-9 與圖 4-10 所示），其中 B-A 組密度介於 0.31~0.54 g/cm3，平均密度為 0.39 g/cm3，平均含水率為 14.7 %；其中 B-B 組密度介於 0.29~0.56 g/cm3，平均密度為 0.42 g/cm3，平均含水率為 14.3 %；其中 B-C 組密度介於 0.30~0.52 g/cm3，平均密度為 0.40. g/cm3，平均含水率為 13.8%；其中 B-D 組密度介於 0.35~0.48 g/cm3，平均密度為 0.42 g/cm3，平均含水率為 13.9%；其中 B-E 組密度介於 0.32~0.48 g/cm3，平均密度為 0.40 g/cm3，平均含水率為 11.1 %，各組試材之平均含水率值以及密度如表 4-5 與表 4-6 所示。. 37.

(53) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. 表 4-5 B-A、B-B 與 B-C 組試材平均含水率以及密度 B-A. B-C. 平均含水率（%）. 密度（g/cm3）. 平均含水率（%）. 密度（g/cm3）. 平均含水率（%）. 密度（g/cm3）. 0-1. 12.1. 0.35. 11.3. 0.29. 10.6. 0.30. 0-2. 16.0. 0.31. 15.4. 0.48. 11.8. 0.34. 0-3. 13.0. 0.33. 10.7. 0.33. 11.4. 0.35. 0-4. 11.9. 0.36. 13.6. 0.36. 10.4. 0.36. 0-5. 12.1. 0.34. 11.2. 0.33. 12.3. 0.36. 1-1. 14.3. 0.35. 12.6. 0.39. 13.5. 0.37. 1-2. 14.8. 0.35. 12.1. 0.36. 10.7. 0.37. 1-3. 13.1. 0.36. 11.0. 0.37. 14.2. 0.37. 1-4. 14.5. 0.36. 12.6. 0.38. 11.0. 0.38. 1-5. 11.4. 0.36. 11.7. 0.39. 14.8. 0.38. 2-1. 13.5. 0.37. 12.3. 0.39. 13.5. 0.39. 2-2. 12.7. 0.36. 11.6. 0.40. 14.8. 0.39. 2-3. 13.3. 0.36. 12.4. 0.40. 16.2. 0.39. 2-4. 12.7. 0.38. 16.9. 0.47. 14.3. 0.41. 2-5. 15.6. 0.36. 15.6. 0.50. 12.5. 0.41. 3-1. 18.6. 0.48. 17.1. 0.52. 11.4. 0.42. 3-2. 14.4. 0.41. 16.5. 0.53. 12.2. 0.47. 3-3. 20.6. 0.50. 20.5. 0.52. 23.8. 0.50. 3-4. 17.9. 0.54. 17.3. 0.56. 16.2. 0.52. 21.7. 0.53. 23.2. 0.53. 20.0. 0.52. 14.7. 0.39. 14.3. 0.42. 13.8. 0.40. 19.8. 17.3. 24.0. 19.3. 24.3. 14.9. 3-5 平均值（m/s）變異係數 (%). 38. B-B.

(54) 第四章受損木構材 CFRP 彎矩補強實驗結果. 表 4-6 B-D 與 B-E 組試材平均含水率以及密度 B-D. B-E. 平均含水率（%）. 密度（g/cm3）. 平均含水率（%）. 密度（g/cm3）. 0-1. 10.2. 0.35. 9.9. 0.36. 0-2. 10.4. 0.39. 10.4. 0.32. 0-3. 11.8. 0.39. 9.8. 0.35. 0-4. 13.5. 0.37. 9.6. 0.35. 0-5. 13.5. 0.36. 10.4. 0.36. 1-1. 14.2. 0.43. 10.1. 0.39. 1-2. 11.5. 0.41. 10.0. 0.39. 1-3. 14.3. 0.40. 10.1. 0.38. 1-4. 15.1. 0.40. 9.7. 0.38. 1-5. 12.9. 0.40. 10.6. 0.37. 2-1. 14.4. 0.43. 11.3. 0.42. 2-2. 15.5. 0.44. 10.9. 0.43. 2-3. 14.4. 0.44. 10.7. 0.42. 2-4. 15.6. 0.43. 9.8. 0.41. 2-5. 14.2. 0.43. 12.2. 0.41. 3-1. 15.1. 0.48. 12.3. 0.45. 3-2. 14.7. 0.46. 13.5. 0.45. 3-3. 16.3. 0.46. 13.0. 0.44. 3-4. 15.1. 0.45. 13.6. 0.48. 15.4. 0.44. 14.1. 0.46. 13.9. 0.42. 11.1. 0.40. 12.4. 8.4. 13.2. 10.7. 3-5 平均值（m/s）變異係數 (%). 39.

(55) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. 圖 4-8 各組試材之對照組（下圖由左至右分別為 B-A、B-B、B-C、 B-D 以及 B-E）. 圖 4-9 超音波檢測儀（Sylvatest Duo）. 圖 4-10 超音波檢測儀（Sylvatest Duo）檢測現況圖. 40.

(56) 第四章受損木構材 CFRP 彎矩補強實驗結果彎矩補強各組試材尺寸為長×寬×高等於 48×3×3 cm，根據 CNS454 木材靜曲試驗法進行三點抗彎測試結果如次所述：二、B-A 組彎矩補強實驗測試結果. B-A 組三點抗彎測試（現況圖如圖 4-11）後，B-A-0 組試材之極限載重介於 167.00~208.00 kgf，平均值為 187.75 kgf，極限載重所對應之位移介於. 8.47~14.35 mm ，平均值為 12.20 mm ； B-A-1 組試材之極限載重介於 207.00~253.00 kgf ，平均值為 236.20 kgf ，極限載重所對應之位移介於 12.21~23.99 mm ，平均值為 18.32 mm ； B-A-2 組試材之極限載重介於 236.00~284.00 kgf ，平均值為 264.40 kgf ，極限載重所對應之位移介於 16.68~25.89 mm ，平均值為 20.81 mm ； B-A-3 組試材之極限載重介於 318.00~376.00 kgf ，平均值為 349.64 kgf ，極限載重所對應之位移介於 19.25~24.57 mm，平均值為 21.55 mm。實驗數據分析結果發現試材張力側平貼 1~3 層 CFRP 補強組與對照組相較之下，其極限載重分別提昇（減少）25.81%、40.83%以及 86.23%，極限位移則分別提昇（減少）50.16%、70.57%以及 76.64%。. B-A 組各組試材之彎矩補強極限載重與極限位移提昇（減少）比較圖表、試材靜曲破壞模式以及平均載重-位移曲線圖如表 4-7 以及圖 4-12~圖 4-18 所示。. 41.

(57) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. 圖 4-11 B-A 組試材現況圖（由左至右分別為對照組、1 層 CFRP、2 層 CFRP 與 3 層 CFRP）. 圖 4-12 B-A-0 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材編號 1~5). 圖 4-13 B-A-1 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材編號 1~5). 42.

(58) 第四章受損木構材 CFRP 彎矩補強實驗結果. 圖 4-14 B-A-2 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材編號 1~5). 圖 4-15 B-A-3 組試材抗彎測試結果(由上至下分別為試材編號 1~5). 43.

(59) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. 表 4-7 B-A 組三點抗彎測試結果以及補強提昇效能 Pu. COV. PuP. PuV. Du. COV. DuP. DuV. (kgf). (%). (%). (kgf). (mm). (%). (%). mm. B-A-0. 187.75. 12.2. －. －. 12.20. 21.7. －. －. B-A-1. 236.20. 7.6. 25.81. 48.45. 18.32. 29.9. 50.16. 6.12. B-A-2. 264.40. 7.2. 40.83. 76.65. 20.81. 17.5. 70.57. 8.61. B-A-3. 349.64. 6.0. 86.23. 161.89. 21.55. 9.5. 76.64. 9.35. 組別. 上表符號【Pu】代表極限載重平均值；【COV】代表變異係數；【PuP】代表極限載重增加 (減少) 百分比；【PuV】表極限載重增加量；【Du】代表極限位移平均值；【DuP】代表極限位移增加 (減少) 百分比；【DuV】代表極限位移增加量。. 圖 4-16 B-A 組極限載重提昇 (減少) 效能比較圖 400 350 300. 極限載重 (kgf). 161.89 250 48.45. 200. 76.65. 150 100. 187.75. 187.75. 187.75. 187.75. B-A-0. B-A-1. B-A-2. B-A-3. 50 0. 44.

(60) 第四章受損木構材 CFRP 彎矩補強實驗結果. 圖 4-17 B-A 組極限位移提昇 (減少) 效能比較圖 25. 極限位移 (mm). 20. 8.61. 9.35. 6.12. 15. 10. 12.2. 12.2. 12.2. 12.2. B-A-0. B-A-1. B-A-2. B-A-3. 5. 0. 圖 4-18 B-A 組平均載重-位移曲線圖 400 350. 平均載重 (kgf). 300 250 200 150 B-A-3. 100. B-A-2 B-A-1. 50. B-A-0. 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 平均位移 (mm). 三、 B-B 組彎矩補強實驗測試結果. 45.

(61) 碳纖維強化高分子複合材料 (CFRP)應用於木構造古蹟建築補強之研究. B-B 組三點抗彎測試（現況圖如圖 4-19）後，B-B-0 組試材之極限載重介於 120.00~197.00 kgf ，平均值為 148.20 kgf ，極限載重所對應之位移介於. 7.07~17.37 mm ，平均值為 11.77 mm ； B-B-1 組試材之極限載重介於 212.00~266.00 kgf ，平均值為 248.00 kgf ，極限載重所對應之位移介於 14.9~18.40 mm ，平均值為 16.74 mm ； B-B-2 組試材之極限載重介於 218.00~265.00 kgf ，平均值為 246.20 kgf ，極限載重所對應之位移介於 12.09~16.84 mm ，平均值為 14.75 mm ； B-B-3 組試材之極限載重介於 218.00~295.00 kgf ，平均值為 263.00 kgf ，極限載重所對應之位移介於 12.00~15.35 mm，平均值為 13.97 mm。實驗數據分析結果發現試材張力側平貼 1~3 層 CFRP 補強組與對照組相較之下（該組試材鑽孔孔徑為 1.2 cm，斷面面積損失百分比為 13 %），其極限載重分別提昇（減少）67.34 %、66.13 %以及 77.46 %，極限位移則分別提昇（減少）42.23 %、25.32 %以及 18.69 %。. B-B 組各組試材之彎矩補強極限載重與極限位移提昇（減少）比較圖表、試材靜曲破壞模式以及平均載重-位移曲線圖如表 4-8 以及圖 4-20~圖 4-26 所示。. 圖 4-19 B-B 組試材現況圖（由左至右分別為對照組、1 層 CFRP、2 層 CFRP 與 3 層 CFRP）. 46.