台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究
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(2) 摘要 近幾年來，環境的劇烈變化以及天然災害發生頻繁，讓環保意識快速的發 展，因此木構造房屋的特性與優點已逐漸為國人所重視，且國內傳統房屋結構自 古以來大多以原木為主之梁柱結構為主。而木質材料為非均質材料，其力學性質 隨著施力方向、木理方向 、乾溼程度及密度之不同而有一些差異。傳統穿鬬式 構造為最常見的木構造型態之ㄧ，基於保存及持續應用此一類型之構造型態，本 論文將針對影響結構最鉅之各類木接點從事實驗及數值模擬之研究。 由於實驗需要多組以上之試體，再利用大量之實驗結果回歸找出，因此將消 耗大量時間、材料以及金錢。而將實驗搭配可靠之數值分析模式及軟體，將可減 少實驗試體之數量，故預測分析結果可以有效節省試體製作的時間、實驗之成本 以及材料之浪費。此外，在木結構實驗階段中，僅能看到試體外部之變化，而內 部之變化，在實驗完畢後，才可將試體剖開，觀察最後應變之結果。藉由模擬分 析軟體，將可呈現出木結構內部接點因受力產生形變之行為、接點內部受力狀 態、連接面之接觸行為…等。且由於集成材技術之日趨成熟，現今科技已可控制 木質材料之品質以及結構強度，因此木結構也可建構出與 RC 以及鋼構類似之結 構分析模式。 經由基礎實驗、足尺實體實驗及 ANSYS 模擬分析實驗結果，得到結果如下： (1)福杉的材料性質高出建築規範所規定之材料強度甚多，其容許強度折減約至 原強度的 50-60%之間。(2)不同試體間，梁柱之密合度高低將明顯影響旋轉剛度 以及初始滑移，但不影響最大荷載，且彈性階段之應力與位移之比值，趨向一定 值。(3) 當穿材為連續時，其彈性降伏強度約介於 6-7KN 之間。而穿材為燕尾 榫搭接時，其彈性降伏強度約介於 2.5-3KN 之間。(4)由實驗結果顯示，柱內穿 材為連續或燕尾榫搭接梁，當應力強度在彈性限度內之遲滯迴圈時，對結構接點 強度及旋轉勁度並無明顯損失，且此接點亦非剛接或鉸接之結構接點。 (5) ANSYS 模擬的實驗結果顯示，應力集中之處，亦是試體受力至破壞之處。一般 先由梁底部與柱相鄰之處產生部分壓潰，再從梁上端受拉部分破壞。. 關鍵字：穿鬪式木構造、旋轉剛度、初始滑移、遲滯迴圈.
(3) Abstract In recent years, the serve change of environment as well as the natural disaster occurs frequently, which accelerate the environmental protection consciousness. Therefore, characteristic and merit of timber construction gradually have taken for the people. Since the ancient times, most of tradition building frame by column-beam structure of timber primarily. Since timber is a non- isotropic material, its mechanical behavior can vary due to the loading direction and direction of grains and humidity and density. Chuan Dou style building is one of the most common types of traditional timber buildings in Taiwan, in order to conserve and to apply this kind of building structure, this study is focusing on the mechanical behaviors of different joints that influence directly the structural performance. In general, the mechanical experiments take much time, material and cost because it needs sufficient samples to effectuate the regression analysis. Moreover, by mechanical experiments, it can only show the outside change of samples. We have to decompose sample to observe result of strain after experiment completed. But internal strain and the internal stress of timber, local behavior of contact can be showed only with simulation. Finally, quality and strength of timber has been control with development of integrated material. Structural analysis of timber structure can be constructed as well as reinforced concrete and steel structure. After basic experiment and full scale experiments and simulation of ANYSY10.0, we discovered four result as below：(1) Mechanical behavior of Cunninghamia lanceolata is better than construction code. Allowable strength debases between 40-50% off. (2) Tightness of column and beam affects the rotational stiffness and initial departure with different samples. But it does not affect maximum of strength. And the ratio between stress and displacement remains constant during elasticity period. (3) Elasticity strength of continue beam yields between 6 and 7 KN, And elasticity strength of dovetail connected beam yields between 2.5 and 3 KN. (4)As a result, joint strength and rotational stiffness does not reduce with hysteretic loop of stress during elasticity period, whatever it is continue beam or dovetail connected beam. This kind of joint is not bonded nor hinged. (5) The experiments show that the stress concentration causes most of the failure of joints, which is similar to what the ANSYS simulation shows. Firstly, local compressive destroy is produced in contact between mortised beam and column. Then, tensile destroy is produced on top of beam. Key words：Chuan-Dou Structures, timber structure, Rotational stiffness, Initial departure, Hysteretic loop..
(4) 目錄 摘要 英文摘要 目次 表目次 圖目次 第一章 緒論 1.1 研究緣起及動機 1.2 研究目的 1.3 研究流程 第二章 文獻回顧 2.1 材料物理性質 2.2 國內外之相關研究 第三章 實驗規畫及實驗流程 3.1 實驗儀器介紹 3.2 木材基礎物理性質實驗 3.3 材料特性建立及材料分級 第四章 實驗步驟及實驗結果分析 4.1 實驗流程 4.2 試體規格與製作 4.3 實驗結果 第五章 ANSYS 軟體及實驗結果模擬分析 5.1 有限元素法與 ANSYS 模擬分析軟體 5.2 材料特性以及環境限制之建立 5.3 ANSYS 模擬分析 第六章 結論與建議 6.1 結果分析及對照 6.2 建議 參考文獻.
(5) 表目次 表 2-1 台灣穿鬬式木構架之使用樹種分佈 表 2-2 木接點之相關研究與貢獻 表 3-1 木材之含水率 表 3-2 密度試驗量秤之重量表 表 3-3 常用樹種分類 表 3-4 針葉樹四類之各項性質 表 3-5 實驗材料之基礎物理性質 表 4-1 連續梁實驗結果整理 表 4-2 燕尾榫實驗結果整理 表 5-1 材料性質設定 表 6-1 實驗結果與分析結果之對照 表 6-2 穿材用燕尾榫搭接實驗結果 表 6-3 本次實驗結果與文獻(張紋韶(2005))對照.
(6) 圖目次 圖 1-1 研究流程 圖 2-1 木構造接點應力-位移示意圖 圖 3-1 萬能試驗機 圖 3-2 循環式烘箱 圖 3-3 精密電子量秤 圖 3-4 含水率計 圖 3-5 基礎實驗流程 圖 3-6 縱向抗壓強度 圖 3-7 橫向抗壓強度 圖 3-8 木材抗彎試驗 圖 3-9 木材平行纖維方向剪力試驗 圖 3-10 連續梁 1 之含水率 圖 3-11 連續梁 2 之含水率 圖 3-12 燕尾榫 1 之含水率 圖 3-13 燕尾榫 2 之含水率 圖 3-14 密度試驗 圖 3-15 縱向抗壓 圖 3-16 橫向抗壓 圖 3-17 縱向抗壓應力-位移 圖 3-18 縱向抗壓應力-位移(線性) 圖 3-19 橫向抗壓應力-位移 圖 3-20 橫向抗壓應力-位移(線性) 圖 3-21 抗壓試驗 圖 3-22 抗彎試驗應力-位移 圖 3-23 抗彎試驗應力-位移(線性) 圖 3-24 平行纖維方向剪力試驗應力-位移 圖 3-25 平行纖維方向剪力試驗應力-位移 圖 4-1 實驗規劃及流程 圖 4-2 外接鋼架 圖 4-3 位移計架設之設計(單位 mm) 圖 4-4 20cm 之位移計 圖 4-5 5cm 之位移計 圖 4-6 資料擷取器 圖 4-7 燕尾榫規格 圖 4-8 試體規格(單位 mm) 圖 4-9 角鑿機 圖 4-10 鑿穿.
(7) 圖 4-11 安裝梁 圖 4-12 試體完成 圖 4-13 試體連續梁 1 之架設 圖 4-14 連續梁 1 實驗前梁柱之狀況 圖 4-15 連續梁 1 實驗後位移計 A 梁柱之形變 圖 4-16 連續梁 1 實驗後位移計 B 梁柱之形變 圖 4-17 連續梁 2 實驗後位移計 A 梁柱之形變 圖 4-18 連續梁 2 實驗後位移計 B 梁柱之形變 圖 4-19 連續梁 1 施力點之應力-位移關係圖 圖 4-20 連續梁 2 施力點之應力-位移關係圖 圖 4-21 彈性階段 圖 4-22 燕尾榫 1 實驗後位移計 A 梁柱之形變 圖 4-23 燕尾榫 1 實驗後位移計 B 梁柱之形變 圖 4-24 燕尾榫 2 實驗後位移計 A 梁柱之形變 圖 4-25 燕尾榫 2 實驗後位移計 B 梁柱之形變 圖 4-26 燕尾榫 1 施力點支應力-位移關係圖 圖 4-27 燕尾榫 2 施力點支應力-位移關係圖 圖 5-1 實驗之物理環境現況 圖 5-2 物理環境之關係(單位 mm) 圖 5-3 實體模型的梁與柱之關係 圖 5-4 柱底的自由度限制 圖 5-5 實體模型之施力點模式 圖 5-6 施力大小及方向 圖 5-7 網格單元之設定 圖 5-8 試體之各部位位移 圖 5-9 梁之應變 圖 5-10 梁之應力 圖 5-11 試體內部之應變 圖 5-12 試體內部之應力 圖 5-12 試體內部之應力(細部 1) 圖 5-13 試體內部之應力(細部 2) 圖 5-14 單元應力方向 1 圖 5-15 單元應力方向 2 圖 5-16 XY 平面剪力狀態.
(8) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第一章 ─────────────────────────────────────────. 第一章 緒論. 1.1 研究緣起及動機 最近幾年來，環境的劇烈變化以及天然災害發生頻繁，讓環保意識快速的 發展，因此木構造房屋的特性與優點已逐漸為國人所重視，例如調節室內溫度、 濕度及耐震。歐美地區以木構造作為居住環境及公共建設十分的普遍，而國內也 開始將木構造使用於公共建設上，如北投圖書館、阿里山的檜木火車及車站…等。 國內傳統房屋的構造方式主要分為承重牆及柱梁構造兩大類，承重牆構造是 以牆身來支撐柱屋頂，而屋架只有平行於面闊方向的桁；而柱梁構造則是以柱子 及梁架來支撐柱屋頂，其特徵是以平行建築物進深方向之架扇式柱梁構架為單 元，其後再以平行於闊面方向之枋、梁來搭接，以防止其產生傾斜(圖 1-1)。至 於片狀柱梁構造的組合方式可分為三種，分別為穿斗式、疊斗式及抬梁式，依據 黃佩榛(2004)論文之討論，將穿斗式名稱之後統一改成穿鬬式。. 圖 1-1 傳統穿鬬式屋架結構 ───────────────────────────────────────── -1-.
(9) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第一章 ─────────────────────────────────────────. 台灣傳統穿鬬式梁柱接點的種類，依據徐明福(2003)大致可分為三類(圖 1-2)，分為(1)穿材連續、(2)穿材斷開對接、(3)穿材斷開用燕尾榫搭。由於木結 構所使用木材為非均質材料，其力學性質隨著施力方向、木理方向 、乾溼程度 及密度之不同而有一些差異。所以在分析時，需要考慮上列可能影響承載能力之 因素，以達到分析結果於實際狀況相符。 本研究以材料基礎實驗、大木結構接點實驗以及 ANSYS 有限元素分析軟 體，希冀能建構出木結構接點受力行為、應力及應變之分析模式。. 穿材連續. 穿材斷開對接. 穿材斷開用燕尾榫搭接. 圖 1-2 穿鬬式梁柱接點的三種方式. 1.2 研究目的 由於實驗需要多組以上之試體，再利用回歸找出，因此將消耗大量時間、 材料以及金錢。而將實驗搭配可靠之數值分析模式及電腦軟體，將可減少實驗試 體之數量，故預測分析結果可以有效節省試體製作的時間、實驗之成本以及材料 之浪費。 且木結構實驗階段中，僅能看到試體外部之變化，而內部之變化，在實驗完 畢後，才可將試體剖開，觀察最後應變之結果。藉由模擬分析軟體，將可呈現出 ───────────────────────────────────────── -2-.
(10) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第一章 ─────────────────────────────────────────. 木結構內部接點因受力產生形變之行為、接點內部受力狀態、連接面之接觸行 為、應力之傳遞路徑以及材料最佳化等。因木質材料為非均質材料且差異性大， 在多樣性質不穩定下，實驗結果偏差極大。但由於集成材技術之日趨成熟，現今 科技已可控制木質材料之品質以及結構強度，因此木結構也可建構出跟 RC 以及 鋼構之結構分析模式。 故本研究以材料基礎實驗、大木結構接點實驗以及 ANSYS 有限元素分析軟 體，希冀能建構出木結構接點受力行為、應力及應變之分析模式，有效的運用於 木建築之結構分析。. 1.3 研究流程 本研究以材料基礎實驗、大木結構接點實驗以及 ANSYS10.0 有限元素分析 軟體，希冀能建構出木結構接點受力行為、應力及應變之分析模式。本研究之研 究流程如圖 1-3 所示。. ───────────────────────────────────────── -3-.
(11) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第一章 ─────────────────────────────────────────. 研究緣起. 文獻收集及整理. 材料性質. 實驗規劃. 建立實驗流程. ANSYS 數值分析 模式. 材料基礎實驗 物理環境建立. 建立材料特性 大木實驗. 實驗模擬分析. 實驗結果. 結果分析及對照. 結論與建議 圖 1-3 研究流程 ───────────────────────────────────────── -4-.
(12) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第二章 ─────────────────────────────────────────. 第二章 文獻回顧 2.1 材料物理性質 木質材料是人類古老的營建材料之一，也是可自然再生的建築材料，因其加 工簡易、質輕、再使用性高以及與微氣候之調整…等，使木質材料為輕結構中最 受歡迎的材料之一。從影響木質材料的特徵來看，可能是降低木質材料強度的異 常現象，或是限制木材特殊用途的特徵，主要物理及力學特徵包含有：含水量、 密度與比重、乾縮及風乾、壓縮強度…等。 木材的含水量、密度與比重，影響木材的力學性質、硬度、熱傳導…等，故 在研究木質材料的物理性質中，皆是需要被優先探討的。木材的密度受含水量及 孔隙比直接影響，而木材的比重視樹種、生長狀況、含水量及位置而定，剛砍伐 的樹木比重比乾燥後的大很多。且受木材內部構造影響，乾燥前邊材比心材的比 重大，但乾燥後邊材比心材的比重小。 木材與液態及氣態之水分子親和性高，是一種容易受潮的物質，故木材吸水 或失水的能力是周圍的環境狀況而定，且木材的密度和體積隨著含水量而變化。 水以兩種途徑存在於木材中：一種是在細胞孔隙內，稱為自由水；另外一種攀附 在細胞壁上，稱為邊界水或吸附水。而木材乾燥時，自由水首先消失，緊接著細 胞壁的吸附水也會被移除，且當完全乾燥之木材放置於空氣中，則會吸附自由水 於孔隙中。 當細胞孔隙內的水分蒸發時，木材橫斷面尺寸並無縮減，但當水份開始從細 胞壁排除時，橫斷面尺寸便開始產生變化，稱為木材之乾縮。由於水分從外部蒸 發速度較快，故端部蒸發速度最快，導致木材產生彎曲。當彎曲應力超過木材的 拉力強度時，則會順著纖維走向產生裂紋，稱之為乾裂。故為降低木材的乾裂現 ───────────────────────────────────────── -5-.
(13) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第二章 ─────────────────────────────────────────. 象並減少其乾縮量，控制木材乾化過程以增加其結構性質，並減輕重量及提高工 作性，稱之為乾燥。 木材的壓縮強度，是木材抵抗一種使木材組織分子距離縮短之外力而產生之 應力，其種類有三種： (1) 縱向木理壓縮：外力方向與纖維走向互相平行(圖 2-1(Ⅰ))，杉木氣乾狀態之 縱向木理壓縮強度約 300～700 kgf/cm2。 (2)橫向木理壓縮：外力方向與木理走向垂直(圖 2-1(Ⅱ))，強度甚小且劈裂性大， 可分為徑向與弦向壓縮及載重方向與年輪角度成 00～900 者。 (3)部分壓縮：外力方向與木理走向與橫向壓縮相同，但只壓縮木材之一部分而 以。 荷重. 荷重. 荷重. 荷重. 荷重. 荷重. 荷重. 荷重. (Ⅰ). (Ⅱ). (Ⅲ). (Ⅳ). 圖 2-1 外力與木紋方向之差異. ───────────────────────────────────────── -6-.
(14) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第二章 ─────────────────────────────────────────. 木材之壓縮強度是在荷重方向和木理走向平行時為最大，隨著兩者所夾角度 之增大而遞減。即木材縱向壓縮強度為最大，而橫向壓縮強度為最小。木材縱向 壓縮強度和橫向壓縮強度之差異會隨著木材密度之增加而減低，故密度大可使木 材更接近於等向性材料。而木材的部分壓縮強度是以徑向為最強，弦向次之，450 方向在針葉樹為最弱(圖 2-2)，而闊葉樹材弦向強度則近似於 450 方向之強度。 應力. (Ⅰ) (Ⅱ). (Ⅲ). (Ⅳ) 應變 圖 2-2 外力與木紋方向壓縮之應力應變圖(王松永(1993)，木材物理學). 在橫向壓縮比例限度應力與彈性係數會隨其比重、木質線、秋材率、年輪走 向以及一年輪內之密度不同而有所差異，其中以比重及年輪走向最為重要。 Kennedy 指出同一樹種之徑向壓縮強度比弦向壓縮強度大，而以壓縮方向與年輪 走向呈 450 方向時為最小，但其會隨著秋材率及年輪內密度之差異的增加而遞減。 由上文描述以及王松永皆指出影響木材壓縮強度的因子，可歸納如下： (1) 隨木理的傾斜角增加而減少(圖 2-2) (2) 與木材的比重成正比關係. ───────────────────────────────────────── -7-.
(15) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第二章 ─────────────────────────────────────────. (3) 木材的溫度越高，木材產生熱膨脹，內部結晶格子間隔會變化而引起內聚力 之降低，分子震動始強度減低 (4) 木材含水率越高，其強度越低 (5) 木材的節，易造成應力集中，使強度減少 (6) 木材的木質素較高，密度相對比較大，故其壓縮強度較高 (7) 加載速度越快，應變速度也越大，而壓縮強度也越大. 2.2 國內外之相關研究 依據相關研究(內政部建築研究所委託研究計畫，2003)指出，研究指出在台 灣地區的穿鬬式木構架，其材料大都是採用福杉、檜木、龍眼木，計畫中所調查 的 87 棟穿鬬式木構架建築中，其中樹種的採用以福杉為最大宗。福杉 (Cunninghamia lanceolata)原產於中國大陸長江以南，台灣自福建引進，其木理通 直、木質粗糙、密度小且具有香氣。材質輕軟、耐水濕又富有彈性，手工刨削及 機械加工性質佳，易乾燥。乾燥狀況良好，少反翹或乾裂，塗裝性良好，故本研 究所使用之樹種亦為福杉。調查的範圍主要分布在南部地區，其分布的數量以及 統計如表 2-1。. ───────────────────────────────────────── -8-.
(16) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第二章 ───────────────────────────────────────── 表 2-1 台灣穿鬬式木構架之使用樹種分佈(整理自徐明福、林宜君、張紋韶、黃佩榛(2003)). 樹種. 福杉. 台杉. 檜木. 龍眼木. 楠木. 小計. 南投. 0. 1. 9. 0. 1. 11. 彰化. 9. 1. 5. 0. 0. 15. 嘉義. 12. 2. 13. 1. 0. 28. 台南. 27. 0. 0. 2. 0. 29. 高雄. 4. 0. 0. 0. 0. 4. 小計. 52. 4. 27. 3. 1. 87. 地區. 一般結構的非線性行為可分為幾何非線性、材料非線性以及狀態非線性三 種：幾何非線性是由結構產生較大的變位所造成；材料非線性是由結構系統中之 材料的非線性應力應變關係所產生；狀態非線性是由物體產生碰撞接觸之後所產 生之變形。 而在過去研究中，木構造接點往往被簡化成鉸接或剛接，根據 McGuire 利 用簡支梁振動分析發現，假如接點強度大於與其相接之梁柱勁度的 100 倍，可將 該點是為剛接；若小於梁柱勁度，為了簡化問題，可以將之模擬為鉸接。然而在 真實的世界中並無真正的鉸接及剛接，因此許多學者為了要更精確的模擬分析建 築物的行為，應該要將之視之為半剛性接點。 在國內只有少數學者從事木構造接點之分析研究(表 2-2)，閻嘉義與王上千 (1994)針對九種不同之木構造榫接方式進行力學行為試驗，求出彎距與轉角之關 係函數，並推導出九種榫接方式之函數模型，並以大木構架加載試驗驗證其函數 模型，做為傳統木構架的鑑定與預測模式之基礎。陳啟仁(2003)亦針對傳統木構 ───────────────────────────────────────── -9-.
(17) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第二章 ─────────────────────────────────────────. 架接點進行足尺實體實驗並搭配數值分析，將多種因子依影響程度排序且量化， 並推演出準確的評估公式。 初始滑移. 彈性階段. 塑性階段. 應力 (KN). 位移(mm) 圖 2-1 木構造接點應力-位移示意圖. 徐明福(2003)利用足尺實體實驗取代過去的縮尺試驗，發現穿材與柱的接點 型式大致可分為三類(圖 1-2)： (1) 穿材連續 (2) 穿材斷開對接 (3) 穿材用燕尾榫搭接 且發現穿材為連續時，其旋轉徑度最大；燕尾榫搭接次之，強度約為穿材連 續時的 40%；穿材斷開對接最小，強度僅為穿材連續時的 20-30%。並利用足尺 實體實驗與統計分析，得到三種接點之旋轉徑度評估公式。 Chen(1999)的研究針對木構架之接點補強，內容著重於傳統穿鬬式梁柱 接點的力學行為，在接點的基礎力學性質被定義的情況下去探討不同破壞類型的 原因，並利用玻璃纖維補強梁接點之應力集中處，提高其承載力及延展性。 ───────────────────────────────────────── - 10 -.
(18) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第二章 ─────────────────────────────────────────. 利用數值分析來分析木接點力學行為方面，亦是在近年來才開始有相關研 究。Fang et al(2000)亦針對中國傳統木構架進行有限元素法數值分析，並考慮接 點的半剛性行為後與微振動量測結果進行比對，藉以校正分析模式。該研究發 現，利用數值分析可針對整棟建築物之動態特性及補強後之行為進行數值分析， 並獲得有效之預測結果。 Kasal 與 Xu(2000)的研究針對接頭之擬動態載重的行為，該研究使用有限元 素法建立木構架梁柱接頭非線性、非保守的擬動態行為之數值模型，並以大木試 驗驗證其數值模型的準確性，發展該數值模型的目的是希望能結合較大的有限元 素程式應用在多自由度系統的分析。 Chang et al(2003)利用數值分析方式搭配實驗設計法針對日式木構造梁柱接 點旋轉勁度進行研究，該研究中發現影響日式木構造接點最大的因素為榫頭深 度，接下來依序為榫頭寬度、木材彈性模數、榫頭高度以及榫頭寬度及高度交互 作用，並利用統計分析推演出評估旋轉勁度的公式。 廖政南(2003)的碩士論文中，亦有利用 ANSYS 有限元素分析軟體對其所做 實驗進行模擬。該實驗對於傳統木構造建築之榫卯的半剛性力學行為之特性進行 實驗與模擬分析，研究發現螺帽鬆脫會影響接點力學行為之初始徑度與極限強 度，且有限元素分析所預測之結果近似於實驗結果。該研究指出，在螺帽放鬆與 不鎖的情況下，接點剛度下降，初始勁度下降約 80％，極限強度下降約 20％； 而榫深只載螺帽鎖緊時對極限強度影響較明顯；ANSYS 模擬分析與實驗結果平 均誤差約 8％。. ───────────────────────────────────────── - 11 -.
(19) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第二章 ───────────────────────────────────────── 表 2-2 木接點之相關研究與貢獻(本研究整理). 時間. 方法. 1994. 大木試驗. 推導出九種榫接方式之函數模型. CHEN. 1999. 大木試驗. 利用玻璃纖維補強，提高承載力及延展性. Fang et al. 2000. 有限元素法. Kasal、Xu. 2000. 大木試驗. 閻嘉義. 貢獻. 王上千. 對整棟建築物之動態特性及補強後之 行為進行數值分析 建立木構架梁柱接頭非線性、非保守的擬 動態行為之數值模型. 有限元素法 徐明福. 2003. 大木試驗. 1. 穿材分為 3 類：穿材連續、斷開對接、 燕尾榫搭接. 陳啟仁 2. 連續梁的旋轉徑度最大，其次為燕尾 梁，最小為斷開梁。. 張紋韶 陳啟仁. 2003. 大木試驗. 將多種因子依影響程度排序且量化，並推 演出準確的評估公式. 數值分析 Chang et al. 2003. 大木試驗 數值分析. 廖政南. 2003. 大木試驗. 1. 發現影響日式木構造接點最大的因素 為榫頭深度 2. 推演出評估旋轉勁度的公式 1. 發現螺帽鬆脫會影響接點力學行為之 初始徑度與極限強度. 有限元素法 2. 利用 ANSYS 模擬分析結果接近實驗 結果. ───────────────────────────────────────── - 12 -.
(20) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ─────────────────────────────────────────. 第三章 實驗流程及實驗步驟. 3.1 實驗儀器介紹 本研究所使用之儀器如下： (1) 萬能試驗機(圖 3-1) 型號：UH – 1000KNI 公司：SHIMADZU 功能：最大施力為 100 噸 ，全自動加卸載、測試與紀錄。加載方式分為加載控 制及位移控制，並可由圖形顯示測試資料，符合 CNS、ASTM、JIS 標準。. 圖 3-1 萬能試驗機. ───────────────────────────────────────── - 13 -.
(21) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ─────────────────────────────────────────. (2) 循環式烘箱(圖 3-2) 型號：CIRCULATOR DRYING OVEV 公司：CHENG SANG 功能：輸入電壓為交流電壓 220V， 產生電流為 12A ，頻率 60Hz。可控 制溫度介於 00～2000 oC，誤差低於 5 o. C。. 圖 3-2 循環式烘箱. (3)精密電子量秤(圖 3-3) 型號：ADW - 30kg 公司：金鑽科技有限公司 功能：輸入電壓為交流電壓 110V， 產生電流為 0.4A ，頻率 60Hz。最大 荷重為 30kg，最小感應量 0.001kg。 圖 3-3 精密電子量秤. ───────────────────────────────────────── - 14 -.
(22) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ─────────────────────────────────────────. 3.2 木材基礎物理性質實驗 根據 CNS 標準試驗，木材基礎物理性質實驗包含有木材含水率試驗法、木 材密度試驗法、木材抗彎試驗法、木材抗壓試驗法、木材抗拉試驗法以及木材平 行纖維方向剪力試驗法。 3.2.1 基礎實驗流程 根據 94 年中國國家標準試驗(CNS)標準實驗規範，木材之標準試驗包含有： 木材密度試驗法(CNS 總號 451 類號 O2002)、木材抗壓試驗法(CNS 總號 453 類 號 O2004)、木材抗彎試驗法(CNS 總號 454 類號 O2005)、木材平行纖維方向剪 力試驗(CNS 總號 455 類號 O2006)。基礎實驗流程如圖 3-4. 文獻 (94 年 CNS 標準試驗). 木材平行 纖維方向 剪力試驗. 木材抗彎 試驗法. 木材抗壓 試驗法. 木材密度 試驗法. 材料基礎特性建立. 圖 3-4 基礎實驗流程. ───────────────────────────────────────── - 15 -.
(23) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ─────────────────────────────────────────. 3.2.2 木材基礎物理性質實驗 (1)木材密度試驗法(Wood - determination of density for physical and mechanical tests) 木材因含水率改變時，它的重量及容積均會改變，因此密度是會依含水率而 異，故在表示木材密度時需將它的含水率明示。密度種類依含水率之不同而區分 為以下四種： 一. 絕乾比重(Specific gravity in oven dry) γ0 = W0/V0 ……………………………………………………………(公式 1) W0：為絕乾重量 V0：為絕乾體積 因在乾燥之際，木材試片會變形，故絕乾體積(V0)較難正確測定，故往往 是以氣乾體積(Vu)，即以含有 u％含水率時之體積代替。 二. 氣乾比重(Specific gravity in air dry) γu=Wu/Vu. ……………………………………………………………(公式 2). Wu：為氣乾重量 Vu：為氣乾體積 木材在立木狀態時含有多量水分，但當置於大氣當中時，它的水分會漸漸 蒸發減少，最後會達到與該時之相對濕度成平衡之含水率。. ───────────────────────────────────────── - 16 -.
(24) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ─────────────────────────────────────────. 三. 生材比重(Specific gravity in green) γg=Wg/Vg ……………………………………………………………(公式 3) Wg：為生材重量 Vg：為生材體積 依生材含水率不同而異之值，且在含水率超過 35％以上時，生材體積就不 再依含水率而有變化。 四. 容積密度(bulk debsity) R = W0/Vg (g/cm3) …………………………………………………(公式 4). (2)木材抗壓試驗法(Wood - determination of compression properties) 木材的抗壓性質非常重要，依木紋方向以及施壓面積之不同，依據木材抗壓 試驗法(CNS 總號 453 類號 O2004)，抗壓強度可分為下面三種：. ───────────────────────────────────────── - 17 -.
(25) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ─────────────────────────────────────────. 1. 縱向抗壓強度(圖 3-5)：外力方向與纖維走向互相平行，杉木氣乾狀態之縱向 木理壓縮強度約 300～700 kgf/cm2。 Ec = σ / ε= (l /△l) * ( △P / A) ………………………………………………(公式 5) σc = Pm/A ……………………………………………………………………(公式 6) Ec：縱向抗壓彈性模數(MPa) (kgf/cm2) σc：縱向抗壓強度(kgf/cm2) Pm：最大載重(N) A：斷面積(mm2). P(施力). l：標點距離(mm). 木材試體. 木纖維方向. P (施力) 圖 3-5 縱向抗壓強度 ───────────────────────────────────────── - 18 -.
(26) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ─────────────────────────────────────────. 2. 橫向抗壓強度(圖 3-6)：外力方向與木理走向垂直，強度甚小且劈裂性大，可 分為徑向與弦向壓縮及載重方向與年輪角度成 00～900 者。 Ec90 =σ / ε= (l /△l) * ( △P / A) ……………………………………………(公式 7) σc90 = P m/A……………………………………………………………………(公式 8) Ec90：橫向抗壓彈性模數(MPa) (kgf/cm2) σc90：橫向抗壓強度(kgf/cm2) Pm：最大載重(N) A：斷面積(mm2). P(施力). l：標點距離(mm). 木材試體. 木纖維方向. P(施力) 圖 3-6 橫向抗壓強度 ───────────────────────────────────────── - 19 -.
(27) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ─────────────────────────────────────────. (3)木材抗彎試驗法(圖 3-7)(Wood - determination of static bending properties) 木材的抗彎性質測定：依據 CNS 木材抗彎試驗法(CNS 總號 454 類號 O2005)，試體之寬度及厚度必須小於長度之 1/14，再以一定之變形速度破壞試 體，評估其最大載重(Pm)及彈性模數(MOE) MOE = △P * l 3 /( 4△y * a * h3) ……………………………………………(公式 9) MOR = 3Pm * l /(a * h2) ……………………………………………………(公式 10) MOE：抗彎彈性模數(MPa)(kgf/cm2) MOR：抗彎強度(MPa)(kgf/cm2) Pm：最大載重(N) l：跨距(mm) a：寬度(mm) h：厚度(mm) l/3. l/3 荷重. l/3 荷重. h. 支點. l =15h. 支點. 圖 3-7 木材抗彎試驗. ───────────────────────────────────────── - 20 -.
(28) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ─────────────────────────────────────────. (4)木材平行纖維方向剪力試驗法(圖 3-8)(Wood - determination of ultimate shearing stress parallel to grain) 木材平行纖維方向抗剪性質測定：木材平行纖維方向沿著徑切面或弦切面， 施加逐漸增大之抗壓載重，以測計平行纖維方向之剪力強度。 τw = Pm/2A…………………………………………………………………(公式 11) τw：剪力強度(MPa) Pm：最大載重(N) A：斷面積(mm2) P(施力). 剪斷面 A. 支點. 支點. 圖 3-8 木材平行纖維方向剪力試驗 ───────────────────────────────────────── - 21 -.
(29) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ─────────────────────────────────────────. 3.2.3 實驗結果 (1) 木材密度試驗法 (Wood - determination of density for physical and mechanical tests) 依據 CNS 木材密度試驗法(CNS 總號 451 類號 O2002)，本研究採用絕乾比 重(Specific gravity in oven dry)來取得材料之密度。實驗步驟如下(圖 3-9)： 1.先製作邊長皆為 3cm 之材料的立方體 10 個 2.量秤空鐵盤之重量 3.秤取材料及鐵盤總重 4.放進循環式烘箱烘乾(溫度設定為 110 度，烘乾 24 小時) 5.從循環式烘箱取出在秤重一次. 圖 3-9 密度試驗 ───────────────────────────────────────── - 22 -.
(30) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ─────────────────────────────────────────. 實驗結果如下表 3-2 表 3-1 密度試驗量秤之重量表. 量秤重量. 空鐵盤. 烘乾前. 烘乾後. 396 g. 493 g. 474 g. 97 g. 78 g. 量秤重-鐵盤重 故代入公式 1，得到材料密度為： W0 = 78 (g) V0 = 27 (mm3) γ0 = W0/V0 = 78*10-3/(27*10-6*10) = 288.889 kg/m3. ───────────────────────────────────────── - 23 -.
(31) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ─────────────────────────────────────────. (2) 木材抗壓試驗法(Wood - determination of compression properties) 依據木材抗壓試驗法(CNS 總號 453 類號 O2004)規定，木材抗壓試驗邊長介 於 20-40mm，高度介於 2-4 倍之邊長。 1.縱向抗壓試體之邊長為 30mm，高度為 60mm，故受壓面積 A=900mm2。 2.橫向抗壓試體之邊長為 25mm，高度為 50mm，故受壓面積 A=625mm2。 實驗結果如下：. ： 圖 3-10 縱向抗壓. 圖 3-11 橫向抗壓 ───────────────────────────────────────── - 24 -.
(32) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ─────────────────────────────────────────. 1.縱向抗壓強度(圖 3-12)：. 圖 3-12 縱向抗壓應力-位移. 圖 3-13 縱向抗壓應力-位移(線性). ───────────────────────────────────────── - 25 -.
(33) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ─────────────────────────────────────────. 根據圖 3-12 並代入公式 6，求得縱向抗壓強度，計算如下： A = 900 mm2 Pm = 22.54(KN) σc = Pm/A = 22.54*1000/900 = 25.04 (MPa). 根據圖 3-13 並代入公式 5，求得縱向抗壓彈性模數，計算如下： l = 30(mm) △P/△l = 50.95 (KN/mm) Ec = (△P * l )/( △l * A) = 50.395*1000*30/900 = 1698.333 (MPa). ───────────────────────────────────────── - 26 -.
(34) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ─────────────────────────────────────────. 2.橫向抗壓強度(圖 3-14)：. 圖 3-14 橫向抗壓應力-位移. 圖 3-15 橫向抗壓應力-位移(線性). ───────────────────────────────────────── - 27 -.
(35) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ─────────────────────────────────────────. 根據圖 3-14 並代入公式 8，求得橫向抗壓強度，計算如下： A = 625 mm2 Pm = 1.8(KN) σc = Pm/A = 1.8*1000/625 = 2.88 (MPa). 根據圖 3-15 並代入公式 7，求得橫向抗壓彈性模數，計算如下： l = 25(mm) △P/△l = 1.204 (KN/mm) Ec = (△P * l )/( △l * A) = 1.204*1000*25/625 = 48.16 (MPa). ───────────────────────────────────────── - 28 -.
(36) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ─────────────────────────────────────────. (3) 木材抗彎試驗法(Wood - determination of static bending properties) 依據木材抗彎試驗法(CNS 總號 454 類號 O2005)，木材抗彎試驗之試體邊長 介於 20-40mm 之間，支點跨距必須大於邊長之 14 倍，且試體長度必須大於支點 跨距的 2 倍邊長。故本試驗之支點跨距為 450mm，施力點距離為 150mm。而試 體之邊長皆為 30mm，長度為 60mm。實驗結果如下：. 圖 3-16 抗彎試驗. ───────────────────────────────────────── - 29 -.
(37) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ─────────────────────────────────────────. 圖 3-17 抗彎試驗應力-位移. 圖 3-18 抗彎試驗應力-位移(線性). ───────────────────────────────────────── - 30 -.
(38) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ─────────────────────────────────────────. 根據圖 3-17 並代入公式 10，求得抗彎強度(破壞係數)(MPa) ，計算如下： a = 30 (mm) h = 30 (mm) l = 450 (mm) Pm = 2.5 (KN) MOR// = 3Pm * l /(a * h2) = 3*2.5*1000*450/(30*302) = 125 (MPa). 根據圖 3-18 並代入公式 9，求得抗彎彈性模數(MPa) ，計算如下： △P/△y = 0.289 (KN/mm) MOE// = △P * l 3 /( 4△y * a * h3) = 0.289*1000*4503/(4*30*303) = 8128.125 (MPa). ───────────────────────────────────────── - 31 -.
(39) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ─────────────────────────────────────────. (4) 木材平行纖維方向剪力試驗法(Wood - Determination of ultimate shearing stress parallel to grain) 木材平行纖維方向剪力之試驗(圖 3-19)，試體受壓面積為 30mm*30mm，剪 斷面積為 30mm*30mm*2。實驗結果如下：. 圖 3-19 木材平行纖維方向剪力試驗. 圖 3-20 平行纖維方向剪力試驗應力-位移 ───────────────────────────────────────── - 32 -.
(40) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ─────────────────────────────────────────. 圖 3-21 平行纖維方向剪力試驗應力-位移(線性). 根據圖 3-20 並代入公式 11，求得平行纖維方向剪力強度，計算如下： A = 900(mm2) Pm /2 = 1.1 (KN) τw = Pm/2A = 1.1*1000/900 = 1.222 (MPa). ───────────────────────────────────────── - 33 -.
(41) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ─────────────────────────────────────────. 3.3 材料特性建立與分類 由內政部建築由究所之木構造建築物設計與施工規範修訂之研究所分類(表 3-3)，福杉屬於針葉樹四類，其相關性質如表 3-4(密度低於 300kgf/cm2)： 表 3-3 常用樹種分類(資料來源：木構造建築物設計與施工規範). 針闊葉樹別. 針葉樹. 類別. 樹種. Ⅰ類. 花旗松、俄國落葉松. Ⅱ類. 羅漢柏、扁柏、羅森檜. Ⅲ類. 赤松、黑松、落葉松、鐵杉、北美鐵杉 南方松、世界爺. Ⅳ類. 冷杉、蝦夷松、椵松、朝鮮松、柳杉 西部側柏、雲杉、杉木、台灣杉、放射松. 闊葉樹. Ⅰ類. 檻木. Ⅱ類. 栗木、櫟木、山毛櫸、櫸木、油脂木 冰片樹、硬戚木. Ⅲ類. 柳桉. 表 3-4 針葉樹四類之各項性質(資料來源：木構造建築物設計與施工規範). MOE// (MPa). 4802. 剛性模數. MOR┴. 縱向抗壓強度. 橫向抗壓強. (MPa). (MPa). (MPa). 度(kgf/cm2). 320.133. 192.08. 14.7. 1.47. ───────────────────────────────────────── - 34 -.
(42) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ─────────────────────────────────────────. 由 3-2 節基礎試驗整理得到，本研究所使用之材料的各項基礎物理性質如 下表 3-5： 表 3-5 實驗材料之基礎物理性質. 剪力強度(MPa). 密度(kg/m3). MOE// (MPa). MOR// (MPa). 1.22. 288.9. 8128.13. 125. 縱向抗壓彈性模數. 縱向抗壓強度. 橫向抗壓彈性模. 橫向抗壓強度. (MPa). (MPa). 數(MPa). (kgf/cm2). 1698.33. 25.04. 48.16. 2.88. 本實驗所使用之木材之各項材料性質，約介於柳杉與台灣杉之間，皆屬於針 葉樹Ⅳ類。由王松永木材物理學之相關研究，對於柳杉與台灣杉的材料性質，並 與本實驗所使用之福杉之材料性質比較如下表 3-6：. ───────────────────────────────────────── - 35 -.
(43) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第三章 ───────────────────────────────────────── 表 3-6 福州杉、柳杉(含水率 12%)、台灣杉(含水率 12%)之相關物理性質 (王松永(1993)，木材 物理學). 台灣杉. MOE// (MPa). 柳杉. 福州杉. 7350. 8128.13. 縱向抗壓彈性模數(MPa). 2501.94. 2614.64. 1698.33. 縱向抗壓強度(MPa). 35.24. 32.44. 25.04. 橫向抗壓彈性模數(MPa). 47.04. 137.2. 48.16. 橫向抗壓強度(MPa). 2.05. 2.26. 2.88. ───────────────────────────────────────── - 36 -.
(44) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第四章 ─────────────────────────────────────────. 第四章 實驗步驟及實驗結果分析. 4.1 實驗流程 本研究之大木試驗實驗規劃及流程(圖 4-1)主要有三方面：(1)材料試體方面 (2)試驗機台方面(3)資料擷取方面。. 材料購買. 氣乾. 加工. 組裝. 構架規格. 儀器借用及購買. 實驗. 儀器校正及加工. 圖 4-1 實驗規劃及流程. (1)材料試體方面：由於木材為非均質材料，從 2.1 節即可得知木材之紋理、密度 及含水率影響甚鉅。故大木試驗所使用之材料，於購買時便已要求必須是心材， 且其含水率必須控制在 17-19 %H2O 之間，且材料已放置於室內陰涼處陰乾一年 三個月。. ───────────────────────────────────────── - 37 -.
(45) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第四章 ─────────────────────────────────────────. (2)試驗機台方面：本研究之主要加載機器為萬能試驗機(圖 3-1)，最大加壓重量 100 公噸，加載方式分為加載控制及位移控制，本時實驗研究採取位移控制。但 萬能試驗機的做工作平台僅 70cm*77cm*100cm，故設計並製作一組鋼架裝置於 平台上(圖 4-2)，以期能擴展其工作平台，使其符合本研究試驗需求。. 圖 4-2 外接鋼架. (3)資料擷取方面：由於本研究為逐尺之大木試驗，雖然萬能試驗機可以控制施 力點之位移，但僅限於施力點。而大木結構試驗之各部位皆有形變及位移產生。 故本研究除了由萬能試驗機取得施力點之位移，並設計由三個地方額外取得此結 構之位移(圖 4-3)。位移計 A 及位移計 B 皆 20cm 之位移計(圖 4-4)，其精確度可 達 0.2mm，主要用於量測梁柱之旋轉勁度及接點剛性。位移計 C 為 5cm 之位移 計(圖 4-5)，其精確度可達 0.05mm，主要量測柱的變位。位移計 A、位移計 B、 位移計 C 皆經由擷取器取得資料(圖 4-6)。. ───────────────────────────────────────── - 38 -.
(46) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第四章 ─────────────────────────────────────────. 圖 4-3 位移計架設之設計(單位 mm). 圖 4-4 20cm 之位移計. 圖 4-5 5cm 之位移計. 圖 4-6 資料擷取器 ───────────────────────────────────────── - 39 -.
(47) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第四章 ─────────────────────────────────────────. 4.2 試體規格與製作 台灣傳統穿鬬式梁柱結構接點，由梁在柱內的搭接方式差異，而區分為：連 續、燕尾榫接、斷開…等，而本研究之大木試驗則探討連續及燕尾榫接兩種。連 續梁，梁在柱內無搭接行為，故其強度比任何有榫接行為之構造強。燕尾榫接， 因榫頭製作較易，故為傳統建築結構常用之榫接行為，而本研究的燕尾榫之製作 方式，則參考自大工作業の実技(圖 4-7)。 a/2. a. 圖 4-7 燕尾榫規格(繪自大工作業の実技). 本實驗之試體規格參考自內政部建築研究所委託研究計畫，其規格如圖 4-8 以及試體製作過程(圖 4-9～4-12)。. ───────────────────────────────────────── - 40 -.
(48) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第四章 ─────────────────────────────────────────. 圖 4-8 試體規格(單位 mm). 圖 4-9 角鑿機. 圖 4-10 鑿穿. 圖 4-11 安裝梁. 圖 4-12 試體完成. ───────────────────────────────────────── - 41 -.
(49) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第四章 ─────────────────────────────────────────. 4.3 實驗結果 4.3.1 穿材連續 試體與萬能試驗機之相對關係、位移計之架設位置可參考圖 4-3。. 圖 4-13 試體穿材連續 1 之架設. 圖 4-14 穿材連續 1 實驗前梁柱之狀況. 圖 4-15 穿材連續 1 實驗後位移計 A 梁柱之形變. ───────────────────────────────────────── - 42 -.
(50) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第四章 ─────────────────────────────────────────. 圖 4-16 穿材連續 1 實驗後位移計 B 梁柱之形變. 圖 4-17 穿材連續 2 實驗後位移計 A 梁柱之形變. 圖 4-18 穿材連續 2 實驗後位移計 B 梁柱之形變. ───────────────────────────────────────── - 43 -.
(51) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第四章 ─────────────────────────────────────────. 圖 4-19 穿材連續 1 施力點之應力-位移關係圖. 圖 4-20 穿材連續 2 施力點之應力-位移關係圖. ───────────────────────────────────────── - 44 -.
(52) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第四章 ─────────────────────────────────────────. 圖 4-21 穿材連續 1 及穿材連續 2 彈性階段. 表 4-1 連續梁實驗結果整理. 荷載 = 5.77 KN. 穿材連續 1. 穿材連續 2. 位移計 A(mm). 2.34. 3.86. 旋轉角(rad). 0.0167. 0.0275. 旋轉勁度(kg-m/rad). 17275.45. 10490.91. 位移計 B(mm). 2.3. 2.44. 位移計 C(mm). 4.06. 4.72. 施力點位移(mm). 35.412. 40.29. 柱的變位(mm). 4.06. 4.72. ───────────────────────────────────────── - 45 -.
(53) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第四章 ─────────────────────────────────────────. 實驗結果如圖 4-19 顯示，於試體安裝過程中，梁與柱便已含有部分能量， 即安裝時柱就已施給梁部分圍束能量，當梁變位達 19cm 時，梁柱的應力才大於 圍束效應而顯現出來。故圍束效應之影響，僅發生在梁柱應力小於圍束能量時產 生。且圍束能量越強，可使梁柱之初始強度提高至圍束強度，而增加接點剛性及 旋轉勁度。 比較圖 4-19 及圖 4-20 即可看出穿材連續 1 受圍束效果影響較大，及穿材連 續 1 之密合度較高，故其初始滑移量較低，且應力相對應之位移量略低於穿材連 續 2，導致旋轉勁度高出穿材連續 2 甚多。但由圖-21 可發現，排除密合度影響， 彈性階段趨於一定值。故由實驗發現，此一試體在安裝時，柱所穿鑿的洞之面積 與梁之斷面積密合度越高，初始滑移量以及總變形量皆有較佳之表現。 4.3.2 穿材用燕尾榫搭接. 圖 4-22 燕尾榫搭接 1 實驗後位移計 A 梁柱之形變. 圖 4-23 燕尾榫搭接 1 實驗後位移計 B 梁柱之形變 ───────────────────────────────────────── - 46 -.
(54) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第四章 ─────────────────────────────────────────. 圖 4-24 燕尾榫搭接 2 實驗後位移計 A 梁柱之形變. 圖 4-25 燕尾榫搭接 2 實驗後位移計 B 梁柱之形變. ───────────────────────────────────────── - 47 -.
(55) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第四章 ─────────────────────────────────────────. 圖 4-26 燕尾榫搭接 1 施力點支應力-位移關係圖. 圖 4-27 燕尾榫搭接 2 施力點支應力-位移關係圖. ───────────────────────────────────────── - 48 -.
(56) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第四章 ───────────────────────────────────────── 表 4-2 燕尾榫搭接實驗結果整理. 荷載 = 2.0 KN. 燕尾榫搭接 1. 燕尾榫搭接 2. 位移計 A(mm). 7.12. 4.08. 位移計 A 之實際數值(mm). 4.06. 3.47. 旋轉角(rad). 0.027. 0.023. 旋轉勁度(kg-m/rad). 3703.7. 4347.83. 位移計 B(mm). 0.48. 0.28. 位移計 C(mm). 1.11. 0.86. 施力點位移(mm). 33.29. 21.526. 施力點變位(mm). 13.23. 11.27. 柱的變位(mm). 1.11. 0.86. 比較圖 4-26 及圖 4-27 可發現，燕尾榫搭接 1 之初始滑移略高，即梁柱接點 之密合度較差。但不考慮初始滑移部份，僅探討彈性階段部分，則位移計 A 點 之數值，就必須要扣除初始滑移部分，才是彈性階段之實際偏移數值。 因燕尾榫搭接之穿材為斷開，僅依賴燕尾榫搭接來連續，故當燕尾榫破壞之 後，非受力端之梁之偏移就無明顯變位，且旋轉勁度亦較穿材連續低。故位移計 B 之數值比位移計 A 相差極大，相較於穿材連續，其位移計 B 之數值接近位移 計 A。. ───────────────────────────────────────── - 49 -.
(57) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第五章 ─────────────────────────────────────────. 第五章 ANSYS 軟體及實驗結果模擬分析. 5.1 有限元素法與 ANSYS 模擬分析軟體 自從 Clough(1966)第一次提出”有限元素法(Finite Element Method，FEM)”這 個概念以來，經過 40 多年的發展，如今已成為工程分析中應用最廣泛的數值計 算方法。所謂的有限元素法是一種將模型切成網格狀單元，針對每一個單元做某 一特性的計算，再將所有單元計算結果全部集合起來，求得工程方面問題近似解 的數值分析技巧。 有限元素法之特點概括如下： (1) 對於複雜幾何模型的適應性：由於單元在空間上可以是一維、二維或三 維的，而且單元可以有不同之形狀，並採取不同之連接方式，故可應用 於各種複雜之幾何模型。 (2) 對於各種物理問題的適用性：由於單元內近似函數各自表示全求解域的 未知函數，並未限制函數所滿足之方程式及各單元所對應之方程式的形 式，故適用於各種物理問題。 (3) 建立於嚴格理論基礎上的可靠性：建立有限元方程的變分原理或加權餘 量法在數學上已証明是微分方程和邊界條件的等效積分形式，故隨著單 元數目的增加或單元自由度數的增加，且滿足收斂準則，則近似解最後 收斂於原數學模型的精確解。 (4) 適合計算機實現的高效性：由於有限元素法的每一步驟皆可用矩陣形式 表示，因此求解方程式可變化為標準的矩陣代數問題，故適合計算機的 程式編寫及運算。 ───────────────────────────────────────── - 50 -.
(58) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第五章 ─────────────────────────────────────────. ANSYS 為一套以有限元素法為架構的分析軟體，並兼具仿真環境技術及高 效率之優化設計，其系統包含結構分析系統、電磁場分析系統及流體力學分析系 統。ANSYS 分析過程主要包含三個步驟：前處理、加載並求解、後處理。前處 理是指創建實體模型、定義單元屬性以及劃分有限元網格。加載並求解則在於實 體之自由度限定以及加載方式設定，並求得近似解。後處理則包含時間、位移相 對之應力應變關係。 本研究以 SolidWorks 繪製實體模型，再匯入 ANSYS10.0 軟體劃分有限元網 格，並利用表 3-3 建立材料基礎特性，及模擬大木試驗邊界環境之設定，求解並 與實驗結果比對分析，期能建構出木結構接點受力行為、應力及應變之分析模式。. ───────────────────────────────────────── - 51 -.
(59) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第五章 ─────────────────────────────────────────. 5.2 材料特性以及環境限制之建立 由於木材為非均質材料，從 2.1 節可以得知，其紋理、含水率與密度影響強 度效果甚鉅，故本研究在材料準備階段，即提前開始進行，以求材料之性質穩定。 且木質材料隨著樹種之不同，產地季節氣候差異而異，故經由材料基礎試驗(表 3-3)得到相關之力學特性，使在 ANSYS 系統的材料性質設定上(表 5-1)，更貼近 於大木試驗所使用之材料，期能降低其誤差之產生。 表 5-1 材料性質設定. X 方向之彈性模數(MPa). 8128.13. XY 方向之抗剪強度(MPa). 46.89. Y 方向之彈性模數(MPa). 8128.13. XZ 方向之抗剪強度(MPa). 140.67. Z 方向之彈性模數(MPa). 580.58. YZ 方向之抗剪強度(MPa). 46.89. X 方向之柏松比. 0.33. 密度(kg/m3). 288.89. Y 方向之柏松比. 0.33. 壓力降伏強度(MPa). 2.88. Z 方向之柏松比. 0.33. 拉力降伏強度(MPa). 7.83. 在環境限制上，從圖 5-1、5-2 可以看出： (1) 梁的高度在柱高 400mm 之處，但在柱高 280mm 以下皆被限制，故在實體繪 製 上，梁之高度僅有 120mm(圖 5-3)，且在環境設定上(圖 5-4)，柱底部的 XYZ 方向之自由度皆被限制。 (2) 施力點與柱之距離為 400mm。 (3) 施力點為圓柱，與試體接觸面積隨著壓力增加而變大，故在實體繪製(圖 5-5)及環境設定上，呈現出局部面均壓狀態(圖 5-6)。. ───────────────────────────────────────── - 52 -.
(60) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第五章 ─────────────────────────────────────────. 圖 5-1 實驗之物理環境現況. 圖 5-2 物理環境之關係(單位 mm) ───────────────────────────────────────── - 53 -.
(61) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第五章 ─────────────────────────────────────────. 圖 5-3 實體模型的梁與柱之關係. 圖 5-4 柱底的自由度限制 ───────────────────────────────────────── - 54 -.
(62) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第五章 ─────────────────────────────────────────. 圖 5-5 實體模型之施力點模式. 圖 5-6 施力大小及方向 ───────────────────────────────────────── - 55 -.
(63) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第五章 ─────────────────────────────────────────. 由於有限元素法是一種將模型切成網格狀單元，來求得工程方面問題近似解 的數值分析技巧，故其單元劃分越細小，單元數量越多，所求的之近似解則越精 確。由於傳統穿鬬式接點之行為模式求解問題，主要因子包含有：材料的非均質 特性、穿鬬接點處的應力應變及穿鬬接點內部的接觸行為，皆集中在穿鬬接點 上。故在網格單元的設定上，將穿鬬接點的部分劃分為較細小之單元(圖 5-7)。. 圖 5-7 網格單元之設定 ───────────────────────────────────────── - 56 -.
(64) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第五章 ─────────────────────────────────────────. 5.3 ANSYS 模擬分析 由 4.3 節實驗結果得知，結構接點之力學行為為兩階段線性行為，且實驗過 程皆無碰撞變形之產生，故只屬於大變位之非線性行為。由圖 4-19 及 4-20 可知， 當施力達 5.774KN 時，位移計 A 變位在 2.34-3.86mm 之間，位移計 B 變位在 2.3-2.44mm 之間，柱底部固定之螺栓產生局部壓陷，為柱之偏移的主要原因。 故在設定環境條件上 (1) 施力點設定為 5770N 壓力，受壓面積為 20mm*60mm，故均佈壓力為 4.808MPa。 (2) 因主要模擬部分為柱梁之接點旋轉勁度及應變，柱之變位則不在模擬範圍 內，故柱之底部三方向之自由度皆限制住。 (3) 在材料性質設定上，柱之材料性質設定為等向性材料，但各項力學性質還是 以第 3 章實驗結果之數值代入。而梁之材料性質設定為非等向性材料，各項 力學性質之數值皆以第 3 章實驗結果為依據。 分析結果如下：. ───────────────────────────────────────── - 57 -.
(65) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第五章 ─────────────────────────────────────────. 圖 5-8 試體之各部位位移. 圖 5-9 梁之應變 ───────────────────────────────────────── - 58 -.
(66) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第五章 ─────────────────────────────────────────. 圖 5-10 梁之應力. 圖 5-11 試體內部之應變 ───────────────────────────────────────── - 59 -.
(67) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第五章 ─────────────────────────────────────────. 圖 5-12 試體內部之應力. 圖 5-13 試體內部之應力(細部 1) ───────────────────────────────────────── - 60 -.
(68) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第五章 ─────────────────────────────────────────. 圖 5-14 試體內部之應力(細部 2). 由圖 5-8 可見，最大位移為 18.85mm 產生於梁之受力端的尾端，且因上半 部為拉力端之故，梁於靠近柱子之上半部位移皆比下半部大且明顯。且由圖 5-9 及圖 5-10 可知，此結構之接點的應力皆集中在受力端的梁柱交點上，非受力端 雖有比較大之變位，但材料內部並無應力及應變。 由圖 5-11 及圖 5-12 可發現，因受上端受拉力而下端受壓力之影響，最大應 變位於梁在柱內之中點，最大應力為 107.558KN 發生於拉力端。且由圖 5-13 及 圖 5-14，並對照實驗圖 4-15 及 4-17 可知，梁之下半部與柱相接觸的部位，會先 產生部分壓陷破壞。. ───────────────────────────────────────── - 61 -.
(69) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第五章 ─────────────────────────────────────────. 圖 5-15 單元應力方向 1. 圖 5-16 單元應力方向 2 ───────────────────────────────────────── - 62 -.
(70) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第五章 ─────────────────────────────────────────. 圖 5-17 柱的 XY 平面剪力狀態. 由圖 5-15 及圖 5-16，梁在受力端時，上半部所受之應力為拉力，而下半部 為壓力；在非受力端時，上半部所受之應力為壓力，而下半部為拉力。且梁在柱 內的部分，上半部所受之拉力逐漸遞減變成受壓力，而下半部所受之壓力逐漸轉 變成受拉力，故此處受到旋轉勁度及 YZ 平面之剪應力最大，材料內部的應變也 最大。 綜合上面所描述，穿鬬式結構接點之破壞模式可能如下： (1) 最大應力集中處破壞 隨著施力的增加，梁柱接點的底部受到局部壓潰，使抗拉面積逐漸減少。當 抗拉面所提供之抗拉強度低於所需之拉力時，即到達破壞。. ───────────────────────────────────────── - 63 -.
(71) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第五章 ─────────────────────────────────────────. (2) 梁受水平剪斷破壞 因梁在上半部所受之應力為拉力，而下半部為壓力，故材料中間所受之水平 剪應力及應變極大。故當材料所受最大應力未達到抗拉強度之前，抗剪強度 先到達破壞，便會變成此破壞模式。. ───────────────────────────────────────── - 64 -.
(72) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第六章 ─────────────────────────────────────────. 第六章 結論與建議 6.1 結果分析與對照 由 4.3 節之實驗結果與 5.3 節之模擬分析結果，整理如下表 6-1 及表 6-2： 表 6-1 穿材連續實驗結果與分析結果之對照. 荷載 = 5.77 KN. 穿材連續 1. 穿材連續 2. 模擬結果. 位移計 A(mm). 2.34. 3.86. 3.143. 旋轉角(rad). 0.0167. 0.0275. 0.0224. 旋轉勁度(kg-m/rad). 17275.45. 10490.91. 12879.46. 位移計 B(mm). 2.3. 2.44. 2.358. 施力點位移(mm). 35.412. 40.29. 18.853. 表 6-2 穿材用燕尾榫搭接實驗結果. 荷載 = 2.0 KN. 燕尾榫搭接 1. 燕尾榫搭接 2. 位移計 A 之實際數值(mm). 4.06. 3.47. 旋轉角(rad). 0.027. 0.023. 旋轉勁度(kg-m/rad). 3703.7. 4347.83. 位移計 B(mm). 0.48. 0.28. 位移計 C(mm). 1.11. 0.86. 施力點變位(mm). 13.23. 11.27. ───────────────────────────────────────── - 65 -.
(73) 台灣傳統穿鬬式木構架接點力學行為及數值模擬分析研究 -第六章 ─────────────────────────────────────────. 1. 由表 3-6 比較可知，本次基礎實驗所得到之福杉的各項力學強度，強度介於 台灣杉與柳杉之間，實驗結果所得到之福杉強度數值是可信賴的。且高出建 築相關文獻(木構造建築物設計與施工規範)所規定之強度甚多，但木質材料 之物理及力學性質易受環境影響而改變，故容許強度折減約至原強度的 50-60%之間。 2. 由穿材連續(圖 4-19，4-20)及穿材用燕尾榫搭接(圖 4-26，4-27)之實驗結果， 施力點偏移以及旋轉勁度受梁柱密合度之影響很大。但由圖 4-21 顯示，當排 除初始滑移及圍束效應的因素，木接點結構在彈性階段應力與位移之比值趨 向某一定值，故接點之最大荷載受密合度影響不大。 3. 當穿材為連續時，其彈性降伏強度約介於 6-7KN 之間。而穿材為燕尾榫搭接 時，因其所能提供之抗拉能力僅有榫頭一小部分，且受向上之應力，故主要 破壞在榫頭上端，其彈性降伏強度約介於 2-2.5KN 之間。比較張紋韶(2005) 所針對穿鬬式木構架梁柱接點進行 72 組足尺的力學試驗之結果，燕尾榫搭接 之旋轉勁度約為穿材連續的 37.3%，最大荷載則約為 30.6%；而本實驗之結 果，燕尾榫搭接之旋轉勁度約為穿材連續時之 30.8%，最大施力強度為 36.1%，主要原因為穿材連續之施工密合度較高，故有較高之旋轉勁度。 表 6-3 本次實驗結果與文獻(張紋韶(2005))對照. 張紋韶(2005). 本次實驗. 穿材性質. 穿材連續. 燕尾榫搭接. 穿材連續. 燕尾榫搭接. 旋轉勁度. 3006.3. 1122.9. 13054.3. 4025.77. 0.0532. 0.0436. 0.0221. 0.0248. (kgf-m/rad) rad. ───────────────────────────────────────── - 66 -.
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