行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
子計畫：古蹟建築斗砌牆耐震及補強研究(I)
計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC93-2625-Z-151-001- 執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立高雄應用科技大學土木工程系 計畫主持人： 彭生富 共同主持人： 張嘉祥，邱耀正，李安成 計畫參與人員： 曾建學 高雄應用科技大學土木工程與防災科技研究所林見洪 高雄應用科技大學土木工程與防災科技研究所李清源 高雄應 用科技大學土木工程與防災科技研究所高煌翔 張秋偉詹旻諺 高雄應用科技大學土木工程系 報告類型： 完整報告 處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢中 華 民 國 94 年 12 月 25 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
古蹟建築斗砌牆體耐震及補強研究（I）
執行日期：93/08/01~94/07/31計 畫 類 別 ： □ 個 別 型 計 畫
■ 整 合 型 計 畫
計
畫
編
號
：
NSC 93-2625-Z-151-001
執行期間：93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日
計畫主持人：彭生富 高 雄 應 用 科 技 大 學 土 木 工 程 學 系
共同主持人：邱耀正 成功大學土木工程學系
張嘉祥 成功大學建築學系
李安成 高雄應用科技大學化學工程系
計畫參與人員：曾建學 高雄應用科技大學土木工程與防災科技研究所
林見洪 高雄應用科技大學土木工程與防災科技研究所
李清源 高雄應用科技大學土木工程與防災科技研究所
高煌翔 高雄應用科技大學土木工程系
張秋偉 高雄應用科技大學土木工程系
詹旻諺 高雄應用科技大學土木工程系
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列管
計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
■涉及專利或其他智慧財產權，□一年■二年後可公開查詢
執行單位：高雄應用科技大學
中 華 民 國 九十四 年 十 月 三十一 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 古蹟建築斗砌牆體耐震及補強研究（I） 計畫編號：NSC 93-2625-Z-151-001 執行日期：93/08/01~94/07/31 主持人 ：彭生富 高雄應用科技大學土木工程學系 共同主持人 ：邱耀正 成功大學土木工程學系 張嘉祥 成功大學建築學系 李安成 高雄應用科技大學化學工程系 計畫參與人員：曾建學 高雄應用科技大學土木工程與防災科技研究所 林見洪 高雄應用科技大學土木工程與防災科技研究所 李清源 高雄應用科技大學土木工程與防災科技研究所 高煌翔 高雄應用科技大學土木工程系 張秋偉 高雄應用科技大學土木工程系 詹旻諺 高雄應用科技大學土木工程系
摘要 古蹟建築斗砌牆耐震及補強研究 ( 一 ) 關 鍵 詞 : 古 蹟 及 歷 史 建 築 、 斗 砌 牆 體 、 耐 震 能 力 、 震 前 評 估 及 補 強 本 研 究 目 的 旨 在 瞭 解 古 蹟 及 歷 史 建 築 斗 砌 牆 體 力 學 行 為 ， 提 供 古 蹟 及 歷 史 建 築 斗 砌 牆 體 可 行 補 強 策 略 之 參 考 。 本 計 畫 規 劃 以 『 古 蹟 建 築 斗 砌 牆 體 耐 震 及 補 強 研 究 』 為 研 究 主 題 ， 已 在 9 3 年 度 透 過 文 獻 研 究 ， 初 步 了 解 古 蹟 建 築 斗 砌 牆 體 力 學 行 為 ， 本 年 度 進 行 既 有 斗 砌 牆 現 場 耐 震 及 相 關 補 強 試 驗 以 進 一 步 驗 證 古 蹟 建 築 斗 砌 牆 體 力 學 行 為 ， 研 究 成 果 可 以 提 供 建 立 古 蹟 建 築 斗 砌 牆 體 震 前 評 估 及 補 強 準 則 ， 將 提 供 斗 砌 牆 體 古 蹟 建 築 震 前 評 估 及 補 強 之 參 考 。 A b s t r a c t A S t u d y o f t h e S e i s m i c B e h a v i o r f o r h i s t o r i c a l b u i l d i n g s m a d e o f B r i c k A d o b e S a n d w i c h W a l l ( 二 ) K e y w o r d s : h i s t o r i c a l b u i l d i n g s , h e r i t a g e a n d m o n u m e n t , B r i c k A d o b e S a n d w i c h W a l l r , s e i s m i c a s s e s s m e n t , r e t r o f i t T h i s p r o j e c t a i m s t o s t u d y t h e s e i s m i c b e h a v i o r o f B r i c k A d o b e S a n d w i c h W a l l f o r h i s t o r i c a l b u i l d i n g s ， a n d t o d e v e l o p t h e s e i s m i c a s s e s s m e n t m e t h o d a n d e f f i c i e n t r e t r o f i t m e t h o d s f o r h e r i t a g e a n d h i s t o r i c a l b u i l d i n g s m a d e o f B r i c k A d o b e S a n d w i c h W a l l . I n t h i s p r o p o s a l , a s e r i e s o f s e i s m i c t e s t o n t h e t r a d i t i o n a l B r i c k A d o b e S a n d w i c h W a l l w o u l d b e s t u d i e d i n d o o r s a n d i n f i e l d s s e p a r a t e l y . A n d t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s w i l l b e u s e d t o d e v e l o p t h e s e i s m i c a s s e s s m e n t m e t h o d f o r h i s t o r i c a l b u i l d i n g s , h e r i t a g e a n d m o n u m e n t . F u r t h e r m o r e , t h i s p r o j e c t w i l l d e v e l o p a n o p t i m u m a n d e f f e c t i v e r e t r o f i t m e t h o d a c c o r d i n g t o t h e t e s t r e s u l t s .
一、前言 國 內 許 多 古 蹟 及 歷 史 建 築 經 歷 九 二 一 地 震 造 成 破 壞 ， 破 壞 原 因 除 地 震 規 模 過 大 外 ， 另 一 方 面 ， 古 蹟 及 歷 史 建 築 傳 統 設 計 概 念 是 以 柱 子 承 擔 華 麗 厚 重 的 屋 頂 ， 牆 體 僅 作 為 隔 間 及 防 護 外 人 入 侵 ， 輕 忽 了 其 在 水 平 橫 力 作 用 下 之 力 學 行 為 ， 再 加 上 因 欠 缺 古 蹟 及 歷 史 建 築 補 強 研 究 試 驗 ， 難 以 在 震 前 針 對 個 別 建 築 物 ， 進 行 震 前 評 估 及 震 前 補 強 ， 此 乃 九 二 一 地 震 造 成 古 蹟 及 歷 史 建 築 破 壞 最 重 要 之 原 因 。 傳 統 古 蹟 及 歷 史 建 築 牆 身 的 材 料 ， 除 了 大 戶 人 家 有 較 大 財 力 可 以 從 外 地 進 口 昂 貴 、 質 佳 的 材 質 外 ， 一 般 都 是 就 地 取 材 居 多 ， 其 中 斗 砌 磚 牆 乃 是 將 磚 砌 成 斗 形 （ 如 中 空 的 箱 子 ） 的 磚 牆 ， 中 間 填 滿 土 埆 、 卵 石 或 碎 磚 ， 這 種 作 法 的 牆 體 很 厚 實 ， 又 可 以 節 省 磚 材 ， 是 本 省 古 蹟 及 歷 史 建 築 最 主 要 的 牆 身 作 法 。 但 由 於 缺 乏 斗 砌 磚 牆 耐 震 行 為 相 關 試 驗 科 學 數 據 之 驗 證 ， 以 及 一 套 可 依 據 的 耐 震 評 估 準 則 ， 難 以 進 行 斗 砌 牆 體 古 蹟 及 歷 史 建 築 之 震 前 評 估 及 補 強 ， 以 至 於 維 護 古 蹟 及 歷 史 建 築 之 努 力 功 虧 一 簀 。 有 鑒 於 此 ， 本 計 畫 規 劃 以 『 古 蹟 建 築 斗 砌 牆 體 耐 震 及 補 強 研 究 』 為 研 究 主 題 ， 自 9 3 年 起 連 續 進 行 兩 年 的 系 統 化 分 析 以 及 科 學 方 法 進 行 斗 砌 牆 耐 震 實 驗 研 究 ， 已 在 9 3 年 度 透 過 文 獻 研 究 ， 初 步 了 解 古 蹟 建 築 斗 砌 牆 體 力 學 行 為 ， 本 年 度 進 行 既 有 斗 砌 牆 現 場 耐 震 及 相 關 補 強 試 驗 以 進 一 步 驗 證 古 蹟 建 築 斗 砌 牆 體 力 學 行 為 。 本 文 將 設 計 幾 個 主 要 實 驗 變 數 來 作 為 觀 察 斗 砌 牆 在 基 本 構 造 上 對 於 震 害 的 反 應 ， 其 主 要 變 數 有 二 ： 1 . 考 慮 歷 史 建 築 中 不 同 格 局 位 置 斗 砌 牆 面 之 耐 震 試 驗 2 . 對 於 承 壓 不 同 垂 直 載 重 的 斗 砌 牆 體 進 行 剪 力 實 驗 。 本 研 究 規 劃 六 個 不 同 位 置 的 斗 砌 牆 面 試 體 ， 施 以 反 覆 且 漸 增 之 位 移 行 程 的 抗 剪 力 試 驗 ， 並 利 用 力 迴 饋 截 取 儀 、 位 移 計 及 應 變 計 量 取 斗 砌 牆 面 各 項 反 應 ， 以 探 討 不 同 參 數 之 各 試 體 之 遲 滯 圈 基 準 曲 線 、 韌 性 比 以 及 能 量 消 散 量 等 。 依 據 本 研 究 成 果 可 以 建 立 古 蹟 及 歷 史 建 築 斗 砌 牆 體 震 前 評 估 準 則 ， 將 提 供 斗 砌 牆 體 古 蹟 及 歷 史 建 築 ， 進 行 震 前 評 估 及 補 強 之 參 考 。
二、研究目的 台 灣 處 於 歐 亞 大 陸 及 菲 律 賓 板 塊 衝 撞 的 地 震 帶 上 ， 地 震 的 相 當 頻 繁 ； 在 9 2 1 過 後 ， 許 多 建 築 遭 受 嚴 重 破 壞 ， 更 不 乏 有 許 多 珍 貴 的 文 化 遺 產 。 早 期 建 築 缺 乏 耐 震 方 面 詳 細 研 究 及 設 計 ， 在 時 間 的 流 逝 中 ， 不 僅 僅 古 蹟 建 築 材 料 受 到 老 化 的 影 響 ， 在 強 烈 地 震 的 震 害 下 ， 往 往 立 即 倒 塌 ， 導 致 古 蹟 建 築 嚴 重 損 害 。 本 研 究 目 的 旨 在 瞭 解 古 蹟 及 歷 史 建 築 斗 砌 牆 體 力 學 行 為 ， 並 建 立 古 蹟 及 歷 史 建 築 斗 砌 牆 體 耐 震 能 力 評 估 之 指 導 原 則 ， 及 提 供 古 蹟 及 歷 史 建 築 斗 砌 牆 體 可 行 補 強 策 略 。 本 研 究 主 要 針 對 台 灣 傳 統 建 築( 斗 砌 牆 工 法 ) 規 劃 一 系 列 耐 震 試 驗 進 行 斗 砌 牆 試 體 震 害 行 為 上 的 研 究 ， 研 究 中 將 設 計 幾 個 主 要 實 驗 變 數 來 作 為 觀 察 斗 砌 牆 在 擬 靜 態 耐 震 試 上 對 於 震 害 的 反 應 ， 其 主 要 變 數 有 二 ： 1 . 考 慮 歷 史 建 築 中 不 同 邊 界 條 件 位 置 斗 砌 牆 試 體 之 耐 震 試 驗 2 . 對 於 承 壓 不 同 垂 直 載 重 的 斗 砌 牆 體 進 行 剪 力 實 驗 ， 印 證 歷 史 建 築 可 能 受 到 地 震 力 行 為 產 生 的 破 壞 情 形 ， 進 而 從 這 些 結 果 建 構 出 一 系 列 的 斗 砌 牆 實 驗 數 據 ， 以 提 供 古 蹟 修 復 參 考 。
三、文獻探討 國 內 對 於 斗 砌 牆 耐 震 相 關 領 域 研 究 成 果 並 不 多 見 ， 古 蹟 及 歷 史 建 築 傳 統 設 計 概 念 是 以 柱 子 承 擔 華 麗 厚 重 的 屋 頂 ， 牆 體 僅 作 為 隔 間 及 防 護 外 人 入 侵 ， 輕 忽 了 其 在 水 平 橫 力 作 用 下 之 力 學 行 為 ， 再 加 上 因 欠 缺 古 蹟 及 歷 史 建 築 補 強 研 究 試 驗 ， 難 以 在 震 前 針 對 個 別 建 築 物 ， 進 行 震 前 評 估 及 震 前 補 強 ， 此 乃 九 二 一 地 震 造 成 古 蹟 及 歷 史 建 築 破 壞 最 重 要 之 原 因 。 本 研 究 針 對 斗 砌 牆 構 造 ， 從 最 基 本 的 斗 砌 與 土 埆 組 合 及 疊 砌 、 斗 砌 牆 建 物 破 壞 模 式 、 試 驗 方 法 及 各 種 緊 急 修 復 補 強 方 式 進 行 文 獻 探 討 ， 以 下 分 別 就 1 . 震 害 經 驗 2 . 建 築 物 構 造 材 料 兩 方 面 ， 回 顧 其 相 關 研 究 情 形 。 1、震害經驗方面 2 0 0 3 ， 周 柏 琳 ， 【 1 】 ， 由 於 在 台 灣 普 遍 可 見 土 埆 建 物 ， 在 震 災 中 亦 受 損 嚴 重 ， 故 針 對 土 埆 建 物 進 行 初 步 探 討 。 探 討 過 程 乃 首 先 透 過 觀 察 紀 錄 土 埆 建 物 震 害 現 場 ， 了 解 土 埆 建 物 實 際 震 害 模 式 外 ， 並 蒐 集 國 內 外 有 關 土 埆 構 造 的 研 究 資 料 ， 之 後 再 進 行 材 料 力 學 試 驗 了 解 土 埆 本 身 及 小 型 土 埆 構 體 的 力 學 特 性 。 整 個 研 究 包 括 下 列 各 項 內 容 ：( 1 ) 傳 統 土 埆 構 造 破 壞 模 式 ， ( 2 ) 台 灣 各 地 土 埆 強 度 比 較 ， ( 3 ) 土 埆 牆 體 灰 縫 抗 剪 能 力 。 2 0 0 1 ， 張 嘉 祥 ， 【 2 】 ， 斗 砌 牆 的 薄 灰 縫 所 能 提 供 摩 擦 力 低 於 磚 牆 所 能 提 供 者 。 經 歷 風 化 或 剝 落 ， 斗 砌 牆 的 薄 灰 縫 即 產 生 縫 隙 ， 水 分 便 容 易 由 縫 隙 侵 入 ， 侵 蝕 牆 內 土 埆 ， 造 成 孔 隙 ， 直 到 土 埆 與 磚 的 界 面 鬆 脫 ， 此 時 若 牆 體 受 地 震 力 ， 則 因 牆 體 結 構 已 鬆 動 ， 抗 震 效 能 將 會 大 為 減 弱 。 斗 砌 牆 靜 止 狀 態 下 ， 由 磚 與 填 充 土 埆 共 同 承 受 屋 頂 與 上 方 牆 體 重 量 ， 受 壓 產 生 相 同 的 變 形 量 ， 由 於 斗 砌 牆 內 部 材 料 填 充 物 ， 不 容 易 從 外 面 看 出 損 壞 狀 況 ， 僅 能 從 掉 落 的 牆 外 磚 檢 視 牆 內 的 損 壞 狀 況 ， 破 壞 的 情 形 如 下 說 明 ： 若 牆 外 磚 受 挫 屈 破 壞 → 牆 體 重 量 瞬 間 傳 到 土 埆 ， 則 土 埆 亦 會 受 損 → 因 此 土 埆 部 分 在 地 震 時 受 到 相 當 程 度 擾 動 。 磚 造 建 築 物 一 般 採 屋 架 及 斜 屋 頂 ， 在 地 震 作 用 下 ， 屋 架 與 磚 牆 錨 固 常 常 發 生 破 壞 ， 屋 架 與 牆 體 間 之 錨 定 破 壞 大 致 又 可 分 為 下 列 兩 種 類 型 ：( 1 ) 錨 固 螺 栓 因 錨 固 長 度 不 足 ， 在 地 震 來 回 作 用 下 與 磚 牆 產 生 滑 移( S l i p p a g e ) ， 甚 至 抽 離 磚 牆 ， 導 致 屋 架 兩 端 高 度 不 一 ， 成 傾 斜 狀 態 。 本 文 探 討 九 二 一 及 一 ｏ 二 二 地 震 中 ， 對 於 歷 史 建 築 損 傷 ， 針 對 砌 體 構 造 進 行 分 析 ， 並 統 計 出 斗 砌 構 造 、 磚 造 、 斗 砌 構 造 的 損 傷 等 級 百 分 比 。
1 9 9 3 ， 曾 凱 翰 ， 【 3 】 ， 以 試 驗 方 法 研 究 磚 牆 之 基 本 力 學 性 質 。 以 變 角 度 磚 墩 抗 壓 試 驗 模 擬 磚 牆 之 等 值 斜 撐 ， 並 和 無 邊 界 柱 梁 之 足 尺 磚 牆 抗 壓 試 驗 作 比 較 ， 發 現 它 們 的 破 壞 過 程 和 特 徵 頗 為 吻 合 ； 故 定 出 磚 墩 彈 性 模 數 、 磚 墩 抗 壓 強 度 、 磚 牆 之 對 角 等 值 斜 撐 寬 度 與 磚 牆 彈 性 模 數 以 分 析 磚 牆 強 度 與 耐 震 行 為 。 2 0 0 2 ， 丘 上 嘉 ， 【 4 】 ， ( a ) 磚 牆 經 部 份 修 補 ， 灰 縫 可 能 低 於 原 始 強 度 ， 反 而 形 成 弱 點 ，( b ) 灰 縫 強 度 有 離 地 高 度 與 強 度 成 正 比 之 趨 向 。 2 0 0 2 年 ， 張 嘉 祥 、 王 貞 富 ， 【 5 】 ， 由 9 2 1 及 1 0 2 2 地 震 中 磚 造 歷 史 建 築 物 之 災 損 經 驗 探 討 不 同 類 型 磚 造 歷 史 建 築 物 之 損 害 模 式 ， 並 透 過 取 樣 試 驗 瞭 解 時 間 因 素 對 磚 塊 及 灰 漿 強 度 之 影 響 ， 最 後 以 試 驗 方 法 獲 得 磚 牆 在 面 內 剪 力 作 用 下 之 極 限 強 度 ， 迴 歸 分 析 後 提 出 磚 牆 極 限 強 度 的 建 議 公 式 。 2 0 0 4 年 ， J o r g e G U T I E R R E Z 【 6 】 。 敘 述 建 築 物 抗 震 之 基 本 原 則 為 ( 1 ) 、 選 擇 適 當 的 建 築 位 置 ( 2 ) 、 較 輕 建 築 物 重 量 ( 3 ) 、 較 高 的 施 工 品 質 及 適 當 的 保 護 材 料 ( 4 ) 、 適 當 的 結 構 系 統 ( 5 ) 、 規 則 的 建 築 形 式 ( 6 ) 、 隔 震 措 施 從 以 上 文 獻 本 研 究 可 以 了 解 ， 在 9 2 1 大 地 震 時 ， 對 於 台 灣 歷 史 建 築 進 行 的 調 查 研 究 中 ， 發 現 在 災 區 中 受 損 之 建 築 物 ， 在 構 造 上 ， 以 土 埆 構 造 建 築 受 損 最 為 嚴 重 ， 其 中 倒 塌 者 佔 2 2 % ， 遠 大 於 斗 砌 與 磚 造 之 9 % ， 由 此 可 知 斗 砌 在 抗 震 行 為 能 力 上 ， 界 於 土 埆 與 磚 造 建 築 之 間 。 國 外 相 關 文 獻 之 研 究 重 點 ， 大 部 份 著 眼 在 震 害 現 象 的 調 查 記 錄 ， 以 及 震 害 模 式 及 原 因 之 歸 納 ， 並 依 據 調 查 結 果 來 訂 定 震 害 等 級 ， 但 囿 於 地 域 性 及 構 造 方 式 不 同 ， 結 果 有 相 當 大 的 差 異 。 國 內 部 份 ， 日 治 時 期 之 研 究 偏 重 於 震 害 現 象 之 記 錄 ， 而 目 前 之 研 究 也 都 放 在 R C 建 築 方 面 ， 對 於 磚 造 歷 史 建 築 物 震 害 調 查 及 震 害 模 式 、 原 因 之 研 究 則 相 當 缺 乏 。 2 、 建 築 構 造 材 料 方 面 2 0 0 1 ， 邱 上 嘉 ， 【 4 】 ， 針 對 灰 縫 之 化 學 性 分 析 ， 包 括 酸 鹼 度 及 鈣 離 子 檢 測 ， 土 埆 磚 灰 縫 P H 值 平 均 7 . 2 3 ， 酸 鹼 度 範 圍 在 6 . 5 至 8 . 5 之 間 ； 而 利 用 偏 光 鏡 顯 微 觀 察 的 物 理 性 實 驗 較 不 適 用 於 成 分 為 砂 漿 及 有 機 質 的 土 埆 灰 縫 分 析 ， 此 研 究 算 是 以 較 微 觀 的 方 式 探 討 灰 縫 材 料 的 特 性 。 1 9 9 8 ， 張 國 梁 【 7 】 ， （ a ） 霧 峰 林 宅 土 埆 牆 之 修 復 方 式 ： 若 是 新 砌 牆 體 ， 鑒 於 壁 體 仍 處 外 乾 內 濕 狀 態 ， 為 避 免 牆 體 沉 陷 ， 便 於 下 半 段 牆 體 每 隔 二 層 土 埆 磚 加 一 層 尺 磚 ， 越 往 上 方 尺 磚 間 距 逐 漸 加 大 ， 上 半 段 便 不 再 加 尺 磚 ； 舊 有 牆 體 針 對 其 裂 縫 則 以 泥 漿 填 補 土 埆 磚 縫 隙 ， 乾 燥 後 於 壁 上 固 著 鐵 絲 網 （b ） 土 埆 磚 之 製 作 ：
使 用 稻 田 土 壤 ， 一 立 方 公 尺 土 量 加 入 約 5 0 台 斤 稻 草 ， 粗 糠 2 - 3 斤 ， 土 埆 製 作 完 成 陰 乾 4 5 天 後 使 用 ； （ c ） 土 埆 牆 疊 砌 施 作 方 法 ： 載 明 每 天 施 作 高 度 不 得 超 過 十 層 、 灰 縫 厚 約 1 . 5 至 2 公 分 ， 灰 縫 可 加 竹 篾 、 牆 體 需 經 5 個 月 的 時 間 乾 固 。 該 研 究 多 由 參 與 實 際 修 復 的 營 造 廠 或 匠 師 提 供 而 來 。 1 9 9 4 ， 徐 明 福 ， 【 8 】 ， 透 過 對 新 竹 新 埔 地 區 匠 師 訪 談 ， 了 解 土 埆 牆 （ 文 中 稱 「 泥 磚 牆 」 ） 與 版 築 土 牆 的 製 作 、 疊 砌 與 土 埆 尺 寸 。 文 中 說 明 一 般 土 埆 尺 寸 為 1 尺 2 寸 × 8 寸 × 3 至 4 寸 （ 約 3 6 ㎝ × 2 0 ㎝ × 8 至 1 ㎝ ） ， 土 埆 牆 一 天 約 可 疊 七 、 八 層 左 右 。 2 0 0 2 ， 邱 上 嘉 【 9 】 ， 研 究 說 明 ( a ) 磚 牆 經 部 分 修 補 ， 灰 縫 強 度 可 能 低 於 原 始 強 度 ， 反 而 形 成 弱 點 ，( b ) 灰 縫 強 度 有 離 地 高 度 與 強 度 成 正 比 之 趨 向 。 九 二 一 地 震 之 前 的 文 獻 ， 偏 向 質 性 研 究 ， 在 土 埆 建 築 的 營 建 經 驗 上 ， 從 土 埆 製 作 到 疊 砌 ， 人 言 人 殊 ； 九 二 一 地 震 後 ， 幾 個 針 對 土 埆 建 物 的 研 究 開 始 使 用 統 計 工 具 或 儀 器 檢 測 ， 進 行 科 學 化 之 研 究 ， 集 中 於 災 損 分 析 及 微 觀 的 物 理 化 學 性 質 探 討 。 2 0 0 3 ， 王 新 衡 【 1 0 】 ， 說 明 磚 砌 結 構 受 到 地 震 時 ， 大 致 上 可 以 分 為 兩 大 破 壞 機 制 ：( 1 ) 磚 材 介 面 拉 力 黏 結 破 壞 ； ( 2 ) 介 面 剪 力 滑 動 破 壞 。 2 0 0 2 ， 楊 敦 凱 【 1 1 】 ， 探 討 磚 材 介 面 拉 力 黏 結 試 驗 ， 以 同 一 批 磚 料 ， 由 糖 灰 漿( 紅 糖 加 石 灰 粉 ) 、 糖 灰 砂 漿 、 牡 蠣 粉 漿 、 牡 蠣 粉 砂 漿 等 四 種 配 比 ， 以 及 灰 縫 高 度 分 別 為 2 5 m m 、 5 m m 、 1 0 m m ， 分 析 年 齡 為 7 天 、 1 4 天 、 3 0 天 磚 材 介 面 之 拉 應 力 。 經 試 驗 分 析 結 果 顯 示 磚 材 介 面 之 拉 應 力 介 0 . 2 5 9 k g f / c m 2 ~ 1 . 0 4 9 k g f / c m 2 。 1 9 8 4 ， 陳 清 泉 、 高 健 章 、 蔡 益 超 、 陳 國 顯 【 1 2 】 ， 利 用 試 驗 方 法 探 討 彰 化 花 壇 地 區 生 產 之 磚 塊 、 砂 漿 及 磚 塊 與 砂 漿 介 面 黏 結 強 度 之 基 本 特 性 。 2 0 0 3 ， A b d o l h o s s e i n FA L L A H I 等 人 【 1 3 】 ， 調 查 2 0 0 2 年 6 月 伊 朗 地 震 建 築 物 破 壞 情 形 ， 並 用 一 棟 總 高 2 . 9 公 尺 ， 下 部 0 . 8 公 尺 為 石 牆 ， 上 部 2 . 1 公 尺 為 土 埆 之 土 埆 厝 之 現 場 微 振 動 試 驗 ， 利 用 傅 立 葉 轉 換 求 出 該 棟 土 埆 厝 自 然 頻 率 為 0 . 2 秒 ， 阻 尼 比 為 0 . 0 3 。
四、研究方法 本文之研究方法，簡述於下： 經 由 上 述 參 考 文 獻 ， 首 先 探 討 土 埆 在 遭 受 不 同 程 度 風 化 破 壞 後 ， 以 及 內 部 添 充 物 的 多 寡 ， 對 於 整 體 斗 砌 牆 在 抗 震 上 的 能 力 是 否 受 到 相 當 程 度 的 影 響 。 其 次 探 討 台 灣 傳 統 建 築 在 結 構 系 統 配 置 方 法 、 破 壞 模 式 ， 並 透 過 一 連 串 的 實 驗 規 劃 ， 收 集 震 害 資 料 。 接 著 由 於 斗 砌 牆 主 要 組 成 為 磚 、 灰 縫 、 土 埆 ， 因 此 三 者 關 係 密 切 ， 往 往 可 能 因 為 某 一 條 件 不 足 ， 造 成 連 鎖 反 應 ， 因 此 透 過 文 獻 對 於 三 者 的 基 本 性 質 研 究 來 了 解 三 者 耐 震 分 析 行 為 方 式 ， 以 建 立 可 能 耐 震 計 算 方 法 ， 對 應 現 地 實 驗 的 數 值 進 行 比 較 對 照 。 本 研 究 首 先 必 須 對 於 斗 砌 牆 的 抗 剪 能 力 事 先 估 算 ， 以 配 合 反 力 構 架 設 計 ， 設 計 相 關 配 套 實 驗 機 具 ， 並 供 現 地 斗 砌 牆 進 行 擬 靜 態 耐 震 試 驗 。 本 研 究 最 後 成 果 經 由 回 饋 反 力 量 測 及 位 移 量 測 ， 求 取 斗 砌 牆 的 應 力 應 變 圖 反 應 ， 並 分 析 了 解 地 震 能 量 時 所 造 成 的 破 壞 行 為 及 狀 態 。 4 . 1 斗 砌 磚 牆 試體規劃 本 研 究 團 隊 為 了 解 古 蹟 及 歷 史 建 築 斗 砌 牆 體 的 力 學 行 為 ， 在 經 過 不 斷 的 努 力 尋 找 現 地 試 體 ， 最 後 很 幸 運 地 ， 透 過 擅 長 古 蹟 修 復 的 營 造 公 司 老 闆 曾 新 吉 先 生 的 幫 助 下 ， 於 台 南 縣 歸 仁 鄉 七 甲 村 找 到 一 處 保 存 相 當 完 善 的 民 間 斗 砌 磚 牆 古 厝 ， 由 於 屋 主 其 他 考 量 下 必 須 盡 快 拆 除 ， 也 讓 本 研 究 團 隊 有 機 會 可 以 取 得 相 關 試 驗 材 料 來 實 驗 ， 在 此 感 謝 曾 新 吉 先 生 和 周 氏 家 族 的 幫 助 ， 才 得 以 讓 本 研 究 順 利 進 行 。 根 據 該 屋 主 祖 譜 瞭 解 上 述 古 厝 於 大 正 參 年( 1 9 1 4 年 ) 建 造 ， 距 離 拆 除 時 間 2 0 0 5 年 已 有 9 1 年 的 歷 史 ， 但 是 保 存 相 當 完 善 ， 整 體 結 構 未 遭 受 損 傷 ， 由 外 觀 及 內 部 結 構 調 查 ， 該 古 厝 格 局 較 為 簡 單 ， 有 一 座 祠 堂 及 兩 個 左 右 護 龍 ， 建 造 順 序 最 早 為 右 護 龍 先 建 造 ， 再 來 為 祠 堂 ， 而 左 護 龍 可 能 因 為 稍 早 受 到 損 傷 曾 加 以 修 建 如 圖 4 - 1 ， 因 此 左 護 龍 牆 體 結 構 為 純 砌 磚 結 構 ， 並 非 如 祠 堂 及 右 護 龍 為 斗 砌 磚 牆 和 土 埆 構 造 如 圖 4 - 2 。
圖 4 - 1 左護龍採用全部砌磚方式 圖 4 - 2 右護龍與正殿為斗砌牆面 整 個 古 厝 建 築 方 式 主 要 分 為 斗 砌 及 土 埆 ， 斗 砌 砌 體 為 僅 砌 古 厝 正 面 大 廳 牆 體 ， 牆 體 離 地 2 公 尺 以 上 屋 頂 以 下 為 土 埆 （ 此 部 分 不 會 受 到 雨 淋 ， 因 此 採 用 比 較 便 宜 的 土 埆 ） ， 離 地 6 0 公 分 到 2 公 尺 中 間 為 斗 砌 （ 此 部 分 比 較 容 易 受 到 雨 淋 ， 採 用 斗 砌 面 磚 以 保 護 內 部 土 埆 ， 而 且 比 較 美 觀 ） ， 離 地 6 0 公 分 以 下 部 份 為 實 心 砌 卵 石 （ 此 部 分 最 容 易 受 到 雨 淋 ， 採 用 實 心 砌 卵 石 ） 如 圖 4 - 3 ， 該 古 厝 整 體 坐 落 位 置 為 座 東 朝 西 方 向 ， 附 近 之 近 斷 層 有 新 化 斷 層 為 東 西 走 向 、 後 甲 里 斷 層 南 北 走 向 偏 東 、 左 鎮 斷 層 南 北 走 向 偏 東 、 大 尖 山─ 觸 口 斷 層 南 北 走 向 偏 西 如 圖 4 - 4 、 圖 4 - 5 ， 該 古 厝 附 近 斷 層 帶 相 當 多 ， 但 歷 經 九 十 一 年 的 歷 史 ， 期 間 曾 發 生 大 大 小 小 地 震 ， 例 如 民 國 5 0 年 白 河 大 地 震 ， 8 7 年 嘉 義 地 震 ， 8 8 年 集 集 大 地 震 ， 整 體 結 構 依 然 保 存 相 當 完 善 。 圖 4 - 3 周家古厝斗砌表面 圖 4 - 4 周氏古厝位置 圖 4 - 5 古厝附近斷層帶 本 研 究 首 先 規 劃 ， 將 要 切 割 作 為 耐 震 試 驗 試 體 的 斗 砌 牆 部 份 ， 共 規 劃 六 個 不 同 位 置 的 斗 砌 牆 面 ， 位 置 如 圖 4 - 6 ， 規 劃 切 割 斗 砌 牆 尺 寸 高 1 0 0 c m * 寬 1 0 0 c m * 厚 3 4 c m ， 斗 砌 牆 構 造 ， 屬 於 面 外 為 磚 面 ， 面 內 為 土 埆 結 構 ， 每 三 個 磚 面 做 一 交 丁 設 計 ， 一 磚 高 可 以 裝 下 兩 塊 土 埆 ， 磚 的 重 量 為 3 k g ， 土 埆 的 重 量 為 每 塊 1 6 k g ， 依 實 驗 試 體 設 計 高 度 為 1 m * 1 m ， 總 重 量 為 5 1 6 k g ( 三 個 單 位 磚 面 為 1 1 塊 磚 ，6 個 土 埆 約 為 1 2 9 k g ， 估 計 一 個 試 體 有 四 排 ) ， 斗 砌 面 磚 尺 寸 為 3 4 * 2 2 * 3 c m ， 土 埆 尺 寸 3 2 * 2 7 * 1 2 c m
圖 4 - 6 斗砌牆切割編號及位置 實 驗 試 體 將 其 編 號 ， 如 表 4 - 1 。 表 4 - 1 實驗控制變數 試體編號 試體在建物位置 實驗變數 擾動情形 切割順序 DHWR 1 加載 204kg 最大 5 SLW-2 2 加載132kg 中 3 SHR 3 加載204kg 大 4 S0R 4 無加載重 最少 1 SLW-1 5 加載132kg 少 2 註： 1. D：雙邊不連續 S：單邊不連續 2. 0：無垂直載重 L：垂直載重 132kg H：垂直載重 204kg 3. W：靠窗戶 R：靠門邊 4 . 2 斗 砌 牆 之 耐 震 實驗裝置 本 研 究 規 劃 六 個 不 同 位 置 的 斗 砌 牆 面 試 體 ， 施 以 反 覆 且 漸 增 之 位 移 行 程 的 抗 剪 力 試 驗 ， 並 利 用 力 迴 饋 截 取 儀 、 位 移 計 及 應 變 計 量 取 斗 砌 牆 面 各 項 反 應 ， 以 探 討 不 同 參 數 之 各 試 體 之 遲 滯 圈 基 準 曲 線 、 韌 性 比 以 及 能 量 消 散 量 等 。 以 下 依 次 介 紹 實 驗 裝 置 各 項 主 要 組 件 ，包 括 反 力 構 架 ， 天 車 安 裝 ， 側 向 支 撐 架 ， 施 力 傳 遞 構 架 ， 動 態 伺 服 器 缸 ， 電 動 油 壓 機 ， 垂 直 加 載 設 備 反 力 構 架 ： 由 於 為 了 配 合 野 外 現 地 實 驗 工 作 ， 因 此 本 研 究 將 整 個 反 力 系 統 設 計 容 易 拆 卸 及 易 施 工 如 圖 4 - 7 1 DH WR 3 SHR 5 SLW -1 2 SLW -2 6 損壞 4 SOR
圖 4 - 7 實驗裝置示意圖 主 要 元 件 為 四 座 混 凝 土 基 礎 作 為 承 重 式 反 力 ， 如 圖 4 - 8 所 示 ， 反 力 鋼 樑 作 為 傳 遞 反 力 功 能 如 圖 4 - 9 ， 承 高 基 座 ， 提 高 千 斤 頂 置 於 試 體 可 施 力 的 高 度 如 圖 4 - 1 0 ， 千 斤 頂 與 反 力 構 架 連 接 基 座 如 圖 4 - 1 1 ，
圖 4 - 8 承重式反力基礎混凝土塊 圖 4 - 9 反力鋼樑 圖 4 - 1 0 承高基座 圖 4 - 1 1 千斤頂與反力構架連接基座 針 對 施 加 物 體 所 產 生 的 能 量 作 反 力 構 架 的 設 計 ， 在 文 獻 【 2 】 中 提 到 新 製 土 埆 剪 力 強 度 為 1 . 7 k g / c m 2 ， 若 以 此 估 算 本 實 驗 規 劃 試 體 ， 受 剪 淨 面 積 為 3 0 * 1 0 0 = 3 0 0 0 c m 2 ， 採 用 A S T M E 5 1 9 - 8 1 計 算 S s = P / A n S s = 淨 面 積 剪 力 強 度 （ k g / c m 2 ） P = 加 載 力 量 （ k g ） A n = 試 體 淨 面 積 （ k g / c m 2 ） 算 出 所 需 剪 力 能 量 為 5 1 0 0 k g 為 5 噸 ， 因 此 本 研 究 以 最 大 可 能 產 生 2 0 噸 反 力 能 量 設 計 千 斤 頂 ， 採 用 的 反 力 構 架 由 四 顆 混 凝 土 自 重 承 擔 ， 再 經 由 兩 支 鋼 樑 傳 遞 所 有 的 能 量 ， 而 為 了 方 便 組 裝 拆 卸 ， 所 有 的 連 接 系 統 都 採 用 高 拉 力 螺 栓 組 合 連 接 。 天 車 安 裝 本 論 文 之 試 驗 因 試 驗 場 地 及 設 備 限 制 ， 僅 能 允 許 使 用 吊 重 3 噸 之 吊 車 ， 故 必 須 先 行 計 算 重 製 土 埆 牆 總 重 量 ， 以 確 保 在 吊 裝 過 程 中 不 致 超 重 ， 發 生 試 體 掉 落 之 危 險 。 其 計 算 如 下 ： 根 據 文 獻[ 2 ] 對 典 型 的 土 埆 構 造 而 言 ， 土 埆 單 位 體 積 重 1 . 8 t / m 3所 以
W =γV =1.8×1.4×1×0.3 = 0 . 7 6 t < 2 . 8 t - - - O K 土 埆 的 重 量 為 每 塊 1 6 k g ， 依 實 驗 試 體 設 計 高 度 為 1 m * 1 m ， 總 重 量 為 5 1 6 k g ( 三 個 單 位 磚 面 為 1 1 塊 磚 ， 6 個 土 埆 約 為 1 2 9 k g ， 估 計 一 個 試 體 有 四 排) ， 斗 砌 面 磚 尺 寸 為 3 4 c m * 2 2 c m * 3 c m ， 土 埆 尺 寸 3 2 c m * 2 7 c m * 1 2 c m 因 此 斗 砌 牆 0 . 5 1 6 t < 2 . 8 t - - - O K 側 向 支 撐 架 為 了 讓 剪 力 實 驗 降 低 側 向 位 移 ， 因 此 本 研 究 設 計 側 向 支 撐 架 ， 採 用 鋼 樑 框 架 支 撐 ， 如 圖 4 - 1 2 圖 4 - 1 2 側向支撐架完成 圖 4 - 1 3 施力傳遞構架設計圖 施 力 傳 遞 構 架 為 了 讓 試 體 均 勻 承 受 千 斤 頂 施 加 的 剪 力 能 量 ， 本 研 究 設 計 一 套 可 以 拆 卸 式 的 施 力 傳 遞 構 架 鋼 構 架 如 圖 4 - 1 3 動 態 伺 服 器 缸 本 研 究 之 動 態 伺 服 器 缸 乃 採 用 弘 達 儀 器 股 份 有 限 公 司( H U N G T A I N S T R U M E N T C O , L T D ) 製 造 。 其 儀 器 型 號 為 H T - 2 1 1 0 D y n a m i c A c t u a t o r s 機 型 為 A - 2 0 0 ， 在 硬 體 部 分 最 大 推 力 為 2 0 噸 ， 反 覆 作 用 距 離 為 ± 1 1 0 m m ， 平 均 工 作 壓 力 2 1 0 k g / c m 2 。 本 試 驗 之 動 態 伺 服 器 控 制 系 統 共 分 為 位 移 控 制 系 統 、 力 回 饋 元 件 資 料 擷 取 系 統 。 在 安 裝 伺 服 器 油 壓 缸 控 制 系 統 上 分 三 個 主 要 訊 號 連 接 線 ， 一 為 荷 重 計 （l o a d c e l l ） ， 位 移 控 制 器 ， L V D T 電 腦 控 制 器 。 電 動 油 壓 機
馬 達 標 稱 能 力 為 5 0 匹 馬 力 ， 電 壓 為 3 8 0 伏 特 ， 電 流 為 7 7 安 培 ， 以 高 壓 軟 管 連 接 千 斤 頂 ， 提 供 所 需 之 油 壓 ， 並 經 由 高 壓 軟 管 將 油 送 至 千 斤 頂 中 ， 藉 方 向 閥 控 制 出 油 方 向 及 施 力 大 小 ， 作 為 施 加 壓 力 與 拉 力 之 油 路 控 制 。 垂 直 加 載 設 備 由 於 設 備 不 足 ， 因 此 我 們 採 用 混 凝 土 試 體 ( 每 個 大 約 為 1 2 k g ) 作 為 垂 直 加 載 設 施 ， 經 由 設 計 的 鐵 框 固 定 混 凝 土 試 體 並 放 置 於 試 體 上 方 最 為 垂 直 加 載 變 數 4 . 3 實 驗 過 程 本 研 究 計 劃 之 前 置 作 業 重 點 ， 主 要 在 不 斷 的 分 析 及 實 驗 單 元 構 件 ， 期 望 能 評 估 出 有 效 的 反 力 構 件 及 動 態 伺 服 器 缸 的 出 力 能 量 ， 由 於 斗 砌 磚 牆 遺 址 得 來 不 易 ， 在 整 體 斗 砌 磚 牆 試 體 安 裝 上 必 須 格 外 小 心 ， 其 動 態 伺 服 器 缸 安 裝 操 作 程 序 如 下 ： 1 . 清 點 試 驗 時 所 需 使 用 的 周 邊 工 具 ， 如 扳 手 、 手 套 等 。 2 . 裝 設 控 制 電 腦 ， 包 括 訊 號 轉 換 及 微 調 控 制 器 。 3 . 連 接 訊 號 轉 換 器 和 伺 服 閥 、 L V D T 、 荷 重 計 之 間 的 資 料 傳 輸 線 ， 過 程 中 注 意 所 連 接 的 位 置 是 否 正 確 。 4 . 打 開 控 制 電 腦 並 開 啟 控 制 軟 體 ， 先 將 位 移 及 力 量 歸 零 ； 打 開 訊 號 轉 換 器 之 電 源 ， 並 把 千 斤 頂 之 控 制 權 切 換 至 電 腦 控 制 ， 由 千 斤 頂 在 每 次 做 完 實 驗 時 都 務 必 歸 回 中 心 位 置 ±1 1 0 m m 處 ， 否 則 在 開 機 時 即 可 能 產 生 暴 衝 現 象 讓 試 體 受 損 ， 為 了 避 免 此 情 況 發 生 將 開 機 程 序 作 成 流 程 圖 ， 如 圖 4 - 1 4 可 避 免 此 情 況 發 生 。
圖 4 - 1 4 實驗操作程序流 程 圖 5 . 開 啟 油 壓 機 系 統 ， 此 時 注 意 開 機 順 序 ， 並 且 於 油 壓 機 打 開 後 檢 查 連 接 致 動 器 的 油 管 是 否 有 漏 油 現 象 。 6 . 操 作 電 腦 控 制 軟 體 ， 設 定 所 要 測 試 的 波 型 、 頻 率 、 振 幅 ， 以 及 要 測 試 的 次 數 ， 並 且 設 定 存 檔 路 徑 ， 最 後 再 次 將 力 量 及 位 移 歸 零 ， 按 下 測 試 鈕 開 始 測 試 ， 過 程 中 注 意 不 要 讓 阻 尼 器 溫 度 上 升 。 7 . 依 所 要 測 試 頻 率 或 振 幅 等 變 因 的 不 同 ， 反 覆 設 定 ， 執 行 步 驟 6 。 8 . 待 所 有 試 驗 完 成 後 ， 先 以 控 制 軟 體 將 致 動 器 移 至 適 當 位 置 ， 關 閉 油 壓 機 。 9 . 關 閉 控 制 電 腦 及 訊 號 轉 換 器 ， 拆 下 資 料 傳 輸 線 ， 最 後 收 拾 電 腦 ， 清 理 場 地 。
五、結果與討論（含結論與建議） 5.1 實驗結果 本實驗試體如表4-1，各試體試驗後之遲滯廻圈曲線圖如圖 5-1 所示，各試體試驗後之荷 重-旋轉角圖如圖 5-2 所示。 SOR 遲滯廻圈圖 SLW-1 遲滯廻圈圖 SLW-2 遲滯廻圈圖 SHR 遲滯廻圈圖
DHWR 遲滯廻圈圖 圖 5 - 1 實驗各試體之遲滯廻圈曲線圖 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 -0.050 -0.040 -0.030 -0.020 -0.010 0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 Roation L ate ra l L oa d( kg ) Pu Py Pcr 無害 小害 中害 大害 0.85Pu SOR 荷重-旋轉角圖 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 -0.050 -0.040 -0.030 -0.020 -0.010 0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 Roation L ate ra l L oa d( kg ) Pu Py Pcr 無害 小害 中害 大害 0.85Pu SLW-1 荷重-旋轉角圖
-500.00 -400.00 -300.00 -200.00 -100.00 0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 -0.050 -0.040 -0.030 -0.020 -0.010 0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 Roation Lateral Load( kg) Pu Py Pcr 無害 小害 中害 大害 0.85Pu SLW-2 荷重-旋轉角圖 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 -0.050 -0.040 -0.030 -0.020 -0.010 0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 Roation L ate ra l L oa d( kg ) Pu Py Pc 無害 小害 中害 大害 0 85P SHR 荷重-旋轉角圖 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 -0.050 -0.040 -0.030 -0.020 -0.010 0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 Roation L ate ra l L oa d( kg ) Pu Py Pc 無害 小害 中害 大害 0.85Pu DHWR 荷重-旋轉角圖 圖 5 - 2 實驗各試體之荷重-旋轉角圖 5 . 2 試 驗 結 果 討 論
將 試 驗 分 為 四 個 受 載 階 段 ， 如 表 5 - 1 所 示 ， 各 試 體 試 驗 過 程 分 為 四 個 受 載 階 段 荷 重 值 。 如 表 5 - 2 所 示 連 續 加 載 不 同 位 移 對 應 之 荷 重 與 滯 廻 能 。 如 表 5 - 3 所 示 為 各 試 體 剪 力 強 度
表 5 - 1 各試體各破壞等級荷重範圍 試體 破壞行為 位移(mm) 荷重(kg) 破壞等級 - 0 - Pcr 14 233 無害 Pcr 14 233 Py 20 296 小害 Py 20 296 Pu 34 355 中害 Pu 34 355 SOR 0.85Pu 48 269 大害 試體 破壞行為 位移(mm) 荷重(kg) 破壞等級 - 0 - Pcr 18 216 無害 Pcr 18 216 Py 30 341 小害 Py 30 341 Pu 40 416 中害 Pu 40 416 SLW-1 0.85Pu 48 358 大害 試體 破壞行為 位移(mm) 荷重(kg) 破壞等級 - 0 - Pcr 14 240 無害 Pcr 14 240 Py 28 313 小害 Py 28 313 Pu 40 381 中害 Pu 40 381 SLW-2 0.85Pu 48 324 大害 試體 破壞行為 位移(mm) 荷重(kg) 破壞等級 - 0 - Pcr 18 220 無害 Pcr 18 220 Py 30 251 小害 Py 30 251 Pu 40 279 中害 Pu 40 279 SHR 0.85Pu 48 233 大害 試體 破壞行為 位移(mm) 荷重(kg) 破壞等級 - 0 - Pcr 14 163 無害 Pcr 14 163 Py 30 264 小害 Py 30 264 Pu 38 284 中害 Pu 38 284 DHWR 0.85Pu 48 249 大害 以 下 本 報 告 將 每 個 試 體 中 分 別 以 現 場 實 驗 照 片 及 破 裂 示 意 圖 加 以 說 明 ， 在 破 裂 示 意 圖 中 ， 本 研 究 計 劃 以 ━ 實 線 表 示 該 位 移 時 所 產 生 新 的 裂 縫 ， 而- - - 虛 線 表
示 上 個 位 移 所 殘 留 之 裂 縫 ， □ 網 線 表 示 該 面 磚 已 脫 離 試 體 可 能 會 掉 落 情 形 ，7 實 線 打 叉 表 示 為 面 磚 在 該 位 移 時 已 脫 落 ，6 虛 線 打 叉 表 示 為 面 磚 在 上 個 位 移 脫 落 所 殘 留 位 置 。 兹 以 S O R 試 體 為 例 說 明 如 下 ： P c r 開 裂 強 度 ： 在 1 4 m m 位 移 產 生 第 一 條 裂 縫 ， 如 圖 5 - 1 ( a ) ， 荷 重 為 2 3 3 k g P y 降 伏 強 度 ： 在 2 0 m m 位 移 ， 水 平 及 垂 直 裂 縫 持 續 產 生 ， 並 且 左 右 兩 邊 都 有 裂 縫 ， 如 圖 5 - 1 ( b ) ， 荷 重 2 9 6 k g ， 裂 縫 發 生 順 序 ， 由 角 隅 向 中 央 部 份 依 序 發 生 P u 極 限 強 度 ： 在 3 4 m m 位 移 ， 試 體 整 上 下 裂 縫 左 右 裂 縫 即 將 貫 穿 ， 如 圖 5 - 1 ( c ) ， 荷 重 3 5 5 k g ， 此 後 斗 砌 面 磚 鬆 動 ， 整 體 抗 剪 能 力 漸 漸 降 低 8 5 P u 完 全 破 壞 點 ： 在 4 8 m m 位 移 試 體 面 磚 掉 落 ， 且 超 過 1 / 2 ， 試 體 完 全 變 形 ， 如 圖 5 - 1 ( d ) ， 荷 重 為 2 6 9 k g 。 圖 5 - 1 ( a ) SOR 在 14mm 正面破壞情形 圖 5 - 1 ( b ) SOR 在 20mm 正面破壞情形
圖 5 - 1 ( c ) SOR 在 34mm 正面破壞情形 圖 5 - 1 ( d ) SOR 在 48mm 正面破壞情形 依 照 上 述 試 驗 破 壞 現 象 ， 可 以 區 分 為 四 階 段 無 害 ： 從 1 0 m m 位 移 至 1 4 m m 位 移 並 沒 有 產 生 任 何 裂 縫 小 害 ： 主 要 分 佈 在 1 4 m m 位 移 至 2 0 m m 位 移 ， 當 裂 縫 開 始 產 生 第 一 條 裂 縫 如 圖 5 - 1 ( a ) 便 進 入 小 害 ， 當 裂 縫 持 續 增 加 到 2 0 m m 位 移 時 如 圖 5 - 1 ( b ) ， 左 右 兩 邊 都 有 產 生 裂 縫 時 便 進 入 中 害 程 度 。 中 害 ： 分 佈 從 2 0 m m 位 移 至 3 4 m m 位 移 ， 中 害 程 度 從 2 0 m m 位 移 開 始 ， 在 3 4 m m 位 移 的 極 限 強 度 中 看 出 如 圖 5 - 1 ( c ) 豎 向 裂 縫 與 橫 向 裂 縫 都 相 當 多 ， 從 圖 示 5 - 1 ( c ) 整 體 來 看 ， 可 以 看 到 整 個 試 體 橫 豎 向 裂 縫 ， 從 上 下 裂 開 快 連 接 在 一 起 ， 而 橫 向 也 是 左 右 裂 開 快 連 接 在 一 起 ， 並 且 也 產 生 面 磚 鬆 動 的 現 象 ， 此 時 便 開 始 進 入 大 害 階 段 。 大 害 到 完 全 破 壞 ： 在 大 害 中 ， 分 佈 從 3 4 m m 位 移 至 4 8 m m 位 移 裂 縫 持 續 擴 大 並 增 加 ， 這 之 間 面 磚 不 斷 的 錯 動 分 離 ， 如 圖 5 - 1 ( d ) 並 產 生 掉 落 的 現 象 ， 從 掉 落 的 面 磚 可 以 看 到 土 埆 破 裂 的 情 形 ， 當 破 壞 一 直 到 完 全 破 壞 點 4 8 m m 位 移 的 階 段 時 如 圖 5 - 1 ( d ) ， 面 磚 掉 落 超 過 1 / 3 ， 面 磚 鬆 動 情 形 超 過 1 / 2 ， 且 整 個 試 體 完 全 扭 曲 變 形 。 表 5 - 2 連續加載不同位移對應之荷重與滯廻能
試體編號 SOR SLW-1 SLW-2 位移 (mm) 荷重 (kg) 滯廻能 (kg-mm) 荷重 (kg) 滯廻能 (kg-mm) 荷重 (kg) 滯廻能(kg-mm) +10 204.04 240.05 176.04 -10 -200.59 1359.771 -242.37 1787.346 -177.83 1333.845 +14 233.05 240.05 240.05 -14 -229.6 2841.827 -242.37 2267.756 -241.84 2252.559 +18 281.06 216.05 236.05 -18 -277.61 4386.757 -218.37 3078.978 -239.84 2904.449 +20 296.06 290.06 236.05 -20 -292.61 5292.414 -292.38 4610.068 -232.84 3182.992 +24 307.07 312.07 295.06 -24 -303.62 7622.785 -314.39 6509.896 -296.85 4880.396 +28 336.07 333.07 313.07 -28 -332.62 9513.891 -335.39 8102.107 -314.86 7358.214 +30 352.08 341.68 330.08 -30 -348.63 10774.84 -344 9374.434 -331.87 8978.279 +34 355.08 341.68 342.3 -34 -351.63 13324.55 -344 10737.78 -344.09 10737.78 +38 350.08 360.08 363.45 -38 -346.63 15676.39 -362.4 11332.38 -365.24 11956.05 +40 350.08 416.89 381.68 -40 -346.63 16777.23 -419.21 13174.62 -383.47 12455.91 +44 339.07 396.5 340.59 -44 -335.62 18828.95 -398.82 13764.81 -342.38 14272.56 +48 269.06 358.54 324.63 -48 -265.61 22643.86 -360.86 14165.13 -326.42 14385.23
表 5 - 2 連續加載不同位移對應之荷重與滯廻能（續） 試體編號 SHR DHWR 位移 (mm) 荷重 (kg) 滯廻能 (kg-mm) 荷重 (kg) 滯廻能 (kg-mm) +10 200.04 144.03 -10 -194.72 1810.967 -138.71 2030.103 +14 194.04 163.04 -14 -200.26 2749.839 -169.26 2483.070 +18 220.05 201.04 -18 -214.73 3984.084 -195.72 3883.863 +20 219.05 239.05 -20 -225.27 4239.47 -245.27 4837.729 +24 242.05 230.05 -24 -236.73 5903.678 -224.73 5331.576 +28 242.02 248.05 -28 -248.24 7229.357 -254.27 7263.738 +30 251.77 264.82 -30 -246.45 8266.591 -259.50 8238.064 +34 264.02 276.04 -34 -270.24 9457.011 -282.26 9428.899 +38 279.16 284.65 -38 -273.84 10600.25 -279.33 10562.370 +40 279.26 268.23 -40 -285.48 10666 -274.45 12698.000 +44 253.50 272.86 -44 -248.18 12668.92 -267.54 12256.310 +48 233.07 249.87 -48 -239.29 14223.17 -256.09 14412.730
表 5 - 3 試體剪力強度 試體變數 加載極限強度(kg) 極限強度變位(cm) 剪力強度(kg/cm22) SOR 未加載重 355.08 3.4 0.118 SLW-1 加132kg 381.68 4 0.127 SLW-2 加132kg 416.89 4 0.139 SHR 加204kg 279.26 4 0.093 DHWR 加204kg 284.65 3.8 0.095 本 研 究 計 劃 針 對 斗 砌 牆 五 個 試 體 之 耐 震 實 驗 ， 可 以 得 到 以 下 比 較 結 果 ： 就 試 體 變 數 而 言 ， 主 要 控 制 變 因 有 擾 動 情 況 與 拆 除 先 後 序 相 關 ， 及 垂 直 加 載 兩 個 變 因 ； 分 別 將 其 對 實 驗 結 果 之 影 響 說 明 。 ○1 控 制 變 因 拆 除 順 序 ； 由 表 4 - 1 知 ， 試 體 編 號 4 是 第 一 個 切 割 下 來 的 試 片 ， 亦 即 編 號 S O R 試 體 ， 切 割 時 屋 頂 及 整 片 牆 皆 是 在 完 整 狀 態 下 ， 也 因 此 擾 動 最 少 ， 相 對 的 試 體 編 號 5 ( 也 就 是 S L W - 1 ) ， 必 定 承 擔 S O R 移 除 時 轉 移 的 屋 頂 荷 重 ( 應 力 重 分 配) ， 因 此 就 擾 動 情 況 而 言 S L W - 1 試 體 擾 動 情 況 必 定 較 S O R 嚴 重 ； 同 樣 情 形 發 生 在 S L W - 2 與 S H R 試 體 上 ， 故 就 擾 動 嚴 重 性 而 言 ， 擾 動 大 小 順 序 如 下 所 示 ： S O R ＜ S L W - 1 ＜ S L W - 2 ＜ S H R ＜ D H W R 再 觀 察 圖 5 - 2 可 得 重 大 發 現 ， 即 各 試 體 位 移 量 相 對 應 之 滯 廻 耗 能 量 與 擾 動 情 況 有 相 當 比 例 關 係 ， 也 就 是 如 圖 所 示 ， 滯 廻 耗 能 量 之 關 係 如 下 ：S O R ＞ S L W - 1 ≒ S L W - 2 ＞ S H R ≒ D H W R 0 5000 10000 15000 20000 25000 0 10 20 30 40 50 60 位移(mm) 滯廻 耗能( kg -m m ) SOR SLW-1 SLW-2 SHR DHWR 圖 5 - 2 五組試體位移-滯廻耗能分析比較圖
-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 -0.050 -0.040 -0.030 -0.020 -0.010 0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 Roation L ate ra l L oa d( kg ) SOR SLW-1 SLW-2 SHR DHWR 圖 5 - 3 五組試體荷重-旋轉角分析比較圖 ○2 由 圖 5 - 2 、 5 - 3 觀 察 得 知 ， 本 試 驗 之 垂 直 加 載 對 於 抗 剪 能 力 及 滯 廻 耗 能 有 不 利 之 影 響 ， 但 影 響 程 度 不 是 很 明 顯 ， 原 因 可 能 是 垂 直 加 載 設 備 不 足 ， 載 重 量 不 夠 大 所 致 。 試 體 表 面 的 裂 縫 走 向 為 觀 測 斗 砌 牆 破 壞 階 段 的 重 要 因 素 ， 從 所 有 試 體 各 位 移 相 對 破 壞 情 形 ； 破 壞 示 意 圖 及 荷 重 旋 轉 圖 比 對 ， 可 以 將 斗 砌 牆 破 壞 分 4 個 階 段 如 下 ， 整 理 成 附 表 5 - 4 損 壞 分 類 圖 ： ○1 在 0 . 0 1 5 旋 轉 角 ( 1 5 m m 位 移 ) 前 幾 乎 沒 有 裂 縫 為 無 害 。 ○2 0 . 0 1 5 ~ 0 . 0 3 ( 1 5 m m ~ 3 0 m m ) 為 小 害 。 ○3 當 表 面 呈 現 4 5 度 角 的 梯 型 裂 縫 或 是 上 下 左 右 有 裂 縫 連 接 走 向 時 ， 便 為 進 入 中 害 階 段 ， 此 時 的 斗 砌 牆 依 然 具 有 抗 剪 能 力 ， 從 小 害 到 中 害 的 旋 轉 角 ， 五 個 試 體 範 圍 在 0 . 0 0 1 4 ~ 0 . 0 0 4 0 之 間 。 ○4 當 面 磚 沿 著 梯 形 裂 縫 產 生 掉 落 或 鬆 動 ， 此 時 斗 砌 牆 進 入 大 害 階 段 ， 此 階 段 斗 砌 牆 抗 剪 能 力 較 差 ， 主 要 是 因 為 面 磚 有 較 高 強 度 的 剛 性 ， 當 面 磚 掉 落 後 ， 其 他 部 位 也 會 因 為 該 處 面 磚 掉 落 ， 砌 牆 單 元 便 會 產 生 連 鎖 反 應 也 跟 著 掉 落 ， 而 斗 砌 牆 面 會 因 為 該 部 位 的 面 磚 掉 落 ， 產 生 能 量 集 中 情 形 ， 該 部 位 內 部 土 埆 便 很 容 易 破 壞 ， 在 此 時 所 破 壞 的 情 形 會 因 此 加 快 ， 旋 轉 角 在 0 . 0 0 3 4 ~ 0 . 0 0 4 8 之 間 。
表 5 - 4 損壞分類圖 損壞 分類 損壞說明 損壞旋 轉角 損壞示意圖 (實線表示新的裂縫，虛線表示殘留之裂 縫，網線表示該面磚鬆脫，打叉表面磚 掉落) 無害 砌體無產生裂縫情形 0~0.015 中小 害 1. 試體整上下裂縫左右裂縫即 將貫穿，斗砌面磚鬆動 2. 試體橫豎向裂縫，從上下裂 開快連接在一起，而橫向也是 左右裂開快連接在一起，並且 也產生面磚鬆動的現象 3. 裂縫呈梯形型裂開，在梯自 裂開面積的面磚全部鬆動，並 且開始有傾斜錯動的現象 4. 底部面磚完鬆動，而中間裂 縫從上到下貫穿試體 0.0014~ 0.0040 SOR在34mm產生破壞 SLW-1在40mm產生破壞 SLW-2在40mm產生破壞 SHR在40mm產生破壞 DHWR在38mm產生破壞 大害 1. 面磚掉落超過1/3，面磚鬆動 情形超過1/2，且整個試體完全 扭曲變形。 2. 面磚不斷的錯動分離，面磚 鬆動呈梯字型，並且兩塊面磚 掉落。 3. 面磚產生崩落情形，並傾斜 0.0034~ 0.0048 SOR在48mm產生破壞
狀態 4. 面磚往外傾出，底層幾乎變 形 5. 出面磚掉落，其他面磚無法 緊密接合，而試體有點呈現彎 曲變形 SLW-1在48mm產生破壞 SLW-2在48mm產生破壞 SHR在48mm產生破壞 DHWR在48mm產生破壞 5 . 3 試 驗 結 論 本 研 究 目 前 得 到 三 個 重 要 結 論 ： 斗 砌 牆 試 片 之 拆 除 擾 動 情 況 ， 對 於 耐 震 行 為 之 滯 廻 耗 能 有 不 利 影 響 。 垂 直 加 載 對 於 抗 剪 能 力 及 滯 廻 耗 能 有 不 利 之 影 響 ， 但 程 度 不 明 顯 。 依 斗 砌 牆 之 破 壞 及 裂 縫 及 斗 砌 面 磚 鬆 脫 剝 落 程 度 ， 整 理 成 附 表 5 - 4 損 壞 分 類 圖 ， 可 區 分 為 無 害 、 小 中 害 、 大 害 3 階 段 ， 以 提 供 往 後 斗 砌 牆 對 於 耐 震 行 為 初 步 評 估 參 考 。 六、參考文獻 1 . 周 柏 琳 ， 2 0 0 3 ， 台 灣 傳 統 建 築 土 埆 構 造 力 學 性 能 初 探 ， 國 立 成 功 大 學 建 築 研 究 所 ， 碩 士 論 文
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七、計畫成果自評 本 計 畫 研 究 內 容 與 原 計 畫 完 全 相 符 、 達 成 計 預 期 目 標 。 研 究 成 果 之 應 用 價 值 主 要 表 現 在 ， 本 研 究 目 前 得 到 三 個 重 要 結 論 ： 1 . 斗 砌 牆 試 片 之 拆 除 擾 動 情 況 ， 對 於 耐 震 行 為 之 滯 廻 耗 能 有 不 利 影 響 。 2 . 垂 直 加 載 對 於 抗 剪 能 力 及 滯 廻 耗 能 有 不 利 之 影 響 ， 但 程 度 不 明 顯 。 3 . 依 斗 砌 牆 之 破 壞 及 裂 縫 及 斗 砌 面 磚 鬆 脫 剝 落 程 度 ， 整 理 成 附 表 5 - 4 損 壞 分 類 圖 ， 可 區 分 為 無 害 、 小 中 害 、 大 害 3 階 段 ， 以 提 供 往 後 斗 砌 牆 對 於 耐 震 行 為 初 步 評 估 參 考 。 本 計 畫 研 究 內 容 與 本 研 究 目 前 得 到 三 個 重 要 結 論 經 後 續 整 理 成 文 章 適 合 在 學 術 期 刊 發 表 。
可供推廣之研發成果資料表
■ 可申請專利 ■ 可技術移轉 日期：94 年 10 月 31 日國科會補助計畫
計畫名稱：古蹟建築斗砌牆體耐震及補強研究（I） 計畫主持人：彭生富 高雄應用科技大學土木工程學系 計畫編號：NSC 93-2625-Z-151-001 學門領域：土木工程學門技術/創作名稱
古蹟建築斗砌牆體耐震能力初估方法發明人/創作人
彭生富 中文： 依斗砌牆之破壞及裂縫及斗砌面磚鬆脫剝落程度，整理成附表 5-4 損壞分類圖，可區分為無害、小中害、大害 3 階段，以提供往後斗 砌牆對於耐震行為初步評估參考。技術說明
英文：Table 5.4 could be used to develop the seismic assessment method and efficient retrofit methods for heritage and
historical buildings made of Brick Adobe Sandwich Wall.
