木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立
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(2) PG9601-0577 096301070000G1002. 木構造古蹟與歷史建築 修復用新木料擇用基準之建立. 受委託者：中華民國建築學會 研究主持人：蔡明哲 共同主持人：林振榮 研. 究. 員：王松永. 研 究 助 理：謝耀明. 內政部建築研究所委託研究報告 中華民國 96 年 12 月.
(3) 目次. 目次 表次‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧III 圖次 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧V 摘要‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧VII 第一章 緒論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧1 第一節 研究緣起與背景 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧1 第二節 研究目的 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧2 第二章 文獻回顧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧3 第三章 修復用新木料分等之評估方法‧‧‧‧‧‧‧‧‧7 第一節 實驗材料 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧7 第二節 實驗方法 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧7 第四章 實驗結果與討論. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧15. 第一節 圓木分等實驗結果 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧15 第二節 製材品分等實驗結果 ‧‧‧‧‧‧‧‧22 第五章 內政部建築研究所前四年的研究架構及說明‧‧43 第一節 建研所四年來的研究架構及說明 ‧‧‧43 第二節 建研所四年來的研究具體結果 ‧‧‧‧45 第三節 木構造古蹟與歷史建築物生物劣化之診斷 與防治 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧47 第六章 結論與建議 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧59 第一節 結論 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧59 第二節 建議 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧59 I.
(4) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立. 附錄一 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧61 附錄二 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧63 附錄三 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧67 參考書目 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧69.
(5) 表次. 表次 表 3-1 福杉圓木與製材品目視分等與力學試驗規劃表‧‧8 表 3-2 Delmhorst RDM-2S 含水率計儀器規格表‧‧‧‧‧9 表 3-3 Sylvatest Duo 超音波檢定儀儀器規格表‧‧‧‧11 表 4-1 四種超音波法檢測杉木圓木的超音波速度及動彈性 模數鄧肯多變域分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧16 表 4-2 表面法與其它三種檢測法測定動彈性模數之間的迴 歸(Y = AX +B)統計結果 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧16 表 4-3 四種試材的超音波速度及動彈性模數鄧肯多變域分 析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧17 表 4-4 超音波法檢測圓木與其它三種試材所得動彈性模數 之間的迴歸(Y = AX +B)統計結果 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧17 表 4-5 應力波法檢測圓木與其它三種試材所得動彈性模數 之間的迴歸(Y = AX +B)統計結果 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧18 表 4-6 超音波法及應力波兩種檢測法相關性的直線迴歸 式‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧18 表 4-7 三種試材的抗彎彈性模數及抗彎強度‧‧‧‧ ‧19 表 4-8 動彈性模數與抗彎彈性模數、抗彎強度間的相關性 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 20 表 4-9 原木不同品等間的動彈性模數‧‧‧‧‧‧‧‧ 20 表 4-10 角材不同品等間的動彈性模數與抗彎彈性模數 ‧21 表 4-11 實大樑不同品等間的動彈性模數與抗彎彈性模 數、抗彎強度‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧21 表 4-12 小試材不同品等間的動彈性模數與抗彎彈性模 數、抗彎強度‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧22 表 4-13 中國國家標準 CNS 14630 針葉樹結構用製材分等標 準‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧23 表 4-14 中國國家標準 CNS 14631 框組壁工法結構用製材分 等標準(甲種框組材) ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 23 表 4-15 CNS14630 目視分等結果‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧27 表 4-16 CNS14631 目視分等結果‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧28 表 4-17 密度與彈性模數之相關式 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧30 III.
(6) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立. 表 4-18 機械應力分等等級 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧34 表 4-19 CNS444 造林木針葉樹製材分等標準(割材類) ‧ 35 表 4-20 不同等級木材之氣乾密度、超音波速度、動彈性模 數、抗彎彈性模數及抗彎強度‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧36 表 4-21 2 by 4 製材品不同材質特性之間的直線迴歸的結果 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 37 表 4-22 不同等級木材之氣乾密度、動彈性模數、抗彎彈性 模數及抗彎強度‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧38 表 4-23 2 by 4 製材品不同材質特性之間的直線迴歸的結果 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 39 表 4-24 不同等級杉木之氣乾密度、動彈性模數、抗彎彈性 模數及抗彎強度‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧40 表 4-25 杉木薄片製材品不同材質特性之間的直線迴歸的結 果‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧41 表 5-1 明清時期台灣傳統木構建築大木構件所使用木料種 類‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧47 表 5-2 白蟻偵測儀（AED-2000）之特性‧‧‧‧‧‧‧‧51 表 5-3 白蟻偵測儀 AED-2000 偵測結果（舉例說明） ‧‧‧53. IV.
(7) 圖次. 圖次 圖 3-1 圖 3-2 圖 3-3 圖 3-4 圖 4-1 圖 4-2 圖 4-3 圖 4-4 圖 4-5 圖 4-6 圖 4-7 圖 4-8 圖 5-1 圖 5-2 圖 5-3 圖 5-4. Delmhorst RDM-2S 含水率計現況圖‧‧‧‧‧‧‧9 Sylvatest Duo 超音波檢定儀‧‧‧‧‧‧‧‧‧11 Sylvatest Duo 超音波檢測試材圖‧‧‧‧‧‧‧12 萬能強度試驗機以及資料記錄器‧‧‧‧‧‧‧‧14 2 by 6 杉木製材品之彈性模數分佈圖‧‧‧‧‧25 2 by 8 杉木製材品之彈性模數分佈圖‧‧‧‧‧26 依 CNS 14630 分等所得各等級材之頻率分佈圖‧‧29 依 CNS 14631 分等所得各等級材之頻率分佈圖‧‧29 超音波速與抗彎彈性模數之關係‧‧‧‧‧‧‧‧31 超音波動彈性模數與抗彎彈性模數之關係‧‧‧‧32 打音音速與抗彎彈性模數之關係‧‧‧‧‧‧‧‧33 打音動彈性模數與抗彎彈性模數之關係‧‧‧‧‧33 白蟻檢測流程圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧50 AED-2000 液晶式低頻偵測 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧52 廟內活體白蟻數量龐大 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧53 另一處廟內的活體白蟻 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧53. V.
(8) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立. VI.
(9) 摘要. 摘. 要. 關鍵詞：古蹟建築、目視分等、應力分等、非破壞性技術 一、研究緣起 國內古蹟在抽換舊料之後採用新木料時，由於木材大多採用台灣栽植的 人工造林木福杉，但其耐腐性與力學性質較差，另外，國內修復用的新木料 擇用根據，一般採用匠師之主觀意見或目視分等，不僅缺乏使用木料之應力 分等，且非常困擾木構造古蹟修復之設計者，同時，過去整理之木料的物理 與力學性質大多為天然林木之性質。因此有必要以非破壞性技術進行應力分 等並編製實用應力分等表，以做為未來古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基 準重要參據。本計畫主要對台灣人工造林木福杉原木及製材品進行「目視分 等」、「非破壞應力分等」及「破壞應力分等」試驗，並探討分析這三者間的 關係，並編製台灣人工造林木福杉原木及製材品之實用應力分等表，以提供 未來古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準，提昇古蹟與歷史建築修復之品 質。. 二、研究方法及過程. 本試驗選取福州杉圓木、角材及不同尺寸製材品，依據中國國家標準(CNS) 進行目視分等、非破壞性技術評估及破壞性試驗，結果得知圓木、角材及不同尺 寸製材品的各種強度特性，在目視等級之間均無顯著性差異存在，因此目視分等 的等級材不若機械分等精確。非破壞性技術評估及破壞性試驗中，動彈性模數與 抗彎彈性模數、破壞強度之間，有顯著性正相關性存在，並可由直線迴歸式代表， 超音波、應力波法、打音法、振動法皆具有一定的評估效果，但是以打音法及振 動法的動彈性模數會有較佳的預測水準。由非破壞性技術評估及破壞性試驗綜合 結果中，將應力分等依據 CNS14630 的機械等級區分標準，抗彎彈性模數等級為 E50 (>40000, <60000 kgf/cm2)、E70 (>60000, <80000 kgf/cm2)、E90 (>80000, <10000 kgf/cm2)、E110 (>100000, <120000 kgf/cm2)、E130 (>120000, <140000 kgf/cm2)、E150 (>140000 kgf/cm2))，是適合作為木材應力分等的標準。 VII.
(10) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立. 三、重要發現 1. 選取福州杉圓木、角材及不同尺寸製材品，依據中國國家標準(CNS)進行目視 分等、非破壞性技術評估及破壞性試驗，結果得知圓木、角材及不同尺寸製 材品的各種強度特性，在目視等級之間均無顯著性差異存在，因此目視分等 的等級材不若機械分等精確。 2. 非破壞性技術評估及破壞性試驗中，動彈性模數與抗彎彈性模數、破壞強度 之間，有顯著性正相關性存在，並可由直線迴歸式代表，超音波、應力波法、 打音法、振動法皆具有一定的評估效果，但是以打音法及振動法的動彈性模 數會有較佳的預測水準。 3. 由非破壞性技術評估及破壞性試驗綜合結果中，將應力分等依據 CNS14630 的機械等級區分標準，抗彎彈性模數等級為 E50 (>40000, <60000 kgf/cm2)、 E70 (>60000, <80000 kgf/cm2)、E90 (>80000, <10000 kgf/cm2)、E110 (>100000, <120000 kgf/cm2) 、 E130 (>120000, <140000 kgf/cm2) 、 E150 (>140000 kgf/cm2))，是適合作為木材應力分等的標準。 4. 雖然目視分等並無法完全區分不同的木材強度等級，但是仍具有初步分類木 材的效果，可以使木材強度特性較為集中的效果，而且木材的外觀特性也是 木材優劣的等級之一，因此，木材的分等宜先以目視分等區分，之後再以應 力分等木材等級。. 四、主要建議事項 建議一 建議進行不同樹種之基本資料研究：立即可行建議 主辦機關：文建會 協辦機關：內政部建研所 本研究僅針對人造林杉木進行研究，但古蹟及歷史建築所使用木材之材種包 含台灣檜木、扁柏、柳杉…等，建議後續能夠從事不同樹種間的研究，建立基本 資料庫，以供未來修復設計之參考應用。 VIII.
(11) 摘要. 建議二 建議新木料擇用材料應予品等規劃：中長期建議 主辦機關：文建會 協辦機關：內政部建研所 建議未來之製材分等朝向製材廠、防腐廠等材料一級品管的路線，後續修復 廠商只須將需要之材料品等向工廠購買即可，修復現場只需進行簡易之目視評 估；若針對現地所進廠之材料有太大的疑問再委託有公信力之單位進行測試方 可。. IX.
(12) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立 ABSTRACT Key words ： Historical buildings, Visual grading, Stress grading, Nondestructive techniques The sound new wood member have repaced the old damaged material by visual inspection and knocking based on personal carpenter experiences at present in Taiwan. Most of the new wood members came from Chia-fir platation trees. However, preservation and mechanical properties of the plantation species were lower. Due to conservation ethics and authenticity, the replacement of original wooden structural component was over highly. Furthermore, carpenters cannot evaluate the actual mechanical properties of wooden components by stress grading. Therefore, restoration of listed historical buildings was not reliable. In addition, the wood properties of artifical forest were different from those of natural forest. In this study, wood quality and grading of China-fir wood member will be investigated by visual grading, nondestructive techniques, and destructive tetings, and examined the relationships between visual grading, nondestructive parameters, and strength properties for stress grading standard. The standard might provide some information for future restoration and new member utilization of listed historical buildings in Taiwan. The different round wood, squared timber, various lumbers were visual grading by Chinese National Standard (CNS), were explored by nondestructive techniques (NDT), and were investigated by static bending methods. The results indicated that the various strength properties of different visual grades of samples showed no significant different. Most of the criteria used in the visual grading of the lumber were not closely correlated with specific properties. Visual grading was not as precise as machine grading. In addition, the dynamic modulus of elasticity (DMOE) was greater than the static modulus of elasticity (MOE) for the sampled specimens. There were significant correlations (linear regression formulas) among the DMOE, MOE and MOR. Therefore, this was a better way to calculate and determine the MOE for various samplea by NDTs. The bending properties of samples X.
(13) 摘要. can be successfully evaluated by ultrasonic wave, stress wave, tap tone, and vibration techniques. DMOEs as determined by tap tone and vibration techiques were found to be the best predictor of the MOE. The stress grading of timber and lumber was organized and fitted according to CNS14630 that the grades were E50 (>40000, <60000 kgf/cm2)、E70 (>60000, <80000 kgf/cm2)、E90 (>80000, <10000 kgf/cm2)、E110 (>100000, <120000 kgf/cm2)、E130 (>120000, <140000 kgf/cm2)、E150 (>140000 kgf/cm2).. XI.
(14) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立. XII.
(15) 第一章 緒論. 第一章 緒 論 第一節 研究緣起與背景 台灣傳統建築中列為古蹟者有 64%屬於木構架為主的傳統建築，然而傳 統建築木構件可能受到氣候、生物、結構力學等不同因子之影響與危害，產 生木構件之位移、變形、腐蝕或其他損壞。為達古蹟大木構件修復之目的， 必須有對古蹟中木構件檢測之完善規畫並且依據木構件需要性，確實的抽換 更新作業標準。文化資產保存法(2005)第二十一條之規定，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。前項修復計畫，必要時得採用現代科技 與工法，以增加其抗震、防災、防潮、防蛀等機能及存續年限。在此原則下， 當國內古蹟在抽換舊料之後，大木匠師大多採用人工造林木福杉來替換舊的 及受損嚴重的福杉構件。 然而，目前之古蹟修復過程之調查檢測工作一向多偏重建築之人文及歷 史研究，因而提出之修復對策相當粗略，對大木構件之損壞評估來說，一般 均只記錄其損壞，而很少進一步探討其損壞原因及損壞後之強度變化。再者， 在設計階段時，對於構件置換與否，亦只憑目視檢測及仰賴大木匠師之經驗 判斷，無可依循之定量準則及缺乏科學之根據。這種過程，一方面造成鑑定 方式或構件修復處理上有失客觀，而另一方面在安全、保守的觀念下，構件 被更換之比率也常偏高，不僅造成資源浪費，更使許多古蹟在修復後完全翻 新，無法將歷史證物作有效的保存。由於對古蹟構件不得進行破壞試驗，因 此應用非破壞性檢測法（Nondestructive Testing，簡稱 NDT）來評估古蹟中木 構件之損壞狀況，甚至用於新木料之選購上，皆為唯一可行的關鍵方法。 其次，由於人工造林木福杉生長快速，樹幹內含有高比例的未成熟材， 材質變異性大，不均質性亦大，因此，福杉的耐腐朽性及力學強度較差，木 材加工使用時容易產生缺點，例如有生長應力存在，致使原木切開後造成製 材品的翹曲、乾燥時所產生的裂開缺點、以及中小徑木內部存在有節的缺點 等等。除此之外，國內修復用的新木料擇用根據，一般採用匠師之主觀意見 1.
(16) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立 或目視分等，不僅缺乏使用木料應有之應力分等，且非常困擾木構造古蹟修 復之設計者，這些皆會影響到古蹟的修復成敗與否。 為達到保存古蹟及歷史建築木構造之目的，建研所已針對「非破壞性檢 測法應用於古蹟及歷史建築大木作損壞之研究」 、 「大木作非破壞性診斷 之操作手冊」 、 「濕氣與白蟻對古蹟與歷史建築木作破壞鑑定工作手冊」 、 「木 作非破壞性診斷設備建置規劃之研究」、「應用木材表面腐朽偵測儀(Pilodyn) 評估古蹟木構件剩餘力學強度之研究」等為主題進行過研究。本研究團隊已 針對國內古蹟與歷史建築修復用新木料材種的物理與力學性質進行過資料整 理，然而上述整理之木料的物理與力學性質大多為天然林木之性質，針對國 內古蹟與歷史建築修復大多採用人工造林木，不能全然採用過去整理的資 料。因此，有必要針對福杉進行目視分等、實施非破壞性技術進行應力分等 並編製實用應力分等表，以做為未來古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準 重要參據，如此對台灣木結構古蹟之修復品質才能提昇。. 第二節. 研究目的. 本研究團隊擬收集及分析國內外有關原木及製材品利用目視分等規則、 非破壞性技術、破壞性試驗評估及分等木材性質之相關文獻，接著，以福杉 圓(原)木及製材品為材料，藉由目視分等規則、非破壞性技術、破壞性試驗分 等木材應力的結果，以及探討目視分等、非破壞性評估參數、破壞強度數值 之間的相關性，以建立實用可靠的應力分等表，以作為未來古蹟與歷史建築 修復用新木料擇用基準重要參據。 歸 納 研 究 計 畫 目 的 如 下 ： (1) 收集與分析國內外人工造林木利用原木及製材品的目視分等規則、非 破壞性技術、破壞性試驗評估及應力分等木材性質之相關文獻。 (2) 以福杉原木及製材品為材料，藉由目視分等規則、非破壞性技術、破壞 性試驗分等木材應力的檢測三部份的結果。 (3) 探討目視分等、非破壞性評估參數、破壞強度數值之間的相關性，以建 立實用可靠的原木及製材品之應力分等表，以作為未來古蹟與歷史建築 修復用新木料擇用基準重要參據。 2.
(17) 第二章 文獻回顧. 第二章. 文獻回顧. 所謂非破壞性檢 測 是指藉由非破壞性方法來評價材料的性質或者其內 部的構造。其相關說明簡述如下:在不損害材料『既定用途』的前提下的一種 檢測工作;此項檢測工作的目的，可以用來檢查內在或外在的瑕疵、測量厚度、 決定材料的結構或組成、測量或檢查物質的性質。非破壞性檢測法應用於結 構體安全性檢查、材料內部組織分析以至於古物、古董的鑑定早已行之有年， 這是一門應用廣泛的整合性科學，融合機械、物理、材料、化學、電子等學 科。由於試驗觀念的不同，『非破壞性檢測』剛開始是 NDT(testing)，偏重於 適當方法的選用;接著是『非破壞性檢驗『NDI(inspection) 』 ，檢查鑑定合格與 否，偏重於程序正當與否及應用;『非破壞性檢查』NDE（examination） ，在什 麼地方合格，什麼地方不合格，偏重於資料正確與否的研判;近年來更以『非 破壞性評估』NDE（evaluation） ，以積極的態度針對材料的各種特性加以評估， 並檢討設計方法是否正確。 Ross et al.(1996)對於NDT的定義為不破壞物質的評估方式，包含物理和 機械性質，亦不影響其最終使用目的。藉由 NDT技術提供準確的資訊，如性 質、性能或材料的狀態等。傳統上，林產界使用NDT技術幾乎集中於結構材 的分級與分等;其典型例子為木材的機械應力分級(Machine Stress Rating)和單 板的超音波分等。MSR配合目視分等方式，正被廣泛的使用於北美地區。相 同的，層積材工廠使用應力波NDT技術，對於單板加以分級，以便製造出不 同強度的產品;其藉由應力波速度和強度間有密切相關性之原理，亦即基於應 力波傳播於單板的速度。非破壞性試驗應用於木材時有別於其他均質、等方 性材料(如金屬、塑膠及陶瓷等)；在於上述非木質材料的性質均勻，經製造過 程的嚴謹管制，NDT僅是用來檢測空隙、非連續性等缺點。但這種不規則的 情形，在木材中卻是自然現象，所以NDT應用於木材時，係檢測這些天然和 環境所導致的不規則現象，以決定其強度性質。 因此，近年來木材科學家致力於利用非破壞性試驗(Nondestructive Test， NDT)，如應力波、超音波及振動法等儀器對立木、原木或實大樑材質進行檢 測，被廣泛的應用於木材材質評估，NDT 技術的發展具有很多的優點，其重. 3.
(18) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立 點是木材不需要破壞試驗便可以檢測評估材質的優劣性，此非破壞係技術領 域的發展大大的節省材料的浪費，降低了檢測時間，而且技術及精確度愈來 愈高，檢測者可以運用不同的檢測技術及工具，配合不同目的及用途的材質 評估，加以執行。 目視法係屬一種較為簡單且方便之評估方法，其利用在外觀能確認的參 數(Parameter)(例如節、纖維走向之傾斜、腐朽等)，進行等級之區分；而機械 區分法則是利用視覺上不能探知，但卻和強度性能具有高相關之因子(如彈性 模數、硬度等)，而對木材加以分等，特別是以彈性模數(MOE)為指標者，可 做較高精度的區分，同時亦因木材之強度性質多與彈性模數成線性正相關， 因此常藉彈性模數之測定而據以推定其強度性質。國內外有關本計畫之研究 情況，如 Galligan et al(1977)即指出利用目視分等與機械應力分等方法配合， 將可建立一木製品強度分等之依據。Wang and Lin（1996）指出柳杉製品依 JAS 標準分等時，動彈性係數有特等材＞一等材＞二等材＞三等材之趨勢；此外， Wang and Ko (1998)針對柳杉製品進行分等亦有相似結果。Wang et al. (2005) 針對省產台灣杉材質進行分等發現動彈性係數有隨目視分等等級提升而增高 之趨勢相同，且等級較高之台灣杉具有較高之動彈性模數(DMOE)與靜彈性模 數值(MOE)之趨勢。 木材密度一般是木材材質的重要指標，Wang and Lin（1996） 、Wangand Ko （1998）所指出之指出柳杉密度與各種強度（MOE、抗彎強度(MOR)）直線 回歸式之決定係數值在 0.31 至 0.62 之間。Dole and Markwartd(1966)針對六種 等級、四種尺寸之製材品進行分析，指出 MOR 與 MOE 會隨密度增加而增 大，其決定係數分別達 0.24 與 0.38，可以發現，在小試材中，密度對其強度 性質之影響較顯著，但對實大樑而言，則非如此。Burdzik and Nkwera（2002） 針對 Eucalyptus Grandis 進行試驗指出，以密度作為預測彈性係數與破壞係數 之因子並非完全準確，可能係影響木材彈性係數之因子眾多，如節的尺寸、 形態、大小、位置、纖維走向傾斜與年輪寬等（Gerhards,1972, 1982；Grant et al, 1984；Kunesh and Johnson, 1972；Courchene et al,1998；Pellicane et al, 1987； Xu, 2002），以節而言，若節的位置出現在引張側之寬面上，將對強度造成重 大影響，纖維走向傾斜部分，若為 1/6，將造成靜曲強度減少 60％，若為 1/15， 則造成靜曲強度 24％的減低，因此僅僅以密度作為單一預測實大樑木材強度 4.
(19) 第二章 文獻回顧. 之因子並不完全恰當。 Wang et al （2002）曾針對 jack pine 與 red pine 等原木進行應力波傳遞 速度、橫向振動與靜曲試驗等非破壞檢測分析，其發現以應力波傳遞速度所 推算之動彈性係數（MOEsw）會較橫向振動之動彈性係數（MOEv）與靜彈 性係數（MOEs）高，對 jack pine 而言，MOEsw 分別較 MOEv 與 MOEs 大 約 24.7%、21.6%；而對 red pine 而言，MOEsw 則分別較 MOEv 與 MOEs 大 約 18.8%、21.6%，整體而言，MOEv 與 MOEs 間較接近，MOEv 僅約較 MOEs 大 7%。而 Burdzik and Nkwera（2002）指出橫向振動動彈性係數約較靜彈性 係數大約 5%。 動彈性係數與靜曲彈性係數間具有極高之相關性存在(Pellerin 1965; Marra et al 1966; Ross and Pellerin1991; Green and McDonald 1993a, 1993b; Ross et al 2005; Burdzik and Nkwera 2002; Wang et al 2002; Wang and Lin 1996; Wang and Ko 1998 )。另外，木材抗彎強度與木材密度、抗彎彈性模數、動彈 性模數之間亦具有顯著性的正相關的結果，相似於之前的報告(林振榮，1992; Wang et al. 2005; Lin and Chiu, 2006; Lin et al. 2006)。 造林木製成結構用製材品後，可依據 CNS14630 針葉樹結構用製材或 CNS14631 框組壁工法結構用製材規則，進行木材目視分等，但是，經目測分 等後，各等級間的靜曲強度並沒有顯著的差異存在，這表示缺點與強度間的 關係有待進一步探究及瞭解，然而，依據目視規則缺點主要影響分等的因子 中，在造林木的製材品中，主要的原因是節的特性，所以節的特性與木材強 度間的關係有待進一步研究。 節的特性包括有節的數量、位置、種類及大小(節徑)，Wang and Lin (1996) 探討最大節徑比、集中最大節徑比、總集中節徑比在跨距內及引張側與動彈 性係數、靜彈性係數、靜曲強度的關係，但相關係數偏低；Lam et al. (2004; 2005) 探討基於分等規則的節面積比(knot area ratio)對木材靜曲彈性係數及強度的 影響，並指出在分等等級內的節面積比可以有效的應用在木材使用；Divos and Tanaka (1997)採用修正集中節徑比(modified concentrated knot diameter raio)作 為參數之一，評估彎曲強度；ASTM 標準(1996)指出節的測定有置換法 (displacement method)及選擇法(alternative method)兩種方式；Green et al. (2000) 指出機械應力分等(machine stress rate)結合目視缺點評估及非破壞性決定彈性 5.
(20) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立 係數兩個標準去分類木材品等，其中以構件的節在橫斷面計算淨橫斷面率 (edge knot displace, % cross section)為分等標準；又 Gupta et al. (1996)探討結構 材的機械應力分等，其中應用最大材緣節強度比(largest edge-knot strength ratio) 瞭解木材強度的關係；Hirai et al. (1997)將試材依據節徑對材寬的大小區分為 三類群試材(無節、<1/2 材寬、>1/2 材寬)，探討動彈性係數與靜彎曲強度間的 相關性；Zhou and Smith (1991)依據預計節面積(projected knot area, PKA)規 則，探討與木材強度間的關係；Yang et al. (2002)應用非破壞性檢測合生節、 死節、鬆節木材的波形特性，評估木材缺點位置及彈性係數的分佈；Kodama et al. (1994)應用傳播音波法的頻率轉換非破壞性檢測節的存在，雖然部份因素 仍不清楚；Karsulovic et al. (2000)發現超音波速度與節影響區長度間有顯著相 關存在。. 6.
(21) 第三章 修復用新木料分等之評估方法. 第三章 修復用新木料分等之評估方法 本實驗選擇以杉木之原木及製材品為材料，藉由目視分等規則、非破壞性 技術、破壞性試驗分等木材應力三部份的結果及分析。 有關「目視分等」方面，針對原木及製材品材料，依據中國國家標準 CNS4748 原木之分等為判定標準，製材品中角材使用 CNS444 造林木針葉樹製材分等之角 材類為判定標準，實大樑及小試材的目視分等則是使用 CNS444 造林木針葉樹製 材分等之割材類為判定標準，而 2 × 6 及 2 × 8 試材則依據中國國家標準 CNS14630「針葉樹結構用製材」的目視分等區分製材品標準。「非破壞性應力 分等」方面，非破壞性技術擬應用超音波及應力波技術測定穿透時間及打音法及 振動法技術求取自然頻率，分別計算音速及動彈性模數作為非破壞性評估參數； 「破壞試驗應力分等」方面，將使用萬能強度試驗機，依據 CNS454 抗彎強度及 CNS453 抗壓強度試驗測定抗彎彈性模數、抗彎強度，之後，評估目視分等、非 破壞性評估參數、強度數值之間的相關性，以建立實用可靠的原木及製材品之應 力分等表，以作為未來古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準重要參據。. 第一節. 實驗材料. 修復用新木料分等之評估之材料為古蹟及歷史建築常用之杉木 （Cunninghamia lancelata），本計畫實驗用料包括有圓木、角材、實大樑、小 試材與不同尺寸的製材品，製材品包括有 2 (3.8 cm)by 6(14 cm)及 2 (3.8 cm) by 8(18.4 cm)製材品、2 (3.8 cm)by 4(8.9 cm)製材品(台大實驗林及新竹正昌)、薄片 杉木製材品(1.1 cm × 7.7 cm × 200 cm)，實驗材料均先行乾燥處理。. 第二節. 實驗方法. 一、實驗設計 本研究福杉圓木與製材品目視分等與力學試驗規劃如表 3-1 所示，目視分等 標準使用中國國家標準 CNS4748 原木之分等為判定標準，製材品中角材使用. 7.
(22) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立 CNS444 造林木針葉樹製材分等之角材類為判定標準，實大樑及小試材的目視分 等則是使用 CNS444 造林木針葉樹製材分等之割材類為判定標準，而 2 × 6 及 2 × 8 試材則依據中國國家標準 CNS14630 的目視分等區分製材標準。. 表 3-1 福杉圓木與製材品目視分等與力學試驗規劃表 測試項目 試體. 福杉圓木. 福杉製材品. 目視分等. 超音波. 打音法. 應力波. 振動法. 縱向. 縱向振動. 靜曲試驗. 壓縮試驗. CNS454. CNS453. CNS4748. CNS444 CNS14630. (資料來源:本研究自製). 二、實驗設備. 1.含水率計 本研究對健全新料與古蹟舊料之含水率測定採用電阻式含水率計 （Delmhorst RDM-2S），其原理為利用各種不同材料間的電導特性和水量成份的 關係來尋求材料之含水率。電導計有 2 到 4 個金屬探針或釘，其作用為插入建築 材料中，藉由電極之間的電傳導來讀取含水率成分。假如水分含量偏高時，則電 傳導率將增加，因此會有較高的水分含量讀值。電傳導率反應水分含量，本儀器 包括類比(針指標)及數位化的(文字數字指標)顯示，利用液晶(LCD)或者發光二極 體技術來顯示數字化讀值，木材材種會影響電傳率數值，該含水率計的樹種被預 設為花旗松，含水率計儀器規格與現況圖如表 3-2 與圖 3-1 所示。. 8.
(23) 第三章 修復用新木料分等之評估方法. 表 3-2 Delmhorst RDM-2S 含水率計儀器規格表 規格. Delmhorst RDM-2S. 量測方法. 探針式. 預設值. 70 oF、花旗松、2 探針電極. 適用性. 內建 33 種樹種(0-100 相關之比例). 量測範圍. 4.5 %-60 % (依樹種不同)，70 oF. 量測精度. 0.1%. 操作溫度. 30 oF-120 oF(0 oC-50 oC). 溫度補整. -20 oF-260 oF(–28 oC-126 oC). 顯示器. LCD. 電力來源. 1-9 伏特鎳鎘電池、鹼性電池. 尺寸、重量. 4 (W) ×2 1/4 (D)×7 1/2 (H) in. 重量. 14 oz. 26-ES 探針. 滑動鐵鎚裝置一個 10"鋼手柄以及#496 絕緣釘 (3/16"，最大釘入深度為 1-1/8"). (資料來源:參照 Delmhorst RDM-2S 使用說明書). 圖 3-1 Delmhorst RDM-2S含水率計現況圖 (資料來源:本研究自製). 9.
(24) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立 2.超音波檢定儀 超音波科學檢測係利用音波傳播速度與其計算之動彈性模數作為評估材料 之非破壞檢測儀器。本研究超音波檢測(Sylvatest Duo，其頻率為 22 kHz，瑞士 製造)是將波動接收器與發振器分別固定於構件之檢測位置的直徑兩端，共測得 4 個或 2 個直徑方向之數值，而波動發振器所發生之衰減振動波波動是經由電氣、 音響變換轉變成彈性波波動後，從木構材之一端傳至接受器改變為電氣的信號 後，由音速測定儀讀出所需時間，每一單元共測得 4 個超音波橫向傳播時間，再 根據（1）式計算傳播速度，求其平均，即為該單元之音速，再由超音波速度可 計算木材（材料）之動彈性模數。 V= L / t. (1). V：超音波傳播速度 m/sec L：波動發振器與接收器架設於木構件上之間距 m t： 傳播時間 sec 接著求得動彈性係數比例(公式 2)，值愈高，表示構件損壞程度愈低，反之， 動彈性模數比例愈低，表示構件損壞程度愈高。所以木材之橫向超音波之檢測不 僅可供給有關木材內部腐朽或蟲蛀之資訊，同時也可進一步作為大木構件修復評 估之基礎。 Ed = V2 × D ÷ g. (2). Ed：動彈性模數 (kgf/cm2) V：超音波橫向傳遞速度 m/sec D：為木材密度，g 為重力加速度。 一般木材發生腐朽、白蟻為害時，其傳播速度會變慢，以其方法可檢測在傳 播路徑上之強度劣化，假如沒有乾裂等之影響時，可得到很高定量性之資料。超 音波儀器規格與現況圖如表 3-3 與圖 3-2 及圖 3-3 所示。. 10.
(25) 第三章 修復用新木料分等之評估方法. 表 3-3 Sylvatest Duo 超音波檢定儀儀器規格表 規格. Sylvatest Duo. 儀器主機. 1. LCD 顯示 2. 開關鈕 3. 離開鈕 4. 加鍵 5. 減鍵 6. 可聯結測試棒 7. 接收資料連線孔 8. 電池. 軟體. 可接 PC RS-232 及下載資料. 配件. 1. 二根測式棒及 1.5m、5m 連線 2. 專用袋子. (資料來源:參照 Sylvatest Duo 使用說明書). 圖 3-2 Sylvatest Duo超音波檢定儀 (資料來源:本研究自製). 11.
(26) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立. 圖 3-3 Sylvatest Duo超音波檢測試材圖 (資料來源: 參照 Sylvatest Duo 使用說明書) 3.應力波測定儀 使用暫態型截取卡（BE490），荷蘭製，取樣速度達 100k/s，連接電腦以軟 體 TEAM490(Transient Evaluation and Analysis Management)控制，再接以 BNC 信 號接線盒(處理器)，獲取訊號轉置成電子信號。感應器(Sensors)使用兩個加速度 計，一個是產生應力波的鎚子，內藏加速度計(靈敏度 10.3mv/lb)，另一個為接收 感應器(共振頻率 20kHz～22kHz，反應頻率範圍 2.0～7.1kHz，靈敏度 488～ 494mv/lb)。最後由 FAMOS 軟體，讀取 TEAM490 資料檔，並進行數值分析，應 力波速度及應力波動彈性模數可由公式(1 及 2)推算。 4. 打音測定儀 打音測定儀（FAKOPP Enterprise, Portable Lumber Grader） ，以鋪有泡棉之木 塊支持試片中央位置，以硬質橡膠槌敲擊試材之一端，打音由置於試材另一端之 麥克風檢出，並輸入 FFT 頻譜分析儀，將瞬間發生之打音波形分解成頻譜，便 可精密測量出其自然頻率，並由次式可計算出其波速與動彈性模數 Vf = 2fr × L. (3). DMOEf = 4fr2 × L2 × ρ. (4). Vf為縱向波速(m/s)，L為試片長(m)，fr為自然頻率(Hz)，ρ為木材密度(kg/m3). 5.橫向振動法 應用橫向振動儀(Metriguard model 340 transverse vibration tester)，檢測試材 12.
(27) 第三章 修復用新木料分等之評估方法. 的非衰減自然頻率，並進一步計算動彈性係數(DMOEv)。 DMOEv = (fn2 × W × L3 ) / (K × b × h3). (5). W：試材重量 L：跨距 fn：非衰減自然頻率 K：常數=79.5 b：試材寬度 h：試材厚度. 6.萬能強度試驗機(Shimadzu, Japan) (1)10 噸萬能強度試驗機及支承反力座（圖 3-4）。 (2)資料記錄器以及實驗資料顯示器。 (3)抗彎彈性模數 福杉製材品試材進行三分等載重抗彎試驗，在比例限度內求其抗彎彈性模數 (MOE) （kgf/cm2） MOE=. 23Δpl 3 ΔP(l − s )[2l 2 + 2ls − s 2 ] = 8Δδbh 3 108Δδbh 3. (6). △P 為比例限度領域上限載重與下限載重之差（kgf），△δ 為與△P 相對應 跨距中央之撓度差（cm） ，l 為跨距（cm） ，s(=l/3)為兩載重點距離（cm） ，b 為試 片寬度（cm），h 為試片厚度（cm）。 (4)抗彎強度 福杉製材品試材進行三分等載重抗彎試驗，求其抗彎強度(MOR)（kgf/cm2） MOR = (3 × P × 2/3 × l) / (2 × b × h2) =. pl bh 2. (7). P：最大載重(kgf). 13.
(28) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立. 圖 3-4 萬能強度試驗機以及資料記錄器 (資料來源:本研究自製). 14.
(29) 第四章 實驗結果與討論. 第四章. 實驗結果與討論. 第一節 圓木分等實驗結果 本批圓木試材來自林業試驗所蓮華池研究中心 23 年生杉木造林木，試材分別對原 木、鋸切成角材、鋸切成實大樑、鋸切成小試材後，經過乾燥後，分別進行目視分等、 非破壞性試驗及破壞性試驗，並進行後續統計分析。其原木尺寸為直徑 15～21 cm、長 度 250 cm，共 20 根，角材尺寸為 10 × 10 × 250 cm，共 20 根，氣乾密度為 0.39～0.53 (g/cm3)，實大樑尺寸為 5 × 10 × 250 cm，共 40 根，氣乾密度為 0.39～0.53 (g/cm3) ，鋸 切成小試材尺寸為 3 × 3 × 50 cm，共 207 根，氣乾密度為 0.34～0.67 (g/cm3)。密度變化 顯示出杉木有高的變異性存在。 4.1.1. 四種超音波法檢測圓木試材的結果 應用心材測定、半直接法、表面法、邊材測定等四種超音波法檢測圓木試材的超音 波速度及動彈性模數結果，如表 4-1 所示，經過統計分析結果得知，超音波速度及動彈 性模數有邊材測定＞表面法＞心材測定及半直接法的結果，顯示出杉木的邊材強度性質 較心材部份大約 6%(動彈性模數)。 依據曾偉宏(1984)指出成熟材及為成熟材的位置約在距髓心 7-12 cm 範圍內，之外 到樹皮的範圍可視為成熟材部份。唐讓雷(1984)指出杉木作為材料的最大缺點是含有高 比例的未成熟材存在，杉木木材強度在樹幹橫向變化，是從髓心向樹皮側方向增加，達 到最大值後再逐漸減少。因此試驗用原木因為心材存在有大部份的未成熟材，外側僅有 部份成熟材，所以會有邊材測定＞心材測定的結果。 表面法與其它三種檢測法所得動彈性模數之間的直線迴歸相關係結果，顯示有極顯 著的正相關性存在，其決定係數(R2)範圍是 0.86～0.90 之間(表 4-2 所示)，此表示四種方 式皆可以評估圓木試材的動彈性模數，但是，由於檢測的位置會影響評估的數值，因此 建議檢測時以圓材兩端斷面的邊心材設定多個檢測點，然後計算平均數值以作為代表較 為適當。. 15.
(30) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立. 表 4-1 四種超音波法檢測杉木圓木的超音波速度及動彈性模數鄧肯多變域 分析 Methods. 心材測定. 半直接法. 表面法. 邊材測定. Vu (m/s). 4921a. 4923 a. 5021 b. 5139 c. DMOEu (kgf/cm2). 131270 a. 131415a. 136432 b. 143065 c. 超音波速度，Vu；動彈性模數，DMOEu；. (資料來源:本研究自製). 表 4-2 表面法與其它三種檢測法測定動彈性模數之間的迴歸(Y = AX +B) 統計結果 Linear regression model Y=AX+B. R2. Y. X. A. B. 邊材測定 DMOEs 心材測定 DMOEh 半直接法 DMOEi. 表面法 DMOEa. 0.988 0.931 0.960. 8324 4232 503. 0.88** 0.86** 0.90**. (資料來源:本研究自製). 4.1.2. 四種試材的動彈性模數 應用超音波法及應力波法檢測四種試材圓木、角材、實大樑、小試材的超音波速度 (Vu)、超音波動彈性模數(DMOEu)、應力波速度(Vs)、應力波動彈性模數(DMOEs)，結 果顯示在表 4-3 中，鄧肯多變域分析結果得知應用超音波法檢測四種試材圓木、角材、 實大樑、小試材的動彈性模數(DMOEu)之間沒有顯著性差異；而應用應力波法檢測四種 試材圓木、角材、實大樑、小試材的應力波動彈性模數(DMOEs)，發現圓木、角材、實 大樑三者間沒有顯著性差異，然而小試材小於其它三種尺寸，依據葉政翰(1994)指出應 力波檢測時受到試材細長比的作用，會影響到檢測的結果，本試驗小試材長度為 50cm ＜60cm，因此受到影響而變低。比較超音波法及應力波法兩種檢測法的數值，得知超 音波法的動彈性模數較應力波法有較高的結果。. 16.
(31) 第四章 實驗結果與討論. 應用超音波法檢測圓木與其它三種材料試材所得動彈性模數之間的直線迴歸相關 係結果，顯示有極顯著的正相關性存在，其決定係數(R2)範圍是 0.69～0.77 之間(表 4-4 所示)，而應用應用波法檢測圓木與其它三種材料試材所得動彈性模數之間的直線迴歸 相關係結果，顯示有極顯著的正相關性存在，其決定係數(R2)範圍是 0.58～0.77 之間(表 4-5 所示)，此表示兩種方法在四種試材之間有相類似的檢測水準，在此若考慮檢測的方 便性時，可選擇超音波法檢測試材。. 表 4-3 四種試材的超音波速度及動彈性模數鄧肯多變域分析 Sample. 圓木. 角材. 實大樑. 小試材. Vu (m/s). 5281 a. 5173 a. 5234 a. 5381 b. DMOEu (kgf/cm2). 133767 a. 128256 a. 132499 a. 133887 a. Vs (m/s). 5031 a. 5039 a. 5038 a. 4229 b. DMOEs (kgf/cm2). 121453 a. 121498 a. 122609 a. 82649 b. 超音波速度，Vu；超音波動彈性模數，DMOEu；應力波速度，Vs；應力波動彈性模數， DMOEs. (資料來源:本研究自製) 表 4-4 超音波法檢測圓木與其它三種試材所得動彈性模數之間的迴歸(Y = AX +B)統計結果 Linear regression model Y=AX+B. R2. Y. X. A. B. 角材 DMOEb 實大樑 DMOc 小試材 DMOEd. 圓木 DMOEa. 0.906 1.022 0.706. 7022 -4161 39481. 0.76 0.77 0.69. (資料來源:本研究自製). 17.
(32) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立. 表 4-5 應力波法檢測圓木與其它三種試材所得動彈性模數之間的迴歸(Y = AX +B)統計結果 Linear regression model Y=AX+B. R2. Y. X. A. B. 角材 DMOEb 實大樑 DMOc 小試材 DMOEd. 圓木 DMOEa. 0.940 0.961 0.369. 7397 5884 37847. 0.77 0.76 0.58. (資料來源:本研究自製). 4.1.3. 超音波法及應力波兩種檢測法的相關性 兩種非破壞性技術應用在四種試材時測定音速及動彈性模數，超音波法及應力波兩 種檢測法的相關性，如表 4-6 所示，結果顯示超音波法及應力波兩種檢測法之間在音速 及動彈性模數方面都有極顯著正相關性存在，決定係數(R2)範圍在 0.85～0.96 之間。表 示此兩種非破壞性技術有相同的檢定水準，但是超音波法檢測的動彈性模數較應力波法 檢測的動彈性模數約高 10%。. 表 4-6 超音波法及應力波兩種檢測法相關性的直線迴歸式 試材. 音速. 圓材. Vu =. 動彈性模數 0.77 × Vs + 1424, DMOEu =. R2=0.85** 角材. Vu =. 0.96 × DMOEs + 17023,. R2=0.88**. 0.87 × Vs + 793, R2=0.96** DMOEu =. 0.97 × DMOEs + 10865,. R2=0.94** 實 大 Vu =. 0.85 × Vs + 949, R2=0.88** DMOEu =. R2=0.88**. 樑 小 試 Vu =. 1.29 × Vs – 61, R2=0.90**. 材. (資料來源:本研究自製). 18. 0.95 × DMOEs + 15923,. DMOEu =. R2=0.86**. 1.67 × DMOEs – 4441,.
(33) 第四章 實驗結果與討論. 4.1.4. 三種試材的抗彎彈性模數及抗彎強度 因為圓材要作為下一階段角材試材(僅檢測抗彎彈性模數)使用，所以沒有進行破壞 試驗，而角材、實大樑及小試材抗彎彈性模數及抗彎強度的結果，如表 4-7 所示。其中 小試材的抗彎彈性模數最小，但是其抗彎強度又有較大的結果。此部份應該是本批試材 是未成熟材所影響，林振榮(1992)報告指出柳杉製材品的抗彎彈性模數在未成熟材中較 成熟材小，但是抗彎強度在未成熟材中則較成熟材大，與本試驗的結果相似。. 表 4-7 三種試材的抗彎彈性模數及抗彎強度 抗彎試驗. 角材. 實大樑. 小試材. 抗彎彈性模數 MOE 98720. 101238. 60779. 抗彎強度 MOR. 455. 518. (資料來源:本研究自製). 4.1.5. 動彈性模數與抗彎彈性模數、抗彎強度間的相關性 本批試材中，原木、角材、實大樑、小試材經過超音波法及應力波檢測，然後角材、 實大樑、小試材經過抗彎三分點載重試驗，求得抗彎彈性模數，之後，實大樑、小試材 進行破壞試驗，求得抗彎強度。超音波法及應力波的動彈性模數與抗彎彈性模數、抗彎 強度間的直線迴歸式如表 4-8 所示，結果顯示角材、實大樑及小試材的動彈性模數與抗 彎彈性模數、抗彎強度之間，有顯著正相關性存在(R2=0.14～0.69)，但是實大樑部份的 決定係數值有偏低的現象(R2=0.14～0.27)。可見超音波法及應力波檢測原木、角材、實 大樑、小試材的動彈性模數的雖然具有一定的評估依據，但是並不具有很高的預估水準。. 19.
(34) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立. 表 4-8 動彈性模數與抗彎彈性模數、抗彎強度間的相關性 試材. 超音波法. 角材. MOE =. 應力波法 0.53 × DMOEu + 34252, MOE =. 0.52 × DMOEv + 35104, R2=0.69**. R2=0.62** 實 大 MOE = 樑. 0.41 × DMOEu + 47315, MOE =. R2=0.27* MOR =. 0.37 × DMOEv + 56009, R2=0.22*. MOR = 0.002 × DMOEv + 208, R2=0.14* 0.002 × DMOEu +. 15972, R2=0.18* 小 試 MOE = 0.51 × DMOEu - 6722, MOE = 材. R2=0.52** MOR =. 0.87 × DMOEv - 10864, R2=0.48*. MOR = 0.002 × DMOEv + 208, R2=0.53** 0.004 × DMOEu - 68,. R2=0.49**. (資料來源:本研究自製). 4.1.6. 目視分等試材後的強度材質特性 本研究目視分等標準使用中國國家標準 CNS4748 原木之分等為判定標準，製材品 中角材使用 CNS444 造林木針葉樹製材分等之角材類為判定標準，實大樑及小試材的目 視分等則是使用 CNS444 造林木針葉樹製材分等之割材類為判定標準。原木經過目視分 等後的動彈性模數如表 4-9 所示，經過 ANOVA 統計分析結果，顯示在圓木各品等之間 並沒有顯著性差異存在，此表示在試材的彈性特性方面，以目視分等法是無法有效分等 杉木圓木材料。. 表 4-9. 原木不同品等間的動彈性模數. 圓木等級. 2等. 3等. 4等. DMOEu(超音波法). 133693. 127312. 134583. DMOEv(應力波法). 120975. 113494. 122508. (資料來源:本研究自製). 20.
(35) 第四章 實驗結果與討論. 角材經過目視分等後的動彈性模數及抗彎彈性模數如表 4-10 所示，經過 ANOVA 統計分析結果，顯示角材強度性質在各品等之間並沒有顯著性差異存在，此表示在試材 的強度性質方面，以目視分等法是無法有效分等杉木角材。. 表 4-10 角材不同品等間的動彈性模數與抗彎彈性模數 圓木等級. 1等. 2等. 3等. DMOEu(超音波法). 134736. 127945. 120871. DMOEv(應力波法). 12528. 122076. 111716. MOE(抗彎試驗). 100122. 98538. 97986. (資料來源:本研究自製) 實大樑經過目視分等後的動彈性模數及抗彎彈性模數、抗彎強度如表 4-11 所示， 經過 ANOVA 統計分析結果，顯示實大樑強度性質在各品等之間並沒有顯著性差異存 在，此表示在試材的強度性質方面，以目視分等法是無法有效分等杉木實大樑。. 表 4-11 實大樑不同品等間的動彈性模數與抗彎彈性模數、抗彎強度 圓木等級. 1等. 2等. 3等. DMOEu(超音波法). 135331. 131077. 126092. DMOEv(應力波法). 124086. 122684. 116920. MOE(抗彎試驗). 101343. 102608. 94340. MOR(抗彎試驗). 470. 444. 435. (資料來源:本研究自製) 小試材經過目視分等後的動彈性模數及抗彎彈性模數、抗彎強度如表 4-12 所示， 經過 ANOVA 統計分析結果，顯示小試材各強度性質在各品等之間並沒有顯著性差異存 在，此表示在小試材的強度性質方面，以目視分等法是無法有效分等杉木小試材。. 21.
(36) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立. 表 4-12 小試材不同品等間的動彈性模數與抗彎彈性模數、抗彎強度 圓木等級. 1等. 2等. 3等. DMOEu(超音波法). 136749. 131208. 129010. DMOEv(應力波法). 84549. 80808. 79985. MOE(抗彎試驗). 62370. 60296. 58553. MOR(抗彎試驗). 542. 510. 481. (資料來源:本研究自製) 綜合上述實驗的結果，非破壞性技術可以應用木材材質的評估，由於動彈性模數與 抗彎彈性模數或抗彎強度有顯著正相關性存在，且實際抗彎彈性模數分佈範圍，因此， 非破壞性檢測後可以利用這些迴歸方程式推導出抗彎彈性模數，然後依據CNS14630 的 機械等級區分標準，抗彎彈性模數等級為E50 (>40000, <60000 kgf/cm2)、E70 (>60000, <80000 kgf/cm2)、E90 (>80000, <10000 kgf/cm2)、E110 (>100000, <120000 kgf/cm2)、E130 (>120000, <140000 kgf/cm2)、E150 (>140000 kgf/cm2))，是適合作為木材應力分等的標準。. 第二節 製材品分等實驗結果 本章節針對不同尺寸的製材品進行目視分等、非破壞性試驗、破壞性試驗、應力分 等的結果，分別敘述如下。 4.2.1. 2 by 6 及 2 by 8 製材品的試驗結果 杉木製材品 2(3.8 cm) by 6(14 cm)及 2(3.8 cm) by 8(18.4 cm)製材品試材來自新竹正 昌木廠，樹齡約 25 年生。目視分等係依中國國家標準 CNS 14630 針葉樹結構用製材標 準（表 4-13）以及 CNS 14631 框組壁工法結構用製材標準（表 4-14）進行。非破性檢 測法中，除了使用超音法(Sylvatest duo)外，另外使用打音測定儀（FAKOPP Enterprise, Portable Lumber Grader）。其結果如下文字所述：. 22.
(37) 第四章 實驗結果與討論. 表 4-13 中國國家標準 CNS 14630 針葉樹結構用製材分等標準 Item Knot Wane Through split. End Face. Shake Slope of grain Average annual rings Decay Crook Warp. Standard Class 1 Class2 Class3 Diameter ratio≦20％ Diameter ratio≦40％ Diameter ratio≦60％ The diameter ratio of knot cluster shall be 1.5 times the above standards ≦10％ ≦20％ ≦320％ ≦the long side length ≦1.5 times the long ≦2.0 times the long side length side length None ≦1/6 the lumber ≦1/3 the lumber length length ≦1/2 of the short side ≦1/2 of the short side length length ≦1:12 ≦1:8 ≦1:6 ≦6 mm ≦8 mm ≦10 mm None Slight Not obvious Very Slight Slight Not obvious Slight Not obvious No hindrance in use. Diameter ratio(%) → knot diatmeter / width of panel X100. (資料來源:參照 CNS14630 針葉樹結構用製材分等標準). 表 4-14 中國國家標準 CNS 14631 框組壁工法結構用製材分等標準(甲種框 組材) Item Quality. Knot. Width related face. Max. dia of knot Knot cluster. No. of holes Thickness related face. Grade Select ≦the value in Table 17a The sum of knot dia in any 15-cm-long face ≦ 2times the value in Table 17a ≦1 for 120-cm-long face The converted max. dia. on the edge section of width related of face ≦ the value of Table 17a. Class 1 ≦the value in Table 17a. Class 2 ≦the value in Table 17a. Class 3 ≦the value in Table 2a. The sum of knot dia in any 15-cm-long face ≦ 2times the value in Table 17a ≦1 for 90-cm-long face The converted max. dia. on the edge section of width related of face ≦ the value of Table 17a. The sum of knot dia in any 15-cm-long face ≦ 2times the value in Table 17a ≦1 for 60-cm-long face The converted max. dia. on the edge section of width related of face ≦ the value of Table 17a. The sum of knot dia in any 15-cm-long face ≦ 2times the value in Table 2a ≦1 for 30-cm-long face The converted max. dia. on the edge section of width related of face ≦ the value of Table 17a. (資料來源:參照 CNS 14631 框組壁工法結構用製材分等標準). 23.
(38) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立. Table 4-14a Type A platform lumber Unit: mm Class Type 206 208. Select Sound knot Edge Center 29 48 38 57. Class 1 Holes 25 32. Sound knot Edge Center 38 57 51 70. Class 2 Holes 32 38. Sound knot Edge Center 48 73 64 89. Class 3 Holes 38 51. Sound knot Edge Center 70 95 89 114. (資料來源:參照 CNS 14631 框組壁工法結構用製材分等標準). 24. Holes 51 64.
(39) 第四章 實驗結果與討論. (Ⅰ)杉木製材品之基本性質 本次選用之杉木製材品性質方面，2(3.8 cm) by 6(14.0 cm)製材品之密度為 0.31-0.52 ，平均為 0.41（g/cm3） ，超音波速（Vu）為 3985-5815（m/s） ，平均為 5149（m/s） ， （g/cm3） 打音音速（Vf）為 3298-5609（m/s） ，平均為 4735（m/s） ，超音波動彈性模數（DMOEv） 為 66169-165485（kgf/cm2） ，平均為 111045（kgf/cm2） ，打音動彈性模數（DMOEf）為 48645-151350（kgf/cm2） ，平均為 94218（kgf/cm2） ，抗彎彈性模數（MOE）為 48278-147225 （kgf/cm2），平均為 91683（kgf/cm2）。MOE值之分佈如圖 4-1 所示，可看出大部分集 中於 70000-120000（kgf/cm2）範圍內，累計該範圍內之彈性模數佔整體之 92.86％。比 較各動彈性模數與抗彎彈性模數發現，DMOEv值分別較DMOEf值、MOE值大約 17.9 ％與 21.1％，而DMOEt值則較MOE值大約 2.8％。 在 2 (3.8 cm)by 8(18.4 cm)製材品方面，其密度為 0.33-0.47（g/cm3），平均為 0.40 （g/cm3），超音波速（Vu）為 4673-5789（m/s），平均為 5159（m/s），打音音速（Vf） 為 4241-5494（m/s） ，平均為 4847（m/s） ，超音波動彈性模數（DMOEv）為 78692-145555 （kgf/cm2），平均為 108770（kgf/cm2），打音動彈性模數（DMOEf）為 68486-133947 （kgf/cm2） ，平均為 95939（kgf/cm2） ，抗彎彈性模數（MOE）為 67284-133948（kgf/cm2） ， 平均為 93566（kgf/cm2） 。MOE值之分佈如圖 4-2 所示，可看出大部分集中於 80000-120000 （kgf/cm2）範圍內，累計該範圍內之彈性模數佔整體之 94.93％。比較各動彈性模數與 抗彎彈性模數之關係發現，DMOEv值分別較DMOEf值、MOE值大約 13.3％與 16.2％， 而DMOEf值則較MOE值大約 2.5％。 就各彈性模數之比較上，可以發現有 DMOEv＞DMOEf＞MOE 之趨勢，此結果與 Haines et al(1996)所得試驗相似，其以縱向超音波法與振動法評估 spruce 與 fir 之彈性模 數發現，縱向超音波動彈性模數大於抗彎彈性模數約 17-22％。Wang et al (2005)以超音 波法評估立木材質時亦指出 DMOEv 約較 MOE 大約 9.5-14％。對於動彈性模數大於抗 彎彈性模數之原因可能有如抗彎試驗時含有扭轉變形、剪力成分等致使撓曲增大，又撓 度之測定包含受力點之局部壓潰凹陷變形，以及荷重時間較長，多少有潛變產生等因素 造成，而動態法所測得之動彈性模數因作用力週期短，試材本身僅受到短暫衝擊，幾乎 沒有潛變作用現象發生。 （吳順昭等，1974, Halabe et al, 1997） 。蔡如藩（1985）亦指出 造成動彈性模數較抗彎彈性模數大之原因可能係抗彎試驗時，木材承受荷重時間較長， 而發生塑性流動、塑性變形、彈性遲滯、彈性餘效等因素影響所致。 25.
(40) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立. 120%. 40. Frequency(%). 35. 100%. 30. 80%. 25 20. 60%. 15. 40%. 10. 20%. 5 0. 0% 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 3. 2. MOE(×10 kgf/cm ). 圖 4-1 2 by 6 杉木製材品之彈性模數分佈圖. Frequency(%). (資料來源:本研究自製). 60. 120%. 50. 100%. 40. 80%. 30. 60%. 20. 40%. 10. 20%. 0. 0% 60 70 80 90 100 110 120 130 140 3. 2. MOE(×10 kgf/cm ). 圖 4-2 2 by 8 杉木製材品之彈性模數分佈圖 (資料來源:本研究自製) （Ⅱ）應用目視分等法評估製材品之性質 目視分等乃係一簡單而方便之非破壞性評估方法，本研究以 CNS 14630 針葉樹結 26.
(41) 第四章 實驗結果與討論. 構用製材分等與 CNS 14631 框組壁工法結構用製材分等標準來進行製材品之分等，其 主要依據系節於試材上所存在之尺寸，而此二標準之差異乃在於對於節之判定，CNS 14630 以節徑比（最大節直徑對於其所存在材面寬面之百分比）作為分等之依據，而 CNS14631 則以寬面與窄面之最大節經作為分等之準則。 以 CNS 14630 分等杉木製材品，其各等級材之頻率分佈如圖 4-3 所示。2 by 6 之杉 木製材品，一等材為 12.1％、二等材為 43.6％、三等材 35.0％、等外材為 9.3％；2 by 8 之杉木製材品，一等材為 29.0％、二等材為 39.1％、三等材 15.9％、等外材為 15.9％。 分等結果與 2by6 各等級製材品間相關性方面，經 ANOVA 多變異數分析結果發現 （表 4-15） ，在密度、超音波速以及打音音速，各等級製材品間均無顯著差異，在 DMOEv 方面，各等級是等外材＞一等材＞二等材＞三等材，其中，一等材與三等材有顯著差異； DMOEf 方面，各等級是一等材＞等外材＞二等材＞三等材，其中，一等材與三等材有 顯著差異；MOE 方面亦與 DMOEf 同。 再比較分等結果與 2by8 各等級製材品間相關性方面，經 ANOVA 多變異數分析結 果發現（表 4-15），在密度、超音波速與 DMOEv，各等級製材品間無顯著差異，在打 音音速方面，各等級是一等材＞二等材＞三等材＞等外材，等級材間無顯著差異， DMOEf 方面，各等級是一等材＞二等材＞三等材＞等外材，其中，一等材與其他各等 級材有顯著差異，MOE 方面亦與 DMOEf 同。 另以 CNS 14631 分等杉木製材品，其各等級材之頻率分佈如圖 4-4 所示。2 by 6 之 杉木製材品，特級材為 40.0％，一等材為 15.7％、二等材為 23.6％、三等材 14.3％、等 外材為 6.4％；2 by 8 之杉木製材品，特級材為 55.1％，一等材為 7.2％、二等材為 5.8 ％、三等材 13.0％、等外材為 18.8％。 分等結果與 2by6 各等級製材品間相關性方面，經 ANOVA 多變異數分析結果發現 （表 4-16） ，在密度、超音波速以及打音音速上，各等級製材品間無顯著差異，在 DMOEv 方 面，各等級是一等材＞等外材＞二等材＞三等材，其中，一等材與三等材有顯著差異； DMOEf 方面，各等級是一等材＞二等材＞等外材＞三等材，其中，一等材與三等材有顯 著差異；MOE 方面各等級是一等材＞二等材＞等外材＞三等材，但等級間無顯著差異。 最後以 ANOVA 多變異數分析比較分等結果與 2by8 各等級製材品間相關性方面發 現（表 4-16） ，不論密度、超音波速、打音音速、DMOEv、DMOEf 乃至 MOE，各等級 間均無顯著差異，亦即以 CNS14631 分等法分等杉木 2by8 製材品之結果，無法分別各 等級之差異。 27.
(42) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立. 表 4-15 CNS14630 目視分等結果 lumber Lamber grades Non-grade Class 1 Class 2 Class 3 Below size Sample numbers 17 61 49 140 13 3 density (kg/m ) 0.41a (10) 0.41a (8) 0.40a (9) 0.42a (7) 0.41 (9) 2- by 6Vu (m/s) 5232a (9) 5109a (6) 5129a (6) 5296a (4) 5149 (6) inch 4932a (11) 4727a (8) 4641a (9) 4871a (7) 4735 (9) China Vf (m/s) 2 DMOE (kgf/cm ) 114981ab (16) 110405ab (14) 107907b (13) 120726a (9) 111045 (14) v fir laminae DMOEt(kgf/cm2) 102311a (19) 94798ab (18) 88557b (17) 102250a (13) 94218 (18) MOE(kgf/cm2). 102693a (18) 91772ab (16) 85697b (19) 99435a (12) 91683 (18) 40 54 22 22 138. Sample numbers 3 0.40a (5) 0.39a (9) 0.40a (7) 0.40a (6) 0.40 (7) 2- by 8- density (kg/m ) inch Vu (m/s) 5217a (6) 5110a (4) 5128a (5) 5208a (4) 5159 (5) China Vf (m/s) 4988a (6) 4847a (4) 4730a (7) 4705b (5) 4847 (6) fir DMOE (kgf/cm2) 113105a (14) 104715a (13) 108300a (11) 111311a (11) v 108770 (13) laminae DMOEt(kgf/cm2) 103201a (13) 94193b (13) 92222b (13) 90734b (10) 95939 (13) MOE(kgf/cm2). 101298a (14). 92149b (12) 90554b (13) 85998b (12) 93566 (14) Values in parentheses represent the standard deviation. a and b show significant differences at the 0.05 level by the ANOVA test.. (資料來源:本研究自製) 表 4-16 CNS14631 目視分等結果 lumber size. Lamber grades. Select. Class 1. Class 2. Class 3. Below. Non-grade. Sample numbers. 56. 22. 33. 20. 9. 140. 3. density (kg/m ) 0.41a (10) 0.41a (6) 0.40a (9) 0.41a (7) 0.43a (7) 0.41 (9) 2- by 6Vu (m/s) 5149a (7) 5103a (5) 5107a (6) 5213a (7) 5264a (4) 5149 (6) inch Vf (m/s) 4796a (10) 4708a (6) 4663a (8) 4660a (9) 4852a (8) 4735 (9) China 2 fir DMOEv(kgf/cm ) 112082ab (16) 109673ab (10) 105740b (10) 113804ab (15) 121265a (10) 111045 (14) laminae DMOEt(kgf/cm2) 97541ab (20) 93621ab (14) 88333b (15) 91250ab (18) 103171a (15) 94218 (18) MOE(kgf/cm2) Sample numbers. 94802a (18) 92499a (15) 85724a (16) 88562a (21) 99071a (14) 91683 (18) 76. 3 0.40a 2- by 8- density (kg/m ) inch Vu (m/s) 5164a China Vf (m/s) 4933a fir DMOEv(kgf/cm2) 109211a laminae. 10. 18. 26. 138. (7). 0.39a. (10) 0.39a. (6). 0.40a. (7). 0.40a. (6). 0.40. (7). (5) (6). 5067a 4778a. (3) (3). (2) (1). 5150a 4783a. (5) (6). 5180a 4672a. (4) (5). 5159 4847. (5) (6). 5180a 4831a. (15) 102963a (10) 106144a (9) 109122a (11) 110279a (11) 108770 (13). DMOEt(kgf/cm2) 99498a (14) 91528a MOE(kgf/cm2). 8. (9) 92174a (7). 94106a (11) 89659a (12) 95939 (13). 97520a (14) 88105a (10) 91924a (8). 91867a (12) 85789a (12) 93566 (14). Values in parentheses represent the standard deviation. a and b show significant differences at the 0.05 level by the tukey test of ANOVA.. (資料來源:本研究自製) 28.
(43) 第四章 實驗結果與討論. 50.0. Class1 Class2. frequency(%). 40.0. Class3 30.0. Below. 20.0 10.0 0.0 2by6. 2by8. specimen. 圖 4-3 依CNS 14630 分等所得各等級材之頻率分佈圖 (資料來源:本研究自製). frquency(%). Select 60.0. Class1. 50.0. Class2. 40.0. Class3 Below. 30.0 20.0 10.0 0.0 2by6. 2by8. specimen. 圖 4-4 依CNS 14631 分等所得各等級材之頻率分佈圖 (資料來源:本研究自製). 29.
(44) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立. （Ⅲ）應用非破壞試驗法評估製材品之性質 1.木材密度與抗彎彈性模數之相關性 木材密度為其強度指標之一，Markwart and Wilson(1935)曾針對無缺點小試材 （MC：12％），訂出 MOR、MOE 與密度之相關式，並指出密度為影響試材強度之重 要因子。但在本研究中發現密度與 2by6 與 2by8 杉木製材品抗彎彈性模數之相關性相 當低（表 4-17） ，因此以密度來作為預測製材品彈性性質並不妥當，此係無缺點小試材 不若實大梁可能受節的尺寸、形態、大小、位置、纖維走向傾斜與年輪寬等影響，因 此能與木材彈性模數建立一良好關係式，但實大梁則否（Courchene et al, 1998； Xu, 2002），以節為例，若節的位置出現在引張側之寬面上，將對強度造成重大影響，纖維 走向傾斜部分，若為 1/6，將造成抗彎強度減少 60％，若為 1/15，則造成抗彎強度 24 ％的減低（ASTM D-245, 1999） ，Burdzik and Nkwera (2002)亦曾指出僅以密度作為單一 預測實大梁木材強度之因子實不恰當。. 表 4-17 密度與彈性模數之相關式 Item. 2- by 6-inch China fir Laminae 2- by 8-inch China fir laminae. Linear regression model Y=AX+B. R2. Y. X. A. B. DMOEv DMOEt MOE DMOEv DMOEt MOE. ρ ρ ρ ρ ρ ρ. 192.96 142.03 101.74 317.82 217.3 172.87. 31.99 36.03 50.00 -18.06 9.22 24.58. 0.19 0.09 0.05 0.42 0.24 0.15. (資料來源:本研究自製) 2.超音波法與抗彎彈性模數之相關性 圖 4-5 與圖 4-6 分別為超音波速（Vu） 、超音波動彈性模數（DMOEv）與抗彎彈性 模數（MOE）之關係圖，可以發現當直接以超音波速評估 2 by 6 與 2 by 8 杉木製材品 MOE時，其R2值分別為 0.54 與 0.40，而以DMOEv預測 2 by 6 與 2 by 8 杉木製材品 MOE 時，其R2值分別提升為 0.65 與 0.50，此可能係影響抗彎試驗之主要因子，包含木梁形 30.
(45) 第四章 實驗結果與討論. 狀、木理傾斜角、含水率、溫度、節與荷重速度等因素，這些複雜因子未能由超音波 速全部反映出來所致。以往研究中，Ilic (2001)曾就縱向動彈性模數、橫向動彈性模數 與抗彎彈性模數進行比較，指出縱向音速動彈性模數與抗彎彈性模數成一顯著正相關 關係，其r值達 0.95，而縱向音速與抗彎彈性模數間亦成一顯著正相關，r值為 0.78，稍 低於動彈性模數與抗彎彈性模數之關係。Wang et al (2005)就超音波法評估台灣杉彈性 模數時指出，超音波速與抗彎彈性模數之r值為 0.763，而超音波動彈性模數與抗彎彈性 模數之r值為 0.815。. ■. y = 0.037x - 99.37 R2=0.54. 2 by 6. 2. □. 2. 120. 3. MOE(10 kgf/cm ). 160. 80. y = 0.0321x - 72.05 R =0.40. 2 by 8. 40 0 0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. 7000. Vu (m/s). 圖 4-5 超音波速與抗彎彈性模數之關係 (資料來源:本研究自製). 31.
(46) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立. ■. □. 2 by 6. y = 0.643x + 23.58 R2= 0.50. 2 by 8. 3. 2. MOE(10 kgf/cm ). 160. y = 0.849x - 2.55 R2= 0.65. 120 80 40 0 0. 50. 100. 150. 200. DMOEv(10 3kgf/cm2). 圖 4-6 超音波動彈性模數與抗彎彈性模數之關係 (資料來源:本研究自製) 3.打音法與抗彎彈性模數之相關性 圖 4-7 與圖 4-8 分別為打音音速、打音動彈性模數與抗彎彈性模數（MOE）之關係 圖，可以發現當直接以打音音速評估 2 by 6 與 2 by 8 杉木製材品 MOE時，其R2值分別 為 0.68 與 0.71，考慮密度之影響，而以DMOEf預測 2 by 6 與 2 by 8 杉木製材品 MOE 時，其R2值分別提升為 0.82 與 0.90，其相關性較超音波法更佳，同時由於打音法所測 得之DMOEf較超音波法所得之DMOEv更接近MOE，因此，打音法來進行杉木製材品之 評估將比超音波法來得準確。黃彥三等（1990）曾就打音頻譜分析應用於評估材質之 可行性進行探討，其指出利用FFT頻譜分析儀可以迅速而準確的量測材質之動彈性模 數，且與抗彎彈性模數有顯著之正相關存在（r=0.92）。黃彥三等（1993）曾就打音法 與超音波法評估原木材質，其指出以平均值而言，利用打音法與超音波法均能量測出 相近之數值，但以超音波法所得數值分散較大，而打音法可得較高之再現性。陳載永 與鍾建有（1995）以打音頻譜分析花旗松、紅櫟木、冰片樹、檜木、西部鐵杉與柳桉 等六種實木之彈性模數，結果指出除西部鐵杉與柳桉外，其餘樹種之打音動彈性模數 與抗彎彈性模數之R2值達 0.44-0.87。陳載永與葉政翰（1996）再就打音頻譜分析法評. 32.
(47) 第四章 實驗結果與討論. 估木材之彈性模數，結果指出以此法求得之動彈性模數會較抗彎彈性模數大，但R2值 可達 0.82。. ■. y = 0.033x - 62.26 R2=0.68. □. y = 0.039x - 97.14 R2=0.71. 2 by 6 2 by 8. 120. 2. MOE(10 kgf/cm ). 160. 3. 80 40 0 0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. Vf(m/s). 圖 4-7 打音音速與抗彎彈性模數之關係 (資料來源:本研究自製). 2. ■. □. 2. 120. 3. MOE(10 kgf/cm ). 160. 80. y = 0.861x + 10.52 R =0.82. 2 by 6. 2. y = 0.954x + 2.050 R =0.90. 2 by 8. 40 0 0. 50. 100 3. 150. 200. 2. DMOEf(10 kgf/cm ). 圖 4-8 打音動彈性模數與抗彎彈性模數之關係 (資料來源:本研究自製) 33.
(48) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立 （Ⅳ）應用打音法建立機械應力分等等級 木製品之應力分等係依據材料特性作為機械性能之指標，欲達到最終尚能應用之 目的，一般多利用不會造成材料損壞或產生殘留應力影響材料未來應用之方法，亦即 非破壞性評估，由非破壞性檢測法評估彈性模數，作為機械分等之依據，如北美應用 之撓曲法所設計之 Stress-O-Matic 及 Continuous-Lumber-Tester 兩種機械作業設備。 前述以打音法所得之 DMOEf 相當接近實際之抗彎彈性模數（MOE），因此以 DMOEf 值作為機械分等之依據，依 CNS 14630 機械分等區分為 E50、E70、E90、E110、 E130、E150 等六個等級，其與以 MOE 值進行分等所得結果如表 4-18 所示，同時，由 各等級內彈性模數之平均值與標準偏差，可計算出各等級內彈性模數之 95％下限水準 值（如下式），亦即此一等級內製材品之彈性模數有 95％之機率高於該數值。 95％下限水準值 ＝ X – 1.645S 其中，X 為平均值，S 為標準差 另由各等級之 DMOEf 與 MOE 比較發現，本試驗中除 2 by 6 杉木製材品 E110 等 級外，其他各等級材，DMOEf 值約較 MOE 值大約 0.16-2.80％；2 by 8 杉木製材品， 則 DMOEf 值約較 MOE 值大約 1.66-6.53％，相當接近，因此，以打音法作為評估製材 品應力分等應屬可行之法。. 表 4-18 機械應力分等等級 Item. 2- by 6-inch China-fir laminae. 2- by 8-inch China-fir laminae. Grade. DMOEf. MOE 95％ limit. Average. E50. 56177 (4417). 48911. 55553 (4365). 48373. E70. 73694 (4047). 67037. 72689 (3985). 66134. E90. 90052 (6175). 79894. 89908 (5581). 80727. E110. 105623 (4293). 98561. 107527 (5764). 98045. E130. 126014 (2134). 122503. 125197 (4686). 117488. E150. 151350. -. -. 147225. -. -. E70. 80330 (6000). 70460. 75408 (3424). 69776. E90. 92703 (6695). 81690. 90828 (5712). 81431. E110. 109920 (6519). 99197. 108124 (5611). 98893. E130. 130337 (2623). 126022. 127413 (4925). 119312. Values in parentheses represent the standard deviation.. (資料來源:參照 CNS 14630 機械分等標準). 34. 95％ limit. Average.
(49) 第四章 實驗結果與討論. 4.2.2. 2 by 4 製材品(台大實驗林)的試驗結果 (1)杉木製材品之基本性質 本批試材約為 20 年生的杉木，來自台大實驗林和社營林區第五林班，試材尺寸為 3.8 cm × 8.9 cm × 210 cm 120 支，分別測定木材密度、目視分等(CNS13826 造林木針葉 樹製材分等標準，表 4-19 所示)、超音波測定法、橫向振動法、抗彎試驗，結果平均木 材密度為 0.382 (g/cm3)，平均超音波速度為 5240（m/s），超音波動彈性模數平均為 107380 （kgf/cm2） ，橫向振動法動彈性模數平均為 99626（kgf/cm2） ，抗彎彈性模數平 ，抗彎強度平均為 423（kgf/cm2） 。比較各動彈性模數與抗彎彈性 均為 90530（kgf/cm2） 模數發現，超音波動彈性模數分別較橫向振動法動彈性模數、抗彎彈性模數高約 7.2％ 與 15.7％，而橫向振動法動彈性模數則較抗彎彈性模數高約 9.1％。. 表 4-19 CNS444 造林木針葉樹製材分等標準(割材類) 品等 節 弧邊 腐朽、蟲孔、傷 缺 鋸口縱裂 其它缺點. 一等 節徑比 30%以下 5%以下 無. 二等 節徑比 50%以下 20%以下 節徑比 40%以下. 三等 節徑比 80%以下 60%以下 節徑比 60%以下. 5%以下 極輕微. 10%以下 輕微. 20%以下 較顯著. (資料來源:參照 CNS444 造林木針葉樹製材分等標準(割材類)) （Ⅱ）不同目視分等的製材品之性質 本批實大樑經過目視分等後，主要是依據節徑比大小來判斷木材等級，木材目視 分等的結果，其所佔百分率分別為一等材佔 34.2%，二等材佔 12.5%，三等材佔 21.7%， 等外材佔 31.7%。 不同目視分等製材品的木材密度、超音波速度、超音波動彈性模數、橫向振動法 動彈性模數、抗彎彈性模數、抗彎強度數值，如表 4-20 所示，不同目視分等之間的所 有製材品特性都沒有顯著性的差異存在，此表示以目視分等區分木材時，並不能顯示 出材料的強度特性，這可能是因為本批木材僅約為 20 年生，含有大部份的未成熟材存 在，對於以目視判斷木材品等時，主要是以節徑比為依據的狀況下，與未成熟材對木 材強度的影響的結果並不相同。唐讓雷(1984)指出杉木作為材料的最大缺點是含有高比 35.
(50) 木構造古蹟與歷史建築修復用新木料擇用基準之建立 例的未成熟材存在，木材自然的缺點如節、裂等缺陷，可以由目視外觀區分之，但不 適合於應用於中小徑木。因為目視分等僅能觀察木材表面的缺點，對於木材內部的缺 點無法判斷，由於試材具有未成熟材，以致於不同目視分等之間的強度性質沒有顯著 性的差異。因此，預達到木材有效分等及利用，需要在目視分等之後，再進行機械應 力分等試驗，以達到木材強度分等目的。. 表 4-20 不同等級木材之氣乾密度、超音波速度、動彈性模數、抗彎彈性模 數及抗彎強度 木材品等 D (g/cm3) V (m/s) DMOEu (kgf/cm2） DMOEv kgf/cm2） MOE（kgf/cm2） MOR（kgf/cm2） 木材密度, D; 超音波速度, V;. 一等材 二等材 三等材 等外材 0.385 0.372 0.384 0.381 5335 5263 5174 5196 112200 105300 105500 105700 104400 98400 96400 98500 92200 91100 87000 92000 427.4 395.2 425.9 435.2 超音波動彈性模數, DMOEu; 橫向振動法動彈性模數,. DMOEv; 抗彎彈性模數, MOE; 抗彎強度, MOR. (資料來源:本研究自製) （Ⅲ）製材品不同材質特性之間的關係 製材品的木材密度、超音波速度、超音波動彈性模數、橫向振動法動彈性模數、 抗彎彈性模數、抗彎強度數值相互之間的關係，如表 4-21 所示，所有的強度性質之間 的直線迴歸結果得知，它們之間存在顯著性正相關性，決定係數(R2)範圍從 0.243 到 0.861 之間，應用超音波法及橫向振動法非破壞性技術評估製材品的抗彎彈性模數及抗彎強 度的預測結果，發現橫向振動法較超音波法有較佳的評估水準，其迴歸方程式的結果 可以提供未來木材製材品應用非破壞性檢測技術評估機械應力分等的決定標準 (CNS14630 機械等級區分，抗彎彈性模數E50 (>40000, <60000)、E70 (>60000, <80000)、 E90 (>80000, <10000)、E110 (>100000, <120000)、E130 (>120000, <140000)、E150 (>140000))。. 36.
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