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
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(2) 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. 受委託者：國立台灣大學森林學系 研究主持人：蕭江碧 協同主持人：蔡明哲 研. 究. 員：王松永. 研 究 助 理 ：楊德新、高毓謙. 內政部建築研究所委託研究報告 中華民國九十二年十月.
(3) 摘. 要. 關鍵詞：古蹟及歷 史 建 築 、木 構 件 損 壞 評 估 、 非破壞性方法 國內木結構古蹟及歷 史 建 築 約 佔 六 成 ， 大 木作損壞之程 度除了與木構造古蹟及歷 史 建 築 的使用壽命相關外，大 木作損 壞 之 評 估 更 對 其 結 構 安 全 性 造 成 很 大 的 影 響 。 本 研 究 首 先 針對 於目前國內古蹟及歷史建築大木構件非破壞檢測方法之 適 用 性 進 行 文 獻 資 料 之 蒐集與分析。其次以超 音 波 檢 測 儀 、 應 力 波 檢 測 儀 、 阻 抗 圖 譜 儀 檢測國內古蹟及歷 史 建 築 大木 構件之損壞程度，可供建立古蹟及歷史建築大木構件損壞分級 之參考，以及日後木 構件採 不 同 修 復 措 施 之重要參考依據。 另外，並以萬能強度試驗機進行新舊木 料之彎曲試驗，除可究 明新 舊 木 料 非 破 壞 檢 測 與 破 壞 檢 測 結 果 之 關 係 外 ， 尚 可 究明國 內 古 蹟 修 復 所 採 用 新 料 與 過 去 使 用 天 然 林 材 質 之 差異，供未來擇用新料之參考依據。 1. 國 內 古 蹟 及 歷 史 建 築 木 料 之 非 破 壞 檢 測 方 法 有 目 視 檢 驗 法、敲擊檢驗法、探針檢驗法、聽診器檢測法、射線照射檢 測法、超音波檢測法、構件損壞評估法、阻抗圖波檢測法 (Rinn Tech Resistograph 1410)、木材腐朽檢測法(Sibert Tech Wood Decay Analyzer)，各有其優點與缺點、以及適 用性與侷限性。 2. 古蹟與歷史建築木料之損壞檢測，基本方法是目視與敲擊， 定期的測定結果為認識異常之目的之超音波速診斷，更進一 步集中重點之重要部位之監視法 Rosistograph（或 DMP 檢 測）會較為適當。Rosistograph（或 DMP）進行檢查是局部.
(4) 的損傷會隨之發生，但內部之狀態能加以把握之有效的方 法。 3. 杉木新料的氣乾比重與 E DU 之間的直線迴歸式有相關性，但 與超音波速之間則無相關性存在。 4. 杉木新料超音波速與 E DU 、E DT 、MOE 相互間，所得直線迴歸 式均具有顯著的相關性，而與 MOR 之間則無相關性存在。 5. 杉木新料 E DU 、E DT 、MOE 相互間，所得直線迴歸式均具有顯 著的相關性。 6. 杉木 E DU 、E DT 、與 MOR 相互間，所得直線迴歸式，亦有顯著 性存在，但其相關係數僅有 0.60 左右。 7. 天 然 林 杉 木 與 人 工 林 杉 木 之 密 度 差 異 不 大，但 是 影 響 其 力 學 性 質 甚 大 之 平 均 年 輪 寬，是 以 天 然 林 杉 木 小 於 人 工 林 杉 木，而 天 然 林 杉 木 抗 彎 性 質 也 遠 優 於 人 工 林 杉 木 。 所 以 未 來 修 復 古蹟與歷史建築時，對於木料之挑 選應非常慎重，並訂定一套正確之木料規範。 8. 本 研 究 以 超 音 波 儀 檢 測 台 北 孔 廟 抽 換 舊 木 料 內 部 健 全 處 之 縱向音速值均在 4763∼5671 m/s，符合健全材音速值之範 圍。目視判斷試材僅周遭腐朽（近外側邊材），材料內部仍 保有相當完整之斷面。結果顯示，國內古蹟修復抽換大多僅 憑木料外觀目視之判斷，材料內部仍保有相當完整之斷面應 仍能承受外力，或當作其他部材再利用，因此古蹟抽換木料 之標準應即時建立，方不會因修復抽換木料而減損古蹟之歷 史價值與浪費資材。 9. 評估試材品質時，可藉由音波之傳遞速度與其本身之密度來 達成。 10. 超音波與 DMP 的檢測應用於古蹟材料之損壞上，有一定的可 信度 。.
(5) 目. 錄. 第一章 緒 論 第一節 研究案之背景 ....................................01 第二節 研究目的與範圍 ..................................02 第三節 研究方法與進行步驟 ..............................03 第四節 預期完成之工作及具體成果 ........................05 第二章 古 蹟 及 歷 史 建 築 大 木 構 件 非 破 壞 檢 測 方 法 第一節 前言 ............................................06 第二節 國內外木 料 非 破 壞 檢 測 方 法 .....................07 第三節 古蹟及歷史建築木料之非 破 壞 檢 測 方 法 與 程 序 .....17 第四節 國內古蹟及歷史建築常使用木料性質之資料庫 ........29 第三章 古蹟及歷史建築修復用新木料材質評估 第一節 新木料 ..........................................33 第二節 試驗方法 ........................................33 第三節 結果與討論 ......................................35 第四章 古蹟及歷史建築大木構件損壞評估 第一節 損壞舊木料 ......................................51 第二節 試驗方法 ........................................51 第三節 結果與討論 ......................................58. 第五章 總結與建議 ..........................................85. 第六章 主要參考文獻 ........................................88.
(6) 第七章 附件 第一節 期中審查意見與答覆 ..............................93 第二節 期末審查意見與答覆 ..............................93.
(7) 表. 目. 錄. 表 2-3.1： 國 內 曾 採 用 之 非 破 壞 檢 測 技 術 ...................................... 18 表 2-3.1〔菌類子實體附著狀況之調查〕，〔敲擊〕，〔超音波速測定〕 三合一診斷木料損壞法 ................................................................................. 24 表 2-3.2 木橋木料損壞診斷結果 .............................................................. 27 表 2-4.1 木 構 造 歷 史 建 築 所 使 用 木 料 的 物 理 及 力 學 性 質 ...... 30 表 3-3.1. 萌蘗林與實生林氣乾比重之 T 分配 ...................................... 35. 表 3-3.2. 萌蘗林杉木與實生林杉木超音波速之 T 分配..................... 36. 表 3-3.3. 萌蘗林木材與實生林杉木超音波動彈性模數之 T 分配 ... 37. 表 3-3.4 萌蘗林與實生林杉木之橫向振動動彈性模數（EDT）之 T 分 配................................................................................................... 38 表 3-3.5. 萌蘗林與實生林杉木 MOR 之 T 分配 ...................................... 39. 表 3-3.6. 萌蘗林與實生林杉木 MOE 之 T 分配 ...................................... 39. 表 3-3.7 目視分等與其他試驗的鄧肯分析表 ........................................ 40 表 3-4.1 杉 木 （ 福 州 杉 ） 天 然 林 與 人 工 林 木 材 材 質 之 比 較 .. 50 表 4-3.1 台北孔廟西庫與西廂全試材之縱向音波速度 ........................ 58 表 4-3.2 台北孔廟西庫與西廂分段試材之縱向音波速度.................... 58 表 4-3.3 台北孔廟西庫與西廂全試材與小試材間之差異性分析 ...... 59 表 4-3.4 台北孔廟西庫與西廂各分段試材進行音速值與抗彎性質. 60.
(8) 圖. 目. 錄. 圖 1-3.1 進行步驟流程圖............................................................................ 04 圖 2-3.1 調查對象之橋梁............................................................................. 22 圖 2-3.2 已顯著腐朽之地板（橋梁地板） .............................................. 23 圖 2-3.3 橋梁地板下面附著之子實體....................................................... 23 圖 2-3.4 橫切面間（縱向）之超音波速之出現頻率 ............................ 25 圖 2-3.5 RESISTOGRAPH 之結果的例子 ................................................... 26 圖 3-3.1 萌蘗林杉木與實生林杉木超音波速之次數分佈頻率............ 36 圖 3-3.2 萌蘗林與實生林杉木超音波動彈性模數之次數分佈頻率圖 ............................................................................................................................. 37 圖 3-3.3 杉木目視分等各等級的頻率百分率 ........................................ 40 圖 3-3.4 杉木比重與超音波速的關係...................................................... 43 圖 3-3.5 杉木比重與 EDU 的關係 ................................................................. 44 圖 3-3.6 杉木超音波速與 EDU 的關係 ........................................................ 44 圖 3-3.7 杉木超音波速與 EDT 的關係 ........................................................ 45 圖 3-3.8 杉木超音波速與 MOE 的關係...................................................... 46 圖 3-3.9 杉木超音波速與 MOR 的關係...................................................... 46 圖 3-3.10 杉木 EDU 與 EDT 的關係.................................................................. 47 圖 3-3.11 杉木 EDU 與 MOE 的關係 ............................................................... 48 圖 3-3.12 杉木 EDU 與 MOR 的關係 ............................................................... 48 圖 3-3.13 杉木 EDT 與 MOE 的關係 ............................................................... 49 圖 3-3.14 杉木 EDT 與 MOR 的關係 ............................................................... 49 圖 4-2.1 SYLVATEST 超音波儀檢測福州杉舊料的縱向音速示意 ...... 53 圖 4-2.2 SYLVATEST 超音波儀檢測福州杉舊料的橫向音速示意 ...... 53 圖 4-2.3 SYLVATEST 超音波儀檢測福州杉舊料分段試材的縱向音速示 意......................................................................................................................... 53 圖 4-2.4 SYLVATEST 超音波儀檢測福州杉小試材縱向音速測定示意 ............................................................................................................................. 53.
(9) 圖 4-2.5 DMP (DIGITAL MICROPROBE) 儀器配件.................................. 55 圖 4-2.6 鑽孔阻抗力分佈圖 ...................................................................... 56 圖 4-3.1 台北孔廟西庫與西廂各分段試材之音速值與 MOE 之關係圖 ............................................................................................................................. 61 圖 4-3.2 台北孔廟西庫與西廂各分段試材之音速值與 MOR 之關係圖 ............................................................................................................................. 62 圖 4-3.3 台北孔廟西庫與西廂各分段試材之密度值與 MOE 之關係圖 ............................................................................................................................. 62 圖 4-3.4 台北孔廟西庫與西廂各分段試材之密度值與 MOR 之關係圖 ............................................................................................................................. 63 圖 4-3.5 台北孔廟西庫與西廂各分段試材之動彈性模數與 MOE 之關係 圖......................................................................................................................... 63 圖 4-3.6 台北孔廟西庫與西廂各分段試材之動彈性模數與 MOR 之關係 圖......................................................................................................................... 64 圖 4-3.7 西庫右間后 4 試材之橫向音速變化圖 ..................................... 65 圖 4-3.8 西庫右間后 5 試材之橫向音速變化圖 ..................................... 65 圖 4-3.9 西庫右間后 7 試材之橫向音速變化圖 ..................................... 65 圖 4-3.10 西庫右間前 3 試材之橫向音速變化圖 ................................... 66 圖 4-3.11 西庫右間前 6 試材之橫向音速變化圖 ................................... 66 圖 4-3.12 西庫右間前 8 試材之橫向音速變化圖 ................................... 66 圖 4-3.13 西庫二-6 試材之橫向音速變化圖........................................... 67 圖 4-3.14 西庫左間前 8 試材之橫向音速變化圖 ................................... 67 圖 4-3.15 西廂四-2 試材之橫向音速變化圖........................................... 67 圖 4-3.16 西廂四-3 試材之橫向音速變化圖........................................... 68 圖 4-3.17 西廂五后 3 試材之橫向音速變化圖 ....................................... 68 圖 4-3.18 西廂七前 4 試材之橫向音速變化圖 ....................................... 68 圖 4-3.19 台北孔廟西庫右間前 6 (距 A 端 90 ㎝)木構件 DMP 檢測結 果......................................................................................................................... 72 圖 4-3.20 台北孔廟西廂五后 3 (距 A 端 300 ㎝) 木構件 DMP 檢測結果.
(10) ............................................................................................................................. 73 圖 4-3.21 台北孔廟西廂四-3 (距 A 端 60 ㎝) 木構件 DMP 檢測結果 ............................................................................................................................. 74 圖 4-3.22 台北孔廟西庫右間前 8 (距 A 端 120 ㎝) 木構件 DMP 檢測結 果......................................................................................................................... 75 圖 4-3.23 台北孔廟西庫右間后 7 (距 A 端 90 ㎝) 木構件 DMP 檢測結 果......................................................................................................................... 76 圖 4-3.24 台北孔廟西廂四-3 (距 A 端 300 ㎝) 木構件 DMP 檢測結果 ............................................................................................................................. 77 圖 4-3.25 台北孔廟西庫右間前 3 (距 A 端 30 ㎝) 木構件 DMP 檢測結 果......................................................................................................................... 78 圖 4-3.26 台北孔廟西庫右間前 3 (距 A 端 270 ㎝) 木構件 DMP 檢測結 果......................................................................................................................... 79 圖 4-3.27 台北孔廟西庫二-6 (距 A 端 60 ㎝) 木構件 DMP 檢測結果 ............................................................................................................................. 80 圖 4-3.28 台北孔廟西庫右間后 4 (距 A 端 30 ㎝) 木構件 DMP 檢測結 果......................................................................................................................... 81 圖 4-3.29 台北孔廟西庫右間前 8 (距 A 端 60 ㎝) 木構件 DMP 檢測結 果......................................................................................................................... 82 圖 4-3.30 台北孔廟西庫左間前 8 (距 A 端 300 ㎝) 木構件 .............. 83.
(11) 第一章 緒 論 第一節 研究案之背景 國內傳統建築中列為古蹟及歷史建築者約有六成以上屬 於木構架為主的傳統建築，然傳統建築木構件可能受到不同因 子 之 影 響 與 危 害，產 生 木 構 件 之 位 移、變 形、腐 蝕 或 其 他 損 壞 。 因而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。依民國七十三年公布之《文化資產保存法施行 細 則 》 四 十 六 條 之 規 定 ， 古 蹟 修 復 應 依 下 列 原 則 為 之 ： （ 1） 保 存 原 有 色 彩 、 形 貌 ， （ 2） 採 用 原 用 或 相 似 之 材 料 ， （ 3） 使 用 傳 統 之 技 術 及 方 法，（ 4）非 有 必 要 不 得 解 體。在 此 原 則 下 ， 決定是否需半解體、解體修復、或根本無需解體重建時，對木 構架之檢測顯得特別重要。 然目前之古蹟修復過程之調查檢測工作一項多偏重建築 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。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，而另方面在安全、保守的 觀念下，舊木構件被更換之比率也常偏高（古蹟修復案審查時 經 常 被 詬 病 ）， 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。針對上述，若能有木 構件損壞檢測依循之定量準則，以及舊（堪用）木構件損壞之 審慎評估研究，對於國內古蹟修復將有莫大之貢獻。 就木構件損壞檢測而言，由於對古蹟及歷史建築木作不得 進 行 破 壞 檢 視 ， 因 此 應 用 非 破 壞 性 方 法 （ Nondestructive Testing，簡 稱 NDT）來 檢 測 建 築 物 中 木 構 件 內 部 損 壞 之 程 度 、. 1.
(12) 位置、範圍，甚至用於修復時新木料之選購上，皆為唯一可行 的方法。目前實際應用於國內古蹟之非破壞性檢測法對大木構 件損壞程度的判斷有傳統的目視法、敲擊法、利用現代儀器的 聽筒法、γ射線照設法、使用結構強度計算的損壞量測法以及 超 音 波 檢 測 法 等 。 筆 者 曾 使 用 非 破 壞 檢 測 法 -超 音 波 法 檢 測 木 構件損壞，藉由超音波法可以求得木材之動彈性模數、剛性係 數、音速、及對數衰減率，其中之彈性模數是木構材強度性質 的重要指標。目前已獲致國內多處古蹟及歷史建築木作之基礎 超音波資料庫，然而超音波檢測木構材腐蝕之技術雖經肯定， 且在以往應用此類非破壞性檢測法所求得之動彈性模數、抗彎 彈性模數和抗彎強度之間的關係的研究中，已有許多研究報告 證實動彈性模數與抗彎試驗之抗彎彈性模數間，抗彎彈性模數 及抗彎強度之間均有直線迴歸式關係存在，但實際應用超音波 檢測木構材腐蝕之技術仍有侷限性與盲點，然而作為全面性的 檢測標準仍有困難。 所以在考慮古蹟與歷史建築現場檢測木構件損壞的準確 性、實用性、經濟性與安全性下，本研究除採用超音波法外， 並 配 合 應 力 波 法 ， 與 採 用 鑽 針 阻 抗 （ Resistograph） 檢 測 系 統 （或 DmP 檢測儀），此 系 統 是 利 用 儀 器 配 備 的 馬 達 驅 動 極 細 之 鑽 針鑽入木構件中，測得木構件對鑽針的阻抗強度，藉助此儀器 與電腦連線，可瞭解木構件劣化的種類、程度、範圍與定位， 可提供後續木構件修復之重要參考資料，對於古蹟及歷史建築 結構安全性評估極為重要。. 第二節 研究目的與範圍 本研究目的擬結合超 音 波 法 、 應 力 波 法 與 鑽 針 阻 抗 （ Resistograph） 檢 測 系 統 （或 DmP 檢測儀） ， 進 行 國內古蹟 及歷史建築舊 木 料 之 損 壞 檢 測 評 估，並 與 國 內 所 能 購 得 之 新 料. 2.
(13) 材質進行比較。歸納研究目的如下： (1) 評 估 目 前 國 內 古 蹟 及 歷 史 建 築 大 木 構 件 非 破 壞 檢 測 方 法 之 適用性。 (2) 以 超 音 波 檢 測 儀 、 應 力 波 檢 測 儀 、 阻 抗 圖 譜 儀 檢 測 古 蹟 及 歷史建築所使用舊木料之損壞程度及材質。 (3) 探 究 舊 木 料 抗彎性質之 MOE 及 MOR，與非破壞性試驗所求得動彈 性模數（ED）之關係，以究明不同試驗方法之間的相關性，供作為 材質評估之依據。 (4) 分 析 國 內 古 蹟 修 復 所 採 用 新 料 與 過 去 使 用 天 然 林 材 質 之 差 異，供未來擇用新料之參考依據。. 第三節 研究方法與進行步驟 3-1 研究方法 (1) 資料收集與分析 對於目前國內古蹟及歷史建築大木構件非破壞檢測方法 之 適 用 性 進行文獻資料之蒐集與分析。 (2) 新 、 舊 木 料 非 破 壞 檢 測 以超 音 波 檢 測 儀 、 應 力 波 檢 測 儀 、 阻 抗 圖 譜 儀 檢測國內古蹟 及歷 史 建 築 大木構件之損壞程度與材質。首先以 SYLVATEST 超音波儀 與應力波試驗儀器檢測福州杉舊料與新料的性質，再以目視法與超音波 法將福州杉舊料依其損壞程度分段後，以 SYLVATEST 超音波儀、應力波 試驗儀器、阻抗圖譜儀 Resistograph 技術（或 DmP 檢測儀）檢測分段 舊料徑向之損壞程度。 (3) 新 、 舊 木 料 破 壞 檢 測. 3.
(14) 將上述非 破 壞 檢 測 後 之 舊木 料 分段，裁製成彎曲試驗試片、 壓 縮試驗試片、 及剪斷試驗試片，以 SHIMADZU 1991 年出廠之加長型萬 能強度試驗機進行破壞試驗。. 3-2 進行步驟 進行步驟以流程圖 1-3.1 表示如下：. 研究主 題確立. 不同非破壞 檢測方法之 適用性評估. 新舊木料非 破 壞 檢 測：超 音 波 法、應 力 波 法、阻 抗 圖 譜儀技術. 結論與 建議. 圖 1-3.1 進行步驟流程圖. 4. 新舊木料破 壞 檢 測：彎 曲 試 驗，壓 縮 試 驗及剪斷試 驗.
(15) 第四節 預期完成之工作及具體成果. 經由本計畫之執行，預期可完成如下之具體成果： 1. 探討不同非破壞檢測法評估古蹟及歷史建築大木構件損壞之可行 性，可作為將來大木構件損壞調查之重要依據。 2. 以超 音 波 檢 測 儀、應 力 波 檢 測 儀、阻 抗 圖 譜 儀 檢測國內古蹟及 歷 史 建 築 大木構件之損壞程度與材質之成果，可供建立古蹟及歷史 建築大木構件損壞分級之參考，以及日後木 構件採 不 同 修 復 措 施 之 重要參考依據。 3. 可藉由古蹟及歷史建築大木構件舊料非破壞性試驗所求得動彈性模 數（ED）究明舊料抗彎性質之 MOE 及 MOR，供作為材質評估之依據。 4. 可究明國 內 古 蹟 修 復 所 採 用 新 料 與 過 去 使 用 天 然 林 材 質 之 差異，供未來擇用新料之參考依據。. 5.
(16) 第二章 古 蹟 及 歷 史 建 築 大 木 構 件 非 破 壞 檢 測 方 法 第一節 前言 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（沈 學銘，1994：1） ，然傳統建築木構件可能受到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。因而為達古蹟大木構件修 護之目的，必須有對古蹟中木構件檢測之完善規畫。依民國七十三年公 布之《文化資產保存法施行細則》四十六條之規定，古蹟修護應依下列 原則為之： （1）保存原有色彩、形貌， （2）採用原用或相似之材料， （3） 使用傳統之技術及方法， （4）非有必要不得解體。在此原則下，決定是 否需半解體、解體修護、或根本無需解體重建時，對木構架之檢測顯得 特別重要。 然目前之古蹟修護過程之調查檢測工作一項多偏重建築之人文及 歷史研究，因而提出之修護對策相當粗略，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。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護處理上有失客觀，而另方面在安 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， 更使許多古蹟在修護後完全翻新，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，皆為唯一可行的方法。. 6.
(17) 第二節 國內外木料非 破 壞 檢 測 方 法. 2-2-1 國內外木料非 破 壞 檢 測 之 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(柯志裕，1995;Ross and Pellerinet，1991)。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(曾逸仁，1997)。另外，侯 國琛(1992)亦指出， 『在不破壞材料 ，未來有效性之下，對材料檢測與 檢查之所有測試方法的總稱』 。黃義夫(1991):『運用各種不同之物理方 法，對材料、零件或成品，在不破壞其組織，不影響其性能，不干擾其 運用下，來檢探隱藏潛伏表面或內部的缺陷及其變移，量度在不同情況 下之物性及其變化，測量各種之尺寸及其變動，最後將所獲得之資料加 以研判鑑定，來決定其品質完整性及使用可靠性』。蔡鍚堯(1996)『運 用各種不同的物理方法或技術，用以檢測材料、零件或成品在加工過程 或表面或底部之間斷(瑕疵、缺陷)以及量度其物理性質-測量、膜厚測 量、導電率、彈性模數，而不破壞其原有組織、性能、品質及可用性， 進而分析其間斷(瑕疵、缺陷)的尺寸、位置及變化情形，藉以作為品質 可靠度鑑定之依據，此稱為非破壞性檢測(驗)』。 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，尤以放射性元素成功運用在工業 研究與損壞預防方面，縮短研究所需時間並節省經費，成果卓著。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，其功能時常被認為僅能檢查瑕疵並確定其位置，事實上非破壞性檢 測法與技術還能量測工業物件與材料的物理特性、尺寸或不均質的情 形，已成為現代工業實施品管的必要過程(侯國琛，1992)。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. 7.
(18) 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(曾逸仁，1997)。 Ross et al.(1991)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 lumber 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(Galligan，1977)。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(Sharp，1985)。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。 美國很早便從事木材非破壞性試驗的研究，Jayne(1959)在其研究 報告中指出:我們可以使用一些非破壞性檢測方法來量測木材中能量貯 存(storage)及散失（dissipation）的性質，這些性質和決定這些材料 靜力性質是由同一機制所控制。所以這些性質和靜力性質之間的數學關 係可以用統計迴歸分析加以達成。以微觀來看，能量的貯存受到細胞和 結構排列組成的影響，而這些正是影響靜彈性及強度的因子，這個性質 可以由振動的頻率或是音波傳播速度加以觀測;相反地，能量散失是由 內部摩擦控制，通常觀察木材或其他材料的自由振動衰減率或音波衰減 即可得知(柯志裕，1995)。 Galligan（1964）指出木材或木質材料之 NDE 大致可分成下列四. 項： （1）目視分等評估:顏色、缺點的存在， （2）物理測試:電阻方式、. 8.
(19) 誘電率、振動特性、音波傳遞、音射及 X-ray 等方法。 （3）化學測試: 組成分、防腐處理及耐燃劑處理之分析。（4）機械性質測定:挺性、抗 彎、拉伸及壓縮試驗、探針及鑽孔試驗。 角谷和男(1965)曾使用超音波音速技術測定，確認木材內部缺陷 (空洞、腐朽或節)檢出的可能性，其中木材內部缺陷的存在會使超音波 音速漸減，但節對於平行於木理方向的因素影響較小，而對徑向之因素 影響較大。 Ross and Pellerin (l991)指出，以非破壞性試驗來檢測木材強 度的方法有很多種，包括（1）施加小載重:此係在彈性限度內對試材施 以靜載重，通常是以抗彎方式，由其載重與撓度關係計算彈性模數(田 中俊成，1988;Sandoz，1993)。（2）振動法:此係使試材產生自由振動 或強制振動，藉由其自然頻率或共振頻率來求出彈性模數(周群，1990; 黃彥三等，1990;葉政翰，1994;田中俊成，1988; Wang and Chen,1992)。 （3）超音波法:在木材的一端產生超音波，在另一端接收，由超音波傳 遞 時 間 ( 速 度 ) 來 計 算 彈 性 模 數 ( 陳 載 永 ， 1989; 田 中 俊 成 ， 1988;Sandoz,1989)。 （4）應力波傳播:敲擊試材使其產生應力波，藉應 力波傳播速度求出彈性模數(陳載永，1989;葉政翰，1994;田中俊成， 1988;名波宜道;1992a; 1992b;l993)。（5）打音法:在試材一端敲擊使 其產生振動，在另一端面附近以麥克風接收木材中彈性波打擊音之傳 播，利用 FFT 將瞬間發生之打音波形分解成頻譜，求出自然振動頻率， 以便求出音速及彈性模數(黃彥三等，1990;葉政翰，1994;黃彥三等， 1996)。以上（3） 、 （4） 、 （5）三種方法所利用的均是波速與介質有關的 原理，雖然一開始的頻率不同，但是當音波從一個介質傳到另一介質時 波長會改變，即可利用其波速求出材料的動彈性模數。 三城昭義(1994)探討包括（1）試材表面與 sensor 之接合方式， （2） 試材長度， （3）木材的表面特性， （4）測定溫度， （5）使用頻率等因子， 對木材中超音波傳遞速度的影響。Mishiro(1995;1996a，b，c，d)曾針 對影響超音波傳播速度的因子，進行一系列研究。其中探討木材中的水 分對於超音波速的影響概述如下:（1）木材中水分梯度的影響，當水分. 9.
(20) 梯度與音波傳遞的方向平行時 ，則超音波速符合複合材定律 V=h1/v1+h2/v2+…+hn/vn ;(2)水分梯度與音波傳遞的方向垂直時，則 波速主要依靠試材中最快的傳播路徑來決定。浦上弘幸等(1996)亦提出 音波在木材軸(縱)向傳遞時，主要藉由秋材部分來移動，而木材中平均 含水率的影響:(1)纖維飽和點（FSP）以內，脫濕過程中平均含水率曲 線對超音波傳播速度，無論是徑向或是軸向，其形式是相似的。當考慮 相對超音波速時，即每一樹種於 MC%為 0 時，所測得之超音波速為 100， 則每一樹種可得一個方程式，此一方程式可以評估超音波速和平均含水 率的關係。(2)纖維飽和點以上，脫濕過程中平均含水率曲線對超音波 傳播速度，無論是徑向或是軸向，皆因樹種不同而有不同形式;同一樹 種的徑向波速會顯示曲線變化，並不完全重現於縱向波速曲線。FSP 以 上時，木材飽水狀態脫濕時，徑向波速與平均含水率之曲線圖，可以複 合材料定律的水分分佈來加以解釋。而密度對超音波速的影響則有:(1) 縱向波速 (VL)不完全受比重影響。(2)徑向波速(VR)會隨弦向波速(VT) 之增加而有增加的趨勢，縱向波速(VL)與徑向波速(VR)間則無顯著關係。 (3)VL 和 VR/VT 有隨比重的上升而有下降的趨勢，其意味著均質性提高， 異方性降低。該研究亦指出，木理與年輪傾斜角對超音波速的影響為:(1) 由縱向往徑向、弦向的超音波速會呈急遽的降低，在 60°時較為緩和， 此結果類似於抗彎試驗時木理角度對彈性模數或強度的影響。(2)在徑 切面及弦切面中變動，針葉樹方面:由徑切面往弦切面移動時，在 30°~50 °時會呈現最小值;闊葉樹方面:由徑切面往弦切面移動時，呈急速下降 的趨勢。 Gerhards(1978)曾比較超音波法及應力波法，指出對試材強度較 弱的地方，應力波的傳播速度會有較明顯減小的趨勢，當 sensor 間的 距離大到某一程度時，超音波法可能因為能量不夠而無法使 sensor 啟 動(trigger)，所以無法計算速度，至於能量不夠的原因可能是熱傳導、 黏滯磨擦及散射的結果。而以應力波振幅的衰減計算彈性模數，sensor 位於早材或晚材對於應力波傳播時間的量測並無影響。另 Gerhards （1981,1982）針對木材中音波特性進行一系列的試驗，研究發現木材. 10.
(21) 中若有節或交錯木理時，波的型式及速度會有改變，結論並指出應力波 在含有節或交錯木理的木材中傳播時，無法維持一個平面的方式前進。 鈴木弘志(1990)利用超音波技術探討柳杉及杉木之試材尺寸和木 理傾斜角對於縱波傳遞速度的影響，指出（1）圓棒長度大於 50mm 時， 其試材斷面與波長夠小的話，所測得之超音波音速接近於常數，且較以 往由振動方法所測得之音速約大 20%。（2）當木理角度增加到 45°時， 波速會急速的下降;由 45°往 90°增加時，波速會逐漸減慢。鈴木弘志 (1998)則針對木材的三個方向的音速衰減率、頻率的變化、異方性及測 定方法作了一連串的研究。 名波直道等(1992)亦曾探討應力波的測定方法，其指出以鎚子敲 擊固定在試材上的釘子可以得到明顯的波形，而且多次試驗的差異較 小，及其變異係數甚小;至於支持方式的影響，他們則試驗:（1）直接 放置在水泥地上，（2）放在泡棉上，（3）放在枕木上，以及（4）堆積 等四種情形，得知此四種試材之支持方式對試材應力波的時間差均無差 異，所以可以確定支持方式對試驗不會產生影響;此外他們並指出敲擊 力量的大小亦不會影響應力波的傳播速度，對於此點，葉政翰 (1994) 在其研究材種、含水率及長度對應力波試驗影響中，曾以預備試驗來証 實此一說法。莊世茲等(1997)曾針對應力波非破壞性試驗中，對於產生 應力波的鐵釘設置位置、釘入深度以及釘入角度對台灣杉旋切殘留圓柱 材的動彈性模數 Ed 之影響與差異，得知釘子與試材表面不同夾角（30°、 45°、60°）間並無顯著差異;此外釘子釘入深度(2cm、5cm)亦無顯著性 差異，惟考慮方便性則以 2cm 較為合適。 名波直道等(1992a;l992b;l993)應用敲擊所產生之應力波傳遞速 度，決定於柳杉原木中兩點間移動時之時間差，探討其測定上的各種問 題以及應力波之傳播路徑確定。進而使用於立木個體及林分間的材質評 估。 小玉泰義(1990)利用應力波速度進行柳杉與紅檜造林木機械強度 之非破壞評估，基於經由 hammer 敲擊立木或原木所產生之音速，其與. 11.
(22) 彈性模數間有密切的關係，進而研究運用音速作為立木應力分等之可行 性。小玉泰義(1992,1996)為了解木材中水分、密度對於超音波特性的 影響。超音波音速會隨著含水率的增加而降低，在 FSP 以上時隨著含水 率的增高，橫向音速與縱向音速的比值有增加的趨勢。當含水率在 FSP 以內時，音速會隨著含水率的增加而成直線狀的遞減，迴歸式為 V=a(MC)+b，而且比重愈增高時，迴歸係數 a 有遞減，常數 b 有漸增的 趨勢。當含水率在 FSP 以上時，自由水的填充率 F 扮演著重要的角色， F 被定義為自由水體積與木材中空隙體積之比值，音速會隨著 F 值的增 加，會呈現指數狀降低的情形，迴歸式為 lnc=a'F+b'，所有試材的 a’,b' 值幾乎相同，當 F 值接近 90%時，所有試材皆會測得最小音速。 藤田晉輔等(1992;1994;1995)以打擊音法應用於柳杉製材品動彈 性模數的評估作了一連串的研究，包括鐵鎚種類、支持條件、支持點距 離(span)及打擊者性別、年齡對於動彈性模數(Ed)的影響。接著探討人 為目視分等與彈性模數間的關係，節、人造缺點對於彈性模數的影響。 進而探究原木與角材間彈性模數之關係，角材乾燥前後之動、靜彈性模 數(Ed，MOE)的關係，原木動彈性模數與角材抗彎強度的關係。指出原 木之 Ed 與鋸自該原木之角材的密度，具有相當高的相關性，可以作為 推估的依據;角材 Ed 和 MOE 間亦有很高的相關。他亦提出作為 NDT 儀器 的基本要求為： （1）測定的普及化， （2）儀器需價格低廉， （3）操作簡 便，（4）動、靜彈性模數的一致性、再現性要高、信賴性要高。 中村昇(1993)利用定常波(Vf)、應力波(VS)及超音波(VU)法，測定 柳杉在脫濕過程中之音波速度及彈性模數。所得結果如下：(1)三種音 波速度皆隨含水率的增加而減少。在 FSP 以內，Vf，Vs 及 VU 大致相等; 在 FSP 以上時，則 Vs 及 VU 相等，而 Vf 呈現不同值。彈性模數部分與波 速相似，可以 FSP 為分界點，在 FSP 以內，Edf,Eds，及 EdU 大致相等; 在 FSP 以上時，則 Eds 及 EdU 相等，而 Edf 呈現不同值。(2)縱振動的頻 率由於是全體木材(包含自由水)參與，故彈性模數的計算係加入包括自 由水的外觀密度，則較為一致。而應力波、超音波則依靠實質部分(細 胞壁)來傳遞，自由水對於波速係為間接影響，若加入外觀密度，彈性. 12.
(23) 模數則有提高的趨勢。(3)音波的傳播速度、振動特性，受到1音波的 種類，2含水率，3材料的大小的影響。中村昇(1996)使用超音波法作 為評估東京大學北海道實驗林冷杉及落羽松立木之材質，所得結果如 次:(1)愈多年生之冷杉立木，所測得之外觀動彈性模數(Eu)會愈大。(2) 外觀動彈性模數(Eu)會隨著成長指標-胸高直徑(DBH)、樹高(TH)增大而 2. 有增加的趨勢;但 30 年生者呈相反的趨勢。(3)將超音波速的平方(V ) 與外觀彈性模數進行迴歸分析時，可得一直線迴歸方程式且通過原點， 由此可藉以推定外觀密度。(4)由冷杉及落羽松測得之超音波波速(Vu) 會大於以往測得之柳杉應力波波速(Vs);相同的由冷杉及落羽松測得之 超音波動彈性模數(Eu)亦會大於柳杉應力波動彈性模數(Es)。(5)不同 的動彈性模數可用於確定不同的生育地及不同齡級。Sasaki(1991)亦指 出木材中應力波的傳播路徑是經由實質部份完成，但應力波的傳遞速度 則是整體試材材質的表現。 祖父江信(1993)指出，由超音波速所計算而得之動彈性模數，在 纖維飽和點以上時，會隨著含水率的增加而有漸增的趨勢，這種現象違 背木材的物理特性，其原因係為 FSP 以上之自由水會增加其外觀密度， 當作參數加入動彈性模數計算時會增加其值。細胞腔、細胞間隙中存在 的自由水，當木材實質進行高速振動時，部分的自由水受到細胞壁的牽 引，進行同位相運動，另一部分自由水由於慣性作用之故，無法追蹤木 材實質振動，而成逆位相運動。其以柳杉試材經頻率為 22OkHz 之超音 波試驗，模擬計算出有 78%的自由水會與木材實質部分作同位相運動。 南澤明子(1990)亦指出自由水之 k 值會隨著振動頻率的不同而不同，頻 率愈高者，k 值有漸低的趨勢。 Ross et al.(1988)針對無缺點試材和木質複合材料的音波特性加 以檢測，發現有良好的相關性。Ross et al.(1997)則針對 eastern spruce 及 balsam fir 原木及其鋸切成之角材進行應力波非破壞性檢 測，其中(1)原木經目視分等之結果與角材 MOE 之關係並不顯著。(2)原 木動彈性模數和角材所得之彈性模數平均值，具有良好的關係。(3)原 木 MOE 和角材 MOE 個別值之間，雖有關係存在，但不明顯。. 13.
(24) Schad et al.(1995)以應力波技術評估鋸自枕木之實大樑品質， 得到枕木之 MOE 與實大樑之 MOE 間有正相關，並且隨著試材尺寸的愈來 愈小，其預測的準確性會逐漸降低。這些資訊顯示出應力波速度可以作 為木材內部腐壞情形的有力指標。 Sandoz(1989)以超音波測定 spruce 的材質，指出超音波在水中的 傳遞速度比在木材中慢，木材含水率高時則超音波音速會變慢，經統計 分析發現速度平方的倒數和抗彎彈性模數的倒數會有最好的關係出 現。Sandoz(1993)提出三種非破壞性試驗的方式，並論及其優缺點比較; 他論述第一種方式為機械方法為使用機械應力分級 (Hoyle,1965)，但 此法僅限於具有標準橫斷面之試材以及無法使用於立木和現場結構材 之評估，且此一技術相當複雜、昂貴。第二種方法為利用振動方式，求 得其自然共振頻率以計算出彈性模數，此法可以應用於立木材質評估以 及不規則斷面樑。第三種方法係採用超音波法，利用音波於木材中傳遞 的原理測得動彈性模數，此法可廣泛使用於木材材質評估、林業的經營 及都市林木健康情形的診斷等。 Mamad et al.(1984)曾針對約 20 年生柳杉造林木進行研究，其是 針對被認為樹冠內重心點下方加以牽引，以探討其機械性質，他們指出 在載重點之橫向變位或範圍會隨載重增加而直線狀增大。 陳載永(1996;1997)針對應力波於木材或木質材料中傳遞的各項 影響因子，以及各項 NDT 適用性進行一連串的研究。得知(1)應力波音 速和縱向振動頻率，皆會隨含水率的增加而降低;其影響程度在 FSP 以 內時較明顯。(2)應力波音速不受試材長度影響。(3)木材之人造孔洞會 使應力波音速降低。(4)節的存在亦會影響應力波速度。(5)應力波速度 所求得之動彈性模數，較以振動頻率所測得之動彈性模數，更接近抗彎 試驗之彈性模數。(6)木材經縱向接合後，應力波速度有增快的趨勢。 (7)由 NDT 測得之動彈性模數與抗彎彈性模數(MOE)相關性較高，而與抗 彎強度(MOR)則較差。 黃彥三等(1986;1990)亦曾針對超音波在木材與原木內進行傳播. 14.
(25) 時，其各種影響因子之進行探討，期能由其音速與動彈性模數之相關性 作為非破壞性試驗之依據，惟對於立木狀態尚未述及。黃等 (1996)得 知木材中之自由水分在打音時完全表現在生材之密度變化上，以打音法 所求得之音速，完全遵守音速與材質關係之基本物理定律，故在含水率 高於纖維飽和點之生材狀態，利用音速變化來推定木材重量變化或含水 率變化是合理可行的。1997 利用超音波技術，進行金門地區木麻黃立木 樹幹內部之生物品質評估，指出圓盤中 90°與 180°(徑向)之穿透時間比 會隨著孔徑的增加而降低，此一結果可作為樹幹心腐程度之評估依據。 浦上弘幸等(1996)指出利用超音波技術作木材非破壞性檢測時， 對於具有不同密度及彈性模數之春秋材所構成的層狀構造之影響，有必 要作釐清。得知，直列(series)模式試材(相當於徑向)之彈性波傳遞時 間，為各要素獨立(相當於春秋材)傳遞時間的總和;而並列模式試材(相 當於縱向或弦向)，乃是依賴傳遞速度較快之要素而決定。綜合而言， 以音速來評估木材之彈性模數時，以徑向所得的音速較值得考慮。 Rajeswar et al.(1997)以超音波 NDT 技術，利用其對於木理角度 和節的敏感性，進行木材的應力分級，將 NDT 所測的結果，藉由統計模 式來預測木材的拉伸強度。接著把超音波方法及其他 NDT 技術做比較， 包括抗彎彈性模數(MOE)、敲擊應力波之 MOEd 以及橫振動之 MOEd。 Kabir et al.(1997)利用超音波技術檢測木材組織構造三個方向 及木理角度之音速和彈性模數，由縱向測得最高之音速與彈性模數，音 速和木理角度間亦可得到線性迴歸方程式;音速及彈性模數亦會隨著含 水率的增加而降低。Bucur(l995)指出由木理平行方向所測得之超音波 音速會明顯大於徑向及弦向者，其原因係為縱向細胞沿著軸向排列，提 供一個連續的路徑;纖維長度和縱向音速間有一密切的相關性。超音波 在徑向傳遞時，係藉由束狀結構(木質線)移動，但是在弦切面則完全沒 有這種組織，所以徑向波速又會大於弦向波速;除了木質線組織存在於 徑切面外，尚有年輪構造(春材、秋材)及介於弦徑切面中幾何排列不同 的細胞，影響著木材的異方性。木材三切面的超音波音速間的比值， L:R:T 約=3:2:1，因此木材之異方性可以利用三方向之超音波音速的比. 15.
(26) 值加以評估，而且結果合乎木材機械性質(如彈性模數)。 白川貴志等(1998)使用超音波顯微鏡測定細胞壁中音波的傳遞速 度，其中徑面板纖維軸管胞壁音速之迴轉角度，以 0°時最大，遞減至 80°時最低。晚材細胞壁中的音速(5000-6000m/s)明顯大於春材細胞壁 者(4000-50OOm/s)。Sun et al.(1998)研究超音波在木質複合板類之板 厚度方向的傳播機構，發現板厚度方向的超音波;音速會隨著密度的增 加而增加，而且內聚強度與厚度方向音速呈指數狀的關係。釜口明子及 小玉泰義等(1998)使用橫打擊振動法推定立木之含水率，與樹幹內空洞 的檢測。. 16.
(27) 第三節 古蹟及歷史建築木料之非 破 壞 檢 測 方 法 與 程 序. 2-3-1 國內曾採用之非破壞檢測技術 由於對古蹟構件不得進行破壞試驗，因此應用非破壞性方法 （Nondestructive Testing，簡稱 NDT）來檢測古蹟中木構件內部損壞 之位置與程度，甚至用於新木料之選購上，皆為唯一可行的方法。另外， 如何將非破壞檢測之結果應用在維修補強時的依據，同時在維修補強時 能兼顧《文化資產保存法施行細則》規定的四個原則，將對國內古蹟與 歷史建築震災後的保存成敗扮演決定性的角色，也考驗國內古蹟修復業 界。 古蹟修復過程簡單分為四階段，即研究調查階段、設計階段、施 工階段與使用階段，國內過去在研究調查階段的檢測偏重建築人文、歷 史研究，少進一步探討損壞原因、部位與程度，木構件損壞後之維修補 強，不依損壞程度有不同策略、工法，而在設計階段，構件置換與否， 只憑目視檢測或仰賴大木匠師經驗，無定量準則、缺乏科學根據，造成 鑑定方式或構件維修補強處理有失客觀，缺乏專業性研判或補強處理錯 誤，造成災害來臨嚴重損毀，九二一大地震造成古蹟建築構件間脫開、 構件崩落後損壞，威脅結構安全，造成後續修復困擾，是最好明証；同 時在安全、保守觀念下，構件被更換比率偏高，不僅資源浪費，更使古 蹟修復後完全翻新，無法將歷史證物有效保存。以下將近年來非破壞檢 測法應用於古蹟築物木構件檢測所用方法的特性、優點與缺點整理如表 2-3.1。. 17.
(28) 表 2-3.1： 國 內 曾 採 用 之 非 破 壞 檢 測 技 術 非破壞. 特. 性. 優. 點. 缺. 點. 檢測技 術 (1) 不 須 特 別 的 設 備 或 (1) 簡單便利可行 儀器，具經濟性 (2) 觀 察 或 檢 測 的 過 程 安全. (2) 敘 述 值 的 基 本. 法判斷內部材質. 資料可與其它檢 (2) 古蹟木構件隱蔽部份無 測法相輔相成. 1. 目 視 (3) 目 視 觀 察 以 經 驗 及 檢驗法. (1) 僅能觀測材料外觀，無. 法觀測 (3) 缺乏科學實證證明，僅. 知識為背景加以判. 就現象以經驗及常識判. 斷，並以文字敘述說明. 斷結果，主觀性強. 材質狀況. (4) 單一描述性觀察過程， 無法完整呈現材料材質 變化狀態. (1) 僅需使用敲擊工具. (1)敲擊法簡便可行 (1) 無法全面實施，木構件. (2) 對 木 構 件 及 人 員 具 (2)敘述值的基本資 安全性 (3) 依 音 響 特 性 及 以 經. 隱蔽部份無法實測. 料可助於其它檢 (2) 內部損壞種類及程度無 測法檢測判斷. 法判斷. 2. 敲 擊. 驗及知識為背景加以. (3) 缺乏量化數值證明，僅. 檢驗法. 判斷，簡便可行，並以. 以經驗及常識判斷結. 文字敘述說明評估. 果，過於主觀 (4) 單一描述性檢測，無法 完整呈現材質狀態，需配 合其它方法. (1) 僅 需 使 用 探 針 為 工 (1) 工具為探針，簡 (1) 僅可適用於具外部(表 具. 便可行. (2) 對 木 構 件 及 人 員 具 (2) 可測量損壞深度 3. 探 針. 安全性. 檢驗法 (3) 以 探 針 檢 測 與 經 驗. 面)損傷缺點探測，內部損 壞程度受限. 及瞭解材質危害 (2) 探針亦有破壞木構件之 狀況. 及知識為背景加以判. 可能性 (3) 探針探測的深度，缺乏. 斷，簡便可行，並以文. 精確量化資訊. 字敘述說明評估. (4) 探針法判斷木構件損壞. 18.
(29) 程度，依賴經驗及常識判 斷，過於主觀 (5) 須配合其它方法，方可 完整評估材質 (1) 僅需使用聽診器為檢 (1) 聽 診 器 檢 測 法 (1) 僅 限 於 生 物 性 危 害 探 測工具. 簡便可行. (2) 對木構件及人員具安 (2) 可 確 認 蟲 蟻 等 4. 聽 診 器檢測 法. 全性. 生物性的活動. (3) 依生物活動聲響性與. 測，必須配合其它方法 檢測材質狀況 (2) 僅限於生物性活動期間 (3) 易受環境中其它雜音干. 以經驗及知識為背景. 擾. 加以判斷，簡便可. (4) 聽診器法依據聲響判斷. 行，並以文字敘述說. 木構件損壞程度或種. 明評估. 類，多依賴經驗及常識 判斷結果，過於主觀. (1) 設備費高、判讀時間 (1) 儀器適合現場檢 (1) 設備費較高、判讀時間 長、專業性高. 測木構件. 長、專業性高. (2) r 射線法對人體有危 (2) 可有效檢測出木 (2) r 射線法對人體或木構件 害性，操作需注意安. 構件實際內部材. 有影響，操作需注意安全. 全性. 質狀況. 性. (3) 比其它射線法所需主 (3) 依據檢測詳細資 (3) 判讀及操作之專業性高. 5. 射 線 照射檢 測法. 要儀器及附件體積及. 料建立基本資料 (4) 經分析確認可獲得木構. 重量尚屬便利. 庫. 件內部實際狀況，惟對天. (4) 判讀及操作之專業性. 然瑕疵、生物性破壞等缺. 高. 點仍缺乏完整解析能力. (5) 經分析確認可獲得木. (5) 處理時間長、成本較高、. 構件內部實際狀況，. 部份木構件厚度、銜接處. 惟對天然瑕疵、生物. 或部份構件無法檢測。. 性破壞等缺點仍缺乏 完整解析能力 (6) 處 理 時 間 長 、 成 本 高、部份木構件銜接 處無法處理。 (1) 超音波主機體積小、 (1) 體 積 小 、 重 量 (1)無法判斷缺點種類及大. 19.
(30) 重量輕及便利可行，. 輕、便利可行、. 惟不易檢測較高地方. 操 作 及 判 讀 容 (2)受木構件基本材質之影. 6. 超 音 (2) 超音波對人員及試材 波檢測 法. 具安全性 (3) 操作及判讀容易. 易. 響如比重、含水率之影. (2) 對 人 員 及 試 材 無害. (4) 缺點嚴重時無法傳遞 (3) 可 檢 測 木 構 件 能量，無法檢測數值. 小. 響 (3)部份不能施放探頭處無 法檢測. 的 整 體 材 質 狀 (4)缺點嚴重時無法測定或. (5) 部份木構件隱閉處無. 況，評估材質降. 可能受外加物之干擾檢. 法檢測，如木構件交. 等情形，並建立. 測. 接處. 基本資料庫. (6) 無 法 判 斷 缺 點 的 種. (5)需配合其它檢測法進行 評估，提高評估材質的. 類，僅可獲得整體材. 準確性. 質狀況 (1) 所需器材僅需探針、 (1)簡便、經濟、安 (1)損壞分類過於主觀 榔頭及小鐵尺等物，. 全. (2)損壞量評估較粗放，內. 攜帶方便，評估方式 (2)可獲得定量評估. 部損壞無法評估，損壞. 簡易，操作迅速. 原因無法判斷. 值作為參考. (2) 對材料及人員安全. (3)剩餘載重評估與實際承. 7. 構 件 (3) 僅 可 實 施 於 表 面 損. 載值的差異無法確定. 損壞評. 壞，可資量測部份，. (4)需配合其它方法檢測加. 估法. 未能全面包含所有狀. 以評估，且有破壞構件. 況. 之慮. (4) 無法判斷損壞原因， 程度的評估僅限於剩 餘載重，與實際值的 差異不得而知 8. 阻 抗 (1) 儀 器 體 積 與 重 量 適 (1) 鑽針損耗少. (1) 作業時間稍長. 圖波檢. 中，外觀全長 84cm， (2) 操作便利. (2) 鑽孔有直徑 3mm 之微破. 測. 鑽孔深度 400mm（無 (3) 操作誤差來源. 法. (Rinn. 深度指示） ，鑽孔直徑. Tech. 3mm，解析度 0.04mm (4) 儀器體積與重. Resistog (2) 電腦即時連線記錄與 raph. 外接印表機. 少 量適中 (5) 儀器對人員及. 20. 壞.
(31) 1410). (3) 儀器外觀為 PVC 管 烤漆. 試材具安全性 (6) 可簡易判讀，. (4) 驅 動 方 式 為 伺 服 馬. 亦可連接電腦. 達，滾珠導螺桿驅動. 進行科學性研. (5) 價格約 60 萬元. 究 (7) 有經驗者可判 斷缺點的種 類、程度、位 置與範圍 (8) 可適合檢測針 闊葉樹材 (9) 可檢測木構件 的斷面密度. (1) 儀 器 體 積 與 重 量 較 (1) 作業時間短 小，外觀全長 70cm， (2) 操作便利性佳. 9. 木 材 法. (2) 人為操作誤差來源較可. 鑽孔深度 380mm（有 (3) 儀 器 體 積 與 重. 能，熟練之操作人員可. 深度指示） ，鑽孔直徑. （宜）避免. 量小. 2mm，解析度 0.1mm (4) 儀 器 對 人 員 及 (3) 鑽孔有直徑 2mm 之微. 腐 朽 檢 (2) 電腦即時連線記錄與 測. (1) 鑽針損耗較多. 外接印表機. 試材具安全性 (5) 可簡易判讀，亦. (Sibert. (3) 儀器外觀為槍型. 可連接電腦進. Tech. (4) 驅動方式為伺服馬達. 行科學性研究. Wood. 與手推前進. Decay. (5) 價格約 30 萬元. (6) 有 經 驗 者 可 判 斷 缺 點 的 種. Analyz. 類、程度、位置. er). 與範圍 (7) 適 合 檢 測 針 葉 樹材 (8) 可 檢 測 木 構 件 的斷面密度. 21. 破壞.
(32) 2-3-2 木料之非 破 壞 檢 測 程 序 (以 案 例 說 明 ) 有關古蹟與歷史建築木料之檢測方法繁多，各有其適用處。以下 舉日本檢測於 1990 年架設之木橋為例，加以說明。 此橋橋長約 56m 之吊地板形式之步道橋（圖 2-3.1），Bongossi （Lophira alata） ，或稱 Azobe 材是當作木橋地板材。以下針對其健全 度進行非破壞性診斷與評估。. 圖 2-3.1 調查對象之橋梁. Bongossi 材斷面為 15cm×15cm，長 3m 當作地板材。診斷有（1） 目視方法，此作為外觀診斷，觀察其割裂或變色狀況，將其程度數值化 進行評估。同時觀察腐朽菌子實體之附著情形。（2）敲擊，為很方便， 因此作為基本之診斷法廣泛的被採用，但一般其診斷精度較低，但此 Bongossi 材因硬度很大，只要內部有腐朽時打音即會明瞭內部的變化。 敲擊是從上面（路面）六處與橫切面利用鐵鎚敲擊，對各位置區分成四 階段，即 0（無異常） ，1（稍許感覺到） ，2（相當的感覺到），3（明顯 的異常）進行判定。 （3）超音波速則是就各板材在兩橫切面間之超音波 速（sylvatest） ，共 223 支板材中除 31 支無法測定除外。大概可看出 超音波速較理論值大幅度降低者，大概可確認附有腐朽菌子實體。此意 味著超音波診斷是一種有效的腐朽診斷方法。針對一部分地板材無法測 定其兩橫切面（即縱向）超音波速。為探究其原因，因此就其中 39 支 板材進行斷面（即橫向）之超音波速測定。發現橫切面間（縱向）與斷. 22.
(33) 面間（橫向）之超音波速具有相關，在橫切面間超音波速無法測定時， 可能腐朽之懷疑會較深（圖 2-3.2、圖 2-3.3）。. 圖 2-3.2 已顯著腐朽之地板（橋梁地板）. 圖 2-3.3 橋梁地板下面附著之子實體. 23.
(34) 將上述三種非破壞性診斷進行歸納時，由其結果可知〔菌類子實 體附著狀況之調查〕 ， 〔敲擊〕 ， 〔超音波速測定〕之三種方法作為診斷法 是有效的。由表 2-3.1 可看出。. 表 2-3.1〔菌類子實體附著狀況之調查〕 ， 〔敲擊〕 ， 〔超音波速測定〕 三合一診斷木料損壞法 上面敲擊 0. 1∼6. 7∼. 合計. 3892 ∼ m/s. 123（6）. 13（1）. 1（0）. 137（7）. 2724 ∼ 3892 m/s. 20（3）. 12（4）. 3（2）. 35（10）. ∼2724 m/s. 0. 4（3）. 16（15）. 20（18）. 合計. 143（9）. 29（8）. 20（17）. 192（35）. level 超音波速. （）內數字為觀察子實體者的數目. 敲擊是在上面診斷 level 7，即使任何一點，被認為在 level 2 以上者是假定為腐朽。另外縱面、橫切面間之超音波速之出現頻度如圖 2-3.4，當超音波速下降至理論值之 70％者是假定為腐朽。如此，被判 定為腐朽者是各為 20 支，其中 16 支是雙方均被判定為腐朽者。另外， 其中 15 支是被確認有子實體的附著。從上述可確認此三種方法是有效 的，而相互間有關連性。. 24.
(35) 圖 2-3.4 橫切面間（縱向）之超音波速之出現頻率. 2-3-2-1 含水率測定 含水率測定並非腐朽本身，而其作為是否為容易腐朽之環境，或 是已經開始腐朽的指標。首先，使用高周波容量型（フソーFSK-118） 在上面六處測定其含水率，於冬天之早上測定也許會受早晨露水的影 響，因此得到 30∼44％較高含水率。另方面，使用電阻式（kett ター ク H）在上面 1 處測定結果為 12∼22％較高周波容量型為低值。 另外，Bongossi 材內部腐朽會優先者，是內部含水率較高所致。 在此，將電阻式與深部 sensor 相組合以測定構材中央部位之含水率， 得知為 13∼62％，分散甚大。尤其含水率約 60％之三構材均已腐朽。 2-3-2-2 Pyrodine、Resistograph，腐朽菌分離 Pyrodine 是從以一定力打入 pin 之貫入量，以推測木材之狀態之 目的的裝置。被認為不適合於從內部之腐朽之診斷，但測定結果是可數 值化之優點。在此，使用打擊能量的 6J，pin 之直徑 2.5mm，最大打入 深度 40mm，就各地板在 1 處進行測定。結果多數是在 10mm 左右，但一. 25.
(36) 部分會超過 30mm。 Resistograph 是以一定速度進行穿孔，同時測定其 torque 之裝 置。鑽入任意深度與其鑽入轉矩（torque）的關係如圖 2-3.5 所示。. 圖 2-3.5 Resistograph 之結果的例子. 另外，地板穿孔所得到木屑進行木材腐朽菌之菌絲分離結果，以 調查木材腐朽菌是否有侵入。其樣本是看不出子實體之發生，其他之診 斷是從被懷疑異常之地板所採取。. 26.
(37) 2-3-2-3 對於內部診斷之探討 在此以具有特徵者 5 例，從表 2-3.2 與圖 2-3.5 之結果進行探討 首先（a）是全部之診斷均被認為健全者，從內部診斷結果亦可確 認。另方面（b）是內部診斷被判定為健全，但從子實體與超音波速的 結果被懷疑有腐朽。可能在 Pyrodine 或 Resistograph 之診斷位置是不 太腐朽，有必要注意到局部性。 （c）是非破壞性檢查在超音波速是稍許 較慢，其他看不到異常，但內部診斷可看出腐朽，腐朽亦被分離出來。 從此事實，不管子實體之有無，腐朽是正進行之例子，另外，依腐朽狀 況診斷會較難。 （d）與（e）任何均依目視很明顯被判斷已腐朽之構材， （d）之場 合 Pyrodine 是表示健全值。此係打入側之健全部的厚度是不同，能加以 說明。從此事例亦可知道 Pyrodine 是內部之腐朽是較難認識。 如上述，以非破壞診斷被推定為異常者，許多亦被確認同樣的異 常，非破壞診斷之妥當性是可加以驗証。. 表 2-3.2 木橋木料損壞診斷結果 非破壞診斷 構材. 內部診斷. 參考. 內部 腐朽菌 超音波速 預測 ピロデイン 含水率 分離 （斷面間、橫向） level （橫切面間，縱向）. 敲擊. 超音波速. （a） 無. 0. 4688m/s. 健全. 12mm. 未實施 未實施. 1829 m/s. （b） 有. 6. 2143m/s. 腐朽. 7mm. 未實施 未實施. 1579 m/s. （c） 無. 1. 3093m/s. 中間. 40mm. 36.0％. （d） 有. 12. 0. 腐朽. 11mm. 18.7％ 未實施. 0. （e） 有. 17. 0. 腐朽. 40mm. 56.1％ 未實施. 0. 子實體. 27. 0. 0.
(38) 2-3-2-4 結論 Bongossi 材之腐朽診斷法，基本方法是敲擊，定期的測定結果為 認識異常之目的之超音波速診斷，更進一步集中重點之重要部位之監視 法 Rosistograph 會較為適當。Rosistograph 進行檢查是局部的損傷會 隨之發生，但內部之狀態能加以把握之有效的方法。如穿孔轉矩 （torque）與殘留強度之關係能明白時，對於耐力檢查亦可能，其會成 為更有效的方法。. 28.
(39) 第四節 國內古蹟及歷史建築常使用木料性質之資料庫 2-4-1 前言 大木構架修復過程，新木料的替換往往爭議最多。依《文化資產保 存法施行細則》四十六條所載之四項基本原則中，古蹟修復必須「採用 原用或相似之材料」 。所謂古蹟修復必須「採用原用或相似之材料」 ，其 實就是挑選在組織構造、物理、化學與力學等性質上與原用相同或相似 的木料。但由於規畫設計者以及施工現場，在用材之取捨判定之間常有 極大的落差，一方面由於缺乏對木材之專業知識，另方面由於近年來隨 著全球森林保育之重視而改變的禁伐天然林林業政策，過去台灣傳統大 木構架常用木料具有的木理通直（組織構造） 、尺寸安定（物理性質）、 優良天然耐候性（化學性質）與強度好（力學性質）之結構材特性，在 可茲利用的人造林林木中並不多見。因此有關木構造歷史建築與古蹟常 用木料之性質分析等資料庫之建立，不僅十分迫切，同時也能供往後修 復時之依據，以及幫助政府推動歷史建築保存之工作，並提昇我國之國 際形象。. 2-4-2 常見木構造材料種類及基本性質 根據筆者在九二一災後至災區調查二百棟以上木構造歷史建築，又 根據蔡明哲與徐明福（1998）在數個古蹟現場實地調查，以及洪國榮與 蔡育林（1997）進行台灣傳統大木構架用材之調查結果，台灣扁柏（俗 稱松梧， Chamaecyparis obtusa ）、紅檜（俗稱台檜， Chamaecyparis. formosensis）、台灣肖楠（Calocedrus formosana）、台灣杉（俗稱亞 杉，Taiwania cryptomerioids） 、鐵杉（Tsuga chinensis） 、福州杉（俗 稱杉木，Cunninghamia lanceolata）、柳杉（俗稱日杉，Cryptomeria japonica）、樟樹（俗稱本樟、芳樟，Cinnamomum camphora）、大葉楠 （俗稱楠木， Machilus kusanoi ）及台灣櫸（俗稱紅雞油， Zelkova formosana）等為台灣傳統大木構架常用木料種類，這些構材種類皆有 強度好、尺寸安定與木理通直之結構材特性，其中，台灣扁柏、紅檜、. 29.
(40) 台灣肖楠皆屬針一級木，與福州杉則是現今已指定的古蹟最常用之木 料，除了調查所得材種外，過去在台灣的大木匠師尚使用其他也是非常 適合營建木構造的材料，為免掛萬漏一，同時為提供政府災區重建之較 完整資料，所以本研究廣泛收集國內常見木構造古蹟與歷史建築所使用 材料種類及基本性質，以茲同時建立古蹟與歷史建築所使用木材之資料 庫。同時由於台灣營林政策改變，未來災區木構造歷史建築修復能取得 的木材，大多為永續經營林分取得之人工林木，與過去從天然林取得之 材料性質不同，所以本研究購置或收集國內古蹟與歷史建築常見木構造 材料，進行材料之重要性質，包括材料密度（CNS451） 、含水率（CNS452） 、 收縮率（CNS459） 、吸濕性（CNS6715） 、壓縮強度（CNS453） 、抗彎強度 （CNS454）、剪斷強度（CNS455）、引張強度（CNS456）之試驗與研究， 以建立未來木構造歷史建築所使用之木材基本性質資料庫(表 2-4.1)， 該資料庫之建立不僅可作為政府災區包括古蹟建築等傳統建築重建之 重要參考，同時也可供採用相似或相近材料之依據。. 表 2-4.1 木 構 造 歷 史 建 築 所 使 用 木 料 的 物 理 及 力 學 性 質 「 以 王 松 永 （ 1995） 為 主 」 樹種. 容積密 度數. 絕乾 比重. 含水率 (%). 台灣扁柏. 0.491. 0.547. 12. 0.105. 0.224. 紅檜. 0.387. 0.437. 12. 0.064. 0.230. 杉木. 0.35. 0.364. 12. 0.085. 0.139. 柳杉. 0.302. 0.336. 12. 0.069. 0.156. 牛樟. 0.379. 0.470. 12. 0.099. 0.159. 樟樹. 0.395. 0.420. 12. 0.074. 0.118. 台灣肖楠. 0.444. 12. 0.135. 0.166. 台灣杉. 0.332. 0.371. 12.0. 0.105. 0.178. 鐵杉. 0.517. 0.594. 12.0. 0.185. 0.280. 大葉楠. 0.479. 12. 0.062. 0.107. 台灣櫸. 0.757. 12. 0.159. 0.396. 0.845. 30. 平均收縮率% 徑向 弦向.
(41) 表 2-4.1（續）： 木 構 造 歷 史 建 築 所 使 用 木 料 的 物 理 及 力 學 性 質 「 以 王 松 永 （ 1995） 為 主 」 樹種. 徑向. 全收縮率% 弦向 體積. 抗 彎 性 質 kgf/cm 2 MOR MOE×10 3. 台灣扁柏. 2.89. 6.45. 9.34. 1039±88. 123.3±1.58. 紅檜. 3.47. 6.25. 9.88. 898±76. 116.2±20.4. 杉木. 2.56. 4.17. 6.50. 872±61. 108.3±11.9. 柳杉. 2.07. 4.69. 7.27. 896±83. 132.2±21.9. 牛樟. 2.98. 4.59. 8.25. 805±54. 104.6±15.2. 樟樹. 2.21. 3.54. 6.13. 1017±85. 106.9±15. 台灣肖楠. 4.06. 4.99. 9.77. 859±67. 119.7±12.1. 台灣杉. 2.86. 7.92. 11.03. 914±109. 126.5±11.4. 鐵杉. 4.57. 7.14. 11.71. 1221±114. 149.3±33.2. 大葉楠. 1.85. 3.20. 5.09. 652±36. 104±5.2. 台灣櫸. 3.74. 7.75. 11.50. 1555±132. 144.2±15.0. 表 2-4.1（續）： 木 構 造 歷 史 建 築 所 使 用 木 料 的 物 理 及 力 學 性 質 「 以 王 松 永 （ 1995） 為 主 」 縱向引張 橫向引張 2 強 度 kgf/cm 強 度 kgf/cm 2. 樹種. 縱向壓縮 強 度 kgf/cm 2. 橫向壓縮 強 度 kgf/cm 2. 台灣扁柏. 452±86. 86±16. 630. 53±12. 紅檜. 365±22. 54±14. 550. 41±4. 杉木. 509±25. 48±10. 643±204. 14±2. 柳杉. 218±38. 58±11. 461. 27±4. 牛樟. 455±30. 71±11. 573±122. 17±4. 樟樹. 575±47. 96±20. 590±116. 22±4. 台灣肖楠. 551±22. 121±22. 台灣杉. 387±66. 64±20. 568. 32±7. 鐵杉. 511±46. 63±11. 500. 44±8. 31. 56±8.
(42) 大葉楠. 295±32. 48.3±8.3. 台灣櫸. 595±28. 216±22. 48.8±6 1058. 81±12. 表 2-4.1（續）： 木 構 造 歷 史 建 築 所 使 用 木 料 的 物 理 及 力 學 性 質 「 以 王 松 永 （ 1995） 為 主 」 樹種. 剪斷強度 kgf/cm 2. 硬 度 (橫 切 面 )kgf/mm 2. 劈裂抵抗 kgf/cm 2. 台灣扁柏. 121±12. 3.67. 112±12. 紅檜. 102±19. 2.39. 90±9. 杉木. 115±23. 2.68. 28±3. 柳杉. 86±8. 2.01. 59±5. 牛樟. 142±16. 2.66. 39±7. 樟樹. 170±14. 3.25. 48±8. 台灣肖楠. 138±17. 3.28. 97±8. 台灣杉. 92±23. 2.34. 61±5. 鐵杉. 137±21. 3.05. 84±10. 大葉楠. 92±12. 3.67. 54.7±12.3. 台灣櫸. 191±18. 5.69. 108±13. 32.
(43) 第三章 古蹟及歷史建築修復用新木料材質評估 第一節 新木料 為了分析國內古蹟修復所採用新料與過去使用天然林材 質之差異，供未來擇用新料之參考依據，本研究購置最常用材 種 福 州 杉 （ 杉木，China fir, 學名： Cunninghamia lanceolata）。 木料來自於台大實驗林和社營林區第五林班，有砍自杉木實生林分與萌 蘗林分，皆其為 20 年生之杉木。先設樣區進行每木調查，求出各立木 胸徑及樹高，計算其平均胸高直徑，當作中勢木，每種造林地各選擇 15 棵中勢木當作樣木。. 第二節 試驗方法 3. 將樣區選出的 12 棵樣木伐採後，各製成 5×10×200cm 的實大梁試 材，並測量其基本資料（長度、寬度、厚度、重量），並求得其生材密 度。依 CNS13826 造林木針葉樹製材分等標準進行目視分等，將實大梁 區分成一等材、二等材、三等材及其他。 接著使用超音波儀（Swiss Products , SYLVATEST , 16KHz）測 定其縱向超音波速(VL)，後利用 Metriguard Model 340 Transverse Vibration Tester 進行橫向撓曲振動試驗，求出其非衰減自然頻率 （fn），由次式求出其動彈性模數 EDT 由次式求出： 2. EDT =. fn WL 3 Kbh. 3. 選取材面上，目視之最大節，求出其最大長徑和材寬的比例，並 依據 CNS13826 之標準，區分各實大梁的等級。 若在材面上還有弧邊、蟲蛀、縱裂等缺點，則計算出他們的比例， 合併進行判斷。. 33.
(44) 將目視分等後的實大樑進行超音波測試。本研究使用瑞士製 SYLVATEST 超音波儀，該儀器係以兩個壓電性(piezo-electrical)換能 器(transducer)，一個波動發振器(pulse generator)產生，另一個波 動接受器(receiver)接受頻率為 16kHz 之超音波，由音波測定儀讀出所 需時間(t)其單位為微秒(Microsecond, μs)精度為百萬分之一秒，測 其於木材中之傳播速度，藉以評估木材材質，該儀器同時可測定木材溫 度 0-50℃及含水率 0-156%。本研究求出木構件新料平行方向超音波速。 橫向撓曲振動法則是將實大梁放置於載台上，而後敲擊中央部 位，使其撓曲振動並記錄其彈性模數數值。 3. 在非破壞實驗後，進行破壞性試驗，乃將前述 5×10×200cm 實大梁 進行四點載重（三等分載重）抗彎試驗，求出其比例限度載重與撓曲， 再由載重與撓曲曲線圖求出抗彎彈性模數（MOE） 、抗彎強度（MOR） 。將 做完每一階段超音波試驗的樣木進行破壞試驗，至絕乾狀態後，剩餘的 樣木經調濕至含水率 12％。並依據 CNS454，將材料之兩端加以支持， 在中央加上載重以進行抗彎試驗。 3P ( l – l’) 2 2 (kgf/cm ) 2bh 3Pp ( l – l’) 2 2 （2） 抗彎比例限σbp = (kgf/cm ) 2bh 2 2 Pp ( l – l’) [ 3 l – 2( l – l’) ] 2 （3）抗彎彈性模數(MOE) = (kgf/cm ) （1）抗彎強度(MOR)=. 8δp bh. 3. l’為載重點間距離 (cm) b 為長方形斷面之寬 (cm). h 為高度 (cm). δp 是為 Pp 載重時，在載重點之下﹝跨距中央﹞之撓曲(cm) l 為試片跨距 (cm). 34.
(45) 第三節 結果與討論 3-3-1 實生林與萌蘗林杉木之探討 (一) 氣乾比重 3. 經製材後所得到的試材尺寸為 3.8×9×213.3 cm ，而萌蘗林木材的 氣乾比重平均為 0.380，實生林木材氣乾比重為 0.384，後者大於前者 1 ％，但經 T 檢定並無顯著性差異，同時其變異數相差不大，亦就是說， 萌蘗林和實生林木材的比重是差不多的；比重和強度之間是有正相關的 關係，比重越大強度應該會來得較大，比重小則反之，因此由比重的觀 點來推測，未來進行破壞試驗時，其所得的強度萌蘗林與實生林應該是 無明顯差異。. 表 3-3.1. 萌蘗林與實生林氣乾比重之 T 分配. 平均數 變異數 觀察值個數 假設的均數差 自由度 t 統計 P(T<=t) 雙尾 臨界值：雙尾. 萌蘗林 0.380 0.00086 54 0 117 -0.6197 0.5366 1.9804. 實生林 0.384 0.00153 66. (二) 超音波速 超音波（16kHz）傳播木材之木理方向時，可得其萌蘗林杉木的超 音波速（Vu）為 5156.7 m/s，實生林杉木為 5321.5 m/s，所以實生林 杉木的超音波速比萌蘗林杉木的超音波速快 3％，經統計分析結果，兩 者間有顯著性差異（0.05level） 。但是就變異數而言，實生林杉木的變異 數比萌蘗林杉木來得大，因此可以推論實生林杉木的材質變異應該沒有 萌蘗林杉木來得均勻。但是可從實生林杉木與萌蘗林杉木超音波速的關. 35.
(46) 係來推斷，實生林木材的材質可能比萌蘗林木材來得好一些，至於是否 兩者之間的材質有實質上的差異，必須經過破壞性的檢測才可得知。. 30. 20 15 10 5. 60 00. 58 00. 56 00. 54 00. 52 00. 50 00. 48 00. 46 00. 44 00. 42 00. 0 40 00. 頻率百分比(%). 25. 萌蘗林 實生林. 超音波速(m/s). 圖 3-3.1 萌蘗林杉木與實生林杉木超音波速之次數分佈頻率. 表 3-3.2. 萌蘗林杉木與實生林杉木超音波速之 T 分配. 平均數 變異數 觀察值個數 假設的均數差 自由度 T 統計 P(T<=t) 雙尾 臨界值：雙尾. 萌蘗林 5157 102597 54 0 116 -2.7292 0.0073 1.9806. 36. 實生林 5321 114905 66.
(47) (三) 超音波動彈性模數（EDU） 2. 萌蘗林杉木之超音波動彈性模數（EDU）為 103300 kgf/cm ，實生 2. 林杉木超音波動彈性模數（EDU）為 111460 kgf/cm ，實生林杉木的 EDU 值會較萌蘗林杉木大 8％，但實生林木材之 EDU 之變異數比萌蘗林杉木來 得大，雖然萌蘗林杉木與實生林杉木間有顯著性的差異（0.05level）， 但亦不可忽略實生林杉木材質沒有像萌蘗林杉木來得均質。. 35.00. 頻率百分比(%). 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00. 0 16. 0 15. 0 14. 0 13. 0 12. 0 11. 0 10. 90. 80. 70. 60. 50. 0.00. 萌蘗林 實生林. x103EDU(kgf/cm2). 圖 3-3.2 萌蘗林與實生林杉木超音波動彈性模數之次數分佈頻率圖. 表 3-3.3. 萌蘗林木材與實生林杉木超音波動彈性模數之 T 分配 平均數 變異數 觀察值個數 假設的均數差 自由度 t 統計 P(T<=t) 雙尾 臨界值：雙尾. 萌蘗林 103300 199322174 54 0 118 -2.7801 0.0063 1.9803. 37. 實生林 111460 325439353 66.
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