既有木構材再利用於自立式二次結構之研究

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(1)國立成功大學建築研究所碩士論文. 既有木構材再利用於自立式二次結構之研究 Self-Supported Secondary Structures Using Repurposed Lumber. 研究生：簡子婕指導教授：杜怡萱簡聖芬. 中華民國一百零二年六月.

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(3) 摘. 要. 人類之過度開發不僅消耗地球資源，同時也製造大量廢棄物對環境造成危害，如能做到資源回收再生與重複利用，將能有效減少廢棄物，降低環境汙染。本研究以一座即將被拆除廢棄的既有木構架構造物探討再利用之可行性，由於木構架所使用的木材為未達使用壽命之南方松，而南方松常灌注化學藥劑以達到防蟲防腐的功效，因此不論丟棄或是回收製成木屑再利用皆會對環境造成傷害。本研究將此批木構材直接作為構材使用，不經過二次加工再製，發揮其使用年限內的最大效益。本研究在拆除舊有木構架後，回收既有木構材，觀察構材損傷情形，再對舊有木構材與新購木材進行材料試驗，比對新舊材料含水率、密度與抗壓、抗剪強度等差異性，並確認舊有木構材材料強度仍滿足台灣與美國現行木構規範，可繼續作為結構材使用。本研究以成功大學建築系館內兩處走廊作為設計基地，將回收之既有木構材作為主要結構材料進行設計，在不破壞基地原有結構體的前提下，以基地建築結構體提供反力支承，達成基本之平衡條件，搭建一座可自立的二次結構，此結構可附掛於走廊以增加使用空間。將設計之結構體經由 SAP2000 結構分析軟體進行分析，了解整體結構力學行為，並以台灣木構規範進行檢討，使各構件所受應力小於規範之容許應力，確保結構安全。針對應力過大構件，採取相應對策更改設計，在不改變使用材料的情形下，以變更跨距或增加構建等方式降低各構件應力。本研究最終透過實際構築，驗證前述設計的可行性。實構過程依具備之工具發展設計細部接頭，評估重量及可取得之人力或工具條件，決定組構形式或結構體尺度，並且依據在施工過程中實際遭遇之困難，提出不同之應對方法解決。在考量多方影響因素，並且反覆修正設計後，完成自立式二次結構之構築，實踐形體設計、結構分析、構築施工多方面的設計決策整合。. 關鍵詞：再利用、自立式、二次結構、實構、木構材.

(4) ABSTRACT The development of human civilization causes over-exploitation of natural resources and produces a lot of waste. Recycling and reusing products are effective means to decrease the waste and environmental pollution. This thesis aims to discuss the feasibility of reusing aged southern pine lumber removed from an existing wooden construction. The discard or reproduction of used southern pine lumber causes environmental problems since it is usually treated with chemistry antiseptic. In order to extend the service life of the lumber and reduce the harm to environment, this thesis repurposes the lumber in its original shape in place of reprocessing it. The wooden construction was carefully dismantled. The members was classified according to size, shape, and damage condition. The mechanical properties of the lumber, including density, water content, compressive and shear strengths, were tested and compared with new bought lumber. The test results show that the aged lumber still satisfies the regulations in both Taiwan and U.S. codes for wood structures and can be reused as structural components. The recycled lumber was used to build a self-supported secondary structure that is attached to existing building corridor and provides additional space. Two different designs were developed for two possible sites in the department of architecture at National Cheng Kung University. During the design stage, structural analysis by using SAP2000 was performed to understand the structural behavior and check if the stress demand exceeds the allowable stress. Since given member sections are used, the design and structural system are modified according to the stress demand. One of the designs was actually constructed to verify its feasibility. The scale of prefabricated parts and construction details were developed according to the restriction of equipments, human power, and site condition. The final design was then determined based on the feedback from construction process.. This study demonstrated the integration of.

(5) conceptual design, structural analysis, and construction, and achieved the objective of repurposing the used lumber as a self-supported structure.. Keyword: repurpose, self-supported, wood structure, design build.

(6) 誌. 謝. 感謝指導老師杜怡萱教授、簡聖芬教授，在研究所修業期間悉心指導與包容，對於教學積極認真，在學術與生活方面令學生受益匪淺，謹致由衷的敬意與感謝。感謝姚昭智教授、楊詩弘教授費心審閱，撥冗擔任口試委員並對本論文給予精闢的建議與斧正。感謝張嘉祥教授、陳純森教授在碩士修業期間灌輸建築與結構相關知識。感謝博士班宗樺學長、裕鈞學長、威中學長於研究所生活中提攜照顧，在研究上慷慨分享自身經驗並給予許多指導與鼓勵。感謝學長姐星佑、柏成、文欣、岳勳、郁文在生活上的諸多關心與幫助。感謝同窗嘉嘉、華婉、文珺、詠程在課業上相互討論解決問題，一起度過多彩多姿的研究生生活，並且在傷心難過時互相支持安慰彼此。感謝學弟妹彥廷、雅琪、禹琁、姿瑤、德君在實構的過程中花費時間與心力大力相助，才使得這本論文能順利完成。感謝學弟妹元馨、家荷、彥棻口試期間幫忙準備各類事項，讓我能心無旁鶩地準備口試。感謝土撥總是陪在我身邊，生活上給予許多照顧，開心時陪我分享，難過時給我依靠，一起去了許多地方做了很多事，偶爾還要充當我的擴充記憶體。感謝我的父母及家人，永遠支持我的決定，放心地讓我完成我想做的事，在疲累時給予鼓勵支持當我最溫暖的避風港，感謝你們對我無償的愛，讓我能無憂無慮一路完成各階段的學業並成長茁壯。感謝粸粑在我研究所的三年裡，傾聽我所有開心及難過的事，用盡你的俏皮可愛安慰我的心情。感謝子暐、彥儒、思嘉、雍雍、于暄、冠瑋、伊庭、重甫、政楊、普普、君柔、愛佳、學儒、F、立欣、馨儀、蘇先生，在成大的這幾個年頭能有你們真好，和你們相識真的很幸運，謝謝你們的幫助與陪伴，一起擁有的歡笑將永遠留在我的記憶裡。感謝所有遇見人們，願大家未來一切安好順遂。.

(7) 目. 錄. 第一章. 緒論 .......................................................................................................... 1. 1.1. 研究動機與目的 ...................................................................................... 1 1.1.1 研究動機 ...................................................................................... 1 1.1.2 研究目的 ...................................................................................... 2. 1.2. 文獻回顧 .................................................................................................. 2 1.2.1 構築研究與經驗 .......................................................................... 2 1.2.2 既有木構材材料性質 .................................................................. 7 1.2.3 台灣現行規範 .............................................................................. 8. 1.3. 研究流程與方法 ...................................................................................... 9. 1.4. 適用範圍 ................................................................................................ 10. 1.5. 章節概述 ................................................................................................ 10. 第二章. 材料試驗 ................................................................................................ 11. 2.1. 材料來源 ................................................................................................ 11. 2.2. 試體與試驗裝置 .................................................................................... 13 2.2.1 試體規劃 .................................................................................... 13 2.2.2. 試驗裝置 .................................................................................... 15. 2.3. 試驗與量測過程 .................................................................................... 17 2.3.1 木材密度試驗 ............................................................................ 17 2.3.2 木材抗壓試驗 ............................................................................ 19 2.3.3 木材抗剪試驗 ............................................................................ 21 2.3.4 木材含水率試驗 ........................................................................ 22. 2.4. 試驗結果 ................................................................................................ 24 2.4.1 抗壓試驗 .................................................................................... 24 2.4.2 抗剪試驗 .................................................................................... 33 2.4.3 密度與含水率試驗 .......................................................................... 42. 2.5. 結果討論 ................................................................................................ 45 2.5.1 抗壓強度與密度及含水率之關係 ............................................ 45 2.5.2 抗剪強度與密度及含水率之關係 ............................................ 46. I.

(8) 新木材與既有木構材性質比較 ................................................ 47. 2.5.3. 第三章. 設計過程 ................................................................................................ 50. 3.1. 設計目標 ................................................................................................ 50. 3.2. 既有木構材利用 .................................................................................... 50 3.2.1 既有木構材回收過程 ................................................................ 51 3.2.2 既有木構材尺寸及數量 ............................................................ 53 3.2.3 既有木構材損壞狀況 ................................................................ 55. 3.3. 設計過程 ................................................................................................ 57 3.3.1 基地一：院圖書館二樓走廊 .................................................... 57 3.3.1.1 基地條件 ............................................................................ 57 3.3.1.2 設計發展過程 .................................................................... 58 3.3.1.3 施工規劃 ............................................................................ 62 3.3.2 基地二：研究大樓窗台 ............................................................ 65 3.3.2.1 基地條件 ............................................................................ 65 3.3.2.2 設計發展過程與施工方式規劃 ........................................ 67. 3.4. 小結 ........................................................................................................ 76. 第四章. 結構分析檢討 ........................................................................................ 77. 4.1. SAP2000 簡介........................................................................................ 77. 4.2. 軟體分析設定 ........................................................................................ 78 4.2.1 模型匯入 .................................................................................... 78 4.2.2 材料設定 .................................................................................... 79 4.2.3 載重組合與設定 ........................................................................ 80 4.2.4 桿件端部束制條件設定 ............................................................ 82 4.2.5 邊界支承條件設定 .................................................................... 83. 4.3. 構件應力檢討 ........................................................................................ 86 4.3.1 分析結果 .................................................................................... 86 法規容許應力檢討 .................................................................... 88 4.3.2.1 容許軸拉力 ........................................................................ 89 4.3.2.2 容許軸壓力 ........................................................................ 90 4.3.2.3 軸拉複合容許彎矩 ............................................................ 91 4.3.2.4 軸壓複合容許彎矩 ............................................................ 92. 4.3.2. II.

(9) 4.3.2.5 4.3.3. 木構材接合部容許剪力 .................................................... 92. 容許強度與分析結果 ................................................................ 93. 4.4. 設計修正 ................................................................................................ 94. 4.5. 小結 ........................................................................................................ 97. 第五章. 實構過程 ................................................................................................ 98. 5.1. 結構體接合處細部設計 ........................................................................ 98 5.1.1 木構件鉸接點 ............................................................................ 99 5.1.2 緊結器固定點 ............................................................................ 99 5.1.3 側向連結構件組合處 .............................................................. 100 5.1.4. 載物板材固定 .......................................................................... 102. 5.2. 單元生產製造過程 .............................................................................. 103 5.2.1 平面單元 .................................................................................. 103 5.2.2 側向連結構件 .......................................................................... 111 5.2.3 載物板材 .................................................................................. 117. 5.3. 實構安裝過程 ...................................................................................... 120 5.3.1 平面單元安裝 .......................................................................... 120 5.3.2 側向連結構件安裝 .................................................................. 123 5.3.3 板材安裝 .................................................................................. 125. 5.4. 實構過程檢討 ...................................................................................... 127. 5.5. 小結 ...................................................................................................... 128. 第六章. 結論與建議 .......................................................................................... 129. 6.1. 結論 ...................................................................................................... 129. 6.2. 建議 ...................................................................................................... 131. 參考文獻. .............................................................................................................. 133. 附. .............................................................................................................. 134. 錄. III.

(10) 表. 目. 錄. 表 1.1 WCLIB 規範中 8” by 8”松木分級標準[7] ............................................................ 8 表 1.2 NDS 規範與 Falk et al.試驗結果比較表[8] .......................................................... 8. 表 2.1 試體分類與代號 ................................................................................................... 14 表 2.2 試體烘乾秤重紀錄 ............................................................................................... 23 表 2.3 新木材弦向抗壓試驗(NS)極限強度及應變 ....................................................... 25 表 2.4 舊木材弦向抗壓試驗(OS)極限強度及應變 ....................................................... 25 表 2.5 新木材縱向抗壓試驗(NV)極限強度及應變 ...................................................... 29 表 2.6 舊木材縱向抗壓試驗(OV)極限強度及應變 ...................................................... 29 表 2.7 新木材徑切面抗剪試驗(NR)極限強度及位移量 ............................................... 34 表 2.8 舊木材徑切面抗剪試驗(OR)極限強度及位移量 ............................................... 34 表 2.9 新木材橫切面抗剪試驗(NH)極限強度及位移量 .............................................. 38 表 2.10 舊木材橫切面抗剪試驗(OH)極限強度及位移量 ............................................ 38 表 2.11 新木材密度與含水率試驗結果 ......................................................................... 43 表 2.12 舊木材密度與含水率試驗結果 ......................................................................... 44 表 2.13 木構材試驗值與美國及台灣現行規範比較 ..................................................... 48. 表 3.1 既有木構材各構件數量及長度 ........................................................................... 54. 表 4.1 基地一設計與基地二設計構件各應力型態最大值 ........................................... 88 表 4.2 針葉樹上等結構材容許應力(kgf/cm2)................................................................ 88 表 4.3 容許強度與分析結果之比較 ............................................................................... 94 表 4.4 基地一設計第一次修正之容許強度與分析結果比較 ....................................... 96 表 4.5 基地一設計第二次修正之容許強度與分析結果比較 ....................................... 97. IV.

(11) 圖. 目. 錄. 圖 1.1 舊有木構架樣貌 ....................................................................................................... 2 圖 1.2 變斷面格子梁版設計實作[2] ................................................................................ 3 圖 1.3 可拆解曲面構造[3] ................................................................................................ 4 圖 1.4 曲面空間桁架系統[4] ............................................................................................ 4 圖 1.5 懸鏈‧榭[1] ............................................................................................................ 4 圖 1.6 透過實驗了解材料力學性質[5] ............................................................................ 6 圖 1.7. ICD/ITKE Research Pavilion 2010 成品[5] ........................................................... 6. 圖 1.8 研究流程 ................................................................................................................. 9. 圖 2.1 拆除後的木構架依構件尺寸長度及形狀分類 ....................................................11 圖 2.2 分級檢驗章符號[11] ............................................................................................ 12 圖 2.3 既有木構材檢驗章印 ........................................................................................... 12 圖 2.4 新購木材檢驗章印 ............................................................................................... 12 圖 2.5 木材紋理與試驗方向 ........................................................................................... 13 圖 2.6 抗壓試體塊尺寸(mm) .......................................................................................... 14 圖 2.7 抗剪試體塊尺寸(mm) .......................................................................................... 14 圖 2.8 萬能試驗機 ........................................................................................................... 16 圖 2.9 抗壓試驗加載方式 ............................................................................................... 16 圖 2.10 抗剪試驗架(mm) ................................................................................................ 17 圖 2.11 抗剪試驗加載方式 ............................................................................................. 17 圖 2.12 游標卡尺測量試體尺寸 ..................................................................................... 18 圖 2.13 體積量測步驟一 ................................................................................................. 18 圖 2.14 體積量測步驟二 ................................................................................................. 19 圖 2.15 體積量測步驟三 ................................................................................................. 19 圖 2.16 弦向抗壓破壞過程 ............................................................................................. 20 圖 2.17 縱向抗壓破壞過程 ............................................................................................. 21 V.

(12) 圖 2.18 徑切面抗剪破壞過程 ......................................................................................... 21 圖 2.19 橫切面抗剪破壞過程 ......................................................................................... 22 圖 2.20 定溫式乾燥烘箱 ................................................................................................. 23 圖 2.21 試體依序排列後烘乾 ......................................................................................... 23 圖 2.22 新木材弦向抗壓(NS)應力-應變關係圖 ............................................................ 26 圖 2.23 舊木材弦向抗壓(OS)應力-應變關係圖 ............................................................ 26 圖 2.24 新木材弦向抗壓(NS)各試體破壞情形 ............................................................. 27 圖 2.25 舊木材弦向抗壓(OS)各試體破壞情形 ............................................................. 28 圖 2.26 新木材縱向抗壓(NV)應力-應變關係圖 ........................................................... 30 圖 2.27 舊木材縱向抗壓(OV)應力-應變關係圖 ........................................................... 30 圖 2.28 新木材縱向抗壓(NV)各試體破壞情形 ............................................................ 31 圖 2.29 舊木材縱向抗壓(OV)各試體破壞情形 ............................................................ 32 圖 2.30 新木材徑切面抗剪(NR)剪應力-位移關係圖 ................................................... 35 圖 2.31 舊木材徑切面抗剪(OR)剪應力-位移關係圖 ................................................... 35 圖 2.32 新木材徑切面抗剪(NR)各試體破壞情形 ......................................................... 36 圖 2.33 舊木材徑切面抗剪(OR)各試體破壞情形 ......................................................... 37 圖 2.34 新木材橫切面抗剪(NH)剪應力-位移關係圖 ................................................... 39 圖 2.35 舊木材橫切面抗剪(OH)剪應力-位移關係圖 ................................................... 39 圖 2.36 新木材橫切面抗剪(NH)各試體破壞情形 ........................................................ 40 圖 2.37 舊木材橫切面抗剪(OH)各試體破壞情形 ........................................................ 41 圖 2.38 密度對弦向抗壓強度影響 ................................................................................. 45 圖 2.39 密度對縱向抗壓強度影響 ................................................................................. 45 圖 2.40. 含水率對弦向抗壓強度影響............................................................................ 45. 圖 2.41. 含水率對縱向抗壓強度影響............................................................................ 45. 圖 2.42 密度對徑切面抗剪強度影響 ............................................................................. 46 圖 2.43 密度對橫切面抗剪強度影響 ............................................................................. 46 圖 2.44 含水率對徑切面抗剪強度影響............................................................................. 46 圖 2.45 含水率對橫切面抗剪強度影響............................................................................. 46 VI.

(13) 圖 2.46 新舊試體密度及含水率比較 ............................................................................. 47. 圖 3.1 既有木構架整體樣貌 ........................................................................................... 51 圖 3.2 既有木構架接合方式 ........................................................................................... 51 圖 3.3 既有木構架拆除過程 ........................................................................................... 52 圖 3.4 各構件長度及斷面尺寸(mm) .............................................................................. 53 圖 3.5 短跨單元組合方式 ............................................................................................... 54 圖 3.6 構件本身斷面缺損 ............................................................................................... 55 圖 3.7 原構架施工造成構件缺損 ................................................................................... 55 圖 3.8 原構架施工所開鑿之孔洞 ................................................................................... 55 圖 3.9 受力行為導致構件彎曲 ....................................................................................... 56 圖 3.10 受力行為導致構件劈裂 ..................................................................................... 56 圖 3.11 拆卸時造成構件端部損壞 ................................................................................. 56 圖 3.12 拆卸時造成構件端部劈裂 ................................................................................. 56 圖 3.13 院圖書館正面 ..................................................................................................... 57 圖 3.14 院圖書館二樓走廊 ............................................................................................. 57 圖 3.15 基地一剖面尺寸(mm) ........................................................................................ 58 圖 3.16. 基地一之反力支承結構體 ................................................................................ 58. 圖 3.17 模型操作一 ......................................................................................................... 59 圖 3.18 虹橋系統 ............................................................................................................. 59 圖 3.19 模型操作二 ......................................................................................................... 60 圖 3.20 模型操作三 ......................................................................................................... 60 圖 3.21 基地一最終設計 ................................................................................................. 61 圖 3.22 基地一最終設計各構件尺寸(mm) .................................................................... 61 圖 3.23 基地一最終設計組構層次關係 ......................................................................... 62 圖 3.24 立體單元模型 ..................................................................................................... 62 圖 3.25 立體單元安裝順序 ............................................................................................. 64 圖 3.26 側向構件鋪設設計 ............................................................................................. 65 VII.

(14) 圖 3.27 研究大樓內挑空 ................................................................................................. 66 圖 3.28 研究大樓室內長廊窗台 ..................................................................................... 66 圖 3.29 基地二剖面尺寸(mm) ........................................................................................ 66 圖 3.30 基地二之設計基本型 ......................................................................................... 67 圖 3.31 構架受不同外力作用時基地結構體支承行為 ................................................. 68 圖 3.32 基地二之 X 型可變結構機制 ............................................................................ 69 圖 3.33 X 型結構層次關係與結構行為 ......................................................................... 70 圖 3.34 基地二平面結構單元 ......................................................................................... 71 圖 3.35 基地二之單元及構件尺寸(mm) ........................................................................ 72 圖 3.36 基地二設計之平面單元安裝施工順序 ............................................................. 73 圖 3.37 平面單元 1/10 模型 ............................................................................................ 74 圖 3.38 基地二之最終設計組成 ..................................................................................... 75 圖 3.39 基地二之最終設計之 3D 模擬圖 ...................................................................... 75. 圖 4.1 基地一設計結構分析模型 ................................................................................... 78 圖 4.2 基地二設計結構分析模型 ................................................................................... 78 圖 4.3 木構材材料設定 ................................................................................................... 79 圖 4.4 螺桿材料設定 ....................................................................................................... 80 圖 4.5 載重分析類型設定為非線性 ............................................................................... 81 圖 4.6 基地一設計載重施加位置 ................................................................................... 81 圖 4.7 基地二設計載重施加位置 ................................................................................... 81 圖 4.8 螺桿端部束制釋放設定 ....................................................................................... 82 圖 4.9 木構材端部束制釋放設定 ................................................................................... 82 圖 4.10 基地一設計桿件端部束制釋放位置示意 ......................................................... 83 圖 4.11 基地二設計桿件端部束制釋放與純受壓桿件位置 ....................................... 83 圖 4.12 純受壓桿件設定 ................................................................................................. 83 圖 4.13 Gap 與 Hook 定義示意[16]................................................................................ 84 圖 4.14 Gap 非線性元素定義 ......................................................................................... 85 VIII.

(15) 圖 4.15 基地一設計 Gap 設定位置與方向 .................................................................. 85 圖 4.16. 基地二設計 Gap 設定位置與方向 .................................................................. 85. 圖 4.17 基地一設計與基地二設計構件受力圖與最大值位置 ..................................... 87 圖 4.18 構材斷面開孔符號示意 ..................................................................................... 89 圖 4.19 基地一設計增加之外緣受拉構件 ..................................................................... 95 圖 4.20 基地一設計增加受拉構件接合處五金詳圖 ..................................................... 95 圖 4.21 基地一設計第一次修正之構件受力圖與最大值位置 ..................................... 96 圖 4.22 基地一設計第二次修正增加之構件位置 ......................................................... 97. 圖 5.1 接合處位置示意 ................................................................................................... 98 圖 5.2 木構件鉸接點接合示意 ....................................................................................... 99 圖 5.3 緊結器固定方式示意圖 ..................................................................................... 100 圖 5.4 側向連結構件與平面單元構件組合方式 ......................................................... 101 圖 5.5 連結處角鋼組合詳圖(mm) ................................................................................ 101 圖 5.6 板材形狀與尺寸(mm) ........................................................................................ 102 圖 5.7 板材與木結構體固定位置 ................................................................................. 102 圖 5.8 平面單元之木構件編號與尺寸詳圖(mm) ........................................................ 104 圖 5.9 已符合長度之木構材進一步詳細揀選 ............................................................. 105 圖 5.10 放樣過程 ........................................................................................................... 105 圖 5.11 放樣標註 ........................................................................................................... 105 圖 5.12 鋸檯與外側加墊 ............................................................................................... 106 圖 5.13 以鋸檯裁切木構材情況 ................................................................................... 106 圖 5.14 鑽床施作木構材鑽孔 ....................................................................................... 107 圖 5.15 金屬切斷機切鋸螺桿情形 ............................................................................... 108 圖 5.16 以砂輪機修整螺桿斷面 ................................................................................... 108 圖 5.17 製作完成之木構件及螺桿 ............................................................................... 108 圖 5.18 木構件擺放至定位 ........................................................................................... 109 圖 5.19 於鉸接點串接螺桿 ........................................................................................... 109 IX.

(16) 圖 5.20 對鎖螺桿上端螺帽 ............................................................................................110 圖 5.21 折疊平面單元 .................................................................................................... 111 圖 5.22 以金屬切斷機裁切角鋼 .................................................................................... 111 圖 5.23 砂輪機修整角鋼邊緣 ........................................................................................112 圖 5.24 修整前後之角鋼比較 ........................................................................................112 圖 5.25 角鋼排列上漆 ....................................................................................................113 圖 5.26 劃記兩組角鋼側邊對齊線 ................................................................................113 圖 5.27 木構材寬度側依角鋼孔洞位置做記號 ............................................................114 圖 5.28. 以電鑽預先開鑿孔洞 ........................................................................................114. 圖 5.29 單側角鋼組合 ....................................................................................................115 圖 5.30 角鋼與木構件組合之木螺絲釘 ........................................................................115 圖 5.31 以螺絲起子將木螺絲釘鎖入固定角鋼 ............................................................116 圖 5.32. 側向連結構件端部與角鋼接合完成品 ............................................................116. 圖 5.33 裁切完成之木芯板 ............................................................................................117 圖 5.34 以釘槍固定魔鬼氈 ............................................................................................118 圖 5.35 釘槍打釘位置 ....................................................................................................118 圖 5.36 已固定魔鬼氈之板材 ........................................................................................118 圖 5.37 木構件上魔鬼氈固定位置 ................................................................................119 圖 5.38 平面單元安裝過程 ........................................................................................... 121 圖 5.39 平面單元成品 ................................................................................................... 122 圖 5.40 構件與地面接觸面補以橡膠墊塊 ................................................................... 122 圖 5.41 側向連結構件安裝過程 ................................................................................... 123 圖 5.42 側向連結木構件與平面單元木構件組合處修正 ........................................... 124 圖 5.43 側向連結構件成品與編號 ............................................................................... 124 圖 5.44 底板安裝過程 ................................................................................................... 125 圖 5.45 側板接合細部 ................................................................................................... 125 圖 5.46 底板接合細部 ................................................................................................... 125 圖 5.47 結構體成品 ....................................................................................................... 126 X.

(17) 第一章緒論 1.1 研究動機與目的 1.1.1 研究動機近幾年來，由於人類的經濟開發對環境大舉開墾，不僅消耗地球資源，且在生產過程中排放二氧化碳造成地球暖化，經由人類的消費活動更產生大量的廢棄物，若未妥善處理這些廢棄物，不只汙染環境衛生，也危害我們的生存空間。解決廢棄物問題應從廢棄物減量下手，如能做到資源回收再生利用與重複使用延長產品使用壽命等，將能有效減少廢棄物，降低環境污染，積極地為資源永續盡一份心力。於 2007 年初，本校都市計畫學系曾憲嫻老師舉辦木構造工作營，其中一組同學在規劃與設計學院圖書館前花園構築一條廊道與休憩座椅，如圖 1.1 所示。今年 2013 年，學校將在此地點建造新建築物，預計將地面上原有的構築物拆除，此批木構架即將面臨被拆除廢棄的處境，經協調後，都計系同意將此批木材供本研究再做使用。此構架所使用的木材為南方松，南方松常灌注化學藥劑達到防腐防蛀功能，並延長使用年限，不論廢棄燃燒或是回收製成木屑加工生產傢俱，皆會產生對人體有害之物質，對於此批未達使用年限的木材來說，拆除丟棄無疑對環境造成莫大的汙染。如能保持原樣直接作為構材使用，而非經過二次加工再製，將能節省能源並降低汙染，發揮其使用年限內最大效益。同時，建築系長期以來缺乏足夠的模型及圖面展示空間，每當期末展覽時期，各年級爭相搶借場地，或造成部分非展覽公共空間使用不便，因此觸發思考是否能利用建築系既有的廊道，在不影響正常通行的情況下，增設臨時性的展覽空間提供使用。而既然屬於臨時性的結構物，就應考量非使用時的收納以及可重複組裝拆卸的特性，在拆卸後應使搭建的基地保持原樣，不破壞到既有建築物本身的構造，也. 1.

(18) 不留下任何鑿孔、釘子等痕跡，使構造物成為一自立式的二次結構。因此如何利用此批木材達成上述目的，即為此研究的主要課題。. 圖 1.1 舊有木構架樣貌. 1.1.2 研究目的本文之研究目的為將回收木構材重組成新的結構形式，依靠既有建築物的柱、梁、樓板等結構體作為支承，但不施予鑽孔、植筋等傷害結構體之行為，使其成為自立式二次結構，且此構造應為可被複製製造的單元，具備僅依靠人力即可施工的輕巧性。同時透過材料試驗，確認既有木構材因長年在外日曬雨淋而造成的龜裂、腐蝕對材料強度之影響。在建築系館內選定基地，考量基地特性與實際構築之施工可行性進行規劃，實踐形體設計、構築施工、結構分析多方面整合的設計決策過程。. 1.2 文獻回顧 1.2.1 構築研究與經驗以往學校的設計教學中，為拓展學生的設計思考，多鼓勵對設計形體多方變化與嘗試，卻容易產生規避現實條件的「紙上建築」，缺乏對真實世界的組構關係與施 2.

(19) 工細節考量[1]。但隨著近年來參數式設計與數位製造興起，許多造形難以達成的建築形體現今已可透過數位科技生產製造，因此探討如何從數位設計、生產製造到實體構築一連串流程的嘗試與研究日益增多，本研究雖無使用參數式設計，但仍可將此類研究的構築經驗與遭遇問題時的解決方式作為本研究之借鏡。前人研究如翁穎諄[2]將曲形變斷面格子梁構造的型體決定方式轉化成簡易型錄，可從型錄裡挑選梁深方向、單元分割形狀、表面處理方式等，最後決定其中一組方式完成構築，成品如圖 1.2 所示。陳易凡[3]考量平板製造限制及施工的便利性，進而決定較佳之曲面分割方式，藉由參數設計拆解結構為小單元，使構件便於組裝、拆除和異地重組，並透過參數設計使數位製造流程更有效率，最後將零件組裝成一曲面構造，如圖 1.3 所示。王嬿晴[4]將桁架系統構築過程導入參數式設計工具，開發桁架在曲面造型上的可能性，透過實作經驗發現並解決問題，最終透過體和線的構造共同組成如圖 1.4 所示之曲面空間桁架系統。陳思嘉[1]透過三組設計實作的操作經驗，探討設計、生產製造與實體構築三階段的相互回饋機制，最終實際構築圖 1.5 所示的「懸鏈‧榭」沿用前兩組設計實作的參數紀錄、編碼邏輯、施工流程經驗等，使得整體進度快速且流暢。. 圖 1.2. 變斷面格子梁版設計實作[2]. 3.

(20) 圖 1.3. 圖 1.4. 可拆解曲面構造[3]. 曲面空間桁架系統[4]. 圖 1.5. 懸鏈‧榭[1]. 由前述各構築經驗統整前人研究共同遭遇之難題與建議之解決方式如下： 1.. 整體規劃：此類自力營造的施工通常無法透過一己之力完成，參與的人力和物力支援程度會影響細部設計的發展[1]，單元生產階段如能投入較多人力，可提高生產效率，部分完成的大構件考量體積重量等因素，亦可能需較多人力協助組裝， 4.

(21) 因此除擬定實構流程外，若能訂定完整施工時程表及對應人力分配、工具需求、五金數量等，將能使實構過程更加順利流暢[2]。 2.. 預組裝：施工團隊並非專業營造人員，在流程上或許無法考慮周全，實體構築階段的預組裝可為細部設計提供驗證機會[1]，不論是縮尺模型或是局部嘗試，皆能在過程中發現設計、組裝邏輯、接合構件等錯誤，也能了解組裝場地及施工困難等限制，進一步發現問題並且修正設計。透過預組裝亦可讓施工團隊更了解施工過程，在最終的正式構築階段將能降低遭遇的錯誤及困難並提高施工效率[4]。. 3.. 誤差容許：施工時可能因各種因素產生誤差，例如材料本身厚度不均、現場定位困難、人為操作精準度不足、開孔並彎曲後造成版材上下表面有差距產生，這些誤差將可能造成最終組裝無法順利進行，因此在設計階段就必須要有容許誤差之機制存在[3]，如開孔凹槽可事先放大擴孔、構件分段製造、熟悉使用機械及夾具等工具、開孔前先彎折材料使單元最後形成之開孔為精準之尺寸[4]。現場組裝時容易因單元本身重量或外力造成構造物無法維持在定位點，因此需考慮構件定位方式或輔以臨時性支撐，防止構件變形甚至導致整體結構崩塌[3]。. 4.. 領域整合：既往的參數化設計與構築研究，在設計階段中通常未能將結構分析與材料行為納入設計參數考量，如能在設計初期便與結構分析相互配合，對於造型或材料之選擇給予意見、選擇適宜尺寸、預先了解結構脆弱點等，將能使整體設計更加經濟合理，結構系統更加穩固[3]。再加上營造施工團隊及機械領域專家之各領域與專業技術整合，更可根據各領域提出之專業技術與知識，使設計者更能充分了解問題並作出決策，有助於設計、生產製造至實體構築的流程連結[4]。 2010 年德國斯圖加特大學(Universität Stuttgart) 設計運算研究所(Institute for Computational Design, ICD)與建築結構設計研究所(Institute of Building Structures 5.

(22) and Structural Design, ITKE)合力以 6.5mm 木夾板為材料搭建休憩涼亭(Research Pavilion) [5]，設計過程將材料的物理行為納入考量，圖 1.6 為透過實驗了解木夾板的彎曲程度與相對應的施力強度，以維持木夾板在彈性區間內不致於破壞，參數化設計時即將此特性納入參數考量，影響整個休憩涼亭的形體與單元發展。最後透過數位製造生產 80 片不同型態的長條木夾板與 500 多個幾何形狀相似卻不相同的連接構件，組合成如圖 1.7 所示的休憩涼亭。整體設計統合不同領域專業，從實驗、設計、製造到施工的流暢程序，為本研究期待達成之目標。. 圖 1.6. 圖 1.7. 透過實驗了解材料力學性質[5]. ICD/ITKE Research Pavilion 2010 成品[5]. 6.

(23) 1.2.2 既有木構材材料性質國外常使用較大尺寸的木構材做為工廠建築物結構，或是路旁的電線杆等用途，有時這些木構材面臨拆移命運，但其外觀仍完整良好，為探討其二次利用之可能性，需先對材料性質加以確認。回收再利用的舊木材常於表面發現許多明顯的損傷痕跡，如季節性裂紋 (Seasoning Checks)、節瘤(Knots)、孔洞(Holes)、劈裂(Splits)、缺損(Wane)等用肉眼即可明顯觀察的損傷，造成這些損傷痕跡的原因與原用途有關，如搭接時的螺栓或釘子孔洞、長期承受載重、處於氣候溫度多變或潮濕易腐蝕地區、使用於工廠等高溫或具有化學物質的環境等[6]。美國已有不經物理或探測實驗，而是直接由肉眼判斷外觀快速將舊木材區分等級之規範 West Coast Lumber Inspection Bureau (WCLIB)[7]，此規範對不同尺寸與樹種的木材提供不同的判斷分級表格，如表 1.1 即為此規範對 8”by8”松木之分級方式，但並未對分級後各級之對應設計強度加以規範。針對裂紋是否影響木材結構性質，2000 年 Falk et al. [8]曾對 58 支原用於兵工廠結構柱之舊木材進行研究，分類出 35 支有裂紋與 23 支無裂紋試體，再將此批試體依 WCLIB 規範[7]分為三個等級，進行抗壓試驗比較，發現各級無裂紋木材平均抗壓強度為有裂紋木材的 0.73 至 1.10 倍，顯示裂紋並非影響結構性質的關鍵因素。 Falk et al.再將此批已分類與試驗的木材試驗數值與美國現行針對新出廠木材之分級標準 National Design Specification for Wood Construction (NDS)[9]比較，以確認這批舊木材是否還適任於原有規範級別，比較結果如表 1.2 所示，可發現各等級舊木材抗壓強度試驗數據仍高於新木材規範值 1.4 至 1.72 倍，顯示規範值非常保守，因此即使是已使用多年的舊木材，仍具有相當程度的強度，可繼續作為結構材使用。. 7.

(24) 表 1.1. Grade Characteristic Surface seasoning checks. WCLIB 規範中 8” by 8”松木分級標準[7]. Grade Select Structural 4 in. (102 m. No.1. No.2. 4 in. (102 mm). Utility. Unlimited. Unlimited Large, unsound or not firmly fixed, not larger than about 3/4 of the width of the face. 3/4 width of the face. Knots. 1-5/8 in. (41mm). 2-1/2 in. (64mm). 3-3/4 in.(95mm). Holes. Limited pin holes. Limited pin holes. 3-3/4in. Splits. 6 in.. Short splits or equivalent 1/4 of any face or equivalent 1:10. Medium splits or equivalent 1/3 of any face or equivalent 1:6 1/2 length, 1/2 thickness; if through at ends, limited as splits. Wane Slope-of-grain Shake. 1/8 of any face or equivalent 1:12 1/3 thickness on end. 表 1.2. 1/3 thickness on end. 1/4 of any face 1/8 of any face Unlimited Full length, if not continuous. NDS 規範與 Falk et al.試驗結果比較表[8]. NDS derived values Elastic modulus. Compression. Calculated. Measured. strength. column strength. column capacity. Fc∗ (1). f (2). Ratio. Grade E. Fc. (2)⁄(1). Select Structural. 11370 Mpa. 22.3 Mpa. 18.2 Mpa. 26.4 Mpa. 1.45. No.1. 11370 Mpa. 19.5 Mpa. 16.4 Mpa. 22.9 Mpa. 1.40. No.2. 9240 Mpa. 13.3 Mpa. 11.6 Mpa. 19.9 Mpa. 1.72. 1.2.3 台灣現行規範台灣現有木構造建築物設計及施工技術規範[10]，提供構材與接點之設計方法。規範第三章《結構分析》中明定結構分析方式與載重組合；第四章《材料及容許應力》分類結構用樹種及其材料性質，規定各級木材之比重、彈性模數及容許應力，需依實際材料選用不同級別進行設計；第五章《構材設計》規範構材應力檢討 8.

(25) 公式，針對木材受拉、受壓、受純彎、彎壓或彎拉等不同應力形式分別檢討，由結構計算分析所得應力最大值，皆不得大於對應之容許應力；第六章《構材接合部設計》適用於機械性接合，規範材料接合部及接合扣件應力檢討公式。. 1.3 研究流程與方法本文藉由材料試驗確認既有木構材強度與新木材差異，並與台灣現行規範比較，確定結構分析所應採用之容許強度。同時，考慮基地條件、施工可行性和整體造型進行設計，將設計結果以結構分析軟體進行應力分析並檢討構材強度，修正設計。接下來考量實際可取得之五金材料，設計細部與組裝方式，最後完成實際構築，研究流程如圖 1.8 所示。抗壓與抗剪強度密度及含水率材料試驗比較新舊材料差異材料強度與現行規範比較既有木構材材料限制基地條件特殊支承形體設計形式造形施工程序可行性電腦軟體應力分析結構分析規範容許應力檢討. 接點細部設計構築施工施工過程圖 1.8. 研究流程. 9.

(26) 1.4 適用範圍本研究材料試驗結果僅適用於本文所使用之南方松，其餘樹種因木材本身質地或生產處理方式不同，並不一定具有相同之材料性質。自立式二次結構須依附於既有建築物之柱、梁、樓板等結構體，結構體本身應穩定無損傷，且可承受建物自重外的其餘作用力，才可作為自立式二次結構之邊界支承，本文所設計的自立式二次結構乃倚靠依附的結構體之支承以達到自立條件，並非單憑構築形式形成一封閉結構系統。. 1.5 章節概述本文第二章介紹材料試驗過程與結果，第三章闡述設計過程，第四章敘述結構分析及應力檢討結果，第五章記錄施工細節及過程，最後於第六章提出結論與建議。. 10.

(27) 第二章材料試驗本章對既有木構材與另一批新購木材進行材料試驗，試驗內容包括密度、含水率、抗壓及抗剪強度，依據各試驗規劃試體尺寸，介紹所使用之器材及裝置，並詳述各試驗進行流程。除了透過試驗結果瞭解密度及含水率對抗壓及抗剪強度的影響外，也確認既有木構材材料性質與新購木材之差異，最後將試驗結果與台灣及美國法規規範進行比較。. 2.1. 材料來源既有的木構架拆除後，本研究選取部分構件並裁切做為材料力學試驗試體，考. 量各構件在原本木構架受力方式及損壞型態不同，也可能因擺放位置而有不同程度的損傷，因此在既有木構架拆除時，即如圖 2.1 將各構件分類整理，在進行同一種試驗時儘量挑選不同位置之構件作為試體，裁切作為試體的位置亦避開木材本身的缺角、節瘤以及原先施工所造成的釘孔等缺陷位置。. 圖 2.1. 拆除後的木構架依構件尺寸長度及形狀分類. 為瞭解既有木構材因長期在戶外風吹雨淋造成強度折減之程度，除了既有木構材之外，本研究另行購置一批同為南方松且同等級之新木材做為比較對象，此批新木材符合美國 Southern Forest Product Association 分級標準[11]的 NO.1 結構材，本身. 11.

(28) 已具有一定的結構強度。經此標準檢驗出廠之南方松木材上均有如圖 2.2 所示之分級檢驗章印，可從章印上瞭解此木材之檢驗機構、等級、編號、窯乾程度等資訊。圖 2.3 及圖 2.4 分別為本研究之既有木構材及新購木材上之章印，可辨認出此新舊兩批木材除出廠公司不同外，皆為 Timber Product Inspection(TP)所檢驗之 Southern Yellow Pine(SYP)，經熱處理且窯乾後含水率不超過 19%之 NO.1 等級結構材。. 1. 檢驗機構：Southern Pine Inspection Bureau (SPIB) 2. 檢驗機構：Timber Products Inspection (TP) 3. 規格材等級 4. 製材廠認證編號 5. 樹種名稱 6. 認證標示(可選放) 7. 窯乾(Kiln-Dried)後含水率限制 8. 經熱處理(Heat Treated). 圖 2.2. 分級檢驗章符號[11]. 圖 2.3. 既有木構材檢驗章印. 圖 2.4. 新購木材檢驗章印. 12.

(29) 2.2. 試體與試驗裝置本節介紹所規劃試驗種類、試體分類方式、尺寸及數量、試驗流程計畫、使用. 工具與儀器。. 2.2.1 試體規劃本研究之材料試驗主要依據 CNS 國家標準規範規定之試體尺寸與試驗流程進行，局部配合實驗設備實際情況略做修改，內容包括抗壓、抗剪、密度及含水率試驗。其中，抗壓試驗依施與軸壓方向分為垂直木材纖維方向的弦向加壓(S)與平行木材纖維方向的縱向加壓(V)兩種，抗剪試驗亦分為平行木材纖維之徑切面(R)與垂直木材纖維之橫切面(H)兩方向，如圖 2.5 所示，各種試驗為了比較新材與既有木構材差異性，再分為新材(N)與舊材(O)兩組對照，詳細分類方式見表 2.1，每組試驗代號各製作 6 塊試體進行試驗。. 弦向 S. 橫切面 H. 徑切面 R 縱向 V. 圖 2.5. 木材紋理與試驗方向. 13.

(30) 表 2.1. 試體分類與代號. 抗壓試驗. 抗剪試驗. 弦向 S. 縱向 V. 徑切面 R. 橫切面 H. 新木材 N. NS. NV. NR. NH. 舊木材 O. OS. OV. OR. OH. 木材抗壓試驗依據國家標準規範 CNS453[12]所規定之試驗方法，試體應為斷面正方形之長立方體，正方形邊長 a=20~40mm，長立方體高度 h=2a ~ 4a，本研究之試體取邊長 a=40mm，高度 h=2a =80mm。而抗剪試驗依據 CNS455[13]，剪力斷面邊長 a=20~30mm，原試驗方法為單剪試驗，在本研究中配合實驗裝置將單剪面改成雙剪面，剪斷面取正方形邊長 a=30mm，上下左右各凸出與試驗架支承接合之卡槽深度 10mm，試驗塊尺寸如圖 2.6 與圖 2.7 所示。. 圖 2.6. 抗壓試體塊尺寸(mm). 圖 2.7. 14. 抗剪試體塊尺寸(mm).

(31) 所有試體塊在試驗前先進行質量與體積之量測，以求得試體密度，試驗完成後再次秤重確認無質量損失，將試體置入烘箱待完全乾燥後量測乾燥質量，即可進一步求得各試體含水率。由一般室溫下所秤得之試體塊質量與量測所得體積，經式 (2.1)計算可得試體在含水率 w%時的試體密度[14]，試體烘乾至質量恆量後各別秤重可得乾燥質量，則可由式(2.2)計算試體含水率[15]：. ρw =. w=. mw Vw. mw − md × 100 md. (2.1). (2.2). 上式中，ρw 為試體含水率 w%時之密度(mg/mm3)，mw 為含水率 w%時之質量 (mg)，Vw 為含水率 w%時之體積(mm3)，w 為含水率(%)，md 為試體乾燥後質量。. 2.2.2 試驗裝置本試驗利用 20 噸萬能試驗機進行加載，如圖 2.8 所示，原 CNS453[12]規範中，抗壓試驗加載速率為載重控制，但為配合本試驗所使用萬能試驗機規格，加載過程改採位移控制，先測試多塊試體得到大約的極限載重，再依原試驗法換算所需加載時間，最後為控制達極限應力時間與規範相近，本研究位移控制加載速率依不同試驗進行調整，弦向抗壓為 3mm/min，縱向抗壓為 0.5mm/min。另 CNS455[13]規定抗剪試驗應使試體在加載後 1.5 ~ 2.0 min 破壞，同樣在預測試多組試體後，可在正式試驗時控制破壞時間符合規範，本試驗之徑切面抗剪試驗加載速率為 1mm/min，橫切面抗剪則為 7mm/min。試驗加載至材料強度驟降時停止，由電腦記錄加載期間之垂直變形與載重資料，同時攝影記錄其破壞情形。圖 2.9 所示為抗壓試驗加載情 15.

(32) 況，試體直接置於加載座上，施予壓力。. 圖 2.8. 圖 2.9. 萬能試驗機. 抗壓試驗加載方式. 抗剪試驗則配合另行訂作之鐵製試驗架進行，試驗架由一具有溝槽之凹型鐵塊作為底座，上面置放兩塊凸型鐵塊可在溝槽內左右滑移，以便依據不同試體尺寸調整位置，如圖 2.10 所示，加載方式則如圖 2.11 所示，試體於上方加載鐵塊與下方兩側支承之間的雙剪面受剪。. 16.

(33) 圖 2.10. 抗剪試驗架(mm). 圖 2.11 抗剪試驗加載方式. 2.3. 試驗與量測過程. 2.3.1 木材密度試驗為求得試體強度與密度之關係，研究在試驗前量測各抗壓與抗剪試驗塊之密度。試體裁切時可能因人為操縱而有些許尺寸誤差，為求試驗值精準，裁切完的試體應再詳細量測實際尺寸。試體塊質量以電子秤測量，本試驗使用之電子秤精度為 0.5g，由量測的體積與質量可換算試體在一般狀態下之密度。抗壓試驗試體塊為長方體，體積量測可直接由游標卡尺測得試體實際長度，如圖 2.12 所示，游標卡尺精準度至 0.1mm。. 17.

(34) 圖 2.12. 游標卡尺測量試體尺寸. 抗剪試驗試體塊形狀較為複雜，每個卡槽可能都會有些許誤差，體積量測不採用游標卡尺，而是利用細砂掩沒試體塊，量測試體塊排開之細砂體積。步驟為準備 250,000mm3 細沙，將細砂倒入另一個已放入試體塊的量杯中，如圖 2.13 所示，邊搖勻邊倒入細砂至刻度 250,000mm3 為止，原燒杯中所剩細砂即為試塊體積，如圖 2.14 所示，最後將剩下的細砂倒入刻度較小的量筒中讀取量筒數值，如圖 2.15 所示，即可得試體塊體積，量筒精準度至 100mm3。. 圖 2.13. 體積量測步驟一. 18.

(35) 圖 2.14. 體積量測步驟二. 圖 2.15. 體積量測步驟三. 2.3.2 木材抗壓試驗木材弦向抗壓試驗加載速率為 3mm/min，試體應力達極限值時的變形量，新木材平均為 14.3mm、舊木材平均為 10.4mm，在加載過程中可看出明顯的變形，隨著軸壓與變位增加，木材的年輪紋理間會產生些微錯動造成皺褶痕跡，試體順著年輪方向產生彎曲變形，甚至在年輪外側有平行纖維方向裂開的情形，破壞過程如圖 2.16 所示。. 19.

(36) (a) 開始加壓. (b) 些微變形. (c) 年輪紋理間錯動. (d) 試體變形彎曲. (e) 出現細小裂縫. 圖 2.16. (f). 弦向抗壓破壞過程. 20. 試體破壞.

(37) 木材縱向抗壓試驗加載速率為 0.5mm/min，試體應力達到極限時的變形量，新木材平均為 1.4mm、舊木材平均為 1.5mm，加載開始至應力最大值時的變形量極小，較難以直接觀察到明顯破壞方式，試驗後的試體塊上也無明顯破壞痕跡，其破壞過程如所圖 2.17 示。. (a) 開始加壓. (b) 加壓中期圖 2.17. (c) 試體破壞. 縱向抗壓破壞過程. 2.3.3 木材抗剪試驗木材徑切面抗剪試驗以 1mm/min 之速率進行加載，試體達至極限應力時的變形量，新木材平均為 0.94 mm、舊木材平均為 0.81 mm，試體破壞變位極小，加載過程中無明顯變形與破壞，但在力量達到極限點時可看到受剪面瞬間開裂，強度也隨之驟降，破壞歷程如圖 2.18 所示。. (a) 開始加壓. (b) 試體破壞前圖 2.18. 徑切面抗剪破壞過程. 21. (c) 試體破壞.

(38) 木材橫切面抗剪試驗加載速率為 7mm/min，加載應力至極限值時的變形量，新木材平均為 16.3mm、舊木材平均為 11.2mm，加載初期，試體頂部因受壓產生些微變形，隨著加載漸增，試體於底部卡槽處產生開裂情形，最終造成試體沿纖維方向劈裂，如所圖 2.19 所示，其中 NH2 與 NH6 更因劈裂導致試體底部完全脫開，造成試驗末期試體發生明顯彎曲變形。. (a) 開始加壓. (b) 受擠壓略為變型. (d) 加壓處嚴重擠壓. (e) 下方劈裂圖 2.19. (c) 卡槽處開裂. (f). 試體破壞. 橫切面抗剪破壞過程. 2.3.4 木材含水率試驗本研究根據國家標準規範 CNS452[15]木材含水率試驗法，對完成抗壓與抗剪試驗的試體塊再次秤重確認烘乾前質量後，將試體排列放入烘箱中，如圖 2.20 及圖 2.21 所示，溫度設置在 103±2℃乾燥至質量恆量，恆量判定方式為每間隔 6 小時秤重一次，質量損失在試體質量之 0.5%以下時即可視為已達恆量。本試驗因試體尺寸較小，質量較輕，烘乾階段秤重之損失質量不易秤出，因此將同一組試驗試體一起 22.

(39) 秤重，較易觀察質量變動量，烘乾過程記錄如表 2.2 所示，各組試體皆在烘乾 18 小時到達穩定的質量恆量。試體在烘箱內冷卻後，應快速秤量，以避免含水率增加。. 圖 2.20. 定溫式乾燥烘箱. 表 2.2. 圖 2.21. 試體依序排列後烘乾. 試體烘乾秤重紀錄. NS. OS. NV. OV. NR. OR. NH. OH. 原始質量. 103mg. 357.5. 436.5. 340.0. 410.5. 192.0. 236.0. 187.0. 244.5. 6 小時秤重. 103mg. 315.5. 385.0. 300.5. 364.5. 167.5. 207.5. 165.0. 214.5. 質量損失. 3. 10 mg. 42.0. 51.5. 39.5. 46.0. 24.5. 28.5. 22.0. 30.0. 損失率. %. 13.3. 13.4. 13.1. 12.6. 14.6. 13.7. 13.3. 14.0. 315.5. 384.5. 300.5. 364.5. 167.5. 206.5. 163.5. 214.5. 12 小時秤重 103mg 質量損失. 3. 10 mg. 0.0. 0.5. 0.0. 0.0. 0.0. 1.0. 1.5. 0.0. 損失率. %. 0.0. 0.1. 0.0. 0.0. 0.0. 0.5. 0.9. 0.0. 384.5. 300.0. 364.0. 167.5. 206.5. 163.0. 214.0. 18 小時秤重 10 mg 3. 315.5. 質量損失. 103mg. 0.0. 0.0. 0.5. 0.5. 0.0. 0.0. 0.5. 0.5. 損失率. %. 0.0. 0.0. 0.2. 0.1. 0.0. 0.0. 0.3. 0.2. 23.

(40) 2.4. 試驗結果本節詳列各試體經密度、抗壓、抗剪與含水率試驗後各試體之試驗數值，並計. 算每組試體之平均值。抗壓與抗剪試驗中，雖各組試體部分有變異性較大之數值，但於各表中可見，去掉最大與最小極值之平均值與全體平均值差異並不大，因此文中敘述仍以全體平均之數值進行討論。. 2.4.1 抗壓試驗試驗完成後，依式(2.3)及式(2.4)，將各試體載重與變位換算為應力與應變。其中，fc 為壓應力(MPa)，P 為所受之軸壓(N)，A 為試體斷面積(mm2)，ε為應變，δ 為試體變位(mm)，h 為試體高度(mm)。. fc =. P A. (2.3). ε=. δ h. (2.4). 各試體弦向極限抗壓強度fc⊥ u 與對應之應變εu 如表 2.3 及表 2.4 所示，各組六個試體中，新木材極限強度最大值為 6.20Mpa (63.23kgf/cm2)，最小值為 4.54Mpa (46.28kgf/cm2)，平均為 5.72MPa (58.3 kgf/cm2)；舊木材極限強度最大值為 7.32MPa (74.68kgf/cm2)，最小值為 4.84MPa (49.41kgf/cm2)，平均為 5.54MPa (56.48kgf/cm2)。其中 NS4、NS6、OS5、OS6 四個試體不像其餘試體有明顯降伏平台與應變硬化現象，而是達到降伏時應力即驟降，因此破壞應變較其餘試體小。各試驗之應力-應變關係曲線如圖 2.22 及圖 2.23 所示，各試體破壞情形見圖 2.24 及圖 2.25。. 24.

(41) 表 2.3. 試體. fc⊥ u. NS2. NS3. NS4. NS5. NS6. 平均. MPa. 6.20. 5.99. 6.03. 4.54. 6.04. 5.54. 5.72. 5.90. kgf⁄cm2. 63.23. 61.07. 61.53. 46.28. 61.6. 56.55. 58.38. 60.19. 0.26. 0.21. 0.21. 0.07. 0.26. 0.04. 0.18. 0.19. 表 2.4 試體. εu. 去極值. NS1. εu. fc⊥ u. 新木材弦向抗壓試驗(NS)極限強度及應變. 平均. 舊木材弦向抗壓試驗(OS)極限強度及應變去極值. OS1. OS2. OS3. OS4. OS5. OS6. 平均. MPa. 5.42. 4.84. 7.32. 5.08. 5.36. 5.20. 5.54. 5.27. kgf⁄cm2. 55.25. 49.41. 74.68. 51.81. 54.63. 53.07. 56.48. 53.69. 0.22. 0.13. 0.12. 0.21. 0.05. 0.05. 0.13. 0.13. 25. 平均.

(42) 圖 2.22. 新木材弦向抗壓(NS)應力-應變關係圖. 圖 2.23. 舊木材弦向抗壓(OS)應力-應變關係圖. 26.

(43) NS1. NS2. NS3. NS4. NS5. NS6. 圖 2.24. 新木材弦向抗壓(NS)各試體破壞情形. 27.

(44) OS1. OS2. OS3. OS4. OS5. OS6. 圖 2.25. 舊木材弦向抗壓(OS)各試體破壞情形. 28.

(45) 各試體縱向極限抗壓強度fc∥ u與對應之應變εu 如表 2.5 及表 2.6 所示，每組六個試體中，新木材極限強度最大值為 43.36MMPa (442.26kgf/cm2)，最小值為 30.51MPa (311.19kgf/cm2)，平均值 34.58MPa (352.7 kgf/cm2)；舊木材極限強度最大值為 49.68Mpa (506.73kgf/cm2)，最小值為 34.65Mpa (353.4 kgf/cm2)，平均值 43.21MPa (440.74kgf/cm2)。試驗之應力應變曲線如圖 2.26 及圖 2.27 所示，圖中曲線形成抖動梯狀而非平滑曲線應為試驗機數據讀取問題，但整體曲線趨勢走向正確，故不影響最終數值判讀。縱向受壓之應力-應變曲線有降伏現象但無應變硬化，試體過降伏點後不久，強度隨即下降，各試體破壞情形如圖 2.28 及圖 2.29 所示。. 表 2.5 試體. NV2. NV3. NV4. NV5. NV6. 平均. 33.33. 40.68. 31.72. 43.36. 30.51. 27.89. 34.58. 34.06. kgf⁄cm2 339.98. 414.98. 323.53. 442.26. 311.19. 284.45. 352.73. 347.42. 0.0123. 0.0123. 0.0122. 0.0290. 0.0133. 0.0275. 0.0178. 0.0164. εu. 表 2.6 試體. εu. 平均. 舊木材縱向抗壓試驗(OV)極限強度及應變去極值. OV1. OV2. OV3. OV4. OV5. OV6. 平均. 37.15. 49.68. 46.66. 46.42. 44.69. 34.65. 43.21. 43.73. kgf⁄cm2 378.91. 506.73. 475.96. 473.53. 455.85. 353.45. 440.74. 446.06. 0.0196. 0.0226. 0.0158. 0.0156. 0.0180. 0.0211. 0.0188. 0.0186. MPa. fc∥ u. 去極值. NV1 MPa. fc∥ u. 新木材縱向抗壓試驗(NV)極限強度及應變. 29. 平均.

(46) 圖 2.26. 新木材縱向抗壓(NV)應力-應變關係圖. 圖 2.27. 舊木材縱向抗壓(OV)應力-應變關係圖. 30.

(47) NV1. NV2. NV3. NV4. NV5. NV6. 圖 2.28. 新木材縱向抗壓(NV)各試體破壞情形. 31.

(48) OV1. OV2. OV3. OV4. OV5. OV6. 圖 2.29. 舊木材縱向抗壓(OV)各試體破壞情形. 32.

(49) 2.4.2 抗剪試驗試驗完成後，依式(2.4)計算試體剪應力：. τ=. P 2𝐴𝑆. (2.5). 上式中，τ為剪應力(MPa)，P 為加載載重(N)，AS 為每一側剪力面面積(mm2)，本研究試驗為雙剪面，故剪力面積總和應為 2AS。各試體徑切面極限抗剪強度𝜏∥ 𝑢 與對應之位移Δu 如表 2.7 及表 2.8 所示，各組六個試體中，新木材極限抗剪強度最大值為 8.25MPa (84.10kgf/cm2)，最小值為 3.29MPa (33.57kgf/cm2)，平均值 5.30Mpa (54.07kgf/cm2)；舊木材極限抗剪強度最大值為 8.43MPa (86.02kgf/cm2)，最小值為 3.49MPa (35.60kgf/cm2)，平均值 6.97MPa (71.13kgf/cm2)。試驗之剪應力與位移關係如圖 2.30 及圖 2.31 所示，各試體之極限抗剪強度雖呈現顯著強弱差異，但極限強度對應之位移皆十分相近。各試體破壞情形如圖 2.32 及圖 2.33 所示，試體在加壓過程中應力及應變均穩定上升，但達至極限應力瞬間因試體受剪面破壞開裂，已無承受剪力之能力，因此強度會在過極限點後瞬間降低。. 33.

(50) 表 2.7 試體. 𝜏∥ 𝑢. NR2. NR3. NR4. NR5. NR6. 平均. MPa. 3.84. 3.29. 7.00. 4.44. 4.99. 8.25. 5.30. 5.07. kgf⁄cm2. 39.14. 33.57. 71.42. 45.30. 50.90. 84.10. 54.07. 51.69. mm. 0.86. 0.96. 0.84. 1.08. 0.94. 0.94. 0.94. 0.93. 表 2.8. 試體. Δu. 去極值. NR1. Δu. 𝜏∥ 𝑢. 新木材徑切面抗剪試驗(NR)極限強度及位移量. 平均. 舊木材徑切面抗剪試驗(OR)極限強度及位移量去極值. OR1. OR2. OR3. OR4. OR5. OR6. 平均. MPa. 7.66. 8.31. 8.43. 7.13. 6.82. 3.49. 6.97. 7.48. kgf⁄cm2. 78.18. 84.78. 86.02. 72.68. 69.53. 35.60. 71.13. 76.29. mm. 0.74. 0.86. 0.76. 0.82. 0.86. 0.84. 0.81. 0.82. 34. 平均.

(51) 圖 2.30. 新木材徑切面抗剪(NR)剪應力-位移關係圖. 圖 2.31. 舊木材徑切面抗剪(OR)剪應力-位移關係圖. 35.

(52) NR1. NR2. NR3. NR4. NR5. NR6. 圖 2.32. 新木材徑切面抗剪(NR)各試體破壞情形. 36.

(53) OR1. OR2. OR3. OR4. OR5. OR6. 圖 2.33. 舊木材徑切面抗剪(OR)各試體破壞情形. 37.

(54) 各試體橫切面極限抗剪強度𝜏⊥ 𝑢 與對應之位移Δu 如表 2.9 及表 2.10 所示，每組六個試體中新木材極限剪應力最大值為 6.40MPa (65.27kgf/cm2)，最小值為 4.67MPa (47.67kgf/cm2)，平均值 5.38MPa (54.85kgf/cm2)；舊木材極限剪應力最大值為 8.32Mpa (84.83kgf/cm2)，最小值為 4.17MPa (42.55kgf/cm2)，平均值 6.76MPa (68.91kgf/cm2)。各試體之剪應力與位移關係如圖 2.34 及圖 2.35 所示，其中試體 NH5 可能受木材本身紋理影響，破壞時位移量相對其餘試體較小；OH4 在過降伏後試體即破壞，應力及位移皆無持續增加；而試體 OH6 破壞行為較類似受壓破壞，在此不列入比較。試體破壞情形如圖 2.36 及圖 2.37 所示。綜觀新舊試體，加載過程中各試體皆有明顯降伏情形，但在過降伏強度至極限強度之間應力仍有顯著上升趨勢，在到達極限強度後，同樣因試體破壞造成強度瞬間降低。. 表 2.9 試體. 𝜏⊥ 𝑢. 新木材橫切面抗剪試驗(NH)極限強度及位移量. NH2. NH3. NH4. NH5. NH6. 平均. MPa. 4.82. 6.40. 5.98. 5.02. 5.38. 4.67. 5.38. 5.30. kgf⁄cm2. 49.12. 65.27. 60.95. 51.25. 54.84. 47.67. 54.85. 54.04. mm. 13.06. 20.36. 17.16. 18.82. 9.76. 18.54. 16.28. 16.90. Δu. 表 2.10 試體. 𝜏⊥ 𝑢 Δu. 去極值. NH1. 平均. 舊木材橫切面抗剪試驗(OH)極限強度及位移量去極值. OH1. OH2. OH3. OH4. OH5. OH6. 平均. MPa. 7.34. 6.13. 8.32. 4.17. 7.82. -. 6.76. 7.10. kgf⁄cm2. 74.87. 62.56. 84.83. 42.55. 79.73. -. 68.91. 72.39. mm. 11.20. 14.74. 13.08. 3.50. 13.22. -. 11.15. 12.50. 38. 平均.

(55) 圖 2.34. 新木材橫切面抗剪(NH)剪應力-位移關係圖. 圖 2.35. 舊木材橫切面抗剪(OH)剪應力-位移關係圖. 39.

(56) NH1. NH2. NH3. NH4. NH5. NH6. 圖 2.36. 新木材橫切面抗剪(NH)各試體破壞情形. 40.

(57) OH1. OH2. OH3. OH4. OH5. 圖 2.37. OH6. 舊木材橫切面抗剪(OH)各試體破壞情形. 41.

(58) 2.4.3 密度與含水率試驗新木材與舊木材各試體之體積、原始質量、烘乾質量、密度及含水率詳細試驗結果如表 2.11 與表 2.12 所示。新木材試體中，密度最大值為 0.66mg/mm3，最小值為 0.40mg/mm3，平均密度 0.50mg/mm3，變異係數為 0.119；舊木材試體之密度最大值為 0.71 mg/mm3，最小值為 0.44 mg/mm3，平均密度 0.61mg/mm3，變異係數為 0.098。舊木材之密度變異性較新木材低，且平均密度較新木材高。含水率方面，新木材最大值為 19.35%，最小值為 12.00%，平均含水率為 14.04%，變異係數為 0.118；舊木材最大值為 19.72%，最小值為 10.29%，平均含水率為 13.69%，變異係數為 0.137。舊木材之含水率變異性較新木材為高，可能因長時間放置戶外，受外在環境影響。新舊木材各有一個試體含水率超過其檢驗章上窯乾 19%的標準[11]，但無論新舊木材，整體平均皆落在 14 %上下。. 42.

(59) 表 2.11 試體編號. 新木材密度與含水率試驗結果. 體積. 質量. 乾燥質量. 密度. 含水率. mm3. 103mg. 103mg. mg/mm3. %. NS1. 116924. 58.0. 51.5. 0.50. 12.62. NS2. 115199. 59.0. 52.0. 0.51. 13.46. NS3. 114306. 58.5. 51.5. 0.51. 13.59. NS4. 121060. 54.0. 48.0. 0.45. 12.50. NS5. 119272. 60.0. 52.5. 0.50. 14.29. NS6. 120265. 68.0. 60.0. 0.57. 13.33. NV1. 121312. 60.0. 53.0. 0.49. 13.21. NV2. 117889. 56.5. 49.5. 0.48. 14.14. NV3. 115360. 64.0. 57.0. 0.55. 12.28. NV4. 118465. 50.0. 44.0. 0.42. 13.64. NV5. 117319. 54.5. 48.0. 0.46. 13.54. NV6. 121896. 55.0. 48.5. 0.45. 13.40. NR1. 66600. 35.5. 31.5. 0.53. 12.70. NR2. 62200. 29.0. 25.5. 0.47. 13.73. NR3. 66400. 34.5. 30.0. 0.52. 15.00. NR4. 69200. 28.0. 24.0. 0.40. 16.67. NR5. 65200. 28.5. 25.0. 0.44. 14.00. NR6. 63300. 36.5. 31.5. 0.58. 15.87. NH1. 63300. 32.5. 28.0. 0.51. 16.07. NH2. 65300. 29.5. 26.0. 0.45. 13.46. NH3. 58200. 34.0. 29.5. 0.58. 15.25. NH4. 59600. 26.5. 23.5. 0.44. 12.77. NH5. 60700. 28.0. 25.0. 0.46. 12.00. NH6. 56200. 37.0. 31.0. 0.66. 19.35. 最大值. 121896. 68.0. 60.0. 0.66. 19.35. 最小值. 56200. 26.5. 23.5. 0.40. 12.00. 平均值. 90644. 44.9. 39.4. 0.50. 14.04. 變異係數. 0.313. 0.316. 0.321. 0.119. 0.118. 43.