第五卷 第七期 - 2008年九月十二日
傳統斷開平接穿鬪式木接點之力學特性
徐明福


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This paper was awarded as "Emachu Fund"

灣過去對於傳統木構造的結構行為研究相當匱乏,導致在九二一地震中有許多傳統木構造受到損壞。因此在該地震後,國內傳統木構造的耐震行為開始受到重視。本研究係自九二一地震後一系列針對傳統木構造耐震特性研究的一部份。木接點在木構造的整體結構行為扮演著相當重要的角色,因為它不僅影響整個結構的內力分配,且往往也是整個結構中最脆弱的一環。近來各國已經越來越重視木接點結構行為的研究。近來的田野調查結果顯示,國內傳統的穿鬪式木接點分別有三種,包括連續接點、斷開平接以及燕尾榫搭接等三種(如圖1)。本文的目的在於探討這三種接點中的斷開平接接點之力學行為,以及其與連續接點的比較。此外,為了日後可以更輕易的評估此種接點的行為,本文亦建立評估的理論模型,並且利用實驗來加以驗證。
圖1 田野調查發現的三種不同類型的接點

本研究首先規劃21組試體並進行試驗,實驗裝置如圖2所示。試體材料為福杉(Cunninghamia lanceolata)。此外,本研究透過理論模型的推導,並利用這個理論模型來評估斷開平接接點受到彎矩作用時之彎矩-旋轉角關係。在比較21組實驗數據與理論推倒結果以後,我們可以得到相當吻合的結果,圖3顯示編號BN-G-3的試體的比較結果。
圖 3 試體編號BN-G-3實驗結果與理論分析結果之比較
圖 2 實驗裝置


截至目前為止,我們的研究成果已經建立了斷開平接接點與連續型接點的理論模型而且得到相當不錯的預測能力。因此本文透過這兩種接點的理論模型,透過控制幾何條件與材料性質,我們可以用來比較斷開平接接點與連續型接點受到彎矩作用時其力學行為的差異。我們假設柱子的斷面為 180×180 mm ,梁的斷面為180×60 mm,木材垂直纖維方向的彈性模數則為0.4 Gpa,而不論是斷開平接或是連續型接點都有0.2 mm的縫隙。由圖4我們可以比較具有上述同樣條件的斷開平接接點與連續型接點的彎矩-旋轉角關係。由圖4我們可以發現斷開平接接點的旋轉進度以及強度皆明顯小於連續型的接點。亦即如果在木構造建造的過程中,不論是因為哪一種原因使得大木匠師利用斷開平接接點來取代連續型接點,則其強度會很明顯的下降。例如對於編號BN-G-3的試體來說,對開平接的旋轉進度僅是連續型接點的21.3%左右。
圖 4 具有相同的幾何條件與材料特性的連續型接點與斷開平接接點的力學行為比較

從破壞模式的角度來看,我們發現這21組試體的破壞模式差異並不大。這類接點的主要破壞模式包括輕微的壓力破壞以及梁構件尾端受到輕微的摩擦破壞。這樣的破壞模式與連續型接點有相當大的差異,與連續型接點的破壞程度相比,斷開平接接點的破壞輕微許多。

另一個值得注意的差異在於與連續型接點實驗結果相比較,斷開平接接點需要旋轉更大的角度才會開始出現彎矩抵抗能力。會有這樣的現象的原因主要係因為此類接點剛開始的時候因為接點本身有縫隙的關係,因此受到彎矩作用時,往往會像剛體一樣的旋轉,一直到梁構件接觸到柱子時,才能開始抵抗彎矩作用。而與連續型接點相比,由於斷開平接接點的梁構件相對較短,因此如果有同樣的縫隙時,則需要旋轉較大的角度才足以接觸到,也因此其自由旋轉的角度相對較大。

最後,在本文中我們建立了評估斷開平接接點的理論模型,並且利用21組試體的實驗結果來加以修正。本文的研究成果顯示,斷開平接接點的破壞相對於連續型接點很明顯較輕微,但是其強度與勁度亦很明顯小於連續型的接點。此外,如果有相同大小的縫隙,斷開平接接點的自由旋轉角度約是連續型接點的兩倍大。由上述的討論,本研究亦引發了另一個研究的議題,亦即未來應該針對該如何補強這樣的接點進行研究。
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