國產柳杉造林木製造結構用集成材之研究 M anufacturing of Structural Glulam Lumber by Using Domestic Japanese Fir

1. 國產柳杉造林木製造結構用集成材之研究Manufacturing of Structural Glulam Lumber by Using Domestic Japanese Fir 國立屏東科技大學 木結構研究室

2. 本實驗材料來自於埔里鯉魚潭,30-40年生柳杉中小徑木,並經乾燥處理後含水率為12%。本實驗材料來自於埔里鯉魚潭,30-40年生柳杉中小徑木,並經乾燥處理後含水率為12%。 結構用集成材之製作，其組成形式依CNS分等方式不同分為兩大類，一為依目視區分等級之集成元，製作同等級集成材1、2、3等，另外依機械區分等級之集成元，製作同等級集成材1、2、3等與對稱異等級集成材三種組合形式，共9種類型如圖2。各類型集成材樣本重複次數為3次。故總樣本數為27支實大樑，實大樑之尺寸為長600㎝×深30㎝×寬10㎝之柳杉中斷面結構用集成材。 參、材料與方法一、材料 國立屏東科技大學 木結構研究室

3. 國立屏東科技大學 木結構研究室

4. 1 2 3 1 1 1 1 2 3 3 1 4 1 2 3 4 4 4 1 2 3 4 4 4 1 2 3 4 4 4 1 2 3 4 4 4 1 2 3 4 4 4 1 2 3 4 4 4 1 2 3 3 1 4 1 2 3 1 1 1 目視與機械同等級 對稱異等級 國立屏東科技大學 木結構研究室

5. 二、方法 （一）刨光作業 將製材與乾燥後之柳杉試材，以 雙面 刨刨光至厚度4.0㎝之粗尺寸，做為分等試 材。分等之集成元於指接作業前再將試材刨光至指接作業厚度3.9cm。 國立屏東科技大學 木結構研究室

6. (1)CNS11031，O1033目視分等規則，如表6 A集中節徑比係指在15㎝長度之材面所存在的節與穴之徑對於其所存在之材面寬度的百分率之合計。 B纖維走向之傾斜比係指纖維走向之傾斜高度對於集成元長度方向之比值。 國立屏東科技大學 木結構研究室

7. 國立屏東科技大學 木結構研究室

8. （2）CNS14631，O1050針對節之分等 A.在寬度有關材面之節徑，是以其所存在材面之長度方向的稜線相平行的兩切線間的距離(該節如被1條或2條稜線切開時，是以該稜線與切線之距離或其寬度A表示之)。但存在於寬度有關材面之圓錐狀，是以其所存在各材面之直徑的平均(B＋C)/2表示之（圖3）。 B.於寬度有關材面之材緣部置換成節者，以在橫斷面節之投影面積(㎜2)除以厚度(㎜)所得數值視為在寬度材面之節徑(㎜)。 C.相當徑比是以節在橫斷面之投影面積對於該橫斷面面積之比例表示(圖4)。 國立屏東科技大學 木結構研究室

9. 圖3. 寬度有關材面之節徑 圖4. 寬度有關材面之材緣部置換成節 國立屏東科技大學 木結構研究室

10. 非破壞性試驗小荷重法 依據CNS11031之靜曲B試驗，測定加上適當初期載重時，與最終載重時之撓曲差，依下式計算出靜曲彈性係數。再依靜曲彈性係數區分，從表7可知柳杉材屬F樹種群。 靜曲彈性係數： MOE(㎏f/㎝2)=( ΔP×l3)/(4Δy×b×h3) ΔP：比例限度內上限載重值與下限載重值之差(㎏f) Δy：與ΔP 相對應之撓曲差值(㎝) l：跨距(㎝)b：集成元寬度(㎝) h：集成元厚度(㎝) 國立屏東科技大學 木結構研究室

11. 圖5、靜曲試驗方法 國立屏東科技大學 木結構研究室

12. 國立屏東科技大學 木結構研究室

13. 表8、機械區分同等級集成材之分等標準 國立屏東科技大學 木結構研究室

14. 表9、最外層用集成元之等級 國立屏東科技大學 木結構研究室

15. 振動試驗(Vibration Testing) 縱振動試驗，將試片中央固定，手持木鎚輕敲試材一端，振動波由置於另一端的麥克風檢出，經增幅器放大後，輸入傅立葉頻譜分析儀(FFT)，此儀器能將成分複雜的波形迅速加以分解成頻譜，然後分析結果經GP-IB界面(Interface)輸入微電腦，將頻譜繪出，並藉振動理論公式，算出共振頻率。由共振頻率代入下列公式可求得動彈性係數。 國立屏東科技大學 木結構研究室

16. 國立屏東科技大學 木結構研究室

17. 國立屏東科技大學 木結構研究室

18. 國立屏東科技大學 木結構研究室

19. 目視分等之等級分布情形 經目視分等之後試材之品等分布，以1級材最多佔總試材之49﹪，其次為2級材約佔總試材之38﹪，3級則佔12﹪。目視等級內各等級之靜曲彈性係數平均值為1級＞2級＞3級，如表10。動彈性係數之平均值於等級間之差異相當顯著，表示目視分等法對於材料強度等級之區分具有相關性，然而等級間之差異程度仍需進一步探討分析。 國立屏東科技大學 木結構研究室

20. 目視等級 數量 (支) 密度 (㎏/m3) 靜彈性係數 (103㎏f/㎝2) 動彈性係數 (103㎏f/㎝2) 1 360 (49﹪)1 0.46 (0.05)2 88.92 (25.89) 91.75 (28.80) 2 278 (38﹪) 0.47 (0.05) 78.49 (20.29) 83.74 (36.68) 3 87 (12﹪) 0.46 (0.06) 74.44 (26.88) 73.91 (20.73) 4 11 (1﹪) 0.45 (0.07) 77.06 (15.96) 75.14 (15.59) 目視分等各等級數量分配及密度與靜、動彈性係數 國立屏東科技大學 木結構研究室

21. 機械分等之等級分布情形 經小荷重法所試驗求得之材料靜彈性係數，依CNS11031機械區分等級集成元之規定，其等級分布如表11。其中依表7試樣集成元合格標準之分等，進行同等級集成材之集成元等級區分，可將試材區分成L90以上為1級，L90至L80為2級，L80至L70為3級。各等級佔總試材之比例分別為1級35﹪、2級12﹪、3級22﹪。其中L70以下佔31﹪，為製造對稱異等級集成材之內層用集成元ΔG4。 國立屏東科技大學 木結構研究室

22. 機械等級 數量 (支) 密度 (㎏/m3) 靜彈性係數 (103㎏f/㎝2) 動彈性係數 (103㎏f/㎝2) L160 2 0.57(0.13) 172.53 (10.48) 139.32 (25.12) L140 14 0.56(0.10) 149.89(6.59) 133.23(32.46) L125 10 0.50(0.07) 131.73(3.85) 112.09(23.40) L110 85 0.49(0.05) 116.15 (2.76) 116.20(17.83) L100 40 0.49(0.04) 104.81(2.34) 115.50(15.92) L90 105 0.47(0.06) 94.42(2.65) 96.95(10.80) L80 89 0.46(0.04) 84.61(2.93) 85.18(10.83) L70 159 0.46(0.04) 75.38(2.83) 79.61(13.70) L60 118 0.45(0.05) 65.31(2.6) 70.23(11.84) L50 113 0.44(0.05) 51.40(9.14) 58.31(14.38) 機械分等各等級數量分配及密度與動、靜彈性係數 國立屏東科技大學 木結構研究室

23. 縱向振動法與小荷重法相關性之分析 動彈性係數與靜彈性係數之相關性 本試驗以振動法所求得試材之縱向動彈性係數，其平均值約大於小荷重法求得之靜彈性係數平均值3﹪與黃彥三(1990) 動彈性係數會較靜曲彈性係數高23﹪陳載永及李銘鐘（1992）研究指出動彈性係數較靜曲彈性係數高15～25﹪相較之下，差異並不明顯。 動彈性係數與靜彈性係數間具顯著之直線關係，R2為0.82，直線迴歸方程式為Y＝0.87X＋9095.9(圖8)。 國立屏東科技大學 木結構研究室

24. 國立屏東科技大學 木結構研究室

25. 密度與彈性性質之關係 木材強度會隨著比重之增加而有增加之趨勢，然而在本試驗中，經直線迴歸分析結果顯示密度與動彈性係數或靜彈性係數之間不具顯著之直線關係，其R2值分別為0.14及0.10，如圖9、10。其原因與柳杉試材材質有密切之關聯性。 本實驗所求得之動彈性係數與密度不具相關性之原因，可能由於實大尺寸之柳杉造林木試材所存在之天然缺點，如節、弧邊及邊心材等所導致密度分布不均造成。 國立屏東科技大學 木結構研究室

26. 國立屏東科技大學 木結構研究室

27. 國立屏東科技大學 木結構研究室

28. 共振頻率與音速之相關性 音速與動彈性係數及靜彈性係數具顯著正相關如圖11、12。 黃彥三(1990)及 Sandoz氏亦有相似之結果。這表示具有利用音速值取代動彈性係數成為判定材料強度性質之可能。 原因為動彈性係數之測定仍需量測木材之密度，而密度之量測易因誤差而降低精度，尤其以原木狀態進行測量時，原木之斷面形狀不規則且長度方向呈尖削狀(Tapering)，密度推定之準確性相當困難。 國立屏東科技大學 木結構研究室

29. 國立屏東科技大學 木結構研究室

30. 國立屏東科技大學 木結構研究室

31. 音速之測定只需求得試材長度與共振頻率即可，較之密度更能準確而快速求得。因此，以振動法求出之共振頻率與試材長度所估算之音速值具有推估材料性質之可行性。音速之測定只需求得試材長度與共振頻率即可，較之密度更能準確而快速求得。因此，以振動法求出之共振頻率與試材長度所估算之音速值具有推估材料性質之可行性。 由圖13、14中可知，共振頻率與動彈性係數具顯著正相關，共振頻率對於試材長度呈顯著負相關。隨著試材長度之增加共振頻率值降低。 國立屏東科技大學 木結構研究室

32. 國立屏東科技大學 木結構研究室

33. 國立屏東科技大學 木結構研究室

34. 集成材加工製造過程之探討 在集成元尺寸之定規上，因柳杉造林木收縮異方性之影響，造成部分材料刨光精度減低，直接影響指榫之製作精度，導致縱向接合之誤差增大。另外，因時間為決定成本之重要因素，所以膠合劑之硬化時間便相當重要。在常溫下，膠合劑之硬化時間於集成元之縱向接合與集成材層積膠合時佔總加工時間約80﹪以上，因此膠合劑種類之決定直接影響生產流程與成本。 國立屏東科技大學 木結構研究室

35. 伍、結論 (一)依目視分等之結果顯示，本實驗試材以1級材為最多佔49﹪，但是在機械分等上同樣是屬於1級材之機械等級L90，其大於或等於L90以上之數量卻只佔35﹪。而L70以下之等級集成元仍佔有31﹪之多。與目視分等結果有相當大之差異，顯示柳杉造林木強度性質方面仍具有許多變異性，在未來加工與設計應用上將產生影響。因此如何減少柳杉造林木強度性質之變異性，實為值得進一步深入探討研究之領域。 (二)從實大尺寸600㎝ ×30㎝ ×10㎝之柳杉造林木結構用集成材製造過程中發現，影響未來量產與成本之主要因素，包含有材料之分等、指接與膠合。 國立屏東科技大學 木結構研究室

36. (三)非破壞分析結果發現，本實驗之縱向振動法利用於柳杉強度性質之分等，與許多研究結果相符合。即靜彈性係數與動彈性係數具有顯著正相關性，且音速與動彈性係數亦有顯著之正相關。此項關係提供振動法分等上，另一簡便而快速可得之判定因子。再者，縱向振動法其所需成本較現行之機械分等方式經濟，因此具有研發之可行性。(三)非破壞分析結果發現，本實驗之縱向振動法利用於柳杉強度性質之分等，與許多研究結果相符合。即靜彈性係數與動彈性係數具有顯著正相關性，且音速與動彈性係數亦有顯著之正相關。此項關係提供振動法分等上，另一簡便而快速可得之判定因子。再者，縱向振動法其所需成本較現行之機械分等方式經濟，因此具有研發之可行性。 (四)本實驗之集成元非破壞性試驗結果，仍需進一步進行強度試驗，以驗證非破壞試驗之彈性性質是否合乎CNS各項強度標準之規定。 國立屏東科技大學 木結構研究室