国产柳杉造林木制造结构用集成材之研究

1、國立屏東科技大學 木結構研究室 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 參、材料與方法參、材料與方法 一、材料一、材料 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

2、，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。 國立屏東科技大學 木結構研究室 國立屏東科技大學 木結構研究室 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 二、方法二、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.

3、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 (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 國立屏東科技大學 木結構研究室 （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

4、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 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 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。

5、 非破壞性試驗小荷重法 靜曲彈性係數： MOE(f/2)=( Pl3)/(4ybh3) P：比例限度內上限載重值與下限載重值之差(f) y：與P 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 圖5、靜曲試驗方法 國立屏東科技大學 木結構研究室 國立屏東科技大學 木結構研究室 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 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 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，

6、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 ：比重 )/(：動彈性係數 )(：長度 )(：頻率 sec)/(：音速 2 2 2 cmdyneE mL HzFr mv vE LFrv 國立屏東科技大學 木結構研究室 國立屏東科技大學 木結構研究室 國立屏東科技大學 木結構研究室 目視分等之等級分布情形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

7、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 目視分等各等級數量分配及密度與靜、動彈性係數 目視 等級 數量 (支) 密度 (/m3) 靜彈性係數 (103f/2) 動彈性係數 (103f/2) 1 360 (49)1 0.46 (0.05)2 88.92 (25.89) 91.75 (28.80) 2 278 (38) 0.47 (0.0

8、5) 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) 國立屏東科技大學 木結構研究室 機械分等之等級分布情形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

9、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G4。 國立屏東科技大學 木結構研究室 機械分等各等級數量分配及密度與動、靜彈性係數 機械等級 數量 (支) 密度 (/m3) 靜彈性係數 (103f/2) 動彈性係數 (103f/2) L16020.57(0.13) 172.53 (10.48)139.32 (25.12) L140140.56(0.10)149.89(6.59)133.23(32.46) L125100.50(0.07)131.73(3.85)112.09(23.40) L110850.49(0.05)11

10、6.15 (2.76)116.20(17.83) L100400.49(0.04)104.81(2.34)115.50(15.92) L901050.47(0.06)94.42(2.65)96.95(10.80) L80890.46(0.04)84.61(2.93)85.18(10.83) L701590.46(0.04)75.38(2.83)79.61(13.70) L601180.45(0.05)65.31(2.6)70.23(11.84) L501130.44(0.05)51.40(9.14)58.31(14.38) 國立屏東科技大學 木結構研究室 縱向振動法與小荷重法相關性之分析縱向振

11、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Y0.87X 9095.9(圖8)。 國立屏東科技大學 木結構研究室 y = 0.87 x + 9148.12 R2 = 0.82 0 20 40 60 80 100 120 140 160 050100150200

12、動彈性係數 靜 彈 性 係 數 國立屏東科技大學 木結構研究室 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 R2 = 0.10 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0.20.50.7 密度

13、靜 彈 性 係 數 國立屏東科技大學 木結構研究室 R2 = 0.14 0 50 100 150 200 0.20.50.7 密度 動 彈 性 係 數 國立屏東科技大學 木結構研究室 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

14、 木結構研究室 R2 = 0.83 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200300400500600 音速 動 彈 性 係 數 國立屏東科技大學 木結構研究室 R2 = 0.71 0 20 40 60 80 100 120 140 160 200300400500600 音速 靜 彈 性 係 數 國立屏東科技大學 木結構研究室 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

15、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 R2 = 0.80 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0500100015002000 共振頻率 動 彈 性 係 數 國立屏東科技大學 木結構研究室 R2 = 0.89 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0.01.02.03.04.05.0 長度 共 振 頻 率 國立屏東科技大學 木結構研究室 集成材加工製造過程之探討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

16、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 伍、結論伍、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