國(guó)產(chǎn)柳杉造林木制造結(jié)構(gòu)用集成材之研究

1、國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 國(guó)產(chǎn)柳杉造林木製造結(jié)構(gòu)用集成材之研究 Manufacturing of Structural Glulam Lumber by Using Domestic Japanese Fir 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 參、材料與方法參、材料與方法 一、材料一、材料 本實(shí)驗(yàn)材料來(lái)自於埔里鯉魚潭,30-40年生柳杉 中小徑木,並經(jīng)乾燥處理後含水率為12%。 結(jié)構(gòu)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(qū)分等級(jí)之 集成元，製作同等級(jí)集成材1、2、3等，另外依機(jī) 械區(qū)分等級(jí)之集成元，製作同等級(jí)集成材1、2、3 等與對(duì)稱異等級(jí)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(shù)為3次。故總 樣本數(shù)為27支實(shí)大樑，實(shí)大樑之尺寸為長(zhǎng)600 深30寬10之柳杉中斷面結(jié)構(gòu)用集成材。 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)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(jī)械同等級(jí) 對(duì)稱異等級(jí) 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 二、方法二、方法 （一）刨光作業(yè) 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(yè)前再將試材刨光至指接作業(yè)厚度3.9cm。 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 (1)CNS11031，O1033目視分等規(guī)則， 如表6 A集中節(jié)徑比係指在15長(zhǎng)度之材面所存 在的節(jié)與穴之徑對(duì)於其所存在之材面寬度 的百分率之合計(jì)。 B纖維走向之傾斜比係指纖維走向之傾斜 高度對(duì)於集成元長(zhǎng)度方向之比值。 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 （2）CNS14631，O1050針對(duì)節(jié)之分等 A.在寬度有關(guān)材面之節(jié)徑，是以其所存在材面之 長(zhǎng)度方向的稜線相平行的兩切線間的距離(該節(jié)如 被1條或2條稜線切開時(shí)，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(guān)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(guān)材面之材緣部置換成節(jié)者，以在橫 斷面節(jié)之投影面積(2)除以厚度()所得數(shù)值視 為在寬度材面之節(jié)徑()。 C.相當(dāng)徑比是以節(jié)在橫斷面之投影面積對(duì)於該橫 斷面面積之比例表示(圖4)。 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 圖3. 寬度有關(guān)材面之節(jié)徑圖4. 寬度有關(guān)材面之材緣 部置換成節(jié) 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 依據(jù)CNS11031之靜曲B試驗(yàn)，測(cè)定加上適當(dāng) 初期載重時(shí)，與最終載重時(shí)之撓曲差，依下式 計(jì)算出靜曲彈性係數(shù)。再依靜曲彈性係數(shù)區(qū)分， 從表7可知柳杉材屬F樹種群。

5、 非破壞性試驗(yàn)小荷重法 靜曲彈性係數(shù)： MOE(f/2)=( Pl3)/(4ybh3) P：比例限度內(nèi)上限載重值與下限載重值之差(f) y：與P 相對(duì)應(yīng)之撓曲差值() l：跨距()b：集成元寬度() h：集成元厚度() 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 圖5、靜曲試驗(yàn)方法 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 表8、機(jī)械區(qū)分同等級(jí)集成材之分等標(biāo)準(zhǔn) 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 表9、最外層用集成元之等級(jí) 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 振動(dòng)試驗(yàn)(Vibration Testing) 縱振動(dòng)試驗(yàn)，將試片中央固定，手持木鎚 輕敲試材一端，振動(dòng)波由置於另一端的麥克風(fēng) 檢出，

6、經(jīng)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(jié)果經(jīng)GP-IB界面 (Interface)輸入微電腦，將頻譜繪出，並藉振動(dòng) 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(dòng)彈性係數(shù)。 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 ：比重 )/(：動(dòng)彈性係數(shù) )(：長(zhǎng)度 )(：頻率 sec)/(：音速 2 2 2 cmdyneE mL HzFr mv vE LFrv 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 目視分等之等級(jí)分布情形目視分等之等級(jí)分布情形 經(jīng)目視分等之後試材之品等分布，以1 級(jí)

7、材最多佔(zhàn)總試材之49，其次為2級(jí)材約佔(zhàn) 總試材之38，3級(jí)則佔(zhàn)12。目視等級(jí)內(nèi)各 等級(jí)之靜曲彈性係數(shù)平均值為1級(jí)2級(jí)3級(jí)， 如表10。動(dòng)彈性係數(shù)之平均值於等級(jí)間之差異 相當(dāng)顯著，表示目視分等法對(duì)於材料強(qiáng)度等級(jí) 之區(qū)分具有相關(guān)性，然而等級(jí)間之差異程度仍 需進(jìn)一步探討分析。 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 目視分等各等級(jí)數(shù)量分配及密度與靜、動(dòng)彈性係數(shù) 目視 等級(jí) 數(shù)量 (支) 密度 (/m3) 靜彈性係數(shù) (103f/2) 動(dòng)彈性係數(shù) (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(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 機(jī)械分等之等級(jí)分布情形機(jī)械分等之等級(jí)分布情形 經(jīng)小荷重法所試驗(yàn)求得之材料靜彈性係 數(shù)，依CNS11031機(jī)械區(qū)分等級(jí)集成元之規(guī) 定，其等級(jí)分布如表11。其中依表7試樣集 成元合格標(biāo)準(zhǔn)之分等，進(jìn)行同等級(jí)集成材 之集成元等級(jí)區(qū)分，可將試材區(qū)分成L90 以上為1級(jí)，L90至L80為2級(jí)，L80至L70為 3級(jí)。各

9、等級(jí)佔(zhàn)總試材之比例分別為1級(jí)35 、2級(jí)12、3級(jí)22。其中L70以下佔(zhàn) 31，為製造對(duì)稱異等級(jí)集成材之內(nèi)層用 集成元G4。 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 機(jī)械分等各等級(jí)數(shù)量分配及密度與動(dòng)、靜彈性係數(shù) 機(jī)械等級(jí) 數(shù)量 (支) 密度 (/m3) 靜彈性係數(shù) (103f/2) 動(dòng)彈性係數(shù) (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(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 縱向振動(dòng)法與小荷重法相關(guān)性之分析縱向振

11、動(dòng)法與小荷重法相關(guān)性之分析 動(dòng)彈性係數(shù)與靜彈性係數(shù)之相關(guān)性 本試驗(yàn)以振動(dòng)法所求得試材之縱向動(dòng)彈性 係數(shù)，其平均值約大於小荷重法求得之靜彈性 係數(shù)平均值3與黃彥三(1990) 動(dòng)彈性係數(shù)會(huì) 較靜曲彈性係數(shù)高23陳載永及李銘鐘（1992 ）研究指出動(dòng)彈性係數(shù)較靜曲彈性係數(shù)高15 25相較之下，差異並不明顯。 動(dòng)彈性係數(shù)與靜彈性係數(shù)間具顯著之直線 關(guān)係，R2為0.82，直線迴歸方程式為Y0.87X 9095.9(圖8)。 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 y = 0.87 x + 9148.12 R2 = 0.82 0 20 40 60 80 100 120 140 160 050100150200

12、動(dòng)彈性係數(shù) 靜 彈 性 係 數(shù) 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 密度與彈性性質(zhì)之關(guān)係 木材強(qiáng)度會(huì)隨著比重之增加而有增加之趨 勢(shì)，然而在本試驗(yàn)中，經(jīng)直線迴歸分析結(jié)果顯 示密度與動(dòng)彈性係數(shù)或靜彈性係數(shù)之間不具顯 著之直線關(guān)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(zhì)有密切之關(guān)聯(lián)性 。 本實(shí)驗(yàn)所求得之動(dòng)彈性係數(shù)與密度不具相 關(guān)性之原因，可能由於實(shí)大尺寸之柳杉造林木 試材所存在之天然缺點(diǎn)，如節(jié)、弧邊及邊心材 等所導(dǎo)致密度分布不均造成。 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)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(shù) 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 R2 = 0.14 0 50 100 150 200 0.20.50.7 密度 動(dòng) 彈 性 係 數(shù) 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 共振頻率與音速之相關(guān)性 音速與動(dòng)彈性係數(shù)及靜彈性係數(shù)具顯著正相 關(guān)如圖11、12。 黃彥三(1990)及 Sandoz氏亦有相似之結(jié)果。 這表示具有利用音速值取代動(dòng)彈性係數(shù)成為判定 材料強(qiáng)度性質(zhì)之可能。 原因?yàn)閯?dòng)彈性係數(shù)之測(cè)定仍需量測(cè)木材之密 度，而密度之量測(cè)易因誤差而降低精度，尤其以 原木狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，原木之?dāng)嗝嫘螤畈灰?guī)則且 長(zhǎng)度方向呈尖削狀(Tapering)，密度推定之準(zhǔn)確性 相當(dāng)困難。 國(guó)立屏東科技大學(xué)

14、 木結(jié)構(gòu)研究室 R2 = 0.83 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200300400500600 音速 動(dòng) 彈 性 係 數(shù) 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 R2 = 0.71 0 20 40 60 80 100 120 140 160 200300400500600 音速 靜 彈 性 係 數(shù) 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 音速之測(cè)定只需求得試材長(zhǎng)度與共振頻 率即可，較之密度更能準(zhǔn)確而快速求得。因 此，以振動(dòng)法求出之共振頻率與試材長(zhǎng)度所 估算之音速值具有推估材料性質(zhì)之可行性。 由圖13、14中可知，共振頻率與動(dòng)彈性 係數(shù)具顯著正相關(guān)，共振頻率對(duì)於試材長(zhǎng)度

15、呈顯著負(fù)相關(guān)。隨著試材長(zhǎng)度之增加共振頻 率值降低。 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 R2 = 0.80 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0500100015002000 共振頻率 動(dòng) 彈 性 係 數(shù) 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 R2 = 0.89 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0.01.02.03.04.05.0 長(zhǎng)度 共 振 頻 率 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 集成材加工製造過(guò)程之探討集成材加工製造過(guò)程之探討 在集成元尺寸之定規(guī)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(dǎo)致縱向接合之誤差增 大。另外，因時(shí)間為決定成本之重要因素，所以 膠合劑之硬化時(shí)間便相當(dāng)重要。在常溫下，膠合 劑之硬化時(shí)間於集成元之縱向接合與集成材層積 膠合時(shí)佔(zhàn)總加工時(shí)間約80以上，因此膠合劑種 類之決定直接影響生產(chǎn)流程與成本。 國(guó)立屏東科技大學(xué) 木結(jié)構(gòu)研究室 伍、結(jié)論伍、結(jié)論 (一)依目視分等之結(jié)果顯示，本實(shí)驗(yàn)試材以1級(jí)材 為最多佔(zhàn)49，但是在機(jī)械分等上同樣是屬於1 級(jí)材之機(jī)械等級(jí)L90，其大於或等於L90以上之 數(shù)量卻只佔(zhàn)35。而L70以下之等級(jí)集成元仍佔(zhàn) 有31之多。與目視分等結(jié)果有相當(dāng)大之差異， 顯示柳杉造林木強(qiáng)度性質(zhì)方面仍具有許多變異 性，在未來(lái)加工與設(shè)計(jì)應(yīng)用上將產(chǎn)生影響。因 此如何減少柳杉造林木強(qiáng)度性質(zhì)之變異性，實(shí) 為值得進(jìn)一步深入探討研究之領(lǐng)域。 (二)從實(shí)大尺寸600 30 10之柳杉造林木結(jié) 構(gòu)用集成材製造過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，影響未來(lái)量產(chǎn)與 成本之主要因