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研究生: 朱儀菱
Chu, Yi-Ling
論文名稱: 國產柳杉集成材應用於足尺單柱與續接單柱之力學性能研究與分析
Research and Analysis on the Mechanical Behavior of Full-Scale Single Column and Spliced Column Using Domestic Japanese Cedar Glulam
指導教授: 劉光晏
Liu, Kuang-Yen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2026
畢業學年度: 114
語文別: 中文
論文頁數: 133
中文關鍵詞: 純木構造集成材自復位足尺試體實驗木材再利用
外文關鍵詞: Pure timber structure, Glued-laminated timber, Self-centering, Full-scale experimental test, Reusability of timber components
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  • 本論文為利用國產柳杉集成材,進行足尺集成材單柱與續接集成材單柱之耐震性能研究,其中木構造接合系統機制為楊書河學長於2024年攻讀博士期間,在劉光晏副教授的指導下所提出,包括單柱系統、單柱續接系統、單層構架系統、雙層構架系統,並於2025年提出專利申請,之後由BEER Lab研究團隊進行實驗與驗證。
    本研究驗證一種具備大變位承受能力,與自復位性能之創新木結構接合機制,不同於傳統螺栓接頭通常將螺栓垂直於受力方向安裝,本研究將全牙螺栓之鎖固方向與受力方向平行。系統在受側向力作用下,藉由金屬組件優先於木材發生降伏與變形,建構穩定的抗力機制並維護木材構件之完整性。此外,本研究驗證此新型單柱續接方式,透過全牙螺栓與結構膠結合以確保有效之應力傳遞。實驗結果顯示,續接試體在大變位條件下仍能維持結構完整性並展現穩定之遲滯響應,確保損傷受限於可更換之金屬零件。
    試驗結果顯示,本系統具備優異之變位容許量與穩定之消能行為。當層間位移角達到3.89%時,結構強度未出現明顯退化,且損壞集中於可更換之金屬組件內,有效維護木材構件之完整性。在自復位性能方面,殘餘位移角普遍控制在1%以內,證實系統具備良好之自復位潛力。此外,續接試體之應變分佈與遲滯迴圈與連續試體高度重合,證實該續接界面能確保有效之應力傳遞,具備支撐垂直增建之潛力。
    本研究共製作6組足尺試體,進行9次試驗,包含模擬餘震情境之重複加載。研究證實,透過更換金屬組件,結構性能具備高度可恢復性。此接合機制不僅克服了傳統木構造接頭易因局部劈裂而導致勁度降低,更為國產材之永續應用與耐震韌性建築提供具備實務推廣之價值。

    This thesis investigates the seismic performance of full-scale and spliced glulam columns using Taiwanese-grown Cryptomeria japonica. Based on a connection mechanism proposed by the BEER Lab research team, this study introduces an innovative joint that aligns fully-threaded bolts parallel to the loading direction, rather than the traditional perpendicular orientation. This design facilitates a "damage shielding" effect where metal components yield before the timber, maintaining the structural integrity of the wood members. A novel splicing method utilizing fully-threaded bolts and structural adhesive was also developed to ensure effective stress transfer.
    Experimental results from nine tests on six full-scale specimens, including repeated loading scenarios, demonstrate superior displacement capacity and stable energy dissipation. At an inter-story drift ratio of 3.89%, the system exhibited no significant strength degradation, with damage concentrated solely in replaceable metal parts. The system showed excellent self-centering potential, with residual drift ratios maintained below 1%. Moreover, the hysteretic response and strain distribution of the spliced specimens highly coincided with those of the full-scale specimens, confirming the splicing interface's efficiency and its potential for vertical structural extensions.
    The research concludes that structural performance is highly restorable through component replacement. By overcoming the local splitting and stiffness degradation common in traditional timber joints, this mechanism offers practical value for the sustainable use of domestic timber and the advancement of seismic-resilient construction.

    第1章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 研究目的 2 1.3 論文內容架構 3 第2章 文獻回顧 4 2.1 木構造碳排優勢 4 2.1.1 陳品錡(2021)針對模組化木構造系統,在生產與施工階段的碳足跡計算與數據分析 4 2.1.2 低碳(低蘊含碳)建築評估手冊列出各種建築結構構造類別對應的構造係數(W值) 4 2.2 接合設計研究 5 2.2.1 Shu-Rong Zhou等人(2021)針對兩種不同梁柱接頭設計與斷面尺寸對集成材構架的性能影響比較 5 2.2.2 Zheng Li等人(2017)測試不同耗能裝置與預拉力大小對集成材構架之梁柱接頭的遲滯性能研究 7 2.2.3 Yubing Leng等人(2020)針對接合設計、螺栓數量與間距,對集成竹材製成的梁柱進行單向與循環試驗研究 8 2.2.4 Guoqi Ren(2023)透過不同材料的斜撐與接頭形式進行集成材構架的性能研究 10 2.2.5 Mingqian Wang(2015)透過局部正交膠合技術,改善集成材梁柱接合處的破壞模式 11 2.3 木材非破壞性檢測 12 2.3.1 黃彥三(2021)探討木材非破壞檢測技術公式與單位的正確用法 12 2.3.2 Murphy(1997)提出具簡支梁橫向振動頻率與彈性模數之關係式 13 2.3.3 ASTM D6874-22a 運用橫向振動與應力波傳播評估木質材料勁度之標準測試方法 14 第3章 實驗規劃與設備 15 3.1 反力牆配置系統 16 3.2 單柱試體設計 17 3.3 量測系統配置 25 3.4 材料介紹 26 3.4.1 集成材(Glued Laminated Timber, GLT)材料說明 26 3.4.2 集成材製造過程說明 27 3.5 反覆側向載重試驗試體組裝步驟 31 3.6 木材非破壞性檢測試驗 35 3.6.1 試體說明與試驗設備 36 3.6.2 試驗步驟 37 3.7 反覆側向載重試驗測試步驟 41 第4章 實驗結果與比較 45 4.1 試體側向力-變位發展 46 4.1.1 遲滯迴圈特性 46 4.1.2 遲滯迴圈疊圖比較 52 4.2 裂縫發展與極限狀態 54 4.2.1 連續試體不加軸力試驗 54 4.2.2 連續試體加軸力試驗 59 4.2.3 續接試體試驗 71 4.3 包絡線強度比較 79 4.3.1 CW2單柱兩次試驗之包絡線強度比較 79 4.3.2 CW2連續單柱與CW3中央續接單柱之包絡線強度比較 79 4.3.3 CS1單柱兩次試驗之包絡線強度比較 81 4.3.4 CS2試體第一次試驗與CS1單柱第三次試驗之包絡線強度比較 82 4.3.5 CS2連續單柱與CS3中央續接單柱之包絡線強度比較 82 4.4 側向勁度發展比較 85 4.5 試體應變計讀數結果 98 4.6 自復位性能探討 104 4.7 續接設計機制驗證 109 4.8 非破壞性檢測試驗結果 111 第5章 結論與建議 112 5.1 結論 112 5.2 建議 113 第6章 參考文獻 114

    [1] ASTM, “Standard test methods for cyclic (reversed) load test for shear resistance of vertical elements of the lateral force resisting systems for buildings"(E2126-11), ASTM International, Pennsylvania, 2019.
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    [4] Guoqi Ren, Jianyang Xue, Yonggang Ding, “Experimental and numerical research on the lateral behaviour of glued timber frame structures with and without X-type diagonal bracing”, Structures, Vol. 58, 105626, 2023.
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    [9] Wang, M., Song, X., Gu, X., Zhang, Y., & Luo, L., “Rotational behavior of bolted beam-to-column connections with locally cross-laminated glulam”, Journal of Structural Engineering, Vol. 141, No. 4, 04014121, 2015.
    [10] 內政部建築研究所,「低碳(低蘊含碳)建築評估手冊」,內政部建築研究所,台北市,2025。
    [11] 內政部營建署,「木構造建築物設計及施工技術規範」,內政部營建署,台北市,2021。
    [12] 內政部營建署,「建築技術規則建築構造編」,內政部營建署,台北市,2021。
    [13] 經濟部標準檢驗局,「中華民國國家標準CNS 11031結構用集成材」,經濟部標準檢驗局,台北市,2014。
    [14] 陳品錡,「模組化木構造系統之生命週期碳足跡研究」,國立高雄大學建築學系碩士論文,高雄市,2021。
    [15] 黃彥三,「木材非破壞檢測技術公式及單位之正確用法淺論」,台灣林業科學,第36卷,第2期,161-170頁,2021。

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