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木造房屋在水平外力下是如何造成木結構的變形

在地震力的作用下,要防止木造房屋有過度的變形甚至是造成結構破壞,最重要的就是可以透過剪力牆的設計,藉以提升木造房屋的耐震力,並降低結構體的變形或是位移。

許多相關的設計規範及標準都有針對會造成木質剪力牆的整體變形,作進一步的細部估算,例如德國的DIN標準,紐西蘭的NZS 3603木結構標準,加拿大標準協會的CSA 086-09木材工程設計等。

根據常見框組壁結構(2×4工法)木造房屋的木質剪力牆之施工方法,在風及地震等水平力的作用下,會造成牆體變形的各結構單元組成可區分成五項:

1.牆體覆面的護板會形成剪斷變形。
2.護板用釘固定於框架之間形成釘接滑動。
3.組成框架之間柱產生軸向變形。
4.間柱與下方框板或地檻間介面呈現壓縮變形以及抗拉錨定之產生滑動。
5.抗剪錨定產生滑動。

義大利Trento大學在一系列的試驗結果顯示組成木質剪力牆各結構單元都有不同程度的影響效果,依對木結構整體變形所佔的比例如圖1之說明。其中在護板用釘固定在牆體間柱框架的介面,亦即是釘接合處的滑動量,佔木結構在對側向力抵抗所產生的總變形45%,成為主要的變形原因。在規範中亦有建議木質剪力牆的用釘方法,以供剪力牆設計之參考。運用不同的釘規格及不同的用釘間距,並配合不同的護板厚度,可以形成不同程度的側向力抵抗容量。

另外在地震側向力作用下,木結構有明顯的側翻變形(Rocking),亦佔整體變形的45%,此種牆體一側形成上舉,另一側下沉,是側向力對剪力牆抵抗系統形成彎矩力所致,會造成牆體錨定接合處之拉伸上舉滑動以及框板或地檻材的材面有承壓下陷。

以直交集成板(Cross-laminated timber, CLT)為主體所設計或建造的木造房屋,是木結構發展中高層建築的重要的工程木材運用,CLT具有高強度及高剛性之特性,當作為牆體時,針對地震力及風力抵抗之機制,則不同於前述之框組壁結構木造房屋。在側向力作用下,CLT牆體之變形可區分成四項:

1.CLT牆體之彎曲變形。
2.CLT牆體之剪斷變形。
3.抗拉錨定及接觸材面所產生之側翻或旋轉(Rotation)。
4.剪斷錨定之滑動。

CLT作為剪力牆各結構單元在側向力作用下,對整體結構造成的總體變形所佔的比例如圖2之說明。其中CLT牆體結構之側翻變形比例提高佔77%,主要是CLT材料本身不易變形(7%),因此,抗拉伸之錨定運用非常重要,另外,牆構材抗剪斷滑動(16%)之角鐵設計也很重要。


文章提供:葉民權教授

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