胶合木梁的设计与运用

膠合木樑(Glulam)的

製造、設計與應用葉博禎博士美國工程木材協會（APA）

主要內容美國工程木材協會（APA）簡介膠合木樑的製造與技術發展膠合木樑的標準膠合木樑的物理性質所用樹種膠合木樑的設計膠合木樑的接合膠合木樑的耐火性膠合木樑的養護膠合木樑的應用APA出版的參考資料

美國工程木材協會（APA）的介紹非營利性的財團法人組織前身為花旗松合板協會;美國合板協會美國工程木材協會（APA）工程木材包括-組合嵌板(plywood,OSB,COMPLY)積層膠合木樑(Glulam)薄片膠合木材(LVL)I型樑APA

會員分佈情形PlywoodOSBGlulamI-joistLVLAPA會員所生產的產品具有多樣性、

高技術水準的特性合板&OSB膠木合樑I型樑合板&I型樑產品種類包括嵌板I型樑薄片膠合材框板膠合木樑APA–工程木材協會總部位於美國華盛頓州Tacoma市四個海外辦事處150名雇員APA–工程木材協會提供之服務技術服務工程木材系統品質服務行銷溝通市場調查國際行銷APA技術服務部介紹工程師與科學研究員11位4位博士10位註冊專業工程師技術支援人員10位2位客服專員

5位實驗室技師3位行政助理APA–工程木材協會位於美國華盛頓州Tacoma市的研究中心APA–工程木材協會海外辦事處(美國、加拿大地區之外):英國伯恩茅斯德國漢堡墨西哥墨西哥市日本東京APA商標膠合木樑最早於1893年在瑞士首先使用1934年在威斯康辛州林產實驗室

威斯康辛高中

1934膠合木樑製作概念木料膠合木材黏膠黏膠黏膠木料木料木料木材脆弱的部分可經積層膠合的方式達到平均分散的效果單一木材 積層膠合木材膠合木樑所使用的板材應力分佈軸線承載應力分佈平均承載膠合木樑的分層ftfcNo.1No.2No.3No.2No.1品質較好的木材在最上及最下層彎曲應力分佈膠合木樑的分層臨界張力區壓力區內區張力區膠合木樑的優點膠合木材的優點分層膠合木材資源作最充分的運用

保持結構完整不同等級的木材分層膠合木材資源作最充分的運用

保持結構完整同等級的木材膠合作桁架的底層印地安那州的公立圖書館

膠合木樑作成桁樑範例阿拉巴馬州的商業辦公室

圖書館完成圖膠合木樑的技術發展

黏膠1940年代濕性黏膠的引進是一項重大的突破，並使膠合木樑能運用於潮濕的環境而不脫膠

膠合木樑用膠1940年代中期開始使用濕用膠與ASTMD2559結合作為濕用膠(16%MCorhigher)表面黏結–Phenolresorcinol端部接點–Phenolresorcinol,Melamineformaldehyde…新的黏膠正在開發中應用於室外的膠合樑都必須用濕性黏膠美國膠合木樑標準ANSIA190.1–1992

美國結構膠合木材國家標準ASTMD3737-1998

建立結構膠合木材應力容許值的測試方法標準美國膠合木樑標準為標準建築法規所引用及承認特殊的膠合層和設計符合APA所出版的標準膠合木樑測試系統APA擁有全世界最大的膠合木樑資料庫定期增加測試資料今年有超過600件測試膠合木樑的彎曲應力容許值16F 1,600磅/英呎20F 2,000磅/英呎24F 2,400磅/英呎26F 2,600磅/英呎30F 3,000磅/英呎32F* 3,200磅/英呎*批准中一般膠合木樑的彎曲應力容許值

及彈性係數絕大多數的膠合木樑

Fb=2,400psi E=1.8x106psi

南方松的應力容許值較高

Fb=2,800–3,000psi E=2.0–2.1x106psi使用LVL的混和膠合木樑

Fb=3,000–3,200psi E=2.1x106

psi加強纖維FRP木樑

Fb>3,000psi膠合木樑截面圖YYXXYYXX一般情況軸線定向的重要性24F-V4膠合木樑的設計值

主軸線次軸線

Fb=2,400psi

Fb=1,500psi E=1,800,000psiE=1,600,000psi垂直膠合木樑所做的橋面板均衡與不均衡膠合木樑的分別T.L.No.1No.2No.2No.1T.L.No.3T.L.=張力層均衡膠合木樑最上層和最下層可承受的重量相同主要用途延伸樑懸臂樑雙懸臂膠合木樑不均衡膠合木樑No.2DNo.2No.2No.2No.1T.L.No.3T.L.=張力層不均衡膠合木樑上層和下層承受重量的能力不同主要用於簡支樑短懸臂樑單跨距膠合木樑不均衡樑的「朝上」標記錯誤：「朝上」標記不可朝下

不均衡膠合木樑顛倒時的容許應力受壓區的容許應力是張力區的50％如：原本可承受2400psi，若顛倒安裝時，只能承受1200psi不平衡膠合木樑顛倒時的容許應力在APA研究中心測試全尺寸的樑以建立電腦模式測試出的新值大約是張力區應力的75％安裝定位的重要性24F-V4的設計值張力區

Fb=2,400psi壓力區

Fb=1,850psi膠合木樑可用樹種

傳統軟木 花旗松及南方松其他軟木SPF及鐵杉 硬木混合樹種混和樹種南方松南方松紅木薄片膠合木樑的技術發展

混和式膠合木樑LaminatedVeneerLumber(LVL)3,000or3,200psiwith2.1EFiber-ReinforcedPlastic(FRP)Proprietarytechnology>3,000psi膠合木樑的強化基本概念主要用於強化膠合木樑的張力區以增加其彎曲應力必要時也用於強化受壓區纖維強化塑膠(FRP)

強化膠合木樑膠合木樑的設計prismaticmembers(ASD)的基本方程式

fb=M/S£

Fb’fv=3V/2A£Fv’d=5wl4/384EI£Deflectionlimit基本設計值的調整Fb’=FbCDCMCt(CLorCV)Fv’=FvCDCMCt

E’=ECMCt

CD=承載係數CM=濕度(16%或更高)Ct=溫度係數CL=樑的穩定性CV=體積係數弓（曲）型膠合木樑膠合木材可被製成弓（曲）型承載時間因素承載時間CD一般承載設計永久0.90靜承載10年1.00一般住家2個月1.15下雪7天1.25施工中10分鐘1.60強風或地震2.00受撞擊長久受潮的情況

(含濕率16%或更高)PropertiesCMFb0.800Fv0.875E0.833溫度因素Prop.MCt£38oC38oC<t£52oC52oC<t£66oCFb,Fv乾1.00.80.7濕1.00.70.5E乾/濕1.00.90.9木樑的穩定性體積係數歐洲屈服定律(適用於木材)單向剪刀接合雙向剪刀接合不適用的範例歐洲屈服定律方法方法

IIIs方法

IV方法

IV膠合木樑的接合濕氣對接合的影響APAEWST300濕氣對接合的影響

主要注意木材有伸縮性縮小1%¼”24”膠合木材濕度12%8%縮小5%¾”15-1/4”一般木材受潮濕度8%濕氣對接合的影響 正確 錯誤

討論龜裂龜裂邊緣易形成龜裂凹槽內邊因張力的關係，會造成龜裂濕氣對接合的影響

龜裂螺桿沒有螺桿龜裂 正確 錯誤

討論在膠合木樑尾端切凹槽，絕對不可超過膠合樑深度的十分之一，否則，內緣會產生龜裂。濕氣對接合的影響支撐式鐵件夾式鐵件龜裂支撐式鐵件龜裂 正確 錯誤

討論夾式鐵件在木樑收縮後，因張力的傳導會造成龜裂。夾式鐵件在木樑收縮後，因張力的傳導會造成龜裂。濕氣對接合的影響Bolts螺桿螺桿龜裂龜裂鐵釘鐵釘 正確 錯誤 討論木樑收縮使支撐鐵件的負載力轉移到螺桿，因此造成龜裂。木樑收縮使支撐鐵件的負載力轉移到鐵釘，因此造成龜裂。濕氣對接合的影響 正確 錯誤 討論鐵件必須比樑大大部分的螺絲必須在樑的中心線以上龜裂大部分的螺絲放在木樑中心點下方下方的螺絲引發的張力造成龜裂濕氣對接合的影響正確錯誤 討論木樑在火災時產生變形，樑的垂直邊角會對牆面造成損害。濕氣對接合的影響 正確錯誤說明濕氣對接合的影響龜裂 正確 錯誤 說明濕氣對接合的影響產生龜裂. 正確 錯誤 說明濕氣對接合的影響 正確 錯誤 說明龜裂龜裂濕氣對接合的影響 正確錯誤說明龜裂龜裂濕氣對接合的影響正確錯誤說明柱子柱子龜裂.濕氣對接合的影響 正確錯誤說明支撐鐵件底部龜裂濕氣對接合的影響 正確錯誤說明龜裂如果樑收縮，結合鐵件的負載重量轉移到螺桿，因而造成龜裂。濕氣對接合的影響 正確 錯誤 說明龜裂可另加一片預先鑽洞的鐵件在負重下，木樑的收縮會造成龜裂濕氣對接合的影響 正確 錯誤 說明龜裂鑽洞後再固定木樑因載重後變形而產生龜裂濕氣對接合的影響正確錯誤說明支撐鐵片與水泥接觸的木材“必須”使用防腐材，以避免腐爛濕氣對接合的影響 正確錯誤

說明木樑邊角導圓木樑邊角導圓緩衝空間膠合樑的雙邊角與U型鐵件平穩結合，可充分發揮負載特性。如膠合樑與U型鐵件結合不平穩，可能造成膠合樑損害而影響負載力濕氣對接合的影響 正確 錯誤 說明金屬結合套件木樑腐壞產生龜裂金屬結合套件沒有排水孔金屬結合套件下方須有排水孔沒有排水孔容易因水而造成木樑腐壞濕氣對接合的影響裂縫 正確錯誤說明裂縫

膠合木樑的接合膠合木樑的切口與鑽孔深度APAEWSS560膠合木樑的切口與鑽孔深度受壓面dfv=3V2bd膠合木樑的切口與鑽孔深度

ddeFv=2bde3Vdde膠合木樑的切口與鑽孔深度使用一根或以上有套筒的螺杆Washer可能龜裂的區域中軸線螺栓深度超過樑的中軸線0.9d

minimum切口的深度=不超過厚度的10％螺杆最小膠合木樑的切口與鑽孔深度受壓面dfv=3V2bd膠合木樑的切口與鑽孔深度3d

maximumdd/3

Min.fv=3V2bdede最寬膠合木樑的切口與鑽孔深度3de

maximumed

fv=3V2bd–ed–dedede0.4d

Max.最寬最深膠合木樑的切口與鑽孔深度

/8/8/2/8/8負載主要區域負載主要區域d/4d/2d/4APA剪力牆測試裝置測試結果

膠合木樑的接合低斜率屋頂隔板的側承載接合APAEWSZ350Continuityties

Subdiaphragm(Typ.)40'40'40'低斜率屋頂隔板的側承載接合低斜率屋頂隔板的側承載接合Insertsto

provideapprox.10KDiaphragmperimeterangles/lumberchordnotshownforclarityAPAwoodstructural

panelsheathingAnglecorbelwithgussets低斜率屋頂隔板的側承載接合立面木桁架鐵樑間距8‘’英吋Weldtodeveloptensioncapacity低斜率屋頂隔板的側承載接合AnglecorbelHangerweldedtocorbel鐵釘或木栓木桁架上平面Inserts

toprovide

approx.10K6"widetensiontie

embossedtogooverhangerAPAwoodstructural

panelsheathing上支撐鐵件Fulllengthsteelchannel膠合斜樑低斜率屋頂隔板的側承載接合立面低斜率屋頂隔板的側承載接合以悍接結合強化張力膠合斜樑鐵釘或木栓平面APA認證的木結構合板(隔板)小斜樑斜樑(開放式網式桁架)(間距8呎)低斜率屋頂隔板的側承載接合立面低斜率屋頂隔板的側承載接合斜樑小斜樑平面隔板下的固定鐵件主樑(膠合樑)低斜率屋頂隔板的側承載接合立面斜樑(木桁架)APA認證的木結構合板(隔板)低斜率屋頂隔板的側承載接合釘合區平面APA認證的木結構合板(隔板)斜樑

低斜率屋頂隔板的側承載接合立面平面APA認證的木結構合板(隔板)水泥或鋼筋水泥牆面主樑(膠合樑)

低斜率屋頂隔板的側承載接合主樑(膠合樑)低斜率屋頂隔板的側承載接合APA認證的木結構合板(隔板)上面的結合鐵件主樑(膠合樑)主樑兩側均有張力樑50,000磅.用(10)直徑3/4“英吋的螺桿

75,000磅.用(12)直徑1”英吋的螺桿鐵件

低斜率屋頂隔板的側承載接合APA木結構的嵌板蓋板桁條木構嵌板蓋板並不明顯斜木樑與斜木樑的接合~10,000磅APA木構嵌板蓋板繫件在蓋板下桁條(木桁架顯露出來)膠合樑斜木樑與斜木樑的接合~10,000磅膠合木樑的接合細節膠合木樑的接合與設計範例膠合木樑的接合與設計範例膠合木樑的接合與設計範例膠合木樑結合鐵件樣式錯誤的接合範例木材耐火的特性說明木材每分鐘燒焦0.025英吋（0.6公釐）碳化的部分形成一層隔離與保護下層木材的作用火災後膠合木樑未受到破壞耐火設計標準大木料建築可設計成一小時耐火時效一小時耐火時效的計算方法為標準建築法規所採納耐火設計標準耐火燃燒一小時的最小呎吋要求三面燃燒:6-3/4”x13-1/2”四面燃燒:6-3/4”x27”一小時耐火時效

多加一層張力層(T.L.)No.1No.2No.2No.2No.1T.L.No.2No.1No.2No.2No.1T.L.T.L.No.2耐火一小時的設計標準金屬繫件外表須覆上一層木材以達抗火的效果以一小時耐火時效而言，必須覆上1-1/2英吋(38公釐)的木材，5/8英吋(16公釐)TypeX石膏板或其他耐火材料如何發揮膠合木樑的耐久性水分會聚集在隔間牆裡，這些牆板會保存25％到30％的水分之後，這些水分會以液態水的方式存在牆洞裡霉菌生長的要素:適中的溫度(華氏50-100度)食物(大多是有機物質)空氣濕氣(20%以上)如何發揮膠合木樑的耐久性有些樹種的抗腐性較其他樹種佳只有部分樹種的心材是防腐的，如美國黃檜如何發揮膠合木樑的耐久性心材每種樹種的心材部分都不同，且較小的原木其心材比例較小，甚至不存在心材邊材木構建築其水分含量，可控制在低於腐壞的門檻很多木構建築都有超過100年的歷史其中部分建築所在的氣候環境與台灣類似如何發揮膠合木樑的耐久性木構造房屋耐久的方法保持木材乾燥建築方法濕度控制防腐處理

使用防腐的樹種如何發揮膠合木樑的耐久性如何控制木構建築的濕度濕度控制的方法重力排水系統毛細排水系統通風擴散作用牆板設計的四個要點牆板設計的四個要點導流排水乾燥防腐注意事項:防水線的延續和重疊注意主要的細節：使用防雨材料膠合木樑未加以保養的錯誤範例膠合木樑未加以保養的錯誤範例膠合木樑如何作防腐處理西部樹種–膠合後處理南方松–膠合前後處理防腐處理膠合木樑防腐處理的標準AWPAC28：防腐劑的用量及滲透標準AWPAStandardsM4AWPA為美國木材防腐廠協會，全名為AmericanWoodPreservers’Association防腐處理防腐處理材料的化學原料：有機的–木焦油,五氯化氛無機的–

ACA,CCA(不建議用於花旗松)防腐處理防腐處理的注意事項有些樹種需先鑽孔用砷處理可能造成繫件的腐蝕–建議使用熱浸式鍍鋅鐵件或不銹鋼接合繫件

防腐處理防腐處理的注意事項木材結構可能會受影響–建議向處理廠商詢問設計值有些部分需現場加強處理謹慎處理與使用（保護工人的健康）自然防腐的膠合木材所使用的樹種*美國黃檜:20F-1.5E紅木:16F-1.1E*只有心材是防腐的如何規範膠合樑的設計製造標準–

ANSIA190.1用途–簡支樑或延伸樑設計值–

Fb,E,Fv,C-perp分級–工業用級建築用級外觀級如何規範膠合樑的設計積層用膠–乾/濕作成弧面(依需求設計)防腐處理(依需求設計)抗火處理(依需求設計)保護層及磨光如何規範膠合樑的設計商標–

APAEWS認證運送安全包裝以下是各種膠合木樑與I型樑在不同建築上的運用範例威斯康辛州私人住宅威斯康辛州私人住宅型木樑用於屋頂II型木樑用於二樓樓板支撐樑I型樑與膠合木樑的結合I型樑與膠合木樑的結合運用I型樑非常方便於樓板下方之管線安排膠合木樑用於桁架系統雙懸臂膠合木樑水平曲型膠合木樑膠合木樑在商用建築的應用以下十張投影片是加州一自來水處理廠之建築範例自來水處理廠完成後之鳥瞰圖安裝大型膠合木樑必須小心使用懸吊機具阿拉巴馬州的辦公建築膠合木樑運用於多層辦公室建築辦公室建築完成圖東京天然氣公司–日本橫濱Iono

高爾夫球俱樂部–日本關東櫪木縣Okutsu

水療館–日本岡山市Kamikaze啤酒屋–