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建築研究簡訊第118期

  • 日期:112-03-30
業務報導李台光
研擬大跨距薄殼竹構造建築結構設計方法

使用國產竹材是符合節能減碳、保護環境、減緩全球氣候變遷的「綠色消費」,並能振興國內相關竹產業。近年來竹構造在世界及臺灣逐漸獲得重視,但是與鋼構造、鋼筋混凝土構造與木構造等主流構造相比,在經濟發達國家中,竹構造甚難得到研究發展的挹注。反倒是在例如亞洲的越南與在中南美洲的哥倫比亞、祕魯與智利等,經濟較不發達的國家,可以見到竹構造的持續發展,但是礙於這些國家本身的學術與經濟條件,也缺乏對竹構造在創新與系統化的深入研究。

與竹構造相關的研究參考資料,主要可分建築設計與結構設計兩部分,其中與建築設計相關的論文與專書眾多。與結構設計相關的研究內容雖也有一定的數量,但是主要集中在竹材特性、接合作法與傳統竹構方法等,多圍繞在傳統與小型建築的範疇,缺乏對竹構造在創新與系統化的深入研究。

為提振本土林產業,行政院農業委員會「新興竹產業發展綱要計畫」業奉行政院110年10月4日院臺農字第1100019908號函核定在案。過去公部門對於竹構的相關研究投注資源甚少,近年來竹構造在世界及臺灣逐漸獲得重視。最近臺灣竹會匯集民間力量勉力編製「竹構築指南」,本所於110年度也已完成「竹構造建築物設計技術研究」研究計畫,111年度配合行政院農業委員會「新興竹產業發展計畫(111至114年度)」(草案)之分工,探討竹構造於大跨距薄殼建築的應用。本案研究範圍為大跨距竹構造薄殼建築,以非防火構造建築物500平方公尺的規模為研究標的,其跨距約為22公尺。

本研究透過下列方式進行:(1)「案例蒐集與分類」:蒐集並分類世界具有代表性之大跨距竹構造薄殼案例,並針對其跨距,幾何造型與接合形式等進行分類;(2)「接合勁度與強度簡易評估」:蒐集既有竹構造接合研究資料,並參考國內外木構造或相關規範,對竹構造接合之勁度與強度提出簡易之評估方法;(3)「重要接合有限元素模擬」:選擇重要之竹接合形式及相關數據,建立有限元素模型以校正上述之評估方法;(4)「重點參考案例之整體結構分析」:挑選3個重點大跨距竹薄殼案例,進行完整之結構分析,評估其材料利用率與接合適用性;(5)「敏感度分析」:利用敏感度分析原理,研究大跨距竹薄殼整體結構對接合及竹管之勁度與強度之不確定性的影響。

本研究重要成果如下:

(1)竹材之彈性模數與強度:藉由竹材力學性質的相關文獻分析整理發現,以往的試驗並沒有依循統一的試驗程序與要求,導致結果差異甚大,建議未來在規劃試驗時,可依循ISO 22157:2019所提供的試驗方法,使各試驗結果的比較更具價值性。

(2)竹構接合之強度與勁度:接合種類繁雜,接合試驗更是稀少,因此本研究對接合提出接合分類的方法,以方便業界能夠輕鬆辨識,但也可以發現還是有許多特殊形式的接合無法清楚定義。

(3)竹薄殼模擬與案例分析:竹薄殼的整體勁度受竹網格橫向接合的勁度大小影響甚大,可藉由敏感度分析結果選擇合適的結合形式,以避免接合之過保守設計或整體勁度不足。竹網格橫向接合之模擬,可採用設定虛擬桿件或彈簧元素的方式。其中對於該桿件與彈簧之指向與自由度釋放與否之設定需要特別注意,以確保竹管桿件之彎矩能正確傳遞。竹薄殼結構須考量幾何缺陷之影響,幾何缺陷又分為薄殼整體與竹管桿件之幾何缺陷。