淺談 木鉚釘-木結構接合新工法

□賴建成／建築師 成功大學工學士 紐西蘭坎特伯里大學工學碩士

摘要
        ”木鉚釘”是為了層板膠合木(Glued-laminated timber)的接合能承受高強度應力而開發的一種特殊鋼釘，(為行文簡潔，本文中也以”鋼釘”稱呼)。木鉚釘接合的型態是將這種特殊鋼釘穿過有預鑽孔的接合鋼板釘入木構材，藉由高強度之鋼釘、中強度之鋼板及木材間之緊密接合，能承受較傳統木結構更大之荷重，也更適用於大跨距之木結構。本文介紹木鉚釘之起源，木鉚釘接合特性、初期文獻、相關規範以及木鉚釘接合設計的基本概念。

一、前言

(一) 木鉚釘之名稱
          本文雖將”木鉚釘”命題為新工法，其實這個工法在美、加二國已經行之多年。然而”木鉚釘”對國內多數的工程師或學者而言，仍是一個陌生的名詞，故在台灣尚可稱為新工法。開宗明義先以最淺顯的文字來說明：”木鉚釘”是一種使用在木結構接合的特殊鋼釘。其次，再略述這個名詞的由來。這個名詞原文來自加拿大與美國，在美國稱為”Timber Rivets”，在加拿大最初稱為”Glulam Rivets” 後來也稱為Timber Rivets，二詞並用。在台灣似乎未見對這二個名詞的譯名，本文試譯為”木鉚釘”，意為木結構用之鉚釘。”Glulam Rivets”是加拿大獨創的名詞，”Glulam”乃合併”Glued-laminated”的創新詞，”Glued-laminated timber”(本文譯為層板膠合木)就是” Glulam timber”，簡稱” Glulam”。最後再說明”Rivets”：雖名為Rivets(鉚釘)，其實與鋼結構之鉚釘截然不同，鋼構之鉚釘大多承受雙剪力，頭尾二端都是可見的圓形鈍頭；而木鉚釘大多承受單剪力，頭端(橢圓形鈍頭)可見，尾端(尖端)釘入木材不可見。木鉚釘除了必須穿過鋼板以結合木構材外，在木材中的力學行為其實與釘子類似，比較明顯的差異是釘子斷面為圓形，無方向性，而木鉚釘斷面為扁(橢圓)形，扁形有長短軸的方向性。把它稱為”Rivet”而不稱為”Nail”是因為此特殊鋼釘的材質、形狀及設計規範皆與釘子有明顯的差異。 (一) (二)木鉚釘之起源
          傳統木構造之材料多為成型木材(Sawn timber)。成型木材製成的構材總有斷面尺寸、長度的限制而無法隨心所欲。為了克服這些限制，西方製材工藝發明了層板膠合木(Glued-laminated timber)。層板膠合木(以下簡稱層板木)可以訂製幾乎任何斷面尺寸、長度的構件，而且構件的材質均勻性也有顯著的改善。然而，雖然可以得到大斷面、大跨距的構件，構件之間的接合技術卻是跟不上腳步。傳統的木構件接合扣件(Fasteners)例如鐵釘、螺栓，多適用於中小型的木結構，若要將其用於大斷面、大跨距的層板木結構，往往需要巨大的接合面，甚至要加大原設計尺寸才能提供足夠的接合部位的面積。西方很多學者都致力研究如何在有限的接合面內提供更強大的承載力，其中加拿大學者麥森(Bord Madsen)在60年代研發出木鉚釘及其接合技術，大大提升了接合扣件的承載力，充分發揮層板木大斷面、大跨距的優勢。

二、木鉚釘接合(Timber rivet connections)之概述

木鉚釘接合由三種元素組合：木鉚釘、接合鋼板以及木構材，分述如下：
(一) 木鉚釘 (Timber rivets 或 Glulam rivets)
       木鉚釘是一種高拉力的特殊鋼釘，釘身扁平，一端以楔形放大為橢圓形的釘頭，另端則以V形收斂成尖端，如圖1(a)及圖1(b)所示。以加拿大產品而言，鋼釘長度有五種：40mm、50mm、65mm、75mm、90mm，其中以40mm、65mm、90mm三種為廣泛使用。鋼釘材質必須符合下列規定：
1.材質：熱浸鍍鋅，符合ASTM A153及AISI 1035
2.強度：抗拉強度 > 1,000 MPa (加拿大規範，即10,200kg/cm2) 或 > 145,000 psi (美國規範) )。
3.硬度：Rockwell C32-39
4.尺寸：標準斷面6.4mm×3.18mm，誤差值及其餘尺寸詳圖1(b)。楔形釘頭打進鋼板的預鑽孔時，必須保留3.2mm(加拿大) 或1/4”(美國) 突出於鋼版面
5.方向性：扁平狀鋼釘釘入木材時，扁平面的方向(即斷面的長軸)必須與木紋(Grain)方向平行。……更多文章內容，請參閱-現代營建雜誌 490期；P70~P77。