臺灣博碩士論文加值系統

近年來，公共工程建設已從大量興建之形態逐漸轉換成全面進行維修補強之形態。民間部份受損的房屋也以修繕改建的方式來代替傳統拆除重建之做法。台灣位處地震頻繁、颱風多的地理位置上，建築物遭受震害、土石流等大地災害機率相對極高，所以發展出快速檢測評估結構物之方法，為現今迫切之研究課題。
本論文藉由有限元素數值模型進行參數研究，針對模態位移進行模態曲率之計算，由模態振形識別出結構之損傷指標與有效勁度。並由數值模型之結果歸納出以模態曲率判斷缺陷變化之規則性，最後再運用彈性互易定理觀念以實體試驗進行驗證方法之可行性。
初步研究結果顯示以模態曲率方法計算有限元素模擬缺陷之反應時，訊號可清楚地顯示出缺陷之情況，但該方法於實驗中應用時，卻遭遇量測訊號不明確，且互易定理之量測觀念無法應用之問題。因此，後續若有延續相關研究，仍需針對實驗訊號可靠度加以探討改良之方法。

In recent years, the demand of assessing and rehabilitating infrastructures and/or urban buildings has increased. To repair and strengthen a damaged structure is sometimes a more efficient way than to rebuild a new one. Taiwan is potentially threatened by various natural hazards such as Typhoons and Earthquakes, the development of efficient assessment techniques is thus a worth topic to be investigated.

In this work, parametric studies were carried out using numerical data obtained from Finite Element programs in which modal curvatures are computed to recover the effective stiffness of a specimen. Based on the numerical results, patterns regarding judging defect types and locations from modal curvatures are summarized. Reciprocity theorem was also employed in the experimental tests to simplify the procedure.

It is preliminarily concluded that defects can be effectively identified through modal curvature data as long as test signals are reliably acquired while this study did somehow encounter difficulties in data acquisitions with our current piezoelectric equipments. Further improvement in test repeatability should be done for this methodology to be practically used in field tests.

目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 X
第一章 緒論 1
1-1 研究動機 1
1-2 研究目的 3
1-3 研究流程 3
1-4 研究內容 6
第二章 文獻回顧 8
第三章 理論背景 14
3-1 桿件波傳理論 14
3-2 頻率域連續解動力分析程式 16
3-3 模態曲率法 17
3-3-1 模態曲率法於文獻之應用 17
3-3-2 頻率域連續解動力分析程式應用於模態曲率法 18
第四章 數值參數研究 22
4-1 參數特性對數值研究之影響 22
4-1-1 簡支梁數值模型 22
4-1-2 反應參數之差異研究 24
4-1-3 使用非第一振態之情況 26
4-1-4 不同敲擊位置之影響 28
4-2 損傷斷面之勁度量化方式 29
4-3 損傷缺陷行為之研究 32
4-3-1 單一損傷缺陷位置變化之探討 32
4-3-2 多重損傷缺陷位置變化之探討 34
4-3-3 損傷缺陷之幾何邊界效應之影響 37
第五章 實驗規劃及數值模擬假設之驗證 53
5-1 梁試體規劃製作 53
5-2 實驗儀器介紹 53
5-3 試驗方法 59
5-4 簡支梁之敲擊動態試驗 60
第六章 實驗與分析之結果 63
6-1 轉換函數之實驗分析 63
6-2 模態曲率法實驗之分析與討論 64
6-3 互易定理之應用與分析探討 66
6-4 實驗結果之推論 71
6-4-1 與前人研究之差異性 71
6-4-2 初步結論 72
第七章 結論與未來展望 74
參 考 文 獻 76


圖目錄
圖1-1 作業流程圖 5
圖3-1 頻譜波速曲線【18】 16
圖4-1 簡支梁－外力敲擊位置與多點接收之模型示意圖 23
圖4-2 位移模態曲率振幅圖（1st Mode） 25
圖4-3 速度模態曲率振幅圖（1st Mode） 25
圖4-4 加速度模態曲率振幅圖（1st Mode） 26
圖4-5 3rd Mode之模態曲率振幅曲線 27
圖4-6 No.4與No.11敲擊之模態曲率振幅曲線差異 29
圖4-7（a）損傷指標曲線 31
圖4-7（b）有效勁度曲線 31
圖4-8（a）損傷位於元素2之有效勁度曲線 33
圖4-8（b）損傷位於元素8之有效勁度曲線 33
圖4-9（a）元素3、14皆0.1 I0之有效勁度曲線 34
圖4-9（b）元素3 = 0.1 I0、元素14 = 0.5 I0之有效勁度曲線 35
圖4-9（c）元素7 = 0.5 I0、元素9 = 0.1 I0之有效勁度曲線 36
圖4-9（d）多重損傷之有效勁度曲線 37
圖4-10（a）懸臂梁－模型示意圖 38
圖4-10（b）連續梁－模型示意圖 38
圖4-10（c）門型框架－模型示意圖 39
圖4-11 case1之有效勁度曲線 42
圖4-12 case2之有效勁度曲線 42
圖4-13 case3之有效勁度曲線 43
圖4-14 case1之有效勁度曲線 44
圖4-15 case2之有效勁度曲線 45
圖4-16 case3之有效勁度曲線 46
圖4-17 case1之有效勁度曲線 47
圖4-18 case2之有效勁度曲線 48
圖4-19 case3之有效勁度曲線 49
圖4-20 case1之有效勁度曲線 50
圖4-21 case2之有效勁度曲線 51
圖4-22 case3之有效勁度曲線 52
圖5-1 PCB加速度規 54
圖5-2 振動訊號之關係圖【14】 55
圖5-3 蜂蠟粘固法 56
圖5-4 PCB衝擊錘【14】 56
圖5-5 安捷倫 VXI 多槽訊號擷取系統【14】 57
圖5-6 動態參數 58
圖5-7 HP DAC Express 擷取界面【14】 58
圖5-8 完整梁之微小損傷情形 59
圖5-9 缺陷梁之多重損傷情形 60
圖5-10 敲擊動態試驗之擺設圖 61
圖5-11 加速度規之擺設示意圖 62
圖6-1（a）同次敲擊之轉換函數曲線 63
圖6-1（b）同次敲擊之轉換函數曲線 64
圖6-2 非同次敲擊之轉換函數曲線 64
圖6-3 完整與缺陷梁比較之模態曲率振幅曲線 65
圖6-4 完整梁缺陷比較之模態曲率振幅曲線 66
圖6-5 完整與缺陷梁比較之互易定理等效模態曲率振幅曲線 67
圖6-6 破壞後與原始梁比較之互易定理等效模態曲率振幅曲線 68
圖6-7 A點敲擊B點接收之實驗配置 69
圖6-8 A點接收B點敲擊之實驗配置 69
圖6-9 N3-A、B點敲擊接收之轉換函數圖 70
圖6-10 N4-A、B點敲擊接收之轉換函數圖 71


表目錄
表3-1 文獻中之自然頻率【1】 20
表3-2 1DC解之Mode 1∼5自然頻率 21
表3-3 Bernoulli解對文獻及1DC之Mode 1~5自然頻率比 21
表4-1 參數研究之材料性質 23
表4-2 假設簡支梁長度為L之各節點位置【14】 28
表5-1 使用之加速度規之編號及適用頻率範圍 54

參 考 文 獻

1.Wahab, M. M., and Roeck, G., “Damage Detection in Bridges Using Modal Curvatures: Application to A Real Damage Scenario,” Journal of Sound and Vibration, Vol. 2, No. 226, pp. 217-235, 1999.

2.黎文明，「快速傅立葉轉換」，復漢出版社，台灣，1985。

3.Bendat, J. S., and Piersol, A. G., “Engineering Applications of Correlation and Spectral Analysis”, New York: Wiley (1993).

4.林俊銘，林宜清「敲擊回音法之原理與應用」結構物檢測評估與維護補強技術研討會論文集，第27-49頁，1996。

5.American Concrete Institute ACI 1998 “Nondestructive test methods for evaluation of concrete in structures.” ACI 228, 2R-98, Detroit.

6.Pandey, A. K., Biswas, M., and Samman, M. M., “Damage Detection from Changes in Curvature More Shapes,” Journal of Sound and Vibration, Vol. 2, No. 145, pp. 321-332, 1991.

7.Wahab, M. M., Roeck, G., and Peters, B., “Parameterization of Damage in Reinforced Concrete Structures Using Model Updating,” Journal of Sound and Vibration, Vol. 4, No. 228, pp. 717-730, 1999.

8.Maeck, J. et al., “Damage Identification in Reinforced Concrete Structures by Dynamic Stiffness Determination,” Engineering Structures, 22, pp. 1339-1349.

9.王柏村、梁偉光，「基於模態參數之結構缺陷預測」，檢測科技，第十八卷，第六期，第204-214頁，2000。

10.Ko, J. M., Sun, Z. G., and Ni, Y. Q., “Multi-stage Identification Scheme for Detecting Damage in Cable-stayed Kap Shui Mun Bridge,” Engineering Structures, 24, pp. 857-868, 2002.

11.連祥益，「動力互易定理於梁損傷檢測之應用」，國立中央大學土木工程研究所碩士論文，中壢，2001。

12.劉正偉，「梁構件系統之識別參數與損傷檢測之應用」，國立中央大學土木工程研究所碩士論文，中壢，2004。

13.江哲豪，「頻率域分解方法在結構模態參數分析之應用」，國立中央大學土木工程研究所碩士論文，中壢，2006。

14.陳鴻智，「鋼筋混凝土梁損傷檢測之初步研究」，朝陽科技大學營建工程系所碩士論文，臺中，2004。

15.Ndambi, J. M. et al., “Comparison of Techniques for Modal Analysis of Concrete Structures,” Engineering Structures, 22, pp. 1159-1166, 2000.

16.蘇文喜，「模態參數於梁結構損傷檢測之應用」，國立中央大學土木工程研究所碩士論文，中壢，2003。

17.葉彰和，「環境振動與振動頻譜分析」，環境振動與振動頻譜分析研討會，臺北，2003。

18.洪卿玲，「基樁型式基礎之應力波波動現象研究」，朝陽科技大學營建工程系所碩士論文，臺中，1999。

19.許耿蒼，「以敲擊回音法評估受震後新澆置混凝土構件之鋼筋握裹損失」，朝陽科技大學營建工程系所碩士論文，臺中，2002。