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研究生: 吳姿穎
Wu, Tzu-Ying
論文名稱: 低成本之層間變位角結構健康監測方法研究
A structure health monitoring system based on inter-story drift angle measured by low-cost sensors
指導教授: 姚昭智
Yao, George
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 規劃與設計學院 - 建築學系
Department of Architecture
論文出版年: 2023
畢業學年度: 111
語文別: 中文
論文頁數: 214
中文關鍵詞: 結構健康監測(SHM) 、微機電系統(MEMS) 、傾斜角量測 、層間變位角
外文關鍵詞: Structural Health Monitoring (SHM), Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Angle Measurement, Story Drift
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  • 每當發生大地震後,為了檢查建築物是否有損壞及保護結構免於因餘震再次破壞,通常會以人工巡檢的方式判斷建築物是否安全,但因現場勘查專業人員人數有限,加上社區需勘查的建築物可能數百棟,造成誤判與恢復時間大幅增加的情況。近年來,建築物級監測網絡則被進一步推廣到用於建築物健康監測(Structural Health Monitoring, SHM)上,能夠在震後第一時間檢測出損傷位置及破壞程度,快速地進行補強及救災的動作。
    目前常用的結構健康監測系統(SHM)通常使用傳統加速度計系統做為監測,但加速度計系統價格昂貴且強震資料易受汙染,因此使得建築物健康監控的推廣受到限制,本研究提出低價格的傾斜儀做為SHM之量測設備,可改善上述問題。
    本研究先透過SAP2000軟體分析三層樓構架,了解構架之變形特性,找出傾斜儀安裝位置,推論出傾斜儀能夠裝設在柱中間做為量測點,可直接測得層間變位角。再依據縮尺對於振動台實驗及接收到數據,研究如何快速判斷建築物各樓層之健康狀況,並且計算出傾斜儀之誤差值。
    SAP2000分析結果也應用在2023日本E-Defense足尺十層樓鋼結構實驗,將傾斜儀安裝在受損機會較大之樓層2至5樓,經過不同輸入波,用以驗證與數值模型分析結果是否類似。結果顯示出,在低強度地震歷時,沒有殘餘轉角產生,且層剪力對轉角圖為直線;而高強度之地震歷時,有明顯殘餘轉角以及層剪力對轉角歷時圖會有迴圈發生,跟數值分析之結果類似。
    最後,為了提高學校對於地震後校舍安全掌控之即時性,將傾斜儀真實安裝在成功大學的旺宏館中。由於旺宏館尚未完成,故使用ETABS數值模型去做分析,驗證不均勻建築物是否需要增加儀器放置在別支柱上來量測轉角,以便運用在日後發生強烈地震下,能快速量測到柱破壞之轉角。

    The purpose of this study is to first detect the location and extent of damage to buildings, and quickly carry out reinforcement and disaster relief actions. The currently Structural Health Monitoring System uses traditional accelerometer systems for monitoring, but accelerometer systems are expensive and difficult to install in most building structures. First, this study analyzes a 3-story building using SAP2000 to understand the vibration characteristics of the structure, identify the installation location of the MEMS tiltmeter, and infer that the MEMS tiltmeter can be installed in the middle of the column for measurement. And use the Story Shear v.s. IDA diagram to determine the health status of each floor of the building. Then, after applying the results to the steel structure of the 10-story E-Defense in Japan in 2023, the MEMS tiltmeter was installed on the 2nd to 5th floors with a high chance of damage. Different input waves were used to verify whether the results were similar to those of the numerical analysis. Finally, in order to improve the timeliness of the school's control over the safety of the school building after the earthquake, tiltmeters will be installed in the Wanghong Hall of Chenggong University. Due to the unfinished Wanghongguan project, numerical model was used for analysis to verify whether it is necessary to add tiltmeters to measure the rotation angle of uneven buildings on other columns, in order to quickly measure the rotation angle of column failure in the event of a strong earthquake in the future.

    摘要 I ABSTRACT II 誌謝 VII 目錄 VIII 表目錄 XI 圖目錄 XIII 第 一 章 緒論 1 1.1. 研究動機與目的 1 1.2. 研究方法與流程 1 第 二 章 文獻回顧 3 2.1. 結構健康監測文獻回顧 3 2.1.1. 定義建築物損傷程度 3 2.1.2. 國內外健康監測相關研究 5 2.2. MEMS系統相關文獻回顧 9 第 三 章 數值模擬 13 3.1. 反曲點定義 13 3.1.1. 力學上之反曲點定義 13 3.1.2. 研究之反曲點定義 13 3.2. 模擬模型 14 3.2.1. 模型基本設定 14 3.3. 反曲點位置 18 3.3.1. 彎矩圖法 18 3.3.2. 位移二次微分法 18 3.3.3. 輸入震波介紹 20 3.3.4. 方法比較結果 22 3.4. 反曲點與柱中間點轉角值比較 23 3.5. 層間變位角與柱中間點轉角之誤差 25 3.6. 破壞模式分析 28 3.6.1. 塑鉸設定 28 3.6.2. 輸入震波介紹 30 3.6.3. 分析結果 31 3.7. 損壞標準 35 3.7.1. 層剪力計算 35 3.7.2. 轉角剪力圖 35 3.8. 小結 40 第 四 章 傾斜儀應用與原理 41 4.1. 儀器基本介紹 41 4.2. 實驗規劃 42 4.2.1. 振動台性能介紹 42 4.2.2. 實驗量測設備介紹及配置 43 4.2.3. 輸入波 45 4.3. 實驗結果與分析 49 4.4. 小結 54 第 五 章 2023日本E-Defense振動台實驗與分析 55 5.1. 實驗目的 55 5.2. 實驗規劃 55 5.2.1. 振動台性能與實驗構架介紹 55 5.2.2. 實驗量測設備介紹及配置 59 5.3. 實驗輸入波介紹 62 5.4. 實驗結果與分析 65 5.4.1. 系統識別 65 5.4.2. 地震歷時下樓板加速規及傾斜儀加速度數值之比較 69 5.4.3. 地震歷時下的動態反應結果 72 5.4.4. 不同濾波範圍之地震歷時下的動態反應結果 93 5.5. 小結 112 第 六 章 旺宏館分析及規劃 113 6.1. 規劃目的 113 6.2. 實驗規劃 113 6.2.1. 旺宏館基本模型介紹 113 6.2.2. 實驗量測設備介紹及配置 124 6.3. 數值模型輸入震波介紹 124 6.4. 數值模型結果與分析 126 6.4.1. 數值模態分析 126 6.4.2. 塑鉸設定 127 6.4.3. 破壞標準 134 6.4.4. 分析結果 135 6.5. 小結 163 第 七 章 結論 164 7.1結論 164 參考資料 166 附錄A MAST實驗之SINE波Y向轉角歷時圖結果 167 附錄B 地震歷時下的轉角歷時 171 附錄C 地震歷時下的轉角剪力圖 177 附錄D 地震歷時下的轉角歷時(帶狀濾波0.8~2Hz) 189 附錄E 地震歷時下的轉角剪力圖(帶狀濾波0.8~2Hz) 195 附錄F 旺宏館結構詳細尺寸及建築結構配置平面圖 207

    [1] 陳信豪,《利用側推分析建立RC建築層間變位角與損傷程度關係之探討》,國立台灣科技大學,2022
    [2] Federal Emergency Management Agency (FEMA), ‘‘HAZUS-MH MR5 Technical and User's Manual’’, Washington, D.C., FEMA, 2010.
    [3] Çelebi, M., ‘‘Response Health Monitoring of Buildings Using Threshold Drift Ratios – Now an Established Method’’, Int’l Conf. on Structural Health Monitoring, Vancouver, B.C., Canada, 2007.
    [4] Galvis, F. A., Deierlein, G. G., Hulsey, A. M., Baker, J. W., Molina Hutt, C., ‘‘ASSESSMENT OF EVALUATION PROCEDURES FOR EARTHQUAKEDAMAGED PRE-NORTHRIDGE WELDED STEEL MOMENT FRAMES’’,Sendai, Japan :The 17th World Conference on Earthquake Engineering(17WCEE), 2021.
    [5] 鄭丁興,《三聯科技113期-大樓結構安全快速診斷》,三聯科技股份有限公司,2019。
    [6] 余以諾,《三聯科技115期-應用層間變位角於結構損傷指標》,三聯科技股份有限公司,2020。
    [7] Hou, Shuang, Zeng, Chuangshuo, Zhang Haibin, Ouc, Jinping, ‘‘Monitoring interstory drift in buildings under seismic loading using MEMS inclinometers’’, Construction and Building Materials/Volume 185/Pages 435-367, 2017.
    [8] Hsu , Ting-Yu, Yin, Ren-Cheng and Wu ,Yih-Min, ‘‘Evaluating Post-Earthquake Building Safety Using Economical MEMS Seismometers’’,MDPI/Journals/Sensors 18 (5)/1437, 2018.
    [9] Lin, Jian-Fu, Li, Xue-Yan, Wang, Junfang, Wang, Li-Xin, Hu, Xing-Xing and Liu, Jun-Xiang, ‘‘Study of Building Safety Monitoring by Using Cost-Effective MEMS Accelerometers for Rapid After-Earthquake Assessment with Missing Data’’, MDPI/Journals/Sensors 21 (21)/7327, 2021.
    [10] 徐安、陳品存、張汎博、盧煉元、柴駿甫、蕭輔沛、黃百誼,《國震中心關鍵零組件測試系統(MAST)之性能曲線及動力特性測試》,台南市:國家地震工程研究中心台南實驗室,2022。
    [11]周德光、於積瑨,《非線性模型於ETABS的應用研究》,國家地震工程研究中心,2022。

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    2026-08-31公開
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