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研究生: 陳亭妤
Chen, Ting-Yu
論文名稱: 超音波檢測於古蹟材料損害程度之應用研究
Detecting the Damage of Heritage Materials Using Ultrasonic Wave Technology
指導教授: 李德河
Lee, Der-Her
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2017
畢業學年度: 105
語文別: 中文
論文頁數: 162
中文關鍵詞: 超音波檢測火害缺陷
外文關鍵詞: Ultrasonic detection, Fire simulation, Defects
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  • 台灣早期寺廟建築多使用木材及石材作為主要建材,尤其是石柱作為支撐建築之要件。當火災發生時石材在不同位置所受火害毀損之狀況有所差異,因此如何在災後快速判定石材之損壞程度或堪用程度成為古蹟修復的重要課題。
    本研究使用非破壞檢測技術中超音波檢測法,探討古蹟寺廟中常見之三種火成岩(花崗岩、觀音石、青斗石)試體在常溫及加溫至200℃、400℃、600℃、800℃、1000℃、1200℃後冷卻至常溫之超音波速以及動彈性模數受溫度作用的影響。另外並對以上試體進行吸水率、比重、單壓強度試驗,分析岩石物性、強度、靜彈性模數受到不同溫度作用後之變化狀況,並以超音波波速、抗壓強度、動靜彈性模數、吸水率及比重作為評斷石材破壞程度之考慮因子,最後以超音波波速作為判別石材損壞程度之主要指標。
    試驗結果顯示完整未受損傷的花崗岩其超音波波速大於2000m/s,單壓強度大於110MPa,隨著火害程度的增加超音波速下降,單壓強度亦逐漸下降,當波速小於225m/s時,抗壓強度小於15MPa。完整石材的觀音石其超音波波速大於3500m/s,單壓強度大於200MPa,當受高溫時波速小於500m/s,單壓強度小於60MPa,石材熔化呈磚化。完整青斗石試體其超音波波速大於4500m/s,單壓強度大於200MPa;石材受高溫熔化變質時波速低於1500m/s。
    此外,本研究亦使用超音波檢測法來探測寺廟中常見的木構件的損朽程度,選用古蹟中最常見之福州杉作為研究對象,將木材切為25公分厚之圓柱狀後,於斷面中央鑽取"2×10" 〖"cm" 〗^"2" 、"3×10" 〖"cm" 〗^"2" 、"4×10" 〖"cm" 〗^"2" 不同大小之孔洞,作為木材遭蟲蟻侵蝕、腐爛之模擬。使用超音波儀器量測穿透木材斷面之波速變化,並使用SURFER12軟體將將木材斷面之波速變化圖繪出,並與實際木材斷面與圖比較。研究結果顯示此方法可測得3公分以上之孔洞,孔洞位置及大小與實際相符。

    Rocks and woods are the most popular materials for heritage in Taiwan. This study attempts to develop criteria to evaluate the fire damages under different temperatures of rocks (granite, guanyin stone, cingdou stone) and rotten wood useing ultrasonic wave technology. For rock results show, based on the suggestions in CNS12514, temperature curves are proposed with the maximum temperature up to 200℃, 400℃, 600℃, 800℃, 1000℃, 1200℃, respectively. High temperature during the test results in cracking and vitrification in the rock samples. After 400℃, compression strength decreases with the decreasing ultrasonic wave velocity under different temperature attacked. For wood detection results, drilling different size of holes in the center of the wood as decays fo the simulation. The results show that size of hole more than 3 cm can be measured.

    目錄 摘要 ………………………………………………………………………….I 致謝 ……………………………………………………………………...VIII 圖目錄 ………………………………………………………………………XII 表目錄 ……………………………………………………………………...XVI 第一章 緒論 1 1-1 研究動機 1 1-2 研究目的 1 1-3 研究流程 2 第二章 文獻回顧 4 2-1 石材構件相關文獻 4 2-1-1 台灣寺廟常用石材之種類 4 2-1-2 石材之物理性質 5 2-1-3 石材之力學特性 8 2-2 木材構件相關文獻 13 2-2-1 台灣寺廟木材之種類 13 2-2-2 傳統建築木構件劣化之因素 14 2-2-3影響超音波檢測於木構件之主要因子 15 2-2-4 非破壞檢測應用於建築構件 19 第三章 超音波檢測之基本原理及儀器介紹 24 3-1超音波檢測之基本原理 24 3-1-1超音波產生原理 24 3-1-2超音波種類及特性 24 3-1-3超音波波速量測方法 26 3-1-4超音波檢測變數的選擇 28 3-1-5超音波檢測求得之參數應用 29 3-2 超音波檢測儀器介紹 30 3-2-1 超音波檢測儀 30 3-2-2 校準規格塊 31 3-2-3 探頭 31 3-2-4 耦合劑 32 3-3 圓柱石材試體製作儀器 32 3-4 模擬火場之儀器 34 第四章 研究方法與內容 35 4-1 火害後石材構件內部缺陷檢測 35 4-1-1 實驗規劃 35 4-1-2試體準備 36 4-1-3火場溫度模擬設計 37 4-1-4 石材物理性質試驗 39 4-1-5 單軸壓縮試驗方法 41 4-1-6 石材火場試驗 42 4-2 木構件內部缺陷定位檢測 47 4-2-1 實驗規劃 47 4-2-2 試體準備 48 4-2-3實驗方法 49 第五章 研究結果與討論 52 5-1 石材室內試驗 52 5-1-1石材物理性質試驗 52 5-1-2石材火害溫度模擬試驗 56 5-1-3石材超音波試驗 71 5-1-4石材火害溫度後之單軸壓縮強度試驗 91 5-1-5 石材史密特錘試驗 101 5-1-6石材火害溫度後之抗壓強度與超音波之關係 110 5-1-7 石材之損壞程度評估 115 5-2 火場試驗之火害結果 122 5-2-1 火場溫度歷時曲線 122 5-2-2 火害後石材損壞程度之試驗結果 123 5-2-3 石材火害受損評估 140 5-3 木構件超音波缺陷檢測 145 第六章 結論與建議 149 6-1結論 149 6-2建議 150 第七章 參考文獻 152 附錄一 軸向及側向應變圖 155 附錄二 口試委員問題與建議 159

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