近年來，為了延長結構的使用壽命及保護結構免於遭受下次災害的破壞，結構健康監測越來越受工程界重視。層間位移量與層間位移比在建築結構損壞中，為重要評估基準。一般來說，對於長期監測與成本考量下進行監控，感測器首選為加速度計。進而延伸出使用加速度計量測值，進行積分分析，分析結果為層間位移量與層間位移比，與實際位移計量測值做為比較。本研究在國家地震中心進行共兩組結構試驗與實驗驗證，模擬試驗來評估力平衡式地震儀的可靠性。

國家地震工程研究中心台南實驗室在2017年8月以一座一樓挑高且具非韌性配筋柱構件之三層樓RC試體構架，進行一系列的構件實驗及振動台試驗，邀請國內結構設計單位及專家學者共同針對此一RC試體構架進行分析模擬，其中針對如何使用適切的分析元素與模型以有效模擬其勁度、強度、破壞模式及非線性行為設定方式等詳加研討，希望可促進既有RC建物耐震評估程序及補強工法的研發與精進，並就建築物及相關構件行為之分析模擬技術與實務需求進行研討交流，期望能提供研討成果及技術給工程界參考，期以提昇國內結構設計與分析技術之水準。

地震災害時常造成相當嚴重之損傷，不論是人員傷亡或是建築財產損失，科學家們也一直致力於研究地震災害，試圖開發一個即時且準確之地震預警，然而礙於其困難度，目前尚未提出一個相當可靠的方法，本研究也為了能夠降低地震帶來之巨大災害，致力於開發可靠之地震預警系統，而為了因應現在高樓林立之趨勢，本研究試圖預測各樓層於地震反應下所造成之最大樓層加速度。支持向量迴歸為支持向量機所提供之一種方法，是機器學習的一種，能夠將各樣本之多筆輸入參數投影至更高維度進行迴歸，讓原先無法分類迴歸之資料於高維度空間中得以進行適當地分類迴歸。本研究自中央氣象局地震測報中心以及國家地震研究中心於中科管理局暨工商大樓所設置之加速度監測系統取得大量之地震事件資料，選取六項地震初達波特徵並加上結構週期以及樓層高度等八個參數，採用支持向量迴歸法並以上述八個參數作為輸入，利用充足之訓練樣本進行迴歸並建構一通用型訓練模型，並且利用適量之測試樣本代入上述之訓練模型進行測試，驗證本研究之準確度。而本研究為了提供更為廣泛之應用，試圖引入縮尺模型進行振動台試驗，增加特定結構物之訓練樣本進行訓練迴歸，建構客製化支持向量迴歸模型，提供具特殊需求之結構使用。

經由提出改用時間延滯參數為縱座標的改良式穩定圖與建立三階段的篩分程序，本研究團隊最近發展出一套足以精準識別結構各振態頻率、阻尼比與振形的隨機子空間識別機制。本研究乃根據這個新開發隨機子空間識別法於土木結構應用的基礎，針對典型辦公大樓結構建立一套迅速有效的結構健康診斷及損傷偵測工具。我們首先從中科管理局及工商大樓的微振訊號精確決定?各個振態之頻率、阻尼比與振形向量，然後根據長期量測進行各項振態參數的變化趨勢探討，從而詳細評估各項環境因素的影響。透過2016年1月至2017年9月的長期隨機子空間識別分析，本研究取頂樓加速度量測的標準差來代表結構之均方根反應，結果發現其正是影響各振態參數的最直接環境因素，與各振態頻率極密切負相關，並和各振態阻尼比高度正相關。推測乃因較大的振動反應造成邊界或構件間之接觸條件趨向鬆散，從而令各振態頻率變小且阻尼比提高。綜合共21個月的完整觀察，中科管理局大樓與工商大樓各自目標振態頻率的變化百分比都達12%左右。接著針對此目標振態頻率統計其與平均加速度反應的關係，從而擬合出最佳化的指數函數，並據以排除環境因素的影響。後續則利用濾除環境效應後之振態頻率長期變化，取其單日移動平均與移動標準差，經由統計分析發展出兩項損傷指標來建立敏感的樓房損傷偵測機制。接著透過廣泛數值驗證，本研究所發展之樓房損傷指標可以有效偵測使目標振態頻率降低不小於1.5%的損傷。最後經由建立有限元素模型並配合側推分析模擬兩棟大樓在不同地震力作用下實際可能達到之損傷，據以推估所建立方法所能達到的可能實際損傷偵測效能。

強震即時警報主要目的為能在強震波來臨前，準確於當地提出警報，以避免人員的傷亡與財產的損失，同時避免因為過度預測的誤報，所造成社會成本的損失。因此，準確的分辨該次地震是否會對於人員傷亡與財產損失，為強震即時警報技術研發的首要目標。然而，實際上造成傷亡與損失的，並不是地震本身，主要為地震導致結構物破壞(例如建築物倒塌、橋梁斷裂、交通運輸脫軌、水壩潰提等，為主要的傷亡來源)、結構物附屬設施掉落或損壞(例如天花板掉落、儲存櫃倒塌砸傷人員、瓦斯管線斷裂造成火災等)、重要設備物的損傷或功能性喪失(例如重要歷史文物受損、高科技面板廠房Stocker內產品破裂、高科技晶圓廠房爐管內產品破裂、高科技廠房內Scanner當機導致無預警長期停工等)等等。考慮結構型態的不同所呈現的結構特性亦不同，且各類結構物的受震後反應皆不同，較難以用統一方式概括。本研究擬結合人工智慧與結構動力特性分析技術，發展結構受震反應快速評估技術，期能助於估計對於各類結構物、附屬設施及設備物的可能損害程度，以及所引致的人員損傷程度，更為準確的分辨來臨之地震是否可能造成傷亡與損失，期能藉由自動化控制的輔助，獲得更佳的警報效果。本研究擬採用初達P波前三秒內資訊，配合人工智慧技術建立類神經模型，並推估即將來臨之地震訊號在頻譜振幅與頻譜相位中的含量，進而推估地表地震訊號。將所得地表訊號結合目標結構物各樓層之轉換函數，即可大致推估出各樓層的最大受震加速度反應。最後，利用雙塔試驗模型、中科管理局大樓及兩棟建築物等案例探討此研究在實務上所能達到的成果。試驗結果顯示，本研究所提出之方法大致上皆可有效預測的最大樓板反應。其中，在實驗室之雙塔試驗模型，以及兩棟建築物的案例，其預測結果較為準確；相對的，在中科管理局大樓案例預測結果較為不準確，且不論是使用量測訊號所得之轉換函數，或是有限元素模型所得之轉換函數，結果均較為不準確，其原因可能為該結構系統較為複雜所導致。最後，目前本研究所探討的案例仍不足，未來應增加案例，並探討應用於各種不同形式結構物之可行性。

本研究依據前人的研究成果，基於隨機子空間識別法（SSI）發展出一套唯輸出系統識別方法（Output-Only System Identification）應用於結構健康診斷（SHM）當中。以協方差型隨機子空間識別法（SSI-COV）做為識別方法的基礎，引入多個穩定標準（criteria）去除穩態圖（stabilization diagram）中不穩定的系統極點，並運用奇異值決定系統階數的選取範圍。如此一來，便可以增加識別結果的穩定性並減少由操作者主觀意識的不同而產生的誤差。此外，結合精緻頻域分解法（rFDD）區分結構模態與諧波（harmonic）。協方差型隨機子空間識別法由前述過程去除虛假模態與諧波模態後，即可獲得準確且穩定的模態參數。最後，再利用識別出來的模態參數建立柔度矩陣來偵測損壞位置。另外，再結合奇異譜分析法（SSA）與隨機遞減法（RDM）提出一種阻尼比的識別方式。本研究使用振動台試驗的試體（八層樓鋼構架）以及兩個實際結構（中保雲端數據中心大樓、關渡大橋）來進行驗證，由分析結果顯示，本文提出之方法能夠有效的識別出結構的模態參數並成功偵測損傷位置。

地震模擬振動台被廣泛使用於重現地震歷時，由一支或數支油壓伺服致動器、一座剛性測試平台、數組油壓動力泵、一組數位控制器，以及相關之量測儀器與訊號線等所組成。藉由油壓伺服致動器推動剛性測試平台，可將地震加速度歷時傳至錨定於剛性測試平台上的試體，並經由安裝的量測儀器即時集錄結構物的動力反應。然而傳統的比例-積分-微分控制難以完美重現目標加速度歷時，因此提升振動台之加速度性能有其必要性及發展性。本研究首先識別包含試體之振動台測試系統動力反應之模型，根據此模型設計前饋及回饋控制器，最後分別從時域及頻率域分析控制器對地震模擬振動台加速度性能提升之結果。

臺灣屬於環太平洋地震帶的一部分，每年皆發生許多地震。近年來政府雖在強化地震觀測與紀錄上投入很多心力，但僅觀測地震發生對於降低地震災害並無實質幫助。如何能在地震來臨前進行先期預警，橋梁、建築即時管制，人員快速的防災因應才是重點。 本計畫綜合國家地震中心於地震特徵分析與預測等相關領域的研究，發展現地型地震預警技術。其運用現地測站實時偵測地震前導波起始點，再將地震前導波特徵參數帶入所開發的地震預測技術中推估地震最大地表加速度，以進行地震預警；另本團隊在研發中考量近、遠域地震不同之特性，引入區域型地震預警技術，結合現地型與區域型預警技術之優點形成地震預警系統，提供全方位之即時地震防護。 本地震預警系統在研究團隊的推動下，民國一○二年底為止已在臺灣本島建置十座預警示範站，示範站中包含前端之地震預警系統與後端之地震警報系統，並對示範站使用者進行防災教育指導。此舉除了進行系統長期現地驗證測試外，也透過實際運作及演練，提供該測站使用者即時地震防護與相應之防災意識。各示範站運作背景下所蒐集之預警訊息則被統整為地震預警系統振動偵測事件資料庫，此資料庫將可作為各種地震預警技術的發展與驗證之用。藉由年度檢視資料庫中各測站之運作狀態，研究團隊可從各式參數中統計運作成效以為精進之參酌，將可在下次地震來臨時提供更準確之預測結果，也可成為研發區域最佳化地震預測技術之重要基石。

近年來，地震與洪水所造成之複合式害，嚴重影響台灣橋梁的安 全。既有橋梁之耐震與耐洪能力，由於尺度與地質條件關係，研究人 員甚難於實驗室中以縮尺實驗方式忠實呈現，據以檢核其安全性。 2010 年10 月恰逢交通部公路總局於宜蘭縣大同鄉啟用新牛鬥橋，舊 牛鬥橋預定拆除，國家地震工程研究中心獲悉舊牛鬥橋可作為現地橋 梁工程研究的機會，經評估結構系統與實驗技術可行性，遂向公路總 局、經濟部第一河川局、宜蘭縣政府等主管機關提送實驗計畫並獲準 同意，另獲得國家實驗研究院研究經費支援，使本次現地橋梁耐震性 能實驗得以圓滿完成。本計畫主要包括：(1)P3 橋墩標竿試體耐震實 驗、(2)P4 橋墩基礎沖刷裸露耐震實驗、(3)P2 橋墩設計地震擬動態實 驗、（4）P5 橋墩沉箱測推實驗、（5）現地大地試驗等。本實驗於2010 年9 月初開始規劃，至2010 年12 月19 日完成，執行期間本中心與 台灣大學、成功大學、交通大學、中央大學、台北科技大學、雲林科 技大學、朝陽科技大學等10 多位教授和20 餘名研究生共同合作，實 驗成果預計對橋梁的土壤結構互制行為、橋梁基礎沖刷裸露後之耐震 能力、地震與基礎掏空的複合機制、光學監測在橋梁之應用，將可提 供更多的實驗資料與橋梁分析模式，有助於檢討橋梁受多重災害之耐 震與耐洪行為，提供未來橋梁耐震設計規範、耐震評估補強準則修訂 之參考。

地震對台灣的影響很大，近年政府為了強化地震的觀測與紀錄，協同中央氣象局、地震測報中心與中央研究院建立全台的地震觀測網，積極觀測、記錄與研究台灣所發生的地震。但是單純觀測地震的發生對降低地震災害並沒有多大的實質幫助，所以地震的即時預報、快速推估與警戒對於台灣而言是非常重要的課題。 國家地震工程研究中心自民國79年創立以來，一直致力於地震災損評估、建物耐震設計、橋梁減震分析…等相關領域之研究。地震即時警報系統希望運用近端測站所紀錄之短時P波資料和即時預報技術，並藉由國家地震工程研究中心歷年發展之結構物受震反應快速推估技術，在地震來襲時對地震影響範圍內的群眾提供預警，且預報可能受到損傷的建物，讓地震影響範圍內之居民能透過地震即時警報系統採取正確的應變措施以有效的減少傷亡、降低災害。 然而，如何推估大型結構物遭受地震後之反應一直以來都是工程師最關切的問題。地震為偶發性事件，歷時短而形式上無常理可尋且無法預測，因此準確的推估結構物受震反應是非常具挑戰性的目標。因此地震即時警報系統為了發展結構物受震反應快速推估技術，必須建立地震相關資料與結構物受震反應相關資料之資料庫，此資料庫可以提供各種快速反應分析方法的發展與驗證。結構物受震反應資料庫整合了歷年台灣的地震資料及特定結構物受震反應資料，因為真實結構物受震反應資料稀少，結構物受震反應資料庫更結合目標結構物的有限元素模型和依據此模型產生的大量結構物受震反應資料。此資料庫搭配各種快速反應分析方法，預料能在地震發生時快速且準確的推估結構物受震反應。

結構物系統識別與破壞識別為土木工程領域中日趨重要之研究方向。本計畫的目的即是提供致力於研究結構物系統識別與破壞識別方法之研究者一個良好的實驗範例。本試驗之試體為六座相同之一層樓兩跨之鋼筋混凝土構架。地震力選用921集集大地震(TCU082NS)，將不同強度之地震力經由振動台作用於不同試體中，各試體將得到不同程度之破壞。在每個試體的振動台試驗結束之後，再對試體進行循環載重試驗，以期獲得更多結構物破壞的資訊。另外，微震試驗也包含於本計畫中。對於結構物系統識別與破壞識別方法之相關研究者而言，本試驗提供了一個良好的範例。

台灣地區位於亞太平洋地震帶上，介於歐亞大陸板塊與菲律賓板塊之交界處，因板塊運動而致使地震發生頻繁，據1901-2006年由中央氣象局統計的地震資料顯示，有97次的地震災害形成財產損失，有52次的地震災害導致人員傷亡，而1999年所發生的921集集大地震更對社會經濟、人民生命安全造成極大的傷亡，然以現今的科學技術而言，地震仍無法進行事前預估而先行避難，需藉由地震觀測網和歷史地震資料與當地的地質條件判定可能存在的危險區以先行規劃地震災害避難措施。 中央氣象局有鑑於台灣因其獨特之地理位置易受地震災害侵擾，於全台廣佈測站監測地震活動，理論上可透過地震之P波與S波的速度差先行規劃地震災害避難措施而減少災害損失並提高人民之生存率，但傳統的地震監測技術需透過地震觀測網之數個測站觀測資料聯合運算以得出地震震源位置、地震規模等相關數據，然此機制後端之運算主機需接收各測站的監測數據經彙整分析後方可得上述參數，對於離震央30公里內者無法提供事前預警，故國家地震工程研究中心將發展強震預警系統以彌補此塊缺失。 強震預警系統將以體波震源參數法(方案：I-A)、類神經網路分析-地震參數推估(方案：I-B)、結構物受震反應公式推演(方案：II-A)、利用境況模擬技術預估結構物反應(方案：II-B)以及類神經網路分析-結構物受震反應(方案：II-C)等五種研究方式依照其各自之研發時間需求而進行相關政策推廣，在物理模型方面，研究者以體波震源參數分析法結合程式開發整合至地震觀測測站運算核心，令測站能於收到P波資料之3秒內推估後續S波之主要頻率、地震規模與震度，並交由後續之結構物受震反應分析模組推算警戒區域內之建物安全性以決定相應之避難行動，又地震與結構物間本身為高度非線性相關，本計畫將以人工智慧中的類神經網路分析模式進行地震參數推估與結構物受震反應計算之研究，希能透過這些研究方法提高近震央端之地震預警可行性，進而保障人民生命財產安全，達到減災防治之成效。

系統識別乃是從結構量測而得之輸出入資料中，利用數學模型鑑定結構系統特性及推算結構力學模型。本文之目的在於將各種系統識別方法中所需求得之未知參數作有系統性的規劃，使不同的使用者都能有一套詳細的流程及定義可以參考。在此我們介紹三種識別方法，分別是信息矩陣之系統實現理論 (System Realization using Information Matrix ，SRIM) 、隨機次空間運算法(Stochastic Subspace Identification method ，SSI)以及使用ARX模型之遞迴最小平方法(Recursive Least Squares ，RLS)，分別根據各方法中的參數作一完整的選取準則，同時以模態物理參數(自然頻率、阻尼比及模態振型)作為各方法間比較的依據。 為了驗證本文提出識別步驟之可行性及有效性，首先我們選擇一模擬之三層樓結構來作為測試及說明。同時也將此技術應用至各種振動台之實驗以及真實結構物-中央百世大樓均能有良好之識別結果

由於台灣位處地震帶，除卻零星的小地震之外，較大的災害如331、921 等大地震。這類自然的災難對於重要的非結構性設備，包含醫院中的救命維生設備、斷路器、電算機、高技術檢測儀表等敏感的儀器而言，皆是甚大的影響。而這些設備物的損壞也將在經濟上造成嚴重以及不可彌補的損失。基於上述的理由，而發展出新一代的控制理論和策略，並為這些非結構性設備提供所需要的隔震能力。本文的目標在研究隔震系統對於半主動控制和被動控制在地震作用下的成效。在實際試驗之前先透過數值模擬來評估所使用的控制法則之適用性，使用的數值範例有：(1) 3-story steel frame with equipment on 1st floor (2) Seismic Response control of Bridge-Girder System。接著在國家地震中心建構一棟三層樓鋼結構的試驗體，其設備層設置於一樓樓板之上，並且在樓板和設備層放置磁流變阻尼器和滑移滾動鐘擺隔震系統，然後在振動台上實際試驗。試驗中使用的半主動控制理論有Decentralized Sliding Mode Control (DSMC)和LQR control。而被動控制(Passive on 和Passive off)將在後續的實驗分析中當作一個參考的依據。 最後，利用可靠性分析來發展機率式地震需求曲線(Probabilistic Seismic Demand Curves)，在此分析分為兩個部分來進行，首先是機率地震危害度分析，其次再針對所使用的控制系統進行模擬評估，若以研究中所做的控制試驗為例，則可決定設備層最大加速度反應的超越機率。

本文旨在研究房屋結構加裝半主動控制元件之減振成效，針對三層樓質量偏心結構物配合兩組磁流變減振器(MR damper)進行扭轉控制(Torsion Control)震動台實驗。 利用集中式與分散式控制理念操控磁流變減振器之輸出控制力，配合有線量測系統進行半主動控制實驗。集中式控制是以全部量測反應回饋計算控制力；分散式控制是以局部量測反應回饋推估控制力進而達到結構控制效益。配合 -LQG、 -LQG的控制理論，針對下列四種不同控制方式進行研究：(a) centralized control、(b) decentralized control、(c) centralized control、(d) decentralized control，運用有限的加速度量測做為系統之回饋訊號，比較其控制效果。 由於科技的進步，感應器的研發，使得控制方式不再僅是以電纜線作為傳輸的有線控制系統；而是可用電波傳輸資料的無線控制系統。因此也應用 集中式控制理論、配合無線感應器(wireless sensors)量測技術、結合MR-阻尼器進行扭轉控制實驗，進而討論有線與無線控制之差異，驗證無線控制系統之可行性。

本整合型計劃進行結構健康診斷及控制相關之研究。此整合型計劃包含十五個子計劃，其中五個計畫在本中心進行。此整合型計劃主要目標在建置一標稱結構體提供各子計劃進行有關結構健康診斷及控制在振動臺上之試驗研究及驗證。在結構系統識研究上則配合振動臺上之結構體反應資料，進行損壞識別模組之程式建立及驗證。有關系統之識別則?重整體及局部結構之損壞程度識別。而在結構控制研究中則?重在兩個方向:控制元件研發及控制效果之探討。同時於此計劃中將設法建立結構控制之設計準則。經由此整合型計劃，各子計劃之研究均採用相同之結構試體，並經由振動臺試驗進行相關研究，在成果之整合及比較更具有實用性。 研究重點包括：1.結構實驗相關之試體製作(Benchmark Model)。2.Benchmark Model 之數值模擬分析。3.Benchmark Model之線性反應下之振動臺實驗。4.建置標竿結構震動台實驗資料庫。

本報告的內容在於研究具有可調節性的磁流變致震器（magneto-rheological (MR) damper），在強震作用下控制結構震動的能力，其中包含了完整的數值分析與實驗驗證。國家地震工程研究中心針對一小型的磁流變致震器進行了一連串的功能測試，並運用其測試結果找出一適當的數值模型。本研究使用改良式文式模型（modified Bouc-Wen model）來代表此磁流變致震器的數值模型，經由線上識別理論（On-line identification）與功能測試的一連串的實驗資料可以識別出改良式文式模型中的系統參數。藉由實驗與理論分析結果的驗證分析，此改良式文式模型可以準確地描述此磁流變致震器在各種狀態下的非線性行為。接下來，國家地震工程研究中心運用一全尺寸的一層樓鋼骨建築構架配合一對磁流變致震器來測試其控制效果。本研究使用” NEFCON”（ 類神經網路模糊控制程式）來設計半主動控制器，由一連串震動台測試的結果可以發現，此半主動控制磁流變致震器可以在強震下有效地減低結構物的震動（不論是位移反應抑或是加速度反應）。本研究證實了此半主動控制系統具有低能源需求、直接輸出回饋、高可靠性與故障安全性機制。因此運用一個或是多個磁流變致震器所組成的半主動控制系統，可以在各種外力作用下有效與可靠地減低結構物的震動。

根據北嶺地震、阪神地震，以及國內嘉義瑞里地震、最近的921集集大地震等電力系統的損壞統計資料，可知變壓器 (transformers) 屬於比較昂貴、容易因地震損壞的電力設備，其中又以陶瓷套館部份最屬脆弱。若能事先研擬採用適當的隔、減震元件，降低變壓器及其套管的受震反應，則對於降低電力系統所受震害的威脅來說，應具有相當之裨益。 本研究係進行變壓器 (25噸之模型)及其套管之隔減震試驗，所採用隔震元件為：(1) 日本石橋公司 (Bridgestone Co.， Japan) 之隔震系統，稱為BS隔震系統；(2)美國EPS公司 (Earthquake Protection Systems， Inc.， U.S.) 之摩擦單擺系統 (friction pendulum system， 簡稱FPS隔震系統)。由試驗結果得知所考慮兩種隔震系統的隔減震成效已完全得到試驗的驗證：整體而言，不論是套管、變壓器的加速度，或是變壓器基底剪力等，在經過兩種隔震系統的隔減震後，其峰值都可以降低到一半左右，甚或更小。 在理論分析部分，本研究引入雙線性模型 (bi-linear model) 與 Wen 模型 (Wen model) 做為兩種隔震元件之數學模型，且分別以簡單體法 (Simplex method) 與卡氏濾波 (Kalman filter) 的方式進行隔震元件參數的識別；此外，也以ARX模型 (ARX model) 的方法進行陶瓷套管之系統識別工作。大抵而言，這兩種隔震元件數學模式均可有效模擬隔震後之系統反應。不論變壓器位移、變壓器基底剪力之歷時反應，以及隔震系統的遲滯迴圈，均顯示數值模擬與試驗結果間良好的一致性。經由數值模擬方式之建立，未來進行變壓器-套管系統的隔震設計時，將不再需要進行昂貴且費時的試驗工作，而能直接以計算的方法得知隔震元件所能發揮的效果並作為設計依據。