NCREE-2022-004 |
智慧型奈米阻尼器開發
被動型奈米阻尼器具有雙指數之力學特性,於小速度下阻尼器出力與速度呈α>1之關係,而於一般運作速度下則呈現α<1之關係。應用於橋梁,可以降低平時溫差或行車作用下阻尼器之內壓與油封之磨耗,大幅提升阻尼器之耐久性。應用於隔震結構,可使隔震系統於小地震下充分發揮隔震效果,且不影響大地震下的消能行為。奈米阻尼器物理機構簡單,相較於傳統液態黏性阻尼器製作成本低廉,可因應結構設計需求直接進行製造,而非市面上必須配合傳統黏性阻尼器產品型號進行結構設計,因此更進一步提高了結構控制之精度。同時奈米阻尼器不須透過內部加壓的方式進行力學行為調整,因此於常時靜止狀態下,不會有額外力量作用於阻尼器油封,可大幅提升油封壽命。另一方面,奈米阻尼器安裝於結構物上時,可以直接更換內部奈米流體,以達到即時改變阻尼器的力學行為之目的。
奈米流體阻尼器之研發共可分為三大部分:第一為奈米流體流變特性之研究,其中包含奈米流體的配製、以及流體流變特性之試驗,並且將奈米流體的黏度曲線,回歸成三組Cross Model組合之數學模型,進一部透過參數分析建立公式化的奈米流體流變資料庫。第二部分藉由實尺寸奈米流體阻尼器之性能試驗,驗證添加奈米材料的阻尼器具有雙指數力學曲線特性,並透過溫控試驗建立奈米阻尼器的溫度修正公式。最後參考歐盟規範,驗證奈米流體阻尼器符合其消能元件中STU (Shock Transmitted Unit)之性能規定,並且透過實際橋梁試驗之量測資料,驗證阻尼器於橋梁車行振動下,相較於傳統黏性阻尼器,具備有極低出力以及累積阻尼能。
研究結果顯示:(1)奈米流體的初始黏度大於相應的純PPG流體的黏度;(2)初始黏度與PPG聚合物鏈長和流體濃度成正比;(3)剪切增稠作用,凝團效應和最大黏度皆與流體濃度成正比;(4)隨著溫度的上升,各剪應變率所對應的黏度隨之下降,相對極小及極大黏度所對應的剪應變率也隨溫度增加而變大;(5)奈米流體阻尼器遲滯迴圈的大小與測試頻率及最大速度成正比,溫度修正後奈米流體阻尼器的出力曲線及出力方程式均顯示具有雙指數之力學特性。
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NCREE-2022-001 |
雙軸向動態試驗系統之基本參數研究與探討
2017年國家地震工程研究中心於臺南實驗室完成規劃與建置一雙軸向動態試驗系統(Bi-Axial dynamic Testing System,BATS),其為目前全球少數具備動態試驗能力之先進大型壓剪試驗機,有助於國內外隔震技術之研發,以及隔震支承實體與性能之測試。因此,對於雙軸向動態試驗系統未來為能持續滿足學研界於隔減震技術之研發與創新,以及提供工程界與公部門的測試服務與規範研修,首要之任務,國家地震工程研究中心必須在此之前,須針對其動態特性與基本參數,如等效質量與系統平均摩擦係數有更為清楚之瞭解與掌握,才可透過試驗系統執行動態試驗,以獲得隔震元件確切的動態行為,進而發展新式之隔震技術與開發先進試驗技術,以及協助國內隔震元件相關測試,免於運至國外試驗室進行驗證,有效降低國內隔震結構興建成本與工時,並確保其品質無虞。
故本研究規劃與執行一系列不同水平速度與位移振幅的三角波循環載重試驗與不同振動頻率與位移振幅的正弦波循環載重試驗,以識別其系統等效質量與系統平均摩擦係數,進而計算系統慣性力與摩擦力。主要研究內容分為三階段:(1)第一階段為在未安裝隔震支承下,針對試驗系統分別進行一系列的三角波與正弦波之反覆循環試驗,其目的為求得試驗系統之載重平台於垂直向空載下,對應不同水平速度之系統平均摩擦係數與其等效質量,(2)第二階段為針對試驗系統執行隔震支承試驗條件下,在載重平台安裝平面滑動摩擦隔震支承後,於施加垂直軸向荷載下,分別進行三角波與正弦波之循環載重試驗,進而依簡單線性迴歸分析求得試驗系統之系統平均摩擦係數,(3)執行足尺寸隔震支承之動態試驗,根據試驗數據與理論值之分析探討,探討本研究所獲得之BATS試驗系統等效質量與系統摩擦係數之合理性與適用性。
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NCREE-2020-006 |
救災用模組化桁架式複合材料輕便橋技術開發(I)
颱風洪水地震常造成橋梁損毀,2009年莫拉克颱風造成100餘座橋梁被土石流沖毀,造成山區住宅被孤立,導致緊急救災不易與人員物資難以運送。為能在緊急災變發生時提供快速救援,需開發救災用輕便橋及施工技術,提供短時間內容易組裝的簡便橋梁,作為緊急疏散及運送救災物資用。
本計畫目標為:(1)完成可承載5噸、適用跨度10~50米、橋面寬3米之模組化救災用便橋,提出安全可行之組裝與架設方法,以提升救災人員於高致災風險環境之作業效能。(2)完成救災用便橋之模組化設計技術與快速組裝技術。透過本計畫將可縮短救災用橋梁之架設時間及提高災害搶救人員於架設橋梁時之安全性。並與產業上中下游廠商合作研究,研發成果能積極落實應用,在天災來臨時能縮短道路搶通及人員救援時間,降低人命傷亡與財產損失。
研究結果顯示:(1)桁架式複合材料節塊組合橋可以提高50米跨度救災便橋的勁度,滿足撓度與跨度比的要求;(2)橋梁快速組裝技術對提高工人安全,縮短救災便橋組裝時間有重要貢獻;(3)橋梁節塊推進工法的施工效率高於懸臂吊裝工法;(4)橋梁節塊推進工法可以避免工人在河面上施工,應該更為安全。
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NCREE-2019-009 |
醫院消防撒水系統耐震性能補強評估方法研究
近年來由於性能設計理念蓬勃發展,建築結構之耐震能力獲得提升,地震造成之主要災害以及經濟損失已從結構轉為非結構系統。
醫院非結構設備中之消防撒水系統於中小型地震中,若於某處發生漏水,或天花板經撒水頭碰撞發生粉塵掉落、擴孔等災情,甚至於大震中,撒水系統支撐處失去抗震能力,可能造成醫院中斷正常醫療機能,且無法阻止淹水、火災等二次災害。因此,消防撒水系統需要以性能設計法進行耐震評估,若耐震容量不足則必須進行補強。
為了評估國內醫院建築之消防撒水系統是否具備足夠耐震能力,本研究修正葉昶辰[29]提出之消防撒水系統耐震詳細評估(方法A)以及適合工程師應用之簡化評估流程(方法C),並參考NFPA13[5]補強之建議,提出四種補強方案。以案例醫院為例,針對消防管線系統耐震性能表現建立易損性曲線,探討不同地震歷時之結果與適用性,並比較管線系統補強前與補強後之差異。研究內容簡述如下:
1.消防管線性能設計方法:本研究參考FEMA P58[1]性能設計概念,考量案例醫院結構在沒有發生倒塌,且可修復的前提下,進而探討結構物附屬之非結構系統(消防管線等設備物)易損性。
2.樓版歷時之類別:為利用AC156規範建議之需求反應譜擬合樓版歷時。
3.案例醫院消防管線系統詳細分析:利用數值軟體SAP2000建立案例醫院頂樓處之消防撒水系統,本研究之案例醫院模型共有四種,分別為原始配置、補強之三種方案配置,並模擬管線與天花板或隔間牆之間、螺紋接頭以及吊桿之非線性行為,透過增量動力分析而得樓層消防管線系統易損性(方法A),並比較各樓版歷時對各性能點之影響。
4. 案例醫院消防管線系統簡化評估:依醫院消防管線系統特性,提出適合工程師手算評估之簡化評估方法(方法C)。分別比較補強前與補強後方法A與方法C求得之消防管線耐震能力結果,提出之簡化方法相較於詳細評估法更適用於一般工程師,預期更有效率獲得保守之評估結果。
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NCREE-2019-008 |
醫院消防撒水系統耐震性能評估方法研究
近年來由於性能設計理念蓬勃發展,建築結構之耐震能力獲得提升,地震造成之主要災害以及經濟損失已從結構轉為非結構系統。
醫院非結構設備中之消防撒水系統於中小型地震中,若於某處發生漏水,或天花板經撒水頭碰撞發生粉塵掉落、擴孔等災情,甚至於大震中,撒水系統支撐處失去抗震能力,可能造成醫院中斷正常醫療機能,且無法阻止淹水、火災等二次災害。因此,消防撒水系統需要以性能設計法進行耐震評估,若耐震容量不足則必須進行補強。
為了評估國內醫院建築之消防撒水系統是否具備足夠耐震能力,本研究修正葉昶辰[29]提出之消防撒水系統耐震詳細評估(方法A)。以案例醫院為例,針對消防管線系統耐震性能表現建立易損性曲線,探討不同地震歷時之結果與適用性。研究內容簡述如下:
1.消防管線性能設計方法:本研究參考FEMA P58[1]性能設計概念,考量案例醫院結構在沒有發生倒塌,且可修復的前提下,進而探討結構物附屬之非結構系統(消防管線等設備物)易損性。
2.樓版歷時之類別:本研究樓板歷時分為兩類,一為利用數值軟體MIDAS建立之案例醫院結構數值模型而得非線性結構反應,其又分為遠域地震與近域地震之樓板反應;二為利用AC156規範建議之需求反應譜擬合樓版歷時。比較兩者樓板歷時之差異。
3.案例醫院消防管線系統詳細分析:利用數值軟體SAP2000建立案例醫院頂樓處之消防撒水系統,並模擬管線與天花板或隔間牆之間、螺紋接頭以及吊桿之非線性行為,透過增量動力分析而得樓層消防管線系統易損性(方法A),並比較各樓版歷時對各性能點之影響。
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NCREE-2019-007 |
救災型輕便橋自動化組裝系統與創新商業模式之開發
颱風洪水或地震常造成橋梁的損毀,如2009年發生的莫拉克颱風造成全國100餘座橋梁被土石流沖斷,造成山區住宅社區被孤立,導致緊急救災不易與人員物資難以運送。為能在緊急災變發生時提供快速救援,因此需要開發出救災型輕便橋梁及施工技術,針對在施工機具數量有限且無法進入需要支援之區域時,提供一種可在短時間內完成組裝的簡易便利橋梁,以作為緊急疏散災民及運送救災物資之用。
本期應用科技方案之計畫目標為:(1)完成可承載5噸、跨度20米、橋面寬3米救災用便橋之自動化組裝工項分析,提出可進行自動化之方法(如快速接頭、組裝自動化等),以縮短組裝時間。(2)完成救災用便橋創新商業模式之開發,連結國內企業、國內機構及防災管理單位之災害防救可行運作模式。以期達成在緊急災變發生時,能以最快方式建造救災用輕便橋梁,提供人員及汽機車通行,疏散災民及運送糧食物資,有效掌握黃金救援時刻。
救災型輕便橋自動化組裝系統開發部份,已完成輕便橋節塊快速組裝接頭的設計,並利用虛擬與縮小尺寸模型進行組裝驗證,有限元素法進行力學行為測試,下個階段將是安裝此計畫設計之接頭於橋樑節塊上,並進行吊裝組裝測試,並製造一組全尺寸接頭進行力學試驗,比較試驗結果與模擬結果之差異。救災型輕便橋創新商業模式研究部份,透過商業模式工作坊,已勾勒出輕便橋之商業模式,然而一個好的商業模式應該是可以被驗證及檢視的,因此商業模式藍圖又稱九宮格,每一格背後其實都需要被更多資訊或數據來被佐證這樣的發展途徑及內容是具備可行性的,因此在描繪完第一版商業模式藍圖後並不代表定稿,而是一個初步雛型,需要不斷內部檢視以及蒐集更多的市場資料來驗證,不斷的修正以完備理想的商業模式,而更重要是要讓商業模式符合需求與策略目標。
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NCREE-2018-026 |
濁水溪西濱大橋颱洪事件高科技監測研究
因應台灣民眾與政府於高科技防災救災的需求,國研院國家地震工程研究中心執行科技部之「智慧型雲端監測預警技術研發計畫子項二之複合式流域防災監測預警技術研發」,於濁水溪台17線西濱大橋的主河道橋墩(即計畫之標的橋墩)處建置了智慧型橋墩沖刷即時監測系統,期透由颱洪期間即時監測流域河川的水情(主要是水位、流速)變化、橋墩沖刷深度變化、橋墩結構振動頻率變化,以及橋墩結構數值模型分析,建立一套診斷橋梁健康預警機制,俾利管理單位災害發生前之預防並採取極積防災救災措施,提供相關橋梁權責管理單位應變參考,此為自然災害防治的重要研究課題之一。本報告詳述該高科技監測系統的建置、應用於濁水溪西濱大橋的監測之實物經驗,以及結合颱洪事件監測數據的相關研究成果。
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NCREE-2017-019 |
靜態側向反覆荷載下單柱式橋墩與群樁裸露基礎之研究
本研究探討單柱式橋墩與群樁基礎模型受沖刷導致基礎裸露後,在反覆側推試驗下的結構行為、破壞機制、群樁效應與樁土互制之變化。試驗使用大型雙軸向剪力試驗盒、結構模型試體以及砂土試體。結構模型試體之上部結構為單柱式橋墩,由120 mm×120 mm×20 mm的千斤頂接合面,直徑40 mm、高度200 mm之實心鋼棒,搭配150 mm×150 mm×15 mm鋼製基礎板所構成。下部結構則為群樁基礎試體,由200 mm×200 mm×15 mm鋁製底部轉接板以及150 mm×150 mm×30 mm 鋁製基礎板,搭配d25 mm×8.25 mm ×800 mm之2×2群樁所組成。試驗規劃分為純結構模型與基礎沖刷模型,純結構模型者是將純結構試體固定於剪力試驗盒內,在沒有砂土的情況下進行試驗;基礎沖刷模型者同樣將試體固定於剪力試驗盒內,並以裸露深度0倍、3倍、6倍的基樁直徑作為沖刷深度之分組,以探討基礎於不同裸露深度之下的影響。砂土試體採用相對密度50%之乾性石英砂。試驗過程當中,進行不同位移大小的反覆側推試驗,位移由小到大依序為±1 mm、±5 mm、±10 mm、±15 mm、±20 mm、±30 mm、±40 mm、±50 mm,其中小位移±1 mm ~ ±20 mm進行三次循環,而大位移±30 mm ~ ±50 mm則進行了兩次循環,並於過程當中,記錄結構之位移、角度以及應變之反應,並經由應變計量測數據計算出試驗過程中彎矩與軸向力的變化。
試驗結果,位移的部分:隨著土壤裸露深度越多,基礎板之位移越明顯。角度的部分:側推高程的角度變化與基礎板的角度變化並非一致,表示橋柱並非完全的剛性體,相同位移之下,隨著土壤沖刷深度的增加,旋轉角會隨之下降。應變的部分:觀察到應變大的位置產生在基樁頂部以及基樁底部,也由於應變較大的緣故,應變計容易於試驗過程當中,在該處產生滑移、鬆脫、損壞之現象,使得該位置之應變值較容易出現異常。軸向力的部分:隨著砂土沖刷深度越多,基樁之軸向力會隨之下降。彎矩的部分:純結構模型第一個降伏點產生在基樁底部;基礎沖刷模型第一個降伏點出現在基礎頂部。遲滯迴圈的部分:隨著砂土沖刷深度越多,勁度下降,力量隨之下滑。
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NCREE-2017-006 |
建築消防撒水管線系統耐震性能評估方法研究(I)
近年來由於性能設計理念蓬勃發展,建築結構之耐震能力獲得提升,地震造成之主要災害以及經濟損失已從結構轉為非結構系統。醫院非結構設備中之消防撒水系統於中小型地震中,若於某處發生漏水,或天花板經撒水頭碰撞發生粉塵掉落、擴孔等災情,甚至於大震中,撒水系統支撐處失去抗震能力,可能造成醫院中斷正常醫療機能,且無法阻止淹水、火災等二次災害。因此,消防撒水系統需要以性能設計法進行耐震評估,若耐震容量不足則必須進行補強。本研究參考FEMA P58性能設計概念,考量案例醫院結構在沒有發生倒塌,且可修復的前提下,進而探討結構物附屬之非結構系統(消防管線等設備物)易損性。
本研究以案例醫院為例,檢核管線系統損及天花板、漏水、崩塌等破壞模式等耐震性能表現,透過數值模型分析結果建立詳細評估之易損性曲線,據以提出適合工程師應用之簡化評估方法與流程。研究內容分為兩大部分,第一部分為參照FEMA P58探討非結構耐震性能評估程序、受震需求與易損性分析方法,並以案例醫院消防撒水系統為例,建立其易損性評估所需之樓板反應歷時;第二部分為進行案例醫院消防撒水管線系統之增量動力詳細分析,據以提出管線系統易損性局部詳細分析與簡化評估方法,並以詳細評估而得之易損性,驗證局部詳細分析與簡化方法之準確性。本篇報告「建築消防撒水管線系統耐震性能評估方法研究(I)」概要介紹第一部分之研究內容,第二部分則另於「建築消防撒水管線系統耐震性能評估方法研究(II)」介紹。
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NCREE-2017-007 |
建築消防撒水管線系統耐震性能評估方法研究(II)
近年來由於性能設計理念蓬勃發展,建築結構之耐震能力獲得提升,地震造成之主要災害以及經濟損失已從結構轉為非結構系統。醫院非結構設備中之消防撒水系統於中小型地震中,若於某處發生漏水,或天花板經撒水頭碰撞發生粉塵掉落、擴孔等災情,甚至於大震中,撒水系統支撐處失去抗震能力,可能造成醫院中斷正常醫療機能,且無法阻止淹水、火災等二次災害。因此,消防撒水系統需要以性能設計法進行耐震評估,若耐震容量不足則必須進行補強。本研究參考FEMA P58性能設計概念,考量案例醫院結構在沒有發生倒塌,且可修復的前提下,進而探討結構物附屬之非結構系統(消防管線等設備物)易損性。
本研究以案例醫院為例,檢核管線系統損及天花板、漏水、崩塌等破壞模式等耐震性能表現,透過數值模型分析結果建立詳細評估之易損性曲線,據以提出適合工程師應用之簡化評估方法與流程。研究內容分為兩大部分,第一部分為參照FEMA P58探討非結構耐震性能評估程序、受震需求與易損性分析方法,並以案例醫院消防撒水系統為例,建立其易損性評估所需之樓板反應歷時;第二部分為進行案例醫院消防撒水管線系統之增量動力詳細分析,據以提出管線系統易損性局部詳細分析與簡化評估方法,並以詳細評估而得之易損性,驗證局部詳細分析與簡化方法之準確性。本篇報告「建築消防撒水管線系統耐震性能評估方法研究(II)」概要介紹第二部分之研究內容,第一部分則另於「建築消防撒水管線系統耐震性能評估方法研究(I)」介紹。
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NCREE-2015-009 |
複合材料輕量化便橋技術研發(II)
颱風、洪水及地震已成為我國歷年來最大天然災害威脅,如2009年發生的八八水災造成全國100餘座橋梁被土石流沖斷,造成山區住宅社區被孤立,導致緊急救災不易與人員物資難以運送。為能在緊急災變發生時提供快速救援,以快速方式於短時間內建造便橋供人員及汽機車通行,疏散災民及運送糧食物資,成為國內救災應變工程中關鍵的課題。因此本研究開發一種可快速建構的輕量化、易組裝與可重覆使用之複合材料便橋,針對在工程施工機具數量有限且無法進入需要支援之區域,提供一種以人力及簡單機具即可進行組裝的簡易便利橋梁,作為疏散災民及運送緊急物資之用途,以降低災害造成生命與財產之損失。
本研究運用複合材料之高比強度、比剛性與重量輕等特性,建立複合材料輕便橋分析、設計、製造與快速組裝技術,應用於救災用輕便橋之開發。完成可承載5噸,橋面寬3米,跨度20m複合材料輕便橋之設計、製作、組裝與測試,組裝時間6小時以內。開發完成之救災用複合材料輕量化便橋為一種可快速建構的輕量化、易組裝與可重覆使用之複合材料便橋,能在緊急災變發生時提供快速搶通與救援,以縮短道路搶通及人員救援時間,降低人命傷亡與財產損失。
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NCREE-2014-031 |
地震預警系統民國一○二年度測站建置及運作成果報告
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。
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NCREE-2014-030 |
橋梁用智慧型黏性阻尼器之研究與開發(II)
本文主要研究具高流變特性之剪切稠變流體(Shear Thickening Fluid)填充於環間隙油壓缸管之阻尼器特性及其於橋梁減震之應用。文中說明剪切稠變流體製作、流變試驗、阻尼器元件製造及阻尼器實體性能測試等。
本文首先將基礎二氧化矽奈米顆粒(Silica Powder)與母體載液(Carrier Fluid)進行混合,並製作出具剪切稠變特性之流體。本文所使用之二氧化矽奈米顆粒為Aerosil 200、Aerosil R972及SS5505;母體載液為聚丙烯乙二醇(PPG)及乙二醇(EG)。透過流變儀進行剪切稠變流體流變測試,由試驗結果建立黏滯度( )與剪應變率( )關係。試驗結果得知,剪切稠變流體具有高度非線性行為,隨著剪應變率升高而有黏滯度增高(增稠)再將低(減稀)的特性。此外,剪切增稠效應之起始剪應變率( )及結束剪應變率( )將控制流體的流變特性。
本文第四章將剪切稠變流體填充於環間隙油壓缸管,隨後進行填充剪切稠變流體之阻尼器實體元件性能測試。試驗結果得知,填充剪切稠變流體阻尼器之非線性行為屬於 值小於1之行為,主要原因是剪切稠變流體產生黏滯度剪切稀化效應。填充剪切稠變流體阻尼器之非線性特性及阻尼力大小將與流體之流變特性有關。
本文最後參考97年版公路橋梁耐震設計規範第七章之規定進行減震設計,研究橋梁使用消能元件進行減震補強之減震補強設計方法研究。
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NCREE-2014-016 |
國內外現行隔減震元件試驗規範與準則探討
本研究蒐集彙整美、歐過去及最新隔震支承與速度型消能元件之相關試驗規範與準則,如美國土木工程師學會、美國州公路及運輸協會、歐洲標準委員會與美國加州州政府交通部提出之相關試驗規定與檢核標準,並探討及說明我國目前實體與性能保證試驗之規定、標準與經驗。經由國外相關經驗之回饋,以及考慮於國內相關試驗之適用性與可行性後,本研究將提出隔震支承與速度型消能元件應用於國內建築結構物時,其實體與性能保證試驗規定與檢核標準之相關建議,以供耐震設計規範之具體參考依據。
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NCREE-2014-020 |
向量式有限元應用於含功能性支承橋梁數值模擬分析
本研究旨在提出功能性支承模型,並將此模擬方法應用向量式有限元素法來探討含功能性支承橋梁在地震下之力學行為。在本研究中提出新的功能性支承模擬方式,為功能性支承模型(FUNCTION BEARING MODEL , FBM),藉由此數值模擬,能將支承之相對位移分離成橡膠本身之剪變形,以及支承摩擦滑動量,希望藉由提出之功能性支承模型,能有效判斷支承之滑動量,使未來對於防落長度之判斷能更精準。本研究首先透過SAP2000之靜力分析與動力分析,並與試驗結果比對,證明功能性支承模型之可行性,而分析結果顯示,此模型能將支承之位移,分離成橡膠自身的彈性位移與支承滑動量,確實達到模型開發時之要求。透過VFIFE程式之分析,能更了解含功能性支承橋梁在強震下,支承墊之力學行為,甚至對於橋梁倒塌現象能有進一步之探討。藉由VFIFE程式的數值模擬上,針對含功能性支承橋梁,能將支承墊之位移量分離成橡膠本身之變形,以及支承墊之滑移量,且有效考慮速度對於摩擦係數之影響,使用變動之摩擦係數,使分析結果更貼近現況,甚至透過放大地震歷時,觀察橋梁之倒塌行為。
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NCREE-2014-015 |
考量等效沖刷載重之橋梁可靠度設計方法研究
台灣地理上因板塊擠壓而造成高山林立,河流坡短流急,又因梅雨及颱風等天候影響,年降雨量大,造成雨季時河川流量暴增,因此造成台灣的橋梁沖刷問題非常嚴重。由於台灣西部都市之間交通依賴跨河橋梁聯繫,而跨河橋梁受損也將造成人命及財產的損失。考量現行橋梁設計規範當中,並無法完整考慮橋梁受到沖刷時之安全性,故針對受沖刷橋梁進行研究,以理論方式計算樁基礎橋梁受沖刷後破壞機率,以期將沖刷效應考慮進橋梁設計中。
本研究以文獻中之等效載重概念為主,以不同沖刷深度下之承載力損失量,將沖刷深度轉換為作用於基礎上之等效沖刷作用載重。為了驗證理論,利用樁基礎橋墩靜力承載試驗方式,找出樁基礎於不同埋置深度下之側推承載力,並計算其沖刷前後承載力之差值,並以此試驗結果重新推導等效沖刷作用載重公式。利用修正後之等效沖刷作用載重公式,提出以條件機率之方式,配合研究中定義之可接受破壞因子,計算橋梁樁基礎之側向不穩定性破壞機率。藉由計算不同沖刷深度下的破壞機率,進一步以理論方式建置沖刷易損性曲線。此外,利用橋梁破壞機率計算方法,結合災害分析及統計資料,則可將沖刷效應發展至橋梁設計規範中,故提出考量沖刷效應下橋梁設計的方法,提供未來於可靠度分析與設計時參考。
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NCREE-2013-047 |
橋梁檢測專家系統之建置研究
由於橋梁損傷評估需要仰賴專家評估,而專業人才缺乏且培養不易,對於大量橋梁檢測資料,確實需要一套能和專家評估相仿的專家系統(Expert Systems),用以協助橋梁維護單位能快速對橋梁進行評估,結合由專家所建立的推論法則,並由橋梁檢測人員所輸入的檢測資料做為推論引擎所需要的事實(Fact),快速取得合理的推論結果。
本研究將在NCREE-BMS中,擴充橋梁檢測評估專家系統模組,並結合已建立在NCREE- BMS中的各項橋梁資料、目視檢測項目資訊等等,建立專家系統推論所需之參數;在知識庫方面,將設計視覺化操作介面,協助知識工程師擷取專家的知識,以建立橋梁管理系統所需之推論法則,另一方面,亦整合類神經輔助分析核心,可以由已完成評估之歷史資料建立知識庫;在實務應用方面,亦提供視覺化之操作介面,協助橋梁管理單位人員與專家系統進行交談,進一步能由檢測資料推論出橋梁管理決策所需要的資訊。
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NCREE-2013-046 |
橋梁檢測記錄系統3D構件化及行動化模組之建置研究
橋梁目視檢測主要目的在於使用目視方式,定期且有系統地對大量的橋梁構件進行檢測,透過DER&U的評分方式,能快速地提供量化的評估值,以做為維修時進行評選的參考依據。
台灣現行的橋梁管理系統內已建置相關的檢測方法與評選模組,且已運行使用近十年,從一些使用者的反應與學者後續研究發現,現行橋梁目視檢測作業,仍以紙本作業為主,檢測完畢上傳至台灣地區橋梁管理資訊系統時,容易產生輸入錯誤之情形;且橋梁檢測人員為描述損壞構件的劣化位置 ,所使用的橋梁劣化示意圖,缺乏統一標準與系統化的儲存方式,以至橋梁管理機關在管理及使用時作業效率不彰。
現今行動化科技普及,本研究的目的即在導入行動化技術,再結合3D的顯像技術,將目視結果、DER&U評估、破損位置拍攝與標記於3D模型整合在一起,透過使用行動裝置改善上述手寫二次輸入的問題,不但簡化作業程序,亦增加資料正確性,並提昇橋梁管理系統的實用性,對於落實橋梁管理系統於安全管理實務中非常有助益。
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NCREE-2013-045 |
橋梁檢測資料庫之建置研究
有鑑於橋梁對於交通運輸的重要性,世界各國均積極投入橋梁管理相關之研究,以確保橋梁之結構安全與服務功能。所以國內已經在2000年初完成台灣地區橋梁管理系統,建立以DERU為基礎之檢測評估技術,用以評選橋梁構件維修之急迫性,達到有效管理之目的。
但由於台灣位屬於環太平洋地震帶,地震造成橋梁危害的衝擊相當大,且台灣屬於南北狹長的形狀,中部地形陡峭,造成河川水流湍急,易造成橋梁結構沖刷損壞問題等等,所以台灣地區的橋梁管理系統應針對這些天然因素等影響,進一步將橋梁的耐洪能力、耐震能力、載重能力、材料老舊劣化能力等等列入評估之中。
本研究建置之橋梁檢測資料庫系統(以下簡稱為NRCEE-BMS)除需要將上述重要評估機制納入系統建置外,還需要考量資訊技術之發展,將Web 2.0、HTML5、3D技術、行動技術、雲端技術等列為系統設計之參考重點,並考量系統之可擴充性,以及建立系統資訊與其他應用系統之間能整合運用。本研究團隊秉持上述原則,落實NCREE-BMS的規劃與設計,讓NCREE-BMS能持續與時俱進,並發揮橋梁安全管理之目標。
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NCREE-2013-040 |
橋梁用智慧型黏性阻尼器之研究與開發(I)
本文主要研究具高流變特性之剪切稠變流體(Shear Thickening Fluid)填充於環間隙油壓缸管之阻尼器特性及其於橋梁減震之應用。文中說明剪切稠變流體製作、流變試驗、阻尼器元件製造及阻尼器實體性能測試等。
本文首先將基礎二氧化矽奈米顆粒(Silica Powder)與母體載液(Carrier Fluid)進行混合,並製作出具剪切稠變特性之流體。本文所使用之二氧化矽奈米顆粒為Aerosil 200、Aerosil R972及SS5505;母體載液為聚丙烯乙二醇(PPG)及乙二醇(EG)。透過流變儀進行剪切稠變流體流變測試,由試驗結果建立黏滯度( )與剪應變率( )關係。試驗結果得知,剪切稠變流體具有高度非線性行為,隨著剪應變率升高而有黏滯度增高(增稠)再將低(減稀)的特性。此外,剪切增稠效應之起始剪應變率( )及結束剪應變率( )將控制流體的流變特性。
本文第四章將剪切稠變流體填充於環間隙油壓缸管,隨後進行填充剪切稠變流體之阻尼器實體元件性能測試。試驗結果得知,填充剪切稠變流體阻尼器之非線性行為屬於 值小於1之行為,主要原因是剪切稠變流體產生黏滯度剪切稀化效應。填充剪切稠變流體阻尼器之非線性特性及阻尼力大小將與流體之流變特性有關。
本文最後使用高階流體有限元素軟體ANSYS CFX 13.0進行環間隙油壓缸管之模擬。將黏滯度與剪應變率關係以離散化數據定義流體特性,再由分析軟體模擬油壓缸管受到反覆運動,達到預測阻尼器之消能行為。現階段數值模擬成果,可初步掌握阻尼力大小,惟遲滯迴圈形狀尚無法獲得較好的結果。主要原因是未考慮液體與固體之邊界條件、液體與固體間的摩擦力、液體可壓縮性及溫度效應。
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NCREE-2013-036 |
醫院消防撒水系統接頭耐震行為之研究
我國緊急醫療救護法明定,急救責任醫院必須全天候提供緊急傷病患醫療照護。然而國內外重要建築抗震經驗顯示,消防撒水管線系統一旦於某處輕微震損而發生洩漏,隨即因工作水壓導致消防水持續外流,釀成淹水等二次傷害,迫使醫院等重要建築中斷正常醫療機能。其中,消防撒水系統末端之一英吋管徑螺牙式接頭因抗彎或抗剪容量不足而在強震中受損,為我國消防撒水管線經常發生的破壞模式。為提升管線系統耐震性能,本研究提出以消防系統常見之機械式續接接頭取代螺牙式接頭,並假設螺牙式管線接頭為彎矩破壞機制,執行靜態單向與反覆載重等抗彎實驗,探討其耐震行為及容量,並以靜力與動力分析結果進行評估。研究內容與結果簡述如下:
1. 撓性接頭規格測試:測試結果顯示,本實驗所採用之一英吋、四英吋與六英吋撓性與剛性機械接頭,皆符合NFPA 13對於撓性接頭之轉角規定。
2. 管線接頭抗彎實驗:為釐清管線接頭抗剪與抗彎行為,本研究以四點彎矩實驗機制執行單向與反覆載重實驗,並以管線初始洩漏點與結構破壞做為兩階段性能點檢核。比較原廠區分之剛性與撓性機械接頭的實驗結果,兩者耐震容量與行為差異甚小,適用管徑較小時更難以區分。另一方面,比較管線初始洩漏點,一英吋機械接頭明顯優於螺牙式接頭之實驗結果。
3. 管線接頭靜力分析:本研究依據我國耐震設計規範計算水平管線接頭抗彎需求,並依據NFPA 13與ASCE 7-10規定,計算垂直立管撓性機械接頭的轉角需求。依據實驗結果,螺牙式與機械接頭均可滿足上述規範要求。
4. 管線系統動力分析:本研究依據實驗結果建立管線接頭元件數值模型,並以某急救責任醫院消防撒水系統受震破壞案例,進行水平管線系統動態歷時分析。另外,其醫院管線系統之相同模型的振動台實驗一同分析。模擬結果顯示,振動台試驗受損之螺牙式接頭雖與現地破壞位置不同,但是破壞應為撓曲破壞。分析的結果與振動台實驗一致,故建議水平管線系統之動力分析,應以實驗求取輕鋼架天花板對撒水頭之側向勁度,且結合天花板系統之動力效應,方能反應消防撒水系統末端管路之實際耐震需求。
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NCREE-2013-029 |
單跨樁基礎橋梁模型之振動台試驗研究
本研究探討單跨簡支含樁基礎之橋梁受沖刷裸露後之耐震行為,藉由雙砂箱剪力盒與振動台實驗,檢視橋柱與樁基礎之需求容量關係。實驗設計係參考公路橋梁耐震設計規範補充研究完成,提供合理之結構週期與柱、樁彎矩強度比。試體包含I型加勁鋼梁、U形鋼帽梁、構架式圓形鋼管橋墩、方形鋼基礎版、及鋁製空心圓管樁。支承條件採用橡膠支承模擬鉸接端,滾接端則以滾珠支承模擬。實驗規劃分為固定基礎及基礎裸露兩類,固定基礎者係將鋼基礎版鎖固於振動台面,且其下無樁基礎;基礎裸露者乃將鋁樁鎖固於砂箱剪力盒底部,並以相對密度50%之乾性石英砂逐層蓋覆。實驗主要參數以樁徑之倍數代表沖刷深度,符號系統分別以H、R、D說明鉸接端樁基礎、滾接端樁基礎、及樁徑,共計H0D-R0D、H0D-R3D、H3D-R3D、H3D-R6D、H6D-R6D等5組。輸入地表加速度歷時包含El Centro地震、集集地震TCU076測站及與規範反應譜相符之人造地震歷時,最大地表加速度範圍為100gal至350gal。實驗過程主要紀錄結構及土層之加速度與位移反應,並由樁身與柱底之應變計可間接求得其於振動過程中之彎矩與位移曲線函數,提供需求容量比(D/C ratio)之檢核。
實驗結果顯示,固定基礎之橋柱須能承擔較高的彎矩需求容量比,相較於基礎裸露者為一保守的設計條件。隨樁基礎裸露程度增加,結構顯著週期亦增加,大梁加速度則恰成相反,但大梁位移因與反應譜特性相關而無固定趨勢。相同地震作用下,當樁基礎裸露增加後,樁體最大彎矩發生位置越趨朝樁底方向移動,並非位於樁頂。如根據柱、樁彎矩之需求容量比檢討橋梁安全時,樁體彎矩比值之變化較小,但仍受地震特性影響須個案檢討,惟柱身彎矩比均呈現下降。如根據柱、樁之變形檢討橋梁安全時,橋柱相對位移放大趨勢則較樁明顯,應與基礎裸露後基礎版之旋轉貢獻有關。整體而言,當基礎裸露之橋梁受地震作用時,宜整體檢視柱、樁破壞模式轉移現象,尤以樁體彎矩及橋柱相對位移為檢查重點。
本研究另參考公路橋梁耐震評估與補強準則,建構橋梁分析模型探討含土壤彈簧模型之結構週期。初步結果顯示,無基礎裸露者之分析週期與實驗週期相近,但隨裸露程度增加則不盡理想,未來宜針對土壤性質適度模擬,以期許對全橋受震反應獲得合理與準確的評估。
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NCREE-2013-008 |
樁基礎縮尺橋梁模型之沖刷易損性曲線建置試驗研究
台灣受板塊擠壓之緣故,中央山脈橫亙於台灣本島中央,有著山高水急的地形特色,於雨季時,龐大的降雨使得河川水位上升並快速流入海中,因有這樣的地形與氣候環境,台灣的跨河橋梁普遍存在沖刷之現象,於颱風過境時橋梁倒塌時有所聞。考量現行橋梁設計規範對受沖刷橋梁的不足,以可靠度分析方法修正之,其中易損性曲線為不可或缺之一環,建立沖刷之易損性曲線有其必要性,本研究將針對此議題進行探討。
本研究首先針對橋梁沖刷議題做資料收集及研究,了解其破壞模式與橋梁可靠度分析等相關問題後,設計一系列之試驗,整理並歸納試驗之結果,提出一建置沖刷易損性曲線之方法。橋梁沖刷是一複雜之流體、土壤、結構互制行為,本研究針對土壤承載力破壞進行試驗探討橋梁結構行為,以及不同流況下橋梁沖刷之發展情形,並觀察橋梁受沖刷之破壞機制。再以兩項實驗結果建立橋梁沖刷易損性曲線方法,首先為樁基礎橋墩靜力承載試驗,以受不同沖刷深度之樁基礎側推曲線,歸納實驗結果推論容量損失與沖刷深度之關係,以及縮尺橋梁模型水槽實驗,收集橋梁受沖刷之各項參數,定義橋梁受沖刷之損壞指標,找出各損壞指標所對應之沖刷指標,並控制環境因子,如流速、水位與載重配置等,其中實驗之不確定性來自於土壤參數,重複多次實驗建立數據資料庫,以最大似然性法推得沖刷指標之分布函數。最後結合兩個實驗之結果,修正沖刷指標,並建立沖刷之易損性曲線。本研究建置沖刷易損性曲線之方法後,可供未來於可靠度分析與設計上參考,考慮特定流域下,結合沖刷危害度曲線,推估橋梁因洪災所損壞之機率。
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NCREE-2012-017 |
智慧型碳纖混凝土於結構監測應用之研究
結構物監測是現今土木工程界重要的議題之一,纖維混凝土是目前主要的補強材料,具有高抗張強度、高彈性模數、韌性佳與減少裂縫產生等優點,可增加結構耐震能力與安全性。在混凝土中添加纖維可改善混凝土抗彎、抗張、易脆等特性,進而發展出纖維混凝土材料。現今土木工程界常用之纖維混凝土包括鋼纖維混凝土、玻璃纖維混凝土與碳纖維混凝土(Carbon Fiber Reinforced Concrete, CFRC)等。目前工程界及學術界常用之監測方式,主要是將電子感測元件置入試體內部或是被覆於試體表面上,以進行物理量量測。然而感測元件的有效期限通常遠低於結構物之使用壽命,耐久性較差。為使感測元件的使用壽命與所監測之結構物相近,本研究嘗試以碳纖維砂漿作為結構監測之元件。由於碳纖維本身為導體,加入砂漿之後會使砂漿的電阻值大大地降低,使碳纖維砂漿成為一個導體,將其通入電流後,當結構受力時,造成碳纖維與砂漿之間的拉拔(pull-out)或推進(push-in),前者將使電阻值提高,後者則是使電阻值降低,而兩者的電阻變化與應變皆存在著一定的線性關係,此線性關係可用於量測應變;而當試體即將發生破壞時,電阻值的變化量會較彈性階段時大許多,此時可藉由此現象得知結構體的損壞程度是否已達到破壞,近一步達成監測及預警的目的。
然而,考慮實際應用時的經濟性,本研究僅使用0.2 vol.%之碳纖維添加量,其約為文獻中用量的一半,且經實驗結果得知,在此碳纖維含量之下對於材料之導電率不但能有明顯之提升,亦能達成量測與預警之目的,其量測範圍較文獻廣,再者,塗層試體之實驗結果亦能作為將來應用之參考。
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NCREE-2012-026 |
樁基礎沖刷橋梁模型之振動台試驗研究(II)
過河橋梁常因洪水造成基礎局部沖刷,導致橋梁基礎裸露,橋基沖刷
裸露過長,可能造成基礎耐震能力不足或承載力不足,為探討橋梁結構受
沖刷後基礎裸露時之耐震行為,本研究將使用大型雙軸向剪力試驗盒,考
慮上部結構之土壤-結構互制效應,於飽和砂土中建構單柱式橋梁結構考
量基礎裸露之振動台實驗,從實驗之結果,了解飽和砂土中基礎裸露橋梁
之耐震性能評估與穩定性檢核。
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NCREE-2012-025 |
樁基礎沖刷橋梁模型之振動台試驗研究(I)
本研究探討橋梁受複合式災害,因樁基礎沖刷裸露對耐震性能之影響,
使用大型雙軸向剪力試驗盒,進行單柱橋梁樁基礎沖刷裸露之振動台實驗。
實驗試體採用單柱橋梁、單樁基礎與乾性石英砂質土壤。實驗規劃數組不
同基樁裸露長度之組別,以觀察地震作用下樁基礎於裸露前、後對橋體、
基樁與土壤間之互制行為。實驗結果發現,上部結構位移反應隨基樁裸露
深度增加而增加,加速度則成相反之趨勢;基礎板與土壤之接觸行為明顯
影響上部結構之動態反應;樁身最大彎矩發生位置隨基礎裸露深度而降低,
但均鄰近土壤表面,且反曲點位置也隨之改變。為能有效模擬土壤與基樁
之互制行為,本研究利用SAP2000 分析軟體,參考公路橋梁耐震設計規
範,根據實測土壤剪力波速推求土壤彈簧勁度並依裸露條件適度減化彈簧
數量。數值分析結果顯示,簡化模式可忠實呈現上部結構歷時過程與最大
反應,未來可應用於實際橋梁因樁基礎沖刷裸露之耐震能力評估。
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NCREE-2012-014 |
FRP複合材料於土木工程應用研討會論文集
Fiber-Reinforced Polymer (FRP) composites combine high strength, high stiffness, light weight, anti-corrosion and high durability than either of their constituents alone. The lightweight, high strength, non-corrosive and non-conductive attributes of FRPs have been of particular interest to the aviation industry. Nowadays, increasing numbers of application of FRP materials in civil engineering are being made and attracting engineers. In the USA, Europe, Canada, and Japan, various guidelines, codes and standards for the application of FRPs in civil engineering have been developed, which is also an important objective and direction for us. The 2012 International Workshop on Applications of FRP Composites in Civil Engineering, jointly organized by National Center for Research on Earthquake Engineering (NCREE), China Engineering Consultants Inc. (CECI) and Chinese Taiwan Society for Earthquake Engineering will be held in Taipei, Taiwan on November 5–6, 2012, at the NCREE.
The primary objective of this international workshop is to advocate and promote the understanding and application of FRP techniques in Taiwan’s civil engineering projects. The international workshop will address the following topics:
1.Overview, Trends and Perspectives of FRP in Civil Engineering.
2.Design Codes and Guidelines for FRPs in Civil Engineering.
3.Advanced Research Topics on FRPs in Civil Engineering.
4.Applications of FRP Composites in Civil Engineering.
Some outstanding professors and senior researchers were invited to present their achievements in the applications of FRP composites in civil engineering and to share their experiences. These include: Professor Urs MEIER from Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research, Switzerland; Dr. Benjamin TANG from the Bridge Engineering Section of the Oregon Department of Transportation, USA; Professor Moe M.S. CHEUNG from the Ottawa-Carleton Bridge Research Institute, Canada; Professor W.Q. LIU from Nanjing University of Technology, China; Professor J.G. TENG from the Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong; Professor SUGIURA from Kyoto University, Japan; Professor S.W. LEE from Kookmin University, Korea; Professor C.C. CHOU from the National Taiwan University; Adviser L.H. SHENG from China Engineering Consultants Inc.; and Dr. C.S. LEE from the National Science and Technology Center for Disaster Reduction, Taiwan. It is believed that this event will successfully advocate and promote the understanding and application of FRP techniques in Taiwan’s civil engineering projects and that local researchers and engineers will learn useful information.
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NCREE-2012-015 |
Proceedings of International Training Program for Seismic Design of Structures 2012
Various strong motion observations were widely deployed in Taiwan and collected a large amount of high
quality earthquake data and provide useful information for seismology and earthquake engineering. These wealth
ground motion data offer a good opportunity to study the attenuation models and the site amplification effects
for a given site in response to different levels of excitation. The improvement of structural seismic design, which
needs a proper definition of seismic demands for different site conditions, can efficiently prevent the damage of
structures from the earthquake excitations and is the best way for earthquake hazard mitigation. We will presents
an overview of the entire hazard analysis procedure and details the deliberations and decisions made in the
determination of parameters for hazard analysis which includes: seismogenic zones, seismicity parameters, and
attenuation and rupture length relations. Since the seismogenic zones used for the hazard analysis were based on
the considerations of tectonics and past seismicity patterns in the region, the accuracy of the epicenters, focal
depths, and magnitudes of Taiwan region needed to be investigated. Finally, the hazard curves and design
earthquakes can be estimated for the seismic design of structures.
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NCREE-2012-009 |
橋梁沖刷監測預警系統建置之試驗研究
台灣因河流密布、地形破碎,跨河橋梁在交通路網中扮演非常重要之角色,而跨河橋梁普遍存在各種沖刷受災現象,隨全球氣候變遷,颱風及豪雨帶來之雨量及造成的危害一再突破歷史記錄,且許多橋梁亦存在老舊裂化之問題,故需建立一套橋梁監、檢測系統針對橋梁安全性進行即時監測,且自動提供預警而封橋,確保橋梁通行之安全性,保障用路人之人身財產安全。本研究針對現地所使用之沖刷監測系統進行試驗與驗證,利用感測機制相似於現地監測系統之感測計安裝於縮尺模型進行沖刷試驗,以驗證沖刷系統之量測機制及確立其可靠性,此外亦透過縮尺模型之沖刷監測試驗,探討現行橋梁監測所量測得到的資訊所計算出支安全標準警戒值及行動值之合理性。
本研究之主軸即針對縮尺橋梁模型進行沖刷試驗,利用壓力感測計、沖刷振動感測計、浮球系統做為沖刷深度量測、觀測之主要沖刷監測系統,而以內視攝影機、手持式水下攝影機及鉛錘作為輔助性之沖刷深度量測,並藉由初步試驗估算土壤參數條件,進行破壞模式之計算,破壞模式區分為土壤承載力破壞、水流作用力傾倒破壞及基礎掏空之不穩定傾倒破壞進行分析,以計算縮尺橋墩於沖刷試驗中達到破壞傾倒時之安全係數是否達臨界標準,介以驗證參數分析及破壞模式之考慮,以提供跨河橋梁安全評估及封橋預警之標準建立。
本研究已藉由實驗室重現現地系統沖刷監測之可行性,所使用之安全係數分析理論已可在縮尺沉箱模型之沖刷倒塌破壞試驗中,預測其傾倒破壞時之沖刷深度範圍,且應用於縮尺橋墩模型之沖刷監測計可提供足夠之倒塌預警。
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NCREE-2012-007 |
以結構震動訊號診斷橋梁受沖刷之安全性研究
台灣地形破碎,跨河橋梁眾多,加上地處熱帶、亞熱帶氣候交界,受經常性颱風侵襲,降雨強度大,且本島地理山高谷深,河川坡陡流急,因此跨河橋梁基礎普遍存在沖刷問題。無論國內外,橋梁損傷主因之一皆指向基礎沖刷,而橋梁基礎埋置深度是影響橋梁結構穩定性之重要指標,是目前計算基礎安全性不可或缺的參數,故發展出一套可即時掌握橋梁基礎剩餘埋置深度之方法,進而可準確的推算橋梁安全係數,供相關橋梁權責管理單位進行災前應變乃為當務之急。
本研究提出以橋梁微振動訊號作為識別橋梁埋置深度之方法,首先透過靜力試驗簡化沖刷問題,得知埋置深度是掌控結構主要頻率之主控因子,且其關係可以二次曲線表示,並以有限元素模型驗證實驗趨勢,而後以短時傅立葉轉換作為即時結構頻率擷取工具,再以埋置深度與頻率之關係式將頻率轉換成埋置深度,結合環境因子資料收集,輔以碎形理論作為結構穩定性判別,最後以埋置深度計算安全係數,以碎形理論計算安全指標,判定橋梁安全性。
為證實本研究方法之可行性與精確性,於實驗室進行縮尺橋梁沖刷試驗,藉由縮尺橋墩內之攝影機紀錄即時沖刷深度,驗證以微振訊號推算出之剩餘埋置深度。經一系列試驗結果可證實此研究方法可有效預測埋置深度之變化,環境因子之監測有助於釐清因沖刷以外造成橋梁頻率變化之因素。此方法對橋梁結構健康診斷有相當助益,可在災害發生前提出預警,減少生命財產之損失。
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NCREE-2012-002 |
結構自體調諧質量阻尼系統之耐震行為研究
隔震技術目前發展逐漸成熟,因應經濟發展與土地取得不易等因素,
除了基礎隔震設計迅速發展外,中間樓層隔震設計因施工便利性且較易滿
足建築上的特殊考量與功能需求等多項優點,使用案例亦日益廣泛,利用
隔震技術可延長隔震層上方結構之自然週期,以有效降低其受震反應。對
應於隔震設計,調諧質量阻尼器設計能夠有效控制主結構物在外力擾動下
之反應,調諧質量通常遠小於主結構質量,其目前主要仍以考慮控制風力
振動之應用為主。
本研究欲提出一結合隔震設計與調諧質量阻尼器設計之優化自體調諧
質量阻尼系統,將隔震層上方結構作為自體調諧質量,隔震層可提供此自
體調諧質量阻尼器之勁度與阻尼比,利用此一優化設計同時降低隔震層上、
下方結構之受震反應。因此,首先以一簡化三自由度結構模型模擬自體調
諧質量阻尼系統,進行各項結構系統參數之敏感度分析,探討相關參數變
異之敏感度,並建議一優化自體調諧質量阻尼系統設計方法,此一設計方
法亦可解決目前中間樓層隔震設計中忽略隔震層下方結構勁度對於隔震層
上方結構隔震效益之影響。此外,以現有縮尺試驗構架進行相關設計與數
值分析,數值模型包含採用優化與非優化設計進行結構物動力特性及耐震
行為探討,並比較各項參數變異對於其受震反應之影響。最後,以國家地
震工程研究中心既有結構物進行優化與非優化自體調諧質量阻尼系統設計
之實例分析研究,將實際工址量測之地震紀錄進行分析,以討論自體調諧
質量阻尼系統在實際設計之可行性,以及實際工址地震特性對於自體調諧
質量阻尼系統之影響。
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NCREE-2011-031 |
智慧型黏性阻尼器之研究開發(I)
台灣位處環太平洋地震帶,地震發生次數相當頻繁,亦飽受不少強烈
地震之威脅。耐震設計理念中考慮結構物的韌性、隔震及消能系統,以達
小震不壞、中震可修及大震不倒之目標。然而目前的被動控制系統,只能
依照耐震設計需求提供單一的設計阻尼係數,無法完全滿足結構物於中小
度地震、設計地震與最大考量地震之耐震性能需求。雖然目前主動控制系
統可利用外加能量輸入,及時改變阻尼器的物理參數(勁度、阻尼係數等),
以精準地控制結構物的行為。但是主動控制需要消耗的能量非常龐大,成
本過高不符經濟效益。基於上述種種因素,本計畫之目的為開發一種新式
智慧型黏性阻尼器,並提出一套適用於結構物耐震性能提升之分析程序與
設計方法,使結構物在最經濟之成本考量下,儘可能滿足中小度地震、設
計地震與最大考量地震之耐震性能需求,並以縮尺結構物進行試驗驗證。
本計畫主要工作項目包括:智慧型黏性阻尼器文獻蒐集;智慧型黏性阻尼
器開發與特性量測;結構物耐震性能分析程序與設計方法開發;縮尺含智
慧型粘性阻尼器結構物試驗驗證。
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NCREE-2011-020 |
複合材料輕量化便橋技術研發(1/3)
颱風洪水已成為我國歷年來最大天然災害威脅,如2009 年發生的八八
水災造成全國100 餘座橋梁被土石流沖斷,造成山區住宅社區被孤立,導
至緊急救災不易與人員物資難以運送。為能在緊急災變發生時提供快速救
援,以快速方式短時間內建立一便橋供人員、機車、汽車通行,疏散災民
及運送糧食物資,成為國內救災應變工程中最關鍵的課題。因此在本計畫
中預計開發一種可快速建構的高強度複合材便橋設計,針對在工程施工機
具數量有限且無法進入需要支援之區域,提供一種以人力方式進行組裝的
可攜式簡易便利橋梁設計,作為疏散災民及運送糧食物資之用途,作為未
來高強度複合材便橋計畫展開之基礎。
國外已有複合材料橋供車輛行駛使用,其設計未考慮迅速組裝接合與
重量要求,設計與應用不適用於迅速組合與救災,而國內尚無複合材料輕
量化便橋供國內災害發生時之救災使用。故本計畫主要作為未來複合材料
輕量化便橋之全程規畫基礎,預計利用高比強度的纖維補強複合材料及複
合材料構件可模組化設計、工廠可大量生產、重量輕人力可搬運等特性,
設計高效能之複合材料結構橋樑與高可靠度之橋樑結構接合設計,應用於
救災便橋技術上。利用結構細部設計技術,增加構件接合面積,提升複合
材料構件接合、使接合強度提升,並結合螺栓、焊接、膠接…等可行的接
合組合設計,建立組合式複合材料便利橋設計、製造與快速組裝技術。
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NCREE-2011-016 |
Proceedings of International Training Program for Seismic Design of Structures 2011
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NCREE-2011-013 |
裝設橡膠支承墊之斜橋縮尺模型試驗
國內既有橋梁多屬PCI 簡支梁橋,而橡膠支承墊被廣泛運用當作其支
承系統。實務上施工方式常將支承墊直接放置於帽梁的砂漿墊之上,並無
以剪力鋼棒等構造加以固定。此類支承型式於地震發生時將可能導致支承
墊時發生滑動現象。此外,在滿足選線規劃的條件下,許多橋梁必須跨越
既有道路及河道,亦使許多橋梁必須以斜交型式設計建造。本文主旨為探
討裝設橡膠支承墊之斜橋,在地震作用下的行為反應。有別於既往針對橋
柱產生塑鉸機制設計的補強策略,本文冀望能驗證支承系統於初期之滑動
損傷,可助於降低橋柱受力的需求。
本研究首先針對橡膠支承墊的磨擦係數進行觀察,發現支承墊在高速
滑動下磨擦係數變化並不明顯。再者,建立一座縮尺斜橋模型進行振動台
試驗,根據試驗結果顯示,支承墊的滑動將會降低橋梁系統上部結構慣性
力的生成。此外,支承墊滑動後之後藉由支承系統傳遞至下部結構的水平
力將等同於支承墊的磨擦力,故此效應將有助於降低橋柱受力之需求,提
供一個有別於橋柱塑鉸機制的新思維。
本文利用SAP2000N 結構分析軟體對於試驗結果進行數值模擬,可求得
尚可接受的分析結果,雖可有效預測結構的最大反應,但仍可再研議更適
當的模擬元素與方式以提升數值模擬的精確度。最後,本文探討不同斜角
角度的橋梁與地震歷時輸入方向對於斜橋結構反應之影響,分析結果顯
示,斜角低於20 度之橋梁其行為反應較為規律,而斜角高於20 度之橋梁
其結構不規則特性逐漸顯現,結構行為較難以掌握。本文建議分析設計斜
角高於20 度之橋梁時,應考量諸多因素以確保結構安全。
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NCREE-2011-015 |
含功能性支承橋梁位移設計法之研究
本論文旨在研提以功能性支承系統(Functional Bearing System)做為
橋梁耐震設計與補強的位移設計流程。所謂功能性支承系統,係指採用橡
膠支承墊做為支承系統之橋梁,賦予橡膠支承墊在強震下可產生滑動摩擦
機制以消散地震能量,並使用位移限制裝置限制滑動位移,允許其損壞避
免傳遞過大地震力至下部結構,且需提供防止落橋裝置與足夠之防落長度
確保不落橋。將橋梁破壞引導至支承摩擦滑動的概念可有效降低下部結構
的受力反應與地震力需求,是一種較為經濟的補強與設計方式。
有鑑於過去橋梁工程實務設計階段多將一般橋梁之橡膠支承視為附屬
結構,對於探討橡膠支承墊摩擦係數的的相關文獻付之厥如,本研究試著
歸納出可能影響橡膠支承墊摩擦係數之影響因子,然後進行有系統之試
驗,建立橡膠支承墊與無收縮水泥砂漿介面之摩擦係數公式,確實掌握橡
膠支承墊的摩擦滑動行為。
本研究採用複合阻尼比原理發展一雙自由度等效線性系統,計算橋梁
含功能性支承系統之受震反應。根據位移設計法概念,由橡膠支承摩擦滑
動試驗成果推導等效勁度與等效阻尼比,做為替代結構之基本參數,藉此
以彈性位移反應譜迭代分析支承摩擦滑動後橋梁結構最大反應。此外,本
研究再以一縮尺單跨橋梁試體進行振動台試驗,並與非線性動力分析方法
進行驗證。分析結果顯示,本研究所發展之評估方法,搭配前揭泛用公式
計算之橡膠支承墊摩擦係數做為輸入參數,可有效且快速地預測地震作用
下橋梁支承摩擦滑動後之位移需求。
最後本研究結合橋梁性能設計之概念,研議功能性支承之定義及其耐
震性能水準與性能目標,訂定功能性支承各元件之結構行為與損壞機制,
以控制各元件功能之啟動序列,並結合前述位移設計流程,研提含功能性
支承橋梁耐震設計與補強方法。
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NCREE-2011-006 |
應用碎形理論於橋粱的多重災害健康檢測系統可行性研究
臺灣因其特殊之地理位置與地形特性,使得橋梁結構飽受地震洪水等多重災害之威脅,鑒於橋梁因河水之沖刷行為所潛藏之危險經常是在毫無預警的情況下發生,故本研究將研究主軸著重在探討橋梁沖刷效應對橋梁結構本體之影響。此外,藉助碎形理論於處理不規則事物或微小變動時所表現之長處,本研究利用碎形理論中的碎形維度Ds與高度尺寸常數G兩參數進行橋梁沖刷監測研究,分別利用於南勢角水工試驗場所進行的單柱放水與全橋放水實驗,對沖刷振動反應資料進行分析。
在單柱放水實驗中,本研究首先發現Ds值隨著橋柱沖刷之嚴重程度逐漸下降,其趨勢與橋柱基礎之振動主頻相仿;另一方面 G值則隨著與訊號之振動幅度呈現正相關,可作為即時判定水流速度與衝擊力道之重要依據。為進一步驗證此一推論,本研究更將探討之面向擴展至全橋放水實驗(多柱系統),透過同時監測多個感測器與橋柱基礎,更精確地掌握全橋之沖刷深度歷時變化。
除此之外,有別於傳統之結構健康診斷(Structural Health Monitoring, SHM)僅單純考慮結構模態的變化,本研究更以碎形理論為基礎提出了一評估橋梁承受沖刷是否存在危險之安全指標,透過計算該安全指標,將可更精確的反映出水流衝擊與流固耦和效應。為了進一步即時地掌握橋柱基礎沖刷之狀態,並解決傳統橋梁結構安全檢測時常受限於現地量測方式和儀器使用限制之此一問題,本研究亦提出了一適用於橋柱基礎覆土深度變化的預測公式,藉由僅分析橋梁上部結構所擷取到之振動訊號,來評估橋柱基礎下方實際之沖刷狀況,並以實驗資料驗證所提出之預測公式,來解決一般透過直接量測橋梁下部振動反應訊號以反映實際狀況,所可能遭遇到之系統或儀器損壞問題,使橋梁即時預警系統之監測技術能有更進一步的發展與突破。
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NCREE-2010-027 |
滾動式隔震支承平台應用於設備防震試驗研究
隔震技術經多年的研究與試驗已證實其為實用且有效之防震技術,可保護整體結構物之安全,降低地震對於建築結構之破壞潛勢。然而,建築物的功能定義不僅取決於結構本身的耐震表現,同時也取決於非結構及設備的耐震表現,因建築物的用途不同,如醫院、高科技廠房或歷史文物館等,而有不同的結構型式、非結構元件及設備,整體結構之耐震功能設計指標因而不同。因此,建築物之耐震功能性除了取決於結構的耐震性能外,亦須取決於非結構元件及設備的耐震性能,如果結構之設計無法使其內之非結構及設備在大地震中保持原功能性(即正常運作),則建築物亦必失去其原始的設計功能。
值得一提的是,當地震來襲時,必須確保收藏於博物館中的珍貴文物與文化遺產能夠在地震作用下保持完整無虞,其為當代政府所必須肩負的首要任務,使國家重要傳統歷史文化能夠繼續沿襲至後代子孫。歷史文物保存庫房必須具有其特殊功能性,在設計新庫房或補強舊庫房時,皆應把具備科學保護文物的功能放在首位,防止人為和自然力對文物的危害,其中又以地震造成的傷害較大,其最可怕之處在於除了無法預測外,其所引致的直接災害發生時間僅十幾秒,幾乎無預警及準備的時間。因此,庫房保存藏品文物設備必須堅實牢固且經久耐用,具有足夠的抗震與承載能力裝置。
本研究將以國內中央研究院歷史文物庫房內之機櫃設備作為研究對象,在考慮機櫃設備本身既有之規格與動力特性後,利用安裝多軸連接滾動式隔震平台進行振動台試驗,以探討其對於歷史文物保存設備之抗震效益,研究成果亦可作為未來針對非結構設備防震研究之參考。
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NCREE-2010-025 |
考慮直接基礎搖擺機制之橋梁耐震性能研究(III)
本研究藉由實驗與分析探討橋柱直接基礎搖擺(Rocking)機制對橋柱耐震性能之影響。921地震後,政府交通部門積極辦理橋梁耐震能力評估與補強工程,也提高部份地區之設計地震力,而於部分補強和新建案例中可發現,直接基礎之尺寸寬幅明顯過大,似乎有過於保守之疑慮。歸咎其原因,主要受到設計地震力提高,而與穩定性檢核相關之基礎受壓面積仍需滿足原有規定,所以基礎尺寸需予以擴大。事實上,直接基礎搖擺機制之隔震效益已受到證實,為能採用較經濟之斷面,可利用適當設計之直接基礎,透過搖擺機制產生之周期延長降低地震力,並利用土壤於大地震中塑性變形能力吸收地震能量。本研究包括兩大重點。第一為進行直接基礎橋柱之反覆載重試驗與擬動態試驗,第二為建立可考量直接基礎搖擺機制之橋柱基礎-土壤互制數值分析模型,藉由數值模擬結果與實驗結果之比對,修正數值模型,並以修正後之數值模型進行參數分析。參數分析考慮之參數包括基礎寬幅、橋柱韌性、橋柱強度、土壤彈簧勁度與地震歷時等。研究結果將來可提供工程界進行相關耐震評估之參考,也可作為改進現行規範之依據。
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NCREE-2010-024 |
中間樓層隔震結構振動台試驗研究
近年來隔震系統在工程實務上的應用已有多起實際案例,但因應經濟與施工條件、都市人口密集及建地取得不易等因素,除一般傳統基礎隔震結構外,中間樓層隔震結構之實務案例亦與日俱增。所謂中間樓層隔震結構即是將隔震系統裝置於中間樓層中,並非傳統基礎隔震結構裝置於基底,而其受震反應也因下部結構柔性的影響,與一般傳統基礎隔震結構有所差異。因此,本文將中間樓層隔震結構模擬成一具有三個堆積質量節點之三自由度簡化模型,以等效線性分析所推導之公式求解中間樓層隔震結構之動力特性及受震反應,其分析參數,包含有效質量、等效阻尼比及有效質量參與係數等,此外中間樓層隔震結構之受震反應也採用反應譜分析法判別之。
同時,本文針對傳統基礎隔震及中間樓層隔震模型進行振動台試驗研究,試驗結果顯示中間樓層隔震結構可發揮良好之隔震效益。然而,由於第一模態質量參與係數明顯小於傳統基礎隔震結構,所以在中間樓層隔震結構中可明顯看出高模態效應。此外,隔震器裝置於較高樓層時,隔震層會有較大之變形反應,且上部結構與下部結構之位移與受力反應存在一超過90度之相位差關係。試驗結果可知,上部結構之受力行為主要為第一模態反應,而下部結構之受力行為主要為高模態控制,因此,在中間樓層隔震設計中,應合理考量高模態效應。
藉由數值分析及試驗研究結果可知,中間樓層隔震結構如採用傳統基礎隔震之等效靜力分析程序,將有諸多不合宜之處。在考慮上部與下部結構對整體結構動力反應之影響,隔震系統之位移及阻尼比應更被準確且保守估計,並由數值分析可發現,在適當且保守地考慮隔震系統之等效週期(等效勁度)與有效阻尼比下,考量足夠模態之反應譜分析可作為中間樓層隔震結構之初步設計方法。
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NCREE-2010-021 |
機動式健康診斷系統之可行性研究
近年來,世界各國相繼發生土木建築因老化等因素造成不可預期崩塌或損毀,而結構工程師除了持續在結構物的強度與功能上持續研究外,也逐漸重視結構物健康診斷之重要性。結構健康診斷 (Structural Health Monitoring) 隨著資訊科技日新月異,當今的技術在感測器、資料擷取系統以及資料傳輸與儲存系統上,已提供了完整的支援,然而在資料診斷與分類系統上,像是系統辨識、結構模型更新、結構狀況評估、剩餘使用壽命預測,卻仍處於開創與實驗之瓶頸。
本研究之研究基礎為結構物健康診斷系統,以民國九十八年九月於國家實驗室地震工程研究中心(NCREE)執行之八層樓鋼結構實驗構架為例,藉由鬆脫部分樓層螺栓模擬十九組結構發生破壞損傷情況,並且建立夜間微震試驗結構動力反應資料庫,作為本結構物健康診斷邏輯理論驗證之資料庫,並應用在結構健康狀態特徵序列(AR-ARX Expression Array)的建立上。
本研究於一開始先介紹分子生物科技當中用來統計分類與機器學習(Machine Learning) 的分類模型,包括Bayesian Classification機器學習分類演算模型在分生科技上的應用,接著再導入結構健康檢測的研究中,而本研究則採貝氏診斷邏輯法做為應用。
研究後期整合來自生物領域與資訊科技之先進技術來開發結構物健康診斷系統之雛形機。並利用國家地震中心震動台之八層樓縮尺鋼結構實驗為測試樣本,利用CompactRIO與Labview的結合以及GPRS之技術,整合軟體以及硬體,並製作出新一套的機動型結構物健康診斷雛形機,且實際於八層樓縮尺鋼結構作測試,提供未來各種控制系統一個應用與比較的平台。
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NCREE-2010-007 |
結構物受震反應資料庫
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。
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NCREE-2009-030 |
自迴歸時間序列與貝氏分類法於結構物健康診斷之應用
有別於傳統的結構物健康診斷方法,皆須耗費許多時間與人力進行診斷結果分析與判斷。本研究主要目的,著眼於為未來開發的新一代結構物健康診斷方法,進行診斷理論方法初步的可行性驗證。以期本研究能成功適用於實際結構物健康診斷中,並以統計理論的機率運算為基礎簡易呈現最有可能之結構物破壞類別,免除需大量人力與時間投入分析與判斷。本研究乃是以結構物日常條件下微震動反應的量測紀錄為診斷原始資料,同時採用AR-ARX自迴歸時間序列作為結構物破壞情狀表徵之『結構物特徵時間序列』,運算理論則是引進生物資訊領域中應用於診斷細胞癌症基因的『貝氏分類診斷邏輯方法』作為結構物破壞類別的分類工具。
『貝氏分類診斷邏輯方法』即所謂圖像識別概念之結構物健康診斷方法,藉由瞭解已知結構物破壞情況的資料樣本係數機率密度分佈函數模型,推斷當前處於未知破壞情況條件下量測的結構物動力反應記錄最有可能的損傷程度。本研究診斷系統的理論驗證方法,以重複樣本空間與非重複樣本空間兩種比對手段,前者由於比對與被比對樣本空間是完全相同,故可作為檢驗『結構物特徵時間序列』在不同的破壞種類是否具差異性,亦即序列資料對該破壞情況具代表性;後者由於比對與被比對樣本空間是完全相異,故可模擬本研究結構健康診斷方法於實際應用上的診斷情況。而驗證步驟,則是最初以有限元素程式模擬結構物發生破壞的情況,再輸出分析得到的結構數值反應資料進行健康診斷分析。緊接著,著手進行結構物夜間微震動與震動台實驗,以真實量測得到的結構反應資料再次進行健康診斷分析,藉此瞭解現實環境中雜訊或其他不可預期因素對本研究理論方法診斷結果的影響程度。最後階段則是以貝氏分類法的最佳化理論,輔以兩階段聯集每一筆資料的診斷結果,藉以提升本研究方法的診斷準確性。
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NCREE-2009-028 |
公路橋梁耐震能力評估及補強準則之研究
本研究蒐集、比較國內外現行橋梁耐震補強準則、規範、手冊及耐震補強工法技術,並彙整問卷調查結果,研擬「橋梁耐震評估及補強準則草案」。草案內容包含:第一章總則、第二章地震等級、第三章耐震能力初步評估、第四章耐震能力詳細評估、第五章結構系統與防落系統補強設計、第六章結構構材補強設計,及第七章基礎裸露橋梁之耐震評估與補強。本草案具有下列特點:(1)定性與定量描述橋梁耐震後性能等級、(2)補強用地震力標準與最新耐震設計規範相同、(3)初步評估結合工程師經驗與易損性分析成果、(4)詳細評估可掌握結構非線性變形行為、(5)建議常見系統補強工法降低地震需求、(6)建議常見構件補強工法增加結構容量、(7)考量基礎沖刷裸露對耐震影響。本準則除條文及解說外並提供耐震能力初步評估、詳細評估與耐震補強等共9個案例,對於日後國內橋梁耐震補強作業具有正面助益。
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NCREE-2008-042 |
台灣大學土木系新建研究大樓中間層隔震元件試驗
由於隔震結構於1994年美國加州北嶺地震與1995年日本阪神地震中的良好表現直接驗證了隔震技術之可靠性,隔震設計於結構耐震上的應用已逐漸趨於成熟,並被工程界接受為一有效的結構防震方法。國內自1999年發生921集集大地震結構物遭受重大的破壞,國人開始重視結構物的耐震性能,並迅速發展被動控制技術應用於修補或新建結構物,隔震系統亦是其中一項應用廣泛的技術。近年來隨著隔震技術逐漸成熟,亦因應經濟與施工條件、建物特性、都市人口集中以及土地取得不易等因素,除了基礎隔震建築物的蓬勃發展外,中間層隔震建築物之實務案例亦與日俱增,目前國內最常見之中間層隔震層設計是將隔震層設置在一樓頂(二樓),如國立台灣大學土木工程系新建研究大樓。中間層隔震建築物可提高施工效率以及有效地使用現有建築用地,然而在設計上須考慮高模態反應之影響,同時須避免非預期之高模態耦合效應。
國內新版「建築物耐震設計規範及解說」中增設了「隔震建築設計」章節於本文中,然而,由於建築物隔震技術引進國內之歷史尚短,而且相關規定條文應適度因應現行技術發展而加以調整,尤其在隔震元件試驗上,目前國內業界對於相關裝置之實際性能與試驗內容仍嫌陌生與不足,對其亦有不少之疑慮與窒礙難行之處。本研究初步研擬一套較為合理且完善之隔震元件試驗程序,相信其對於國內隔震應用之發展以及未來隔震結構品質評定與管理上有相當之助益,並以國立台灣大學土木工程系新建研究大樓鉛心橡膠支承墊之實體試驗與性能保證試驗進行實例說明,可做為未來業界在隔震元件試驗規劃上之參考。試驗後得知國立台灣大學土木工程系新建研究大樓鉛心橡膠支承墊具有良好之行為表現。
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NCREE-2008-040 |
直接基礎之搖擺實驗與分析
本研究藉由實驗與分析探討橋柱直接基礎搖擺(Rocking)機制對橋柱耐震性能之影響。921地震後,政府交通部門積極辦理橋梁耐震能力評估與補強工程,也提高部份地區之設計地震力,而於部分補強和新建案例中可發現,直接基礎之尺寸寬幅明顯過大,似乎有過於保守之疑慮。歸咎其原因,主要受到設計地震力提高,而與穩定性檢核相關之基礎受壓面積仍需滿足原有規定,所以基礎尺寸需予以擴大。事實上,直接基礎搖擺機制之隔震效益已受到證實,為能採用較經濟之斷面,可利用適當設計之直接基礎,透過搖擺機制產生之周期延長降低地震力,並利用土壤於大地震中塑性變形能力吸收地震能量。本研究包括兩大重點。第一為進行直接基礎橋柱之單向反覆載重試驗與擬動態試驗,第二為建立可考量直接基礎搖擺機制之橋柱基礎-土壤互制數值分析模型,藉由數值模擬結果與實驗結果之比對,修正數值模型,並以修正後之數值模型進行初步參數分析。
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NCREE-2007-052 |
含被動調諧質量阻尼器結構之耐震行為研究
對於被動調諧質量阻尼器裝設於建築物的相關研究,一直以控制風力振動為主,或是控制中小度地震力為主,鮮少討論建築物承受強震後進入非線性行為時,PTMD對結構物的效益為何,且裝設PTMD的相關實驗也很少有文獻提出。因此,為了瞭解被動調諧質量阻尼器在強震下的行為,且確立PTMD是否可作為抵抗地震的良好機構,本文的重點著重於裝設PTMD鋼構架之震動台實驗以瞭解加裝PTMD建築物於地震力下實際的行為,也經由數值模擬比對,確立數值參數的正確性,並更進一步利用數值模擬來討論加裝PTMD建築物於不同大小之地震力下,結構物保持彈性與降伏後PTMD的效益,以便對PTMD能有更進一步的瞭解。此外,為了瞭解裝設PTMD建築物於不同地震反應下的耐震能力,也將研究相關耐震的評估方法。本文提出以一等效線性系統模擬非線性系統為基礎之結構裝設被動調諧質量阻尼器之耐震性能評估方法。其一是設定結構頂層最大相對位移為目標位移,利用等效線性系統找出目標位移在特定地震歷時下所對應的最大地表加速度。其二是在特定地震歷時其最大地表加速度下求出結構之頂層最大相對位移。
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NCREE-2007-055 |
公路橋梁耐震設計規範修訂草案之研究
有鑒於921集集大地震橋梁結構震害情況,交通部於民國89年4月公布局部修正規範,對震區畫分與部份橋梁耐震設計細則有所修正與調整,迄今已逾多年,考量規範的整體性,該修正內容實需納入本規範的修訂作業之中。此外,交通部於民國92年3月完成「公路橋梁耐震設計規範(草案)複審成果報告書」,並於同年10月起由國道新建工程局辦理「橋梁耐震設計規範修訂草案先期研究座談會」,計舉行6次座談會,針對規範草案提出綜合結論與建議事項,共計101項。其相關內容反映國內地震工程近年來(尤其在921地震之後)的研究成果,以及現行84年版「公路橋梁耐震設計規範」實施後之疑義,該報告書可供為本規範修訂之重要參考依據。
本研究係以上述921集集大地震後的調查結論為基礎,探討「公路橋梁耐震設計規範(草案)複審成果報告書」與「橋梁耐震設計規範修訂草案先期研究座談會」所研提之綜合結論建議事項,並參考美日等國家橋梁耐震性能設計之觀點,就公路橋梁耐震設計規範加以檢討。
本研究計劃擬針對公路橋梁耐震規範之條文進行探討與修訂,主要針對下列項目進行相關研究:
(1)依據交通部92年1月6日交科字第0920000135號函辦理修訂現行84年版公路橋梁耐震設計規範,使公路橋梁耐震設計規範符合最新需求。
(2)針對國道新建工程局主辦之「橋梁耐震設計規範修訂草案先期研究座談會」相關建議事項,及「公路橋梁耐震設計規範(草案)複審成果報告書」中綜合結論與建議事項,共計101項,進行檢討與修訂條款之相關學理研究,進而擬定規範修訂之建議內容,再經由初審委員會審後,提出規範修訂草案。
(3)延聘初審委員進行修訂草案之審查作業,並召開專家學者座談會提供建言以供修訂參考。
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NCREE-2007-032 |
含功能性支承縮尺橋梁之試驗與分析
本文旨在討論含功能性支承橋梁於地震下的行為。有鑑於國內現行橋梁耐震設計規範及修復補強策略,多偏重於橋柱塑鉸行為,但921集集大地震中並無明顯實例可供參考,若需符合規範要求,則政府單位須編列高額的橋梁補強經費。因此,本文由縮尺橋梁靜動態實驗與分析結果,探討橋梁使用功能性支承的成效。
本研究首先完成含橡膠支承縮尺單跨橋梁之擬動態與振動台實驗,根據實驗結果了解橋梁結構之力量傳遞路徑,並探討兩種試驗方式對描述橋梁動態行為的差異性。此外,本研究中採用非線性分析工具(SAP2000N)進行模擬,經實驗結果比對可獲致良好的結果,並針對磨擦係數與混凝土楊氏係數進行參數分析,量化支承滑動與橋柱勁度的影響。
為進一步了解多跨橋梁的動態行為,本研究執行含橡膠支承縮尺雙跨橋梁之振動台實驗。結果顯示,橡膠支承發生滑動後可降低橋面版加速度及橋柱剪力,有助於降低下部結構震害受損機會。因此,本研究建立合適的分析模型,能有效預測橋面版之最大位移與最大加速度反應,掌握落橋及橋柱損壞時機。
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NCREE-2007-017 |
應用位移設計法之建築物設計程式發展
目前國內建築物之耐震設計方法(強度設計法)係將彈性設計力藉由十分具爭議性之強度折減因子降低為設計力,然後再以此設計力去設計結構,但設計出來之結構是否能具有當初預期之耐震能力,除非經過非線性歷時分析否則很難確定。但位移設計法卻可解決此問題,位移設計法是在設計過程中以位移為基礎的設計方法。在設計的過程中,工程師對於一特定的目標位移來完成設計,強度及勁度在設計的過程中不再是變數,而是設計的結果。在最近幾年,地震設計的目光都集中在整體性或區域性的位移變形上,而位移設計即是比強度設計更為清楚的洞察到結構損害和極限破壞的情況。
本文之重點在於如何以現有的位移設計法研究文獻搭配三維非線性結構分析平台PISA3D撰寫出一套全自動之建築物設計程式,利用電腦快速且強大之運算能力處理設計過程中繁雜之迭代過程。此程式具備『新建結構設計模式』、『新建結構加裝消能器設計模式』、『既有結構加裝消能器補強設計模式』三大設計模式並能支援『線性黏性阻尼器』、『非線性黏性阻尼器』、『黏彈性阻尼器』、『降服型阻尼器』等消能器之設計。並撰寫搭配設計程式之圖形化使用者操作介面來執行前、後處理之工作以加強軟體之使用性。為了驗證程式之正確性,使用數個虛擬案例與震動台實驗實例並以程式設計結果、非線性動力分析結果與實驗結果做比較。
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NCREE-2007-022 |
台灣與美國合作後拉式預鑄節塊橋柱試驗研究
在過去的二十年間,以預鑄節塊工法來縮短橋梁建造時間的方式在歐美各國已逐漸受到重視。橋梁預鑄節塊工法讓橋梁工程師除了在可以降低施工期間的意外事件、免除施工期間對交通的中斷及加快建造的速度外,亦可同時確保應有的建造品質及降低橋梁使用年限間的維護費用與建造期間對週遭環境的衝擊。但是,目前大多數的應用多在低地震威脅的地區,且如美國加州及台灣這些屬於中高地震區的地方都沒有任何採用預鑄節塊工法建造的橋柱。因此,為了解採預鑄節塊工法建造的橋梁在強震區的耐震行為,由台灣的國家地震工程研究中心(NCREE)與美國University at Buffalo的地震相關工程研究中心(MCEER)共同建立合作研究計畫。
本研究規劃兩階段試驗,分別為第一階段節塊接頭試驗及第二階段縮尺節塊橋柱試驗。第一階段試驗著重在節塊橋柱的臨界接頭測試,目的在於檢驗消能鋼筋反覆拉拔至破壞所需的埋入深度,及避免鋼筋提早破壞所需的額外脫層長度,而接頭試驗結果亦將回饋至第二階段橋柱試驗之試體設計。第二階段節塊橋柱試驗的目的包括(1)了解橋柱試體於生產、組裝、施拉預力及灌漿作業過程之工作性(2)測試整體橋柱的側向強度、韌性、破壞模式、消能能力及殘餘變位等耐震特性。
試驗結果顯示,本研究所發展的節塊橋柱均具有良好的韌性,韌性係數介於10至18之間,且可依試體的遲滯消能特性區分為C0、C5及C8三種型式。C0型式不含任何消能鋼筋,其側向強度及消能能力雖然不儘理想,但卻擁有最佳的韌性、最低的殘餘變位及最快的建造速度等優點。C5型式具有0.5%之消能鋼筋比,消能能力較C0型式大幅提高至16%之等效阻尼比,並仍保有0.4%之低殘餘變位。C8型式配置1.0%之消能鋼筋比,具有最高的遲滯消能能力(等效阻尼比為22%)及側向強度,但殘餘變位亦提高至2.9%。
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NCREE-2007-002 |
裝設橡膠支承墊於縮尺雙跨橋梁模型之試驗與分析
在台灣橋梁工程中合成橡膠支承墊被廣泛地使用於支承系統,與國外不同的是大部分施工方式並沒有將支承墊上下端部與橋梁構造固定,這樣的邊界條件使橡膠支承墊具有滑動的可能性。在台灣集集大地震中部分使用橡膠支承墊為支承系統之橋梁產生了支承墊嚴重滑移的現象,但在這些橋梁中大部分的橋柱損害情形反而卻很輕微,這意味著支承墊的滑動可能可以減緩地震力的輸入。為了進一步瞭解橡膠支承墊對於橋梁整體在地震力作用下的影響,本文設計了雙跨縮尺橋梁試體並使用橡膠支承墊為支承系統,經由真實地震力的試驗來探討地震力傳遞的路徑,並研究橡膠支承墊對於降低地震力輸入的效果。最後藉由結構數值分析軟體模擬實驗結果,並進一步針對不同的支承系統束制條件進行模擬預測,藉此可比較討論支承束制形式不同時對於橋梁在地震作用下反應的影響。
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NCREE-2007-003 |
滾動式隔震支承應用縮尺雙跨簡支橋振動台試驗研究
橋梁於強震作用下,其下部結構往往受到廣泛的破壞。由前人諸多研究可知,「隔震技術」除了可有效減低上部結構振動程度,更能減低下部結構負擔。滾動式隔震支承為張國鎮教授研究團隊與美國紐約大學水牛城分校合作研發的專利產品。乃是利用滾筒之滾動行為與支承斜度,產生低水平勁度以及受震後能自行復位之新式隔震支承。本論文針對縮尺雙跨簡支橋應用滾動式隔震支承進行一系列振動台試驗,期望了解滾動式隔震支承系統之動力行為與力學特性,並探討其隔震效益與實用性。滾動式隔震支承系統,採用複層設計可抵禦各方向輸入地震;不具顯著頻率,不易與地震外力發生共振效應;且加速度控制效果穩定。種種優點使其深具發展性。
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NCREE-2006-026 |
基因演算法應用於結構主動控制之試驗研究
近年來人工智慧蓬勃發展,例如:類神經網路、模糊理論以及基因演算法。其中基因演算法是由進化論中所提出的「物競天擇,適者生存」之觀念發展而來,近年來已廣泛應用在各個領域上,也包含應用在控制領域。
有鑑於基因演算法在最佳化領域之獨特優點,本研究將其應用於結構主動控制理論,利用基因演算法作為最佳化之工具,來搜尋計算控制力所需的回饋增益矩陣,以降低結構在地震作用下所產生的反應;並且改變一般主動控制之回饋資料,改善主動控制系統之裝置設備,進行試驗研究來驗證理論之可行性,使主動控制系統更適於實際工程應用。
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NCREE-2005-029 |
含非線性黏性阻尼器結構之位移設計法與試驗研究
現今之耐震需求單靠結構發揮韌性來抵禦地震力已稍嫌不足,結構控制概念的加入,可運用消能裝置或隔震系統來降低結構物因地震力傳入之反應,結構物不致發揮太大韌性而造成嚴重破壞,使得在震後仍可正常使用。位移設計法在設計過程中,主要是控制結構物之頂層位移,設計者可根據結構物之功能性或規範規定之容許層間相對位移來設定目標位移,強度及勁度不再是設計中之變數,而是設計結果,且在結構整體或區域之位移變形上,位移設計比強度設計更能清楚洞察到結構損壞及極限破壞之情況。
本文之重點乃在多層結構物上加裝非線性黏性阻尼器,應用位移設計法以控制結構頂層位移,並檢核其加速度,利用平均消散能及平均儲存能推導出結構之等效線性系統:等效勁度、等效阻尼比;同樣以平均消散能提出非線性黏性阻尼器之等效線性阻尼比,並評估結構單、多模態位移貢獻對等效阻尼之影響,以及比較與Constantinou提出之等效阻尼比在位移設計法上之差異,最後以三層樓鋼構架加裝非線性黏性阻尼器進行振動台試驗,將實驗、位移設計結果與非線性歷時分析互做比較。
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NCREE-2005-030 |
裝設橡膠支承墊於橋梁縮尺模型之試驗與分析
合成橡膠支承墊廣泛使用於台灣的橋梁工程中,依交通部橋梁設計規範所述,橋梁設計時可以考慮以橡膠支承墊減低地震之影響,但是在橋梁工程中橡膠支承墊是屬於一般支承,並非為抗震機制,因此有關於橡膠支承墊對於橋梁在地震歷時反應中之影響為何
之相關研究並不多,因此更需要透過實驗去了解其特性。
了解橡膠支承墊對於橋梁結構的影響之前,對於橡膠支承墊的基本性質與摩擦性質必須先充分掌握,必需藉由實驗去了解橡膠支承墊的摩擦行為。現今的商業結構分析軟體已具備結構模擬與分析能力(如SAP2000、ETABS、PISA3D等),各種耐震消能元件也可經由適當的非線性元素加以模擬,但程式中元素的參數是否真能代表結構真實行為還需更多試驗結果的驗證。在本研究中建立解析模型進行分析,並將試驗結果與分析結果作比較,建立合理的數值模型。
由於台灣橋梁工程中橡膠支承墊的施工方式與國外施工方式不同,台灣橋梁工程在施工時合成橡膠支承墊上下面並沒有固定,因此,在1999年台灣集集大地震中,有些裝設橡膠支承墊的橋梁在支承的部份產生滑動破壞的現象,但卻觀察到另外一項特殊的現象,即當支承發生嚴重的滑移現象,下部橋柱的損害反而很輕微,因此說明了支承扮演保險絲角色與力量傳遞路徑的重要性。在本文中建立了一座縮尺橋梁模型,藉由震動台試驗去觀察橡膠支承墊對於橋梁於地震反應的影響,並探討是否有相同於921集集大地震中支承滑動後降低橋柱受力的現象與解析傳力的路徑。
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NCREE-2005-035 |
預鑄節塊橋墩試驗及行為研究
橋梁預鑄節塊工法是一結合預鑄產製及機械化吊裝的施工方式,其在生產上由於採預鑄方式製造,因此品質控制較為穩定。此一工法在橋梁上部結構已行之多年,然對下部結構而言,因礙於地震帶的使用疑慮,因此雖然此一工法具有低環境衝擊、高機械化作業以及快速施工等優點,但目前台灣仍處於學術研究階段,有待進一步排除施工障礙及疑慮。
本研究以後拉式預鑄工法橋柱為對象,探討後拉式預鑄橋柱於地震帶應用的可行性,研究中針對四組大尺寸橋柱試體進行探討,其內容包括無握裹的後拉式預力鋼腱橋柱以及有握裹的後拉式部分預力鋼腱橋柱兩種,另外臨界斷面也採用不同的設計,以探討柱底半預鑄介面、全預鑄介面以及鋼筋續接方式的影響。此外針對節塊介面的剪力傳遞機制,也透過不同的介面剪力設計,了解其設計需求。而高達11公尺的試體製造與組立,更可模擬真實橋柱的施工狀況,評估未來實際施工時的可能瓶頸,以作為實務應用參考。
研究結果顯示本研究所發展之握裹性鋼腱預鑄節塊橋柱,在採用適當的消能鋼棒的設計下,具有低殘餘變形及可觀的塑鉸消能,可應用於地震頻繁地區。至於全預力無握裹性鋼腱橋柱,雖然具有低殘餘變形的優點,但其消能能力不佳且強度偏低,在應用上宜搭配其它消能機制較無應用的疑慮。
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NCREE-2005-011 |
鋼筋混凝土結構物加裝消能器補強之位移設計法
耐震設計觀念日新月異,目前以功能設計法為主要走向,而位移設計法則是在此潮流下所發展的新觀念。位移設計法是在設計過程中以位移為主要設計參數的設計方法,設計者根據結構物功能目標直接設定目標位移,強度及勁度在設計過程中不再是變數,而是設計結果。本文根據替代結構觀念以等效勁度及等平均消散能的等效阻尼方式,對於既存之鋼筋混凝土結構物加裝各類型消能裝置補強,提出一套合適之位移設計流程,並與非線性歷時分析進行比較,分析結果證實位移設計法之可靠性,除能準確預估控制位移也能對加速度做一簡單快速的評估。
本文並利用ATC-40、FEMA273等位移評估方法,針對一非韌性鋼筋混凝土雙層雙跨構架與本文之位移設計流程進行比較,結果顯示本文之位移設計法在加裝消能裝置上有較高的準確性。另對於過去建築常見之柱底主筋搭接、非韌性配筋等問題配合加勁板—複材補強工法(CS工法)及加裝消能裝置補強等方法進行評估分析及擬動態試驗。分析評估包含反覆載重分析及非線性歷時分析。分析結果顯示CS 工法能有效排除柱底主筋搭接破壞,利用位移設計法加裝消能裝置可有效控制位移。擬動態試驗結果顯示非韌性鋼筋混凝土構架需先針對其破壞控制點—脆性破壞之剪力容量進行補強,再佐以CS工法補強主筋搭接問題、加裝消能裝置控制結構物位移,如此便可有效補強非韌性構架達到其功能目標。
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NCREE-2005-006 |
既有鋼建築物加裝消能器補強之位移設計法
位移設計法是在設計過程中以位移為基礎的設計方法。在設計的過程中,工程師對於一特定的目標位移來完成設計,強度及勁度在設計的過程中不再是變數,而是設計的結果。對於一在臨界的位置上產生塑性機制的韌性需求,常被視為結構破壞的重要依據。在最近幾年,地震設計的目光都集中在整體性或區域性的位移變形上,而位移設計即是比強度設計更為清楚的洞察到結構損害和極限破壞的情況。
本報告的重點著重在於既存多層建築物加裝各類消能器之補強設計,而加裝之消能器須滿足給定之功能目標。此提出的設計流程主要是以頂層位移為控制,頂層加速度的檢核為輔,應用替代結構法及非線性靜力之過程來完成設計。不少文獻對於含阻尼非線性結構之等效線性系統提出了不同的等效勁度及等效阻尼比,但大都是以在簡諧運動下,結構的共振振幅及共振頻率為依據,其並未考量到結構在受震時較小位移的反應。基於此,本報告提出了以平均的儲存能及平均的消散能為依據,來推導出等效線性系統之等效勁度及等效阻尼比,其中等效阻尼比同時考量到結構非線性行為及各類消能裝置之消能機制。此法適用於多層樓之鋼建築物,且設計結果將與非線性歷時分析和實驗結果作比較。
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NCREE-2004-027 |
橋梁功能性支承系統參數之研究-橡膠支承墊力學行為與摩擦係數之測定
依據交通部橋梁設計規範所述,橋梁設計時可考慮以橡膠支承墊減低地震之影響,惟實務上較少見以此為抗(耐)震機制,究竟採用橡膠支承墊對地震效應之影響與反應如何?此類相關問題,學術界與橋梁工程師大多著眼於研究含鉛心的隔震支承(LRB)或阻尼式制動設施,較少單獨針對橡膠支承墊對橋梁地震反應之影響提出見解。現今的商業結構分析軟體已具備強大的結構模擬與分析能力(如SAP2000、ETABS、PISA3D 等),且已有多種非線性元素可供選擇,各種耐震消能元件也可經由適當的非線性元素加以模擬,但元素中所需的參數是否真能反映結構真實行為?本文即就國內早期以及現今橋梁常用的合成橡膠支承墊,除了對其基本的力學性質作測試外,並針對規範中摩擦係數一概以0.15 作為合成橡膠支承墊所傳遞的地震力作探討,討論合成橡膠支承墊在不同界面上的摩擦係數,以建立合理的數值模型。此外,合成橡膠支承墊在遭受地震力時,其力學行為是否單純僅有摩擦造成的影響?是否有其它因素導致真實位移不能僅由單純的支承滑動摩擦行為來預測?是故除了在不同界面的摩擦係數測定外,並進行擬動態試驗,將實驗結果與解析模型分析結果作一比較,以作為驗證或修正解析模型的依據。
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NCREE-2004-019 |
基因演算法於主動控制之應用
921 集集地震之勘災調查顯示,中低樓層的鋼筋混凝土或加強磚造結構物遭受了極大的損害。其損壞之主要原因除施工品質普遍不佳外,大致為牆量不足或牆之配置不當等。這些建築通常未作結構設計,未提供韌性鋼筋配置,且通常於柱頭處搭接。近年於國家地震工程研究中心所完成及其他研究單位之實驗結果顯示,非韌性配筋及柱頭處搭接將無法達到其設計強度且將造成脆性之破壞。故在未來之地震威脅下,中低樓層鋼筋混凝土建築物仍是一群岌岌可危的結構。
本講習會就上述目的首先將針對非韌性RC 含牆構架的特性進行說明,包括地震對非韌性含牆構架所造成的損害和常見構架破壞模式,進而利用數值模擬、分析模型及耐震評估方法來解析含牆構架的行為及破壞模式。接著,根據評估結果及破壞模式,提出可行補強方案,經過實驗測試,確實可以產生良好耐震效果來補強構架不足之處,補強方式有:擴柱;鋼框架;翼牆;鋼纜和碳纖維貼片;條狀碳纖板;及鋼板和碳纖維貼片等補強方式並提出設計方法供業界參考。希望本講習會所介紹之研究成果可用以改善這些年代較為久遠且耐震能力不足的建物,提昇對人民安全及財產的保障。
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NCREE-2004-020 |
光纖光柵感測器應用於橋梁結構監測之研究
就橋梁工程而言,相關的建造技術已經日趨成熟,而在設計施工階段的安全都有一定的標準,然而左右橋梁長期的安全的重要因素卻是完工後的監測與維修。光纖光柵感測器其優點在於徑細質輕、可撓性高、耐惡劣環境、可一條線路量測多點應變,而且也已經證實其傳輸訊號較傳統電阻
式應變計還要穩定,因此非常適合作為感測監測系統之元件。
本文在研究有關光纖光柵於橋梁監測之研究,運用光纖光柵感測器針對中二高烏日橋進行長期的監測,並搭配遠端訊號傳輸,建構一套完整的橋梁監測系統。並且研發光纖沖刷計,由相關試驗驗證其可行性,並改進其缺點,使其可以安裝於現地之要求。最後搭配新的監測技術-BOTDR,並由一些簡單的試驗驗證其量測值的準確性。期待可以藉由以上的研究成果,提供新的感測技術做為參考,日後可以建立更穩定、可靠的橋梁監測系統,以保障生命財產之安全。
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NCREE-2004-021 |
集鹿斜張橋委託監測工作
921 地震過後,全台多處的橋梁產生嚴重損壞,其中最特別的就是位於南投縣集集鎮的集鹿大橋。由於集鹿大橋破壞部分為主橋斜張橋部分,再加上此橋為世界上第一座因地震破壞的斜張橋,因此,集鹿大橋所受到的受損格外受到矚目。也由於斜張橋之緣故,所以修復上需要專門的技術,故為了確保橋梁的安全性,公路總局委託國家地震工程研究中心於橋梁修復期間協助進行橋梁監測。
由於鋼纜對斜張橋而言十分重要,因此,於本計畫執行的期間,監測部分均以鋼纜作為主要的監測項目,配合著公路局的水準量測,以確保橋梁於修復過城中的安全性。同時,為了協助包商進行鋼纜的修復工程,本計畫團隊進行如何求取精確鋼纜索力的研究,以協助包商順利完成修復工作;最後,待修復工程結束後,國家地震中心為此橋梁進行載重試驗,檢核修復後橋梁之安全性,以作為公路總局針對此橋通車與否之參考依據。
在未來長期監測的考量下,本文嘗試以強迫震動試驗所獲得的頻率對集鹿斜張橋的數值模型進行修正,以為此橋梁日後之使用;並且為了橋梁長時間的安全性,本文嘗試提出以邊跨頂升試驗配合二側鋼纜的微振量測,再利用本文所提出的索力計算方式和強迫震動試驗後修正的模型,進行試驗配合分析的構想,希望藉此初步求得現狀橋梁的內應力狀態,以作為日後長期監測的基本數據。
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NCREE-2004-022 |
光纖監測器之應用與發展研討會論文集
光纖感測器作為監測與偵測技術,並應用於土木結構物上,近幾年來受到許多人之注意;歐、美、日等國家相關研究單位在政府大力支持下,投入相當多的人力、財力與物力進行相關技術之開發與研究;國內在交通部與國科會等部會支持下也有許多學者從事相關研究。
本研討會將就國家地震工程研究中心於光纖監測應用於橋梁之研究,就光纖監測與量測之多年研究,包括高速公路橋梁長期監測、車輛超速和超載研發以及應用光纖監測技術於河川橋梁沖刷問題,提出研究成果並分享相關經驗。希望能提供各界對於土木結構體之監測警示方式與建築物相關之監測系統有更為可靠的技術與經驗,並請諸位先進和我們一起作更深入的探討,也希望相關的研究能對工程界有所助益。
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NCREE-2004-014 |
集鹿大橋震害評估與修復之研究
1999 年9 月21 日凌晨1 點47 分,台灣發生了百年難得一見的大地,這次地震造成全台嚴重的損失,包括人民的生命財產以及房屋、橋梁等結構物的損壞或倒塌。根據中央氣象局地震測報資料顯示,921 集集大地震震央位於北緯23.85°、東經120.82°,即日月潭西偏南方12.5 公里處,地震規模為芮氏規模7.3,震源深度8.0 公里,而在南投縣附近所測得的最大地表加速度更高達1g。
集鹿斜張橋位於南投縣,跨越濁水溪,為通往集集與鹿谷間之一座重要橋梁(即發生地震仍須維持正常通行),由於鄰近集集鎮,為配合觀光需求,是以斜張橋形式建構此橋,盼以結合集集鎮、鹿谷鄉二地,共同發展成一整體性的觀光地區。於921 大地震之際,此座由T.Y.LIN 顧問公司所設計的斜張橋正值施工的最後階段,除最後四塊因工作車架設需求而尚未安裝的外伸斜撐版及後續的粉飾工作外,全橋大抵完成,卻於此次地震中受到重創。由於目前顯少有斜張橋於地震之中破壞的案例,所以此次集鹿斜張橋於921 集集大地震中的破壞頗受各方關注。
本文中,針對集鹿斜張橋的破壞情形先行說明:最嚴重的破壞發生在橋梁的主梁處 (包括了靠近橋塔處及帽梁端);其餘破壞則是發生在塔體底部 (包括橋塔底部混凝土的剝落及塔底向上延伸13 公尺的縱向裂縫),至於主梁下方P12 墩柱底部僅發生微裂縫。關於集鹿斜張橋於地震下之行為本文以SAP2000 結構分析程式進行模擬,至於橋梁破壞評估則是藉由比對橋梁於地震中所發生之行為及結構各構件承載力之方式進行。
於階段性修復工作完成之後 (除鋼纜部分外),為了通行小行車之需要,公路局委託國家地震工程研究中心進行載重試驗,以確保小型車通行的安全性。關於此次試驗,主要包含四部分的測試內容,全橋滿載試驗 (二跨各300 公噸重車載)、單跨滿載實驗 (一跨600 公噸重車載)、扭力測試 (二跨各300 公噸重偏心車載)以及逐步加載試驗 (修復後橋梁性質測試)。有關實驗結果,本文以數值分析進行比對,並探求分析與實驗結果產生差異之原因。
為了配合集鹿斜張橋第二階段鋼纜的修復工程,本文藉由實驗數據配合分析方式找出一組屬於集鹿斜張鋼纜特性的索力計算參數,希望藉由此套參數配合Zui 等人所推導出的精算索力公式,能準確的找出鋼纜索力,協助鋼纜的修復工程之進行,使整個修復工作能及早完成。
未來,為了橋梁長期使用安全性的考量,確實瞭解全橋狀態有其必要性。集鹿斜張橋為修復後橋梁,因此橋梁內力的求解上,無法單純以分析方式獲得,所以本文提出一套內力求解的流程,希望藉由頂舉試驗及微振量測的試驗結果先使全橋結構轉換成靜定狀態,然後透過數值分析,初步計算出橋梁內力狀態。
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NCREE-2003-034 |
Neural Network Control of Structure with FBG Optical Sensors
本論文研究的主旨乃在於提出一套簡寫為NEURO-FBG 之智慧型結構控制系統。 針對此一控制系統之理論分析與實際驗證均在本論文中詳加討。在理論分析的部分, 智慧型結構控制系統乃由兩個部分所構成, 分別是NEURO-FBG CONVERTER 與 NEURO-FBG CONTROLLER。 光纖光柵感測器(FBG SENSOR)為一源自光電領域的被動元件。由於光纖光柵感測器可提供精確、靈敏且及時的量測訊號,在與傳統之感測器比較下具有極大的優勢,因此在本研究中於結構物上安裝六組光纖光柵感測器以作為整體智慧型結構控制系統的神經單元。
以往光纖光柵感測器只能被應用於單純的應變或溫度量測,為了能夠進一步擴大光纖光柵感測器的應用範圍,本研究利用類神經網路提出三組NEURO-FBG CONVERTER 以將局部的應變訊號轉換為諸如位移、速度之結構物的整體反應。藉由所建立的NEURO-FBG CONVERTER 搭配預先設計的控制目標, 針對任一時間的最佳控制力可被搜索並作為訓練NEURO-FBG CONTROLLER 之依據。為了證實所提出的智慧型結構控制系統之效能,理論分析的部分將結構物在未控制、傳統主動控制(LQG)及 EURO-FBG 控制下的反應均做了完整的比較,另外針對控制系統在時間延遲與訊號損毀的情況下也均加以測試。理論分析的結果顯示出所提出的EURO-FBG 控制系統能有效的評估結構物的能量場並提供較傳統主動控制更有效的控制行為。
為了進一步證實此一智慧型結構控制系統於實際應用之可行性,本研究更進一步利用國家地震中心的三層樓實尺鋼結構進行實驗。針對真實結構物建立其NEURO CONVERTER 與NEURO-FBG CONTROLLER ,同樣的實驗的結果亦與傳統主動控制進行比較。實驗的結果再一次的證實了此一新提出的NEURO-FBG 智慧型結構控制系統可以有效的控制結構物在外界擾動下的反應並提供一完善的保護措施。
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NCREE-2003-035 |
光纖光柵感測器之類神經網路結構控制研究(II)
本文延續國科會之「光纖光柵感測器類神經網路智慧型結構之應用」第二年度計畫;並由上一年度,林子剛博士所著之「光纖光柵感測器之類神經網路結構控制研究」[37]之成果,其所提出的控制方法中,事先建立類神經光纖光柵感測轉換器(Neuro-FBG converters [37] )來重建與預估結構物之狀態,若應用於實際結構物需透過強迫震動或自由振盪試結果,進行訓練Neuro-FBG converters。但就類神經網路的預測與學習效果屬內插性質,因此,無法預測與重建高於訓練強度下之結構狀態,若直接提高外力擾動,則有使結構物受損之虞,這使得該方法可能在實際應用將遭受困難。
為解決上述問題,遂於本文提出一簡化可行之改進方法,以一相對位移-應變關係係數來描述位移及應變間之關係來直接預測結構反應,並藉由所預測之位移及速度反應,搭配預先設計之控制目標,搜索最佳控制力並作為訓練類神經網路控制器﹙Neuro-FBG controller﹚之依據。使得整體類神經網路的訓練僅於計算機上作業即可,並可輸入多種地震作為訓練樣本,使整體設計過程單純化,並將問題簡化為系統識別所得之動力參數是否能有效描述結構行為而已。並依本文所提之控制方法,另行設計一縮尺模型,做單軸向主動控制試驗以驗證其可行性。在理論分析及試驗部分,也分別考慮對不同動力參數、訓練樣本總數與輸入參數做一完整比較,提供於實際設計之最佳建議。配合整體的類神經網路結構,針對本文所提之類神經主動控制系統,可藉由小地震的發生,不斷的經由自身系統識別修正結構參數,再經由新的參數訓練Neuro-FBG controller,如此不斷的自我學習,以使智能結構保持最佳狀態。
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NCREE-2003-039 |
含磚牆鋼筋混凝土構架耐震補強研究
921 集集大地震後,中部地區低矮型建築物之損傷慘重,而各種補強方法亦隨之而起,但對於磚牆的補強研究國內甚少,本文將針對磚牆之結構物進行碳纖維Carbon Fiber Reinforced Plastic(CFRP)補強研究,利用反覆加載試驗對填入式磚牆進行全尺寸試體研究,探討磚牆補強後之耐震行為及能力。
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NCREE-2003-028 |
光纖感測監測之應用與發展研討會
光纖感測器作為監測與偵測技術,並應用於土木結構物上,近幾年來受到許多人之注意;歐、美、日等國家相關研究單位在政府大力支持下,投入相當多的人力、財力與物力進行相關技術之開發與研究;國內在交通部與國科會等部會以及民間機構之支持下也有許多學者從事相關研究,本研討會將請國內相關學者,就其光纖監測與量測之多年研究,提出研究成果並分享相關經驗。此外,監測技術之發展日新月異,許多先進的觀念與技術相繼應用於現地橋梁工程,本研討會亦將加以探討相關技術之發展與應用。
本研討會將與國內各工程先進們一起探討國、內外光纖技術之研究發展與應用最新現況,並就國內橋梁之河川沖刷監測、新舊橋梁之監測技術,以及地層移動監測技術、軌道安全監測等問題提出研究心得;本研討會也同時協請廠商展示其光纖監測儀器與感測器,配合現場模型試驗之說明與實地操作,希望能提供各界對於土木結構體之監測警示方式與建築物相關之監測系統有更為可靠的技術與經驗,並請諸位先進和我們一起作更深入的探討,也希望相關的研究能對工程界有所助益。
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NCREE-2003-020 |
先進光纖預警監測技術之研發(一)
本文藉研究團隊歷年於光纖光柵感測器應用在結構監測的經驗,由實際監測工程案例驗證光纖應變感測系統之可行性,及相較傳統電阻式應變感測系統,光纖感測器更適合作為結構監測系統元件之證明。並以光纖應變感測技術為基礎,藉由設計適當量測機制,以光纖布拉格光柵中心反射波長飄移,相應感測受力元件特定點應變變化,感測結構傾斜及沖刷深度變化,研發光纖傾斜儀及光纖沖刷計,均由相關試驗驗證感測機制可行,並獲致具體之初步研究成果。最後導入橋梁光纖監測系統之建構理念,預期將各式符合橋梁監測項目需求的光纖感測器,搭配未來完善的光纖通訊網路,整合為完整的橋梁監測系統。
而目前國內尚缺監測系統設備相關檢測機構以及感測技術標準規範,作為監測技術本土研發潛力之後盾,因此仍有賴政府致力於提升國內中小企業活力、促進資訊科技發展、防災工程專業化及公共預算投入的政策來支持。環顧國內現有工程生態的困境,多數已超脫工程技術性問題,但展望土木工程領域與新世紀科技的結合已然成為未來突破困境的方式,本研究驗證光纖感測技術為可行方向之一,期待能藉由研究成果提供後進研發新式感測技術之參考,日後能建構更穩定、更可靠且符合經濟成本效益之橋梁結構監測系統,完成新世紀橋梁安全管理體制之政策目標。
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NCREE-2003-022 |
SCFRP含牆非韌性構架之耐震補強實驗與分析
台灣地區由於人口結構不同於其他國家,因此建築物常使用多量的磚牆或鋼筋混凝土牆作為隔間之用,但由於主體建物之側向勁度和強度較牆為弱,而這些具有較多牆體之建築的耐震行為可能由牆決定,因此,若能在不佔空間的情形下,以補強方式有效地提高牆的抗震能力,使其承擔大部分之地震力,即可減少梁柱構件受地震破壞之情形發生。
本研究主要是以不佔空間之條狀複合材料版(如FRP 複合材料)進行含磚牆非韌性構架之補強,試驗牆體分為1B 及B/2 磚牆厚度厚等型式,將這些牆體以條狀複合材料版補強後,進行反覆載重試驗,並與未補強之牆體型式的試驗結果進行分析,除可以了解其耐震能力及破壞模式,研究含牆之非韌性構架的耐震行為,亦可探討本計劃所提補強方式之可行性,並建立相關實驗數據,作為日後分析含牆構架行為模擬之依據。
最後,將以上所建立的非線性分析模式應用至二層二跨之含牆構架作為實例探討。
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NCREE-2002-036 |
921 集集大地震橋梁災後重建及補強資料彙整與研究
1999 年9 月21 日,南投縣集集鎮發生了芮氏規模7.3的強烈地震,為台灣史上罕見的大地震,此地震為車籠埔斷層錯動所造成,造成地表破裂面長達83 公里,由北到南分別穿越台中縣之東勢、石岡、豐原、太平、霧峰,以及南投縣之草屯、名間、竹山等地,斷層鄰近之建築物及橋梁嚴重受損。車籠埔斷層經過之橋梁均發生落橋,由北而南分別為石圍橋、長庚大橋、碑豐大橋、一江橋、烏溪橋、名竹大橋、桶頭橋等。
地震後至今,震害受損橋梁多已修復完成,本報告收集橋梁之破壞模式,橋梁災後之緊急搶修以及橋梁災後重建之過程。地震時由於橋梁必須維持通行,讓救災人員進出及救災物資的可以運輸,因此震害受損橋梁之緊急搶修為分秒必爭的工作,橋梁之緊急搶修方式包括1.封閉橋梁,車輛
改走替代道路。2.緊急鋼構架支撐。3.臨時便道。每一種搶修方式有其地理位置與地形環境的考量,本報告將分析其優缺點及適用情況。
搶修為暫時過度之方法,震害受損橋梁欲恢復昔日的功能,則橋梁必須進行修復重建,本報告將紀錄及分析修復及重建之決策考量。
台灣是一個地震活動相當頻繁的島嶼,地震去而復返,因此防範地震災害的工作不容懈怠,地震是一種大型的天災,無法預先模擬演習,921地震雖然造對台灣造成慘痛的傷害,卻也成了我們學習如何在地震後應變的寶貴經驗,在此我們收集了此次地震後包括公路總局、國道新建工程局,以及台中縣政府等單位的搶修及重建經驗,希望藉由這些經驗的收集,若日後發生災害時,可以提供橋梁工程師或決策者作決定的參考依據,以期讓搶修重建時間縮短,且可以更經濟更安全。
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NCREE-2002-047 |
條狀複合材料版於磚牆耐震補強研究
台灣地區由於人口結構不同於其他國家,因此建築物常使用多量的磚牆或鋼筋混凝土牆作為隔間之用,但由於主體建物之側向勁度和強度較牆為弱,而這些具有較多牆體之建築的耐震行為可能由牆決定,因此,若能在不佔空間的情形下,以補強方式有效地提高牆的抗震能力,使其承擔大部分之地震力,即可減少梁柱構件受地震破壞之情形發生。
本計畫為整合型計畫「含牆結構物之耐震能力評估與補強」之第三個子計
畫。本子計畫旨在應用不佔空間之條狀複合材料版(如FRP 複合材料)進行磚牆或RC 牆之補強,試驗牆體分為磚牆厚度為B 及B/2,RC 牆厚度為12cm 與15cm等四種型式,將這些牆體以條狀複合材料版補強後,進行反覆載重試驗,並與總計劃之未補強四種牆體型式的試驗結果進行分析,除可以了解其耐震能力及破壞模式,研究含牆之非韌性構架的耐震行為,亦可探討本計劃所提補強方式之可行性,並建立相關實驗數據,作為日後分析含牆構架行為模擬之依據。
本報告主要是針對第一年試驗結果進行說明,探討以條狀複合材料版進行磚牆之補強成效,並建立相關實驗數據,作為日後分析含牆構架行為模擬之依據。
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NCREE-2001-029 |
光纖分佈式式結構監測研討會
土木結構物,尤其是橋樑的維護管理與監測,在數量龐大、構件龐雜的條件背景之下,執行上相當困難繁瑣,因此因此橋樑之維護管理如檢測、評估與監測自動化非常重要,而且公共工程亟需可靠的監測系統,目前國內外對於橋樑快速檢測、電腦化橋樑評估與監測預警系統等正進行中研究,若國內能夠開發可靠性與自動化之安全監測技術,相信對於國內橋樑之安全性及行車人員之安全必能更加確保;光纖光柵感測器結合了許多的優點,如體積小、徑細質輕、不受電磁干擾、光譜編碼、耐腐蝕、易於埋入結構物、可撓性高、耐高溫及可以作為分佈式多工監測網路等,適用於各種土木結構物的應變與溫度監測。光纖光柵應用於智慧結構物及土木工程各領域,作為即時及長期之感測元件,近年來美、加、日、歐、韓等先進各國均投入龐大之研究經費,並且已邁入實用化階段,本研究團隊在交通部科技顧問室的支持下,從事光纖感測系統技術方面之開發,希望相關的研究與經驗能對工程界有所貢獻,並提供橋樑系統安全監測及預警系統方面一個思考的方向。
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NCREE-2001-026 |
壁式黏彈性阻尼器於建築結構之應用
加黏彈性阻尼結構力學行為與其優異抗震能力已於過去諸多試驗及文獻中被廣泛提及。似耐震間柱之壁式黏彈性阻尼器首次應用於國內結構工程。
與以往斜撐型式黏彈性阻尼器相較,壁式黏彈性阻尼器可提供較多開放空間與方便之組裝維修性,符合建築結構設計及功能性要求,另對於勁度較高之結構可由增加黏彈性材料面積提升消能能力。
本研究於國家地震工程研究中心內從事壁式黏彈性阻尼器反覆循環載重試驗與振動台試驗。反覆循環載重試驗之試驗結構為實尺寸1/2 縮尺結構模型,於設計溫度下,改變阻尼器振動頻率與其剪應變,並討論阻尼器兩側斜撐之有無與其型式對於含阻尼器結構及阻尼器本身力學行之為影響。
振動台試驗中,欲了解壁式黏彈性阻尼器於勁度偏高結構內行為表現,選擇一勁度較高之2/5 縮尺鋼結構模型。對試驗結構輸入八類不同地震,
別為EL Centro、Capitola、Kobe、Newhall 與四組集集地震歷時記錄,並改變壁式黏彈性阻尼器兩側角撐排列方式。依實驗結果與有限元素分析模擬比較,探討加壁式黏彈性阻尼器結構阻尼比及其動力反應,並將結論應用於實際結構物動力分析內。
現有諸多結構阻尼比估算方式,如模態應變能法、能量法、自由振動等,掌握結構模態阻尼比,即可準確預測結構動力行為,對於其後結構設計分析有顯著助益。阻尼器力學性質多半由材料測試經驗公式計算而得,選定一設計溫度與設計剪應變後,即可知阻尼器彈性勁度與阻尼係數,或耗損係數。
將計算所得參數置於含阻尼元素之分析程式(如SAP2000N)內,利用Kelvin阻尼元素模型可得結構動力反應。另一種方式為配合模態應變能法,引入有效耗損係數之概念,計算正確結構阻尼比並置於無阻尼元素分析程式中(如DRAIN2D+),亦可得良好模擬結果。
最後,本文對於材料性質為ISD-111 之加壁式黏彈性阻尼器結構設計分析流程提出一建議之設計程序,使日後他人使用此型式阻尼器作結構分析時,能有一簡單快速有效的參考依據。
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NCREE-2000-034 |
RC矩形橋柱FRP剪力及搭接耐震補強之研究
國內依照舊規範所設計的鋼筋混凝土矩形橋柱,普遍有抗剪能力不足的問題,如箍筋量不足、箍筋間距過大、箍筋於距離基礎面上一個柱的直徑後即放寬為塑鉸區之兩倍,或因現場施工、橋柱防止土石流沖刷的設施,使得橋柱的?高度降低,在崩塌級地震來臨時,造成短柱剪力破壞或彎矩-剪力破壞,除此之外,主筋在塑鉸區搭接,也會造成橋柱的搭接破壞,針對這兩種常見的施工缺失,本研究規劃四座試體,其中包括一座縮短其高度舊橋樑設計規範設計之試體,一座為百分之百搭接舊橋樑設計規範設計之試體,另兩座同樣試體則進行FRP包覆補強,以對照研究。
以上面四座橋柱試體於國家地震工程研究中心 (NCREE) 進行反覆載重試驗,以了解舊規範橋柱以及FRP包覆補強後,橋柱之剪力破壞行為和搭接破壞行為,以及補強之後的效果,並進行理論分析,以探討規範的適用性。
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NCREE-1999-037 |
圓形橋柱碳纖維耐震補強之研究
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NCREE-1999-050 |
智慧型光纖感測器於結構主動控制可行性研究
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NCREE-1999-055 |
九二一集集大地震全面勘災報告-橋樑震害調查
根據最近的統計資料,在有災情傳出之地區中(包括省縣及區域道路)大約有近千座之橋梁。於此次大地震中,大部分橋梁並未受損,但有將近20%之橋梁受到不同程度之損傷(圖1.1、1.2),其中二十餘座橋被列為嚴重損壞。在此嚴重損壞定義為發生落橋或主要結構桿件嚴重損壞而必須封橋直到修復或重建完成為止者。這些嚴重損壞之橋梁其橋齡由不到一年到三十多年不等 (圖1.3),除貓羅溪橋及尚未完工之集鹿大橋外,結構系統大多為簡支式(名竹大橋之橋面版連續),但多具防落裝置。由圖1.3可看出,大部分嚴重損壞橋梁完工日期為民國76年以前(68%),而最近完工或接近完工之橋梁,僅兩座嚴重受損。圖1.4~1.6為九二一大地震嚴重損壞之公路橋梁與斷層線及地震強度關係之示意圖,表一則是嚴重損壞橋梁之基本資料。嚴重損壞橋梁之破壞模式包括斷層錯動造成落橋、橋墩剪力破壞、橋柱與上部結構之接頭損壞、直橋及斜橋因支承座長不足而落橋、鋼纜線斷裂、以及橋台及邊坡或液化造成之基礎破壞等。
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NCREE-1999-029 |
加黏彈性阻尼器實尺寸鋼結構振動台實驗與分析
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NCREE-1999-030 |
鋼筋混凝土橋柱耐震分析與FRP補強之研究
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NCREE-1996-001 |
Earthquake Resistant Design of Structures with Added Viscoelastic Dampers
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NCREE-1995-006 |
加黏彈性阻尼器足尺結構之研究(一)
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