5-1 實驗模擬計畫
一、實驗動機與目的 (一)實驗動機
對於疊斗式木構架長期監測的概念，本研究冀望從監測結構體對微 振動或中小型地震之加速度反應近而推算結構體的基本週期，試圖探討 長期監測結構體基本週期與結構整體破壞前後之間的關聯性，並模擬結 構體局部構件破壞來探討對於整體架構的影響程度。
(二)實驗目的
本實驗針對於疊斗式木構架的模型進行在水平振動平台上的振 動反應，透過在木構架的模型上安裝加速度規，以量測木結構在 sine wave 05.Hz 下的加速度歷時反應，實驗目的在於識別出實體的木構架 模型的基本週期，以及透過對模型模擬構架局破損毁的案例來比較各 局部毀損對基本週期的變化情形。
二、實驗範圍與內容 (一)實驗範圍
1.選材
本研究選定以紅檜為實驗用材，因為以縮小模型來模擬疊斗式木構 架時，紅檜較適合製作和實驗之用。
2.疊斗式木構架的尺寸
本研究考量疊斗式木構架尺寸資料的齊全，擬以台中張廖家廟為製 作模型之參考依據。資料不足之處則以其他相關文獻為輔，建立疊斗式 木構架之主要構件實體模型。疊斗式木構架模型則如圖 5-1 至圖 5-7 所 示。
圖 5-1 疊斗式木構架模型側面
圖 5-2 疊斗式木構架模型
3.模型的比例與製作
模型比例受限於水平振動平台之尺寸，長 60cm，寬 42cm;故本實驗之 模型縮小比例為參考尺寸資料之 1/20，置於水平振動平台則另需設置轉 換座來安置。模型的製作則由位於鹿港森華雕刻部之林保釗匠師製作。
圖 5-4 疊斗式木構架模型棟架細部 圖 5-3 疊斗式木構架有覆蓋屋頂模型
(二)實驗內容
本實驗針對於疊斗式木構架的模型進行在水平振動平台上的振動反應，
透過在木構架的模型上安裝加速度規，以量測木結構在 sine wave 0.5 Hz 下 的加速度歷時反應，藉以識別出實體的木構架模型的基本週期，並比較在局部 毀損前後的基本週期變化情形為何。
此外依序對於木構架進行不同程度的毀損，而加以量測木結構在長向 sine wave 0.5Hz 振動型態下的基本週期，藉以探討在整體結構中，不同的局 部毀損下，各種狀態的基本週期和未毀損前的基本週期的改變狀態。
圖 5-5 疊斗式木構架有覆蓋屋頂模型棟架細部
圖 5-6 疊斗式木構架模型內部棟架細部 圖 5-7 疊斗式木構架模型托木細部
5-2 實驗儀器與設備
一、感測計-加速度計 3 個 二、訊號擷取及處理設備
(一)PCI-6052E Multi.
I/O Board and NI-DAQ S/W (二)DEWE-RACK-16
16-slot stand-alone rack, rear panel connector
factory configured for NI-MIO-16E series , power supply 110 VAC (三)Connection cable
DEWE-RACK-16 (四)DAQP-BRIDGE
Strain gage amplifier,ranges and filters programmable
full bridge sensors 120O Ohm to 10k Ohm excitation 2.5, 5, 10 or 15 VDC,
selectable ranges ±0.1, 0.2, 0.5, 1, 2 and 5 mV/V, bandwidth DC to 20 kHz,
selectable filters: 10, 100, 1000 and 5000 Hz, accuracy ± 0.05 %,
connector: 9 pin 三、建築結構行為監視訊號轉換軟體
(一)作業平台：Lab View
即時顯示結構件內力及變化 四、水平振動平臺
(一)控制器
(二)水平振動平台
圖 5-8 實驗儀器與設備圖
5-3 局部構件損毀比較實驗
本實驗針對於疊斗式木構架的模型進行在水平振動平台上的振動反 應，透過在木構架的模型上安裝加速度規，以量測木結構在 sine wave 0.5 的加速度歷時反應，藉以識別出實體的木構架模型的基本週期，並比較在 不同頻率的 sine wave 振動下，局部毀損前後的基本週期變化情形為何。
同時透過量測到的加速度值，來推導出實驗模型的基本週期，藉由將 木構架的指定構件取下，模擬構件毀損下，基本週期的變化關係，同時以 驗證監測構架加速度於結構構件毀損時的必要性。
其原理是利用識別頻率方法中最常用到的快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform ,FFT)，原理是將時間域的歷時資料轉換成頻率域，
所以將加速計所量測到的加速度歷時資料，則經由快速傅立葉轉換後，
在"頻率-傅立葉振幅"圖上 peak 所對應到的頻率即為其結構物之頻率。
而藉由頻率反應方程式直接判斷建築物的自然振動週期，將加速度 的資料直接做快速傅立葉轉換得到傅立葉譜，藉其判斷結構物的自然振 動頻率。而當外力頻率與建築物自然振動頻率相差很大時，且其頻率的
IPC
Data Acquisition
加速度計 放大器
運動平
振動會遠小於建築物自然振動反應時，對於建築物振動紀錄資料而言，
其頻譜的峰值產生於建築物的自然頻率處，且其他頻率之振幅相當小。
因此本研究取數個頻譜加以平均，可消去或降低由外力或雜訊所造 成的頻率分量，而可得一個較為穩定的振動反應譜。
然後在數據處理部分，則將紀錄的加速度歷時分段進行快速傅立葉 轉換，取其傅立葉譜，在對所取的數個傅立葉譜進行平均，得最後的平 均傅立葉譜，然後由平均傅立葉譜上的峰值位置可獲得建築物的基本振 動頻率，而分析的流程如下圖 5-9。
Time(sec)
圖 5-9 處理流程示意圖(資料來源:張紋韶，2001)
而依序對於木構架進行不同程度的毀損，而加以量測木結構在長向 sine wave 0.5Hz 振動型態下的基本週期，藉以探討在整體結構中，不同的局部毀損下，
各種狀態的基本週期和未毀損前的基本週期的改變狀態。
在疊斗式木構架的模型進行構件的局部拆解，以模擬整體木構架的局部毀 損情形，依序做 6 個不同毀損程度的案例試驗，在地震平台的 0.5 Hz sine wave 振動反應，如實驗示意圖，以推算各案例試驗的基本週期，並與未毀損情形下 的基本週期做一比較探討。
案例一
外側的二通三瓜
案例六 所有的托木
案例五
兩側外間的壽梁 案例二
兩側的中間的壽梁
案例三
內側的二通三瓜
案例四
內側的二通三瓜 , 兩側的中間的壽梁
6 個不同毀損程度的案例如下:
案例 圖說 局部破壞位置
案例 1
構架外側的二通三瓜 (二通、三通 瓜筒、疊斗)
案例 2
構架兩側的 中間的壽梁×2
案例 3
構架內側的二通三瓜 (二通、三通 瓜筒、疊斗) 毀損位置
毀損位置
毀損位置
案例 4
構架內側的二通三瓜, 構架兩側的中間壽梁×2
案例 5
構架兩側的 外間壽梁×4
案例 6
構架上所有的 托木×8 毀損位置
毀損位置
毀損位置 毀損位置
一、實驗步驟
(一)感測器安裝
實驗以 0.5 Hz 的 sine wave 的頻率振動，透過量測到的加速度值，
來推導出實驗模型的基本週期，藉由將木構架的指定構件取下，模擬不同 構件毀損下，基本週期的變化關係，以探討在不同局部毀損情形下，基本 週期變化量的差異。
(二)實驗平臺設備之架設
實驗平台則是以水平振動實驗平臺為主，透過振動台的 sine wave 0.5 Hz 的振動類型來操作。
(三)實驗平臺設備之啟動 (四)外力模擬之數值設定
水平振動實驗平臺透過振動台控制器的功能選擇，具有 sine wave、
4G、5G、6G、7G、CHI-CHI 的振動類型來作為實驗外力設定，不過由於本 次木構架實驗模型負荷振動極限的考量之下，大致選定以 sine wave 的 0.5 Hz 為振動模擬的外力。
(五)實驗進行模擬
(六)實驗訊號的擷取與判讀
藉由訊號擷取及處理設備將實驗的感測資料讀取到電腦，並由訊號轉 換軟體轉換至作業平台 Lab View 系統，以即時顯示結構件加速度，並加 以紀錄實驗數值。
而對於案例分別六組的反應加速度歷時資料，利用快速傅立葉轉換，
將資料轉換成頻率域，在"頻率-傅立葉振幅"圖上 peak 所對應到的頻率，
分別求得模型結構物之頻率，並換算其基本週期。
二、實驗結果與分析
而就案例的局部結構毀損的對於整體構架的毀損程度，就各案例的毀損程
而就案例 6 來說，模擬托木毀損對整體結構的影響也有 8.43%，足見托木 對構架的穩定也有關鍵。
0.325 0.33 0.335 0.34 0.345 0.35 0.355 0.36 0.365 0.37 0.375
基本週期
案例六
原始結構 毀損案例
基
本 週 期
案例六
第六章 結論與建議
6-1 結 論
一、本研究蒐集資料中發現前人之研究大多偏於抽象歷史傳承及文化意義之 敘述，而對於構造及力學之基礎研究相對較少。以金字塔來比擬古蹟暨 歷史建築研究之涵構，上層部分可視為屬藝術、文化、空間意涵等之內 容，下層部分則為材料、結構、構法與工法等之基礎內容。目前政府及 民眾較重視上層，上下層研究不成比例，極需加強建構屬下層部分之基 礎研究。
二、就構造觀點來探討，木構架構件個別差異與個體內差異性極大，宜建立 古蹟結構特性之資料庫(如履歷表之功能)，詳細記載其變化情形。
三、檢視疊斗式木構架之數值模擬分析，發現與實際大木構架之結構行為尚 有差異。原因在於使用結構分析電腦程式(STAAD.Pro)要完全模擬榫卯 之行為，則極為困難，以及僅由量測木構架構件間的位移與變形，尚不 易掌握疊斗式木構架之整體結構狀態。
四、古蹟暨歷史建築木構架結構狀態預警檢測機制，首先以微振動量測方式 來識別古蹟暨歷史建築木構架結構的動態特性，經連續擷取微震動量數 值識別其結構狀態，再輔以其他非破壞檢測方式做更細部的檢測。
五、修復補強後，可再由連續擷取之微震動量數值的變化，檢討修復補強之 成效。
6-2 建 議
一、加強古蹟暨歷史建築之下層基礎研究(材料、構法、工法、結構等)，提 供相關研究之參考。
二、古蹟暨歷史建築宜建立個別之長期監測資料庫，詳細記載其結構狀態變 化之狀況(類似履歷表)。監測資料長期累積，為預警之重要參考依據。
三、對重要的古蹟暨歷史建築進行微振動量測，以現場檢測方式建立台灣重 要的古蹟暨歷史建築的動態特性基本資料庫。
四、選定某一古蹟暨歷史建築實際安裝微振動量測設備及地震紀錄儀，以自 動擷取方式長時間記錄特定古蹟暨歷史建築物之微振動及強震反應資
四、選定某一古蹟暨歷史建築實際安裝微振動量測設備及地震紀錄儀，以自 動擷取方式長時間記錄特定古蹟暨歷史建築物之微振動及強震反應資