結構健康監測及損壞指標的發展

在現今文明高度發展的社會，土木工程的建築工法已經漸漸的趨 向於複雜化和巨大化，雖然這些高科技的大型結構物帶來人類的生活 便利及舒適，但相對來說此類結構物的安全性將變得更為重要，如果 不幸因為天災或人為疏失而導致結構物的損壞崩塌，那所造成的生命 財產威脅將會相對的大量增加，因此結構健康監測的議題在過去到近 年來一直不間斷的討論和研究，土木工程領域的科學家及工程師瞭解 結構健康監測的技術必須伴隨著土木工程的精進一起成長。

而有關於結構健康監測的研究著作我們可往前回朔到 20 世紀，

近年來相關的重要著作有，1984 年由 D.J. Ewins 出版的 Modal testing : theorem practice and application[1]，此書為集此學者實務經驗的大成，

裡面詳細的記載結構動力參數的基礎概念和理論推導，以及如何推廣 至實務上的動態參數實驗和系統識別等多項技巧，帶領工程師從數學 模型走入實際實驗分析的領域，因此在土木、機械、航太工程領域上 均有極大的貢獻。接著 1993 年由學者 Rytter 提出結構健康監測的程 序，也就是我們現在所熟知的四項損壞檢測之步驟：1.判斷損壞是否 存在？2.損壞的位置在哪？3.損壞的程度為何？以及最後的 4.評估損 壞對結構物的影響和生命年限，此項概念也是現今結構健康監測的依

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據所在。損壞檢測的方法大致上分為整體的系統識別和局部的非破壞 檢測，在此僅對與本研究相關的系統識別做文獻探討，系統識別在工 程領域中的發展已有相當長的一段時間，在土木工程方面的應用常為 結構系統的損傷檢測，方法為在實務實驗或數值模擬上以結構物的特 徵值進行比對，針對結構物在破壞前後的特徵值變化進行分析，早期 R.D. Adams 和 P. Cawley[2]等學者便於 1978 年經由實驗證實勁度矩陣 和阻尼矩陣可用來做為損壞檢測的依據，之後再度提出量測結構物的 自然頻率也是有效的損壞檢測方法。識別之方法還分為靜態和動態的 兩種分析，兩種方法都是基於識別有限元素分析下得來的實驗或數值 模擬資料，1991 年 M. Sanyayei 與 O. Onipede[3]利用靜態力量和量測 位移之間的關係，來分析結構中勁度矩陣的變化，藉此評估結構物的 整體損傷情形，動態方面如G.C. Yao[4]等人的研究，並於 1992 年觀 察鋼架在破壞前後應變模態(Strain Mode Shape)的改變，驗證以應變 改變量做為檢測損傷的可行性，接著往後無論在探討靜態或動態的損 傷檢測，許多研究皆是以此為出發點來探討。1995 年學者 J.S. Lew[5]

利用傳遞函數( Transfer Function )的概念，進行撓度變形梁型桁架桿 件的損傷檢測，在研究中指出以往在結構的系統識別中，大多採用定 量參數(如自然頻率、結構勁度等)來進行分析，但其改變量容易受到 環境因素或儀器干擾的影響，所以很難精確地判斷出損傷的情形，因 此採用傳遞函數的改變來判斷損傷位置，能夠獲得比以往更佳的效果，

但此方法僅適用於單一損傷之結構，且其反應容易受到邊界強度的干 擾 影 響 ， 故 尚 建 議 可 使 用 多 重 輸 入 及 輸 出 系 統 一 致 的 演 算 法 (Coherence Algorithm)來改善結果。此外近代還有以特殊複合材料來 進行結構健康監測的手段，如2008 年 E.T. Thostenson 和 T.W. Chou[6]

利用少量的奈米碳管摻入複合結構元件的接頭當中，使該接頭構件具

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有導電性，通電後在結構受到外力的期間，觀察電阻的變化來判斷複 合材料構件破壞的過程，此研究中所摻入的奈米碳管數量僅占全體材 料的 0.1%不到，卻在量測損傷方面上有不錯的效果，加上近年來奈 米技術的精進，未來的確是可以被期待做為感測器的一種材料。不論 是演算法、結構材料、電腦儀器、識別技術的進步，皆可帶動結構健 康監測領域的發展，科技的進步也提供國內外結構健康監測領域的學 者更有利的環境及更創新的研究想法。

至於損壞指標方面的發展也已有一段時間，損壞指標是指結構物 在受到外界的擾動之後，藉由量測結構物在此段時間內的動態反應，

經過分析評估之後計算出此結構物損壞的物理量，讓大家透過指標值 都能客觀的瞭解結構物的損壞情形，目前損壞指標主要分為振動反應 和結構參數兩大類，振動反應的損壞指標為藉由結構物受擾動下的反 應計算損壞的物理量(如位移、速度、加速度或能量等)；而結構參數 即是以結構特性做為參考，比較參數於結構物損壞前後的差別，此方 法常假設參數在受外力的情況下為非時變性，如此可以線性系統的方 式進行識別。此外損壞指標通常會將損壞指標正規化至0 和 1 之間，

結構毫無損壞的情況下定義為 0，而結構完全損壞時則定義為 1。較 早提出的損壞指標有1985 年 Y.J. Park 和 H.S. Alfredo [7]提出的以單 一值來表示整體結構的損壞，此損壞指標的計算簡單，且可描述出整 體結構物損壞的情形，但卻無法預測損壞的位置及位置的程度。又建 築物雖屬多自由度系統，但1993 年由 Edoardo Cosenza[8]等人將結構 物視為單自由度的完全彈塑性系統分析，此後為了簡化分析的因素，

後期的學者也常用單自由度的方法來建立損壞指標。有些學者，如 Edoardo Cosenza 和 Peter Fajfar[9]等人則認為僅單獨考慮非彈性的變 形無法代表地震反覆載重的行為，故當結構進行非彈性時，遲滯迴圈

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所造成的能量消散將有助於描述結構物的損壞狀態，於是針對此關係 建立出損壞指標。此外還有學者利用結構的模態來當作損壞指標，模 態為和結構位移有關的參數，故除了能反應結構當下的狀態也利於找 出損壞的位置，研究有A.K. Pandy[10]等人於 1991 年的模態曲率指標 (Modal Curvature Index)，R.J. Allemage 與 D.L. Brown[11]所建立的 MAC 指標，以及 N.A.J. Lieven[12]隨後修改的 COMAC 指標，以上 指標在損壞位置的判定上都有不錯的效果，此外也有學者提出這些指 標可能具低敏感度並提出改良的方法，如M. Ndambi 和 J.Brasiliano[13]

等人將自然頻率與模態共用，建立出來的損壞指標值有更佳的效果能 判斷結構損壞的發生和位置，提出的柔度損壞指標(MFDI)即為此兩 種參數所建立的柔度矩陣，此後各種指標被不斷的提出，損壞指標的 建立便依上述這些文獻為基礎多元化的發展。