第一章、緒論
1.1 前言
在台灣，結構物在其生命週期之內經常受到地震、颱風等外力或 其他因素的影響，造成結構體的損壞，然而有時結構的構件單元損壞 並不一定能從肉眼判斷，若當這些損壞的情況嚴重時，很可能會造成 生命財產的不幸損失，故如何使用有效的方法和儀器來評估結構物的 損壞情形，使得日後的維修和重建能有所依據，結構健康監測這門課 題便成為土木工程中重要之一環。
結構健康監測的損壞評估，依方法可分為兩大部分，其一為局部 性的非破壞檢測(Nondestructive testing)，主要概念為在不破壞受測結 構物的情況下，對單一結構元件探測其中的缺陷，做法通常是以人員 用非破壞檢測的儀器或肉眼進行實地的勘驗，但此類方法的缺點為，
當損壞的可能範圍越大時所花費的人力和時間將相對的增加，且無法 對結構物做整體性的判斷，來瞭解損壞對整體結構物的影響；另一方 法為整體性的結構損壞評估，利用預先架設於結構體上的感測器來量 測結構物受外力擾動時的動力反應訊號(如位移、速度、加速度等)，
接著利用所獲得的訊號對結構物進行損壞識別，以獲得結構物的動力 參數(如質量、阻尼、勁度等)或模態、自然頻率等資訊，並比較不同 的時間點間參數或訊號反應的變化情形，此種方法不僅能得知結構物 的損壞位置和程度，並可進一步得知損壞對整體結構物的影響。
結構物的整體損壞識別方法還可分為時間域和頻率域的識別，顧 名思義前者為在一段固定時間下的訊號反應分析，而後者為頻率譜下 的能量分析，兩者的識別資料可以透過數學公式互相轉換，但通常頻 率域的分析為先透過量測時間域的反應再經由轉換而得，本論文之頻
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率反應函數也為由此方式進行。
此外損壞檢測的程序還分為四個層級，第一階段為判斷是否有損 壞發生，第二階段為判斷損壞的位置，第三階段為判斷損壞的程度，
第四階段為評估災後的使用性或維修成本，此觀念已成為現代結構健 康監測系統的重要程序。
1.2 研究動機與目的
從上一節所述可知，如何建立一個有效且即時的結構健康監測系 統為當今學界致力研究的趨勢之一，而其中一個可行的方法似乎明顯 的落在結構物的整體損壞識別上，預先在重要的結構和橋梁裝設感測 器，感測器能夠在災害前後迅速的讓我們知道結構物受擾動之後的訊 號反應，接著透過成立好的緊急災害應變中心能夠立即的判斷各個現 場的損壞情況，隨即對可能發生災害的地點做出適當且立即的處理，
有關整個災害應變的流程請參考圖1-1。
而長久以來由於量測設備和資料處理的科技進步，結構系統損壞 識別的領域也趨向於穩定及多樣化的發展，其中頻率域分析下的頻率 反應函數也成為研究的主流之一，頻率反應函數(Frequency Response Function , FRF)，其包含頻率域分析下的優點，如可直觀性的從頻譜 圖上看出損壞對自然頻率的影響等，此外頻率反應函數還具有不受外 力影響的特性，此特性對於針對地震力下的結構健康監測系統是有利 的，因為每次地震發生時會因為不同的震源規模以及震源和結構物的 相對位置，對結構物所產生的外力影響將會有所差異。
故本文主要為研究頻率反應函數在結構健康監測上的應用，首先 利用工程界常用的有限元素分析軟體 SAP2000 建立數值模型，在完 整及不同損壞情形的案例下，分析數值模型受到地震力時的加速度反
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應，然後透過程式轉換以獲得損壞識別後的頻率反應函數資料，接著 利用所得的資料結合指標公式建立頻率反應函數指標值，在此由於一 般的頻率反應函數指標值在判斷損壞位置時會有不易判讀的情形，故 再使用曲率法(Curvature Method)的概念將一般的頻率反應函數指標 圖改良，使改良後的指標圖可明確的表示結構物損壞的位置，損壞程 度方面則是以類神經網路(Artificial Neural Network)進行學習，希望透 過有限的案例來建立出完整的損壞程度評估方法，使任何損壞情況的 案例輸入系統後皆可被準確的判斷出損壞程度，待數值上的損壞檢測 系統流程建置完成之後，再以加入雜訊和實際實驗資料的方式來驗證 此系統應用於實際的可行性。
1.3 本文內容
此節為簡述本論文之基本的架構，以及約略介紹每一章所提到的 內容：
1. 第一章為引進本論文之主題，首先介紹結構健康監測系統的概念 和方法，接著引入本研究中頻率域識別下的頻率反應函數，以及 概述寫此論文的動機及目的。
2. 第二章為介紹歷年來與本研究的相關文獻，主要為結構健康監測 和損壞指標的論文回顧，還有本研究中主要使用的兩個方法，頻 率反應函數及類神經網路如何在結構健康監測系統上被應用的研 究文獻。
3. 第三章為介紹本研究所使用的方法，首先將詳細介紹頻率反應函 數的基本概念和公式推導過程，及頻率反應函數的種類等，接著 第二部分則介紹將頻率反應函數指標化的公式，以及如何形成損
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壞檢測指標值來供我們判斷，還有闡述改良原始頻率反應函數指 標值的缺點所使用的曲率法，最後再簡單介紹本研究所使用的類 神經網路之基本概念和架構
4. 第四章為研究步驟的說明和所獲得之成果的整理和比較，首先介 紹利用有限元素分析軟體 SAP2000 所建置的數值模型，獲得模型 的加速度反應訊號和轉換成頻率反應函數資料的過程，分析指標 值建立和改良後的比較，以及類神經網路的測試案例等，最後再 探討數值模型加入雜訊以及實驗資料測試的案例。
5. 第五章為結論與建議，此章將提出在整個研究過程中所做遭遇到 的問題與困難，以及未來可能的展望和建議。
6. 最後為本論文之附錄，有各種破壞案例下的頻率反應函數指標圖 整理，以及在整本論文中所提及的各種流程圖、表格、參考資料 等都將置於此部分供讀者參閱。
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