開展「整合 Fire-Structure 計算」之研究課題. 35

自 911 雙子星大樓倒塌後，美國 NCST（National Construction Safety Team）彙整相關研究，建議未來應對於真實火災與結構行為間之電腦分 析方法加以探討，包含火災發生時物件延燒、閃燃發生至全盛期與降溫 階段甚至結構倒塌等模擬。目前電腦硬體和工程軟體的進步可將複雜的 多物理性能現象模擬近真，如包含熱傳遞、燃燒和流體力學等現象的火 災模型即是一例，如美國國家標準技術研究院 (NIST) 開發的火災動態 模擬器 (Fire Dynamics Simulator, FDS) 來為各種與火相關的現象建立模 型∕式，例如房間內火焰的蔓延，和 ANSYS 商用軟體 (一種以有限元素 為基礎的工具)，模擬結構在火災中的熱通量作用下，所產生的熱力和結 構變化等，但僅能就該居室空間氣場溫度分佈，或火災延燒與持續時間 加以分析，對於該火場溫度如何同步造成結構變形或倒塌等行為，尚無 建 立 分 析 介 面 或 統 合 性 軟 體 可 供 利 用 。 據 此 ， 對 於 火 災 － 結 構

（Fire-Structure）分析介面與統合性分析軟體之建立有其必要性。

由於火災現象極為複雜，想要利用實驗的方式來了解火災所有的物 理現象極為困難，實驗的數據與分析給予建築物經實際火害後相當好的 比對與驗證，但目前之實驗均僅針對在標準升溫曲線下，單一構件受火

災後之耐火性，對於較複雜的建築物與火災情境，實驗分析的方法就難 以提供整個火災狀況，但是火災學的規律是兼有確定性及隨機性，因為 火災科學具有確定性，因此可以用模擬研究手段探索它，又因為火災的 規律具有隨機性，所以須對大量的火災數據進行統計分析，火災過程的 模擬研究的科學依據：承認火災過程遵循一訂的規律，這個規律既可以 在模擬實驗中再現，也可以抽象成控制火災過程的數學表達式，因此可 以透過數值方法來模擬各種火災情境下之溫度分佈。火災會因為起火方 式、延燒速度、內部環境的不同，使得火災熱流場空間之溫度分佈有相 當大的差異，因此對建築物本體亦有不同程度的傷害，而結構件如柱、

梁也會因為所在位置之不同，以及與樓板、隔間牆的相關位置，可能會 使構件遭受一至四面之火害加熱，會使構造內部產生不均勻的溫度分 佈，構件內材料受到熱應力後會產生不同的力學行為，使得建築物火害 後的強度不均勻的減低。本子項將以實驗屋次結構或主結構為目標，規 劃出此法之應用課題。

第五節 開展「火害後鋼構建築健康監測與診斷」之研究課題

結構健康監測與診斷是近幾年土木工作領域中重要發展的項目之 一，藉由量測結構之靜、動態反應，工程師就能夠了解結構的健康狀況。

而建築結構火害前、後之監測與系統參數識別的主要目的，乃希望在火 災發生後能快速地了解整體系統之破壞狀況，並提供火害後評估整體構 架耐震能力之參考，以判斷結構物是否仍安全無虞，達到即時預警(early warning system)的功能。為達到此目的必須發展各種系統識別的方式以達 到此要求。系統識別主要精神是利用輸入和輸出的關係來識別假設之結 構模型的重要參數。一般來說會分為頻率域(frequency domain)和時間域

第三章 研究方法

(time domain)的兩大識別方式。頻率域的分析通常是將所量測到的反應，

取 快 速 傅 利 葉 轉 換 (Fast Fourier Transform, FFT) 求 得 頻 率 響 應 函 數 (Frequency Response Function, FRF)，以計算其頻率域之特性並進行分 析，利用結構的頻率(frequencies)來了解其整理的行為，或是利用模態形 狀(mode shapes)來了解結構發生損害的位置。一般來說這樣的分析方式所 得到之結果都是其整段歷時之平均解。這樣的分析方式適用於結構線性 動態行為，但若要用於火害後之結構系統則需引入非線性系統的識別技 術。一般應用時間域之識別方法，以期估測結構發生損害的時間點。而 時間域識別方法，發展已相當成熟，但大部分的方法對自由度數過大的 結構仍是難以處理，因此發展出最小實現法(Minimum Realization)應用於 結構振態參數識別，時間域識別方法最早由 Gilbert【76】與 Kalman【77】

使用可控制性與可觀測性的實現理論。而後，Ho 與 Kalman【78】以脈 衝反應函數確定狀態空間模式，並指出最小實現問題相當於馬可夫參數 序列的問題。Zieger 和 McEwen【79】提出結合最小實現法與奇異值分 解(Singular Value Decomposition)的方法，Kung【80】亦發展出另一種結 合奇異值分解的方法。Juang 與 Pappa 提出時間域的特徵系統實現法 ERA【81】與 Recursive ERA【82】，發展振態參數識別及模型降階，將 系 統 以 最 小 階 數 實 現 。 Phan 等 人 提 出 觀 測 器 / 卡 曼 濾 波 器 識 別 法 (Observer/Kalman Filter Identification,OKID)【83】，引入卡曼觀測器減少 計算量，當無噪訊時，識別使系統 Deadbeat 之觀測器，當有噪訊時則識 別最佳的觀測器。最後 Juang 將其多年發表文章整理成冊【84】，以狀態 空間法描述動態系統，且發展 OKID 搭配 ERA 之時間域識別技巧。以 上均可據以規劃未來進行研究課題之參考。

第四章 實尺寸構架屋之初步設計

第四章 實尺寸構架屋之初步設計