應用微振量測古蹟暨歷史建築牆體修復補強成效之驗證研究
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(2) PG9502-0239. 應用微振量測古蹟暨歷史建築 牆體修復補強成效之驗證研究. 受 委 託 者 ：財團法人中華建築中心 研究主持人：李正庸 協同主持人：洪慶雲 研 究 助 理 ：蘇志展、陳宗憶、洪偉庭. 內政部建築研究所委託研究報告 中華民國 95 年 12 月.
(3) 目次 目次. 目次 表次‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧Ⅲ 圖次‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧Ⅳ 摘要‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧IX 第一章 緒論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧1 第一節 研究緣起與背景‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧1 第二節 研究範圍與內容‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧2 第三節 研究步驟、方法與流程‧‧‧‧‧‧‧4 第二章 微振量測應用與古蹟暨歷史建築磚牆文獻探討‧7 第一節 微振量測之應用‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧7 第二節 古蹟暨歷史建築磚牆牆體之特性‧‧‧8 第三節 古蹟暨歷史建築磚牆牆體修復‧‧‧‧13 第四節 古蹟暨歷史建築磚牆牆體破壞‧‧‧‧19 第三章 微振量測技術應用之探討‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧21 第一節 微振量測基本概念與特性‧‧‧‧‧‧21 第二節 微振量測之應用‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧22 第三節 微振量測儀器與設備‧‧‧‧‧‧‧‧24 第四節 混合構造古蹟暨歷史建築牆體之微振量 測技術‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧30 第四章 仿古磚牆試體之破壞試驗與修復試驗‧‧‧‧‧37 第一節 試體製作與破壞試驗計畫‧‧‧‧‧‧37 第二節 試體製作與破壞試驗過程‧‧‧‧‧‧41 第三節 試體修復試驗計畫‧‧‧‧‧‧‧‧‧47 第四節 試體修復與修復後破壞試驗過程‧‧48 第五章 仿古磚牆試體破壞與其修復成效之分析‧‧‧‧53 I.
(4) 應用微振動量測古蹟暨歷史建築牆體補強修復成效之驗證研究. 第一節 試體破壞試驗結果分析‧‧‧‧‧‧53 第二節 試體修復試驗成效與再破壞試驗結 果分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧65 第六章 結論與建議‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧73 第一節 結論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧73 第二節 建議‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧73 附錄一 研究計畫規格評選、期中、期末簡報評審意 見與回應‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧75 附錄二 專家學者諮詢會議記錄‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧81 附錄三 研究團隊研討記錄‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧83 附錄四 第一次磚牆破壞受力面左側裂縫發展圖‧‧‧105 附錄五 第二次磚牆破壞受力面左側裂縫發展圖‧‧‧113 附錄六 第一次牆體破壞加速度歷時記錄圖‧‧‧‧‧121 附錄七 第二次牆體破壞加速度歷時記錄圖‧‧‧‧‧129 附錄八 第一次牆體破壞微振量測富利葉頻譜圖‧‧‧137 附錄九 牆體修復後與第二次牆體破壞微振量測富利 葉頻譜圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧147 參考書目‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧165 誌謝‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧167. II.
(5) 目次 表次. 表次 表 2-1 磚材尺寸與灰縫厚度的關係表‧‧‧‧‧‧‧‧8 表 2-2 砌紅磚牆用之三合土較適當配比表‧‧‧‧‧‧9 表 2-3 磚牆之震害部位與現象表 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧10 表 2-4 古蹟暨歷史建築磚牆試體修復工程文獻表 ‧‧14 表 2-5 裂縫填縫材料適用範圍表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧15 表 2-6 古蹟暨歷史建築磚牆試體破壞試驗文獻‧‧‧‧18 表 3-1 微振量測儀器與設備表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧24 表 3-2 VSE-15D-1 速度計之特性‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧26 表 3-3 SPC-35F 微振量測系統規格‧‧‧‧‧‧‧‧‧27 表 4-1 基礎施作過程紀錄表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧41 表 4-2 磚牆施作過程紀錄表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧43 表 4-3 人工外力設施施作過程紀錄表‧‧‧‧‧‧‧‧44 表 4-4 試體破壞過程紀錄表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧45 表 4-5 試體修復實驗過程表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧49 表 4-6 試體修復後微動週期量測與再破壞過程表‧‧‧50 表 5-1 面外向試驗結果表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧59 表 5-2 一至三階段試驗之結果總表‧‧‧‧‧‧‧‧‧60 表 5-3 試體再破壞試驗面內向實驗結果表‧‧‧‧‧‧66 表 5-4 試體再破壞試驗面內向實驗結果表‧‧‧‧‧‧67 表 5-5 四至五階段試驗之結果總表‧‧‧‧‧‧‧‧‧68. III.
(6) 應用微振動量測古蹟暨歷史建築牆體補強修復成效之驗證研究. 圖次 圖 1-1 古蹟暨歷史建築結構系統分類圖‧‧‧‧‧‧‧2 圖 1-2 微振動感測器‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧4 圖 1-3 歷時記錄系統 SPC-35F ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧4 圖 1-4 研究流程圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧5 圖 3-1 速度歷時資料圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧22 圖 3-2 富利葉譜‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧24 圖 3-3 微振量測儀器與設備操作流程圖‧‧‧‧‧‧‧25 圖 3-4 VSE-15D-1 速度計‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧25 圖 3-5 MST 1031 速度計 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧25 圖 3-6 SPC-35F 攜帶型歷時紀錄系統‧‧‧‧‧‧‧‧27 圖 3-7 Can-bus network modulus 擷取系統‧‧‧‧‧27 圖 3-8 信號延長線外觀 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧28 圖 3-9 信號線與信號接續孔應確實接合‧‧‧‧‧‧‧28 圖 3-10 美工刀、剪刀‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧28 圖 3-11 封箱膠帶‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧28 圖 3-12 膠帶固定微振動感測器與信號線‧‧‧‧‧‧‧28 圖 3-13 電源延長線外觀‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧29 圖 3-14 捲尺外觀‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧29 圖 3-15 現場相關資料之紀錄情形‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧29 圖 3-16 桌椅與操作工作平臺‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧29 圖 3-17 清點微振量測儀器與設備‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧31 圖 3-18 架設工作平臺‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧31 圖 3-19 微振動感測器放置於牆體上方‧‧‧‧‧‧‧‧31 圖 3-20 微振動感測器與信號延長線連接‧‧‧‧‧‧‧32 IV.
(7) 目次 圖次. 圖 3-21 信號延長線之線材以膠帶固定‧‧‧‧‧‧‧‧32 圖 3-22 記錄微振動歷時‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧32 圖 4-1 試體尺寸圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧38 圖 4-2 人工外力設施圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧38 圖 4-3 整體試驗流程圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧40 圖 4-4 試體破壞類型‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧47 圖 5-1 試體受重錘高度差 10cm 撞擊之加速度歷時記錄 圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧51 圖 5-2 試體受重錘高度差 10cm 連續撞擊三次受力面右 側裂縫照片‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧52 圖 5-3 試體受重錘高度差 10cm 連續撞擊三次受力面右 側裂縫描繪圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧52 圖 5-4 磚牆試體受重錘高度差 20cm 連續撞擊三次受力 面右側之裂縫照片 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧53 圖 5-5 試體受重錘高度差 20cm 連續撞擊三次受力面右 側裂縫描繪圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧53 圖 5-6 試體受重錘高度差 30cm 連續撞擊三次受力面右 側裂縫照片‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧54 圖 5-7 試體受重錘高度差 30cm 連續撞擊三次受力面右 側裂縫描繪圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧54 圖 5-8 試體受重錘高度差 40cm 連續撞擊三次受力面右 側裂縫照片‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧55 圖 5-9 試體受重錘高度差 40cm 連續撞擊三次受力面右 側裂縫描繪圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧55 圖 5-10 試體受重錘高度差 50cm 連續撞擊三次受力面右 側裂縫照片‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧56 V.
(8) 應用微振動量測古蹟暨歷史建築牆體補強修復成效之驗證研究. 圖 5-11 試體受重錘高度差 50cm 連續撞擊三次受力面右 側裂縫描繪圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧56 圖 5-12 試體受重錘高度差 60cm 連續撞擊三次受力面右 側裂縫照片‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧57 圖 5-13 試體受重錘高度差 60cm 連續撞擊三次受力面右 側裂縫描繪圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧57 圖 5-14 試體受重錘高度差 10cm 撞擊後富利葉頻譜圖‧58 圖 5-15 一至三階段試驗面內向之自然振動頻率變化關 係圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧61 圖 5-16 第二、三階段試與未撞擊前之自然振動頻率變 化百分比關係圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧61 圖 5-17 一至三階段試驗面內向之自然振動頻率變化與 結構破壞之關係圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧62 圖 5-18 試體修復後第一次富利葉頻譜圖‧‧‧‧‧‧‧63 圖 5-19 試體修復後第二次富利葉頻譜圖‧‧‧‧‧‧‧63 圖 5-20 試體尚未破壞、各階段破壞與修復後自然振動 頻率變化圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧63 圖 5-21 受重錘高度差 10cm 連續撞擊三次試體於測試點 量測之加速度歷時記錄圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧64 圖 5-22 第四階段面內向第一次頻譜圖‧‧‧‧‧‧‧‧65 圖 5-23 第四階段面外向第一次頻譜圖‧‧‧‧‧‧‧‧65 圖 5-24 四至六階段試驗面外向之自然振動頻率變化與 結構破壞之關係圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧69 圖 5-26 各階段結構破壞程度與自然振動頻率變化關係 圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧69 VI.
(9) 目次 摘要. 摘. 要. 關鍵詞：微振動量測、古蹟暨歷史建築牆體、修復成效 一、研究緣起 古蹟暨歷史建築受材料老化及外力作用影響，產生結構勁度的損失，導 致無預警傾頹毀壞者所在多有。基於『早期發現、早期治療』之觀念，如能 對古蹟建築結構狀態做定期之檢測，或可預防古蹟建築因無預警傾頹而產生 更嚴重的毀損。 本研究為古蹟暨歷史建築保存維護科技專案系列性研究之一，九十二年 度「古蹟暨歷史建築木構架結構狀態之檢測研究-以疊斗式為例」研究中， 曾對木構架進行數值模擬分析與實體模型實驗，發現木構架構造形式與結構 行為較為複雜，要由結構分析推估其結構狀態，困難度頗高。為因應其複雜 結構行為，九十三年度「古蹟暨歷史建築結構狀態微振檢測實證及技術手冊 之研究-以混合構造為例」研究中，以微振量測來檢測其先期整體結構狀態， 並對兩處古蹟案例進行微振量測驗證與建立其基本振動週期基準資料，研究 發現古蹟建築在微振量測上的獨特性與累積了微振量測的經驗與技術。九十 四年度「古蹟暨歷史建築結構狀態微振量測與診斷之研究-以混合構造為例」 則是對古蹟建築牆體繼續探討與驗證出其基本振動週期不易識別之原因，並 執行仿古磚牆試體之實驗，提出古蹟建築牆體之基本振動週期變化與結構破 壞關係的診斷原則。 本研究植基於九十二至九十四年度的研究成果上，更進一步研擬與執行 微振量測應用於古蹟暨歷史建築牆體修復成效之驗證實驗，以探討其適宜性 與古蹟暨歷史建築牆體修復之成效。並研擬與行以下的研究目的。 （一）驗證微振量測檢測古蹟暨歷史建築牆體修復成效之適用性。 （二）驗證古蹟暨歷史建築牆體修復之成效。 二、研究方法及過程 （一）研究方法 1.文獻彙整與分析:彙整分析現有關於古蹟暨歷史建築牆體與微振量 VII.
(10) 應用微振動量測古蹟暨歷史建築牆體補強修復成效之驗證研究 測理論與技術及牆體修復等之相關文獻。 2.試驗模擬: 採簡易施力進行古蹟暨歷史建築牆體修復成效之驗證 實驗。對古蹟暨歷史建築牆體修復前後進行微振量測， 由牆體修復前後之基本振動週期變化，探討其修復之成 效。 3.專家學者諮詢:召開小型專家學者諮詢會議，廣納意見與加深研究 內容。 （二）研究過程 1.確立研究背景與目的、範圍與內容、步驟、方法與流程。 2.回顧現有關於微振量測與古蹟暨歷史建築物牆體修復之文獻。 3.探討混合構造古蹟暨歷史建築牆體之微振量測技術。 4.研擬與執行牆體製作、破壞實驗。 5.探討古蹟暨歷史建築牆體修復成效。 6.提出結論與建議。 三、重要發現 （一）微振量測儀器可作為古蹟暨歷史建築修復成效之驗證工具。 （二）本研究試體未破壞前自然振動頻率為 10.1Hz，破壞後自然振動頻率 為 9.0 Hz，修復後自然振動頻率增長為 11.6Hz。因此從自然振動頻 率變化之情形，可知牆體的勁度修復後較修復前高，因此日後可在 牆體修復前先進行微振動量測，並於修復後再次進行量測，以兩者 之比較作為修復成效之初步判斷基準。 四、主要建議事項 根據研究發現，本研究對古蹟暨歷史建築牆體破壞試驗與檢測牆體修復成 效，提出下列具體建議。以下分別從立即可行的建議及中長期性建議加以列 舉。 立即可行建議-古蹟暨歷史建築修復時程安排 主辦機關：行政院文建會 VIII.
(11) 目次. 協辦機關：內政部營建署、行政院公共工程委員會. 摘要. 本研究磚牆養護參照混凝土養護時間，於試體砌築完成二十八天後，即 進行牆體撞擊實驗。但因本研究所採用的灰漿主要材料為紅土，紅土含水 率較混凝土砂漿高，因此乾固所需時間較長，故牆體受到撞擊時，力量由 灰縫傳遞至尚未乾固灰縫時，產生灰縫擠壓的現象。建議有關牆體修復養 護時間應加以延長，即注意工期之安排是否妥適。 中長期建議-建議建立重要古蹟暨歷史建築結構狀態資料庫 主辦機關：行政院文建會 協辦機關：內政部營建署、行政院公共工程委員會 目前古蹟修復成效尚無檢測方法。由本研究成果得知，可藉由牆體基本振 動週期作為牆體修復成效檢測之依據。建議古蹟主管機關建立各古蹟暨歷史建 築物基本振動週期資料庫，以作為古蹟暨歷史建築修復後成效之參考。. IX.
(12) 應用微振動量測古蹟暨歷史建築牆體補強修復成效之驗證研究. X.
(13) 目次 ABSTRACT. ABSTRACT Keywords: Ambient Vibration Measuring, Historic Listed Building Walls, Repaired Effect This study is based upon the experience in year 2003, year 2004, and year 2005, further study and enforces the experiments by applying ambient vibration measuring on historic listed building walls, examining the wall＇s repaired effect, and confers the suitability and the repaired effect of the historic listed building walls. Study and run these targets. （1）Test the suitability of historic listed building walls＇ repaired effect by applying ambient vibration measuring. （ 2 ） Test the effectiveness of repairing the historic listed building＇s wall. As follows are some findings on this study. （1）Ambient vibration measuring instruments can be used to test the repaired effect of historic listed building walls. （2） We could make the wall＇s ambient vibration measurement before repair, and then measure again after restoration, to make the initial estimate standard of repaired effect by comparing both. This project comes to the short-term and middle to long-term strategies. For short-term strategy：the arrangement of repairing historic listed buildings＇ procedure. We suggest that in the further study, could extend the preservation time, and enforce the experiment when the mortar is solidifying. For middle to long-term strategy: establish major historic listed buildings structural condition data base. We suggest that the chief organization can establish data base, as the references of historic listed buildings＇repaired effect.. XI.
(14) 第一章 緒 論. 第一章 緒 論 古蹟建築是文化的載體，古蹟建築保存維護是文化活動重要工作之一，而 研究古蹟建築物之結構修復是古蹟建築保存維護之必要過程，本研究在此思維 的激發下，起心動念出本研究主題與架構。. 第一節 研究元起與背景 一、研究背景 古蹟暨歷史建築受材料老化及外力作用影響，產生結構勁度的損失，導 致無預警傾頹毀壞者所在多有。基於『早期發現、早期治療』之觀念，如能 對古蹟建築結構狀態做定期之檢測，或可預防古蹟建築因無預警傾頹而產生 更嚴重的毀損。 本研究為古蹟暨歷史建築保存維護科技專案系列性研究之一。九十二年 度「古蹟暨歷史建築木構架結構狀態之檢測研究-以疊斗式為例」研究中，曾 對木構架進行數值模擬分析與實體模型實驗，發現木構架構造形式與結構行 為較為複雜，要由結構分析推估其結構狀態，困難度頗高；為因應其複雜結 構行為，九十三年度「古蹟暨歷史建築結構狀態微振檢測實證及技術手冊之 研究-以混合構造為例」研究中，以微振量測來檢測其先期整體結構狀態，並 對兩處古蹟案例進行微振量測驗證與建立其基本振動週期基準資料，研究過 程中發現古蹟建築在微振量測上的獨特性與累積了微振量測的經驗與技術； 九十四年度「古蹟暨歷史建築結構狀態微振量測與診斷之研究-以混合構造為 例」則是對古蹟建築牆體繼續探討與驗證出其基本振動週期不易識別之原 因，並執行仿古磚牆試體之實驗，提出古蹟建築牆體之基本振動週期變化與 結構破壞關係的診斷原則。 本研究植基於九十二至九十四年度的研究成果上，更進一步研擬與執行 微振量測應用於古蹟暨歷史建築牆體修復成效之驗證研究，以探討微振動量 測應用於古蹟修復成效之適用性與驗證古蹟暨歷史建築牆體修復之成效。 二、研究目的 （一）驗證微振量測應用於古蹟暨歷史建築牆體修復成效檢測之適用性。 （二）驗證古蹟暨歷史建築牆體修復之成效。 1.
(15) 應用微振動量測古蹟暨歷史建築牆體補強修復成效之驗證研究. 第二節 研究範圍與內容 一、研究範圍 (一)古蹟暨歷史建築結構系統分類與本研究之範圍. 西式大木 日式 屋架. 穿斗式 抬梁式. 純木構造. 木隔間. 疊斗式 石. 基礎. 磚 混凝土 夯土 西式大木. 結構型態. 日式 屋架. 穿斗式 抬梁式 疊斗式 石牆. 混合構造. 磚牆 承重砌體 土埆牆. 結構系統. 斗子牆 石 基礎. 磚 混凝土 夯土. 結構行為. 材料. 承載能力. 破壞預測. 接點. 剛性. 修護標準. 構件. 韌性. 監測標準. 圖 1-1 古蹟暨歷史建築結構系統分類圖 （資料來源:內政部建研所，2002.3， 《古蹟暨歷史建築保存修護科技專案 中程綱要計畫書》 ，p10。） 2.
(16) 第一章 緒 論. (二)古蹟暨歷史建築牆體試驗之牆體範圍 古蹟暨歷史建築牆體之類型主要包含磚牆、土墼牆、斗仔砌磚 牆、亂石砌牆等牆體。各種牆體類型所佔比例多寡目前文獻上並無一 確切統計數據。由相關文獻發現，磚牆為常見的牆體類型。因此，本 研究考量研究之應用價值及試體製作性，選擇磚牆為試驗之牆體類 型。 二、研究內容 (一)古蹟暨歷史建築牆體修復工法之探討 1.古蹟暨歷史建築磚牆牆體之特性 2.古蹟暨歷史建築磚牆牆體修復工法 3.古蹟暨歷史建築磚牆牆體破壞類型 (二)古蹟暨歷史建築牆體之微振量測探討 1.微振量測基本觀念及其應用 2.古蹟暨歷史建築牆體之微振量測技術 3.古蹟暨歷史建築牆體基本振動週期識別技術 (三)仿古磚牆試體之破壞試驗 1.牆體破壞試驗計畫 2.試驗過程及試體行為 3.破壞試驗結果分析 (四)仿古磚牆試體之修復試驗 1.牆體修復試驗計畫 2.試驗過程及試體行為 3.修復試驗結果分析. 3.
(17) 應用微振動量測古蹟暨歷史建築牆體補強修復成效之驗證研究. 第三節 研究步驟、方法與流程 一、研究步驟 (一)確立研究背景與目的、範圍與內容、步驟、方法與流程。 (二)回顧現有關於古蹟暨歷史建築牆體之文獻。 (三)探討古蹟暨歷史建築牆體之微振動量測技術。 (四)研擬與執行古蹟暨歷史建築牆體試驗。 (五)探討古蹟暨歷史建築牆體之基本振動週期變化與結構破壞關係。 (六)研擬與執行古蹟暨歷史建築牆體修復試驗。 (七)探討古蹟暨歷史建築牆體之基本振動週期變化與結構修復關係。 (八)提出結論與建議。 二、研究方法 (一)採用之方法 1.文獻彙整與分析:彙整分析現有關於古蹟暨歷史建築牆體與微振量 測理論與技術及牆體修復等之相關文獻。 2.試驗模擬: 採簡易施力進行古蹟暨歷史建築牆體修復成效之驗證實 驗。對古蹟暨歷史建築牆體修復前後進行微振量測，由 牆體修復前後之基本振動週期變化，探討其修復之成 效。 3.專家學者諮詢:召開小型專家學者諮詢會議，廣納意見與加深研究內容。 (二)實驗設備 1.設備支援與專業技術協助 (1)國家地震中心:微振動量測設備支援 (2)中國文化大學環境設計學院數位環境實驗中心 智慧建築結構及構造實驗室:結構反應量測設備(加速規)、分 析軟體及技術支援。 2.微振量測設備 本研究微振量測設備為日本 Tokyo Soukushin Co.Ltd 所製造型號 VSE-15D-1 之微振動感測器，歷時記錄系統則是 SPC-35 之攜帶型記錄. 器。. 4. 圖 1-3 歷時記錄系統 SPC-35 圖 1-2 微振動感測器 （資料來源:本研究拍攝） （資料來源:本研究拍攝）.
(18) 第一章 緒 論. 三、研究流程 本研究流程如下圖所示: 時間 研究背景與目的. 研究範圍與內容 94.12～95.01 評選報告. 研究方法與步驟. 古蹟建築牆體微振量測及修復工法之探討. 95.02～95..06. 微振量測技術應用與古蹟暨歷史建築牆體檢測之探討. 期中報告. 研擬與執行古蹟暨歷史建築牆體修復成效之驗證實驗. 探討古蹟暨歷史建築牆體修復之成效 95.07～95.11 期末報告. 提出古蹟暨歷史建築牆體修復成效檢測之結論與建議. 結論與建議 95.11～95.12 總整理. 圖 1-4 研究流程圖 （資料來源：本研究繪製）. 5.
(19) 應用微振動量測古蹟暨歷史建築牆體補強修復成效之驗證研究. 6.
(20) 第二章 微振量測應用與古蹟暨歷史建築磚牆文獻探討. 第二章 微振量測應用與古蹟暨歷史建築磚牆文獻探討 本章回顧國內外有關微振量測報告，了解古蹟暨歷史建築磚牆牆 體之特性、修復方法及破壞方式，找出合適之修復與破壞方法。. 第一節 微振量測之應用 金多潔與西澤英和曾對三棟日本傳統的木造層塔與兩棟磚造建築 等兩種建築類型作微振動實驗，發現兩種建築物的動態特性有極大差 異，並獲知建築物的阻尼比差異相當大，得知微振動量測用於木造及 磚 造 建 築 ， 能 有 效 診 斷 出 其 動 態 特 性 。（ 張 紋 韶 ， 2001： 6） 1 （ 葉 祥 海 等 ， 2002： 25） 2 對 11 棟 需 要 補 強 的 學 校 建 築 進 行 補 強 前量測，其中有七棟已經補強完畢，也進行了補強後的量測。少數情 況下，補強後的基本振動頻率反而比補強前的基本振動頻率低，有可 能是連接走廊使感應器記錄中含有其他建築物的基本振動頻率，也可 能是外力的效應；在大多數情況下，補強後的基本振動頻率較補強前 的基本振動頻率高，得知微振動量測可用於鋼筋混凝土建築，能量測 出其補強之成效。 （ 張 紋 韶 ， 2001： 114） 1 曾 對 台 南 十 棟 磚 木 混 合 構 造 古 蹟 進 行 微 振量測，測量出古蹟進深向與面闊向之基本振震動週期，並提出需修 復補強之面向。 小结： 由上述文獻得知微振量測在木造、磚造、鋼筋混凝土與古蹟建築 上之應用。作為古蹟之修復成效之應用，相關文獻則未做探討，是本 研究所探討之重點。. 1 張 紋 韶 ， 磚 木 混 造 古 蹟 建 築 之 微 振 動 量 測 ，（ 台 南 市 ： 成 大 建 築 研 究 所 碩 士 論 文 ， 民 國 90 年 ） 頁 6、 114。 2 葉 祥 海 等 ， 以 微 振 量 測 探 討 鋼 筋 混 凝 土 建 築 物 之 補 強 成 效 ，（ 台 北 市 ： 內 政 部 建 築 研 究 所 報 告 ， 民 國 91 年 ） 頁 25。. 7.
(21) 應用微振量測古蹟暨歷史建築牆體修復補强成效之驗證研究. 第二節 古蹟暨歷史建築磚牆牆體之特性 一、古蹟暨歷史建築牆體種類 承重牆體依材料可分為磚牆、土埆牆、斗子牆、石牆。依據（蕭 江 碧 、 王 惠 君 ， 2003： 163） 3 ， 提 到 磚 牆 為 古 蹟 暨 歷 史 建 築 混 合 構 造 組 合 類 型 建 築 中 常 見 之 牆 體，約 佔 65%。因 此 本 研 究 延 續 前 期 之 研 究， 考量研究之應用價值選擇磚牆為研究對象。 （一）台灣古蹟磚牆牆體材料與灰漿 磚 牆 牆 體 的 磚 材 基 本 材 料 為「 土 」 ，土 一 般 分 為 純 粹 土、黏 土、砂 土、濕 潤 土、軟 潤 土 等，其 中 以 黏 土 為 最 佳，在 1870 年 以 前 黏 土 被 壓 在模子裡烘乾，磚的品質完全依所得到的黏土種類及製磚技術而定。 台灣古蹟目前使用於磚牆體之牆磚種類有紅磚、燕尾磚、尺磚等，其 大 部 分 由 台 灣 自 產 。（ 葉 俊 安 ， 2005： 6） 4 1.磚 材 尺 寸 與 灰 縫 厚 度 邱 上 嘉、周 志 明 等 所 著 之《 傳 統 磚 砌 建 築 灰 縫 劣 化 與 破 壞 之 研 究 》 此 一 研 究 中 ， 曾 對 263 處 古 蹟 暨 歷 史 建 築 進 行 實 地 調 查 ， 發 現 磚 材 尺 寸 比 例 以「 4:2:1」(長 :寬 :高 )佔 總 案 例 數 最 多 (156 個 案 例 )，其 次 為 「 5:2:1」有 28 個 案 例。另 外，就「 4:2:1」磚 材 來 看，其 橫 縫 與 磚 高 之 比 例 為 1:6，豎 縫 與 磚 高 之 比 例 亦 為 1:6(詳 表 2-1)，但 豎 縫 厚 度 均 大於或略大於橫縫。. 表 2-1 磚材尺寸與灰縫厚度的關係表 磚材比. 橫縫. 豎縫. 例. (平 均. (平 均. (4:2:1). 值). 值). 紅磚. 0.94cm. 0.98cm. 橫縫:. 豎縫:. 磚高. 磚高. 1:6. 1:6. 磚長度. 磚寬度. 磚高度. (平 均. (平 均. (平 均. 值). 值). 值). 22.28cm 10.87cm. 5.41cm. （資料來源: 邱上嘉、周志明、王新衡,傳統磚砌建築灰縫劣化與 破壞之研究,(台北市：國科會工程處,民國 90 年)。）. 3 蕭 江 碧 、 王 惠 君 ,混 合 式 構 造 之 地 震 受 災 診 斷 方 法 研 究 ,(台 北 市 ： 內 政 部 建 研 所 ,民 國 92 年 )頁 163。 4 見 葉 俊 安 ,台 灣 古 蹟 牆 磚 面 修 復 後 調 查 研 究 ,(高 雄 市 ： 樹 德 科 技 大 學 建 築 與 古 蹟 系 碩 士 論 文 ,民 國 94 年 )頁 6。. 8.
(22) 第二章 微振量測應用與古蹟暨歷史建築磚牆文獻探討 2.古 蹟 牆 灰 漿 材 料 概 述 從 （ 葉 俊 安 ， 2005： 6） 5 提 到 台 灣 傳 統 灰 泥 種 類 如 下 ： （ 1） 白 灰 砂 漿 ： 主 要 成 分 為 生 石 灰 、 麻 絨 、 砂 及 海 菜 粉 。 （ 2）石 灰 砂 漿：主 要 成 份 為 生 石 灰、麻 絨、砂 及 海 菜 粉 及 黑 煙 。 （ 3） 石 老 石 古 石 砂 漿 ： 主 要 成 份 為 生 石 灰 、 麻 絨 、 砂 及 海 菜 粉 、 黑 煙、蚵蠣。 （ 4） 蚵 蠣 灰 漿 ： 主 要 成 份 為 生 石 灰 、 麻 絨 、 砂 、 蚵 蠣 。 （ 5） 三 合 土 灰 漿 ： 主 要 成 分 為 生 石 灰 、 麻 絨 、 紅 土 。 3.三 合 土 配 比 及 材 料 概 述 6 從 （ 張 清 忠 ， 2002： 25） ， 提 到 三 合 土 灰 漿 主 要 之 配 比 如 下. 表 2-2：. 表 2-2 砌紅磚牆用之三合土較適當配比表 材料重量比例 用途. 砌紅磚 牆. 蠣殼灰. 紅. 漿泥. 土. 1.0. 0.5. 1.2. 0.4. 1.0. 2.5. 1.5. 0.0. 0.5. 1.0. 2.0. 0.5. 1.0. 3.0. 1.0. 0.0. 1.0. 0.7. 1.0. 0.7. 1.0. 0.3. 1.0. 0.8. 砂. 水. 主要理由說明. 泥. 訪談匠師配比. 工 作 性 好，抗 壓、抗 張 較 佳，耐 久 性 良 好，在 不 考. 1.0. 1.0. 1.0. 0.8. 慮 經 濟 性、防 朝 性 及 隔 熱 性使用。. 1.0. 0.3. 1.0. 0.4. 工 作 性 好，抗 壓 抗 張 耐 久 性 適 中，考 慮 經 濟 性、防. 1.0. 1.0. 1.0. 0.4. 朝性及隔熱性使用。. （資料來源:見張清忠,三合土配比及材料行為之研究,(台北 市：台科大營建所碩論,民國 91 年)。頁 25） 5 見 葉 俊 安 ,台 灣 古 蹟 牆 磚 面 修 復 後 調 查 研 究 ,(高 雄 市 ： 樹 德 科 技 大 學 建 築 與 古 蹟 系 碩 士 論 文 ,民 國 94 年 )頁 6。 6 張 清 忠 ,三 合 土 配 比 及 材 料 行 為 之 研 究 ,(台 北 市 ： 台 科 大 營 建 所 碩 論 ,民 國 91 年 )頁 25。. 9.
(23) 應用微振量測古蹟暨歷史建築牆體修復補强成效之驗證研究. 磚牆灰漿材料之三合土材料，一般以蠣殼灰漿泥、紅土、砂、水 泥 為 材 料，材 料 中 水 泥 與 古 蹟 傳 統 建 築 材 料 相 比，顏 色 較 暗 表 面 光 滑， 因此日後在製作牆體上建議使用蠣殼灰漿泥、紅土、砂比例 （ 1:2.5:1.5） 原 配 比 為 主 。. 10.
(24) 第二章 微振量測應用與古蹟暨歷史建築磚牆文獻探討 二、磚造建築物常見震害類型 從 （ 張 嘉 祥 ， 2001： 185） 7 ， 提 到 磚 造 建 築 物 的 破 壞 模 式 與 地 震 力 的 種 類 及 建 築 物 的 幾 何 比 例 (包 括 平 面 與 立 面 幾 何 比 例 )有 密 切 關 係，歸納九二一地震災後所調查之磚造歷史建築物，其主要震害現象 大 致 可 分 牆 體 面 內 (in-plane)破 壞 、 牆 體 面 外 (out-of-plane)破 壞 、 牆 體 轉 角 處 破 壞 、 屋 架 與 牆 體 界 面 破 壞 等 四 大 類 ， 茲 整 理 如 表 2-3。. 表 2-3 磚牆之震害部位與現象表 牆體面內破壞. 牆體面外破壞. 牆體轉角處. 屋架與牆體. 破壞. 界面破壞. 圖 示. 震 係由牆體面內. 當橫牆與縱牆交. 由於地震作用. 此破壞主要係由. 損 之地震力所引. 丁不良，地震力. 並不限於某一. 地震力作用下屋. 原 起，其 大 多 由 剪. 來回作用下兩端. 個方向，兩方. 架對磚牆之外推. 因 力 所 造 成，小 部. 縱牆拉繫作用失. 向地震力同時. 力所造成，造成. 分則來自彎矩。 效 ， 造 成 彎 矩 或. 作用，且兩方. 磚牆上緣與屋架. 剪力（牆體面外. 向皆有開窗，. 錨固處產生明顯. 方向）造成牆面. 故沿開口部延. 變形導致產生水. 破壞。. 伸開來之斜向. 平裂縫。. 裂縫造成轉角 牆體與兩向牆 面分開。. （資料來源:本研究整理） 7 張 嘉 祥 等 ,歷 史 建 築 震 損 及 維 護 方 式 之 研 究 (二 )砌 體 構 造 ,（ 台 北 市 ： 文 建 會 ,民 國 90 年 ） 頁 185。. 11.
(25) 應用微振量測古蹟暨歷史建築牆體修復補强成效之驗證研究. 對古蹟暨歷史建築磚造建築物常見震害類型分為以下兩點說明： 1.對 本 研 究 磚 牆 來 探 討，以 震 害 調 查 分 析 出 磚 牆 牆 體 受 地 震 破 壞 的 類 型，得 知 在 承 受 不 同 部 位 的 施 力 之 下 會 產 生 不 同 的 破 壞，可提供本研究牆體試驗施力部位選擇之參考。 2.本 研 究 為 單 一 牆 體 試 驗，上 述 牆 體 之 破 壞 分 成 面 內 與 面 外 牆 體 破 壞，在 牆 體 面 外 破 壞 部 份 會 造 成 牆 面 嚴 重 破 壞，日 後 修 復 與 量 測 上 也 較 為 困 難，而 牆 體 面 內 破 壞 部 分，對 於 牆 面 破 壞 只 產 生 裂 縫，因 此 考 量 到 修 復 及 量 測 研 究 之 可 行 性，本 研 究磚牆試體實驗宜採用牆體面內破壞的方式進行。. 12.
(26) 第二章 微振量測應用與古蹟暨歷史建築磚牆文獻探討. 第三節 古蹟暨歷史建築磚牆牆體修復 一、法令規定 （一）依據文化資產保存法第二十一條：「古蹟應保存原有形貌 及工法，如因故毀損，而主要構造與建材仍存在者，應依照原有形貌 修復，並得依其性質，由所有人、使用人或管理人提出計畫，經主管 機關核准後，採取適當之修復或再利用方式。前項修復計畫，必要時 得採用現代科技與工法，以增加其抗震、防災、防潮、防蛀等機能及 存續年限。」 從上述文化資產保存法第二十一條，可知其修復精神如下： 1.就 整 體 形 體 而 言 ： 牆 體 修 復 ， 對 於 各 種 人 為 或 自 然 之 損 害 應 具 有防範功能；各種修復之方法，均不得對牆體外表有所損害。 2.就 使 用 材 料 而 言 ： 以 原 來 之 材 料 修 復 ， 若 原 材 料 無 法 達 到 修 復 裂縫之效果，需利用現代科技之材料修補。 3.就 構 法 而 言 ： 以 傳 統 之 方 法 修 復 ， 必 要 時 需 利 用 現 代 科 技 之 構 法。 （二）古蹟修復及再利用辦法，由中央主管機關定之。 古蹟修復及再利用辦法： 第 1 條 本 辦 法 依 文 化 資 產 保 存 法 第 二 十 一 條 第 四 項 規 定 訂 定 之。 第 2 條 古蹟修復及再利用，其辦理事項如下： 一、修復或再利用計畫。 二、規劃設計。 三、施工、監造。 四、工作報告書。 五、其他相關事項。 第 3 條 前條第一款修復或再利用計畫，包括下列事項： 一、文獻史料之蒐集及修復沿革考證。 二、現況調查，包括環境、結構、構造與設備、損壞狀況等調查 及破壞鑑定。 三、原有工法調查及施工方法研究。 13.
(27) 應用微振量測古蹟暨歷史建築牆體修復補强成效之驗證研究 四、必要之考古調查、發掘研究。 五、傳統匠師技藝及材料分析調查。 六、修復原則、方法之研擬及初步修復概算預估。 七、必要解體調查之範圍及方法、建議。 八、按比例之平面、立面、剖面、大樣等必要現況測繪及圖說製 作。 九、再利用必要設施系統及經營管理。 十、其他相關事項。. 14.
(28) 第二章 微振量測應用與古蹟暨歷史建築磚牆文獻探討 二、古蹟暨歷史建築磚牆牆體修復案例探討 首先回顧國內傳統古蹟建築修復工程報告書暨施工記錄，其磚牆 修 復 之 方 式 與 材 料 ， 整 理 如 下 表 2-4 所 示 。 其 次 參 考 國 內 相 關 研 究報 告 ， 主 要 有 《 歷 史 建 築 震 損 及 維 護 方 式 之 研 究 (二 )砌 體 構 造 》 此 文 獻 之 歷 史 建 物 磚 牆 修 復 補 強 方 法 如 表 2-5 以 及 《 九 二 一 及 及 大 地 震 建 物 災害調查分析》 ，以 瞭 解 古 蹟 暨 歷 史 建 築 磚 牆 牆 體 的 修 復 方 式。最 後 透 過訪談專家學者諮詢，提供本研究磚牆牆體修復試驗之參考。 （一）古蹟暨歷史建築牆體修復工程報告書暨施工記錄. 表 2-4 古蹟暨歷史建築磚牆牆體修復工程文獻表 案例名稱. 台南縣縣定古蹟-. 台南縣第三. 南投縣歷史古蹟南投. 新 營 太 子 爺 廟 -修. 級 古 蹟 -佳 里. 縣陳姓宗親會西水祠. 復工程工作報告. 震 興 宮 -修 復. 九二一地震災修工程. 書暨施工記錄。. 工程工作報. 工作報告書。. 告書暨施工 記錄。 建物構造 工法與構法. 修復材料. 牆體裂縫修 復方式。. 砌磚構造。. 磚牆構造。. 壁體為磚造。. 工 法：外 牆 修 復 工. 工 法：壁 體 修. 工法：磚牆裂縫修復. 法。. 復工法。. 工法。. 構 法：外 牆 原 材 料. 構法：灰土. 構法：環氧樹脂灌注. 撿 視 修 補、勾 縫 重. 作、灌 注 環 氧. 法。. 作。. 樹脂 。. 白 灰、麻 絨、砂 、 環 氧 樹 脂、灰. 環氧樹脂。. 黏 土、水 泥、海 菜. 泥 砂 漿、白 灰. 粉。. 砂漿。. 牆體裂縫灌注環. 牆體裂縫環. 氧樹脂。. 氧 樹 脂 整 修。 面 確 實 封 固 ， 注 入 的. 用密封劑把裂縫的表 環氧樹脂不致流失。. （資料來源:本研究整理）. 15.
(29) 應用微振量測古蹟暨歷史建築牆體修復補强成效之驗證研究. 由上表砌磚構造古蹟在實務操作上，裂縫填縫材料主要以環氧樹 脂及磚牆之原材料為主，為了避免填縫材外洩，使用密封劑之方式處. 理，可供本研究磚牆牆體修復之參考。 （二）國內相關研究報告 1.磚 造 歷 史 建 築 物 修 復 補 強 方 法 （ 張 嘉 祥 等 ， 2001： 275） 8 提 到 ， 對 砌 體 造 歷 史 建 物 修 復 及 補 強 研究發現，對於舊有磚牆遭到地震力破壞所產生的裂縫或是在建造過 程中施工的缺失所造成的空隙，注射適當材料進入牆體內部是相當常 見的方式。然而這些材料必須符合下列三項條件: （ 1） 流 動 性 佳 且 顆 粒 必 須 相 當 小 。 （ 2） 乾 縮 程 度 相 當 小 ， 若 是 注 射 砂 漿 ， 則 應 避 免 其 料 粒 分 離 。 （ 3） 與 舊 有 磚 牆 交 界 面 有 良 好 的 握 裹 效 果 。 注射的材料大致可分為兩種，即注射水泥膠補強及注射環氧樹脂 補強。然而上述兩種材料中，環氧樹脂強度較一般砂漿強度高，但砂 漿材料之力學性質與舊有磚牆的力學性質相容性較佳。兩種材料適用 範 圍 如 表 2-5。. 表 2-5 裂縫填縫材料適用範圍表 使用材料 環氧樹脂. 水泥膠. 裂 縫 寬 度 （ mm） 低黏度. 0.1~0.5. 中黏度. 0.3~1.5. 高黏度. 0.5~2.0（ 5.0）. 超微粒子. 0.1~0.2. 一般. 1.0~30.0. （資料來源:見張嘉祥等,歷史建築震損及維護方式之研究 (二)砌體構造,(台北市：文建會,民國 90 年)頁 275。） 利用環氧樹脂灌注在發生裂縫的牆體時，可避免裂縫擴大及其範 圍延伸。對於牆體發生微小裂縫時，可用高壓灌注環氧樹脂，但此時 應 特 別 注 意 環 氧 樹 脂 的 濃 稠 度，一 般 而 言 環 氧 樹 脂 濃 稠 度 須 隨 裂 縫 寬 度 16. 8 張 嘉 祥 等 ,歷 史 建 築 震 損 及 維 護 方 式 之 研 究 (二 )砌 體 構 造 ,（ 台 北 市 ： 文 建 會 ,民 國 90 年 ） 頁 275。.
(30) 第二章 微振量測應用與古蹟暨歷史建築磚牆文獻探討 提 高 ， 裂 縫 寬 度 在 5mm 以 上 者 不 適 用 環 氧 樹 脂 ， 裂 縫 需 改 以 水 泥 膠 來 修復。 2.磚 牆 之 補 强 9 （ 張 家 祥，2000：6-20） 針 對 磚 牆 之 補 强，磚 牆 補 牆 方 式 以 高 壓. 針筒灌注環氧樹脂、表面增設鋼筋混凝土牆壁方式進行。 由上述兩國內相關之研究報告可知，磚牆之修復主要以環氧樹脂 及水泥膠為主。因本研究對象為古蹟，在環氧樹脂方面，依不同裂縫 之寬度其環氧樹脂之黏度有所不同，可供本研究修復之參考。 （三）專家學者訪談 磚造歷史建築物微小裂縫修復方法： 1.牆 體 之 破 壞 會 產 生 低 於 0.1mm 之 微 小 裂 縫 在 修 復 上 有 其 困 難 ， 楊仁江建築師建議可使用最小號之針筒直接對裂縫灌注環氧樹脂。 2.牆 體 破 壞 產 生 無 法 直 接 灌 注 環 氧 樹 脂 之 裂 縫 ， 符 宏 仁 建 築 師 建 議可先將裂縫表面開 V 形口才能將環氧樹脂灌注進去。 兩位專家學者訪談之後，得知在修復古蹟牆體細部處理的方式， 可供本研究牆體修復之參考。. 9 張 嘉 祥 等 ,九 二 一 及 及 大 地 震 建 物 災 害 調 查 分 析 ,（ 台 南 市 ， 財 團 法 人 成 大 建 築 文 教 基 金 會 ,民 國 89 年 ）頁 6-20。. 17.
(31) 應用微振量測古蹟暨歷史建築牆體修復補强成效之驗證研究 三、磚牆牆體修復施工計畫預擬 （一）建築物構造：順砌式紅磚牆，此灰漿材料內容包含蠣殼灰 漿 泥 、 紅 土 、 砂 ， 重 量 配 比 為 1 : 2. 5 : 1. 5。 （二）修復工法：裂縫修復工法。 （三）修復構法：環氧樹脂灌注法、勾縫重作。 （四）修復材料：環氧樹脂、蠣殼灰漿泥、紅土、砂。 （ 五 ）修 復 工 具：注 射 管、膠 管 0.7cm、鐵 刷、刷 子、水 線、鉛 鎚 、 水 鋸、木 鏝 刀、金 屬 鏝 刀、心 形 鏝 刀、勾 鏝 刀、畫 線 鏝 刀 、 三 角 搥、長 柄 杓、大 鐵 筒（ 拌 砂 漿 ）、鐵 板、海 綿、筆 刷 、 墨斗、捲尺、圓鍬、獨輪車、吊車。 （六）修復施工流程與說明： 目視檢測 勾縫清理. 對現場情況做調查、檢測。 勾縫有分離現象時，先打除清 理，使牆面平整。. 矽膠填縫. 以矽膠封住裂縫表面，防止灌 注時接著劑流出。. 填滿灌注器 注入灌注型環 氧樹脂. 灌注環氧樹脂將裂縫填滿，直到 最後一隻灌注器仍有環氧樹脂殘留。. 矽膠清除. 清除固著於牆體表面之矽膠。. 表面清洗. 修補牆面清水拭淨。. 勾縫重作. 勾縫施作。. 檢視 完成. 18. 將灌注器填滿環氧樹脂。. 不平整處修繕。.
(32) 第二章 微振量測應用與古蹟暨歷史建築磚牆文獻探討. 第四節 古蹟暨歷史建築磚牆牆體破壞 一、磚牆牆體破壞試驗文獻評析 古 蹟 暨 歷 史 建 築 磚 牆 牆 體 破 壞 試 驗 相 關 文 獻 如 表 2-6， 其 磚 牆 體 破 壞 試 驗 上 的 施 力 方 法 。（ 林 耀 宗 ， 2005： 16） 1 0 、（ 陣 彥 福 ， 2005： 11 12 37） 、（ 王 貞 富 ， 2002： 131）. 表 2-6 古蹟暨歷史建築磚牆牆體破壞試驗文獻表 作者. 年代. 文獻名稱. 磚牆體破壞試 驗施力方法. 林耀宗. 2004. 磚造歷史建築牆體結構. 以千斤頂實驗. 行為之研究。. 裝置逐漸對牆 體施加之對角 外力。. 鄭彥福. 王貞富. 2004. 2002. 磚造古蹟及歷史建築清. 以油壓缸及壓. 水 磚 牆 補 強 研 究 —以 日. 縮機實驗裝置. 治時期西式磚造建築為. 對牆體施以剪. 例。. 力載重。. 磚造歷史建物震害及耐. 以千斤頂實驗. 震評估研究。. 裝置對磚牆施 以剪力破壞。. （資料來源:本研究整理） 由上表得知，磚牆體破壞試驗施力方法主要是以千斤頂及油壓缸 與壓縮機實驗裝置進行，對磚牆體作平行壁體剪力破壞，量測出極限 承載力，以了解壁體受破壞之結構行為。 本研究對單一試體做修復成效之驗證，採用人工外力裝置方式對 磚牆牆體做平行壁體之破壞試驗，修復後以微振量測修復成效。 10 林 耀 宗 ,磚 造 歷 史 建 築 牆 體 結 構 行 為 之 研 究 ,（ 台 南 市 ： 國 立 成 功 大 學 建 築 研 究 所 碩 士 論 文 ,民 國 94 年 ） 頁 16。 11 鄭 彥 福 ,磚 造 古 蹟 及 歷 史 建 築 清 水 磚 牆 補 強 研 究 — 以 日 治 時 期 西 式 磚 造 建 築 為 例 ,（ 雲 林 縣 ： 國 立 雲 林 科 技 大 學 文 化 資 產 維 護 系 碩 士 論 文 ,民 國 94 年 ） 頁 37。 12 王 貞 富 ,磚 造 歷 史 建 物 震 害 及 耐 震 評 估 研 究 ,（ 台 南 市 ： 國 立 成 功 大 學 建 築 研 究 所 博 士 論 文 ,民 國 91 年 ） 頁 131。. 19.
(33) 第三章 微振量測技術應用之探討. 第三章 微振量測技術應用之探討 本章以描述微振量測基本概念與特性為始，其次說明微振量測之 應用，再敘述進行微振量測時所需之儀器與設備，最後說明牆體試驗 之微振量測技術。. 第一節 微振量測基本概念與特性 一般而言，幾乎所有的結構物均因其周遭環境的影響，而受到一 些 經 常 性 的 動 態 激 振 力。這 些 激 振 力 的 來 源 很 多，諸 如 建 築 物 受 風 力、 交通、設備機器之作用等等。上述這些作用力均非常微小，可視之為 微 振 ， 微 振 之 振 幅 約 為 10 - 5 ~10 - 3 g（ 葉 祥 海 、 呂 良 正 ,2002： 9） 1 3 。 而 微 振 量 測 是 指 透 過 可 量 測 微 小 振 動 的 精 密 儀 器（ 如 速 度 計 或 加 速 規 ）， 記錄建築結構物受到週遭環境影響的微振歷時反應。 微振量測所得到的歷時資料，可利用系統識別技術求取結構物之 動力特性，如自然振動頻率等。與地震歷時資料或強迫振動實驗歷時 資 料 比 較 ， 具 有 以 下 特 性 （ 張 紋 韶 ,2001： 8） 1 4 ： 1.不 需 要 任 何 額 外 的 激 振 設 備 ， 因 此 不 影 響 建 築 物 本 身 的 結 構 安全及使用功能。 2.假 設 激 振 力 為 平 穩 過 程，在 單 一 量 測 記 錄 中 表 現 為 線 性 行 為。 3.資 料 長 度 可 長 可 短 ， 若 量 測 的 資 料 長 度 較 長 ， 可 取 較 多 次 的 富利葉譜平均，以提高精確度與可信度。 4. 假 設 所 輸 入 的 訊 號 為 白 噪 音 ， 僅 需 針 對 輸 出 的 訊 號 進 行 分 析，勿須探討輸入訊號。 5.不 需 將 量 測 儀 器 長 期 架 設 在 建 築 物 上，僅 需 於 欲 量 測 時 架 設。. 13. 14. 見 葉 祥 海 、 呂 良 正 ， 以 微 振 量 測 探 討 鋼 筋 混 凝 土 建 築 物 之 補 強 成 效 ,（ 台 北 市 ： 內 政 部 建 研 所 ， 民 國 91 年 ） 頁 9。 見 張 紋 韶 ， 磚 木 混 造 古 蹟 建 築 之 微 振 動 量 測 ,（ 台 南 市 ： 成 大 建 築 所 ， 民 國 90 年 ） 頁 8。. 21.
(34) 應用微振量測古蹟暨歷史建築牆體修復補強成效之驗證研究. 第二節 微振量測之應用 本 節 主 要 探 討 微 振 量 測 結 果 之 應 用 ， 並 以 93 年 度 及 94 年 度 研 究 案所累積之研究成果與經驗，將微振量測應用於評估古蹟及歷史建築 之修復成效。 一、微振量測結果之應用 於建築物的受測牆面放置微振量測儀器，進行微振量測，取得牆 面 的 速 度 歷 時 資 料 (如 圖 3-1 所 示 )。 將 速 度 歷 時 資 料 進 行 快 速 富 利 葉 轉 換 （ Fast Fourier Transform , FFT ） 即 可 得 到 此 歷 時 資 料 之 富 利 葉 頻 譜（ 如 圖 3-2 ）。從 富 利 葉 頻 譜 之 峰 值 可 判 斷 出 牆 面 的 自 然 振 動 頻率，再將自然振動頻率作倒數之換算，就可以得到牆面的基本振動 週 期 （ 李 正 庸 、 洪 慶 雲 ,2005： 27） 。. 圖 3-1 速度歷時資料圖（本研究整理） 0.00005 0.000045 0.00004. Fourier Amplitude. 0.000035 0.00003 0.000025 0.00002 0.000015 0.00001 0.000005 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 45. frequency(Hz). 圖 3-2 富利葉譜（本研究整理）. 22. 50.
(35) 第三章 微振量測技術應用之探討 若將建築物之結構假設為單體之振動模式，則建築物基本振動週 期 (T)與 建 築 物 質 量 (M)和 側 向 勁 度 (K)的 關 係 為 T = 2π. M /K 。. 從上述的關係式可知，若建築物的質量不因結構的損毀而減少， 當建築物的側向勁度減少時，其基本振動週期將會增長。 應用微振量測之結果，量測出建築物的基本振動週期，並比對不 同 時 期 (如 一 年 前 後 或 重 大 地 震 之 後 )量 測 資 料 的 改 變 ， 即 基 本 振 動 週 期的改變情形，可研判結構側向勁度是否改變，以推測結構物的強度 是否減損，達到檢測結構安全之目的。 二、微振量測應用於評估古蹟及歷史建築之修復成效 在九十三年度研究中，以微振量測來檢測古蹟及歷史建築先期之 整體結構狀態，並對兩處古蹟建築進行量測，驗證與建立其基本振動 週期基準資料，發現古蹟建築在微振量測上的獨特性，並累積微振量 測的經驗與技術；九十四年度研究則對古蹟建築牆體探討與驗證出其 基本振動週期不易識別之原因，並執行仿古磚牆試體之破壞實驗，提 出古蹟建築牆體之基本振動週期有隨著結構破壞程度變長之趨勢，並 利用磚牆不同時期微振量測所得之基本振動週期變化率，診斷磚牆之 結構破壞程度。 植基於九十三與九十四年度的研究成果與經驗，本年度更進一步 探討微振量測可否應用於驗證古蹟暨歷史建築牆體修復成效，並執行 仿古磚牆試體之破壞實驗，以探討其適宜性與古蹟暨歷史建築牆體修 復之成效。藉由實驗證實，微振量測可量測古蹟及歷史建築之基本振 動週期，以建立古蹟及歷史建築之資料庫。除此之外，更可以提供日 後古蹟及歷史建築進行修復之參考，並用於評估古蹟及歷史建築之修 復成效驗證。. 23.
(36) 應用微振量測古蹟暨歷史建築牆體修復補強成效之驗證研究. 第三節 微振量測儀器與設備 微振量測儀器主要包含微振動感測器、訊號擷取系統與訊號分析 軟硬體。而微振量測設備包含微振動感測器信號延長線、膠帶、美工 刀與剪刀、電源延長線、尺、筆與記錄紙、桌椅或工作平臺等。將微 振 量 測 儀 器 與 設 備 整 理 如 下 表 3-1 所 示 ， 並 分 項 說 明 其 功 能 。. 表 3-1 微振量測儀器與設備表. 微振量測儀器. 項 目 微振動感測器. 訊號擷取系統. 功 能 說 明 量測微振動的精密儀器，如速度計或加速規。 收集各微振動感測器之訊號，並將其類比 訊號轉換成數位訊號傳至電腦。. 訊號分析軟硬體. 收到訊號擷取系統所傳來之訊號，予以分 析。. 微振量測設備. 微振動感測器信號. 延長微振動感測器與擷取系統之距離，方. 延長線. 便量測。. 電源延長線. 用於微振量測儀器電源之取得。. 膠帶. 固定微振動感測器之信號線，避免信號線 掉落而使微振動感測器掉落。. 美工刀與剪刀. 利於剪裁封箱膠帶。. 尺、筆與記錄紙. 用於微振量測現場相關資料之記錄。. 桌椅或工作平臺. 提供微振量測儀器與設備之操作平台。. 其他. （資料來源：本研究整理）. 24.
(37) 第三章 微振量測技術應用之探討. 將 VSE-15D-1 速 度 計 置. 以信號延長線將速度計連接. 執 行 SPC35F 之 內 建 應 用 程. 於受測之磚牆上方。. 至 SPC-35F 攜 帶 型 歷 時 紀 錄. 式 － SPC35 歷 時 記 錄 器，記. 系統。. 錄微振歷時信號並存檔。. 得到富利葉頻譜圖。. 使 用 FAMOS 信 號 轉 換 程 式. 將 微 振 歷 時 資 料 匯 入 FAMOS. 進行分析。. 軟 體，進 行 快 速 富 利 葉 轉 換 。. 圖 3-3 微振量測儀器與設備操作流程圖（本研究整理） 一、微振量測儀器 (一 )微 振 動 感 測 器 微 振 動 感 測 器 為 可 量 測 微 小 振 動 的 精 密 儀 器 (如 速 度 計 或 加 速 規 )，其 可 將 受 測 物 之 速 度 或 加 速 度 透 過 信 號 線 傳 遞 至 歷 時 記 錄 系 統 。 本 研 究 以 日 本 Tokyo Soukushin Co.Ltd 所 製 造 的 型 號 VSE-15D-1 速 度 計 (如 圖 3-4)， 與 瑞 士 Walesch Electronic GmbH 公 司 所 生 產 的 MST 1031 速 度 計 (如 圖 3-5)， 為 本 次 試 驗 所 使 用 之 微 振 動 感 測 器 。. 圖 3-4 VSE-15D-1 速度計 （本研究拍攝）. 圖 3-5 MST 1031 速度計 （本研究拍攝） 25.
(38) 應用微振量測古蹟暨歷史建築牆體修復補強成效之驗證研究 微 振 動 感 測 器 之 產 品 種 類 繁 多，本 研 究 使 用 日 本 Tokyo Soukushin Co.Ltd 所 製 造 型 號 VSE-15D-1 之 速 度 計 為 例 說 明 。. 表 3-2 VSE-15D-1 速度計之特性 型號. VSE-15D-1. 頻率範圍. 0.1~70HZ. 測量範圍. 敏感度. 解析度. 速度. ± 10kine. 加速度. ± 2000gal. 速度. 10v/kine, 1v/kine. 加速度. 5mv/gal. 速度. 約 100ukine. 加速度. 約 300ugal. 輸出電阻. 低 於 10Ω. 最大加速度. 30G (低 於 0.1sec). 最大輸出. ± 11v. 操作溫度. -10℃~50℃. 電源. DC ± 15V. 消耗量. 低 於 30mA. 尺 寸 (mm). Φ65x55x72. （資料來源：www.ncree.gov.tw/03_Exp/3-1-6.htm） (二 )擷 取 系 統 與 訊 號 分 析 軟 硬 體 擷取系統之功能是收集各個微振動感測器之訊號，將其類比訊號 轉換成數位訊號傳至電腦；訊號分析軟硬體的功能則是接收擷取系統 所傳來之訊息並予以分析。廠商在擷取系統與訊號分析軟硬體的製造 設 計 上，考 量 使 用 上 的 方 便，而 將 兩 者 結 合 為 一 體 以 方 便 量 測 與 使 用。 例 如 日 本 Tokyo Soukushin Co.Ltd 所 製 造 之 SPC-35F 攜 帶 型 歷 時 記 錄 系 統 (Handytype Seismocorder System)（ 如 下 頁 圖 3-6） 。 此 外 ， 亦 有 分 別 獨 立 再 互 相 連 接 之 產 品 ， 例 如 德 國 imc 公 司 所 製 造 之 Can-bus network modulus 擷 取 系 統 （ 如 下 頁 圖 3-7） 。. 26.
(39) 第三章 微振量測技術應用之探討. 圖 3-6 SPC-35F 攜帶型 圖 3-7 Can-bus network modulus 歷時紀錄系統（本研究拍攝） 擷取系統（本研究拍攝） 表 3-3 SPC-35F 微振量測系統規格 型號. SPC-35F (PC-98NOTE, 50MHDD, 1.44MFDD). 線路. 8 channels. A/D 分 辨 率. 16 bits (Below 80db). 全比率. ± 10V. 抽樣比例. 1000, 500, 200, 100, 50, 20, 10, 5, 2 (HZ). 特 性 振 動 Amp.. x1, x2, x4, x8, x16, x32~1024. 記錄器樣式. Notebook, 3.5" FDD, 50MHD. Triggle 樣 式. Manual, Auto, Timer. 記錄器尺寸. 524288 Points. 快速富利葉轉換功 能. Max. 1024 Point. 過濾器. fc=0.1HZ or fc=1HZ (High), 1/3 Sampling Rate (Low). 測量範圍. 位移 速度. 操作溫度. 加速度 溫 度 10-35℃ , 溼 度 20-80%. 電源. AC85-240VC (40-440HZ), DC12V. 消耗量. STND BY AC 100V (52.98VA), DC12V (2383mA). （續下表） 27.
(40) 應用微振量測古蹟暨歷史建築牆體修復補強成效之驗證研究 OPERATION AC 100V (120VA), DC12V (600mA) 尺寸與重量. 460 (W) x 330 (D) x 170 (H)m/m, 10kg. （資料來源：www.ncree.gov.tw/03_Exp/3-1-6.htm） 二、微振量測設備 (一 )微 振 動 感 測 器 信 號 延 長 線 微 振 動 感 測 器 信 號 延 長 線 (如 圖 3-8)之 功 能 為 延 長 歷 時 記 錄 系 統 與微振動感測器之距離，方便不同環境之量測。操作上必須注意信號 線 與 信 號 接 續 孔 之 確 實 接 合 (如 圖 3-9)。. 圖 3-8 信號延長線外觀（本研究拍攝） 圖 3-9 信號線與信號接續孔 應確實接合（本研究拍攝） (二 ) 美 工 刀 、 剪 刀 與 膠 帶 美 工 刀 與 剪 刀 (如 圖 3-10)之 功 能 為 方 便 膠 帶 之 剪 裁，及 膠 帶 使 用 後 之 清 除 ； 膠 帶 ( 如 圖 3-11) 可 固 定 微 振 動 感 測 器 與 信 號 線 ( 如 圖 3-12)， 預 防 微 振 動 感 測 器 因 信 號 延 長 線 拉 扯 而 摔 至 地 面 。. 圖 3-10 美工刀、剪刀 （本研究拍攝）. 圖 3-12 膠帶固定微振動 圖 3-11 封箱膠帶 （本研究拍攝） 感測器與信號線（本研究拍攝）. (三 ) 電 源 延 長 線. 戶 外 實 驗 之 電 源 取 得 不 易，故 需 使 用 電 源 延 長 線 (如 圖 3-13)，以 用於微振量測儀器電源之取得。. 28.
(41) 第三章 微振量測技術應用之探討. 圖 3-13 電源延長線外觀（本研究拍攝） (四 )尺 、 筆 與 記 錄 紙 尺、筆與記錄紙用於測量撞擊之高度，與微振量測試驗現場相關 資 料 之 記 錄 (如 圖 3-14、 3-15)。. 圖 3-14 捲尺外觀 （本研究拍攝）. 圖 3-15 現場相關資料之 紀錄情形（本研究拍攝）. (五 ) 桌 椅 或 工 作 平 臺 桌 椅 (如 圖 3-16)可 方 便 微 振 量 測 儀 器 與 設 備 之 放 置 與 操 作 。. 圖 3-16 桌椅與操作工作平臺（本研究拍攝） (六 )其 他. 29.
(42) 應用微振量測古蹟暨歷史建築牆體修復補強成效之驗證研究. 第四節 混合 構造 古蹟暨歷史建築牆體之微振量測技術 牆體試驗之微振量測技術內容主要包含四個部分，首先為收集微 振量測對象之基本資料，其次規劃微振量測之儀器位置，第三為排定 微振量測實地作業之程序，最後則是微振量測後之資料處理與分析。 茲分項說明其內容如後。 一、微振量測對象之基本資料 微振量測對象之基本資料內容，說明如下: (一 ) 牆 體 之 構 法 (二 ) 牆 體 之 施 工 資 料 (三 ) 其 他 二、微振量測儀器位置之規劃 微振量測儀器位置之規劃，依據以下原則: (一 )本 試 驗 之 牆 體 為 一 磚 牆 ， 可 直 接 放 置 微 振 量 測 儀 器 於 磚 牆 的 上方平臺位置，並固定儀器以防止掉落。 (二 )量 測 毎 一 撞 擊 高 度 之 牆 體 微 振 動 訊 號 ， 每 次 量 測 需 放 置 二 個 微振動感測器，分別量測牆面之平行向與垂直向之自然振動頻率。 (三 )毎 次 量 測 之 微 振 動 感 測 器 之 水 平 方 向 與 垂 直 方 向 須 一 致 ， 以 利識別。 (四 )毎 次 量 測 之 穩 定 訊 號 擷 取 時 間 需 視 量 測 需 求 而 定 ， 並 建 議 毎 一測點宜記錄兩筆歷時資料以供對照。 (五 )因 微 振 量 測 之 振 源 是 假 設 以 白 噪 訊 號 視 之 ， 故 微 振 量 測 之 時 間，暫 不 考 慮 日 夜 或 季 節 之 影 響。如 微 振 量 測 儀 器 與 設 備 安 置 妥 當 後， 即可進行量測，但訊號需為穩定訊號後，才可進行訊號記錄。 三、微振量測實地作業之程序 微振量測實地作業之程序，首先做微振量測前之準備作業，其次. 30.
(43) 第三章 微振量測技術應用之探討 架設微振量測儀器與設備，第三歩驟是擷取測點之穩定訊號，最後則 是微振量測儀器與設備之清點收納。茲分項說明其內容如後: (一 )微 振 量 測 前 之 準 備 按 照 清 單 之 內 容 清 點 微 振 量 測 儀 器 與 設 備 ( 圖 3-17) 並 加 以 測 試，以確保儀器與設備試驗時能正常運作。. 圖 3-17 清點微振量測儀器與設備（本研究拍攝） (二 )微 振 量 測 儀 器 與 設 備 安 裝 操 作 步 驟 1.架 設 工 作 平 臺 並 將 擷 取 系 統 與 訊 號 分 析 軟 硬 體 安 置 妥 當 ， 以 利 觀 察 與 記 錄 (如 圖 3-18)。. 圖 3-18 架設工作平臺（本研究拍攝） 2.按 照 規 劃 之 儀 器 位 置 與 順 序，設 置 微 振 動 感 測 器 與 信 號 延 長 線。 (1) 將 微 振 動 感 測 器 放 置 於 牆 體 上 方 (如 圖 3-19)。. 圖 3-19 微振動感測器放置於牆體上方（本研究拍攝） (2)微 振 動 感 測 器 與 信 號 延 長 線 作 連 接，並 將 線 材 以 膠 帶 固 定 (如 圖 3-20、 21)。. 31.
(44) 應用微振量測古蹟暨歷史建築牆體修復補強成效之驗證研究. 圖 3-20 微振動感測器與 信號延長線連接（本研究拍攝）. 圖 3-21 信號延長線之線材 以膠帶固定（本研究拍攝）. (三 )擷 取 量 測 之 穩 定 訊 號 1.將 擷 取 系 統 與 訊 號 分 析 軟 硬 體 透 過 信 號 線 與 微 振 動 感 測 器 作 連接。 2.連 接 電 源 線 並 將 電 腦 開 機 。 3.執 行 SPC35F 之 內 建 應 用 程 式 － SPC35 歷 時 記 錄 器 。 4.依 據 量 測 條 件 調 整 感 知 器 數 量 、 訊 號 擷 取 長 度 、 記 錄 速 度 或 加速度等選項的設定。 5.啟 動 接 收 訊 號 選 項 (如 圖 3-22)。. 圖 3-22 記錄微振動歷時（本研究拍攝） 6.待 訊 號 穩 定 後，啟 動 記 錄 訊 號 選 項 開 始 記 錄 微 振 動 歷 時 (如 圖 3-23)。. 32.
(45) 第三章 微振量測技術應用之探討. 圖 3-23 即時訊號之顯示（本研究拍攝） 7.記 錄 完 畢 後 ， 將 其 存 檔 ， 即 完 成 此 量 測 點 之 微 振 動 歷 時 記 錄 。 8.依 據 試 驗 計 畫 之 安 排 ， 量 測 牆 體 不 同 狀 態 之 微 振 ， 待 所 有 狀 態 之微振量測完成。 (四 )微 振 量 測 儀 器 與 設 備 之 清 點 收 納 1.確 認 所 有 撞 擊 狀 態 之 微 振 量 測 是 否 都 已 量 測 完 成 。 2.清 點 收 納 所 有 的 微 振 量 測 儀 器 與 設 備 。. 四、微振量測後之資料處理與分析 (一 )頻 譜 分 析 -微 振 量 測 訊 號 N 值 之 選 取 由於頻譜分析中，微振量測訊號點數擷取的多寡，將會影響所得 頻 譜 的 解 析 度 (Resolution)。 當 微 振 量 測 訊 號 數 N 值 取 得 過 小 ， 則 富 利葉頻譜圖會是較為平滑的曲線，但是頻率域的解析度會太差，亦即 頻率刻度會過於疏鬆；反之，N 值若過大，則富利葉頻譜圖之曲線會 呈 鋸 齒 狀 ， 使 尖 峰 判 讀 較 顯 不 易 。 因 此 N 值 的 選 取 必 須 折 衷 ， 並 無依 標 準 可 言。本 研 究 參 考 其 他 相 關 文 獻 之 分 析 經 驗，N 值 以 2048 點 作 為 分 析 頻 譜 之 依 據 （ 劉 醇 宇 ,2003： 7） 1 5 。. (二 )微 振 量 測 資 料 處 理 步 驟 進行微振量測時，每個測點之量測時間為五分鐘或十分鐘，訊號 擷 取 頻 率 為 100Hz 與 200Hz， 因 此 每 筆 歷 時 資 料 共 擷 取 30000 點 或 60000 點 的 振 動 速 度 記 錄 ， 再 將 速 度 歷 時 記 錄 依 每 段 2048 點 分 成 14 15. 見 劉 醇 宇 ,微 振 量 測 於 建 立 建 築 物 基 本 周 期 經 驗 公 式 及 進 行 耐 震 評 估 之 應 用 ,(台 北 市 ： 台 灣 大 學 土 木 研 究 所 博 士 論 文 ,2003 年 )頁 7。. 33.
(46) 應用微振量測古蹟暨歷史建築牆體修復補強成效之驗證研究 段 或 28 段，將 這 些 小 段 的 資 料 進 行 快 速 富 利 葉 轉 換 得 其 富 利 葉 頻 譜 。 再 取 14 個 或 28 個 富 利 葉 頻 譜 進 行 平 均 ， 得 其 平 均 富 利 葉 頻 譜 ， 由 平 均 富 利 葉 頻 譜 上 的 峰 值 位 置 識 別 出 建 築 物 的 自 然 振 動 頻 率 (如 下 頁 圖 3-24)。自 然 振 動 頻 率 (Hz)之 倒 數，即 是 其 基 本 振 動 週 期。微 振 量 測 資 料 處 理 步 驟 如 下 （ 張 紋 韶 ,2001： 9） 1 6 : 1.量 測 微 振 訊 號 速 度 歷 時 資 料 2.擷 取 穩 定 訊 號 約 30000 點 或 60000 點 3.擷 取 每 筆 2048 點 穩 定 訊 號 4.進 行 富 利 葉 轉 換 量測微振訊號速度歷時資. 5.平 均 富 利 葉 頻 譜. 擷 取 穩 定 訊 號 約 30000 點 或 60000. 0.00016. 0.00014. Fourier A m plitude. 0.00012. 擷 取 每 筆 2048 點 穩 定 訊. 0.0001. 0.00008. 3.2Hz. 0.00006. FFT. 0.00004. 0.00002. 富利葉頻譜. 0 1. 3. 5. 7. 9. 11. 13. 15. 14 次 或 28 次. 17. frequency(Hz). 圖 3-24 由峰值位置識別出 自然振動頻率（本研究整理）. 平均富利葉頻譜. 圖 3-25 微振量測資料處理步驟 （同註 16） （三）訊號分析步驟 本 研 究 使 用 的 訊 號 分 析 軟 體 為 IMC 公 司 所 研 發 的 FAMOS(Fast Analysis& Monitoring Of Signals)， 進 行 快 速 富 利 葉 轉 換 ， 將 時 間 域資料轉為頻率域資料，以識別出牆體各階段之基本振動週期，其操 作步驟如下:. 16. 見 張 纹 韶 ,磚 木 混 合 造 古 蹟 建 築 之 微 振 動 量 測 ,(台 南 市 ： 成 功 大 學 建 築 研 究 所 碩 士 論 文 ,2001 年 )頁 9。. 34.
(47) 第三章 微振量測技術應用之探討 1.匯 入 spc35 歷 時 記 錄 器 所 紀 錄 之 資 料 將 SPC-35 歷 時 記 錄 器 所 記 錄 之 歷 時 資 料 匯 入 FAMOS 軟 體，進 行 快 速 富 利 葉 轉 換 ， 如 下 頁 圖 3-26、 圖 3-27。 2.執 行 FFT 快 速 富 利 葉 轉 換 使 用 FAMOS 軟 體 之 外 掛 程 式 KIT 內 AmpSectrumPeak_1 函 數 進 行 分 析 ， 如 下 頁 圖 3-28， 得 到 富 利 葉 圖 。 3.頻 譜 圖 判 別 由 富 利 葉 圖 進 行 峰 值 判 別，如 下 頁 圖 3-29 為 快 速 富 利 葉 轉 換 之 頻 譜圖，其峰值為所識別之振動頻率。. 圖 3-26 FAMOS 操作視窗 （本研究拍攝）. 圖 3-28 AmpSectrumPeak_1 函數圖（本研究整理）. 圖 3-27 資料匯入 FAMOS （本研究拍攝）. 圖 3-29 FAMOS 分析之 富利葉頻譜圖（本研究整理）. 35.
(48) 應用微振量測古蹟暨歷史建築牆體修復補強成效之驗證研究. 36.
(49) 第四章 仿古磚牆試體之破壞與修復試驗. 第四章 仿古磚牆試體之破壞與修復試驗 本章為仿古磚牆試體破壞與修復試驗之計畫與過程記錄。唯古蹟建築因 時間、材料等因素，無法完全模擬之。本研究僅以接近古蹟之材料與構法，製 作一仿古蹟建築之牆體，並施予側向水平作用力，以模擬牆體受外力作用之結 構破壞。 試驗首先以微振量測記錄牆體未受力與受外力影響下基本振動週期變化 情形。依據試驗之結果，探討牆體基本振動週期變化與牆體結構破壞之關係。 其次在牆體結構破壞後，依據裂縫之形式選擇修復之方式及進行牆體修復，於 牆體修復完成後，進行牆體微振量測，記錄牆體修復後之基本振動週期，以基 本振動週期變化情形驗證牆體修復成效。最後再次進行牆體破壞，用以再驗證 牆體基本振動週期變化與牆體結構破壞之關係。. 第一節 牆體製作與破壞試驗計畫 本試驗是以微振量測儀器進行牆體基本振動週期量測，記錄牆體受人工外 力前後試體基本振動週期之變化與牆體裂縫發展情形，以探討牆體結構破壞與 基本振動週期之關係。 試體在製作完成與養護 28 天後，即利用微振量測得知試體初始基本振動 M. 週期。在牆體質量(M)不變，側向勁度(K)與基本振動週期（T） ，有 T = 2π K 關 係之假設下，試體在受人工外力後，試體結構受到破壞，即側向勁度改變，基 本振動週期也隨之產生變化。根據觀測試體依序受不同程度人工外力下之微振 量測結果，探討其基本振動週期變化與牆體結構破壞之關係，作為牆體修復成 效之依據。 （一） 磚牆試體之尺寸: 本研究所使用之磚牆尺寸，係參考台中霧峰林家景薰樓其一之磚 牆之尺寸為參考依據。但因考量經費限制，故將磚牆試體之尺寸縮減 為 200cm × 174cm × 30cm。磚塊之尺寸為 20cm × 9cm × 5cm，試體 磚塊數量為 900 塊，如下圖 4-1 所示。. 37.
(50) 應用微振動量測古蹟暨歷史建築牆體補強修復成效之驗證研究. 圖 4-1 試體尺寸圖 （資料來源：本研究繪製） 圖 4-1 試體尺寸圖 （二）人工外力之施予方式 本研究因經費之限制，在外力施予方式是採用量化之人工外力。 人工外力之施予方式則是利用重錘以擺動方式施力於試體上。為使試 體能均勻承受人工外力，於試體受力側加立枕木，枕木與磚牆間以灰 漿固著，枕木底部則不與地面黏著。另一側之枕木則入地 55cm，以提 供側向支撐。試體施予人工外力之方式則如下圖 4-2 所示。人工外力 之施予以不使試體產生崩塌毀壞，即不改變質量為原則。. 83cm. 圖 4-2 人工外力設施圖 （資料來源：本研究繪製） 38.
(51) 第四章 仿古磚牆試體之破壞與修復試驗. （三）整體試驗步驟 1、製作仿古磚牆之試體，並養護 28 天。 2、裝設試驗儀器與人工外力設備。 3、於磚牆試體表面塗上白漆，以利觀察試體裂縫發展情形。 4、以微振量測儀器量測磚牆試體之初始基本振動週期。 5、依序將試體進行各種擺動角度與次數之人工外力施予，期間利用 微振量測儀器量測各階段試體之基本振動週期變化，並利用圖片 與文字描述記錄試體之破壞情形。人工外力之施予以不使試體產 生崩塌毀壞，即不改變質量為原則。如試體產生崩塌毀壞，則停 止試體受人工外力之模擬。 6、試驗儀器與設備之拆卸與清點收納。 7、試驗資料分析，探討磚牆試體基本振動週期變化與結構破壞之關 係，以作修復成效之依據。 8、磚牆試體進行修復工程。 9、磚牆試體修復後，再次進行微振量測。 10、依序將試體進行各種擺動角度與次數之人工外力施予，期間利 用微振量測儀器量測各階段試體之基本振動週期變化，並利用圖 片與文字描述記錄試體之破壞情形。 11、試驗資料分析，由磚牆試體修復前後之基本振動週期變化，探 討其修復之成效。 （四）量測步驟 1.微振量測儀器與工作平臺架設 2.佈設微振動感測器(試體上端平臺) 3.佈設微振動感測器(試體下端地面) 4.強震儀器架設 5.佈設強震感測器(試體上端平臺) 6.將試驗所有儀器進行測試. 39.
(52) 應用微振動量測古蹟暨歷史建築牆體補強修復成效之驗證研究 7.量測試體未受力前之基本振動週期 8.架設量測重錘高度差之木尺 9.重錘高度差標定 10.拉高重錘 11.重錘分次進行撞擊(10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm) 12.分別進行強震量測磚牆試體受力時之加速度 13.分別進行微振量測磚牆試體受力後之基本振動週期 14.分別描繪記錄磚牆試體受力後之裂縫發展 （五）整體試驗流程 本試驗共分為四個部分六個階段。第一部分為未破壞前量測；第二部分為 破壞過程後量測，此部分共分為漸變撞擊與劇變撞擊兩個階段試驗；第三部分 為修復後量測；第四部分為再破壞量測，此部分亦分為漸變撞擊與劇變撞擊兩 個階段試驗。整體試驗流程如圖 4-3 所示。. 第一部分：. 第二部分：. 第三部分：. 第四部分：. 未破壞前量測. 破壞後量測. 修復後量測. 再破壞量測（驗證用） 第五階段試驗：漸變撞擊試驗. 第二階段試驗：漸變撞擊試驗 第一階段試驗. 牆體砌築. 重錘安裝. 門型鐵架 原始狀態 微振量測 架設. 第三階段試驗：劇變撞擊試驗. 牆體破壞. 第四階段試驗. 牆體破壞. 牆體修復. 破壞階段中 微振量測. 修復後 微振量. 圖 4-3 整體試驗流程圖 （資料來源：本研究繪製） 40. 第六階段試驗：劇變撞擊試驗. 破壞階段中 微振量測.
(53) 第四章 仿古磚牆試體之破壞與修復試驗. 第二節 牆體製作與破壞試驗過程 依據上述章節所擬定之牆體製作與破壞過程計畫，進行牆體製作與牆體破 壞。 一、牆體製作過程 牆體製作共分為基礎、磚牆與外力設施三個部分，以下為各部分製 作過程記錄。 (一)基礎 基礎部分以夯實卵石層作底，上鋪高壓混凝土磚(石材替代品)， 並以石灰砂漿作黏結。基礎開挖後則先將側向支撐枕木予以吊立施 作。本試體之基礎施作過程記錄則如表 4-1 所示。. 表 4-1 基礎施作過程記錄表. 1.使用挖掘機開挖基礎. 2.開挖體積約 250cm×60cm×60cm. 3.吊立側向支撐枕木(240cm×36cm×25cm). 4.枕木下以卵石回填固定. 41.
(54) 應用微振動量測古蹟暨歷史建築牆體補強修復成效之驗證研究. 5.以石灰砂漿固著枕木. 6.基礎上鋪高壓混凝土磚. 7. 基礎上鋪高壓混凝土磚. 8. 高壓混凝土磚以石灰砂漿作黏結. （資料來源：本研究整理） （二）磚牆 本研究磚牆試體尺寸為 200cm×174cm×30cm，採順砌法砌成。砌紅 磚牆之灰漿配比因匠師經驗與不同地區習慣而異，依據張清忠所著之 《三合土配比及材料行為之研究》此一研究中，曾訪談匠師了解砌紅 磚牆之灰漿配比。本試體則選用其一作為灰漿製作參考，此灰漿材料 內容包含蠣殼灰漿泥、紅土、砂，重量配比則為 1:2.5:1.5。本試體 之磚牆施作過程記錄則如表 4-2 所示。. 42.
(55) 第四章 仿古磚牆試體之破壞與修復試驗. 表 4-2 磚牆施作過程記錄表. 1. 灰漿材料內容. 2. 依灰漿配比並加適量的水扮合. 3. 磚牆試體開始疊砌. 4. 置入固定枕木用之螺桿. 5.第一天僅砌一半牆高. 6.第二天疊砌完成. （資料來源：本研究整理） (三)人工外力設施 本研究人工外力施予方式是藉由混凝土塊重錘（320kg）以擺動方式 施力於試體上。為使試體能均勻承受人工外力，以模擬磚牆地震撞擊產 生之剪力，於試體受力側加立枕木，枕木與磚牆間以灰漿固著，底部與 高壓混凝土磚分離。人工外力設施作過程記錄如表 4-3 所示。. 43.
(56) 應用微振動量測古蹟暨歷史建築牆體補強修復成效之驗證研究. 表 4-3 人工外力設施施作過程記錄表. 1.將枕木以鐵件固定於磚牆上. 2.枕木與磚間以灰漿固著. 3.枕木底部不與高壓混凝土磚黏著. 4.門型架與混凝土重錘組立安裝. 5.門型架打入泥土 80cm. 6.以鋼索懸吊混凝土重錘 撞擊點約磚牆高 83cm 處. （資料來源：本研究整理） 二、牆體破壞過程記錄 本破壞試驗執行第一、二部分共三階段試驗。第一階段為試體未破 壞前微振動量測試驗；第二階段為漸變撞擊試驗。本階段試驗將重錘分 10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm 六個高度差，每個高度差以重 錘撞擊試體三下，於撞擊時記錄試體最大加速度，撞擊後量測其基本振 44.
(57) 第四章 仿古磚牆試體之破壞與修復試驗 動週期與記錄試體裂縫發展。 第三階段為劇變撞擊試驗。本階段試驗將重錘以 60cm 高度差撞擊磚 牆試體六下，共反覆進行兩次，於撞擊時記錄試體最大加速度，撞擊後量 測其基本振動週期與記錄磚牆試體裂縫發展，以下茲以第一階段與第二階 段試驗過程說明量測之標準程序，如表 4-4 所示。. 表 4-4 牆體破壞過程記錄表. 1.微振量測儀器與工作平臺架設. 2.佈設微振動感測器(試體上端平臺). 3.佈設微振動感測器(試體下端地面). 4.強震儀器架設. 5.佈設強震感測器(試體上端平臺). 6.所有試驗儀器進行測試. 45.
(58) 應用微振動量測古蹟暨歷史建築牆體補強修復成效之驗證研究. 7.量測試體未受力前之基本振動週期. 8. 枕木與重錘標示高度. 9. 重錘高度差標定. 10.利用人力拉高重錘. 11.重錘分次進行撞擊(10cm、20cm、. 12.以強震儀量測磚牆試體受力時 之加速度. 30cm、40cm、50cm). 13.進行地表與牆體微振量測. （資料來源：本研究整理） 46. 14.分別描繪記錄磚牆試體受力後 之裂縫發展.
(59) 第四章 仿古磚牆試體之破壞與修復試驗. 第三節 牆體修復試驗計畫 本節磚牆試體受外力作用下破壞的類型，依據不同破壞的類型，擬定不同 的修復方式。. 一、牆體破壞類型 如圖 4-3 所示牆體破壞的類型大致可分為兩類，第一類為灰縫尚未完全 凝固，受磚塊擠壓產生凸出牆面之裂縫，第二類為灰縫受剪力而產生之裂縫。. 第二類裂縫. 第一類裂縫. 圖 4-4 試體破壞類型 （資料來源：本研究拍攝） 二、牆體修復方式 本研究依據不同的裂縫類型，採用不同的修復方式，其修復方式分別如下： （一）第一類裂縫 此類縫為灰縫尚未完全凝固，灰縫受磚塊擠壓所造成凸出牆體之裂縫， 本研究對此類裂以原配比灰漿加環氧樹脂填縫進行修復，其修復步驟如下： （1）刮除凸出之灰縫材. 47.
數據
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