鋼筋混凝土構架遠距即時監測系統之研發(I)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

鋼筋混凝土構架遠距即時監測系統之研發(I)

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號：

NSC91-2211-E-151-006-執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日

執行單位： 國立高雄應用科技大學土木工程系

計畫主持人： 曾世雄

共同主持人： 卓明遠

報告類型： 精簡報告

處理方式： 本計畫可公開查詢

中

華

民

國 92 年 9 月 29 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

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計 畫 類 別 ： 個別型計畫 整合型計畫

計 畫 編 號 ：

NSC 91-2211-E-151-006

鋼筋混凝土構架遠距即時監測系統之研發(1/3)

Development of a Remote, Instant-Monitoring

System of a Reinforced Concrete Frame (1/3)

執 行 期 間 ：

91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日

個別型計畫 ：

計畫主持人： 曾世雄

教授

共同主持人： 卓明遠

教授

共同主持人： 凌烽生

副教授

整合型計畫 ：

總計畫主持人:

子計畫主持人:

處 理 方 式 ： 可 立即對外提供參考

( 請 打

a )

一年後可對外提供參考

二年後可對外提供參考

(必要時本會得展延發表時限)

執 行 單 位： 國 立 高 雄 應 用 科 技 大 學 土 木 工 程 系

中 華

民 國 92 年 8 月 10 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計劃成果報告

鋼筋混凝土構架遠距即時監測系統之研發(1/3)

Development of a Remote, Instant-Monitoring System of a

Reinforced Concrete Frame (1/3)

keywor ds：random vibration, energy method, NDT, defect energy, instant monitoring system

Abstr act

An energy parameter, “Defect Energy”, had been proposed to reveal damage information from its energy gaps. The objective of this research is to develop an instant-monitoring system of the R.C. frames by using modal testing technique and this energy parameter. Through the cooperation with electrical engineers, the time-domain signals of the R.C. structures, for instance, the bridges on a mountain, can be transferred through wire or wireless wave signals to the monitoring center. After they are transmitted to frequency-domain signals and physical quantities, damage information can be obtained. We focus on proof to the energy parameter in the first year. The details including to fabricate R.C. beams, to place sensors, to assemble modal testing equipment, to setup data acquisition system and to collect and analyze dynamic signals through the wires.

摘要 本研究旨在研發一種「缺陷能」的能量參數，借助模態測試法，偵測鋼筋混凝土構架中的 能階變化，藉以標示出構件初始缺陷產生的置和嚴重程度，經由與電機系跨領域作，將座落在遠 處或山區之橋樑等 RC 結構體，其動態時域信號經由有線或無線電波即時傳回主控室，轉換成頻 域信號物理量，得以算出缺陷能和其有關缺陷的訊息。第一年重點在於實驗室內公式印証包含： RC 樑結構有線傳輸即時監測、實驗試體 RC 樑斷面製造，感應器(加速規、應變計、菊型應變規) 之安裝、動態量測儀器之組合架設，測試、缺陷能與其它監測參數的實驗與印証、監測信號的收 集方法研究、監測硬體之整合、有線監測訊號的收集與判讀等。 1. 研究背景 近年來，臺灣的工程界施工品質低落，加上天然災害頻繁，脆弱的結構體在大自然力作用之 下，往往經不起考驗，造成相當程度之損傷，導致嚴重的人民生命財產傷亡與損失。有鑑於此， 政府相關部門迫切地提出各項因應措施來防災救災，祈能在事故來臨時，降低損失至最低，進而 防患未然。國科會自民國七十一年起，持續推動大型的防災科技研究計畫，研究有關氣象、洪水、 地震、坡地之災害防治，以及防災相關的社會經濟問題，其成果顯著。為更進一步推動並落實全 國性跨部會、跨領域的防災計畫，在規劃小組總召集人顏清連教授和其他六位教授成員共同努力 下，在民國八十六年九月，擬定了「防災國家型科技計畫」規劃報告[1]，欲結合國內產、官、 學之統合力量，全力做好整體防災救災之工作。在擬定的規劃課題中，相關於「地震工程研究相 關資料庫建立」的「結構物地震反應安全檢測技術之開發」；及「結構物之非破壞檢測技術研發」 的「鋼筋混凝土結構物之非破壞檢測技術研發」等子題，不但符合本小組研究領域，更是現有研 究原預定之後續系列研究進度。因此，祈能貢獻個人對此一領域之研究心得，繼續發展此一迫切 需要之防災技術研發。

2. 本研究之重要性 結構物的崩潰，經常是由於在缺陷處有極強烈的應力集中現象所引起的。這些缺陷可能是 由材料腐蝕或裂縫、材料製造中所形成的缺陷、孔隙或小氣泡、結構接頭的鬆動或不恰當的安 裝或施工所引起的。近年來已發生多起因結構物的崩潰，而造成相當嚴重生命及財產的損失。 起始，這些意外被認為是由於設計不當所致，後來，起因於材料內部的缺陷會引發裂縫進而導 致破裂的情形才逐漸為人們所認知。在高強度材料中，由於低工作應力卻產生材料破裂，因而 引發起破壞力學的研究。隨著破壞力學的發展，人們了解了材料產生初始缺陷的嚴重性。同時 間更興起了如何以最快速又最有效的找出初始缺陷的新方法，這些方法可通稱為非破壞性檢 驗。在美國非破壞性檢驗協會、美國金屬協會、美國品管協會以及美國材料檢驗協會等主要研 究機構以及學術界之共同努力之下，為數相當多的檢驗方法被發展出來。因此，存在於不同材 料中的不同型態缺陷，大都可由一種或少數幾種上述發展出來的非破壞性檢驗法來測出。 但是，對大多數大規模的土木結構而言，這些非破壞性檢驗法有些是因為使用太先進之科 技因而需要訓練有素的專業人員方能進行之，以致於無法應用在例行之破壞檢驗中。有些是太 費時，有些則是太昂貴。最重要的是，這些方法由於其「局部化」的檢驗特性，使得它必須在 大約的缺陷區域確定後，方能有效的使用。 很顯然的，一個具有經濟性、效率性的「整體性」破壞檢驗方法，是非常迫切需要的。所 謂的整體性，就是檢驗不侷限於局部範圍，結構本體上一寸一寸的檢驗是不必要的。當結構體 有缺陷時，附近的材料性質例如，彈性模數、慣性矩、質量及勁度都會受到改變，而這些改變 會導致振動系統的性質改變，所以當振動系統被測知有所改變時，此即意味著結構體已產生缺 陷，必須立即找出缺陷位置加以維修補強。以上這些考量，在近幾年之內，逐漸形成了一個新 的研究課題叫做「整體性之破壞檢驗法」。比起「局部性」的非破壞性檢驗法，它有以下幾個優 點： (1) 不被限制於僅能局部性的量測缺陷位置 (2) 由系統反應或模態參數即可得知缺陷的產 生與否 (3) 無須一寸一寸的在結構體上量測 (4) 頻域和時域反應分析皆可使用。 在整體性法之檢驗上，動態實驗是經常被採用的一種選擇。振動的方式可經由自由振動、 衝擊槌、或者由振動器產生。但是針對如高樓、橋樑、海域平台及板殼等大型結構體而言，其 所需求之振動能量實在非常巨大，實非人為所易控制，況且不當之局部振動，極易損傷結構體。 因此，利用大自然的力量如風力、地震力、海潮衝擊力及車行之振動力做為激發振源乃為必然 之理由。而上述之自然力，其共同的特性為-隨機振動。因此，本研究之重要性在於將可提供一 個整體性之非破壞檢測參數和方法，以利橋樑、高層建築、海域平台及板殼等大型的土木結構 物，在偵測判斷局部性的破壞使用。並且以此建立一長期之破壞觀測預警系統。 3. 研究目的 本計畫主要目的在研究當風力及地震力等隨機載重作用下，如何應用「缺陷能」參數來顯示 結構物之破壞資訊，亦即：缺陷之產生、位置、以及缺陷之危害程度。研究將依理論、數值模擬、 和實驗印證之序列分年進行之。第一年研究隨機振動與頻譜理論，並將之應用到「缺陷能」參數 中，並進行實驗工作，以印證理論與數值模擬之結果。鋼筋混凝土樑將加諸從振動器產生之隨機 振動，並從量測站測出振型，最後計算出缺陷能之結果。 4. 研究方法及進行步驟 研究將依理論、數值模擬、和實驗印證之序列進行。在理論上含蓋：隨機振動理論、缺陷 能理論、以及模態測試理論等。細目有：自相關函數、互相關函數、功率頻譜、交叉頻譜、因果 函數、頻域反應函數、模態辨識等。 在數值模擬上，含蓋有限元素法電腦程式分析、後處理電腦程式設計、電腦繪圖等。以有 限元素法分別分析缺陷和完整樑在隨機振動作用下，各結點之應變及應力場數值，並算出其他誘 導值。分別代入「缺陷能參數」的公式計算其結果，並繪圖檢視此一參數是否可以達成預期之目 標，是否須要加以修正。 在實驗印證上，製造鋼筋混凝土樑測試，含蓋振動器及週邊儀器之操作、模態測試及模態 分析等。在先前研究之動態載重「缺陷能參數」，乃為總應變能 W、剪力 V、轉角 θ、以及動能 T 的一個相關函數。在計算時，除了質量密度 ρ、斷面積 A、慣性矩 I、楊氏係數 E 等材料係數

外，尚須量測曲率 κ、剪應變 γ、撓度 v、以及自然頻率ωn等。在隨機振動下，量測系統的設置 和先前研究之衝擊載重並不一樣，但其項目和方法卻類似。 5. 實驗 將一支原始未經破壞的簡支樑長 200cm，分成 21 個結點，樑斷面如圖(1)所示。由動力分 析結果得知完整樑的第 13 個元素，在前三個震型之下都不會成形動力鉸點，因此將該元素設定 為量測站。在量測站的斷面，由上而下依序設置了加速規，菊花形應變規以及應變計等三種感應 器，並將試驗之系統和激振器、放大器、FFT 模態分析儀及個人電腦連線按裝如圖(3)所示。 「加速規」是在模態試驗中所最被廣泛使用的感應儀器。從頻譜密度涵數中的共軛性質 Sxy(w)=S*xy(w) (1) 可得知在 y 點加以動力載重而從 x 點所量測出的交叉頻譜必等於在 x 點加以動力載重而從 y 點所 量測出的交叉頻譜。此一共軛關係，正和在靜力載重中的麥斯威爾相反撓度定理一致。因此欲以 加速規在同一固定點加以震動力，而沿著二十個元素逐一量測其振幅，亦即相當於沿著二十個元 素逐一激振，而在同一固定點加以量測，如此僅需設置一個量測站即可。隨機震動力乃由激振器， 輸出假隨機(Psudo-Random)信號。 在本試驗中，欲以加速規量測此結構的前三個基本振型，在數值模擬分析結果得知後，設 定訊號收集之頻寬為 2.0K Hz，FFT 之解析條數取 800 條，每一量測點收集 100 次隨機訊號。在 時域收集完成之訊號，以快速富利葉轉換程式轉換成頻域中的頻率反應函數，此即為動態柔度。 此一函數為複數型態，因此通常以其值的大小和其相位圖一併畫上。此複數值的大小，可用分貝 來表示，也可以取線性座標或對數座標，或是直接以實部與虛部的值，或李氏軌跡圖表示之。圖 形中的峰值，即表示系統自然頻率的產生，將前三個自然頻率的每一峰值點取出，再以多項式曲 線配方法找出各撓度振型。本試驗以台灣譜威公司開發的「STAR」軟體，在量測之後可獲得立 即的結果。並將此一結果和有限元素分析做一比較，在必要時，可立即重測某一元素的頻譜圖， 以提高試驗的準確度。 電阻式應變計為一非常精細靈敏的量測儀器，可量至 1×10-6 _{如此微量之應變。利用應變計} 來量測結構物的應變振型已被廣泛的應用。它的量測方式和採用加速規的量測方式非常類似。從 應變計收集的訊號可透過放大器傳到分析儀上，加上衝擊反應函數，又可得到一組頻譜反應函 數。每一量測點仍收集 100 次隨機訊號，其後續步驟直到找出應變振型都和加速規相同。當某一 點的最外緣應變已被測出時，將之除以梁的一半深度後即可轉換成該點之曲率κ。將各元素之曲 率連接，即可得到曲率振型。以形態而言，曲率和應變振型是完全相同的。 在每一組菊花型應變規上，共含有三個規格相同的電阻式應變計。從三個應變計所量測出 的值εa，εb以及εc需符合此平面應力的轉換方程式關係： θ γ + θ ε − ε + ε + ε = ε_θ sin2 2 2 cos 2 2 xy y x y x (2) 因為本試驗所採用之θ角為 45°，因此剪應變可簡化成 b a c xy =2ε −ε −ε γ (3) 每一個斷面的εa，ε_b以及ε_c 皆可獨立的以同前所述應變振型之方法量測出，因此代入(3)式即 可算出該元素上之剪應變量，亦即可求得剪應變振型。再由剪力－剪應變之關係式可求得各元素 之剪力。 GA V c γ = γ (4) 式中γc為剪力校正係數。對於本試驗採用的矩形斷面，γc採 5/6。 RC 樑為一 15x20 cm 矩形斷面，僅設計拉力筋如圖(7)所示，其完整樑之測試安裝以及缺陷 斷面樑之測試，分別如圖(8)(9)所示。至於轉角θ，前三個基本振型雖為「低頻率」，但相對應於 現有量測轉角的儀器而言，仍屬高速來回振動，並無法在動態狀況下直接量測出來，因此必須藉 助一組固定式加速規量測到的撓度震型，取其一次導數而得之。撓度振型的試驗誤差，加上計算 誤差後仍然可提供令人可以接受的轉角震型結果。至此，在原始無缺陷的結構體中計算缺陷能所 需要的各量：撓度 v、轉角θ、曲率κ、剪應變γ、剪力 V 以及自然頻率ωn皆已量測到或計算

出。 其次，將此鋼樑的第 13 個元素以人為破壞其總斷面積的 20%，重覆測量或計算前述之各 量：v、θ、κ、γ、V、ωn。最後將完整和缺陷結構二組數據代入計算式中，即可得到缺陷能。 6. 結果與討論 有關缺陷能的理論發展和數值模擬的結果，它具有以下的特性：(1)可以達成橋樑的非破壞 檢測目標：偵測缺陷的產生找出缺陷位置，以及找出破壞程度。(2)量測點可以不必在缺陷位置 上。(3)數值模擬顯示其結果的穩定性，且適用在任一振型上。(4) E,A,I 值的變化，不會影響到 此參數的模擬結果，此即說明了此一能量參數可適用於不同的材質、斷面積及斷面形狀。(5)對 局部性的破壞具相當的敏感度。(6)可適用於複破壞點的量測上。(7)可精確預測破壞程度。(8)量 測後，僅需加法和乘法計算即可求得缺陷能，而不須繁雜的積分或微分計算，因此以一般工程用 之計算機即可進行。 在實驗量測上，模態分析的技巧必須純熟且深入才能獲得良好且可靠的數據。因此橋樑載重 及支撐邊界條件的設立與固定、事前的預分析以決定取樣之頻率範圍、量測點的選擇、系統的設 定，都必須要調整到最適當的狀況才可進行信號的擷取和記錄。 在撓度和曲率振型量測上，其結果相當良好。然而缺陷樑的最大振幅卻比完整樑的最大振幅 小，此一結果和所有數值模擬結果相反，這是值得再深入探討的課題。實驗結果是經本組人員反 覆多次實驗操作的結論，然而 HMC2 元素及 MICSAP 又是經多次驗證且發表論文的程式，因此， 必須再深入研究。 菊型應變規的信號不完美，乃因此種斷面本身並不會產生大的剪應變，再加上應變規的位置 貼於近中心軸的位置，因此輸出信號微弱。若是信號在傳送、放大或處理過程中有漏失，則其準 確度必然喪失。而剪應變乃藉助三支不同角度的應變規組成，因此其誤差量也大。但第一振型， 應該是信號最清楚者，在反覆測試後，總是得到最差的信號和振型，此一問題目前仍然無法合理 解釋，有待更進一步的研究和討論。 本研究僅提供「一種」找出缺陷能的方法。在文獻中，目前並無相關於動態剪力、動態轉角 及動態剪應變的記載，因此這些實驗方法或許為首創。若有其它更有效率、更精確的儀器可供使 用，則實驗過程也更能簡化，結果也可更好。 將來的研究，可繼續往實驗方法的創新或改進為之。本次實驗必須量測 21 個結點，每個結 點須量撓度、轉角、剪應變、及曲率等四組資料，每組資料需有 100 次有效隨機信號，而且須量 測四個振型，然後又須做三種破壞狀況，因此整個實驗總共收集了超過數萬個有效數據，而且都 是歷經反覆驗証的結果。這些數據的後續能量計算若能設計成自動化的計算，將可大量降低作業 時間，如此才能符合現地量測的需求。 本計畫乃為「缺陷能」應用在實體結構的整體性非破壞檢驗法之一個實用性步驟，前承自 由振動及衝擊載重等動態實驗結果對理論的驗證，後續現場實體結構的破壞位置偵測、檢定及長 時間破壞觀測系統的規畫設計。對於提昇現階段結構物維修工作之水準，保障結構物使用者及維 修者之生命財產安全皆有不可忽視的助益。主要之貢獻有：(1)以隨機振動法進行整體性非破壞 檢驗工作。(2)在學理上，可證實缺陷能在結構體的破壞檢驗功能，並加強能量法應用在實體橋 樑破壞偵測之可行性。(3)找出在實驗室內的操作與現地實體結構物在偵測系統的架設及試驗操 控上可能產生的差異及其解決之道。(4)替其它大型結構體，如桁架及剛架的能量公式推算、應 用以及如版殼之三維空間結構能量公式的推導，奠定良好之發展基礎。 7. 參考文獻 1. 顏清連、蔡義本、陳亮全、李清勝、許銘熙、林美聆、羅俊雄，「防災國家型科技計畫規劃 報告」，國科會報告，1997 年 9 月

2. Shih-Shong Tseng, Li-Jeng Hwang, Ming-Chao Lin, “A Numerical Study of the Dynamic Responses of a Damaged Continuous Bridge Girder”，International Conference on Computing and Information Technology for Architecture, Engineering and Construction, Singapore, May, 1996 3. 曾世雄、林明昭，「橋樑的非破壞檢測應用─能量法」, 投稿於第四屆結構工程研討會，台

4. Shih-Shong Tseng and Atef F. Saleeb, June 1998, “Defect Energy Method for Global Nondestructive Evaluation”, Journal of the Chinese Institute of Civil and Hydraulic Engineering, Vol. 10, No. 2, pp. 389-396.

5. Li, Yuan N. and Liang, Robert Y., “Stability Theory of Cohesive Crack Model”, ASCE, Journal of Engineering Mechanics, Vol. 118, No. 3, March 1992, pp. 587-601

6. Agbabian, M. S.; Masri, S. F.; Miller, R. K. and Caughey, T. K., “System Identification Approach to Detection of Structural Changes”, ASCE, Journal of Engineering Mechanics, Vol. 117, No. 2, February 1991, pp. 370-390.

7. Hjelmstad, K. D.; Wood, S. L.; and Clark, S. J., “Mutual Residual Energy Method for Parameter Estimation in Structures”, ASCE, Journal of Structural Engineering, Vol. 118, No. 1, January 1992, pp. 223-242.

8. Hjelmstad, K. D., “On the Uniqueness of Modal Parameter Estimation”, Journal of Sound and Vibration, (1996), 192(2), pp. 581-598. 圖(2) 信號控制及資料收集 圖(1) RC 樑斷面圖 15 cm 18 cm N.A. 6.03 cm 2 No. 4

圖(3) RC 樑測試儀器安裝 圖(4) RC 樑缺陷斷面圖 圖(5) 50%破壞之缺陷能 -500 500 1500 2500 3500 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 元素編號 缺陷能