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論文中文名稱:應用壓電陶瓷感測器於混凝土梁與剪力牆之損壞評估 [以論文名稱查詢館藏系統]
論文英文名稱:Application of PZT sensors to damage detection of concrete beam & shear wall. [以論文名稱查詢館藏系統]
院校名稱:臺北科技大學
學院名稱:工程學院
系所名稱:土木與防災研究所
畢業學年度:100
出版年度:101
中文姓名:黃農尹
英文姓名:Nung-Yin Huang
研究生學號:99428003
學位類別:碩士
語文別:中文
口試日期:2012-07-19
論文頁數:82
指導教授中文名:廖文義
指導教授英文名:Wen-I Liao
口試委員中文名:張順益;柴駿甫
口試委員英文名:Shun-Yi Chang;Juin-Fu Chai
中文關鍵詞:剪力牆損壞評估混凝土智能骨材壓電陶瓷
英文關鍵詞:Shear wallDamage assessmentConcreteSmart aggregatePiezoceramic
論文中文摘要:本研究主要為運用智能骨材感測器進行混凝土梁早期強度評估與RC剪力牆振動試驗之損壞評估,在早期強度評估試驗上探討混凝土強度與壓電振福訊號的關聯性;剪力牆試驗為診斷結構體的損壞程度,並比較預埋之智能骨材感測器與後埋之智能骨材感測器有何差異。所使用的智能骨材感測器是利用壓電陶瓷材料所製成,利用基本波動力學及壓電材料可發射應力波亦可接收應力波之特性,進行混凝土結構物之健康診斷研究。結構健康診斷為將智能骨材感測器埋入RC結構物內,當試體受到破壞時,由智能骨材感測器發射應力波以及不同位置的感測器來擷取應力波,利用應力波振幅隨著結構破壞程度、裂縫增加而減少振幅的特性,可知RC結構物之損壞程度,再利用數值分析得到損壞指標,即可判斷出結構物損壞程度,當結構物達到嚴重破壞時,所量測到的損壞指標也相當接近最大值。本次研究可驗證壓電材料用於RC結構物檢測的可行性,並藉由預埋與後埋兩種方式,模擬智能骨材應用於新建結構物與現有結構物的差異性,實為土木結構非破壞檢測上之一種新的檢測方法。
論文英文摘要:In this research,the smart piezoelectric sensors have been applied to the damage detections of concrete beam and shear wall. Comparison of Pre-embedded in the smart aggregate sensors and post-embedded in the smart aggregate sensors what is the difference. The adopted smart sensors of this research are fabricated by piezoceramic materials. Base on the wave propagation theory and the sensor can be used as actuator and receiver for sending and receiving stress waves to monitor the health state of the concrete structures. The first test was development of technique for early-age strength monitoring of concrete beam. The second test was a shake table test of a reinforced shear wall. A piezoceramic-based device, called smart aggregate, was pre-embedded and adopted for the structural health monitoring of the concrete frame under earthquake excitations. By analyzing the wave response, the existence of crack can be detected and the severity can be estimated. The experimental results demonstrate the sensitiveness and the effectiveness of the piezoceramic-based approach in the structural health monitoring of concrete structures under earthquake loading. This is a new detection method for civil engineering structures on non-destructive testing.
論文目次:目 錄
摘 要 i
英文摘要 ii
誌 謝 iii
目 錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2研究動機與目的 1
1.3文獻回顧 3
1.4研究內容 4
第二章 壓電材料基本理論 5
2.1智能骨材簡介 5
2.1.1 壓電材料特性 5
2.1.2壓電效應 6
2.2智能骨材 6
2.3實驗儀器簡介 7
第三章 混凝土早期強度評估 16
3.1前言 16
3.2基本原理 16
3.3試體製作 17
3.4試驗過程 18
3.5試驗結果 19
3.5.1訊號處理 19
3.5.2試體A之訊號 19
3.5.3試體B之訊號 20
3.6小結 20
第四章 剪力牆試體之損壞診斷 43
4.1前言 43
4.2剪力牆試體描述 43
4.3剪力牆試體之試驗過程與結果分析 44
4.3.1試驗步驟 44
4.3.2訊號處理 45
4.3.3訊號分析與損壞指標 46
4.4小結 47
第五章 結論 79
5.1實驗結果 79
5.2實務應用 80
5.3未來研究方向 80
參考文獻 82



















表目錄

表3.1 試體配置 22
表3.2 智能骨材電容值 22
表3.3 梁A1—A3電壓振幅值 23
表3.4 梁A1—A4電壓振幅值 23
表3.5 梁A1—A3電壓振幅積分值 24
表3.6 梁A1—A4電壓振幅積分值 24
表3.7 梁A2—A3電壓振幅值 25
表3.8 梁A2—A4電壓振幅值 25
表3.9 梁A2—A3電壓振幅積分值 26
表3.10 梁A2—A4電壓振幅積分值 26
表3.11 梁B1—B3電壓振幅值 27
表3.12 梁B1—B4電壓振幅值 27
表3.13 梁B1—B3電壓振幅積分值 28
表3.14 梁B1—B4電壓振幅積分值 28
表3.15 梁B2—B3電壓振幅值 29
表3.16 梁B2—B4電壓振幅值 29
表3.17 梁B2—B3電壓振幅積分值 30
表3.18 梁B2—B4電壓振幅積分值 30
表4.1 剪力牆試體壓電感測器之電容值 49
表4.2 剪力牆試體之各階段載重配置與損壞情況 49
表4.3 剪力牆試體以F1為致動器(頻率=100Hz)下各感測器之積分值 50
表4.4 剪力牆試體以F1為致動器(頻率=500Hz)下各感測器之積分值 50
表4.5 剪力牆試體以F1為致動器(頻率=1kHz)下各感測器之積分值 50
表4.6 剪力牆試體以F1為致動器(頻率=5kHz)下各感測器之積分值 51
表4.7 剪力牆試體以F1為致動器(頻率=100Hz)下各感測器之損壞指標 51
表4.8 剪力牆試體以F1為致動器(頻率=500Hz)下各感測器之損壞指標 51
表4.9 剪力牆試體以F1為致動器(頻率=1kHz)下各感測器之損壞指標 52
表4.10 剪力牆試體以F1為致動器(頻率=5kHz)下各感測器之損壞指標 52
表4.11剪力牆試體以F2為致動器(頻率=100Hz)下各感測器之積分值 52
表4.12剪力牆試體以F2為致動器(頻率=500Hz)下各感測器之積分值 53
表4.13剪力牆試體以F2為致動器(頻率=1kHz)下各感測器之積分值 53
表4.14剪力牆試體以F2為致動器(頻率=5kHz)下各感測器之積分值 53
表4.15 剪力牆試體以F2為致動器(頻率=100Hz)下各感測器之損壞指標 54
表4.16 剪力牆試體以F2為致動器(頻率=500Hz)下各感測器之損壞指標 54
表4.17 剪力牆試體以F2為致動器(頻率=1kHz)下各感測器之損壞指標 54
表4.18 剪力牆試體以F2為致動器(頻率=5kHz)下各感測器之損壞指標 55
表4.19 剪力牆試體以F3為致動器(頻率=100Hz)下各感測器之積分值 55
表4.20 剪力牆試體以F3為致動器(頻率=500Hz)下各感測器之積分值 55
表4.21 剪力牆試體以F3為致動器(頻率=1kHz)下各感測器之積分值 56
表4.22 剪力牆試體以F3為致動器(頻率=5kHz)下各感測器之積分值 56
表4.23 剪力牆試體以F3為致動器(頻率=100Hz)下各感測器之損壞指標 56
表4.24 剪力牆試體以F3為致動器(頻率=500Hz)下各感測器之損壞指標 57
表4.25 剪力牆試體以F3為致動器(頻率=1kHz)下各感測器之損壞指標 57
表4.26 剪力牆試體以F3為致動器(頻率=5kHz)下各感測器之損壞指標 57
表4.27 剪力牆試體以L1為致動器(頻率=100Hz)下各感測器之積分值 58
表4.28 剪力牆試體以L1為致動器(頻率=500Hz)下各感測器之積分值 58
表4.29 剪力牆試體以L1為致動器(頻率=1kHz)下各感測器之積分值 58
表4.30 剪力牆試體以L1為致動器(頻率=5kHz)下各感測器之積分值 59
表4.31 剪力牆試體以L1為致動器(頻率=100Hz)下各感測器之損壞指標 59
表4.32 剪力牆試體以L1為致動器(頻率=500Hz)下各感測器之損壞指標 59
表4.33 剪力牆試體以L1為致動器(頻率=1kHz)下各感測器之損壞指標 60
表4.34 剪力牆試體以L1為致動器(頻率=5kHz)下各感測器之損壞指標 60



圖目錄

圖2.1 壓電效應示意圖 9
圖2.2 壓電片的正負兩極銲在不同的導線 9
圖2.3 壓電片表面噴上防水漆 10
圖2.4 預埋式智能骨材 10
圖2.5 預埋式智能骨材示意圖 11
圖2.6 依設計位置安裝預埋式智能骨材 11
圖2.7 後埋式壓電感測器示意圖 12
圖2.8 後埋式壓電感測器完成圖 12
圖2.9 智能骨材產生應力波示意圖 13
圖2.10 於損壞RC結構之智能骨材檢測示意圖 13
圖2.11 訊號產生器 14
圖2.12 示波器 14
圖2.13 功率放大器 15
圖2.14 資料擷取器 15
圖3.1 將智能骨材固定於鐵網上 31
圖3.2 智能骨材放置圖 31
圖3.3 試體A以2根3MM鐵絲為主筋 32
圖3.4 試體B以3根#3鋼筋為主筋 32
圖3.5 接收之壓電訊號與齡期關係圖(致動器A1,接收器A3) 33
圖3.6 接收之壓電訊號與齡期關係圖(致動器A1,接收器A4) 33
圖3.7 接收之壓電訊號積分值與齡期關係圖(致動器A1—100HZ) 34
圖3.8 接收之壓電訊號積分值與齡期關係圖(致動器A1—1KHZ) 34
圖3.9 接收之壓電訊號積分值與齡期關係圖(致動器A1—10KHZ) 35
圖3.10接收之壓電訊號與齡期關係圖(致動器A2,接收器A3) 35
圖3.11 接收之壓電訊號與齡期關係圖(致動器A2,接收器A4) 36
圖3.12 接收之壓電訊號積分值與齡期關係圖(致動器A2—100HZ) 36
圖3.13 接收之壓電訊號積分值與齡期關係圖(致動器A2—1KHZ) 37
圖3.14 接收之壓電訊號積分值與齡期關係圖(致動器A2—10KHZ) 37
圖3.15 接收之壓電訊號與齡期關係圖(致動器B1,接收器B3) 38
圖3.16 接收之壓電訊號與齡期關係圖(致動器B1,接收器B4) 38
圖3.17接收之壓電訊號積分值與齡期關係圖(致動器B1—100HZ) 39
圖3.18接收之壓電訊號積分值與齡期關係圖(致動器B1—1KHZ) 39
圖3.19 接收之壓電訊號積分值與齡期關係圖(致動器B1—10kHz) 40
圖3.20 接收之壓電訊號與齡期關係圖(致動器B2,接收器B3) 40
圖3.21 接收之壓電訊號與齡期關係圖(致動器B2,接收器B4) 41
圖3.22 接收之壓電訊號積分值與齡期關係圖(致動器B2—100HZ) 41
圖3.23 接收之壓電訊號積分值與齡期關係圖(致動器B2—1KHZ) 42
圖3.24 接收之壓電訊號積分值與齡期關係圖(致動器B2—10kHz) 42
圖4.1 剪力牆試體之側視與配筋圖 (unit: cm ) 61
圖4.2 剪力牆試體之上視圖 (unit: cm ) 61
圖4.3 剪力牆試體之正視圖 (unit: cm ) 62
圖4.4 剪力牆試體之基礎上視圖 (unit: cm ) 62
圖4.5 振動台試驗之配置照片 63
圖4.6 智能骨材配置圖 63
圖4.7 輸入之地震歷時圖 64
圖4.8 5頓偏心載重下輸入PGA為1200gal試驗後牆體之裂縫情況 64
圖4.9 5頓偏心載重下輸入PGA為1200gal試驗後柱體之裂縫情況 65
圖4.10 5頓偏心載重下輸入PGA為1500gal試驗後牆體之裂縫情況 65
圖4.11 5頓偏心載重下輸入PGA為1500gal試驗後柱體之裂縫情況 66
圖4.12 5頓偏心載重下PGA為1500gal第二次試驗後牆體之裂縫情況 66
圖4.13 5頓偏心載重下PGA為1500gal第二次試驗後柱體之裂縫情況 67
圖4.14 6頓載重下輸入PGA X向為1500gal Y向為200gal試驗後牆體之裂縫情況 68
圖4.15 6頓載重下輸入PGA X向為1500gal Y向為200gal試驗後柱體之裂縫情況 69
圖4.16 6頓載重下輸入PGA為1500gal試驗後牆體之裂縫情況 69
圖4.17 6頓載重下輸入PGA為1500gal試驗後柱體之裂縫情況 70
圖4.18 以F1為致動器(頻率=100Hz)下各感測器之損壞指標圖 71
圖4.19 以F1為致動器(頻率=500Hz)下各感測器之損壞指標圖 71
圖4.20 以F1為致動器(頻率=1kHz)下各感測器之損壞指標圖 72
圖4.21 以F1為致動器(頻率=5kHz)下各感測器之損壞指標圖 72
圖4.22 以F2為致動器(頻率=100Hz)下各感測器之損壞指標圖 73
圖4.23 以F2為致動器(頻率=500Hz)下各感測器之損壞指標圖 73
圖4.24 以F2為致動器(頻率=1kHz)下各感測器之損壞指標圖 74
圖4.25 以F2為致動器(頻率=5kHz)下各感測器之損壞指標圖 74
圖4.26 以F3為致動器(頻率=100Hz)下各感測器之損壞指標圖 75
圖4.27 以F3為致動器(頻率=500Hz)下各感測器之損壞指標圖 75
圖4.28 以F3為致動器(頻率=1kHz)下各感測器之損壞指標圖 76
圖4.29 以F3為致動器(頻率=5kHz)下各感測器之損壞指標圖 76
圖4.30 以L1為致動器(頻率=100Hz)下各感測器之損壞指標圖 77
圖4.31 以L1為致動器(頻率=500Hz)下各感測器之損壞指標圖 77
圖4.32 以L1為致動器(頻率=1kHz)下各感測器之損壞指標圖 78
圖4.33 以L1為致動器(頻率=5kHz)下各感測器之損壞指標圖 78
論文參考文獻:[1] Abo-Qudais, S. A., “Effect of concrete mixing parameters on ropagation of ultrasonic waves”, Constr. Building Mater., vol.19, pp.63-257, 2005.
[2] 池田拓郎著,陳世春譯著,「基本電壓材料學」,復漢出版社,民74
[3] Gu H., Song, G., Dhonde, H., Mo, Y.L. and Yan, S., “Concrete early-age strength monitoring using embedded piezoelectric transducers”, Smart materials and structures, vol.15, pp.1837-1845, 2006.
[4] Soh C. H., Tseng K.K., Bhalla S. and Gupta A., “Performance of smart piezoceramic patches in health monitoring of a RC bridge”, Smart Materials and structures, vol.9, pp.533-542, 2000.
[5] Song G., Gu H., Mo Y. L. , “Smart aggregate”, the Proceeding of 4th China-Japan-US Symposium on Structural Control and Monitoring, Oct.16-17, 2006.
[6] Tseng K. K-H and Naidu A. S. K, “Non-parametric damage detection and characterization using smart piezoceramic material”, Smart materials and structures, vol.11, pp.317–329, 2002.
[7] Tseng K. K. and Wang, L., “Smart piezoelectric transducers for in situ health monitoring of concrete”, Smart Mater. Struct, vol.13, pp.1017–1024, 2004.
[8] 陳星宇,「壓電智能骨材於結構損傷評估之應用」,碩士論文,國立台北科技大學土木與防災研究所,2009
[9] 林建輝,「智能骨材於結構損傷檢測之應用」,碩士論文,國立台北科技大學土木與防災研究所,2009
[10] 王鑑翔,「應用壓電陶瓷感測器於實際混凝土橋墩之損壞診斷」,碩士論文,國立台北科技大學土木與防災研究所,2012
論文全文使用權限:同意授權於2017-08-13起公開