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論文中文名稱:壓電智能骨材於結構損傷評估之應用 [以論文名稱查詢館藏系統]
論文英文名稱:Application of Piezoceramic-Based Smart Aggregates to Health Monitoring of Structures [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:97
出版年度:98
中文姓名:陳星宇
英文姓名:Xing-Yu Chen
研究生學號:95428015
學位類別:碩士
語文別:中文
口試日期:2009-01-13
論文頁數:105
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:黃震興;宋裕祺
口試委員英文名:Jenn-Shin Hwang;Yu-Chi Sung
中文關鍵詞:健康診斷智能骨材早期強度評估混凝土壓電陶瓷
英文關鍵詞:structural health monitoringsmart aggregate
論文中文摘要:本論文之主要研究方向為運用壓電材料進行混凝土早期強度評估及結構健康診斷,研究所使用之智能骨材為以壓電材陶瓷料所製成,利用基本波動力學及智能材料可發射應力波,亦可接收應力波的特性,進行混凝土結構早期強評估與健康診斷之研究,結構健康診斷為將智能骨材埋入RC結構內,當試體受到破壞時,由智能材料發射應力波及由不同位置的智能骨材擷取應力波,利用應力波振幅隨著結構破壞程度、裂縫增加而減少特性,可知結構損壞程度,再利用數值分析得到損壞指標,在早期強度評估方面為利用訊號振幅隨著抗壓強度增強而減少之特性,藉由不同天數之抗壓強度及定時測量智能骨材的訊號振幅,知振幅會隨抗壓強度上升而減弱,故可知抗壓強度及訊號振幅之間的關係。
論文英文摘要:Recent years, piezoelectric materials have been successfully applied to the early-age strength monitoring and damage detection of concrete structures due to their advantages of active sensing, low cost, quick response, availability in different shapes, and simplicity for implementation. The adopted smart aggregate of this research is fabricated by embedding a water-proof coated piezoceramic patch into a small concrete block. The major purposes of this research are (1) Development of the technique for early-age strength monitoring of concrete (2) Health monitoring of concrete structures under static load and seismic load. The early-age strength monitoring of concrete is performed by monitoring the harmonic response amplitude of smart aggregates. Experimental results show that the predicted concrete strength matches the experimental results obtained in the compressive test. Tests of health monitoring are the simple bending test of concrete beams, RC columns subjected to reversed cyclic loading, shake table test of a RC column. By analyzing the wave response, the existence of crack can be detected and the severity can be estimated. A damage index is developed to evaluate the damage status of the structures. The experimental results demonstrate the sensitiveness and the effectiveness of the proposed piezoceramic-based approach in the structural health monitoring of the concrete structure under static and earthquake loading. The multi-purpose smart aggregate has the potential to be implemented to the comprehensive performance evaluation of concrete civil structures.
論文目次:目錄
摘 要 i
ABSTRACT ii
誌 謝 iv
目 錄 v
表目錄 viii
圖目錄 x
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2研究動機與目標 1
1.3文獻回顧 2
1.4研究內容 3
第二章 壓電材料基本理論 4
2.1智能骨材簡介 4
2.1.1 壓電材料簡介 4
2.1.2壓電效應 5
2.2智能骨材 5
2.3實驗儀器簡介 6
第三章 混凝土早期強度評估 12
3.1前言 12
3.2基本原理 12
3.3試體製作與試體過程 13
3.3.1第一批試體 13
3.3.2第一批實驗 14
3.3.3第二批試體 15
3.3.4第二批實驗 15
3.4試驗結果 16
3.4.1訊號處理 16
3.4.2訊號衰減特性與混凝土強度(第一批) 17
3.4.2.1訊號衰減特性 17
3.4.2.2混凝土強度 18
3.4.3訊號衰減特性與混凝土強度(第二批): 18
3.5小結 19
第四章 RC梁之健康診斷 44
4.1前言 44
4.2基本原理 44
4.3試驗試體與儀器 44
4.3.1試體編號 44
4.3.2試驗儀器 44
4.4試驗過程與結果 45
4.4.1加載方式 45
4.4.2發射訊號種類 45
4.4.3訊號量測步驟 46
4.4.4裂縫發展量測 46
4.4.5試驗資料處理 46
4.5小結 49
第五章 RC柱之健康診斷 67
5.1前言 67
5.2試體描述 67
5.2.1反力牆試驗之結構試體 67
5.2.2震動台試驗之結構試體 67
5.3試驗過程與結果分析 68
5.3.1反力牆試驗 68
5.3.1.1試驗之步驟 68
5.3.1.2訊號處理與損壞指標 69
5.3.1.3 FC之試體分析 69
5.3.1.4 FL之試體分析 70
5.3.2 震動台試驗過程 71
5.3.2.1試驗之步驟 71
5.3.2.2訊號處理 71
5.3.2.3試驗分析 72
5.4小結 72
第六章 結論 101
6.1實驗結果 101
6.2研究貢獻 102
6.3實務應用 102
6.4未來研究方法 103
參考文獻 104







表目錄
表3.1 試驗試體編號 21
表3.2 第一批試體智能骨材之電容值 21
表3.3 第二批試體智能骨材之電容值 21
表3.4 梁A壓電訊號積分值歷時 22
表3.5 梁A壓電訊號振幅歷時 22
表3.6 梁A壓電訊號積分值歷時 23
表3.7 梁A壓電訊號振幅歷時 23
表3.8 梁B壓電訊號積分值歷時 23
表3.9 梁B壓電訊號振幅歷時 24
表3.10 梁B壓電訊號積分值歷時 24
表3.11 梁B壓電訊號振幅歷時 25
表3.12 第一批抗壓強度歷時 25
表3.13 梁C壓電訊號積分值歷時 26
表3.14 梁C壓電訊號振幅歷時 26
表3.15 梁C壓電訊號積分值歷時 27
表3.16 梁C壓電訊號振幅歷時 27
表3.17 梁D壓電訊號積分值歷時圖 28
表3.18 梁D壓電訊號振幅歷時 28
表3.19 第二批抗壓強度歷時 29
表4.1 試體編號50
表4.2 萬能試驗機之實驗步驟(梁Ⅰ) 50
表4.3 萬能試驗機之實驗步驟(梁Ⅰ) 50
表4.4 萬能試驗機之實驗步驟(梁Ⅱ) 50
表4.5 萬能試驗機之實驗步驟(梁Ⅱ) 50
表4.6 梁Ⅰ裂縫深度與實驗步驟 51
表4.7 梁Ⅰ裂縫寬度與實驗步驟 51
表4.8 梁Ⅱ裂縫深度與實驗步驟 51
表4.9 梁Ⅱ裂縫寬度與實驗步驟 51
表4.10 梁Ⅰ在未濾波之損壞指標與實驗步驟 52
表4.11 梁Ⅰ在濾波後之損壞指標與實驗步驟 52
表4.12 梁Ⅱ在未濾波之損壞指標與實驗步驟 52
表4.13 梁Ⅱ在濾波後之損壞指標與實驗步驟 52
表5.1 反力牆試驗最大位移之損壞指標值(FC試體) 73
表5.2 反力牆試驗最大位移之損壞指標值(FC試體) 73
表5.3 反力牆試驗最大位移之損壞指標值(FC試體) 73
表5.4 反力牆試驗無變位之損壞指標值(FC試體) 74
表5.5 反力牆試驗無變位之損壞指標值(FC試體) 74
表5.6 反力牆試驗無變位之損壞指標值(FC試體) 74
表5.7 反力牆試驗最大位移之損壞指標值(FL試體) 75
表5.8 反力牆試驗最大位移之損壞指標值(FL試體) 75
表5.9 反力牆試驗最大位移之損壞指標值(FL試體) 75
表5.10 反力牆試驗無變位之損壞指標值(FL試體) 76
表5.11 反力牆試驗無變位之損壞指標值(FL試體) 76
表5.12 反力牆試驗無變位之損壞指標值(FL試體) 76
表5.13 震動台試驗之損壞指標 76




圖目錄
圖2.1 壓電效應示意圖 7
圖2.2 壓電材料產生應力波的過程 7
圖2.3 訊號振幅因裂縫而減小示意圖 8
圖2.4 壓電片的正負兩極銲在不同的導線 8
圖2.5 壓電片表面噴上防水漆 9
圖2.6 完成之智能骨材 9
圖2.7 智能骨材構架 10
圖2.8 RC結構之智能骨材檢測系統 10
圖2.9 於損壞RC結構之智能骨材檢測示意圖 11
圖3.1 方形壓電材料埋入梁A試體30
圖3.2 圓形壓電材料埋入梁B試體 30
圖3.3 梁C試體設計圖 31
圖3.4 梁D試體設計圖 31
圖3.5 梁試體與圓柱混凝土試體 32
圖3.6 智能骨材固定至鐵架 32
圖3.7 實際試體 33
圖3.8 梁試體成品 33
圖3.9 儀器與實驗現場 34
圖3.10 早期強度評估流程圖 35
圖3.11 第一批試體試驗流程圖 35
圖3.12 第二批試體試驗流程圖 36
圖3.13 梁A之壓電訊號與混凝土強度歷時圖 37
圖3.14 梁A之壓電訊號與混凝土強度歷時圖 37
圖3.15 梁A之壓電訊號與混凝土強度歷時圖 38
圖3.16 梁A之壓電訊號與混凝土強度歷時圖 38
圖3.17 梁B之壓電訊號與混凝土強度歷時圖 39
圖3.18 梁B之壓電訊號與混凝土強度歷時圖 39
圖3.19 梁B之壓電訊號與混凝土強度歷時圖 40
圖3.20 梁B之壓電訊號與混凝土強度歷時圖 40
圖3.21 梁C之壓電訊號與混凝土強度歷時圖 41
圖3.22 梁C之壓電訊號與混凝土強度歷時圖 41
圖3.23 梁C之壓電訊號與混凝土強度歷時圖 42
圖3.24 梁C之壓電訊號與混凝土強度歷時圖 42
圖3.25 梁D之壓電訊號與混凝土強度歷時圖 43
圖3.26 梁D之壓電訊號與混凝土強度歷時圖 43
圖4.1 梁試體在萬能試驗機的擺設53
圖4.2 實驗照片 54
圖4.3 梁Ⅰ之試驗之實驗步驟圖 55
圖4.4 梁Ⅰ之試驗之實驗步驟圖 55
圖4.5 梁Ⅱ之試驗之實驗步驟圖 56
圖4.6 梁Ⅱ之試驗之實驗步驟圖 56
圖4.7 梁Ⅰ裂縫實驗步驟圖 57
圖4.8 梁Ⅰ裂縫實驗步驟圖 57
圖4.9 梁Ⅱ裂縫實驗步驟圖 58
圖4.10 梁Ⅱ裂縫實驗步驟圖 58
圖4.11 梁Ⅰ之100Hz在每階段試驗量測訊號歷時圖 59
圖4.12 梁Ⅰ之1kHz在每階段試驗量測訊號歷時圖 59
圖4.13 梁Ⅰ之5kHz在每階段試驗量測訊號歷時圖 60
圖4.14 梁Ⅰ之500Hz~5kHz在每階段試驗量測訊號歷時圖 60
圖4.15 梁Ⅱ之100Hz在每階段試驗量測訊號歷時圖 61
圖4.16 梁Ⅱ之1kHz在每階段試驗量測訊號歷時圖 61
圖4.17 梁Ⅱ之5kHz在每階段試驗量測訊號歷時圖 62
圖4.18 梁Ⅱ之500Hz~5kHz在每階段試驗量測訊號歷時圖 62
圖4.19 梁Ⅰ之損壞指標與實驗步驟關係圖 63
圖4.20 梁Ⅰ之損壞指標與實驗步驟關係圖 63
圖4.21 梁Ⅰ之損壞指標矩陣圖 64
圖4.22 梁Ⅱ之損壞指標與實驗步驟關係圖 64
圖4.23 梁Ⅱ之損壞指標與實驗步驟關係圖 65
圖4.24 梁Ⅱ之損壞指標矩陣圖 65
圖4.25 梁Ⅰ受彎矩破壞的情況 66
圖4.26 梁Ⅱ受彎矩破壞的情況 66
圖5.1 FC與FL試體之設計圖77
圖5.2 反力牆試驗之現場 77
圖5.3 反力牆試驗之配置圖 78
圖5.4 FC智能骨材擺設位置與編號圖 78
圖5.5 FL智能骨材擺設位置與編號圖 79
圖5.6 震動台單柱試體之智能骨材位置圖 79
圖5.7 震動台之現場 80
圖5.8 震動台試驗配置圖(正面) 80
圖5.9 震動台試驗配置圖(側面) 81
圖5.10 原始的壓電訊號歷時圖 81
圖5.11 訊號平移至時間軸後歷時圖 82
圖5.12 經過濾波後之訊號歷時圖 82
圖5.13 FC柱試體之SA13在每階段最大位移下之壓電訊號 83
圖5.14 FC柱試體之SA37在每階段最大位移下之壓電訊號 83
圖5.15 FC柱試體之SA13在每階段無變位下之壓電訊號 84
圖5.16 FC柱試體之SA37在每階段無變位下之壓電訊號 84
圖5.17 FC柱在不同變位角下,由訊號(1秒~2秒)建立之損壞指標 85
圖5.18 FC柱在不同變位角下,由訊號(9秒~10秒)建立之損壞指標 85
圖5.19 FC柱在不同變位角下,由訊號(0秒~10秒)建立之損壞指標 86
圖5.20 FC柱在最大位移歷時0秒~10秒損壞指標矩陣圖 86
圖5.21 FC柱在不同變位角下,由訊號(1秒~2秒)建立之損壞指標 87
圖5.22 FC柱在不同變位角下,由訊號(9秒~10秒)建立之損壞指標 87
圖5.23 FC柱在不同變位角下,由訊號(0秒~10秒)建立之損壞指標 88
圖5.24 FC柱在無受載重歷時0秒~10秒之損壞指標矩陣圖 88
圖5.25 FC試體在5%時的破壞情況 89
圖5.26 FC實際損壞示意圖 89
圖5.27 FL柱試體之SA4在每階段最大位移下之壓電訊號 90
圖5.28 FL柱試體之SA51在每階段最大位移下之壓電訊號 90
圖5.29 FL柱試體之SA4在每階段無變位之壓電訊號 91
圖5.30 FL柱試體之SA51在每階段無變位下之壓電訊號 91
圖5.31 FL柱在不同變位角下,由訊號(1秒~2秒)建立之損壞指標 92
圖5.32 FL柱在不同變位角下,由訊號(9秒~10秒)建立之損壞指標 92
圖5.33 FL柱在不同變位角下,由訊號(0秒~10秒)建立之損壞指標 93
圖5.34 FL柱在最大位移歷時0秒~10秒之損壞指標矩陣圖 93
圖5.35 FL柱在不同變位角下,由訊號(1秒~2秒)建立之損壞指標 94
圖5.36 FL柱在不同變位角下,由訊號(9秒~10秒)建立之損壞指標 94
圖5.37 FL柱在不同變位角下,由訊號(0秒~10秒)建立之損壞指標 95
圖5.38 FL柱在未受載重歷時0秒~10秒之損壞指標矩陣圖 95
圖5.39 FC試體在5%時的破壞情況 96
圖5.40 FL實驗損壞示意圖 96
圖5.41 震動台試驗SAN4在階段試驗後之訊號 97
圖5.42 震動台試驗SAN8在階段試驗後之訊號 97
圖5.43 震動台試驗SA33在階段試驗後之訊號 98
圖5.44 震動台試驗SA3在階段試驗後之訊號 98
圖5.45 震動台試驗各智能骨材在每階段之損壞指標 99
圖5.46 震動台試驗各智能骨材在每階段之損壞指標矩陣圖 99
圖5.47 震動台試體於600gal下之裂縫情況 100
圖5.48 震動台試體於900gal下之損壞情況 100
論文參考文獻:參考文獻

[1] D. Cai, H. Dai, X. He, S. Cai, and C. Zhang, “Application of fiber optical sensing technology to the Three Gorges Project”, Proc. 4th Int. Conf. on Dam Engineering— New Developments in Dam Engineering ,2004, pp.54–147.
[2] Abo-Qudais, S. A.,“Effect of concrete mixing parameters on ropagation of ultrasonic waves”, Constr. Building Mater., vol.19 , 2005, pp.63–257.
[3] H. Gu, G. Song, H. Dhonde, Y.L. Mo and S. Yan, “Concrete early-age strength monitoring using embedded piezoelectric transducers”, Smart materials and structures, vol.15, 2006, pp.1837–1845.
[4] J D Achenbach, Wave Propagation in Elastic Solids, Amsterdam: Elsevier. , 1973
[5] G. Song , H. Gu, Y.L. Mo ,‘‘Smart aggregate’’, the Proceeding of 4th China-Japan-US Symposium on Structural Control and Monitoring ,Oct.16-17, 2006
[6] K. K-H. Tseng and A.S.K. Naidu, “Non-parametric damage detection and characterization using smart piezoceramic material”, Smart materials and structures, vol.11, 2002, pp.317–329.
[7] C.K. Soh, K.K-H. Tseng, S. Bhalla and A. Gupta, “Performance of smart piezoceramic patches in health monitoring of a RC bridge”, Smart materials and structures, vol.9, 2000, pp.533–542.
[8] K. K. Tseng and L. Wang, “Smart piezoelectric transducers for in situ health monitoring of concrete”, Smart materials and structures ,vol.13, 2006, pp.1017–1024.
[9] 池田拓郎著,陳世春譯著,基本電壓材料學,復漢,民74
[10] George Lindfield‧Dr.John Penny著,黃俊銘編譯,數值方法-使用Matlab程式語言,全華, 2004
[11] William J. Palm III著,李宜達 麥焜燦譯著, Matlab在工程上的應用,全華,2004
論文全文使用權限:同意授權於2009-02-06起公開