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論文中文名稱:多功能牛頓擺錘衝擊試驗儀與多重物理檢測於落石消能材料之驗效 [以論文名稱查詢館藏系統]
論文英文名稱:Multifunctional Newtons Cradle Apparatus Associated with Multi-Physical Measurement to Verify Impact Energy Release for Rock-Falling Problem [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:土木工程系土木與防災碩士班
畢業學年度:105
畢業學期:第二學期
中文姓名:許嘉勛
英文姓名:Chia-Hsun Hsu
研究生學號:104428035
學位類別:碩士
語文別:中文
口試日期:2017/07/26
指導教授中文名:陳立憲
指導教授英文名:Li-Hsien Chen
口試委員中文名:陳堯中;鄭丁興;楊元森;陳立憲
中文關鍵詞:多功能牛頓擺錘衝擊試驗影像分析消能材料
英文關鍵詞:Multifunctional Newtons CradleImpact TestImage AnalysisEnergy Dissipation Material
論文中文摘要:臺灣先天地質狀況破碎且結構複雜、地震密集,加上季節性降雨與颱風侵襲等水文條件,造成落石事件頻繁,此外因地狹人稠,突發落石事件導致災害頻傳,對鄰近之人、車、屋,形成嚴重威脅,誠居大地工程中最艱難之挑戰,因此落石機制防護工之設計施作、及其相關檢測技術,在在均有大幅提升之必要性。
土木工程除源頭治理之柔性工法外,於落石終端防護工法主要為明隧道與落石棚
之建築,為研究落石破壞機制與明隧道工程之消能系統,本研究首創物理實驗之牛頓擺錘行為發想,並斟酌附加「接觸」與「非接觸」等不同之物理量作為非破壞檢測技術之研析。如非接觸量測之聲(分貝計) - 光(雙相機影像分析)系統,與接觸式量測之加速度計、動態荷重計,整合開發出多功能牛頓擺錘衝擊試驗儀。
透過衝擊力或衝擊能之施加與觀察受測材料動力變形分析,可求得材料之消能特徵,俾作落石防護之設計參佐。
本研究初次建構可依不同之落石能量而調整之多功能牛頓擺錘衝擊試驗儀,透過重力式位能變動能轉換之牛頓擺錘理論,經動力衝擊消能之信度與效度認證,可認其適確性。進而可建議標準試驗程序及方法,搭配擺錘釋放高度、繩長、重量等細節選擇而調整輸入能量(能量範圍:0-1118J),並選定待測構材之幾何形狀與種類,佐以接觸量測加速度、動態荷重計及非接觸之聲音量測、高速攝影影像分析,俾能觀察消能構材受衝擊之動力特徵。
另外本研究之多功能牛頓擺錘衝擊試驗儀,不僅對動態衝擊試驗,此儀設在設計上,未來亦可依照試驗規劃所需,調整與擴充作為動態彎矩、撓曲、剪力與拉力之試驗檢測。
論文英文摘要:Taiwan has fragmented geology and complex structure naturally, frequent earthquakes, and hydrological conditions of seasonal rainfall and typhoons, so that the rockfall incident happened frequently. In addition, for small land and large population, the sudden rockfall incident resulted in constant disasters, endangering the nearby persons, vehicles and houses severely, it is the hardest challenge to geotechnical engineering. Therefore, it is necessary to improve the design implementation and inspection techniques for rockfall mechanism protection works.
Besides flexible textile work for watershed management in civil engineering, the rockfall termination protection engineering is mainly the buildings of open tunnel and rockfall shed. To study the rockfall failure mechanism and the energy dissipation system of open tunnel engineering, this study originates the Newtons Cradle behavior of physical experiment, and uses "contact" and "non-contact" physical quantities to study nondestructive testing technique. The acoustical (decibelmeter)-optical (double camera image analysis) system for non-contact measurement and accelerometer and impact force sensors for contact measurement are integrated to develop a multifunctional Newtons Cradle Apparatus.
The impact force or impact energy is applied to observe the dynamic deformation of test material, the energy dissipation characteristic of material can be obtained as design reference for rockfall protection.
This study builds the multifunctional Newtons Cradle Apparatus which can be adjusted according to the rockfall energy for the first time, according to the Newtons cradle theory of gravity potential energy variation transformation, the fitness is validated by reliability and validity authentication of dynamic shock energy dissipation. The standard test procedure and method can be combined with pendulum release altitude, rope length and weight to adjust the input energy (energy range: 0-1118J). The geometry and type of test member are selected, with contact measurement of acceleration, impact force sensors and non-contact acoustic measurement and high-speed photography image analysis, the dynamic feature of energy dissipation member under impact can be observed.
In addition, this multifunctional Newtons Cradle Apparatus can be used for dynamic impact, and it can be adjusted and extended to test dynamic bending moment, deflection, shear and tension as required in the future.
論文目次:摘 要 i
ABSTRACT iii
誌 謝 v
目 錄 vi
表目錄 ix
圖目錄 xii
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 研究範圍與方法 2
1.3 研究架構與內容 3
第二章 文獻回顧 5
2.1 落石災害概述 5
2.1.1國內落石事件概述 5
2.1.2國外落石事件概述 6
2.2 落石發生特徵 7
2.2.1落石之發生因由 7
2.2.2落石之運動特性 9
2.3 落石防治對策 15
2.3.1落石防治型態之分類 15
2.3.2落石防治工程之應用 22
2.4 消能材料介紹 25
2.4.1材料發展沿革 25
2.4.2材料成分及工程性質 25
2.4.3材料製造流程 27
2.4.4消能材料之結構性能與能量吸收行為 29
2.4.5國內外既有之消能材(EPS)相關技術規範 32
2.5 衝擊試驗之回顧 33
2.5.1 耗能式衝擊試驗 34
2.5.2 重力式衝擊試驗 36
2.6 非接觸式量測技術說明 37
2.6.1 光學-影像技術與位移場量測 37
2.6.2 聲學-分貝值量測與吸音消能分析 40
第三章 試驗架構與執行 41
3.1試驗規劃流程 41
3.2消能構材整備及試驗 42
3.2.1消能構材整備 42
3.2.2基本物性試驗 43
3.2.3基本力學試驗 50
3.3多功能牛頓擺錘試驗機原理與架設 53
3.3.1傳統牛頓擺力學原理 53
3.3.2多功能牛頓擺錘試驗儀之機構介紹 57
3.3.3多功能牛頓擺錘試驗儀之試驗紀錄及維護 63
3.4接觸與非接觸量測系統 67
3.4.1接觸式量測系統 67
3.4.2非接觸式量測系統 72
3.4.3接觸式與非接觸式量測數據同步化之軟體開發 86
第四章 試驗成果分析 87
4.1 試驗內容與代號說明 87
4.1.1試驗內容介紹 87
4.1.2試驗代號說明 88
4.2 基本物性試驗 90
4.2.1材料指數性質 90
4.2.2材料吸水率 94
4.3力學性質-靜態壓縮之加載歷程 96
4.4牛頓擺錘試驗儀 105
4.4.1牛頓擺錘衝擊試驗儀運動機制 105
4.4.2衝擊試驗之試體標繪與凹陷量計算 108
4.5牛頓擺錘試驗機-接觸式量測系統 110
4.5.1 接觸式系統-動態荷重計與加速度計量測結果 110
4.6牛頓擺錘試驗機-非接觸式量測系統 113
4.6.1光學-影像分析與變位量測結果 113
4.7 接觸式與非接觸式量測系統比對分析 126
4.7.1量測系統定義說明與比對分析 126
4.7.2接觸式加速度值反算結果 129
4.7.3非接觸式光學影像反算結果 130
第五章 結論與建議 131
5.1 結論 131
5.2 建議 133
參考文獻 135
委員意見回覆表 138
符號對照表 140
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