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位移頻率響應函數於房屋結構健康監測之應用

結構物健康監測概念已行之有年，近期由於非接觸監測方法可提供全域之應變量測且施作方式簡便而受到各界重視。數位影像相關係數法為一非接觸式的量測技術，因此本研究提出一套結合影像相關係數法及結構位移反應分析方法之結構健康監測系統。此架構主體包含了影像處理、數值分析及損壞診斷。研究中首先使用SAP2000軟體建立數值模型，以數值模擬獲得模型在受地震力擾動下的位移資料，實驗部分則利用NCREE一棟八層樓之鋼結構模型，使用數位影像相關係數法之擷取方式，對此實驗模型進行動態資料之擷取其位移資料。在結構模型實驗中將所識別之子結構頻率響應函數值以損壞指標公式量化損壞程度與設計之損壞案例做比對，說明及驗證子結構頻率響應函數之適用性及可行性。分析結果顯示，本研究提出的曲率法改良式子結構頻率響應函數方法，其結果在數值模擬與現地實驗中對於損壞案例指標值較為敏感。此方法在不連續損壞位置的損壞案例上有良好的效果，但遇到連續位置將無法做正確的判別。

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智慧空間中機能與元素的新交互關係系統: 以提出個人化的智慧起居空間與用餐空間為例

綜觀建築歷史，其建築形態會隨著文化、時代背景、科技而改變，當然建築最基本的元素、機能、與人之間的互動關係也不斷地在改變。20世紀末，電腦科技的蓬勃發展下讓傳統建築產生巨幅的轉變，不但間接影響了建築外部的造型，也改變了內部配置方式，而遍佈式運算概念 (ubiquitous computing)、人機互動 (human-computer interaction/HCI) 技術也讓傳統上靜態的建築空間轉變為可感知人、與人互動的「智慧空間」(smart space)，然而，HCI出現似乎改變了原有元素的特性且間接讓空間元產生更多的機能性，因此本研究所探討的方向是：在HCI的影響下，其智慧空間中的機能和元素是否產生了變化？且其機能和元素之間所產生的新交互關係 (new inter-relationship) 為何？ 且在智慧空間研究中，多著重在以數位科技的角度探討其系統的組織與運作的流程，為了以更全面的角度探討智慧空間構成，本研究將就「建築」與「HCI」雙向的觀點對現有智慧空間作分析評估，並以建築的基本構成 (機能和元素的關聯性) 來做為分析的基礎，以及建構出一個新智慧空間系統架構，在藉由系統實作 (system framework) 測試其可行性。因而本研究步驟分為三個部分：HCI角度分析評估、建築角度分析評估、系統架構推論、系統雛形建立。 而研究結果的部份，所推論出的新系統架構中可發現，相較傳統建築空間，智慧空間中所產生的新元素—「虛擬元素」在未來會和「實體元素」擁有相同的重要地位，因而本研究所提出的系統雛型 (system prototype) –「Personalized Smart Living + Dinning Space」著重在個人化情境轉換的智慧空間。而透過系測試中則可清楚傳達，元素、機能、使用者、空間彼此的關係，且也為智慧空間的研究帶來新視野，同時更也空間設計者與資訊者能以雙向的觀點理解智慧空間的機能構成、系統架構、以及元素和空間的連結性。

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河道水位變化對岸壁穩定性影響之試驗研究

本研究旨藉由水槽試驗探討河道水位變化對岸壁穩定之影響，並與岸壁崩塌模式比對分析，相互驗證結果之合理性。首先針對重要影響參數進行因次分析，並採用3個具代表性的無因次參數進行試驗案例的設計。正式試驗前，先選用2組案例進行重複性試驗，完成試驗流程與方法可行性的驗證。試驗材料採用矽砂與高嶺土混合，量測項目包括岸壁地下水位、河道水位、岸壁破壞位置及破壞面角度，並進行土壤基本參數試驗，含篩分析、直接剪力及定水頭滲透性試驗等。依據試驗結果，探討河道水位下降速度、岸壁坡度及初始河道水位對岸壁穩定性之影響。最後，本研究採用Chiang (2011)發展之岸壁崩塌模式進行模擬比對分析，求解孔隙水壓及岸壁穩定安全係數，藉以研判其穩定性，分析結果顯示模擬結果與量測值之整體趨勢相符。

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背階圓柱尾流特性之試驗研究

水流於橋墩基礎造成局部沖刷之現象，為台灣多數橋梁面臨之安全問題，在工程上多以固床工、蛇籠等結構體穩固橋墩基礎，以確保橋梁安全。無論是固床工或蛇籠，大部分皆以階梯型式存在於流場中，可視為圓柱與階梯之組合，過去對於水流流經圓柱或階梯之相關研究甚多，但鮮少探討兩者組合之流場特性。因此，本研究於圓柱底部設置一階梯，應用質點影像測速法沿水深方向分層量測圓柱後方尾流之水平面流場，藉此探討圓柱與階梯組合之流場特性。 量測結果顯示，圓柱正後方階梯流場中存在一逆向水流，往階梯方向流動，因其流速較兩側階梯迴流區高，故形成以逆向水流為主之迴流運動；此逆向水流向上發展影響圓柱尾流流場，使尾流中心軸上形成一低速區，導致圓柱渦流向下游移動時，有往兩側偏移之現象。本研究亦分析圓柱渦流脫離頻率與階梯高度、福祿數之關係，作為往後研究橋墩震動、局部沖刷深度評估之參考。

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三相壓電壓磁纖維複合材料之磁電耦合效應

磁電耦合效應由於電場與磁場間之交互影響作用，使得磁電材料在致動器、感測器的發展上備受矚目。然而，單相多鐵性材料的磁電耦合效應太低，不足以應用於工程上，因此，發展出以多鐵性複合材料的方式來提升磁電耦合效應。 本研究以雙層法概念及微觀力學模型Mori-Tanaka模式，配合有限元素法(COMSOL Multiphysics)建立之數值模型驗證下，預測三相壓電壓磁纖維複合材料之磁電耦合效應。過程中，藉由三種不同材料配置於核心、殼層及母材得到磁電效應最佳化配置。另外，由變動材料係數的方式，選擇適當的現有材料來提升磁電效應。由結果得知，在選擇適當材料配置前後磁電耦合效應皆有顯著之提升，且部分的提升配置由三相材料所控制。另外，本文嘗試以殼層置入一材料的方式，模擬非完美交界面之現象，並由選擇適當之界面相材料分析後，證實其可行。

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數種不確定性分析方法於降雨引發坡地淺崩塌模式之比較研究

降雨引發之坡地淺崩塌常造成大規模之天然災害，以無限邊坡理論建立之數值模式已廣泛地應用於評估坡地是否會因降雨而發生崩塌，然全面而完整之參數資料獲得不易導致參數具有不確定性(uncertainty)，其不確定性可能會影響崩塌模式模擬結果。本論文以Tsai and Yang (2006)所發展之「降雨引發坡地淺崩塌模式」為基礎，將飽和水力傳導係數(Ksat)、土壤內摩擦角()、土壤凝聚力(c)、初始地下水位(dZ)、土壤厚度(dLZ)與坡度(α)等六項輸入條件視為具不確定性之隨機變數，並利用石門水庫集水區砂崙仔崩塌地之實際案例，以一階二次矩法(first-order second-moment method, FOSM)、Rosenblueth’s點估計法(Rosenblueth point estimation method, R-PE)、Li’s點估計法(Li point estimation method, LI-PE)等近似法進行不確定性分析以獲得模式輸出(安全係數值)之統計特性以及艾利颱風期間坡地之崩塌機率，並將近似法結果與蒙地卡羅模擬(Monte Carlo Simulation, MCS)結果進行比較，予以探討各種方法之適用性。為了解近似法在不同輸入條件不確定性程度下，與蒙地卡羅模擬之差異，本論文共設計了六個不同輸入條件不確定性程度之案例，此六個案例涵蓋了坡地緩陡與DEM解析度差異等因素。分析結果顯示各種近似法應用於降雨引發坡地淺崩塌之不確定性分析時，皆有其優點與缺點，就崩塌機率推估之準確性而言，Rosenblueth’s與Li’s點估計法所推估之崩塌機率在六個案例中皆與蒙地卡羅模擬法無明顯差異，而在輸入條件不確定性程度較高之案例中，一階二次矩法則有顯著之誤差，惟其所推估之崩塌機率在六個案例中皆較蒙地卡羅模擬法高，以管理之角度而言，一階二次矩法之計算結果較為保守；另外就計算效率而言，一階二次矩法具有最高之計算效率，估算單一格網崩塌機率時僅需執行崩塌模式9次，而Rosenblueth’s與Li’s點估計法則分別須執行崩塌模式16次與15次；最後就不確定性分析事前所需資料而言，一階二次矩法僅需具備輸入條件之前二階動差，而Rosenblueth’s與Li’s點估計法則分別需要輸入條件之前三階與前四階動差。綜合上述分析結果可知，各種不確定性近似分析方法有其適用條件，對於大範圍集水區坡地崩塌機率分布之推估而言，通常無法獲得全面之輸入條件調查資料，且範圍較大計算格網數多，因此資料需求少、計算快速且分析結果較保守之一階二次矩法較為適用；而對於小範圍特定坡地之崩塌機率分析而言，較可能進行詳細之輸入條件調查工作，且計算格網少較無計算時間之考量，因此適用崩塌機率計算結果較為準確之Rosenblueth’s或Li’s點估計法。

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數種濾波技術於線性系統識別之可行性探討

本研究旨在探討數種常用濾波技術對於非時變系統與時變系統之系統識別模型參數的影響。本研究選用三種濾波技術來進行比較，分別是卡爾曼濾波演算法(Kalman filtering algorithm)、離散小波濾波法(discrete wavelet de-noising)，以及中位值濾波器(median filter)。研究中將數值模擬地震反應分為非時變系統與時變系統兩大部分：非時變系統中，將數值模擬七個自由度的系統之地震反應，利用連續小波轉換建構ARX (Autoregressive with exogenous input) 模式，進一步估算其系統模態參數。為探討不同噪訊含量的訊號中，經由上述各種濾波法處理後的差異性，我們將數值模擬地震反應加入不同比例的白色噪訊，使其噪訊比分別為10%、20%、30%、40%，再利用濾波法對含噪訊之地震反應進行濾波處理，而濾波方法對於提升系統識別之效率的可行性，乃取決於識別出其準確之模態參數時所需的最小階數。時變系統部分，本研究採用數值模擬五個自由度的系統受地震反應時的訊號，不同於非時變系統，此系統的勁度與模態的阻尼比與時間相關，利用移動最小平方差法(Moving Least Square method，MLS)架構TVARX模型( Time Varying Autoregressive with exogenous input)，識別其系統之瞬時模態特性。對於時變系統，其研究方法與探討非時變系統雷同，將上述的濾波技術應用於處理時變系統中其噪訊比分別為1%、3%、5%的地震反應，用來評估其濾波技術對於改善系統識別之效能的可行性。

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利用三維彈性理論配合Ritz法分析具內部裂縫矩形功能梯度材料板之振動問題

本研究利用3D彈性理論配合Ritz法分析含內部裂縫矩形功能梯度板自由振動；提出能準確描述裂縫尖端奇異性並滿足跨越裂縫位移不連續行為之裂縫函數配合滿足邊界條件之多項式函數當允許函數。透過收斂性分析，並與文獻中具裂縫均質板的結果比較，驗證所發展電腦程式的正確性與所提解之準確性。本文所考慮的功能梯度板是由金屬鋁(Al)及陶瓷(Al2O3)組成，使用簡單的冪級數與體積分數來描述材料的性質。本文探討不同材料組成、不同邊界條件、不同板厚及不同裂縫長度、角度與位置對板的振動行為之影響，並繪有中平面及三維變形之模態圖；此些結果均首見於文獻。

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應用破壞定位向量法於土木結構之探討

結構損傷診斷是一重要之研究課題，以結構系統損傷前後動態特性變化做為依據，為一常用之方法。但由於自然頻率對損傷不夠敏感或高階模態不易識別，皆使得其無法準確地用於損傷診斷分析。而藉由柔度矩陣進行損傷診斷，其具有較自然頻率及模態更為敏感，且受高階模態影響較小之優點。 破壞定位向量法(Damage Locating Vectors Method, 簡稱DLV)，是以損傷前後之柔度矩陣差異，經由奇異值分解(singular value decomposition, SVD)求得破壞定位向量，再將其加載於損傷前之有限元素模型進行內力分析，以內力之正規化累計應力指標做為破壞位置判斷之參考。 本研究即為探討DLV法用於土木結構損傷診斷分析之可行性及實用性。本研究考慮幾種實際常見因素：雜訊之影響、僅以少數模態進行分析、不完全量測、有限元素模型與實際結構有所差異之情況。使用小波轉換配合ARX模式識別結構模態參數，透過桁架數值模擬分析驗證DLV法之可行性及探討各參數之影響，再進一步用於八層樓鋼構振動台實驗分析，並評估此法之實用性。

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利用振動頻率判別橋墩基礎裸露之可行性研究

利用量測橋體之振動頻率判別橋墩基礎裸露或沖刷之想法常被提及；本研究之目的即為利用現地實驗及數值模擬探討該想法之可行性。利用廢棄之宜蘭牛鬥橋進行現地實驗，考慮一橋墩基礎裸露四米對橋梁振動頻率之影響。透過ARV(Auto-Regressive Vector)模式及ARX(Auto regressive model)模式，分別分析微動及自由振動量測反應，識別整個橋體及橋墩局部自然振動頻率。如所預期，基礎裸露對橋墩局部自然振動頻率有較明顯之影響，但對整體橋梁之自然振動頻率無明顯之影響。為進一步探討橋樑型式(單跨、兩跨及三跨連續) 、土壤性質及裸露程度對該局部自然振動頻率之影響，本研究利用SAP2000進行模擬分析。