交通大學土木工程系所學位論文
國立交通大學,正常發行
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由於全球暖化氣候變遷議題，國際間環保意識高漲，各國推廣綠建築、綠建材的同時，木構造也備受重視。早期之木造建築多以原木材料為主，建築物尺度受材料所限，工業木材發展後始有大跨徑的木構造出現，也促成大型木造建築的新工法與市場發展契機。本研究探討木建築的發展現況與未來，包括一座大型木造拱橋的結構特性研究以及發展高層木建築的可能挑戰。本文將隨機子空間系統識別技術應用至大跨徑木拱橋的參數識別，以點移動荷載模擬行人載重引發人行木橋之動態反應進行數值模擬分析。在穩態行人載重擾動下，以識別出之模態數量、阻尼比與MAC值評比，顯示取樣頻率較高者擁有較好的系統識別結果。由於該座木拱橋的邊界條件以鉸支承為主，沿橋走向的模態較不易被激發；當同一時間橋上的行人數減少時，則無法激發出高頻模態。因此，人行橋系統識別之現地試驗，應分別選擇於尖峰及離峰時段進行監測，俾能取得較完整之橋梁系統參數。另一方面，交錯層積材 (Cross-Laminated Timber, CLT)之發展與應用為高層木建築的實現提供了可能性，惟其在抗震、防火、抗風特性上的研究仍不夠周全，例如CLT牆版試驗侷限於面內行為、側向剛性不足引致變形過大與二次應力效應之安全與舒適性問題、接合構件的變形控制與韌性問題、火害試驗侷限於木材本身而忽略與連接件的整體行為等，在相關問題未釐清與克服之前，高層木建築之安全仍存在高度不確定性。當前歐美若干代表性的高層木建築都蓋在非地震帶、無颱風的城市，對於像台灣這樣有地震與颱風肆虐的國家，實不宜過度樂觀與冒然推展。
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由於超抽地下水的原故，在濁水溪沖積扇區域有大範圍的地層下陷問題，特別是在雲林地區，這個問題又特別嚴重。水準測量、全球定位系統(GPS)，地層下陷監測井以及雷達干涉技術是地層下陷對於這個區域的監測方法。在我們的研究中，我們蒐集了此區域中27個GPS固定站資料，目的是為了要研究濁水溪沖積扇的地層下陷的變形情況，所選取的時間段中是從2010年到2015年。而在分析方法中則是選用了經驗正交函數這個時間序列分析法，希望可以得到由地層下陷造成的空間分佈以及測站中時間序列變化情況。對於我們的分析，我們設定了6種情況結合GPS的大地測量技術以及時間序列EOF分析法進行分析。成果顯示了此區域的變形情況及變形機制，最後我們藉由比對我們的結果與經濟部水利署(WRA)的地層下陷報告，成果相似的情況。所以本研究可以說明應用GPS結合EOF可以有效的監測濁水溪沖積扇(CRAF)的空間分佈以及時間序列特徵。
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準確的潮汐預估對從事海洋研究、航運及軍事的人相當重要，傳統的做法是利用驗潮站數據和海洋動力方程建立海潮模型。長久以來，衛星測高技術也被用於發展海洋潮汐模型，本研究區域包含東海、南海及台灣地區(100°E-132°E、0°N-32°N)。本研究共使用七顆測高衛星(Topex/Poseidon、Jason-1、Jason-2、ERS-2、Envisat、SARAL/AltiKa和Cryosat-2)，首先將Topex/Poseidon、Jason-1、Jason-2、Envisat和SARAL/AltiKa採用次波形門檻值演算法改善測高觀測量之測距精度，ERS-2和Cryosat-2則無。再將七顆測高衛星之殘餘潮汐利用最小二乘法求得基於NAO99b之調和常數以建立殘餘潮汐模型，殘餘潮汐指的是測高觀測之海水面高扣除NAO99b潮汐高和EGM08大地起伏值之殘餘量。最後將殘餘潮汐模型加上參考海潮模型NAO99b即為本研究所計算之NCTU海潮模型。本研究利用21個驗潮站驗證NCTU與NAO99b海潮模型之精度，在18個站中，NCTU精度皆優於NAO99b，平均改善率達21%，改善原因與長時間的測高資料和使用波形重定技術有關。此外，本研究亦分析27個島礁之潮汐特性，提供潮差資訊以修正衛星影像所計算之島礁面積大小。
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摘要 消能減隔震阻尼器作為一門迅速發展起來的學科，在結構使用中變得越來越普遍。這些阻尼器的應用為結構提供了附加剛度和附加阻尼，減少傳入結構中的能量，使得結構在風力以及地震力的作用下的反應變小，有效的消散了能量。本文對E字形阻尼器進行了完整的力學理論分析和有限元模擬分析。同時本文對其他多種面內撓曲式阻尼器做了理論分析和模擬分析，並通過對不同幾何形狀的面內撓曲式阻尼器的有限元模擬分析來研究幾何形狀對於阻尼器性能的影響，同時應用等效應力法來比較這些阻尼器性能的良莠。阻尼器支座不僅應用于建築結構中，在橋樑及高架公路中的應用也已成為趨勢。由此，本文提出了新型鋼阻尼支座的設計，並應用SAP2000對鋼阻尼進行了模擬分析，為後期振動臺試驗提供輔助。同時，後續也可考慮將多種面內撓曲式阻尼器整合其中，以找出更好的應用模式。 關鍵字：面內撓曲式阻尼器、 E字形阻尼器 、有限元分析 、鋼阻尼器支座
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本研究採用實驗方式與有限元素分析方法，探討受軸向定載內灌混凝土箱型鋼柱於火害下之構件行為與耐火性能，並依據研究成果提出內灌混凝土箱型鋼柱耐火時間公式。實驗規劃4支試體進行耐火實驗以瞭解試體斷面溫度分佈、軸向變形與破壞模式，並探討施加不同軸向載重(30%和60%試體極限強度)與有無配置剪力釘之試體參數對柱構件耐火性能的影響。有限元素分析為透過熱傳分析與考量溫度影響之非線性結構分析模擬高溫實驗試體行為，進而探討試體高溫下鋼柱與混凝土分別之變形行為與受力情況。利用數學模型採最小平方法擬合本研究與文獻實驗結果之下限值，以建立內灌混凝土箱型鋼柱耐火時間公式。 實驗結果顯示，升溫環境使內灌混凝土箱型鋼柱溫度逐漸增加，而構件溫度增加造成其先產生軸向伸長變形後，再產生壓縮變形直至破壞。破壞模式為柱壓縮破壞，試體柱鋼板多處局部挫屈變形且混凝土碎裂。試體載重比參數相較剪力釘參數明顯影響柱構件軸向變形行為與耐火時間。分析結果顯示，有限元素分析模型可合理預測試體受火害中溫度分佈與變形趨勢。分析可見試體於火害期間會產生軸向與橫向變形，亦可用以計算火害期間箱型鋼柱與混凝土各別之承載。最後，本研究提出內灌混凝土箱型鋼柱耐火時間公式，可保守且合理的預測耐火時間，期有助益於防火性能設計。
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研究旨在探討符合國內耐震設計規範之建築結構於使用性狀態下，填充型箱型鋼柱所承受之軸壓比、彎矩比及載重比分布範圍，並進一步探討兩案例填充式箱型鋼柱軸壓比分布對應之防火時效。軸壓比、彎矩比及載重比分別為柱構件於使用性狀態下所承受之軸向壓力、彎矩以及軸壓與彎矩共同作用與其分別之極限強度比值。 本研究以結構分析軟體建立兩棟國內中高層建築結構模型，為含填充型箱型鋼柱之十二層樓以及二十一層樓鋼骨鋼筋混凝土(Steel Reinforced Concrete, SRC)建築物。柱構件依平面位置可區分為角柱、長邊柱、短邊柱、內柱。分析結果顯示，兩案例於使用性狀態下，填充型箱型鋼柱之軸壓比皆不超過0.3，且隨柱構件所在樓層數增加而減小；內柱與長邊柱之軸壓比一般高於短邊柱以及角柱。相關研究成果顯示填充型合成柱構件之耐火性能主要受軸向載重之影響，彎矩之影響甚小，故於忽略柱彎矩之影響時，填充型箱型鋼柱構件於無使用防火被覆情況下，皆可滿足建築技術規則要求之一小時防火時效。然而，僅有短邊柱可於不使用防火被覆情況下滿足兩小時防火時效規定。影響填充型箱型鋼柱構件彎矩比分布之主要原因為建築結構平面跨度大小。將軸壓比與彎矩比相加所得之載重比最大於十二層樓案例不超過0.4，二十一層樓案例不超過0.3。兩案例之分析顯示，國內之建築結構因須符合耐震設計規範要求，填充型箱型鋼柱構件於使用性狀態下所承受之需求強度與其極限強度之比值偏低。
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礦業的開採使得地貌景觀被破壞并誘發各種地質與環境危害，這些問題導 致了當地的生態環境惡化，亟待復育。生態復育工程落實困難的一個重要原因 在於復育工程的效益難以精確評估。礦山復育工程的效益包括其經濟效益、社 會效益和生態效益。傳統的成本效益評估方法以經濟效益為中心，很少考慮生 態效益與價值。因此如何通過量化生態效益，改善傳統的成本效益評估方法， 以適用於礦山復育工程的評估，是本文的核心議題。 本文從礦山復育工程的經濟效益和生態效益著手，借鑒生態學的研究成果 ——生態服務定價研究，將生態服務價值視為工程的生態效益產出，並對生態 效益的各個分量建立了估算方法和評估指標，建立一個相對系統的評估方法。 通過這個方法，使礦山復育工程的效益得到更加精確的評估，為礦山復育工程 的投資決策提供支持。 本文對 2015 年北京市廢棄礦山復育計劃的成本效益進行評估，該計劃包括 9 個子工程，總投資 4.99 億元，評估週期為 30 年，計算得到的綜合效益為 26.09 億元，其中生態效益占總效益 85%。
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板在工程應用上，常因為製造過程誤差或者開孔需求而出現裂縫或缺口，此裂縫或缺口存在，當受載重作用下，使得板內出現應力集中與應力重新分配，導致其靜態與動態行為將明顯不同於完整板。本研究係以薄板理論為基礎，利用MLS-Ritz法分析具內部裂縫矩形板受面內載重下之穩定性與振動行為。為提升傳統Ritz法描述局部的物理行為的能力，本研究利用移動最小平方差法(MLS)建構Ritz法之允許函數，並於基底函數中導入能準確描述裂縫尖端處應力奇異性與跨越裂縫之位移與斜率不連續性的裂縫角函數。 本研究為驗證所用方法之可行性與正確性，將收斂性分析所得結果與文獻或ANSYS結果進行比較；最後，利用此法探討不同裂縫長度、裂縫角度、不同之幾何邊界條件與荷重型式下對內部裂縫板之挫屈載重與振動行為的影響。此外，也針對挫屈模態與受面內載重下自然頻率模態形狀圖進行探討。
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由於無線結構健康監測網路中之感測器本身是用鋰電池來提供運作所需的能量，所以如何穩定而持久的供給運作所需能源是無線結構健康監測網路一個重要研究議題且 需突破的限制，要解決此一問題能藉由研發新的能源擷取機制，或透過有效的節能管理系統，例如控制感測器進入低功耗模式或稱為睡眠模式，當滿足特定條件時(如地震、颱風、或其他人為災害造成結構物震動)則可迅速地喚醒感測器進入工作模式，並即時量取結構物受震反應訊號達到結構健康診斷的目的。 另外，配置適量的感測器於最佳量測點(位置) 亦是有效節能的手段之一。本研究之目的分兩部分，第一部分係在考慮感測器數量及量測資訊量多寡下，使用有效獨立法EFI(Efective Idependence method)進行最佳化感測器布置，第二部分為使用K-means以及基因演算法在傳輸距離以及單群數量限制下進行感測器分群，妥善的安排感測器的分群以及接收器的布置，達到增加無線感測網路監測之品質與穩定度。
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於特殊彎矩構架中當梁柱接頭經過適當之設計，其梁構件便可在地震力作用下發展出足夠的塑性變形，使其具有可靠的韌性行為來消散地震引致之能量。設計上梁柱接頭常藉由減弱梁端撓曲強度或補強梁柱交界面等方式來迫使塑鉸產生於梁端，以防止接頭破壞改善其耐震性能。 本研究旨在針對腹板開孔減弱式梁柱接頭之可行性及其耐震性能進行研究，並深入瞭解其力學行為以建立一套合理之設計流程。有鑑於以上構想，本研究遂以非線性有限元素分析軟體，建立梁腹板開孔梁柱接頭之數值分析模型，並將分析之結果與試驗結果進行驗證。其後，本研究再以開孔形狀、開孔位置、開孔長度、開孔深度及腹板厚度等參數，探討其對梁柱接頭耐震性能之影響。最後本研究依據腹板開孔之力學行為，進行開孔斷面彎矩-剪力互制公式之解析，並將解析與有限元素分析之結果進行驗證，再依據研究成果建立腹板開孔梁柱接頭之設計流程。 有限元素分析結果顯示，有限元素分析確可準確的模擬梁柱接頭之整體及局部之行為。同時，分析結果亦顯示，於各種不同之開孔形狀中，採用本研究建議之中間矩形兩端半圓形的「圓-矩形開孔」型式梁柱接頭擁有最佳之韌性表現。此外，增加開孔長度及開孔深度等參數則可提升接頭之韌性，但同時亦有開孔區提早發生剪力破壞之風險，故本研究建議開孔長度之中間矩形段長度應為0.5至0.75倍梁深，而開孔深度則應以0.5倍至0.6倍梁深為宜，如此所設計出之開孔尺寸將可同時滿足梁柱接頭之韌性需求，且不致過早於開孔區段發生剪力破壞。再者，梁腹板厚度的增加亦可增加開孔斷面剪力強度，延緩開孔區段發生剪力破壞，但須注意不可過度增加，以免過度補強降低接頭之韌性。 另一方面，根據理論解析之結果顯示，解析所得之設計公式可準確地預測開孔斷面彎矩-剪力互制強度，故本研究可依據此設計公式建立相關之設計流程。而當所設計出之開孔斷面符合「開孔斷面之標稱剪力強度Vn小於平衡標稱剪力強度Vn,b」及「開孔後梁柱面撓曲強度Mn,f小於梁未開孔斷面之撓曲強度Mp」等二條件時，其設計結果即為可用之梁腹板開孔梁柱接頭。 本研究所建議之梁腹板採圓-矩形開孔經有限元素分析後證實，確實可成功的應用於減弱式梁柱接頭，使梁柱接頭具有良好之耐震性能。再者，依據理論解析所得之設計公式亦可充分地反應腹板開孔彎矩-剪力之互制效應，應可做為梁腹板開孔梁柱接頭相關設計流程之用。