臺北科技大學土木與防災研究所學位論文
國立臺北科技大學,正常發行
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隨著社會變遷，經濟的發達，人們對居住環境品質也日漸重視。在人們居住環境中，其生活一直都和振動息息相關，包括由建築物內部相關機械設備所產生之樓板衝擊振動，及建築物外部的交通、鐵道與鄰近建築工地施工所產生的振動等，以上這些因素不僅將影響到人們居住的生活品質與舒適性，並日後將對人體的健康產生不良的傷害。以往大家都只注意到地震對建築物結構安全的影響，卻都忽略了其他振動有可能對建築物結構所產生的影響，如電扶梯、電梯或是捷運列車運轉時所產生之微小振動是否會造成房屋結構強度之影響，為了瞭解混凝土結構物是否會受到微振動而使強度產生變化，因此，本研究進行混凝土試體受到低反復次數振動後強度壓力試驗來觀察其強度折損之研究，並做為日後研究之參考依據。 本研究內容是依據中國國家標準CNS1230為製作混凝土試體之標準，分別在不同強度下製作兩種不同大小圓柱試體，強度175kgf/cm2和強度210kgf/cm2其圓柱為15cm×30cm試體，強度280kgf/cm2其圓柱為12cm×24cm試體，並以微電腦動態疲勞試驗機來測試混凝土圓柱試體受低反復次數振動後其抗壓強度之影響，並藉由不同振動次數、振動荷重及齡期作為參數來比較，以評估混凝土強度受振動後是否有折損行為發生。
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台灣地區位處於環太平洋地震帶，根據中央氣象局統計，台灣平均每年發生地震次數多達千餘次，有感地震更超過百次之多，屬於世界上有感地震最頻發的地區之ㄧ。大規模地震一旦發生，都會區域的地震災害除會造成地裂、橋斷、建築物倒塌、維生線斷裂、受困待救災民、大量傷病患之緊急醫療救護需求等之虞外，地震過後所伴隨形成的海嘯、山崩與火災等二次災害，其所造成的傷亡人數及財產損失有時更遠比地震直接造成的傷害還要嚴重，因此要如何防範地震後所可能引發的火災之二次危害和減輕震後火災所造成的火損和傷亡等問題，已成為目前地震後災害防救的另一重要課題。 由於消防安全設備向來都是歸屬於非結構物，國內一般在進行結構設計時並未將消防管路納入耐震設計的範疇內，本研究係針對建築物內消防管路的耐震設計為議題，蒐集並整理出美國、日本、大陸及國內等相關建築和消防規範的執行現況，以了解目前國際上在消防管路方面所採取的耐震設計手法，本研究也同時彙整了目前國內重大科技廠房新建工程在消防撒水管路耐震吊架上，所採用的設計案例和實際裝置後照片，祈能藉由此案例喚起國內相關主管單位和消防業界對建築物內消防安全設備耐震力設計的關注，共同研議訂定出明確、實用且可供大家遵循的消防安全設備耐震設計準則，以減低國內在地震後火災所造成的危害。
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台灣在高度的自來水接管普及率之下，自來水管網系統已經和民眾的生活息息相關，尤其對於人口密集的都市地區，維持自來水管網系統的正常運作是十分重要的工作。自來水管網系統除了提供民眾日常用水及工業用水之外，更在災害發生時扮演提供緊急用水的重要角色，因此在遭受重大的天然災害時，自來水管網系統的效能，對於供水系統及救災系統的運作有決定性的影響。因此本研究擬發展一套模擬方法，能結合EPANET物理模式精準計算管線中水理參數的優點，且又能簡單將地震發生時的強度模擬進入物理模式中，其計算結果便代表發生地震時所顯現的管網水理情況。本研究利用災損點代表不同強度地震的破壞狀況，將之隨機分佈在管網系統中進行模擬，便可得知地震後管網的水理狀況，並用蒙地卡羅模擬法重複模擬過程，在災損點空間不確定性的基礎下，分析地震後各地區受影響的機率，提供防救災的策略擬定參考，達到預防災害的目的
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近年來，近斷層地震引起學者廣泛的注意與重視，以921集集大地震為例，震央附近之車籠埔斷層錯動，使得鄰近斷層之建築物及橋梁產生毀壞和傾倒，斷層錯動產生永久地表位移並發生極大的速度脈衝為造成結構物破壞的主要原因之ㄧ。由於近斷層之地震紀錄並不如遠域地震者豐碩，因此本研究針對近斷層速度脈衝之波形特徵，建立一套近斷層人造地震歷時之模擬方法，採用最佳化理論且利用人工智慧 (AI，Artificial Intelligent) 中的基因演算法 (GA，Genetic Algorithm) 作為求解工具，進而製作近斷層人造地震波，以便快速地得到近斷層歷時供為結構分析與研究之用。 此外，依據現行耐震設計規範之規定在結構物進行動力歷時分析時，需採用與設計反應譜相符之水平地震紀錄，因此，本研究建立一套視窗化程式，內含建築物、公路橋梁與鐵路橋梁等耐震設計規範之設計反應譜並具有產生與反應譜相符 (response-spectrum-compatible) 之地震波的運算功能，使用者只需透過視窗選擇工址資料，並給予實測的地震紀錄，經由運算，就能方便且快速地得到符合設計反應譜的地表運動歷時。本文所得成果可供為工程師進行結構耐震設計之用。
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暴雨形成之地表水經入滲土壤後，造成表土層內部孔隙水壓增加，當整層土壤瞬間飽和時，其所產生之上揚力效應，可能導致邊坡淺層破壞。本研究探討土層瞬間飽和所造成之上揚力效應，應用理查氏方程式理論基礎，以數值模式及室內實驗模擬圓柱型砂柱實驗之瞬間飽和現象，以驗證土層瞬間飽和之上揚力效應。 數值模式中應用理查氏方程式在不考慮逕流下，假設空氣可從側邊排出，進行單層土體一維數值模擬，模擬濕峰在未飽和土層運移之過程及土層中孔隙水壓變化。本研究以火炎山現場土壤，進行圓型砂柱土層瞬間飽和之室內實驗，藉由不同高度之張力計及測壓管顯現上揚力效應。以向上滲流力及水錘效應力類比解釋上揚力現象，並概估瞬間飽和現象所產生之上揚力，其值低於8N/cm2。並一指數函數求算上揚力上升曲線特性，其反應時間k約為11. 3分鐘。 由數值模擬與室內瞬間飽和實驗結果得知，二者之瞬間飽和現象趨勢接近大致相同。希冀藉本實驗現象之土層瞬間飽和現象，提供未來邊坡淺層破壞及土石流發生機制之應用參考。
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本研究結合「機械視覺」與「雙CCD三維量測」理論，計算影像點之空間三維座標，針對不同情境之土石影像，求算「特定物運移軌跡」及「粒徑分佈」等土石特性。 本研究首先藉由雷射點標示出雙CCD左右影像控制點，利用控制點之三維資訊，計算出雙CCD內外部參數；進行左右影像裡尋找共同點，依據「立體視覺法」計算待測點之三維座標。繼而針對多顆礫石進行判釋，先於左右影像相同範圍，以特定物形心位置利用「象限法」及「向量法」找出左右影像內之相同特定物，得以求算多顆粒之三維座標資訊。多顆礫石得以判識後，配合機械視覺推求各礫石粒徑大小，並進行角度校正及比例尺校正，繪製粒徑分佈圖，並分析各代表粒徑。最後於判釋礫石流動時之三維運移軌跡上，利用流動方向、最小臨近法與特定物大小，尋找前後張影像相同之礫石，並求得表面礫石之三維軌跡座標。 經由室內實驗結果得知， CCD在距離目標物1公尺進行量測，其X、Y及Z軸座標值之均方根誤差各約為0.11、0.22及0.16公分；傾斜拍攝多顆土石，經角度與比例尺校正後，求算之粒徑誤差由8.56%減少為2.63%，誤差明顯改善。礫石運移軌跡之室內實驗發現，「雙CCD三維量測」系統所計算之最大距離誤差約為-4.89%，誤差範圍尚屬合理。希冀本實驗方法可提供未來土石流特性之監測參考。
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本研究研發適於短距離監測之雷射掃瞄系統，利用此系統擷取空間資訊並進行三維成像掃瞄，繼而進行土砂災害現場監測之模擬，分析情境與驗證系統之可行性。 系統建構後，先行測試其精度與穩定性，各軸量測結果誤差可在±1.5mm以下。由於本系統具較高的量測精度，於模擬土石災害應用上，可藉此特點針對特定物進行三維微動量監測。在本研究條件下，模擬土石巨礫三維微動量監測之平均誤差可小於±3mm。本系統具有微動追蹤之功能設計，若反射片移動幅度大於系統設定偵測之位移範圍時，利用反射片與背景之回波強度差異，可判釋為特定土石已發生較大規模位移。其它監測之應用，本系統可提供三維攝影測量控制點及其座標，以校正攝影測量三維空間之外部參數。本系統可監測模擬隧道形變量，先於室內擷取拱面變化前後之三維座標，再將此形變過程差異繪出點雲圖形，可瞭解其整體內拱面之形變狀況。 研究結果顯示本研究自行研發之雷射掃描系統，可針對不同災害監測需求進行特定設計。本系統操作簡易，且具有攜帶移動(Portable)之功能，希冀可應用於不同三維空間的監測與分析。
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本研究藉由「機械視覺」(Machine vision)原理，針對影像前處理與土石流影像判識方法進行整合研究，希冀可提供土石流監測之參考。 經研究發現，若影像經「亮度等值化」，可降低外在環境(如霧、光源不足等)影響；「雜訊濾除處理」可有效降低胡椒鹽雜訊及高斯雜訊。「土石流波前判識」使用前處理影像，可有效的將土石流波前擾動強度放大，較易正確判識出土石流波前；「多重濾波判識」經影像前處理後，可降低因環境帶來的不當訊息，結果發現，其判識率由56.36%大幅提升至95.27%；「溪床特定物殘留率」判識時，易將雜訊視為特定物，濾除雜訊可有效降低誤判之機率。 由於現地CCD佈設不易垂直於溪床土石，大多僅能傾斜拍攝，因此本研究針對傾斜拍攝土石影像進行粒徑分佈之校正與分析，透過室內實驗加以驗證，首先進行「拍攝角度校正」，模擬CCD垂直拍攝之土石分佈影像，再分別以「連線遮蔽補遺」與「圓形遮蔽補遺」補遺礫石遮蔽部分，經拍攝角度校正與補遺修正後，中值粒徑與幾何標準偏差之誤差有所改善。本研究亦進行土石運移軌跡追蹤，首先進行影像分割，比較前後影像面積與位置之關係進行追蹤土石軌跡，進而推測土石運移速度，誤差約為3.63%。
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在天然溪流環境裡，水生植物扮演的角色並非只是純粹的生產者，水生植物之種類、大小、植栽密度與生長位置都深深影響周邊水文狀況，因此本實驗分別選擇了挺水性(水芹菜)與沉水性(水蘊草)兩種型態之水生植物，來瞭解水生植物調控水文條件的機制。本實驗係採用聲波都卜勒測速儀（Acoustic Doppler Velocimete，簡稱ADV）進行植栽渠道流場之研究。隨著實驗中變因之不同，可獲得不同之水生植物植株高、水深比與阻滯係數(retardance coefficient)、福祿數(Froude number)等資料，並根據植栽配置密度不同、不同植栽與水深比，形成不同糙度與流量間之關係，透過該兩種水生植物所設計建立之實驗，能瞭解水生植物對於流場之影響。 本實驗主要分析項目：植栽種類、植栽密度、流量、與流速剖面之討論，以及植栽密度、水深對曼寧糙度之關係，並將實驗分析成果配合阻滯係數與流速、水力半徑乘積(n-VR)之曲線在工程上之應用，並探討曼寧糙度與福祿數間(n/R1/6-Fr)之關係曲線，以推估渠道之粗糙度。
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水文資訊為構成水資源規劃、水工結構物以及水利運轉之最基本要素。規劃良好的雨量站網可以提供代表該流域特性之精確且可靠的降雨資訊，影響雨量站網之設立通常包含地形、降雨型態、集水區特性、交通、人力及預算等因子，諸等因子將會影響到雨量站之位置與密度。過去雖投入大量人力、物力於集水區雨量站網設計之研究，但對於雨量站設站之位置以及所需設站的最小站數仍無法得到確切的答案。故有必要進一步研究集水區雨量設站之位置，以及可能反映該集水區之最少站數之問題。 本研究乃結合地理統計之克利金法以推估可能設站位置及其所能提供之降雨資訊，之後再藉由資訊熵以評估各測站之資訊量及不確定性，藉由此二方法之結合即可推估集水區飽和雨量站之數目及其位置。此法將可提供流域管理單位設置雨量站之依據，用以評估現有雨量站是否可提供所需之降雨資訊，若不足則需增站，若重複性太高則需減站，期望可用以評估或調整現有集水區之雨量站網。