人工智能(AI)在建筑物构件损坏辨识中的应用研究

建筑物施工开挖常造成邻房损害事件发生。因此,须办理现况鉴定、损邻鉴定,以厘清建筑物是否为施工开挖造成损坏或是其他原因,如耐久性损坏及震损。常见之损坏,如混凝土剥落,造成钢筋外露、渗漏水、白华壁癌、裂缝等。为此,研究目标为利用人工智能中的深度学习模型,分别为对象侦测(YOLO-v5)与实例分割(Mask R-CNN)两种影像辨识模型,并以辨识常见之建筑物耐久性损坏,辅助现况鉴定人辨识并评估建物损坏程度。除了分析介绍模型训练的原理与方法,以及用来判断训练结果的指标意义外,亦说明本研究模型选择的依据与训练策略。研究将以桃园市某小学之走廊作为实际案例,并以固定拍摄手法,以取得图像映像场域之相对位置。检测区域纪录完成后,再将拍摄的影像分别输入于训练好的YOLO-v5作对象侦测,以及Mask R-CNN作影像分割,成功研发了深度学习模型。目前,人工智能于建物损坏识别已能够在特定检测目标达约八成之检测精度。具有侦测框之YOLOv5模型可应用于辨识壁癌渗水之耐久性损坏类型,而具屏蔽之Mask R-CNN模型可应用于辨识裂缝。

负刚度非线性能量阱减震控制性能研究

提出设置含负刚度特性的非线性能量阱(NES)来实现结构地震响应控制,针对典型的单层和双层层模型,在附加质量占主质量5%的限定条件下,对采用负刚度NES、立方NES和经典质量调谐阻尼器(TMD)控制方式的装置参数进行数值寻优,对优化的减震控制性能进行对比分析。结果表明,负刚度NES减震控制性能全面优于已有的立方NES,对主结构动力特性变化的鲁棒性优于TMD,对地震动峰值变化的鲁棒性与TMD相当。应用数值小波变换对体系的地震响应时程进行功率谱分析,揭示了在地震作用过程中,负刚度NES总体上对主结构产生更为显著、更为持续的瞬时内共振俘获行为,因而其减震效率较高,且由于这种瞬时内共振俘获是在多频域上同时展开的,使其减震控制性能具有强鲁棒性。

钢结构梁柱梁翼内侧加劲板补强接头耐震试验及有限元素分析

本研究主要探讨钢结构梁柱补强接头之耐震行为,补强接头的主要方式是采取避免破坏既存建筑物楼板且不会减低楼层净高度要求下,在钢梁翼板内侧与箱形柱间焊加劲板增加梁端近柱面之弯矩强度。为证明此补强接头之耐震行为,共进行六组大尺寸之梁柱接头试验,其中一组为传统未补强之梁柱接头,另外五组为梁翼内侧加劲板补强接头,未补强之梁柱接头及一组补强接头之梁柱焊接工作于1996年前工地现场完成后,于2006年由既存34层大楼切除后运至实验室进行试验,另四组梁柱补强接头之焊接工作均于2006年在实验室内完成。补强接头试体加劲板与梁翼及柱板接合均采用全渗透焊接,梁上下翼板之背垫板均未移除,亦未与柱面进行填角焊接。二组补强接头试体在实验时的韧性行为极佳,试体在历经第一次反复载重测试至超越美国规范AISC(2005)规定之4%弧度层间侧位移角的要求下,并未发生梁柱接头焊道断裂及强度递减的情形。因此将此二组试体分别进行第二次AISC(2005)反复载重测试,在历经第二次反复载重测试至4%弧度的层间侧位移角时,发生较明显之梁挫屈及强度递减,但梁柱界面焊道未断裂。而另外三组补强接头因梁翼板内侧加劲板所提供的劲度及强度不足,与未补强之梁柱接头试体同样在未能达到AISC(2005)所订定之4%弧度层间侧位移角前而发生破坏。本研究并利用非线性有限元素分析程序ABAQUS(2003)仿真梁柱接头试体,以进一步了解梁翼板内侧加劲板传递梁弯矩的贡献,和可能发生接头破坏的区域。根据实验及有限元素分析结果提出设计方法及范例供工程师补强既有钢结构梁柱接头参考。

钢骨建筑抗震评估与耗能减震构件简化模拟

对一座超高层钢骨建筑改建工程进行抗震设计与性能评估.进行了三维结构非线性静、动力分析以检核其抗震性能.非线性动力分析结果显示,最大考虑地震作用下,梁端最大弯矩塑铰约达0.010rad、屈曲约束支撑最大核心段应变达1.25%、偏心斜撑连杆梁的最大剪力塑铰为0.065rad,皆未超过AISC抗震规范所订构件性能要求或实验所得其变形能力.介绍了此改建结构的计算模型、模拟方法、非线性分析所得结构整体与主要构件的性能表现,其中亦提出梁柱节点及偏心斜撑构架剪力连杆梁等构件加固前后的简化模拟方法,并利用梁柱节点加固试验结果加以比较验证.

典型钢梁与箱型柱采用梁翼切削或梁翼加盖板抗弯接头的破坏模式

本文主要介绍二十二组钢梁与箱型柱抗弯接头试体的耐震行为与破坏模式,其中十七组试体采用梁翼切削(reduced beam section,RBS)式接头,另五组以梁翼加盖板的补强(enlarged beam section,EBS)式接头,所有试体均为梁腹栓接、梁翼焊接(BWWF)的现场施作接头。试验结果显示,七组梁翼切削试体及三组梁翼加盖板试体具有4%弧度层间位移角或3%塑性转角以上的变形能力,此十组试体的平均梁塑铰应变硬化系数为1.22。由试体破坏形式归纳,造成梁柱接头变形能力不足的破坏模式包括:梁翼板全渗透焊道断裂、梁翼板于梁腹扇形开孔尖端附近断裂、梁翼切削段内断裂、柱内横隔板与柱板间焊道破坏、及柱板冷(氢)裂五类。探讨此试体破坏原因发现,在六组钢梁与柱内横隔板电溶渣焊焊道侧接合的试体中,三组试体破坏发生于电溶渣焊与柱板接合界面附近,破坏机率高达50%,此现象应值得钢构业重视。本研究成果也发现,高达55%试体未满足台湾钢结构设计规范3%塑性转角或美国AISC耐震特别规定4%层间位移角的变形需求,此显示钢梁与箱型柱采用梁翼切削或加盖板抗弯接头的设计、施工与检测技术有相当大的改善空间。

屈曲约束支撑钢框架补强的钢筋混凝土框架结构耐震性能试验

使用屈曲约束支撑(Buckling-Restrained Brace,BRB)及T形截面钢框架对单跨足尺的弱柱强梁钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)框架进行补强,并在框架4个角落浇置水泥砂浆承压块,以有效传递斜撑力量。该研究包括两个BRB框架补强的RC框架试件,试验结果显示,利用BRB框架补强可使整体框架变形持续成长至3%rad楼层侧位移角,整体框架抗侧承载力约为纯RC框架的2.6倍,且持续变形至5%rad楼层侧位移角时,BRB核心才发生断裂。试验结果亦显示,该研究补强方式能有效提高原有RC结构的抗侧承载力、刚度和韧性,并借助BRB消散大部份的能量。

钢骨箱形柱内横隔板采用改良型电热熔渣焊细部及梁翼板高程差对梁柱接合抗震性能的影响

电热熔渣焊(Electro-slag Welding,ESW)为钢骨箱形柱制作柱内横隔板最有效率的焊接方法之一,因此台湾钢骨建筑结构的箱形柱构件广泛采用ESW作为柱内横隔板与柱板连接的焊接方法。由过去实尺寸梁柱接合试验研究成果发现,箱形柱内横隔板采ESW与柱板连接的梁柱接合抗震性能可靠度不佳,在未发展充分非弹性变形前发生破坏的几率较高。进一步针对ESW焊道制作与质量检测的相关研究也显示,传统ESW焊道的制作与检测质量仍有改善空间,并提出喇叭形扩大孔的ESW熔池改良细部。该研究共进行4组实尺寸梁翼盖板式增强型梁柱接合试验,研究参数包括梁翼板与箱形柱内横隔板的偏心、ESW焊接熔池细部与荷载历时。试验结果显示,若梁翼板未偏心且ESW焊道制作良好的试件,可提供5%rad层间位移角的变形容量。当梁翼板与柱内横隔板高程偏心1倍梁翼板厚度时,采用传统矩形ESW熔池细部的梁柱接合试件,其层间位移角约降至3%rad;箱形柱板与内横隔板连接的ESW采用改良喇叭形熔池细部的梁柱接合试件,具有5%rad以上层间位移角的抗震性能,甚至可高达8%rad而不会发生断裂。

向量式有限元应用于车辆脱轨运动分析

该本主要目的是运用向量式有限元(VFIFE,V-5)方法,提出以VFIFE刚架元所建立车辆模型称为车辆刚架元模型(Vehicle Model Using Frame Element,简称VMUFE)来模拟车辆运动。VFIFE方法不但可仿真轨道与桥梁非线性变形,亦可分析车辆变形体的运动与振动,且可简化模拟刚体车辆运动。此外,VFIFE方法不需要调整任何计算参数以及不需要反复迭代运算过程。为证明研究方法确实能模拟车辆与轨道分离后运动行为,以两题数值算例来证明分析精确性,以及模拟车辆脱轨运动的行为。

超高层支撑钢框架结构改建和耗能减震加固设计与试验验证

针对一座超高层支撑钢框架结构建筑的改建工程,进行耗能减震加固设计,其中针对其梁柱连接提出梁端侧板补强的方案,针对提升结构整体抗震性能提出增设屈曲约束支撑的方案,并进行梁柱连接补强试验以及屈曲约束支撑构件性能试验。对改建前现场取样所得两组梁柱连接进行的反复加载试验结果显示,未补强梁柱连接试件在加载至AISC(2005)规定的层间位移角限值0.04 rad前断裂破坏,而补强连接试件的变形能力较好,均达到并超过了AISC(2005)规定的层间位移角限值0.04 rad的要求,且未发生梁柱连接焊缝断裂。屈曲约束支撑构件性能试验结果显示了其稳定良好的耗能减震能力。整体结构的有限元弹性分析表明,在地震及风荷载作用下,结构楼层的侧向位移满足台湾地区抗震及抗风规范的要求。根据试验及分析结果提出的加固设计方案,可供工程界有关既有高层建筑加固设计参考。