TWI660190B - 震後診斷方法及震後診斷元件 - Google Patents

Abstract

本發明提出一種震後診斷方法及震後診斷元件。上述方法包括：獲得第一加速度訊號及第二加速度訊號；根據第一加速度訊號及第二加速度訊號獲得第一位移訊號及第二位移訊號，並根據第一位移訊號與第二位移訊號獲得層間變位角；根據第一加速度訊號及第二加速度訊號計算加速度反應譜，並比較加速度反應譜與地震設計反應譜以獲得受力參數；根據第一加速度訊號及第二加速度訊號計算轉換函數以獲得結構主頻與阻尼比，以判斷結構勁度變化量及結構非線性行為程度；以及根據層間變位角、受力參數、結構勁度變化量及結構非線性行為程度計算破壞參數。

Description

震後診斷方法及震後診斷元件

本發明是有關於一種震後診斷方法及震後診斷元件，且特別是有關於一種利用地震時的加速度訊號進行建築診斷的震後診斷方法及震後診斷元件。

台灣處於板塊交界的地震帶，因此建築物在地震後的安全檢測是個相當重要的議題。目前的震後建築安全診斷多為感測器與診斷邏輯組合之系統。然而，此系統的成本過高，一棟建築所需系統成本多為數百萬。因此，即使市場有需求，仍無法有效推廣。

有鑑於此，本發明提供一種震後診斷方法及震後診斷元件，以較低的成本進行震後的診斷，以利於此震後診斷元件的推廣。

本發明提出一種震後診斷方法，包括：藉由第一加速度計獲得第一加速度訊號並藉由第二加速度計獲得第二加速度訊號，其中第一加速度計設置於預定樓層的地板且第二加速度計設置於預定樓層的天花板，且第一加速度計與第二加速度計相連的直線垂直於地板的水平面。震後診斷方法更包括根據第一加速度訊號及第二加速度訊號獲得第一位移訊號及第二位移訊號，並將第一位移訊號與第二位移訊號的差除以預定樓層的樓層高度以獲得層間變位角。震後診斷方法更包括根據第一加速度訊號及第二加速度訊號計算加速度反應譜，並比較加速度反應譜與對應預定樓層的地震設計反應譜以獲得受力參數。震後診斷方法更包括根據第一加速度訊號及第二加速度訊號計算轉換函數，並從轉換函數中獲得結構主頻與阻尼比，以判斷結構勁度變化量及結構非線性行為程度。震後診斷方法更包括根據層間變位角、受力參數、結構勁度變化量及結構非線性行為程度計算預定樓層的破壞參數。

在本發明的一實施例中，上述藉由第一加速度計獲得第一加速度訊號並藉由第二加速度計獲得第二加速度訊號的步驟包括：藉由第一加速度計獲得第一類比加速度訊號並將第一類比加速度訊號透過類比轉數位轉換器轉換成第一加速度訊號，以及藉由第二加速度計獲得第二類比加速度訊號並將第二類比加速度訊號透過類比轉數位轉換器轉換成第二加速度訊號。

在本發明的一實施例中，上述根據第一加速度訊號及第二加速度訊號獲得第一位移訊號及第二位移訊號的步驟包括：將第一加速度訊號及第二加速度訊號進行二次積分並利用帶通濾波器濾除低頻偏移及高頻雜訊以獲得第一位移訊號及第二位移訊號。

在本發明的一實施例中，上述結構主頻相關於轉換函數的最大震幅所對應的頻率，且阻尼比相關於轉換函數結構主頻的峰值的陡峭程度，其中阻尼比由半功率帶寬法(half-power bandwidth method)計算。

在本發明的一實施例中，上述根據層間變位角、受力參數、結構勁度變化量及結構非線性行為程度計算預定樓層的破壞參數的步驟包括：計算層間變位角、受力參數、結構勁度變化量及結構非線性行為程度的加權總和作為破壞參數。

本發明提出一種震後診斷元件，包括：處理器、第一加速度計及第二加速度計。第一加速度計及第二加速度計耦接到處理器。處理器藉由第一加速度計獲得第一加速度訊號並藉由第二加速度計獲得第二加速度訊號，其中第一加速度計設置於預定樓層的地板且第二加速度計設置於預定樓層的天花板，且第一加速度計與第二加速度計相連的直線垂直於地板的水平面。處理器根據第一加速度訊號及第二加速度訊號獲得第一位移訊號及第二位移訊號，並將第一位移訊號與第二位移訊號的差除以預定樓層的樓層高度以獲得層間變位角。處理器根據第一加速度訊號及第二加速度訊號計算加速度反應譜，並比較加速度反應譜與對應預定樓層的地震設計反應譜以獲得受力參數。處理器根據第一加速度訊號及第二加速度訊號計算轉換函數，並從轉換函數中獲得結構主頻與阻尼比，以判斷結構勁度變化量及結構非線性行為程度。處理器根據層間變位角、受力參數、結構勁度變化量及結構非線性行為程度計算預定樓層的破壞參數。

在本發明的一實施例中，上述處理器藉由第一加速度計獲得第一類比加速度訊號並將第一類比加速度訊號透過類比轉數位轉換器轉換成第一加速度訊號，以及藉由第二加速度計獲得第二類比加速度訊號並將第二類比加速度訊號透過類比轉數位轉換器轉換成第二加速度訊號。

在本發明的一實施例中，上述處理器將第一加速度訊號及第二加速度訊號進行二次積分並利用帶通濾波器濾除低頻偏移及高頻雜訊以獲得第一位移訊號及第二位移訊號。

在本發明的一實施例中，上述結構主頻相關於轉換函數最大震幅所對應的頻率，且阻尼比相關於轉換函數的結構主頻峰值的陡峭程度，其中阻尼比由半功率帶寬法(half-power bandwidth method)計算。

在本發明的一實施例中，上述處理器計算層間變位角、受力參數、結構勁度變化量及結構非線性行為程度的加權總和作為破壞參數。

基於上述，本發明可根據對應設置於特定樓層地板與天花板的第一加速度計及第二加速度計的第一加速度訊號及第二加速度訊號分別計算位移訊號，並根據位移訊號獲得層間變位角。本發明還可利用第一加速度訊號及第二加速度訊號計算加速度反應譜，並比較加速度反應譜與對應預定樓層的地震設計反應譜以獲得受力參數。本發明還可根據第一加速度訊號及第二加速度訊號計算轉換函數，並從轉換函數中獲得結構主頻與阻尼比，以判斷結構勁度變化量及結構非線性行為程度。最後，本發明可根據層間變位角、受力參數、結構勁度變化量及結構非線性行為程度計算預定樓層的破壞參數，並將破壞參數自動傳輸給管理人員。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是根據本發明一實施例的震後診斷元件的方塊圖。

請參照圖1，本發明的震後診斷元件100包括第一裝置110及藉由連接線119耦接到第一裝置110的第二加速度計112。第一裝置110包括第一加速度計111、類比轉數位轉換器113(Analog to Digital Converter，ADC)、處理器114、供電模組115、設定介面116、輸出模組117及電池118。第一加速度計111及第二加速度計112可為三軸加速度感應器。處理器114可為中央處理單元（Central Processing Unit，CPU），或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器（Microprocessor）、數位信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）、可程式化控制器、特殊應用積體電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）或其他類似元件或上述元件的組合。供電模組115可耦接交流電壓源並將交流電轉換成直流電提供給處理器114或儲存在電池118中。設定介面116可接收指令以設定建築物的相關參數(例如，建築物總高度、建造年分、結構型式類別、耐震設計反應譜、建築物座標等)及第一加速度計111及第二加速度計112的相對高程差等參數。輸出模組117可藉由RS232序列資料通訊標準或WiFi、藍芽等無線通訊標準以有線或無線的方法傳輸資料。電池118可為鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等可充電電池。

值得注意的是，雖然在本實施例中第二加速度計112所產生的加速度訊號是藉由連接線119傳輸到第一裝置110，但本發明並不以此為限。在另一實施例中，第二加速度計112所產生的加速度訊號也可藉由與第二加速度計整合的第二通訊模組(未繪示於圖中，例如WiFi或藍芽等通訊模組)傳輸到第一裝置110的第一通訊模組(未繪示於圖中，例如WiFi或藍芽等通訊模組)，如此一來就不需要配置連接線以耦接第二加速度計112及第一裝置110，這可以增加第二加速度計112及第一裝置110在建築物中設置的便利性。在此實施例中，第二通訊模組也可與輸出模組117整合為單一通訊模組，以降低整體元件的設計成本。

圖2是根據本發明一實施例的震後診斷元件的示意圖。

請參照圖2，本發明一實施例中的建築物可包括一樓地板210、二樓地板220及三樓地板230。二樓地板220也同時是一樓天花板且三樓地板220也同時是二樓天花板。在本實施例中僅以三層樓作為舉例，但應該了解的是本發明的震後診斷元件100可應用於更多樓層的建築中。在本實施例中，第一裝置110可設置於一樓地板210上，而第二加速度計112可對應第一裝置110設置於二樓地板220下(即，一樓天花板)。也就是說，包含第一加速度計111的第一裝置110與第二加速度計112相連的一直線會垂直於一樓地板210的水平面。值得注意的是，第一裝置110及第二加速度計112可對應設置於建築物的梁柱旁，以偵測重要梁柱的受損情況。

圖3是根據本發明一實施例的震後診斷方法的流程圖。

請參照圖3，在步驟S301中，藉由第一加速度計獲得第一加速度訊號並藉由第二加速度計獲得第二加速度訊號。具體來說，第一裝置110可藉由第一加速度111計獲得第一類比加速度訊號並將第一類比加速度訊號透過類比轉數位轉換器113轉換成數位第一加速度訊號提供給處理器114。同樣地，第一裝置110也可藉由第二加速度計112獲得第二類比加速度訊號並將第二類比加速度訊號透過類比轉數位轉換器113轉換成數位第二加速度訊號提供給處理器114。

在步驟S303中，根據第一加速度訊號及第二加速度訊號獲得第一位移訊號及第二位移訊號，並將第一位移訊號與第二位移訊號的差除以預定樓層的樓層高度以獲得層間變位角。具體來說，在接收到第一加速度訊號及第二加速度訊號之後，處理器114可將第一加速度訊號及第二加速度訊號進行二次積分並利用帶通濾波器濾除低頻偏移及高頻雜訊以獲得第一位移訊號及第二位移訊號。接著，處理器114再將第一位移訊號與第二位移訊號的差除以一建築的預定樓層的樓層高度以獲得層間變位角。獲得層間變位角之後，就可套用此建築適合之破壞程度與樓層間層間變位角關係，了解結構的變形程度，以及在此變形程度下的可能損傷程度。

在步驟S305中，根據第一加速度訊號及第二加速度訊號計算加速度反應譜，並比較加速度反應譜與對應預定樓層的地震設計反應譜以獲得受力參數。具體來說，處理器114會根據第一加速度訊號及第二加速度訊號來計算樓地板的加速度反應譜(Acceleration Response Spectrum)，此加速度反應譜會對應到特定的阻尼比。接著，處理器114再比較加速度反應譜與利用設定介面116預先輸入的地震設計反應譜(Earthquake Design Response Spectrum)，以了解結構受力程度是否超過設計值。

在步驟S307中，根據第一加速度訊號及第二加速度訊號計算轉換函數，並從轉換函數中獲得結構主頻與阻尼比，以判斷結構勁度變化量及結構非線性行為程度。具體來說，處理器114可利用快速傅立葉轉換將第一加速度訊號轉換成第一訊號，並利用快速傅立葉轉換將第二加速度訊號轉換成第二訊號，再將第一訊號除以第二訊號以獲得轉換函數。此轉換函數代表結構的動態特性，亦即由結構勁度、質量及阻尼所組成的函數。結構主頻為此轉換函數最大震幅所對應的頻率，且阻尼比相關於該轉換函數結構主頻的峰值的陡峭程度，並可利用半功率帶寬法(half-power bandwidth method)推估阻尼比大小。換句話說，轉換函數的峰值的陡峭程度越陡則阻尼比越小。此外，結構主頻越小則結構勁度越小，結構勁度變化量越大，而阻尼比越大則結構非線性行為程度越大。

在步驟S309中，根據層間變位角、受力參數、結構勁度變化量及結構非線性行為程度計算預定樓層的破壞參數。具體來說，在一實施例中，處理器114可計算層間變位角、受力參數、結構勁度變化量及結構非線性行為程度的加權總和作為破壞參數，並將破壞參數透過輸出模組117以有線或無線的方式傳輸給管理人員。在另一實施例中，若層間變位角、受力參數、結構勁度變化量及結構非線性行為程度的其中之一超過了層間變位角門檻值、受力參數門檻值、結構勁度變化量門檻值及結構非線性行為程度門檻值時，處理器114也可直接判斷出建築物之受損程度，並以廣播系統或簡訊的方式通知管理人員。

綜上所述，本發明可根據對應設置於特定樓層地板與天花板的第一加速度計及第二加速度計的第一加速度訊號及第二加速度訊號分別計算位移訊號，並根據位移訊號獲得層間變位角。本發明還可利用第一加速度訊號及第二加速度訊號計算加速度反應譜，並比較加速度反應譜與對應預定樓層的地震設計反應譜以獲得受力參數。本發明還可根據第一加速度訊號及第二加速度訊號計算轉換函數，並從轉換函數中獲得結構主頻與阻尼比，以判斷結構勁度變化量及結構非線性行為程度。最後，本發明可根據層間變位角、受力參數、結構勁度變化量及結構非線性行為程度計算預定樓層的破壞參數，並將破壞參數自動傳輸給管理人員。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧震後診斷元件

110‧‧‧第一裝置

111‧‧‧第一加速度計

112‧‧‧第二加速度計

113‧‧‧類比轉數位轉換器

114‧‧‧處理器

115‧‧‧供電模組

116‧‧‧設定介面

117‧‧‧輸出模組

118‧‧‧電池

119‧‧‧連接線

210‧‧‧一樓地板

220‧‧‧二樓地板

230‧‧‧三樓地板

S301、S303、S305、S307、S309‧‧‧震後診斷方法的步驟

圖1是根據本發明一實施例的震後診斷元件的方塊圖。 圖2是根據本發明一實施例的震後診斷元件的示意圖。 圖3是根據本發明一實施例的震後診斷方法的流程圖。

Claims (10)

1. 一種震後診斷方法，包括： 藉由一第一加速度計獲得一第一加速度訊號並藉由一第二加速度計獲得一第二加速度訊號，其中該第一加速度計設置於一預定樓層的一地板且該第二加速度計設置於該預定樓層的一天花板，且該第一加速度計與該第二加速度計相連的一直線垂直於該地板的一水平面； 根據該第一加速度訊號及該第二加速度訊號獲得一第一位移訊號及一第二位移訊號，並將該第一位移訊號與該第二位移訊號的差除以該預定樓層的一樓層高度以獲得一層間變位角； 根據該第一加速度訊號及該第二加速度訊號計算一加速度反應譜，並比較該加速度反應譜與對應該預定樓層的一地震設計反應譜以獲得一受力參數； 根據該第一加速度訊號及該第二加速度訊號計算一轉換函數，並從該轉換函數中獲得一結構主頻與一阻尼比，以判斷一結構勁度變化量及一結構非線性行為程度；以及 根據該層間變位角、該受力參數、該結構勁度變化量及該結構非線性行為程度計算該預定樓層的一破壞參數。
2. 如申請專利範圍第1項所述的震後診斷方法，其中藉由一第一加速度計獲得一第一加速度訊號並藉由一第二加速度計獲得一第二加速度訊號的步驟包括：藉由該第一加速度計獲得一第一類比加速度訊號並將該第一類比加速度訊號透過一類比轉數位轉換器轉換成該第一加速度訊號，以及藉由該第二加速度計獲得第二類比加速度訊號並將該第二類比加速度訊號透過該類比轉數位轉換器轉換成該第二加速度訊號。
3. 如申請專利範圍第1項所述的震後診斷方法，其中根據該第一加速度訊號及該第二加速度訊號獲得一第一位移訊號及一第二位移訊號的步驟包括：將該第一加速度訊號及該第二加速度訊號進行二次積分並利用一帶通濾波器濾除一低頻偏移及一高頻雜訊以獲得該第一位移訊號及該第二位移訊號。
4. 如申請專利範圍第1項所述的震後診斷方法，其中該結構主頻相關於該轉換函數的一最大震幅所對應的頻率，且該阻尼比相關於該轉換函數的結構主頻峰值的一陡峭程度，其中該阻尼比由一半功率帶寬法(half-power bandwidth method)計算。
5. 如申請專利範圍第1項所述的震後診斷方法，其中根據該層間變位角、該受力參數、該結構勁度變化量及該結構非線性行為程度計算該預定樓層的該破壞參數的步驟包括：計算該層間變位角、該受力參數、該結構勁度變化量及該結構非線性行為程度的一加權總和作為該破壞參數。
6. 一種震後診斷元件，包括： 一處理器； 一第一加速度計，耦接到該處理器；以及 一第二加速度計，耦接到該處理器，其中該處理器： 藉由一第一加速度計獲得一第一加速度訊號並藉由一第二加速度計獲得一第二加速度訊號，其中該第一加速度計設置於一預定樓層的一地板且該第二加速度計設置於該預定樓層的一天花板，且該第一加速度計與該第二加速度計相連的一直線垂直於該地板的一水平面； 根據該第一加速度訊號及該第二加速度訊號獲得一第一位移訊號及一第二位移訊號，並將該第一位移訊號與該第二位移訊號的差除以該預定樓層的一樓層高度以獲得一層間變位角； 根據該第一加速度訊號及該第二加速度訊號計算一加速度反應譜，並比較該加速度反應譜與對應該預定樓層的一地震設計反應譜以獲得一受力參數； 根據該第一加速度訊號及該第二加速度訊號計算一轉換函數，並從該轉換函數中獲得一結構主頻與一阻尼比，以判斷一結構勁度變化量及一結構非線性行為程度； 根據該層間變位角、該受力參數、該結構勁度變化量及該結構非線性行為程度計算該預定樓層的一破壞參數。
7. 如申請專利範圍第6項所述的震後診斷元件，其中該處理器藉由該第一加速度計獲得一第一類比加速度訊號並將該第一類比加速度訊號透過一類比轉數位轉換器轉換成該第一加速度訊號，以及藉由該第二加速度計獲得二類比加速度訊號並將該第二類比加速度訊號透過該類比轉數位轉換器轉換成該第二加速度訊號。
8. 如申請專利範圍第6項所述的震後診斷元件，其中該處理器將該第一加速度訊號及該第二加速度訊號進行二次積分並利用一帶通濾波器濾除一低頻偏移及一高頻雜訊以獲得該第一位移訊號及該第二位移訊號。
9. 如申請專利範圍第6項所述的震後診斷元件，其中該結構主頻相關於該轉換函數的一最大震幅所對應的頻率，且該阻尼比相關於該轉換函數的結構主頻峰值的一陡峭程度，其中該阻尼比由一半功率帶寬法(half-power bandwidth method)計算。
10. 如申請專利範圍第6項所述的震後診斷元件，其中該處理器計算該層間變位角、該受力參數、該結構勁度變化量及該結構非線性行為程度的一加權總和作為該破壞參數。