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建築研究簡訊第103期 《業務報導》

火害現場結構材料探傷檢測系統韌體研發及應用

       為建立一新型、快速於鋼筋混凝土結構材料受火害傷損之評估方法,本計畫研析受火害破壞過程中,其材料內、外部破壞之時、空資訊,累積實驗室與火害現場系列調查之數據,建立全域性 (由尺度之微、巨觀與構材之內、外部) 之材料破壞特徵,並以正規化波速指標「剪-壓波速比(Vs/Vp)」(如圖1)作為評估材料傷損程度之指標,以作為結構分析、設計及防災策略之參考。研究成果可應用於災前:混凝土保護層厚度設計之考量,以防患未然;於災後:協助消防體系之火場重建判識、建管單位之結構安全鑑定等。藉此保全民眾、住宅與公共工程之生命與財產及降低經濟發展之損失。應用前述火害傷損評估方法,整合研製一新、速、實、簡型之非破壞性鋼筋混凝土建築結構材料火損探傷檢測儀器系統韌體,以便利現場材料探傷檢測作業進行。本研究結合內業實驗室與外業現場調查之構材熱驅破壞特徵資料,藉由剪-壓波速比之正規化指標,評估其火害相關之因、果數據。

圖1. Vs/Vp、混凝土殘留強度比及最高溫度相關性資料

火害探傷檢測系統韌體雛型研發與整合

       系統韌體雛型以三大硬體設備所組成,如圖2第一部分為超音波之激發儀器、激發探頭及接收探頭;第二部分為訊號擷取系統;第三部分為人機介面顯示面板與分析軟體之整合。

圖2.火害探傷檢測系統韌體整合示意圖

檢測系統研發及人機界面

        韌體之檢測系統研發包括超音波波形擷取、濾波、Vs、Vp、最高溫度與強度折減自動求算等功能;人機界面基本包括現場資料輸入(圖3),量測數據分析及分析結果輸出,其過程顯示界面如圖4、圖5所示。

圖3.人機操作介面之現場資料登入頁面

圖4.人機操作介面之量測頁面

圖5.人機操作介面之量測結果分析頁面

外業量測應用範例

       本案例為住家頂樓加蓋遭鄰房火災波及延燒1小時,此建物僅有部分為RC結構,其餘均為磚造及鐵皮屋屋頂加蓋,現場概觀如圖6。以本案火害探傷檢測系統量測剪-壓波速比,量測結果如圖7所示。結果顯示剪-壓波速比隨火源距離越遠而降低,藉由比對內業實驗結果(圖1)則可推算其混凝土強度折減及最高溫度值。

圖6.外業量測現場概觀圖示

圖7.剪-壓波速比與火源距離關係

後續應用發展

       本研究整合既有內業實驗與外業現場調查之研究成果,開發簡易操作且能快速得到結果之非破壞檢測系統韌體。韌體之開發使用乾點式超音波脈衝儀搭配剪、壓力波探頭,將激發與接收之超音波資料,透過數據擷取系統輸入韌體程式,將擷取之訊號進行分析與濾除雜訊,進而能自動求算Vs、Vp並對應顯示最高溫度與強度折減之結果,經應用於外業量測驗證,確可簡便使用及快速提供初步量測結果供參。本系統功能未來可導入遠距網路傳輸技術,以建立無線感測之物聯網,同時結合雲端系統接收彙整多方使用者之量測數據,擴增構材火損資料庫,以進行資料庫系統管理大數據之人工智能分析。