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如何利用電磁波看穿建築物、橋樑等「混凝土結構物」的結構?

活躍星系核_96
・2018/02/14 ・3281字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 572 ・九年級

  • 文/游子揚 │ 美國麻州大學洛爾分校(University of Massachusetts Lowell)土木與環境工程學系副教授/副系主任
水泥結構物已經充滿我們的都市生活。 圖/MikeCleggPhoto @Pixabay

自從赫茲(Heinrich Hertz)在十九世紀末以實驗證明馬克士威(James Clerk Maxwell)電磁波動方程式之後,電磁波在科學與工程方面的各種廣泛應用,已經完全改變了我們理解世界的方式、日常生活的方式以及社會文明的演進。從天體物理學、手機通訊到家用微波爐,我們的生活已經幾乎不能沒有電磁波的存在。在還沒有更精確的研究證明過度使用電磁波對人體有害之前,可預期我們的生活中將會有更多與電磁波有關的相關應用。

而在土木工程領域裡,也有許多與電磁波有關的應用,例如:早期的工程材料檢測與地質探測,還有現今的遙感量測(remote sensing)、結構健康監測(structural health monitoring, 簡稱SHM)與非破壞性檢測(nondestructive testing/evaluation, 簡稱NDT/E)等等。電磁波之所以能夠適用於土木工程結構的原因在於,大部分的土木工程材料屬於介電材料(dielectric material),例如波特蘭水泥混凝土(Portland cement concrete)、瀝青材料(bituminous material)以及岩石土壤,電磁波能夠在這些材料中傳導、穿透以及散射,這樣的特性提供了土木工程師與研究人員瞭解土木工程材料與結構的不同視角。

什麼是混凝土結構物?

在深入了解電磁波應用在土木材料之前,我們先來認識什麼是「混凝土結構物」?

顧名思義,混凝土結構物就是指利用混凝土所建造的工程結構物,例如:房屋、橋樑、隧道、機場、管線、水壩等等。這裡所謂的「混凝土」指的不是歷史上的埃及混凝土(約公元前 2700 年)、中國混凝土(約公元前 1600 年)、亞述混凝土(約公元前 1100 年)、希臘混凝土(約公元前 600 年)、巴比倫混凝土(約公元前 400 年)或是羅馬混凝土(約公元前 230 年)。而是指由約翰 ‧ 斯密頓(John Smeaton,1724~1792)、詹姆斯 ‧ 弗洛斯特(James Frost,1780~1840)、勘維斯 ‧ 懷特(Canvass White,1790~1834)、約瑟 ‧ 艾斯普丁(Joseph Aspdin,1778~1855)、艾薩克 ‧ 查爾斯(Isaac Charles Johnson,1811~1911)、大衛 ‧ 賽勒(David Saylor,1827~1884)等人所研發的「波特蘭水泥」所形成的「波特蘭混凝土」。其名稱「波特蘭」的由來,是英國人 Joseph Aspdin 所定,源自於這種人造石與英國南部波特蘭島上的石灰石顏色十分相近的緣故。

幾位對波特蘭混凝土的發明與製造有貢獻的土木工程師。由左至右分別為:詹姆斯 ‧ 弗洛斯特(James Frost,1780~1840)、勘維斯 ‧ 懷特(Canvass White,1790~1834)、約瑟 ‧ 艾斯普丁(Joseph Aspdin,1778~1855)、艾薩克 ‧ 查爾斯(Isaac Charles Johnson,1811~1911)、大衛 ‧ 賽勒(David Saylor,1827~1884)。 圖/作者提供

波特蘭混凝土的組成包括波特蘭水泥、拌合水(或可飲用的水)、細骨材(砂子)、粗骨材(礫石)、天然或是人工的添加物。當把自來水加入波特蘭水泥並開始攪拌之後,會產生水泥的水化反應(cement hydration);水化反應所形成的水泥漿(cement paste)在黏結粗細骨材之後,就形成了混凝土。而添加物的作用在於改善混凝土的各種性質,從施工、養護、強化、防蝕、到抗凍等等。波特蘭混凝土是世界上使用最多的工程材料,不過它的製程也會產生大量的二氧化碳;根據美國環保署(EPA)的估計,製造一公噸的混凝土會產生大約一公噸的二氧化碳。

波特蘭混凝土以及其主要組成材料。 圖/Concrete Education

由於混凝土的抗張強度(tensile strength)僅有其抗壓強度(compressive strength)的百分之七到百分之十一左右,通常土木工程師會在混凝土當中加入鋼筋,以提升混凝土的承載能力。這種複合結構(composite structure),也就是所謂的鋼筋混凝土(reinforced concrete 或 RC)結構。在橋梁工程上,土木工程師會另外使用高強度鋼纜或鋼索,變成所謂的預力混凝土(prestressed concrete 或 PC)結構。大部分的混凝土結構物都有使用鋼筋或鋼纜,僅有少數的混凝土結構不使用鋼筋或鋼纜。

鋼筋混凝土樑結構與預力混凝土樑結構示意圖。 圖/左:by Håvard Vasshaug。右:by Eriksson Software

如何看穿混凝土結構物?透地雷達 v.s. 成像雷達

由於土木工程結構物大多都是為社會大眾服務的公共工程,一旦突然損壞很可能會造成人員傷亡、財產損失以及昂貴的社會成本,因此定期維修保養是非常重要的;如果能看穿混凝土結構物的話,便能讓土木工程師掌握結構物的狀態,以便進行及時、有效的維護,避免結構物的突然損壞。

目前大部分的土木工程檢測科技仍停留在表面方法(例如目測)、局部性的內部探測(例如埋入式的單點感測器)或是超音波探傷檢測,而利用電磁波的方法主要是透地雷達(ground penetrating radar 或 GPR)與成像雷達(imaging radar)。在成像雷達的領域中,有一個相對較新的技術稱為「人工透鏡雷達(synthetic aperture radar 或 SAR)」。與透地雷達相比,成像雷達的優點在於體積較為輕巧,解析度可透過數值方式加強,以及非常適合遠距離的遙感測量。

透地雷達(左)與人工透鏡雷達(右)在鋼筋混凝土橋版上的應用範例。 圖/作者提供

人工透鏡雷達看穿混凝土結構物的原理,是利用從不同位置上採集到的反射雷達訊號,進行影像疊加的處理。如此一來,可以提升雷達影像的音噪率(signal to noise ratio 或 SNR),增加探測底層損傷的成功率。與傳統的透地雷達比較,人工透鏡雷達的解析度可透過增加雷達的移動距離(增加不同位置的收取到的訊號)、增加頻寬(bandwidth)以及提高頻率(減低波長)來達成。這些彈性讓人工透鏡雷達比傳統透地雷達,在土木工程領域中的各式各樣的探測問題應用上,顯得更有競爭力。

不過也不是事事盡如人意:成像雷達的成功必須建立於在對於混凝土結構的充分瞭解(例如材料性質、內部組成)之上,以及半經驗式的訊號處理技術。透地雷達雖然比較直覺化,但是在對於深層的混凝土結構探測上,訊號分析幾乎完全是經驗式的判別,而且需要體積龐大的設備,有時也會造成檢測上極大的不便,甚至根本無法進行檢測。遠距電磁成像是目前土木工程結構檢測當中,一個非常前衛的技術。

電磁學在混凝土結構物上的挑戰與未來應用

混凝土結構物是一種多孔多相的土木工程複合結構,而電磁波與多孔多相介質的互動也是電磁學內較新的領域。要進行遠距電磁成像在混凝土結構物上的研究,基本上就是一項跨學科研究,需要下列學科的訓練:混凝土材料學、結構設計、電磁學與電磁散射理論、遙感測量、 成像理論以及介電理論等等。

能夠看穿混凝土的技術,不僅可以讓檢測大量大型土木工程結構物的工作變得更有效,如果與其他機械化的自動裝置(例如無人機)結合,更能夠提升工作效率。一旦效率提升,對於土木工程結構物的資產管理能夠減少不必要的緊急重建,也讓使用土木工程結構物的社會大眾之人身安全更有保障。此外,同樣的技術也可以應用在材料檢測,工程鑑定,地層探測,甚至考古學等領域。

在未來科學研究方向上,像混凝土這樣一個擁有數千年文化的工程材料,我們目前對於它的長期行為還是沒有足夠的瞭解。我們並不完全清楚它的微觀結構在不同環境狀態(力學、溫度、濕度、化學以及輻射等)的共同改變下,會有怎樣的變化。還有,混凝土材料的微觀結構改變,又會造成怎樣的結構物行為變化。

土木工程從古羅馬時代發展至今,隨著人類文明愈趨複雜,面臨越來越嚴峻的挑戰。 圖/martieda @Pixabay

土木工程雖然是歷史最悠久的工程學科之一(源自羅馬帝國時期,與軍事工程同壽),但是土木工程師們所面臨的挑戰卻越來越艱鉅。社會上需要更高的建築物、更長的橋梁、更深的隧道與管道、更乾淨的空氣與水、更堅固耐久的工程材料、更環保(省能源,低碳排放量)的工程材料、更經濟的工程材料、更有效率的施工管理以及更安全的施工方式。在土木工程的領域當中,還有很多有意思,有挑戰性的研究問題,對於每個時代的人類文明都有重要價值,等待這一代與下一代的頂尖頭腦來解決。

延伸閱讀、參考資料:

  • Debye, P. (1929), Polar Molecules, The Chemical Catalog Company, New York, NY.
  • Kong, J. A. (2000). Electromagnetic Wave Theory, EMW Publishing, Cambridge, MA.
  • Bungey, J. H. (2004). “Sub-surface radar testing of concrete: A review.” Constr. Build. Mater., 18(1), 1–8.
  • Mehta, P.K., and P.J.M. Monteiro (2014), Concrete — Microstructure, Properties, and Materials, 4th  ed., McGraw-Hill, New York, NY.
  • Yu, T, J Owusu Twumasi, V Le, Q Tang, N D’Amico (2017), Surface and Subsurface Remote Sensing of Concrete Structures using Synthetic Aperture Radar Imaging, Journal of Structural Engineering, ASCE, 143(10); 1-11, doi: 10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0001730
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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受保護的內容: 讓建築物防禦力 UP UP UP 的隔減震技術——專訪國研院國家地震工程研究中心台南實驗室
PanSci_96
・2015/06/17 ・72字 ・閱讀時間少於 1 分鐘

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建築與防災(四):我要耐震的房子!
李柏昱
・2014/12/20 ・3143字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 503 ・六年級

本文由科技部補助,泛科學獨立製作

不同結構的建築物,都必須符合防震規範的設計標準,因此安全性是一致的。圖為臺灣現代建築經常使用的RC結構。(圖片來源:WikimediaCommons 作者:Argyriou )
不同結構的建築物,都必須符合防震規範的設計標準,因此安全性是一致的。圖為臺灣現代建築經常使用的RC結構。(圖片來源:WikimediaCommons 作者:Argyriou )

李柏昱 | 國立臺灣大學地理環境資源學系

從臺灣過去幾次大震災的慘痛教訓中,可以看出單純的地表晃動並不會對生命財產構成威脅,無法抵抗地震而倒塌的建築才是傷亡的主要原因。但是影響建築物抗震的因素何其多,本次專訪請到國家地震工程研究中心的林克強研究員,由建築結構的角度切入,分享建築結構在抗震設計上必須考慮的因素,以及地震來臨時,建築中哪些地方最容易被破壞?還有臺灣常見的RC、SRC、SC結構,在耐震上該如何考量跟選擇?

建築結構必須注意的問題

林克強研究員說,由於臺灣地處地震帶,因此整個台灣在做建築設計時都必須將地震威脅納入考慮,建築物耐震設計幾個必須注意的點包含地質因素、結構特性、建築高度、建築規則性與個人使用習慣。

地質因素─如果建築物所處的地質比較堅硬,地震波來的時候就容易消減,不會反覆震盪,建築物受到的震波相對就比較小。例如台北市的盆地效應,1987年的花蓮地震就導致華陽市場倒塌,盆地效應有如一只裝滿水的水盆,輕輕一晃可以看到水面劇烈的波盪起伏;如果換成裝滿混擬土,怎麼晃表面都不動如山。

結構特性─不同結構系統的耐震能力並不相同,不過在進行建築耐震設計時,原則是不管採用哪種結構系統,都會要求建築物的安全性必須通過耐震標準,建築物並不會因為是鋼構還是鋼筋混凝土構造,就比較容易倒塌,耐震設計上都是合格的。

建築高度─由於高度越高,樓頂所受的加速度越強,加上底層承載的重量越重,越有可能因為結構設計不良或施工不良而倒塌。

建築物的規則性─建築物在立面上或是平面上是否規則。若建築物某樓層之重量與其相鄰之樓層有明顯差異,或是建物立面幾何形狀不對稱,前者如設置游泳池或是一樓完全開放設計,後者如某樓層退縮或外推,皆被視為立面不規則;平面上,建築幾何形狀最好是方形、矩形或圓形,如果是十字型、H型、L型平面等等,則被視為平面不規則。越規則的建築受到地震的影響就越不明顯,越不規則就越容易出現「軟層」或是「弱層」的問題,地震便相當容易對這些軟弱層造成破壞。

個人使用習慣─林研究員特別強調這個因素,是臺灣社會與政府長期忽視的一塊。個人使用習慣與社會文化息息相關,比方說拆除或增設隔間牆,當然會影響建築物受地震效應的影響。在台灣,一樓經常當作店面使用,而將一樓隔間牆敲除,使一樓成為軟弱層,加上一樓又乘載了整棟建築物的重量,整棟房子如同一隻「軟腳蝦」,地震一來一樓就不見了。此外,地震對建築物產生的效應與建築物重量密切相關,台灣盛行屋頂加蓋,但是建築設計是否能容納這些多餘的負重?

地震對建築構件的破壞

林研究員說,遭遇地震建築物一定會受到損害,臺灣對建築物的耐震要求是「小震不壞、中震可修,大震不倒」。建築物最容易受損的地方,往往是建築物第一個受到地震力的地方。對台灣的建築物而言,這個首當其衝之處便是牆,因為牆壁受到的徑向作用力最大,地震發生後經常看見許多房屋的牆壁出現裂痕,引起民眾恐慌。耐震規範中,對於牆的耐震要求是能裂但不能倒,所以牆壁些微龜裂是建築物吸收地震能量的正常反應,對於過寬、過高的牆,耐震規範中都要求必須增設額外的強化設施。

另外一個很容易被地震破壞的地點,是建築構建彼此相交的節點,例如梁柱交接點。對建築物而言,最嚴重的破壞莫過於柱子的破壞,雖然並不如牆壁龜裂來得常見,但通常柱子一倒建築物就會倒塌。

從耐震設計的角度來看,只要能避免人命傷亡,這棟建築物的耐震設計便可算成功。目前對於耐震的要求已逐漸提高到「大震可修」,並維持一定的功能;災後擔任重要功能的建築,比如說學校校舍、醫院、政府機關,能夠在震後繼續使用更顯重要。

隨著建築法規的演進,近年來地震因為建築倒塌的傷亡數量降低許多,非結構性的破壞才是目前造成地震人員受傷的重要原因,比如說掉落的天花板、傾倒的家具、破碎的玻璃窗等等。林研究員強調,如果要保障人民的生命財產安全,這些非結構性的要求也是相當重要的。

三大結構大車拼,維護費用須考量

臺灣的建築耐震法規經過多次修訂,不管使用哪種結構系統,只要建築物依據「建築物耐震設計規範」來設計,施工落實結構設計並顧及每一施工細節,耐震強度應無疑慮。臺灣現代建築主要有鋼筋混凝土(RC)、鋼骨鋼筋混凝土(SRC)以及鋼骨結構(SC)三者,各有不同的優缺點以及施工上需要注意之處。

RC是台灣最常見的建築結構,初期造價便宜,還有防火性能佳、隔音效果好等優點。但是RC結構施工程序複雜,品質控管難度高,施工細節成為建築結構是否耐震的重要關鍵,需要注意鋼筋與混凝土的品質、箍筋的角度以及諸多施工細節。

SC結構適合興建高層大樓,而且鋼材研展性佳,SC結構大樓相當耐震,但有初期造價高昂、隔音差、不耐高熱等缺點。施工過程鋼骨焊接處的品質控管與鋼材的選擇相當重要。

SRC結構結合上述兩者的優點,兼顧RC的防火與隔音效果,又有SC的延展抗震能力。但也因此SRC施工過程相當繁複,需要注意的地方也是上述兩者的集合,必須同時注意鋼骨焊接、鋼筋以及混凝土的品質等等。

但是從實際面觀之,還必須考慮建築物的生命週期,林研究員說「你能夠容忍怎麼樣的破壞,台灣地震不斷發生,你願意在建築物的生命週期中投入多少成本來修復?」就初期建造成本來看,當然是SC結構最為昂貴,SRC結構次之,RC最為便宜。不過如果考慮修復成本,RC結構容易因為地震而導致開裂,需要經常修補,而SC結構只要不破裂就不會有維修問題。

林研究員說:「台灣人使用建築有一個錯誤的觀念:建築物蓋好後就不用維護了。基本上建築物蓋好後每隔幾年就應該要做基本維護,也能提早發現建築物容易受損的地方。」,許多人都希望能有一間能遮風避雨的小窩,但愛屋如同人的身體,也必須面對生老病死的宿命,國外大約每隔15年會做一次建築的檢查,藉此判斷建築是否需進行更新。唯有好好照顧自己的安身之所,下次地震來時,才能繼續盡忠職守保護屋內人的安全。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

 

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「專題報導」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所

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李柏昱
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成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。