第三章 建築物氣動力實驗
第一節 實驗規劃
本年度研究重點為單棟廠棚類建築物在不同開口條件下的風載重評估，採用 的建築物類型仍屬低層建築，建築物外殼設定為剛性(rigid)外殼結構系統，模型 設計控制的參數包括屋頂型態、開口位置、開口率等，將選取包括山形屋頂(gable roof)及拱形屋頂(arch roof)的低層建築物模型進行氣動力實驗研究。
實驗規劃為兩階段進行，第一階段為驗證實驗量測成果的可信度，第二階段 則以多種不同造型及開口分佈的建築模型進行實驗，以探討包括內壓變化、整體 風載重變化及結構受風力評估等。由文獻回顧了解，TTU WERFL 所進行包括實 場量測及模型量測所公佈的數據較為完整，適合於實驗之驗證，因此第一階段製 作TTU WERFL 實場量測建築物的縮尺模型，側牆上開設矩形孔口，並安裝檔版，
利用抽換不同開口面積的檔版，變化開口率。同時比較在迎風面、側風面即被風 面不同開口位置，量測內壓變化，並與文獻資料相驗證。第二階段實驗製作不同 屋頂購型的模型，探討外型的影響，本研究採用的模型分類與尺寸說明如表 3-1 所示。
表 3-1 模型分類與尺寸說明
模型編號 屋頂型式 屋面坡度 模型深高比 備註
1 平屋頂 TTU building
2 山形屋頂 1:4 4
3 拱形屋頂 1:8(拱高與跨度比) 4
側牆高度10cm 模型寬20cm
(資料來源：本研究整理)
圖 3-1 一號模型於風洞中進行實驗量測 (資料來源：本研究整理)
圖 3-2 屋面坡度 1:4 之山形屋頂建築模型(二號模型) (資料來源：本研究整理)
為考慮不同開口條件對分封閉式建築模型內外風壓的改變狀況，本研究規劃 多種不同開口方式，主要變化因子包括開口大小的比較、開口位置的比較、開口 數量與配置等多種條件，實際考慮的條件相當的多，因此實驗數量十分龐大，亦 藉此可有系統的將各影響因子加以釐清，本年度研究計畫所做的實驗內容列出如 表3-2 及表 3-3 所示。
表 3-2 山形屋頂模型開口形式與配置
主要開口率 開口數量 開口配置方式
7% 1
4% 2
14% 1
28% 1
28% 2
28% 4
風攻角 wind
Frame 1 Frame 2
Frame 3
Wind azimuth 270 deg Wind azimuth
90 deg
Wind azimuth 180 deg
Wind azimuth 0 deg
(資料來源：本研究整理)
表 3-3 拱形屋頂模型開口形式與配置
主要開口率 開口數量 開口配置方式7% 1
7% 2
14% 1
28% 1
28% 2
28% 4
風攻角 wind
Wind azimuth 270 deg frame 1 frame 2 frame 3
Wind azimuth 180 deg Wind azimuth
90 deg
Wind azimuth 0 deg
(資料來源：本研究整理)
圖 3-3 拱高與跨度比 1:8 之拱形屋頂建築物模型(三號模型) (資料來源：本研究整理)
本研究所有的氣動力模型均利用 5mm 厚之壓克力版製作，以確保模型具備 良好的剛性，並加10mm 厚的壓克力底座，模型內部在未開窗情形下為氣密狀態 且完整連通無區隔。在與屋脊垂直切面上分上中下游構架(frame)位置均布風壓 孔，代表三個不同建築物區段的構架風載重，以此三區風壓資料作為評估實際建 築物中在此三各位置上結構系統的載重。為量測內部風壓變化，分別在三組構架 位置內部各轉角處安排向內部空間開孔的管線，每組構架位置安排5 個壓力量測 點，共計有15 個內壓量測點位於模型內部空間。所有的風壓孔均以細 PVC 管線 製作之壓力量測管線系統(tubing system)與量測儀器相接，利用本所實驗室現有的 電子式壓力掃描器量測模型屋頂及側牆同步的風壓資料。模型側牆上開設矩形孔 口，並安裝檔版，利用抽換不同開口面積的檔版，變化開口率。開口配置方式包 括單一開口部及雙開口部等，以觀察不同氣流作用方式下內外壓的變化。實驗量 測控制的條件包括開口率、開口位置及風攻角。氣動力模型實驗量測時，利用旋 轉模型底座的方式，表現改變風攻角的效果。同時建築物模型內部亦安裝風壓量 測管線，與外部風壓同步量測。
圖 3-4 電子式壓力掃描模組 (資料來源：本研究整理)
圖 3-5 壓力訊號處理系統 (資料來源：本研究整理)
壓力量測管線系統為內徑 1mm、長 25 公分之 PVC 管，實驗前經具白噪音 (white noise)特性之擾動壓力信號進行率定，驗證無扭曲頻率可達 35Hz 以上。至 於內部空間及開口部所形成的 Helmholtz frequency 在本研究中採用的縮尺 1:50TTU 模型與 Sharma(2003)使用相同，由文獻中查得約為 136Hz。管線系統連 接至電子式壓力掃瞄模組上的壓力輸入埠，電子式壓力掃瞄器以64 個量測孔為一 模組，壓力量測模組安置於模型內部，模型規劃以鄰近64 個孔位規劃為同一壓力
PX 如圖 3-4)，該系統每個單一模組有 64 個壓力輸入管( pneumatic inputs )，對應 64 個壓電式壓力感應器，每一壓力感應器皆可單獨校正。輸入管藉由內徑 1mm PVC 管連接至模型量測點以量測壓力。各模組接連接至壓力訊號處理系統(RAD BASE 3200 如圖 3-5)，此系統可支援類比數位之轉換，最高可支援 8 個模組，其 解析度達16bits，最大採樣頻率為 500Hz，傳輸介面為 USB，具備網路控制及傳 輸功能。擷取之資料轉換完成之後藉由此系統傳至個人電腦儲存分析。
資料量測部分由個人電腦透過 USB 介面控制資料量測系統擷取各模組之量 測資料，並將資料轉換為電子檔儲存，本研究使用之電子式壓力掃瞄器具被歸零 功能，每次實驗操作前皆先將各模組之壓力感測器歸零，以得正確之壓力變化。
本研究所製作的山形屋頂建築物模型及拱形屋頂建築物模型其內部空間所形 成的特徵頻率(Helmholtz frequency)如下表所示：
表 3-4 氣動力實驗用建築物模型內部空間之特徵頻率
山形屋頂建築物模型 拱形屋頂建築物模型 空氣比熱 γ 1.4 1.4 1.4 1.4開口面積A 16×10-4 m2 64×10-4 m2 16×10-4 m2 64×10-4 m2
開口率 7% 28% 7% 28%
大氣壓力
p
0 105 pa 105 pa 105 pa 105 pa 空氣密度ρ
a 1.22 kg/m3 1.22 kg/m3 1.22 kg/m3 1.22 kg/m3有效長度
l
e 0.035 m 0.07 m 0.035 m 0.07 m 內部體積V
0 9×10-3 m3 9×10-3 m3 9.33×10-3 m3 9×10-3 m32 a
l
eV
01
Ap
0f
Hρ γ
=