第四章 研究結果與討論
第三節 斜屋頂上高架水塔氣動力特性
本研究以高架圓筒型水塔模型置於相同系列斜屋頂模型上，量測水塔上中下三層 水平圓周上的風壓分布，如圖 4-21~4-26 所示。如圖 4-21 及圖 4-22 所示，水塔置於屋 脊位置時，所受到的氣動力載重最大，塔身上中下三層的風壓係數分布較為一致，顯 示所受風壓作用機制相似。而至於邊緣區域的高架水塔，其風壓係數分布如圖 4-23 及 圖 4-24 所示，風壓係數下降甚為明顯，特別是下層較接近屋頂面區域，受到屋頂面上 較強烈的紊流擾動影響，平均風壓係數下降較多。屋頂面坡度為 1:2 條件時，不同區 域水塔所受風壓情形如圖 4-25 及圖 4-26 所示，仍是以屋脊區域的水塔其風壓係數較 高，邊緣區域的水塔則下降甚多，其值更略低於屋頂坡度 1:4 的情形，顯示較高坡度 的屋頂面，對於水塔形成較佳的遮蔽作用，減緩風荷載。綜合而言，置於屋脊附近位 置，應為對支撐結構系統的安全性較不利的區域。
-1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
整體
C p n et
平均值風攻角
並排3片的中間片 單片
62
桶身水平圓周角(deg)
scan170
-0.4
桶身水平圓周角(deg)
scan186
圖 4-23 高架圓筒水塔配置位於 1:4 斜屋頂邊緣區域筒身各層平均淨
64
桶身水平圓周角(deg)
scan081
-0.4
桶身水平圓周角(deg)
scan100
第 一 節 附 屬 設 施 氣 動 力 特 性
本研究探討低矮型建築物的附屬設施氣動力特性，綜整過去研究成果並進行氣動 力實驗，對於低矮型建築物本身的表面風壓分布及附屬設施的風壓分布進行了解。本 年度研究將研究對象聚焦於屋頂上較常使用的設施，包括太陽能板、高水塔等設施，
考量屋頂面構造條件，變化屋頂面坡度、平屋頂女兒牆及設施是否架高、多片式等條 件，以不同風向角進行氣動力實驗，實驗成果分析如前章所述，綜合整理其氣動力特 徵如下。
1. 屋頂坡度的影響：屋頂坡度如增加，由低矮建築物表面風壓分布可知，屋頂面風 壓正負交替變化更為劇烈，因此架設於屋頂上的設施所受風壓擾動亦隨之上升，
就設施表面風壓的變化而言，主導整體模型氣動力現象的主角應是拱門形渦漩的 作用，附屬設施的量體與建築物本體的量體相比仍為甚小，因此其所處區域如為 強烈負壓區，則設施本身表面風壓亦受到類似的作用。以低矮型建築物表面風壓 與屋頂坡度的變化，屋頂坡度越大則正負風壓擾動更為劇烈，作用在附屬設施的 紊流擾動亦高。而有掀翻危險的平板類設施，下版面表面風壓分布受到局部加速 影響，而略有變化，因此與安裝間隙有關。
2. 安裝位置的選擇：由於低矮形建築物表面風壓變化甚為劇烈，因此附屬設施安裝 位置亦會有甚大的影響，本研究針對安裝位置，比較包括屋脊、邊緣等不同區域 的差異性，顯示安裝在屋脊位置的設施所受到氣動力作用最為強烈，因處於分離 剪力流越過建築物的區域，因此風荷載最大。至於安裝在邊緣區域的設施，雖然 屋頂邊緣渦流擾動亦大，但受到屋頂坡面的影響，高起的屋面更有可能對於其上 的設施產生遮蔽的作用。如有偏斜的風向角作用，安裝在邊緣區域的設施如位於 邊緣的中間區域，則較能避開強烈角隅渦流的作用，仍屬安全。但如為安裝在屋 脊附近，則不易獲得減緩風荷載的條件。
3. 架高安裝的影響：對於表面風壓的分布，如為平板類設施，與屋頂面接近的下版 面受到間隙內局部加速可能產生較大的負壓，如提高架設基座的高度，使間隙放 大，由氣動力實驗量測成果顯示，有使風荷載略減緩的現象，對於有掀翻危險性
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的構造而言，有所助益。
4. 風向角的變化：以設計考慮，構造物應能抵抗所有風向角的來流作用，因此檢討 其氣動力載重時，各風向角均加以檢核，以風荷載最嚴重的條件，進行結構分析 可有效提升系統的安全性，本研究以太陽能板受風影響而言，平屋頂配合高側斜 45 度來流的條件，版面風壓分布最不對稱且差異甚大，因此作為分析檢討的案例。
5. 女兒牆的影響：本研究在平屋頂實驗針對女兒牆存在的影響，亦一併檢討，研究 顯示女兒牆產生的屏蔽作用對減輕風荷載助益甚大，因此平屋頂面上安裝附屬設 施如能配合女兒牆設置，對於設施的耐風性能最有幫助。
6. 平板多片與單片的差異：本研究亦探討單片太陽能板與三片並排時中央版相互比 較其氣動力性能，研究顯示中央版因邊緣緊鄰其他版，其邊緣的渦流擾動作用有 被隔離的現象，雖然版與版之間仍有小間隙，但不足以影響整體渦流結構的分配，
因此其風荷載略低於單片的情形。由文獻可知，如比較三片並排太陽能板的風荷 載，則側邊版的風荷載是高於中央版的。
5-2.1 結構系統分析的建構
為能了解結構系統的受力情形，本研究以平頂屋頂上太陽能板受到高側 45 度紊流 作用為案例進行支撐結構分析，觀察不同桿件布局的受力情形，本計畫使用結構分析 軟體 Midas 進行分析工作。檢驗的對象以太陽能板支撐結構為例，建立供結構分析計 算的模型，如圖 5-1 所示。
圖 5-1 太 陽 能 熱 水 器 結 構 分 析 計 算 的 模 型 資料來源：本研究繪製
由氣動力實驗結果知平頂屋頂上太陽能板受到高側 45 度紊流作用時，風載重形成 最不利於結構安全的情況，因此由該實驗量測所得之資料，依實尺寸比利建立風荷載 之時序列資料。結構分析所得桿件內力，可以觀察不同位置的桿件其受載重情形是否 有集中的情形，桿件包括軸力、剪力及彎矩的分析成果。
5-2.2 結構模型之氣動力載重資料
為配合結構分析軟體的分析計算與檢討，本研究將氣動力實驗所得之淨風壓時序 列資料，透過貢獻面積加權積分的方式，並將荷載分散於太陽能板四個角隅支撐點，
點位定義如圖 5-2 所示。由圖 4-5 可知，最可能產生掀翻太陽能板的負風壓發生於風
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向角 135 度附近，因此採用此風向角的量測資料進行分析計算。計算太陽能集熱板四 角落支承點上的風載重時序列資料，以版淨風壓係數加權積分所得之時序列資料樣本 如圖 5-3 所示。
圖 5-2 太 陽 能 板 四 個 角 隅 支 撐 點 之 點 位 定 義 資料來源：本研究繪製
圖 5-3 推估之實尺寸太陽能版各角隅支撐點所受風荷載時序列 資 料 資料來源：本研究繪製
High Low
a d
c
b
Wi nd AOA=0 deg Wi nd
AOA=180 deg
Solar pannel High
Low
-800
-700
-600-500
-400-300
-200-100
00 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
w in d f o rc e ( kg f)
time (sec)
Fa Fb Fc
Fd
本研究利用風洞實驗所獲得的風壓載重時序列資料，搭配太陽能熱水系統支撐結 構設計，分析動態載重對於結構桿件內應力的影響，首先以常見的簡單剛性構架為支 撐結構系統，定義為基本型式，再變化不同的外加斜撐桿件於框架之中，透過結構分 析軟體了解對整體應力的影響。以結構安全的角度而言，內力不宜過度集中於少數的 桿件，以提升材料使用效率，直接以靜載重的分析可觀察內力分布的基本狀況，但考 慮紊流擾動影響，瞬間可能出現甚大的桿件內力，亦可能造成桿件挫曲或接頭的破壞，
因此須採用氣動力實驗所獲得的風載重資料進行歷時分析，以觀察內力的變化過程。
首先以基本構形的結構系統進行分析，如圖 5-4。桿件設計使用 JIS L30X3 角鋼，
桿件接頭均採剛性接合，基本型式各桿件及節點編號如圖面所示。計算時採用設計風 速採用高雄市之 37.5m/sec，以實際尺寸的太陽能熱水系統為對象，建立載重歷時資料，
程式 計算 完成 後列 表整 理時 間過 程中 發生 之最 大應 力及 彎矩 之桿 件。 載重 條 件 (Loading cases)考慮結構自重及風力造成的動態反應過程，本研究採用之時序列資料取 用側版表面風壓加權積分所得之支承點載重時序列資料，進行分析，計算採用直接積 分法(Direct integration method)，系統組尼採用 1%。
基本構型結構系統承受風洞中模擬之紊流場時序列風壓資料作用時，桿件最大內 力如表 5-1 所示，以外側上游垂直桿所受作用力最大。而在外側垂直桿(1、2 及 4 號桿 件)出現甚大的彎矩值，太陽能板邊框外側桿件(5 號桿件及 11 號桿件)亦有較高的彎矩 作用。
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圖 5-4 基 本 構 形 太 陽 能 熱 水 系 統 支 撐 結 構 資料來源：本研究繪製
1 2
3 4
5
6 7
8 9 10
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3
4
5
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9
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13
表 5-1 基本構形太陽能熱水系統支撐結構載重歷時資料分析 之 最 大 桿 件 內 力
Axial (kgf)
Shear-y (kgf)
Shear-z (kgf)
Torsion (kgf*cm)
Moment-y (kgf*cm)
Moment-z (kgf*cm) Node I
Max. 578.60 0.80 5.07 0.59 279.70 24.06 At time 1.04 1.63 1.65 1.63 1.65 1.63
Beam 2 2 4 11 4 3
Node I
Min. -114.30 -1.37 -85.43 -0.36 -1139.00 -41.08 At time 1.63 1.63 1.65 1.63 1.65 1.63
Beam 5 11 2 7 1 11
Node J
Max. 578.60 0.80 5.07 0.59 589.20 41.08 At time 1.04 1.63 1.65 1.63 1.65 1.63
Beam 2 2 4 11 2 11
Node J
Min. -114.30 -1.37 -85.43 -0.36 -170.80 -25.77 At time 1.63 1.63 1.65 1.63 1.65 1.63
Beam 5 11 2 7 5 8
UNIT SYST EM ..: cm, kgf
資料來源：本研究整理
5-2.4 變化桿件配置之影響
1. 上游立面上增加斜撐桿件：由基本構形的分析結果顯示，在風壓作用下桿件內力分 布並不平均，且有部分桿件彎矩甚高，以在上游立面桿件較明顯，嘗試利用在上游立 面上增加斜撐桿件，如圖 5-5 所示，各桿件及節點編號如圖面所示。以紊流場作用歷 時資料建立之風載重歷時分析所得桿件最大應力如表 5-2 所示，外側桿件瞬時出現較 高彎矩的情形已獲得大幅改善，顯示增加斜撐有助於分散瞬間不平均載重對結構系 統彎矩內力的影響。但比較軸力的變化則顯示，接近上游側的垂直桿，如 2 號與 7 號 桿件，其軸力增加。
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圖 5-5 上 游 立 面 上 增 加 斜 撐 桿 件 太 陽 能 熱 水 系 統 支 撐 結 構 資料來源：本研究繪製
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1 2
3
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6 7
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9
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11
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13 14
(kgf) (kgf) (kgf) (kgf*cm) (kgf*cm) (kgf*cm) Node I
Max. 791.60 0.06 0.67 0.80 2.02 10.74 At time 1.46 1.85 1.45 1.85 1.75 1.47 Beam 2 11 14 1 6 9
Node I
Min. -143.90 -0.04 -1.25 -0.81 -2.00 -8.74 At time 1.67 1.85 1.46 1.75 1.85 1.45 Beam 7 7 5 6 1 15
Node J
Max. 791.60 0.06 0.67 1.08 2.40 10.40 At time 1.46 1.85 1.45 1.85 1.75 1.46 Beam 2 11 14 6 1 14 Node J
Min. -143.90 -0.04 -1.25 -0.96 -2.70 -19.14 At time 1.67 1.85 1.46 1.75 1.85 1.46 Beam 7 7 5 1 6 5
UNIT SYST EM ..: cm, kgf
資料來源：本研究整理
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2.增加太陽能板邊框長向之斜撐：考慮結構系統中以太陽能板邊框為最長之桿件，因 此由支柱結點增加斜撐之邊框長桿之中點，構形如圖 5-6 所示，各桿件及節點編號如 圖面所示。以紊流場作用歷時資料建立之風載重歷時分析所得桿件最大應力如表 5-3 所示，外側桿件瞬時並未出現較高彎矩，顯示太陽能板邊框加設長向之斜撐，亦有助 於分散瞬間不平均載重對結構系統的影響。本案例可強化外框架的支撐效果，所以本 案例在歷時分析成果上，桿件內力彎矩極值均偏低，改善效果良好。與前一案例相似 的是軸力有上升的現象，特別是上游側的基層垂直桿。
圖 5-6 增加太陽能板邊框長向之斜撐桿件太陽能熱水系統支撐 結 構 資料來源：本研究繪製
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6 7
8 9 10
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(kgf) (kgf) (kgf) (kgf*cm) (kgf*cm) (kgf*cm) Node I
Max. 803.20 1.18 0.77 24.48 11.06 11.31 At time 1.46 1.46 1.47 1.46 1.67 1.47 Beam 2 7 2 12 12 4 Node I
Min. -144.00 -2.45 -0.87 -4.45 -60.87 -12.65 At time 1.67 1.46 1.47 1.67 1.46 1.46 Beam 7 9 6 12 12 14 Node J
Max. 803.20 1.18 0.77 15.83 69.54 10.00 At time 1.46 1.46 1.47 1.46 1.46 1.48
Beam 2 7 2 7 12 2
Node J
Min. -144.00 -2.45 -0.87 -27.97 -39.35 -5.83 At time 1.67 1.46 1.47 1.46 1.46 1.47 Beam 7 9 6 12 7 5
UNIT SYST EM ..: cm, kgf
資料來源：本研究整理
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3.增加底座平面之斜撐：增加底座框架的斜桿，構形如圖 5-7 所示，各桿件及節點編號 如圖面所示。以紊流場作用歷時資料建立之風載重歷時分析所得桿件最大應力如表
3.增加底座平面之斜撐：增加底座框架的斜桿，構形如圖 5-7 所示，各桿件及節點編號 如圖面所示。以紊流場作用歷時資料建立之風載重歷時分析所得桿件最大應力如表