高層建築物風洞試驗報告之應用說明 高層建築物風洞試驗報告之應用說明 高層建築物風洞試驗報告之應用說明 高層建築物風洞試驗報告之應用說明

第七章 第七章

第七章高層建築物風洞試驗報告之應用說明 高層建築物風洞試驗報告之應用說明 高層建築物風洞試驗報告之應用說明 高層建築物風洞試驗報告之應用說明

根據規範 5.1 節：「建築物之耐風設計，依本規範無法提供所需之主要風力 抵抗系統設計風力或是外部被覆物之設計風壓風力資料時，得以風洞試驗作為 耐風設計之依據。一般而言，建築物之高度超過 100 公尺，或風力總橫力大於 地震總橫力時，建議進行風洞試驗。」。以下，本文將説明如何引用一高層建築 物的風洞試驗報告。

耐風規範是針對完全規則的建築物，並統合許多風洞試驗之結果所制定而 成的。而風洞試驗是針對特定外型的建築物來進行模擬，再加上風洞試驗採用 的地況相關參數、紊流尺度、紊流強度與設計風力載重組合公式和規範通常不 一樣；因此，單一風洞試驗結果與規範計算結果必有差異，不適合直接比較。

但應期中審查委員之要求仍將其與依規範所計算的主要風力抵抗系統設計風力 與局部構材之設計風壓作比較。

7.1 7.1 7.1

7.1 案例與基本參數之描述 案例與基本參數之描述 案例與基本參數之描述 案例與基本參數之描述

本建築物之建築主體、女兒牆及工址之基本資料分別說明如下；而本建築 物的正面立面圖、右側面立面圖、背面立面圖、左側面立面圖與平面圖分別如 圖 7.1、圖 7.2、圖 7.3、圖 7.4 和圖 7.5 所示。

建築主體的基本資料 樓層高度：125.58m 總樓層數：36 層 平面尺寸：請詳圖 7.5

水平向基本自然頻率：x 向基本自然頻率 f_x =

0 . 314 Hz

y 向基本自然頻率 f_y =0.305Hz 扭轉向基本自然頻率： f_rz =

0 . 471 Hz

建物用途：一般（第五類建築物）

阻尼比：

β

=0.01

建築物形式：封閉式建築物 女兒牆的基本資料

高度：1.6m

工址的地況與地形 座落：台北縣板橋市

地況相關參數：風洞試驗之

α

=0.24（規範地況 B 之

α

=0.25）

風洞試驗之梯度高度Z_g =375m（規範地況 B 之梯度高度為 400m）

附近地形：無造成風速局部加速效應之特殊地形

7.2 7.2 7.2

7.2 風洞試驗報告 風洞試驗報告 風洞試驗報告 風洞試驗報告

根據規範 5.2 節：「風洞試驗之項目宜包括提供主要風力抵抗系統之設計風 壓及局部構件以及外部被覆物之局部風壓。」以下將說明此風洞試驗報告中風 洞試驗內容、主要風力抵抗系統之設計風力和建築外牆之設計風壓。

7.2.1 7.2.1 7.2.1

7.2.1 風洞試驗內容 風洞試驗內容 風洞試驗內容 風洞試驗內容

逼近流場特性

根據規範 5.3 節之解說：「建築風工程探討的是建築物在強風作用下的結構 反應，需要考量的風場屬於小範圍的中性邊界層流，以風洞進行縮尺模擬時，

需要正確模擬下列幾項自然風場特性：（1）逼近流在不同高度上的平均風速分 布；（2）逼近流在不同高度上的紊流強度；（3）逼近流擾動風速之頻率分布特 性；（4）標的建築物與鄰近建築物之模擬。」

進行風洞試驗時為了能使縮尺模型的風速量測能適當地用於實際風場，所 量測的各個物理量必須對一穩定的參考風速作無因次化，試驗選取模型上游大 氣邊界層高度（亦即梯度高度）Z 的量測風速為參考風速。 _g

本風洞試驗是使用錐形擾流板和配套之粗糙元及龍齒組合，在風洞之試驗 段內建立一能與現場情況相當之模擬大氣邊界層。研究中心利用熱膜探針風速

儀，在風洞之試驗段內，不同高度下所量測順風方向之平均風速及紊流強度。

將各高度風速^U

( )

^{Z 除以邊界層高度風速}U

( )

Zg ，可得無因次化風速。圖 7.6 及 圖 7.7 分別顯示在風洞之試驗段內，不同高度順風方向之平均風速及紊流強度 TI 隨高度Z Z_g變化之剖面曲線。實驗室所建立之模擬邊界層厚度在轉盤處約

cm

125 ，以

1 300

縮尺，其邊界層高度約為 75m3 ，根據風速剖面圖所計算

α

值 為

0 . 24

。至於主建築物附近的風場變化則由實際的地形及建築物模擬來產生。

而風洞試驗報告並未提供逼近流擾動風速之頻率分布特性。

風力載重試驗

本風洞試驗使用之模型為表面風壓實驗之模型。藉由電子式壓力掃描器對 所有壓力量測點壓力變化之同步量測，乘以各風壓量測點所在區塊之面積，可 以得知每一瞬時之風力歷時反應。本風洞試驗之量測方式以正北為零度風向 角，每 10 度風向角做一組量測，共量取 36 個風向。

外牆風壓試驗

風壓試驗所使用模型，重點在於能在其表面開設許多風壓孔，並可保持氣密 狀態，且盡可能將建築物外觀模擬精細。一般較常利用壓克力材料來製作此模 型。該模型外表開設許多風壓孔，並將模型內部挖空，裝設風壓管（如圖

7.8

）。

最後將模型架設至風洞試驗段，並將風壓管連接至電子式壓力掃描器，並透過電 腦，對建築物帷幕表面風壓進行量測（如圖

7.9

）。

當模型表面壓力經管線傳遞至壓力掃描器時，壓力訊號會受風壓管影響而扭 曲，訊號中某些頻率會被放大或衰減。此時需將風壓管訊號受扭曲部分還原。本 風洞試驗是求出原始訊號及扭曲訊號之關係，將所取得之扭曲訊號，利用此已知 關係，透過數學方法還原成原始訊號，這個過程稱之為管線修正。

本風洞試驗共在模型外牆開設320個風壓孔，風壓孔分佈如圖

7.1

至圖

7.4

所示。設置風壓孔時為加強考慮外牆邊緣及銳角等易產生氣流分離的地方，在外 牆形狀變化較大區域，風壓孔設置較為密集，以確實掌握風力擾動較嚴重區域的 壓力分佈。

本風洞試驗之長度縮尺為

1 300

；速度縮尺約為

1 6

；時間縮尺為

1 50

。試驗

所採用之採樣頻率為300Hz，而有效頻率約為 20Hz1 ，相對於實場約為 .4Hz2 ， 採樣時間為

80

秒，相對於實場約為

1

小時。試驗風向以正北為準，每

10

度做一 組量測，所量測之風向共有

36

組，每個風向進行兩次量測，以避免誤差。量測 時，在邊界層高度安裝皮托管以量測參考風速，並以皮托管之負壓端作為流場之 背景壓力。所有風速及壓力資料均透過電子式壓力掃描器，進行量測。

7.2.2 7.2.2 7.2.2

7.2.2 主要風力抵抗系統之設計風力 主要風力抵抗系統之設計風力 主要風力抵抗系統之設計風力 主要風力抵抗系統之設計風力

本風洞試驗是採用之 50 年回歸期設計風速為 37.5m/s 。建築物所受的風力 因風向角而異，一般從事設計風力的風洞實驗時，會以

10

度風向角為增量，共 執行

36

組不同風向角的風力與風壓量測。建築物的設計風力需由

36

組實驗中 找出適當的風力組合。建築物在特定風向角條件下的設計風載重為該風向的設 計風力，是風載重平均值與擾動值的組合。風洞試驗分別找出

36

個風向角中用 於最終之設計風力載重組合，如表

7.1

所示，其中

F

^x為

x

向之基底剪力；

F

y為

y

向之基底剪力；

T

rz為基底扭矩。

若採用此風洞試驗報告來進行構件設計時，需以最終數個設計風力載重組 合（此風洞試驗為四個）中所得構件效應之最大值最為設計依據，同樣地，需 採上述的精神來檢核層間變位角。

7.2.3 7.2.3 7.2.3

7.2.3 建築外牆之設計風壓 建築外牆之設計風壓 建築外牆之設計風壓 建築外牆之設計風壓

局部構件之設計風壓應採用風洞試驗在各風向下測算所得的最大極值風 壓。本風洞試驗之外牆風壓量測，是將風壓模型及周邊地形模型置於風洞試驗 段，定風速下分別量取

36

個風向角，模型上

320

個風壓孔之風壓。並將量測到 的結果換算成風壓係數。並透過極值分佈之統計理論獲得極值風壓。

極值風壓

透過電子式壓力掃描器所測得之風壓值，需利用統計方式，取得壓力極值 之機率分佈函數，再透過此機率分佈函數，取得極值壓力，並換算為最大正負 風壓係數。

外風壓

風洞試驗量測各風壓孔的風壓，經計算後得之最大正負外風壓係數。而外 風壓係數換算為實際風壓，計算方式如下所述：（

1

）板橋市基本設計風速為 37.5m/s ，而基本設計風速為地況

C

，高度10m 處，相對於

50

年回歸期之十分 鐘平均風速。而本風洞試驗所用之參考風速為邊界層高度風速，而採樣時間為 實場

1

小時。參考

ASCE 7-02

之

Durst Curve

並使用指數律，可得參考風速

( ^{300 10} ) ^{59 m/s}

1.06 37.5

U

_300m,1hour = × ^0.15 = ；（ 2 ） 將 風 速 換 算 成 參 考 風 速 壓

Pa 2134 59

226 . 1 5 . 2 0

1 _{2 2}

=

×

×

=

ρ

U ；（3）將試驗所得風壓係數乘上參考風速壓

即為實際之極值外風壓。

內風壓

根據「建築物耐風設計規範及解說」草案中內風壓係數計算方式，封閉式建 築物其(GC_pi)=±0.375。而換算至實場風壓，需乘上建築物高度之風速壓，本建 築高約126 公尺，在本大樓所在地，風洞模擬邊界層高約為 375 公尺，而

α

值為

25 .

0 。根據指數律，高度125 公尺處之風速為 44.8m/s 375

59 125 U

0.25

125m  =



 



=  ，而

風 速 壓 為

0 . 5 1 . 226 44 . 8 1232 Pa 2

1

_{2 2}

=

×

×

=

ρ

U ， 則 實 際 內 風 壓 為

Pa 462 1232

375 .

0 × =±

± ，在此可將內風壓訂為±500Pa。因設計風壓需考慮內 外風壓之和之最大值，故內風壓需考慮正負，在此假定外風壓為正值時，

內風壓應考慮採用負值，而當外風壓為負值時，內風壓考慮採用正值。

設計風壓

以外牆而言，其正風壓在

1~18

樓約為2~2.5kPa（200~250kgf/m²），而

19~36

樓風壓約為 kPa3 （300kgf/m ）² 。而在頂樓外牆部分，因該外牆為女兒牆，

需考慮內外壓差，其正壓較大，約達 .5kPa4 （450kgf/m ）² 。而整體負風壓介於 -3.5kPa

~ 2

- （-200~-350kgf/m²）之間。

在文檔中 建築物耐風設計規範示範例研擬與解說 (頁 195-199)