建築物耐風設計規範及解說之設計風載重計算式修訂研究

建築物耐風設計規範及解說之

設計風載重計算式修訂研究

內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告

中華民國 103 年 12 月

（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

PG10301-0473

103301070000G0022

建築物耐風設計規範及解說之

設計風載重計算式修訂研究

受 委 託 者：社團法人中華民國風工程學會

研究主持人：鄭啟明

協同主持人：王人牧

研 究 助 理：賴子晴

內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告

中華民國 103 年 12 月

（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

I

目次

表次 ... V

圖次 ... VII

摘要 ... XII

第一章 緒論 ... 1

第一節 研究緣起與背景 ... 1

第二節 國內外之相關研究 ... 2

第三節 研究內容與方法 ... 3

第四節 報告內容簡述及進度說明 ... 6

第二章 文獻回顧 ... 9

第一節 建構剛性樓版建築物順風向設計風力模式 ... 10

第二節 橫風向設計風力模式之修訂 ... 12

第三節 扭轉向設計風力模式之修訂 ... 13

第三章 現行規範與風洞數據之各項參數比較 ... 15

第一節 風洞數據之實驗配置介紹 ... 15

第二節 各項參數比較結果 ... 21

第四章 高層建築設計風力模式之參數擬合 ... 47

II

第一節 順風向設計風力模式之參數迴歸 ... 47

第二節 橫風向設計風力模式之參數迴歸 ... 59

第三節 扭轉向設計扭矩模式之參數迴歸 ... 68

第五章 設計風載重案例分析 ... 75

第一節 結構物幾何尺寸與動力特性 ... 75

第二節 設計風載重案例分析之風場條件 ... 80

第三節 設計風載重案例分析結果 ... 81

第六章 建築物耐風設計規範修訂條文建議 ... 93

第七章 結論與建議 ... 101

第一節 結論 ... 101

第二節 建議 ... 103

附錄一 期初審查會議紀錄及回應 ... 107

附錄二 第一次專家座談會會議記錄及回應 ... 113

附錄三 期中審查會議紀錄及回應 ... 119

附錄四 第二次專家座談會會議記錄及回應 ... 123

附錄五 期末審查會議紀錄及回應 ... 129

附錄六 高層建築設計載重計算式應用案例 ... 133

III

附錄七 建築物耐風設計規範及解說摘錄 ... 143

附錄八 符號表 ... 151

V

表次

表 1-

1

進度說明 ... 7

表 3-

1

風力係數與相關文獻比較 ... 19

表 4-

1

參數迴歸範圍 ... 48

表 4-

2

迴規範例 ... 54

表 4-3

' L C

各項係數值 ... 59

表 4-

4

' L C

擬合之誤差結果 ... 60

表 4-

5

SL( f)

各項係數 ... 64

表 4-

6

' T C

各項係數值 ... 68

表 4-

7

' T C

擬合之誤差 ... 69

表 4-

8

S_T( f)

各項係數 ... 71

表 5-

1

建築物相關幾何資料及動力特性 ... 76

表 5-

2

建築物相關幾何資料及動力特性 ... 78

表 5-

3

不同地況之風場特性 ... 80

表 6-

1

_R( f)

各項參數 ... 95

) ( f R 

VII

圖次

圖 1-

1

研究流程 ... 5

圖 2-

1

模型幾何尺寸及座標系統 ... 9

圖 3-

1

逼近流場平均風速、紊流強度及長度尺度剖面 .... 16

圖 3-

2

風壓模型實驗配置 ... 17

圖 3-

3

風力頻譜與相關文獻比較 ... 20

圖 3-

4

不同長寬比對迎風面平均風力係數之比較 ... 23

圖 3-

5

不同長寬比對背風面平均風力係數之比較 ... 24

圖 3-

6

不同地況比對迎風面平均風力係數之比較 ... 25

圖 3-

7

不同地況比對背風面平均風力係數之比較 ... 25

圖 3-

8

深寬比對橫風向擾動基底風力係數之影響 ... 27

圖 3-

9

不同地況對橫風向擾動基底風力係數之影響 ... 28

圖 3-

10

深寬比對扭轉向擾動基底風力係數之影響 ... 29

圖 3-

11

不同地況對扭轉向擾動基底風力係數之影響 ... 30

圖 3-

12

不同高寬比模型之橫風向風力頻譜(地況 A) ... 33

圖 3-

13

不同高寬比模型之橫風向風力頻譜(地況 B) ... 34

圖 3-

14

不同高寬比模型之橫風向風力頻譜(地況 C) ... 35

圖 3-

15

不同高寬比模型之橫風向風力頻譜與現行規範比

較(地況 A) ... 36

VIII

圖 3-

16

不同高寬比模型之橫風向風力頻譜與現行規範比

較(地況 B) ... 37

圖 3-

17

不同高寬比模型之橫風向風力頻譜與現行規範比

較(地況 C) ... 38

圖 3-

18

不同深寬比模型之橫風向風力頻譜與現行規範比

較(地況 B) ... 39

圖 3-

19

不同高寬比模型之扭轉向風力頻譜(地況 A) ... 40

圖 3-

20

不同高寬比模型之扭轉向風力頻譜(地況 B) ... 41

圖 3-

21

不同高寬比模型之扭轉向風力頻譜(地況 C) ... 42

圖 3-

22

不同高寬比模型之扭轉向風力頻譜與現行規範比

較(地況 A) ... 43

圖 3-

23

不同高寬比模型之扭轉向風力頻譜與現行規範比

較(地況 B) ... 44

圖 3-

24

不同高寬比模型之扭轉向風力頻譜與現行規範比

較(地況 C) ... 45

圖 3-

25

不同深寬比模型之扭轉向風力頻譜與現行規範比

較(地況 B) ... 46

圖 4-

1

各種地況所有模型

的實驗值與迴歸值及實驗值與

規範值相對圖 ... 49

DW C

IX

圖 4-

2

各種地況所有模型

CDL

的實驗值與迴歸值及實驗值與

規範值相對圖 ... 50

圖 4-

3

地況 A 不同高寬比、深寬比之迎風面與背風面相關

性折減因子

λD

比較 ... 51

圖 4-

4

地況 B 不同高寬比、深寬比之迎風面與背風面相關

性折減因子

λD

比較 ... 51

圖 4-

5

地況 C 不同高寬比、深寬比之迎風面與背風面相關

性折減因子

比較 ... 52

圖 4-

6

各種地況所有模型 的實驗值與迴歸值相對圖 ... 53

圖 4-

7

各深寬比廣義外力共振部分之氣動力阻抗函數

_R( f)

實驗值與迴歸值比較圖(

h/ BL6

) ... 56

圖 4-

8

各深寬比廣義外力共振部分之氣動力阻抗函數

_R( f)

實驗值與迴歸值比較圖(

h/ BL6

) ... 57

圖 4-

9

各深寬比廣義外力共振部分之氣動力阻抗函數

_R( f)

實驗值與迴歸值比較圖(

h/ BL6

) ... 58

圖 4-

10

' L C

迴歸數值與規範值對照實驗值 ... 61

圖 4-

11

橫風向風力頻譜圖 ... 62

圖 4-

12

S_L( f)

擬合值與實驗值和規範值比較(地況 A) ... 65

圖 4-

13

S_L( f)

擬合值與實驗值和規範值比較(地況 B) ... 66

D λ D λ

X

圖 4-

14

S_L( f)

擬合值與實驗值和規範值比較(地況 C) ... 67

圖 4-

15

' T C

迴歸數值與規範值對照實驗值 ... 70

圖 4-

16

S_T(f )

擬合值與實驗值和規範值比較(地況 A) ... 72

圖 4-

17

S_T(f )

擬合值與實驗值和規範值比較(地況 B) ... 73

圖 4-

18

S_T(f )

擬合值與實驗值和規範值比較(地況 C) ... 74

圖 5-

1

本研究風力計算模式、氣動力資料庫計算模式與現

行規範順風向基底風載重之比較 ... 82

圖 5-

2

本研究風力計算模式、氣動力資料庫計算模式與現

行規範順風向基底風載重之比較 ... 83

圖 5-

3

本研究風力計算模式、氣動力資料庫計算模式與現

行規範順風向風載重之比較 ... 84

圖 5-

4

本研究風力計算模式、氣動力資料庫計算模式與現

行規範橫風向風載重之比較 ... 86

圖 5-

5

本研究風力計算模式、氣動力資料庫計算模式與現

行規範橫風向風載重之比較 ... 87

圖 5-

6

本研究風力計算模式、氣動力資料庫計算模式與現

行規範橫風向風載重之比較 ... 88

圖 5-

7

本研究風力計算模式、氣動力資料庫計算模式與現

行規範扭轉向風載重之比較 ... 90

XI

圖 5-

8

本研究風力計算模式、氣動力資料庫計算模式與現

行規範扭轉向風載重之比較 ... 91

圖 5-

9

本研究風力計算模式、氣動力資料庫計算模式與現

XII

摘要

關鍵字：建築物，設計風載重，風力規範 一、研究緣起 我國之建築物耐風設計規範主要是參考美國以及日本的相關規定研擬而成， 建築物順風向設計風力採用 ASCE7 建議的計算模式；橫風向及扭轉向設計風力 則採用日本 AIJ 建議之計算模式。其中橫風向與扭轉向設計風力計算式中使用的 風力係數與風力頻譜均源自於日本研究者的風洞試驗數據。採用先進國家之相關 規範固然便利，然而也無法掌握修訂相關規範之主動性。 二、研究方法及過程 美國 ASCE7 的風力條文主要是針對較為低矮，且渦致振動不明顯的建築物， 對於動力效應與渦致振動敏感之建築物則有未盡保守之虞。日本 AIJ 的橫風向與 扭轉向風力係數與風力頻譜未能充分考慮建築物高寬比與不同地況風場特性的 影響，許多狀況過於保守，且有其應用上的限制。由於無法掌握原始風洞數據， 我國風力規範只能被動的隨著 AIJ 修訂。由於順風向、橫風向與扭轉向設計風力 採用不同國家的規定，進而造成從事風力組合研究的困難。為了改進前述困境， 並建立自主性的風力規範，內政部建築研究所透過委託研究計畫案，與國內風洞 實驗室合作，逐年建構起在符合我國定義之三種標準地況風場中，矩形斷面建築 物高寬比範圍 h/√BL=1~6，斷面深寬比範圍 L/B=0.2~5 之風洞試驗數據。本研 究計畫的目的即是根據已完成之矩形斷面建築物風洞試驗數據，建構適於工程實 務應用之設計風力模式，做為未來修訂「建築物耐風設計規範暨解說」之參考依 據。

XIII 三、結論 壹、現行規範風力計算式中各項參數與風洞數據之比較 (1).風力係數 現行規範之迎風面平均外風壓係數與本研究係數相比，在地況 A、B 分別 顯示出過於保守與不保守的情況，在背風面方面，規範於 A、B 地況之背風向平 均外風壓係數幾乎呈現保守，但在 C 地況於淺矩柱部分，表現較不保守。 現行規範之橫風向擾動基底風力參數並不考量高寬比變化，規範明顯太過 簡單，有顯著的不保守之虞 現行規範對於計算扭轉向擾動風力係數同橫風向一樣，在深寬比偏大之矩 柱高層建物，A 地況出現不保守之狀況，C 地況則保守過頭。 (2).風力頻譜 現行規範並無地況、高寬比參數，故在隨著高寬比變化之實驗風力頻譜數 據相比時，不能正確反應數據值，進而造成橫風向設計風力共振部份的誤差，大 部分於高寬比低矮之建築物會呈現過於保守之虞。 扭轉向風力頻譜在低矮建築物會有過於保守之疑慮，現行規範之扭轉向風 力頻譜與橫風向風力頻譜有共同之疑慮，其頻譜值過於保守，不夠精確。 貳、完成建構與修訂高層建築物各風向計算模式 本研究延續 102 年度研究案「設計風載重資料庫之應用研究(2)」[16]成果， 將各項設計風力模式所需參數進行檢視，本研究已完成建構高層建築物各風向計 算模式。 参、順風向、橫風向、扭轉向風力計算式中，風力係數與其他各項參數擬合 目前本研究完成了計算順風向風力之各項重要參數與橫風向及扭轉向所需 之風力係數。 (1).順風向 順風向迎風面風力係數擬合式結果良好，計算所得之順風向係數均較現行規 範精準。 (2).橫風向與扭轉向係數 擬合所得橫風向係數與扭轉向係數因地況而異，雖然較現行規範略為複雜，

XIV 但可提高風力係數準確性。。 (3). 橫風向與扭轉向頻譜 本研究提出之橫風向風力頻譜與扭矩頻譜計算式，雖然比現行規範略為複雜， 但擬合式具有較佳物理意義，並明顯提升準確度。 肆、本研究風力模式的驗證以及與現行風力規範之比較 順風向風載重分析結果對於前研究案分析結果有著不錯的精準度，僅在 A 地況淺矩柱略微過於保守，現行規範則在 A 地況顯得過於不保守，C 地況則又 過於保守，整體評估本研究分析結果均較現行規範良好。 本研究橫風向之計算風載重在建築物為90m、60m時有著不錯的表現，然而 在高度180m之建築物於B地況、C地況深矩柱不保守，淺矩柱保守，現行規範建 築物180m高時，在C地況呈現過度保守的情形，A地況評估之橫風向風載重又不 保守，其因在於其不參考地況因素，就整體而言，本研究較現行規範準確。 扭轉向風載重在現行規範在 A、B 地況、建築物高度 90m、60m 明顯較不保 守，在高度 180m 之建築物則在 C 地況過度保守，本研究分析結果於前研究案分 析結果，於較深、較淺矩柱略不準確，其餘較現行規範準確且保守。 伍、完成建築物耐風設計規範修訂條文建議 根據本案研究結果，提出建築物順風向設計風力、橫風向設計風力以及設計 扭矩之條文建議，做為未來修訂建築物耐風設計規範之參考依據。 四、建議事項 根據本案研究結果，針對建築物耐風設計規範及解說之設計風載重計算式修 訂研究，提出下列具體建議。 建議一 提出「建築物耐風設計規範及解說」之建議修正條文：立即可行建議

XV 主辦機關：內政部營建署、建築研究所 協辦機關：社團法人中華民國風工程學會 現行規範對於動力效應明顯的高層建築在順風向設計風力的準確性欠佳；橫 風向風力與扭矩由於使用日本 AIJ 建議之經驗公式，無法主動的改進風力計算式。 本研究根據自行建構之高層建築風洞試驗數據，提出之「建築物耐風設計規範及 解說」之建議修正條文，改進現行規範不足之處，提升我國高層建築耐風設計水 準。 建議二 持續改進風力模式中各參數擬合式，並研究各種形狀之風力計算數值，建立不同 形狀可供應用之參數圖表以供參考：立即可行建議 主辦機關：社團法人中華民國風工程學會、淡江大學風工程研究中心 協辦機關： 內政部建築研究所 目前完成矩柱順風向風力模式、橫風向風力模式與扭矩模式中各項參數之擬 合式，未來須持續改進各參數擬合式，期以在維持準確度的條件下，進一步簡化 計算式，以利於工程應用與推廣，另研究各種形狀建築物風力計算數值，以利往 後不同建築物之風力計算需求。 建議三 增加驗證計算案例，舉辦講習會：立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：社團法人中華民國風工程學會、中華民國結構工程技師公會全國聯合 會、中華民國土木技師公會全國聯合會 建議進一步增加計算案例，驗證本案高層建築設計風力計算模式之適用性與 可靠性，並舉辦講習會向工程界說明推廣。

XVI 建議四 針對載重組合進行探討：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：社團法人中華民國風工程學會 「建築物耐風設計規範及解說」對於順風向、橫風向與扭轉向風力的組合模 式，因缺乏研究數據，故根據簡單假設制定，偏於保守。未來應根據本研究建構 之風力資料庫，探討高層建築發生順風向、橫風向與扭轉向極值風力之相關性， 研擬兼具合理與簡易之風力組合模式。 建議五 建議於建研所台南風洞實驗室進行高層建築風洞實驗，驗證資料庫數據正確性並 增加資料庫內容：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：社團法人中華民國風工程學會 建議建研所於該所風洞實驗室進行風洞實驗，除了驗證本研究案資料庫數據 正確性之外，可以加入特殊地形與不同建築形狀，使高層建築氣動力資料庫內容 更為豐富。 建議六 高層建築受風振動所引發側向加速度對於居住者舒適性評估準則的修訂研究：中 長期建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：社團法人中華民國風工程學會 高層建築物耐風設計除了考量設計風力外，受風振動所引發側向加速度對於

XVII

居住者舒適性評估是一項重要設計因素。現行規範所使用之半年回歸期設計風速 有實用上的不便處，單一容許最大側向加速度值則過於簡單，應參考國外規範以 及相關學術發展進行修訂研究。

XVIII

ABSTRACT

Keyword: Building, Design Wind Load, Wind Code

The current Taiwan building wind code is primarily based on ASCE7-02, with some input from AIJ-96. The alongwind design wind procedure is similar to the provisions in ASCE7 which is mainly for low-rise buildings. The structural dynamic effects are included in a relatively simplified manner. The acrosswind and torsional design wind load procedures are adopted from AIJ-96 which in turn was based on wind tunnel data. The force coefficients and spectra used in AIJ procedures were found to be over-simplified. In previous years, the Architecture and Building Research Institute of Ministry of Interior had done research projects to improve the wind resistant design of tall buildings. Large numbers of wind tunnel tests on rectangular shaped tall building models were performed. And the alongwind, acrosswind and torsional design wind loads procedure based on the wind tunnel data and structural dynamic analysis were established.

Based on the wind tunnel data base and the design wind loads models, this research project has accomplished the following tasks:

(1) Systematic comparisons of wind force coefficients and wind force spectra between existing wind code and tall building aero-database,

(2) Modification of alongwind, acrosswind and torsional wind load models, (3) derivation of empirical equations for parameters used in the wind load models, (4) verification on the accuracy of the empirical equations in (3),

(5) comparisons of building design wind loads with existing wind code,

The results of this project indicate that proposed empirical models for wind force coefficients and wind force spectra are satisfactory. Applying that to the proposed design wind load models can produce more accurate results than the current wind code. Finally, three articles on building design wind loads were drafted for future building wind code revision.

1

第一章 緒論

第一節 研究緣起與背景

一般對於高層建築物與大跨度屋頂結構而言，大多必須考量建築物的耐風性， 台灣不但易受到颱風的威脅且位處於強風盛行之地區，因此設計風力的準確性對 結構設計甚為重要。我國設計風力與設計風壓之相關規定與計算式，制定於內政 部民國 95 年 9 月 22 日頒布、96 年 1 月 1 日正式實施之「建築物耐風設計規範 及解說」[12]，其中相關條文大體上是參酌美國 ASCE 7-02 (2002)[1]之內容，並 引用日本 AIJ (1996)[2]之部分內容，研擬而成。 現行規範中，建築物順風向設計風力方面採用 ASCE7 建議的計算模式，以 迎風面與背風面的風壓組合而成，其相關條文主要是針對較為低矮的民宅、廠房 及渦致振動不明顯的建築物，對於動力效應與渦致振動敏感之建築物只稍做了較 為簡單的假設，有未盡保守之虞。橫風向與扭轉向設計風力計算式則採用日本 AIJ 建議之計算模式，式中使用的風力係數與風力頻譜則皆根據日本研究者的風 洞試驗數據彙整而成，但日本 AIJ 的橫風向與扭轉向風力係數與風力頻譜未能充 分考慮建築物高寬比與不同地況風場特性的影響，且僅可使用在制訂的範圍內， 由於無法對於所有建築物提供恰當的設計風載重，造成應用上有所限制。無法掌 握原始風洞數據，又採用不同國家的順風向、橫風向與扭轉向設計風力規範，使 得我國風力規範只能被動的隨著 ASCE7、AIJ 修訂，進而造成從事風力組合研究 的困難。為了改進前述困境，並建立自主性的風力規範，內政部建築研究所透過 委託研究計畫案，與國內風洞實驗室合作，逐年建構起在符合我國定義之三種標 準地況風場中，矩形斷面建築物高寬比範圍 h/√BL=1~6，斷面深寬比範圍 L/B=0.2~5 之風洞試驗數據。本研究根據前述已完成之矩形斷面建築物風洞試驗 數據，擬定適用於工程實務應用之設計風力模式，並提出做為未來修訂「建築物 耐風設計規範暨解說」中順風向、橫風向以及扭轉向設計風力之相關條文。

2

第二節 國內外之相關研究

美國 ASCE7 耐風設計相關內容雖然經過 2005 年以及 2010 年二度修訂，但 是在順風向設計風載重計算流程方面並無重要改變。日本的 AIJ-2004 對於橫風 向與扭轉向頻譜計算式做了少許的調整，然而並未改變橫風向與扭轉向設計風力 計算式在部分條件下會有低估風力的情況。我國風工程研究發展較晚，風力規範 引用美、日相關條文，由於無法掌握原始數據，風力規範只能被動的隨著美、日 規範的進展而修訂。為了逐步建立自主性的風力規範，內政部建築研究所在 2007 與 2008，曾執行「高層建築耐風設計風力頻譜與風載重之修訂研究」與「建築 物耐風設計風載重條文之修訂研究」[13,14]二項研究計畫案。研究成果包括完成 相當數量之規則矩形斷面高層建築的風洞實驗，並提出了高層建築在順風向、橫 風向及扭轉向設計風力的計算流程。2012 年與 2013 年執行「設計風載重資料庫 之應用研究」與「設計風載重資料庫之應用研究(2)」[15,16]完成建構一個內容完 整適用於風力規範未來發展 E 化應用之高層建築物風力資料庫，以及一個具有 高準確度且便於工程界使用之高層建築設計風載重計算程式。然而此一高層建築 設計風載重計算程式計算式極為複雜，無法直接列入建築物耐風設計規範條文之 中。本研究即是延續前述研究，進一步簡化高層建築設計風力之計算流程，使其 未來能納入耐風設計規範之修訂條文。

3

第三節 研究內容與方法

壹、現行規範風力計算式中各項參數與風洞數據之比較 為能提出修訂「建築物耐風設計規範及解說」[12]之建議條文，首先以現行 規範風力計算式中各項參數與風洞數據進行比較，藉此瞭解在不同地況與建築物 幾何條件下，現行規範中順風向、橫風向與扭轉向之風力係數、風力頻譜與風洞 試驗數據之差異，以謀改進之道。風洞數據方面，依據內政部建築研究所 101、 102 年度研究案「設計風載重資料庫之應用研究(1)」與「設計風載重資料庫之應 用研究(2)」[15,16]之風洞試驗，在都市地況(α=0.32)、鄉鎮地況(α=0.25)、平坦 闊地況(α=0.15)等三種符合風力規範中地況特性的流場中，進行矩形斷面模型之 風洞試驗。矩形斷面建築物外形亦涵蓋風力規範定義之範圍：高寬比 h/(BL)0.5_=2、 2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7，共 11 組；斷面深寬比 L/B=1/5、1/4、 1/3、1/2.5、1/2、1/1.5、1/1、1.5/1、2/1、2.5/1、3/1、4/1、5/1，共 13 組。 貳、建構剛性樓版建築物之順風向風力計算式 以往現行風力規範之順風向設計風力對於無須考慮內風壓之剛性樓版建築 物過於繁複冗長，原因在於此一流程無論如何均需計算各牆面之外風壓與內風壓， 本研究簡化建研所前期研究計畫建立之順風向風力模式，建構一個適用於一般高 層建築物之順風向設計風力計算式，並挑出計算式中，需經由複雜之多重積分算 式取得之參數，建立其擬合式，大幅簡化計算程序。 参、修訂橫風向與扭轉向之設計風力計算式。 內政部建築研究所 101、102 年度研究案[15,16]之橫風向與扭轉向之設計風 力計算式中，橫風向及扭轉向的風力係數、風力頻譜、空間相關性修正因子主要 靠風力資料庫與類神經網路取得，但此方法卻受限於電腦軟體、網際網路，鑒於 前述理由，本研究案將修訂橫風向與扭轉向之設計風力計算式，以利「建築物耐 風設計規範暨解說」修訂之參考依據。

4 肆、建構順風向、橫風向、扭轉向風力計算式中，風力係數、風力頻譜與其他各 項參數之擬合式 本研究案主要風力計算之複雜度相較於現行風力規範之計算式，雖未明顯增 加，但其中有許多參數需要根據風洞試驗數據或是經由複雜的數值計算求得， 本研究案建立其擬合式，以提高計算效率。 伍、本研究所得之設計風載重與風洞試驗及現行規範之比較 主要以內政部建築研究所 101、102 年度研究計畫「設計風載重資料庫之應 用研究」[15,16]所建構之設計風力計算軟體，將本研究案所建構之設計風力模式 與國內現行風力規範「建築物耐風設計規範及解說」之計算結果一併列入比較， 以了解三種風載重計算數據之差異。標的物擬選取為高度分別設定為 60 公尺、 90 公尺及 180 公尺之矩形斷面高層建築，斷面高寬比介於 2-6 之間，斷面深寬比 則介於 0.2-5 之間，風場包括國內規範定義之標準地況 A、地況 B 與地況 C。建 築物之結構參數(質量、頻率、阻尼等)則參照耐風設計規範或常用之結構特性。 陸、提出「建築物耐風設計規範及解說」之建議修正條文 本研究案根據研究成果提出剛性樓版建築物順風向設計風力計算之建議修 正條文，以及建築物橫風向與扭轉向設計風力之建議修正條文，作為未來建築物 耐風設計規範修定之參考依據。本研究之研究方法及過程包括下列數項(圖 1-1): 1. 現行規範風力計算式中各項參數與風洞數據之比較。 2. 建構剛性樓版建築物之順風向風力計算式。 3. 修訂橫風向與扭轉向之設計風力計算式。 4. 建構順風向、橫風向、扭轉向風力計算式中，風力係數、風力頻譜與其他各 項參數之擬合式。 5. 本研究所得之設計風載重與風洞試驗及現行規範之比較。 6. 提出「建築物耐風設計規範及解說」之建議修正條文。

5 圖 1- 1 研究流程 資料來源：本研究實驗數據整理 建 構 順 風 向 、 橫 風 向、扭轉向風力計算 式中，風力係數、風 力頻譜與其他各項參 數之擬合式 現行規範風力計算 式中各項參數與風 洞數據之比較 1.建構剛性樓版建築物 之順風向風力計算式 2.修訂橫風向與扭轉向 之設計風力計算式 本研究所得之設計風載重與 風洞試驗及現行規範之比較 提出「建築物耐風設計規範 及解說」之建議修正條文 結束 蒐集國內外相關風力規範 專家系統 開始 建 立 符 合 實 際 建 築 設 計 要 求 之 應 用 案 例 (第一次專家座談) (第二次專家座談)

6

第四節 報告內容簡述及進度說明

本研究根據所列研究內容及方法，針對現階段研究所得結果作以下各章節之 探討。所探討內容依計畫目標逐次說明分析。 第一章 緒論：對整份報告做一整體性概述； 第二章 文獻回顧：擬定之順風向、橫風向及扭轉向設計風力模式； 第三章 現行規範與風洞數據之各項參數比較：介紹實驗配置、現行規範風 力計算與風洞實驗數據之比較； 第四章 高層建築設計風力模式之參數擬合：各參數擬合成果並與現行規範 做比較； 第五章 設計風載重案例分析：概述本研究預計使用之應用案例，挑選較具 代表之樓高較高之高層建築與樓高較低之建物三種。 第六章 建築物耐風設計規範修訂條文建議：運用本研究之結果，擬定建築 物耐風設計規範修訂條文建議。 第七章 結論與建議：將本研究之成果做一整理。

7 下列表 1-1 為本研究案之進度說明。 表 1- 1 進度說明 月次 工作項目 第 1 個 月 第 2 個 月 第 3 個 月 第 4 個 月 第 5 個 月 第 6 個 月 第 7 個 月 第 8 個 月 第 9 個 月 第 10 個 月 第 11 個 月 備 註 資料蒐集 風力計算式中各項參數 與風洞數據之比較 建構剛性樓版建築物之 順風向風力計算式 修訂橫風向與扭轉 向之設計風力計算式 建構風力計算式中 各項參數之擬合式 數據整理與歸納 案例比較 「建築物耐風設計規範 及解說」之建議修正條 文 報告撰寫 專家學者座談會 預定進度（累積數） 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 95% 100 % 資料來源：本研究實驗數據整理

9

第二章 文獻回顧

依據內政部建築研究所 101、102 年度委託研究案[15,16]提出之順風向、橫 風向及扭轉向之風載重模式，其式中所需之風力係數、風力頻譜、空間相關性修 正因子需依賴風力資料庫與類神經網路，相對受限於電腦資源與網路，因此為了 能更加實際運用在工程實務應用上，本研究案重新對高層建築設計風力模式進行 改進，亦做為未來修訂「建築物耐風設計規範暨解說」[12]之參考依據。 本研究與下述試驗模型座標定義如圖 2-1 所示， 圖 2- 1 模型幾何尺寸及座標系統 資料來源：本研究實驗數據整理 迎風面 (windward) 背風面 (leeward) X axis (弦向,chordwise) B L h Y axis

Wind

Z axis (徑向,spanwise)

10

第一節 建構剛性樓版建築物順風向設計風力模式

現行風力規範之順風向設計風力是由各牆面之外風壓與內風壓組合而成，此 一流程對於無須考慮內風壓之一般剛性樓版建築物過於冗長，本研究擬簡化建研 所前期研究計畫建立之順風向風力模式，建構一個適用於一般高層建築物之順風 向設計風力計算式。 下列為內政部建築研究所委託研究案「高層建築耐風設計風力頻譜與風載重 之修訂研究」[14]之順風向設計風載重計算式。 矩形斷面建築物 z 處高度順風向風力，計算如下： z 高度處之平均風力F z ： _D( )                 _{DW DL} α D C C h z B ) h ( q ) z ( F 2 (1) z 高度處之擾動背景項風力F_{D B,} ( )z ：                 _{DW DL} α z D B , D C C h z BI λ ) h ( q ) z ( F 2 (2) z 高度處之擾動共振項風力F_{D R,} ( )z ：





 

2 1 3 2 4 1 2 2                 ξ f S ) f ( χ f π h z ψ BI ) h ( q ) z ( F n * u n R n ψ h / R , D (3)

該研究案使用陣風反應因子法（gust response factor approach）z 高度處之順

風向風力 ( )D z 則可表示為： ) z ( F ) z ( G ) z ( F ) z ( F ) z ( D = D + = D ∧ (4) 其中，F(z) g_D2_,BF_D2_,B(z) g_D2_,RF_D2_,R(z) ∧   ， 4 3. g_D,B ，







n



n R , D f ln . f ln g 3600 2 577 0 3600 2   陣風反應因子即可寫為：

11

 

 

_{ }

z F z F z G D D   1 (5) 上述參數說明如下： q(h)=0.5ρU2h為建築物高度 h 處之風速壓；q(z)=0.5ρU2z為建築物高度 z 處之 風速壓；MDW 為風洞試驗數據建築物迎風面基底彎矩；MDL 為風洞試驗數據建 築物背風面基底彎矩；B 為建築物寬度； 為平均風速剖面指數率參數；CDW、 CDL為分別為根據平均基底彎矩計算所得之迎風面以及背風面風力係數；g_D,B、 R , D g 為分別為背景部分與共振部分順風向振動之尖峰因子；ψ 為結構順風向基本 振態指數，(z/h)ψ；fn為結構順風向基本振態頻率(Hz)；I_2/3h為 2/3h 位置之逼近 流場紊流強度；χR(fn)為對應於結構順風向基本振態頻率之共振部份氣動力阻抗 函數值；λD為順風向相關性折減因子；Su*(fn)為對應於結構順風向基本振態頻率 fn之正規化風速頻譜值，本研究選取 von Karman/Harris 頻譜；G(z)則為 z 高度處 之陣風反應因子。 本研究案為能更精準取得高層建築物的基底彎矩，假設各樓層之平均風力相 同，將前期研究案[16]實驗數據之平均基底彎矩均勻分配於各樓層平均風力，重 新計算 CDW、CDL，計算流程如下： 迎風面風力係數 CDW： DW h DW q(z) B zdz M C 

∫

₀ (6) ) α ( h B ) h ( q C dz z H B ) h ( q C DW h _α α DW 2 2 2 0 1 2 2

∫

    其中， ) α h z )( h ( q ) z ( q  2 故可取得， 2 2 2 h B ) h ( q ) α ( M C_DW  DW 

12 背風面風力係數 CDL： DL h DL q(h) B zdz M C 

∫

₀ 2 (7) 2 2 0

∫

h B ) h ( q C dz z B ) h ( q C DL h DL   故可取得， 2 2 h B ) h ( q M C_DL  DL 在前述計算式中，共振部份氣動力阻抗函數值χR( fn)與相關性折減因子λD， 需經由複雜之多重積分算式，不適合直接應用於風力規範。本研究將建立其擬合 式，大幅簡化計算程序。

第二節 橫風向設計風力模式之修訂

內政部建築研究所委託研究案「高層建築耐風設計風力頻譜與風載重之修訂 研究」[14]之橫風向設計風載重計算式中，需將擾動昇力係數 ' ( ) L C z 作為計算 z 處高度之擾動風力背景部份，但由於此參數必須透過類神經網路獲得，更無法納 入往後修訂規範之內容，因此於本研究案進行更改， ' ( ) L C z 將同上節順風向之迎 風面以及背風面風力係數 CDW、CDL，假設為一定值，重新定義C'L， h B ) h ( q σ C'_L  L ， 其中

σ

_L為 模 型 橫 風 向 基 底 廣 義 擾 動 風 力 均 方 根 值 。在共振部分，則使用對 應於結構橫風向基本振態頻率之橫風向無因次廣義座標昇力頻譜值S~_L

 

f_a ，將前 研究案之橫風向風力頻譜轉為廣義座標，使得各頻譜下面積相同，其式改寫為 2 L L L σ ) f ( fS ) f ( S~  。 該設計風力計算式以矩形斷面為基本假設，故建築物兩側平均設計風載重為

13 零，只討論橫風向擾動風力，橫風向等值靜態風載重同樣的可分為共振部分與背 景部份。 矩形斷面建築物 z 處高度橫風向風力W z_L( )，計算如下： ) z ( F g ) z ( F g ) z ( W_L  _L2_{,B L}2_,B  _L2_{,R L}2_,R (8) z 處高度之擾動風力背景部份FL B_, ( )z 依下式計算： L C ) h ( q ) z ( F_L,B  '_L (9) z 處高度之擾動風力共振部份FL R_, ( )z 依下式計算：





 

05 4 1 1 2 . a L a ψ R , L _ξ f S f π h z h ψ ) z ( F  _ _        (10) 其中，gL,B、gL,R分別為橫風向振動之背景部份與共振部份尖峰因子；q(h)： 建築物高度 H 處之風速壓；C'L：橫風向基底彎矩擾動風力係數；L：建築物深 度；ψ：結構橫風向基本振態指數 (z/h)ψ_{；h：建築物總高度；} a f ：建築物橫風向 振動之自然頻率；



：結構阻尼比；S_L

 

f_a ：對應於結構橫風向基本振態頻率之 橫風向廣義座標昇力頻譜值。

第三節 扭轉向設計風力模式之修訂

同上節，將內政部建築研究所委託研究案「高層建築耐風設計風力頻譜與風 載 重 之 修 訂 研 究 」 [14] 之 橫 風 向 設 計 風 載 重 計 算 式 中 的 CT' 進 行 修 訂 ， h B ) h ( q σ C_T'  T ₂ ，其中

σ

_T 為 模 型扭轉 向 基底 廣義擾 動風力均方 根值。在共振 部分，則使用對應於結構橫風向基本振態頻率之扭轉向無因次廣義座標風力頻譜 值S_T

 

f_t，將前研究案之扭轉向風力頻譜轉為廣義座標，使得各頻譜下面積相同，

14 其式改寫為 ₂ T T T σ ) f ( fS ) f ( S~  。 對於結構斷面在來風方向為對稱之建築物而言，理論上迎風面與背風面以及 兩側面之平均扭力大小相同而方向相反，四面相加之扭矩平均值即為零。而本計 劃推導之扭轉向設計風載重是以矩形斷面為基本假設，因此平均設計風載重為 零。 矩形斷面建築物 z 處高度扭轉向風力W z_T( )，計算如下： ) z ( F g ) z ( F g ) z ( W_T  _T2_{,B T}2_,B  _T2_{,R T}2_,R (11) z 處高度之擾動風力背景部份FT B_, ( )z 依下式計算： BL C ) h ( q ) z ( F_T,B  '_T (12) z 處高度之擾動風力共振部份FT R_, ( )z 依下式計算：





 

05 4 1 1 2 . t T t ψ R , T _ξ f S f π h z h ψ ) z ( F  _ _        (13) 其中，gT,B、gT,R分別為扭轉向振動之背景部份與共振部份尖峰因子；q(h)： 建築物高度 h 處之風速壓； ' ( ) T C z ：高度 z 處未考慮空間相關性之擾動扭力係數； L：建築物深度；B：建築物寬度；ψ：結構扭轉向基本振態指數 (z/h)ψ；h：建 築物總高度； f ：建築物扭轉向振動之自然頻率；_t



：結構阻尼比；S_T

 

f_t ：對 應於結構扭轉向基本振態頻率之扭轉向廣義座標扭力頻譜值。

15

第三章 現行規範與風洞數據之各項參數比較

矩形斷面建築物之風洞試驗數據來源由內政部建築研究所 101、102 年度研 究案「設計風載重資料庫之應用研究(1)」與「設計風載重資料庫之應用研究(2)」 [15,16]所提供，本研究案將其實驗數據與國內規範風力計算式中各項參數比較， 從中探討各參數趨勢特性，以便擬定「建築物耐風設計規範暨解說」之相關修訂 條文。

第一節 風洞數據之實驗配置介紹

壹、實驗逼近流場特性說明 國內規範定義之三種標準地況為地況 A：大城市市中心區，α=0.32，zg=500 公尺；地況 B：大城市市郊、小市鎮，α=0.25，zg =400 公尺；地況 C：平坦開 闊之地面或草原或海岸或湖岸地區， α=0.15，zg =300 公尺。風洞實驗根據上 述國內規範定義之地況，模擬出實驗使用之逼近流場特性。利用錐形擾流板和配 套之粗糙元及龍齒組合，在風洞之試驗段內建立一能與自然狀況相當之模擬大氣 邊界層。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 平均流速及紊流強度。進行風洞實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，實驗選 取模型上游大氣邊界層高度 的量測風速為參考風速。將各高度平均風速 Ui 除 以邊界層高度平均風速 U，可得無因次化平均風速。圖 3-1 顯示在淡江大學一 號邊界層風洞之試驗段內，不同高度順風方向之平均流速及紊流強度隨高度變化 之剖面曲線。實驗室所建立之模擬邊界層厚度在轉盤處約 75~120cm。

16 圖 3- 1 逼近流場平均風速、紊流強度及長度尺度剖面 資料來源：本研究實驗數據整理 貳、風壓模型 內政部建築研究所 101、102 年度研究案「設計風載重資料庫之應用研究(1)」 與「設計風載重資料庫之應用研究(2)」[15,16]之風洞試驗方面，完成在都市地況 (α=0.32)、鄉鎮地況(α=0.25)、平坦闊地況(α=0.15)等三種符合風力規範中地況 特性的流場中，諸多矩形斷面模型之風洞試驗。矩形斷面建築物外形亦涵蓋風力 規範定義之範圍：高寬比 h/B=2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7，共 11 組；斷面深寬比 L/B=1/5、1/4、1/3、1/2.5、1/2、1/1.5、1/1、1.5/1、2/1、2.5/1、 3/1、4/1、5/1，共 13 組。 高寬比 7 之風壓模型風壓孔分布，於模型高度上分為 15~16 層，每層佈點環 繞模型一圈約有 28~30 點；高寬比 3 之風壓模型風壓孔分布，於模型高度上分為 9 層，每層佈點環繞模型一圈亦約有 28~30 點。因此於每一高寬比 7 之風壓模型 表面安裝約 450 個風壓孔，每一高寬比 3 之風壓模型表面安裝約 280 個風壓孔， 以有效掌握順風向、橫風向及扭轉向之整體風力擾動以及空間上不同位置之壓力 相關性。

17 圖 3- 2 風壓模型實驗配置 資料來源：本研究實驗數據整理 參、重複實驗之誤差 本風洞試驗誤差之計算係以同一模型在同一實驗設備下，分別重新架設儀器 兩次，以執行相同之數據採樣工作。執行兩次實驗之時間點相差 1~2 個月以上， 重新裝設之儀器包括皮托管、電子式壓力掃瞄器、快速接頭、數據擷取裝置及大 氣邊界層模擬物件。實驗誤差之計算，係以兩次實驗之風力係數差值與兩次實驗 平均值二者，呈現之比值表示個別實驗誤差，再計算所有個別誤差之平均值做為 整體實驗誤差，定義如下： L/B=1 L/B=1/2 L/B=1/3 L/B=1/4 L/B=1/5 L/B=2/3 L/B=1/2.5

18 1 2 1 2 ( ) ( ) ( ) ( ( ) ( )) / 2 d d d d d C i C i e i C i C i    (14) 1 ( ) n d i d e i e n  



(15) 其中，e i_d( )：第 i 種實驗條件下之平均拖曳力係數個別實驗誤差，下標 d 代表拖曳力； 1 ( ) d C i 、C i ：第 i 種實驗條件下之第一次、第二次試驗之平均拖_d2( ) 曳力係數，上標即為第一次或第二次試驗；n：實驗條件之總數，以本研究而言， 實驗條件之總數 n=507，亦即 3 種地況 × 13 種高寬比 × 13 種深寬比斷面 = 507 種實驗條件。 本研究針對 13 種高寬比、13 種深寬比以及 3 種地況 A、B、C 共 507 個實 驗進行誤差分析之第二次風洞試驗，誤差分析結果如下： 1. 基底平均拖曳力係數C 之整體平均誤差為 0.042、最大個別誤差為 0.12； _d 2. 基底擾動拖曳力係數C 之整體平均誤差為 0.061、最大個別誤差為 0.13； _d' 因本風洞試驗有關高寬比之改變，係以同一深寬比之風壓模型，改變其曝露 於風洞試驗段模擬邊界層中的高度，調整其高寬比。故逐次風洞實驗，相同深寬 比對不同高寬比之模型測試，皆於近似條件下完成。 伍、本研究研究結果與各國文獻比較說明 國際間有不少學者及風工程研究機構進行傳統風洞實驗室試驗， Kareem 等 [3,4]分別對 A、C 兩地況的順風向、橫風向基底彎矩風力係數及基底彎矩風力頻 譜說明並且運用在 e-wind 上進行高層建築設計風載重計算 Tamura 等 [5]對 BLC 地況的順風向、橫風向及扭轉向基底彎矩風力係數及基底彎矩風力頻譜進行說明 探討。Kanda 等 [6]則是對高寬比 4 深寬比 1 在 BLB 及 BLC 兩地況的順風向、 橫風向及扭轉向基底彎矩風力係數及基底彎矩風力頻譜進行實驗。Gu 及 Liang 等 [7、8、9]等人針對高寬比 h/√BL=4~8、深寬比 D/B=0.2~5 在各種地況下的橫 風向及扭轉向基底風力係數及風力頻譜進行公式回歸。Kim 等[10]分別對 A、C

19 兩地況的順風向、橫風向基底彎矩風力係數及基底彎矩風力頻譜說明。本研究將 風洞試驗數據與上述學者之實驗結果進行風力係數及風力頻譜的比較說明。 (1) 風力係數與相關文獻比較 各國學者及風工程研究機構皆對不同高寬比、深寬比及地況進行深入的研究 探討，各種變化繁雜無法一一在此比對說明。因此，在此針對高寬比為 4、深寬 比為 1 在地況 C 進行風力係數比較，如表 3-1。在順風向風力係數(CD) 部分，各 國大致上皆有一致的結果，其值主要差異來自於各實驗室逼近流場特性的不同而 有所不同。在順風向、橫風向及扭轉向擾動風力係數亦有相同結果。 表 3- 1 風力係數與相關文獻比較 Wind Coefficient (α=0.15) _{CD CD' CL' CT'} 本研究研究 1.130 0.180 0.330 0.027 Tamura [5] 1.190 0.270 0.370 0.026 Kanda [3,4] 1.000 0.175 0.280 Kim [10] 1.016 0.103 0.260 0.024 資料來源：本研究實驗數據整理 (2) 風力頻譜與相關文獻比較 針對高寬比為 4、深寬比為 1 在地況 C 進行風力頻譜比較，如圖 3-3。因為 在紊流強度較低的地況 C，因此橫風向頻譜於渦散頻率上有愈明顯窄頻尖峰值。 各國學者及風工程研究機構皆有相同的趨勢產生，然而在低頻處有些微的差異， 其主因來自於各國學者及風工程研究機構實驗室逼近流場紊流強度的不同而有 所差異。

20 圖 3- 3 風力頻譜與相關文獻比較 (本研究： —,Gu： ‒ – –,Kim： — - —) 資料來源：本研究實驗數據整理 f(BL)0.5_/U h fS L (f)/ (qh (BL) 0.5 h 2) 2

21

第二節 各項參數比較結果

現行規範設計風力計算式中參數比較包含風力係數、風力頻譜二部份。在風 力係數部份，我國規範在順風向風力計算方面，主要由建物外牆之外、內風壓組 合而成，無從與本研究案所使用參數迎風面與背風面風力係數比較，此處僅列迎 風面風力及背風面風力二種。在風力頻譜部份，則列出順風向、橫風向及扭轉向 之基底彎矩、基底扭矩頻譜，共三種風力頻譜。 壹、A、B、C 地況之風力係數 為了與規範中的風壓係數作一比較，本節使用之順風向迎風面平均風力係數、 背風面平均風力係數定義如下： h B ) z ( q F C_p,W  DW (16) h B ) h ( q F C_p,L DL (17) 橫風向擾動風力係數及扭轉向擾動風力係數： h B ) h ( q σ C'_L L (18) h B ) h ( q σ C_T'  T ₂ (19) 其中，FDW、FDL：模型順風向 迎風 面 基底平均 風力、背風面基底平 均 風 力；σL、σT ：模型 橫 風 向基 底 擾動 風力均 方根值、扭轉向基底擾動 風 力 均方 根值 ； B、h ：模型特徵尺度，此處分別為模型迎風面寬度 (垂 直 於 順 風 向 ) 及 模 型 高 度 ； q(h)=0.5ρU2 h 為 建 築 物 高 度 h 處 之 風 速 壓 ； q(z)=0.5ρU2 z為建築物高度 z 處之風速壓；Uh、ρ：模型高度之平均風速、空 氣 密 度。

22 (1)順 風 向 本研究所使用之迎風面、背風面風力係數無因次化特徵尺度一律使用與規範 相同，換言之影響係數因素僅剩下流場特性與建物形狀。 針對順風向本身，圖 3-4 可表示，迎風面風力不會隨著不同深寬比而有所變 化，受高寬比變化甚小，只有在 A 地況有稍微明顯之改變，由此可知主要改變 參數數值為不同地況下所形成之流場特性，如圖 3-6 所示。 然而背風面風力並不如迎風面風力僅受地況流場影響，當深寬比小於 1 時， 渦散較完整而尾跡之再接觸現象較不明顯，風力較大。由圖 3-5、3-7 可知，背 風面平均風力係數值隨著深寬比降低而變大，原因在於深寬比越大，再接觸現象 逐漸變得容易發生，使得背風面平均風力係數變小。高寬比在深寬比 0.67~3 左 右較有明顯的變化，此處與兩倍渦散有關，高寬比較高之建築物且低紊流強度條 件下較易發生，例如 C 地況就可明顯看出。 現行規範之迎風面平均外風壓係數一律使用 0.8，不隨地況、深寬比及高寬 比改變，與本研究係數相比，圖 3-4、3-6 顯示除在地況 B 較相符外，在地況 A、 B 分別顯示出過於保守與不保守的情況，在背風面方面，為方便與本研究係數比 較，將規範背風向平均外風壓係數改為正值，現行規範於 L/B=0~1，背風向平均 外風壓係數取 0.5，L/B=2 取 0.3，L/B 大於等於 4 則為 0.2，由圖 3-5、3-7 可知， 規範於 A、B 地況之背風向平均外風壓係數幾乎呈現保守，但在 C 地況於淺矩柱 部分，表現較不保守。

23 (a) 地況 A (都市地形) (b) 地況 B (大都市市郊或小市鎮) (C) 地況 C (開闊地形) 圖 3- 4 不同長寬比對迎風面平均風力係數之比較 資料來源：本研究實驗數據整理 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0.1 1.0 10.0 Cp,W L/B 7 6.5 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 TW-code h/ 0.3 3.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0.1 1.0 10.0 Cp,W L/B 7 6.5 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 TW-Code h/ 0.3 3.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0.1 1.0 10.0 Cp,W L/B 7 6.5 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 TW-Code h/ 0.3 3.0

24 (a) 地況 A (都市地形) (b) 地況 B (大都市市郊或小市鎮) (c) 地況 C (開闊地形) 圖 3- 5 不同長寬比對背風面平均風力係數之比較 資料來源：本研究實驗數據整理 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0.1 1.0 10.0 Cp,L L/B 7 6.5 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 TW-Code 0.3 3.0 h/ 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0.1 1.0 10.0 Cp,L L/B 7 6.5 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 TW-Code 0.3 3.0 h/ 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0.1 1.0 10.0 Cp,L L/B 7 6.5 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 TW-Code h/ 0.3 3.0

25 圖 3- 6 不同地況比對迎風面平均風力係數之比較 資料來源：本研究實驗數據整理 圖 3- 7 不同地況比對背風面平均風力係數之比較 資料來源：本研究實驗數據整理 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0.1 1.0 10.0

C

p ,W

L/B

0.3 3.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0.1 1.0 10.0

C

p ,L

L/B

0.3 3.0

26 (2)橫 風 向 橫風向擾動風力主要為模型兩側受不均勻風力所產生，當逼近流場之紊流強 度越大，會使得渦散強度下降，再接觸現象提早發生，其所受之風力更加不平衡， 整體擾動昇力因此而上升。如圖 3-8、3-9 所示，紊流強度高之 A 地況在深寬比 較大之模型，與我國規範相比非常不保守，反而在開闊地形呈現過於保守，僅在 B 地況有較良好的表現。 現行規範之橫風向擾動基底風力參數並不考量高寬比變化，但根據內政部建 築研究所 101、102 年度研究案「設計風載重資料庫之應用研究(1)」與「設計風 載重資料庫之應用研究(2)」[15,16]之風洞試驗結果，不同的流場、深寬比與高寬 比明顯會影響整體擾動風力，橫風向擾動基底風力基本受渦散強度與再接觸現象 控制，逼近流場之高紊流強度高低會影響渦散的強度，對於深寬比小於 1 之淺 矩柱，柱體本身並未明顯阻擋分離剪力層流之捲曲，再接觸現象不顯著，尾跡之 渦流發展較為完整而整體升力較大，但是深寬比愈小，在相同斷面積下，表示側 風面受風面積愈小，整體風力較小。高寬比較高之建物易形成較為完整渦散，整 體風力將會提高。由此可知，規範明顯太過簡單，有顯著的不保守之虞。

27 圖 3- 8 深寬比對橫風向擾動基底風力係數之影響 資料來源：本研究實驗數據整理 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.1 1.0 10.0 CL ' L/B h/(BL)0.5 7.00 6.50 6.00 5.50 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 TW-Code 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.1 1.0 10.0 CL ' L/B h/(BL)0.5 7.00 6.50 6.00 5.50 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 TW-Code 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.1 1.0 10.0 CL ' L/B h/(BL)0.5 7.00 6.50 6.00 5.50 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 TW-Code (a) 地況 A (都市地形) (b) 地況 B (大都市市郊或小市鎮) (c) 地況 C (開闊地形)

28 圖 3- 9 不同地況對橫風向擾動基底風力係數之影響 ( 地況=○:地況 A,□:地況 B,∆:地況 C,─:TW-Code) 資料來源：本研究實驗數據整理 (3)扭 轉 向 風作用於建築物所引起之扭力，主要由渦散作用、再接觸現象與紊流尾跡所 產生的不對稱風壓提供，通常發生於矩柱的側風面與背風面，因此對於不同深寬 比斷面之模型的扭矩擾動風力係數 有著複雜的影響。除了迎風面風壓的貢獻較 小之外，側風面與背風面的不對稱風壓，對於不同深寬比斷面之模型的扭矩擾動 風力係數 ' T C 有複雜之影響。由圖3-10、圖3-11可知，現行規範對於計算扭轉向擾 動風力係數同橫風向一樣，並未考量地況與高寬比對於該系數之影響，在深寬比 偏大之矩柱高層建物，A地況出現不保守之狀況，C地況則保守過頭。 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 0.1 1.0 10.0 CL ' L/B h/(BL)0.5₌₂ BLA CL' BLB CL' BLC CL' TW-Code 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 0.1 1.0 10.0 CL ' L/B h/(BL)0.5_=2.5 BLA CL' BLB CL' BLC CL' TW-Code 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 0.1 1.0 10.0 CL ' L/B h/(BL)0.5₌₃ BLA CL' BLB CL' BLC CL' TW-Code 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 0.1 1.0 10.0 CL ' L/B h/(BL)0.5₌₄ BLA CL' BLB CL' BLC CL' TW-Code 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 0.1 1.0 10.0 CL ' L/B h/(BL)0.5_=4.5 BLA CL' BLB CL' BLC CL' TW-Code 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 0.1 1.0 10.0 CL ' L/B h/(BL)0.5₌₅ BLA CL' BLB CL' BLC CL' TW-Code 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 0.1 1.0 10.0 CL ' L/B h/(BL)0.5_=5.5 BLA CL' BLB CL' BLC CL' TW-Code 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 0.1 1.0 10.0 CL ' D/B h/(BL)0.5_=3.5 BLA CL' BLB CL' BLC CL' TW-Code 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 0.1 1.0 10.0 CL ' L/B h/(BL)0.5₌₆ BLA CL' BLB CL' BLC CL' TW-Code 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 0.1 1.0 10.0 CL ' L/B h/(BL)0.5_=6.5 BLA CL' BLB CL' BLC CL' TW-Code 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 0.1 1.0 10.0 CL ' L/B h/(BL)0.5₌₇ BLA CL' BLB CL' BLC CL' TW-Code

29 圖 3- 10 深寬比對扭轉向擾動基底風力係數之影響 資料來源：本研究實驗數據整理 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.1 1.0 10.0 CT ' L/B h/(BL)0.5 7.00 6.50 6.00 5.50 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 TW-Code 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.1 1.0 10.0 CT ' L/B h/(BL)0.5 7.00 6.50 6.00 5.50 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 TW-Code 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.1 1.0 10.0 CT ' L/B h/(BL)0.5 7.00 6.50 6.00 5.50 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 TW-Code (a) 地況 A (都市地形) (b) 地況 B (大都市市郊或小市鎮) (c) 地況 C (開闊地形)

30 圖 3- 11 不同地況對扭轉向擾動基底風力係數之影響 (地況=○:地況 A,□:地況 B,∆:地況 C,─:TW-Code) 資料來源：本研究實驗數據整理 貳、A、B、C 地況之風力頻譜 如圖 3-12~3-25，分別在地況 A、B、C 流場作用下，不同高寬比、不同深寬 比之基底風力頻譜。圖中橫軸為無因次化頻率，縱軸為無因次化廣義頻譜，頻譜 圖由上而下依序為橫風向基底彎矩及扭轉向基底扭矩。 頻率及頻譜之無因次定義為： 無因次化頻率： h U BL f s ₍₂₀₎ 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 0.1 1.0 10.0 CT ' L/B h/(BL)0.5₌₂ BLA CT' BLB CT' BLC CT' TW-Code 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 0.1 1.0 10.0 CT ' L/B h/(BL)0.5_=2.5 BLA CT' BLB CT' BLC CT' TW-Code 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 0.1 1.0 10.0 CT ' L/B h/(BL)0.5₌₃ BLA CT' BLB CT' BLC CT' TW-Code 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 0.1 1.0 10.0 CT ' L/B h/(BL)0.5_=3.5 BLA CT' BLB CT' BLC CT' TW-Code 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 0.1 1.0 10.0 CT ' L/B h/(BL)0.5₌₄ BLA CT' BLB CT' BLC CT' TW-Code 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 0.1 1.0 10.0 CT ' L/B h/(BL)0.5_=4.5 BLA CT' BLB CT' BLC CT' TW-Code 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 0.1 1.0 10.0 CT ' L/B h/(BL)0.5₌₅ BLA CT' BLB CT' BLC CT' TW-Code 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 0.1 1.0 10.0 CT ' L/B h/(BL)0.5_=5.5 BLA CT' BLB CT' BLC CT' TW-Code 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 0.1 1.0 10.0 CT ' L/B h/(BL)0.5₌₆ BLA CT' BLB CT' BLC CT' TW-Code 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 0.1 1.0 10.0 CT ' L/B h/(BL)0.5_=6.5 BLA CT' BLB CT' BLC CT' TW-Code 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 0.1 1.0 10.0 CT ' L/B h/(BL)0.5₌₇ BLA CT' BLB CT' BLC CT' TW-Code

31 橫風向基底彎矩無因次化廣義頻譜： 2 L L L

σ

)

f

(

fS

)

f

(

S

~



₍₂₁₎ 扭轉向基底扭矩無因次化廣義頻譜： 2 T T T

σ

)

f

(

fS

)

f

(

S

~



₍₂₂₎ 其中 q(h)=0.5ρU2 h：模型高度處(h)之速度壓(Pa)；UH：模型高度處(h)之平均 風速(m/s)；ρ:空氣密度(

kg m

/

3)；f：頻率(Hz)；σL、σT ：模型 橫風向基底 擾 動 風 力 均 方 根 值 、 扭 轉 向 基 底 擾 動 風 力 均 方 根 值 ； S_L( f )、S_T( f )：橫風 向基底彎矩及扭轉向基底扭矩之風力頻譜；B、 L、 h： 模 型 特 徵 尺 度 ， 此 處 分 別 為 模 型 迎 風 面 寬 度 (垂 直 於 順 風 向 )、 深 度 (垂 直 於 橫 風 向 )及 模 型 高 度 ； (1)橫風向風力頻譜 橫風向擾動風力主要受渦散分離及紊流尾跡之影響，而影響渦散之因素主要 是逼近流之紊流強度及模型之深寬比。紊流強度愈低可使渦散更形完整且強度較 高，而深寬比愈小則降低氣流分離後之再接觸現象，也有同樣之效果。由圖 3-12~3-14 即可發現，同一流場下，深寬比小於等於 1 之模型因為沒有明顯之再 接觸現象，深寬比大於 1 之模型則由於明顯之再接觸現象。另外，對於同一個深 寬比模型而言，流場之紊流強度愈低則橫風向頻譜於渦散頻率上有愈明顯之窄頻 尖峰值。 由圖 3-15、3-17 可知，現行規範並無加入地況、高寬比參數，故在隨著高 寬比變化之實驗風力頻譜數據相比時，不能正確反應數據值，進而造成橫風向設 計風力共振部份的誤差，大部分於高寬比低矮之建築物會呈現過於保守之虞。圖 3-18 為在 B 地況下，高寬比 6 之各深寬比橫風向風力頻譜比較，可看出規範頻 譜隨深寬比做變化，但仍然無法精準表示正確頻譜值，過度保守。

32 (2)扭轉向風力頻譜 扭轉向風力是源自渦散分離及紊流尾跡等現象，所產生之不對稱風壓所造成。 因此其頻譜分布近似於橫風向風力頻譜，但頻寬分布則相對更形分散，僅深寬比 1/2 之模型在渦散頻率上有出現較為明顯窄頻之分布，由圖 3-19~3-21。 現行規範之扭轉向風力頻譜同橫風向風力頻譜，流場地況、高寬比均不進入 考量，由 3-22~3-24 圖所示，依舊無法對於會隨高寬比變化之頻譜，在低矮建築 物會有過於保守之疑慮，圖 3-25 顯示，現行規範之扭轉向風力頻譜與橫風向風 力頻譜有共同之疑慮，其頻譜值過於保守，不夠精確。

33

圖 3- 12 不同高寬比模型之橫風向風力頻譜(地況 A)

(h/√𝐵𝐿= — :2, | :2.5, Х :3, ◊:3.5, △:4, □:4.5, ○:5 , ♦:5.5, ▲:6, ■:6.5, ●:7) 資料來源：本研究實驗數據整理

(a) Terrain A,L/B=1/5 (b) Terrain A,L/B=1/4 (c) Terrain A,L/B=1/3 (d) Terrain A,L/B=1/2.5

(e) Terrain A,L/B=1/2 (f) Terrain A,L/B=2/3 (g) Terrain A,L/B=3/2 (h) Terrain A,L/B=2/1

(i) Terrain A,L/B=2.5/1 (j) Terrain A,L/B=3/1 (k) Terrain A,L/B=4/1 (l) Terrain A,L/B=5/1

(m) Terrain A,L/B=1/1 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01

1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00

fS L (f)/ σL 2 f(BL)0.5/Uh 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01

1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00

fS L (f)/ σL 2 f(BL)0.5/Uh 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01

1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00

fS L (f)/ σL 2 f(BL)0.5/Uh 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01

1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00

fS L (f)/ σL 2 f(BL)0.5/Uh 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01

1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00

fSL (f)/ σL 2 f(BL)0.5/Uh 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01

1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00

fSL (f)/ σL 2 f(BL)0.5/Uh 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01

1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00

fSL (f)/ σL 2 f(BL)0.5/Uh 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01

1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00

fSL (f)/ σL 2 f(BL)0.5/Uh 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01

1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00

fS L (f)/ σL 2 f(BL)0.5_/U h 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01

1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00

fS L (f)/ σL 2 f(BL)0.5_/U h 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01

1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00

fS L (f)/ σL 2 f(BL)0.5_/U h 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01

1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00

fS L (f)/ σL 2 f(BL)0.5_/U h 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01

1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00

fS L (f)/ σL 2 f(BL)0.5_/U h