建物附屬設施及臨時構造物耐風設計準則之探討

建物附屬設施及臨時構造物

耐風設計準則之探討

內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告

（國科會GRB 編號） PG9502-0782

建物附屬設施及臨時構造物

耐風設計準則之探討

受委託者：中華民國風工程學會

研究主持人：陳若華

協同主持人：方富民

研 究 助 理 ：鐘政洋

內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告

中華民國 95 年 12 月

目 次

表 次... III

圖 次...V

摘 要... IX

第一章 緒論...1

第一節 計畫源起...1

第二節 研究目的...1

第三節 研究內容...1

第二章 文獻探討...3

第一節 水塔及煙囪等構造物的設計風力...3

第二節 廣告牌塔及獨立牆的設計風力... 11

第三節 懸伸式屋頂雨庇的設計風力...20

第四節 桁架高塔構造物的設計風力...24

第五節 國內法規管理...30

第三章 水塔構造物氣動力實驗...31

第一節 實驗設置...31

第二節 實驗結果與討論...43

第三節 實驗結果綜合討論...51

第四章 建物附屬設施及臨時構造物耐風設計準則草案.53

第五章 建築附屬設施構造物耐風設計範例...57

第一節 計算程序...57

第二節 設計風載重計算示範例...61

第六章 結論與建議...69

第一節 結論...69

第二節 建議...70

附錄一、期中簡報會議紀錄與回應...73

附錄二、期末審查會議紀錄與回應...85

附錄三、專家座談會議紀錄...103

附錄四、招牌廣告及樹立廣告管理辦法...109

附錄五、台北市政府廣告物管理辦法... 113

附錄六、高雄市建築工程樣品屋管制要點... 119

參考書目...121

表 次

表 2-1 煙囪、水塔等之風力係數，C

f

...6

表 2-2 圓筒形穀倉或水塔屋頂面外部風壓係數

Cp,e

...9

表 2-3 實體標示物之風力係數，C

f

...13

表 2-4 中空式標示物或格子式構架的風力係數，C

f

...14

表 2-5 AS/NZS 1170.2:2002 有關樹立廣告招牌垂直作用

於版面的淨壓力係數(

Cp,n

)— 風向垂直作用於版

面,

θ =0degrees

...16

表 2-6 AS/NZS 1170.2:2002 有關樹立廣告招牌垂直作用

於版面的淨壓力係數(

Cp,n

)—風向與版面法線夾角

45 度,

θ =45degrees

...16

表 2-7 獨立牆體之淨風壓係數 ...19

表 2-8 獨立牆體淨風壓係數之折減因子 ...19

表 2-9 「建築物耐風設計規範及解說(95 年版)」開放式

建築物之單斜式屋頂的風力係數，C

f

...21

表 2-10 單斜式獨立屋頂之淨風壓係數(

Cp,a

)－

0.25≦h/d≦1 ...23

表 2-11 單斜式獨立屋頂之淨風壓係數(

Cp,a

)－

0.05≦h/d<0.25...23

表 2-12

AIJ(2004 版)規範屋頂面設計風力係數 ...24

表 2-13 桁架高塔風力係數 ...25

表 2-14

ANSI/ASCE 7-02 規範桁架高塔風力係數 ...26

表 2-15 方形或等角三角形橫截面且無附屬物桁架高塔的

阻力係數(C

D

)－平側邊桿件 ...27

表 2-16 方形橫截面且無附屬物桁架高塔的阻力係數(C

D

)

－圓桿件...27

表 2-17 等角三角形橫截面且無附屬物桁架高塔的阻力係

數(C

D

)－圓桿件 ...28

表 3-1 實驗用流場條件 ...31

圖 次

圖 2-1 圓筒狀構造物各部尺寸說明 ... 8

圖 2-2 依 AS/NZS 1170.2:2002 規範計算所得圓筒狀構造

物表面各圓周角的平均風壓係數... 9

圖 2-3 AS/NZS 1170.2:2002 有關圓形穀倉設計風壓考慮

的典型型式...10

圖 2-4 日本 AIJ 規範中建議之圓柱體風力係數 ... 11

圖 2-5 建築物屋頂女兒牆外風壓分佈示意圖 ... 12

圖 2-6 單一屋頂女兒牆內外風壓分佈示意圖 ... 12

圖 2-7 AS/NZS 1170.2:2002 有關樹立廣告招牌設計風壓

考慮的典型型式...17

圖 2-8 日本 AIJ 規範(2004 版)對於獨立牆體風力係數的

定義...17

圖 2-9 獨立牆體各部名稱代號 ... 18

圖 2-10 英國 BS6399-2:1997 規範中建議之獨立招牌受風

力形式...20

圖 2-11 單斜式獨立屋頂之符號說明... 22

圖 2-12 桁架高塔構造物的設計風力係數 ... 29

圖 3-1 流場平均風速剖面 ... 32

圖 3-2 流場紊流強度剖面 ... 32

圖 3-3 圓桶模型與力平衡儀裝置圖 ... 33

圖 3-4 模型配置情形，(A)直立模型上視圖，(B)直立模型

側視圖，(C)水平式模型配置上視圖 ...35

圖 3-5 直立式水塔模型 (H = 30 cm) ... 36

圖 3-6 直立式水塔模型 (H = 45 cm) ... 36

圖 3-7 直立式水塔模型 (H = 60 cm) ... 37

圖 3-8 橫置式水塔模型 (H = 30 cm) ... 37

圖 3-9

VALIDYNE DP103-18 壓力轉換器 ... 38

圖 3-10

VALIDYNE CD-18 訊號放大器 ... 39

圖 3-11

DPI-610 壓力校正器 ... 39

圖 3-12 六分力平衡儀 ... 40

圖 3-13 圓桶模型可利用四支螺桿固定於底下力平衡儀上

...40

圖 3-14

IOTECH ADC-488/8SA 類比數位轉換器及資料

擷取系統...41

圖 3-15

H/D=1.5 模型的平均阻力係數及昇力係數 ... 44

圖 3-16 H/D=1.33 模型的平均阻力係數及昇力係數 ...44

圖 3-17 平均阻力係數(C

D

)隨不同底部間隙及模型高寬比

的變化，H

G

表圓筒底緣距離地板面的高度(cm)46

圖 3-18 平均升力係數(C

L

)隨不同底部間隙及模型高寬比

的變化...47

圖 3-19 模型直立時順風向無因次之一般化外力係數...48

圖 3-20 H / D= 1.0 模型橫擺時順風向無因次之一般化外

力係數...48

圖 3-21 模型直立時橫風向無因次之一般化外力係數...50

圖 3-22 H / D= 1.0 模型橫擺時橫風向無因次之一般化外

力係數...50

摘 要

關鍵詞：建築附屬設施、臨時構造物、耐風設計、風洞實驗 一 、 研 究 緣 起 台灣地區在歷次颱風中建築物之附屬構造物及臨時構造物倒塌或毀損， 皆威脅公共安全，有必要加以預防。為減少此類風害損失，應儘速制訂相關 的耐風設計標準，供設計與審查人員參考引用。本計畫透過蒐集國內外相關 構造物之耐風設計方法、標準或規範，利用文獻整理與風洞試驗建立參考之 風壓或風力係數，供設計參考，提出可供國內對建物附屬設施設計風力的參 考依據。 二 、 研 究 方 法 及 過 程 1. 文獻資料蒐集：本研究將就建物附屬設施或臨時結構物等設計風力有關 的文獻、法規進行蒐集與彙整。 2. 國內對於建築附屬設施或臨時構造物耐風設計的需求狀況蒐集：蒐集國 內現行有關建築附屬設施或臨時構造物的管理法規。 3. 風洞實驗：如有國外法規未能詳盡規範的建築物附屬設施，就其必要性 進行風洞實驗，利用氣動力實驗取得的資料嘗試供作設計參考資料。 4. 探討臨時性構造物之耐風設計準則或規範條文草案：就本年度計畫所蒐 集資料，嘗試歸納設計重點，期能提供設計者參考。 5. 建立示範例：為能提供使用者較直接的參考利用，研提較具典型造型的 建築物附屬設施其受風設計載重作為示範例。 三 、 重 要 發 現 1. 本研究經由規範文獻的比較顯示，國內規範與國外規範在獨立招牌、實 牆等方面均作相關規定可供設計者參考，國外規範中對於更多種類不同 構型建物的耐風設計規定，值得國內規範未來之增修參考。 2. 附屬設施如水塔等構造物 , 建築技術規則中有對圓柱體提供風壓力及 形狀係數，國外規範如紐澳規範及美國 ASCE7-02 規範亦就座落於地面 圓桶型穀倉或容器風載重作規定，由本研究的實驗成果顯示： (1) 在本研究的實驗範圍中，直立圓筒模型，提高筒底的間隙，對於模型 所受平均阻力無明顯改變。

(2) 本研究利用平滑流場進行實驗，平均阻力係數上升，且與紐澳規範中 所建議的數值近似。 (3) 本研究利用傾倒彎矩推算相當的模型頂等值靜載重，顯示提高圓筒高 度，將迅速提高等值靜載重，實際設計時其對於基座桿件而言，傾倒 彎矩的增加，包括基座桿件的抗拉拔及挫曲預防等均須加以特別考慮。 (5) 水平放置的圓筒，由於轉風攻角後並不對稱，其一般化外力係數均明 顯提升。 (6) 除對垂直軸完全對稱的結構物，如直立圓筒，風攻角亦為影響風載重 的重要因素，為能使附屬設施有完整的耐風性能，各不同風攻角的影 響亦須加以檢核。 2. 國內規範在各種不同建築附屬設施或獨立結構物等設計風力的資料與美 國ASCE 7-02 規範同步，內容完備。較諸紐澳、英國等國規範則提供更 多種不同建築附屬設施或獨立結構物等設計風力的考慮上，同時其中部 分資料增加風攻角的影響，對於造型多變的建築附屬設施在耐風設計方 面有甚具參考價值。 3. 其他建築物如建築樣品屋、施工期間的臨時支撐等臨時構造物之耐風設 計規定，多附屬在雜項執照申請內容，且採核備制，未來如能制定實質 審查程序，則對維護臨時構造物的耐風性能及公共安全均有助益。 四 、 主 要 建 議 事 項 根據研究發現，本研究針對國內附屬設施及臨時構造物耐風設計，提出 下列具體建議。以下分別從立即可行的建議、及長期性建議加以列舉。 　立即可行之建議： 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部營建署、行政院公共工程委員會 1. 建議應分年度先就國內附屬設施及臨時構造物的種類、形式、破壞 模式加以區分及調查，再針對各類型附屬設施及臨時構造物進行完 整的風洞實驗累積數據後，建立適用之耐風設計準則。 2. 建築物如建築樣品屋、施工期間的臨時支撐等臨時構造物之耐風設 計規定，多附屬在雜項執照申請內容，且採核備制，未來如能制定

　 長期性建議—建立附屬建物及臨時建物結構安全之分級管理制度 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部營建署、行政院公共工程委員會、建築及營建各相關技師 公會 1. 為提供設計者便利的設計依據及自我檢查，未來研究首先就「建築 物附屬設施」及「臨時構造物」的範圍定義作等級區分，釐清應特 別注意的重要因子，建立表格化的自我檢查表，設計者可透過勾選、 填入數據、簡易計算等方式，迅速瞭解目標構造物是否應進行耐風 設計檢核或其他結構安全審查，提供建築物管理層級的管制依據， 建議為未來的研究方向。

ABSTRACT

Keywords: components, tempory buildings, design wind loads, wind tunnel experiments

There are lots of building components and temper buildings damaged by the extreme weather conditions, such as the typhoon, in Taiwan area every year. This will become a problem of public dangerous. A suitable design criteria of wind loadings to these buildings is necessary to the design engineer and officer of buildings management.

In this study lots of design codes and literature papers are compared as the construction base for the local provisions of design wind loads on buildings components and temper buildings. A series of aerodynamicsexperiments were conducted to make up the necessary data. A prelimitary design provision is provided in this project for the design works of building components and temper buildings. This project concludes that:

1. Design code for more different type of building components is necessary, and can be achieved with the reference of the design codes of the other countries. 2. The design of water tank in our codes is conservative with different gap under

the tank, but the consideration of over turning moments and support structure should be treated carefully.

3. The angle of attack of wind acting on the horizontal water tank will be an important factor in the design works. This point of view which came from the results of aerodynamic experiments should be mentioned in the design provsions of wind loadings.

4. The examine system of building components and temper buildings in public departments of government organization should be built with real institution. The public safety of buildings will be benefited with this system.

This project comes to the immediate and long-term strategies. For immediate strategies:

1. Identifying the priority or divisions of the building components and temper buildings. Data collecting and integration with the investigation of building markets and experiment study results. Making different necessary design criteria for each level of the building components and temper buildings.

2. Setting the really institution of examine system on building components and temper buildings in public departments of government organization.

For long-term strategies:

1. Promoting the classify system of temper buildings, creating the self-check list for the designer and maneragement officer. To construct a examine system of structure safety for these buildings.

第一章 緒論

第一節 計畫源起

台灣地區的建築物本體多採用加強磚造、鋼筋混凝土造或鋼骨構造等型 態，強風對結構系統的危害並不明顯。在歷次颱風中，除了農、漁業之外， 最常見的風害多屬建築物之附屬構造物損害，如招牌、水塔、屋頂搭建物、 外牆玻璃等；或公共設施毀損，如交通號誌、標示牌、電線電纜等；或臨時 構造物倒塌，如工地圍籬、施工架、樣品屋、戶外舞台等，皆威脅公共安全， 有必要加以預防。為減少此類非結構性、臨時性構造物直接或間接的，風害 損失，應儘速制訂相關的耐風設計標準，供設計與審查人員參考引用。

第二節 研究目的

本計畫目的為透過蒐集國內外相關構造物之耐風設計方法、標準或規 範，提出可供國內對建物附屬設施設計風力的參考依據。並界定建築雜項工 作物、臨時性構造物等耐風設計之適用範園。利用文獻整理與風洞試驗建立 參考之風壓或風力係數，供設計參考。並探討建築附屬設施、臨時性構造物 之耐風設計準則或規範條文草案。

第三節 研究內容

1. 文獻資料蒐集：本研究將就建物附屬設施或臨時結構物等設計風力有關 的文獻、法規進行蒐集與彙整。 2. 國內對於建築附屬設施或臨時構造物耐風設計的需求狀況蒐集：蒐集國 內現行有關建築附屬設施或臨時構造物的管理法規與主管機關，對象包 括廣告招牌管理辦法、樣品屋管理辦法……等法規，有助於釐清需求條 件。 3. 風洞實驗：本研究除彙整國外相關法規供國內設計者參考，就現況資料

蒐集與產官學先進提示的方向，如有國外法規未能詳盡規範的建築物附 屬設施，將就其必要性進行風洞實驗，利用氣動力實驗取得的資料嘗試 供作設計參考資料。 4. 探討臨時性構造物之耐風設計準則或規範條文草案：就本年度計畫所蒐 集的國內外設計規範、設計圖表、管理辦法等資料，嘗試歸納設計重點， 期能提供設計者參考。 5. 建立示範例：為能提供使用者較直接的參考利用，本研究研提較具典型 造型的建築物附屬設施其受風設計載重作為示範例，並建立說明及使用 指南等類似ASCE 的補充說明文件，以供工程界人士參考。

第二章 文獻探討

國內關於建築物的設計風載重於建築技術規則中已作基本的規範，隨風 工程科技的進步，對於建築物風載重作用的機制有更具體的掌握，國外設計 風載重的規範亦隨之更新，我國規範亦逐步更新中。以現行國內規範「建築 技術規則」而言，主要的適用對象以建築物結構系統的風載重為主要考量， 對於建築物附屬設施的受風行為及設計載重則多未提及，僅對於桁架式塔型 構造物的設計風力利用空腹形狀因數加以修正，對於煙囪、水塔則提供簡單 的形狀因數加以修正，實際工程設計則尚需更細部的風壓資料、擾動性因素 的考慮等資料供作參考。較完備的建築物耐風設計規範為內政部於95 年 9 月 22 日以台內營字第 0950805664 號令所訂定發布的「建築物耐風設計規範及解 說」(96 年 1 月 1 日生效)，對於各種不同類型建築物受風作用及其評估程序 均有完整的規範，有關獨立招牌、女兒牆等設計風載重，亦有提供計算程序。 國外包括美、日、紐澳、英國、加拿大等國建築設計相關規範對於建築 物設計風載重均甚為重視，隨風工程科技研發的進步，將研究成果落實於規 範條文之間。國外建築規範關於建築物設計風力的考慮，除建築主要結構系 統所需的設計風力詳細設計公式與流程，同時針對建築物附屬構件、外牆、 廣告招牌、懸伸式屋頂或雨庇、穀倉等構造物亦有相關的規定。以下各節將 就數種常見的建築物附屬設施在國內外規範中，相關的設計規定加以說明。

第一節 水塔及煙囪等構造物的設計風力

壹、國內規範相關規定 有關煙囪構造物在建築技術規則建築設計施工篇第七章雜項工作物中已 有基本結構形式的定義，第 146 條 (煙囪之構造)煙囪之構造除應符合本規 則建築構造編、建築設備有關避雷設備及本編第五十二條、第五十三條 (煙 囪高度) 之規定外，並應依下列規定辦理： 1. 磚構造及無筋混凝土構造應補強設施，未經補強之煙囪，其高度應依

本編第五十二條第一款之規定(指伸出屋面高度不得超過九十公分)。 2. 石棉管、混凝土管等煙囪，在管之搭接處應以鐵管套連接，並應加設 支撐用框架或以斜拉線固定。 3. 高度超過十公尺之煙囪應為鋼筋混凝土造或鋼鐵造。 4. 鋼筋混凝土造煙囪之鋼筋保護層厚度應為五公分以上。 5. 前項第二款之斜拉線應固定於鋼筋混凝土樁或建築物或工作物或經防 腐處理之木樁。 關於水塔及煙囪等圓筒型構造物其抗風設計依國內「建築物耐風設計規 範及解說(95 年版)」第 2.2 節中對於開放式建築物或地上獨立結構物所應 承受之設計風力 F ，依下式計算： F ₌

(

)

f A

z

q

GCf Af (2.1) 式中 Cf為風力係數，依 2.8 節之規定計算；Af為投影在與風向垂直之平 面上的面積；

(

)

f A

z

q

為面積 Af 形心高度 f A

z

處之風速壓；G 為普通建築之 陣風反應因子，依 2.7 節之規定計算。 式中用到風速壓的計算，依規範定義各種不同用途係數之建築物在不同 地況下，離地面 z 公尺高之風速壓 q(z)依下式計算，其單位為 kgf/m2。 q(z) = 0.06 K(z)

K

_zt[I V10(C)]2 (2.2) 式中，K(z)稱為風速壓地況係數，此值為離地面 z 公尺之風速壓與標準風 速壓(地況 C，離地面 10 公尺處)之比值，依下式計算： K(z) = α 2

774

.

2

_















g

z

z

；z＞5m = α 2

5

774

.

2

_















g

z

；z≦5m (2.3) 各種地況種類之α 值及梯度高度 zg，依規範2.3 節規定，查規範中表 2.2 定之。K 稱為地形係數，代表在獨立山丘或山脊之上半部或懸崖近頂端處之

陣風反應因子乃考慮風速具有隨時間變動的特性，及其對建築物之影 響。此因子將順風向造成的動態風壓轉換成等值風壓處理。 普通建築之陣風反應因子可取 1.77，或依下式計算：

(

)













+

+

=

z V z Q

I

g

Q

I

g

G

7

.

1

1

7

.

1

1

927

.

1

(2.4) 式中 g_Q與 g_V 均可取 3.4；紊流強度

I

_z與背景反應 Q 分別依下式計 算：

(

)

1/6

/

10 z

c

I

_z

=

(2.5) 0.63

0.63

1

1











 +

+

=

z

L

h

B

Q

(2.6) 式中

z

為等效結構高度，其值為結構高度 h 的 60%，但不可小於 zmin， zmin 和式(2.10)中之 c 值列於表 2.2；

L

_z為紊流積分尺度，由下式計算：

(

_/

₁₀

)

ε

z

L

_z

=

_l

(2.7) 式中_l和

ε

之值列於表 2.2。 表 2-1.煙囪、水塔等之風力係數，C 依規範 2.8 節的條文解說指出，係_f 取自 ASCE 7-88 規範，並略作修正，提供設計煙囪、水塔及其他類似結 構物所用之風力係數 Cf。對於具有角邊的結構物，如方形體等，其表面 之粗糙度並不影響風力作用在其上的效應。但對於圓斷面之結構物，如 圓柱體等，因 Cf 值隨表面粗糙度而不同，故將影響到作用在其上風力 的大小，亦即表面越粗糙者，所受風力越大。 由表中顯示對於高寬比在 1 附近的圓筒型水塔等結構物，其風力係數均 在0.5~0.8 附近。

表 2-1 煙囪、水塔等之風力係數，Cf 不同 h/D 值之 Cf 結構物之斷面形狀 表面粗細程度 1 7 25 方形 (風向垂直於某面上) 所有 1.3 1.4 2.0 方形 (風向沿著對角線) 所有 1.0 1.1 1.5 六邊形或八邊形 (D q(z) >1.5) 所有 1.0 1.2 1.4 中度光滑 0.5 0.6 0.7 粗糙( 0.02 ' ≅ D D ) 0.7 0.8 0.9 圓形 (D q(z) >1.5) 極粗糙( 0.08 ' ≅ D D ) 0.8 1.0 1.2 圓形 (D q(z) ≤1.5) 所有 0.7 0.8 1.2 註：(1) 假設風力作用方向與風向平行。 (2) 欲求其他 h/D 值之 Cf，可做線性內插。 (3) D：結構物之直徑或最小水平尺寸，m D'：結構物表面突出構材的深度，m h：結構物高度，m q(z)：風速壓，kgf/m2 (4) 計算設計風力所用之受風面積為，結構物投影在與 風向垂直之平面上的面積。 (資料來源：「建築物耐風設計規範及解說(95 年版)」) 貳、美國 ANSI/ASCE 7-02 相關規定 ANSI/ASCE 7-02 對於建築構件(components)與外牆(cladding)提出建議設 計風壓與風力計算公式，對於如煙囪、圓桶穀倉、屋頂設備等提出風力係數 表以供查用。

f f zGC A q F = (2.8) 其中q_z為高度z 處的風速壓，G 為陣風因子(gust factor)，C 淨設計風力_f 係數，A 為垂直於風向的平面上之建築結構物投影面積。 _f ANSI/ASCE 7-02 規範中對於C 淨設計風力係數查表與國內「建築物耐f 風設計規範及解說(95 年版)」中表 2.12 相同(參見前節)。

同時ASCE 出版「Guide to the use of the wind load provisions」補充說明規 範使用方式，其中並舉單版式招牌設計風載重示範例作為說明，對於工程師 從事設計工作助益甚大。 叄、 紐澳 AS/NZS 1170.2:2002 相關規定 紐澳規範AS/NZS 1170.2:2002[7]對於設計風壓，依規範 2.4.1 節規定，採 用下式進行估算： dyn fig des air V C C p=(0.5ρ )[ _,θ]2 (2.9)

其中ρair為空氣密度，Vdes,θ為目標建物各正交風向角的設計風速，Cfig為

氣動力外形因子(aerodynamic shape factor)，C_dyn為動力反應因子(dynamic response factor)。 氣動力反應因子C_dyn主要用於考慮對於擾動風力作用敏感的結構動力效 果，依6.1 節規定： 1. 第一模態自然頻率大於 1Hz 者，Cdyn =1.0。 2. 第一模態自然頻率小於 1Hz 者： (1) 高層建築或高塔第一模態自然頻率小於 0.2Hz 者不建議由規範 公式計算，介於0.2~1Hz 者，則依規範 6.2 及 6.3 節提供的公式 計算。 (2) 懸臂屋頂第一模態自然頻率小於 0.5Hz 者不建議由規範公式計 算，介於0.5~1Hz 者，依規範附錄 D 中 D5 節提供的公式計算。 氣動力外形因子C 表達各種不同建築物造型的表面風壓修正係數，利用

此係數可計算各部份的表面風壓，對於垂直於表面(normal to the surface)的風 壓以指向表面的方向為正，離開表面的方向為負；對於平行於風向的表面摩 擦阻力(frictional drag)以順風向為正。因此定義Cfig即可適用於各不同結構表

面風壓計算所需，AS/NZS 1170.2:2002 對於不同類型的建築結構物設計風載 重，以附錄方式補充說明：附錄C 中說明有關圓形穀倉表面風壓的變化，附 錄D 中說明有關獨立式單版廣告牌及雨庇的設計風載重，附錄 E 中說明有關 獨立結構構件及格柵式高塔風壓的變化，附錄 F 中說明有關旗幟及圓形結構 風壓的變化。以下就與圓筒型構造物設計風壓的考慮方式加以說明： 圓筒型建築構造物包括如圓形倉儲、水塔、穀倉等構造物，AS/NZS 1170.2:2002 附錄 C 中定義包括表面局部風壓係數及整體阻力係數兩類資料。 在表面局部風壓方面，沿圓週上的風壓係數以下式計算： ) ( ) ( ₁ ,b b b p b p k C C θ = θ (2.10) 其中θ_b為以風向軸線起算的圓週角，k 為修正係數，_b C_p1(θ_b)為外風壓係 數，可用 b b b b b b p

C ₁(θ )=−0.5+0.4cosθ +0.8cos2θ +0.3cos3θ −0.1cos4θ −0.05cos5θ 加以估算，相關圖說如下圖所示：

圖 2-1 圓筒狀構造物各部尺寸說明 (資料來源：AS/NZS 1170.2:2002)

圖 2-2 依 AS/NZS 1170.2:2002 規範計算所得圓筒狀構造物表面各圓周角的 平均風壓係數 (資料來源： AS/NZS 1170.2:2002) 對於整體阻力係數AS/NZS 1170.2:2002 附錄 C 中建議直接採用 0.63，參 考的受風面積為圓筒本身的投影面積(b× 。 c) 圓筒型建築構造物屋頂面的風壓係數在AS/NZS 1170.2:2002 附錄 C 中亦 有詳細的定義，計算所需的氣動力外形因子Cfig依下式計算： l a e p fig C K K C = _, (2.11)

其中Cp,e為外風壓係數(external pressure coefficients)，依下表決定，K 為a

面 積 折 減 因 子(area reduction factor) ， K 為 局 部 風 壓 因 子 (local pressure _l factor)，通常可直接取用 1.0。

表 2-2 圓筒形穀倉或水塔屋頂面外部風壓係數C_p,e Zone A Zone B

-0.8 -0.5 (資料來源： AS/NZS 1170.2:2002)

圖 2-3 AS/NZS 1170.2:2002 有關圓形穀倉設計風壓考慮的典型型式 (資料來源： AS/NZS 1170.2:2002)

肆、日本 AIJ 規範相關規定

日本規範(AIJ Recommendations for loads on buildings，2004 版)中對於建 築附屬構造物的設計風力並未做出明確的規定，但針對於不同幾何形狀的建 築物或構建則有提供參考的設計風力係數，與圓筒形設施較為接近的規範規 定 於 圓 柱 體 建 築 結 構 物 的 設 計 風 力 部 分 ， 圓 柱 體 建 築 結 構 物 如 滿 足 ) / ( 6 2 s m DU_H ≥ ，且H/D≤8，提出風力係數經驗公式，並利用簡易表格加 以評估，如圖2-4 所示。

圖 2-4 日本 AIJ 規範中建議之圓柱體風力係數

(資料來源：日本規範(AIJ Recommendations for loads on buildings，2004 版))

第二節 廣告牌塔及獨立牆的設計風力

壹、國內規範相關規定 建築技術規則建築設計施工篇第七章雜項工作物中有關廣告牌塔構造的 規定，第 147 條 廣告牌塔、裝飾塔、廣播塔或高架水塔等之構造應依下列 規定： 1. 主要部份之構造不得為磚造或無筋混凝土造。 2. 各部份構造應符合本規則建築構造編及建築設備編之有關規定。 3. 設置於建築物外牆之廣告牌不得堵塞本規則規定設置之各種開口及妨 礙消防車輛之通行。 關於廣告招牌等構造物其抗風設計依國內「建築物耐風設計規範及解說 (95 年版)」規範除以建築物結構系統的風載重為考量主體，對於建築物附屬 設施的受風行為及設計載重包括獨立招牌及女兒牆受風作用，亦提出設計風

載重計算公式及表格可查用。在規範3.2 節設計風壓計算式中有關規定，屋頂 女兒牆之局部構材及外部被覆物之設計風壓p，依下式計算：

[

(

_p

)

(

_pi

)

]

p

GC

GC

q

p

=

−

(2.12) 式中 q_p 為屋頂女兒牆頂端之風速壓。(GCp)為外風壓係數，依 3.3 節之規定計算。屋頂女兒牆體內之內風壓係數(GCpi)，應根據屋頂女兒 牆體之開口率，依 2.9 節之規定計算。根據圖 2-5，當女兒牆位於建築 物迎風面時，需在女兒牆之正面施加正值外牆風壓，而在女兒牆之背面 施加負值屋頂外風壓；而當女兒牆位於建築物背風面時，需在女兒牆之 背面施加正值外牆風壓，而在女兒牆之正面施加負值外牆風壓。 圖 2-5 為建築物屋頂女兒牆外風壓之分佈示意圖；圖 2-6 為單一 屋頂女兒牆之內風壓與外風壓分佈示意圖。 正 值 外 牆 風 壓 負 值 屋 頂 外 風 壓 正 值 外 牆 風 壓 負 值 外 牆 風 壓 女 兒 牆 屋頂 風向 正 面 正 面 背 面 背 面 圖 2-5 建築物屋頂女兒牆外風壓分佈示意圖 (資料來源：「建築物耐風設計規範及解說(95 年版)」) 女兒牆 外 風 壓 外 風 壓 圖 2-6 單一屋頂女兒牆內外風壓分佈示意圖

對於實體標示物的設計風力由規範中表2.1 對於普通建築物或柔 性建築物，開放式建築物均直接計算其設計風力 F，計算式如下： F₌

(

)

f A

z

q

GCf Af (2.13) 其中 Cf為風力係數（依規範2.8 節規定），Af為投影在與風向垂直之平面 上的面積，G 為陣風反應因子（依規範 2.7 節規定）， f A

z

為 Af之形心高度。 在規範中表 2.10 取自 ASCE 7-88 規範，提供設計實體標示物所 受風力時所用之風力係數 Cf。 表 2-3 實體標示物之風力係數，Cf 位於地面上 位於地面以上 Ψ Cf M/N Cf ≦3 1.2 ≦6 1.2 5 1.3 10 1.3 8 1.4 16 1.4 10 1.5 20 1.5 20 1.75 40 1.75 30 1.85 60 1.85 ≧40 2.0 ≧80 2.0 註：(1) 所謂實體標示物為，標示物之開口面積小於其總面積 的30%者。

(2) 所謂位於地面上(At Ground Level)為，從地面到標示

物底緣的距離小於標示物之垂直向尺寸的0.25 倍者。 (3) 合力除風向垂直於標示物時作用於幾何中心外，亦應 考慮斜風向而將合力垂直於標示物，且作用於幾何中 心同高而距迎風緣0.3 倍水平尺寸處。 (4) Ψ：高寬比 M：標示物之較大邊尺寸，m N：標示物之較小邊尺寸，m (資料來源：「建築物耐風設計規範及解說(95 年版)」)

有幾點說明如下： 1. 若風向垂直吹向標示物，且假設風壓均勻作用在整個標示物上， 則其總風力垂直作用在幾何中心處。 2. 若風向傾斜吹向標示物，並假設風力垂直作用在面上，則其總風 力垂直作用在幾何中心的高度，距迎風側邊為 0.3 倍之水平尺寸 處。 表 2-4 取自 ASCE 7-88 規範，提供設計中空式標示物、格子式構 架所用之風力係數。 表 2-4 中空式標示物或格子式構架的風力係數，Cf Cf 圓形斷面構材 φ 平邊構材 5 . 1 ) (z ≤ q D D q(z)>1.5 ＜0.1 2.0 1.2 0.8 0.1∼0.29 1.8 1.3 0.9 0.3∼0.7 1.6 1.5 1.1 註：(1) 所謂中空式標示物為，標示物開口面積大於或等 於總面積的30%者。 (2) 假定風力作用方向與風向平行。 (3) φ：實體面積與總面積之比值。 D：圓形斷面構件的直徑，m q(z)：風速壓，kgf/m2 (4) 計算設計風力所用之受風面積 Af為構件投影在 與風向垂直之平面上的面積。 (資料來源：「建築物耐風設計規範及解說(95 年版)」) 圓形斷面構材或圓滑邊之構材、圓形斷面結構物之風力係數，除 與幾何形狀有關外，亦與風速有關，其 Cf與雷諾數 Re有關。Re可表 示為：

v R_e = (2.14) 其中 D 為構材直徑，ν 為運動粘滯係數(kinetic viscosity)。在 15°C， 1 大氣壓下，ν=1.46x10-5m2/s。美國 ASCE 規範與加拿大 NBC 規範均 以D q(z)代表 Re，而英國 BSI 規範則以 DV 表示 Re，以界分在不同 風速所對應的 Cf值。由 NBC 知： ) ( 10 7 . 2 5 z q D R_e = × (2.15) 式中 q(z)為風速壓，以 kg/m2為單位。而 BSI 規範中，以 DV = 6m2/s 做為界分不同風速下所對應的 Cf值。因此其對應的雷諾數 Re為： 5 5 4.1 10 10 46 . 1 6 _{= ×} × = e R (2.16) 如此可決定出本規範所用D q(z)之臨界值為： 5 . 1 10 7 . 2 10 1 . 4 ) ( 5₅ = × × = z q D (2.17) 貳、美國 ANSI/ASCE 7-02 相關規定 美國ANSI/ASCE 7-02 規範中對於開口面積小於 30%的招牌及獨立牆建 議其設計風力以剛性招牌之狀況考慮，設計規範與國內規範相同。對於開口 面積大於 30%的招牌及獨立牆建議其設計風力係數與國內「建築物耐風設計 規範及解說(95 年版)」中表 2.11 相同(參見前節) 叁、紐澳 AS/NZS 1170.2:2002 相關規定 紐澳規範AS/NZS 1170.2:2002 附錄 D 中對於獨立告示板或廣告牌的氣動 力外形因子(Cfig，aerodynamic shape factor)建議直接以下式計算：

K C

其中C_p,n代表垂直作用於版面的淨壓力係數(net pressure coefficients)，包 括風攻角為零度、45 度、90 度等條件下，Cp,n由查表可得(如表 2-5~2-7 所示)。 p K 為 孔 隙 折 減 因 子 ， 對 於 含 部 分 孔 隙 的 版 面 加 以 折 減 ， 建 議 直 接 以 2 ) 1 ( 1− −δ = p K 計算，δ 為實體面積與整版面積比。 表 2-5 AS/NZS 1170.2:2002 有關樹立廣告招牌垂直作用於版面的淨壓力係 數(C_p,n)— 風向垂直作用於版面, θ =0degrees b/c c/h Cp,n e 0.2~5 1.3+0.5(0.3+log₁₀(b/c))(0.8−c/h) 0 >5 0.2~1 以b/c=5 代入前式 0 all <0.2 以 c/h=0.2 代入前式 0 (資料來源：紐澳 AS/NZS 1170.2:2002) 表 2-6 AS/NZS 1170.2:2002 有關樹立廣告招牌垂直作用於版面的淨壓力係 數(C_p,n)—風向與版面法線夾角 45 度, θ =45degrees b/c c/h Cp,n e 0.2~1 1.3+0.5(0.3+log₁₀(b/c))(0.8−c/h) 0.2b 0.2~5 <0.2 以c/h=0.2 代入前式 0.2b (資料來源：紐澳 AS/NZS 1170.2:2002) 在此公式中並未出現K 及a K ，表示在計算時已直接取為 1.0。計算所得l 的風力假設直接作用於版面（不含支座高）的一半高位置處，如圖2-7 所示。

圖 2-7 AS/NZS 1170.2:2002 有關樹立廣告招牌設計風壓考慮的典型型式 (資料來源：紐澳 AS/NZS 1170.2:2002)

肆、日本 AIJ 規範相關規定

依據日本建築學會(Architectural Institute of Japan)2004 年建築設計規範建 議 AIJ Recommendations for Loads on Buildings (2004Edition)，對於獨立牆體 的受風力作出規定，圖說及阻力係數查表如圖 2-8 所示，圖中對於實體率 (solidity)未規定的數值可用內插方式求得。

圖 2-8 日本 AIJ 規範(2004 版)對於獨立牆體風力係數的定義

伍、英國 BS6399-2:1997 規範相關規定

英 國 BS6399-2:1997 規範在 2.8 節針對招牌(signboards)及獨立實牆 (free-standing walls)或含孔隙牆體的淨風壓係數(net pressure coefficients，CP)

有建議值，考慮的獨立牆包括直線型及L 型兩種類型，牆體表面分區如圖 2-9 所示，淨風壓係數則以表格方式查用，如表 2-7 所示，表中考慮牆體有完全 實心及80%實體率(20%孔隙)兩種狀況狀況，介於兩者的情況允許用內插方式 計算。 圖 2-9 獨立牆體各部名稱代號 (資料來源：英國 BS6399-2:1997 規範)

表 2-7 獨立牆體之淨風壓係數

Zones Solidity Walls

A B C D Without return corners 3.4 2.1 1.7 1.2 1

=

ζ

With return corners >= h 2.1 1.8 1.4 1.2 8 . 0 = ζ All 1.2 1.2 1.2 1.2 (資料來源：英國 BS6399-2:1997 規範) 規範對於牆體上A、B、C 等區域的淨風壓係數在牆體長度小於 15 倍牆 高時，可將淨風壓係數再作折減，折減因子(Reduction factor κ)如下表所示， 且折減後的淨風壓係數不得小於1.2。 表 2-8 獨立牆體淨風壓係數之折減因子 L/h Reduction factor κ 3 ≤ 0.6 5 0.7 10 0.9 15 ≥ 1.0 (資料來源：英國 BS6399-2:1997 規範) 關於獨立招牌主要考慮招牌底緣間隙大於招牌牌面高一半以上的獨立招 牌，風壓係數(CP)以 1.8 考慮，底緣間隙小於招牌牌面高一半以上的則直接 採用獨立牆體類型考慮。獨立招牌所受風力作用點高度取用招牌本體高度一 半的位置，作用點水平位置則需同時考慮招牌本體水平中心點左右各四分之 ㄧ寬度的點位，詳如下圖所示。

圖 2-10 英國 BS6399-2:1997 規範中建議之獨立招牌受風力形式 (資料來源：英國 BS6399-2:1997 規範)

第三節 懸伸式屋頂雨庇的設計風力

壹、國內規範相關規定 國內「建築物耐風設計規範及解說(95 年版)」表 2.9 取自 ASCE 7-88 規 範，提供開放式建築物之單斜式屋頂之風力係數 Cf。計算設計風力所用的面 積為屋頂面投影在與風向垂直之平面的面積。

表 2-9 開放式建築物之單斜式屋頂的風力係數，Cf 各種L/B 值之 Cf θ 5 3 2 1 1/2 1/3 1/5 10 0.2 0.25 0.3 0.45 0.55 0.7 0.75 15 0.35 0.45 0.5 0.7 0.85 0.9 0.85 20 0.5 0.6 0.75 0.9 1.0 0.95 0.9 25 0.7 0.8 0.95 1.15 1.1 1.05 0.95 30 0.9 1.0 1.2 1.3 1.2 1.1 1.0 各種 L/B 值所對應的壓力中心位置，X/L θ 2~5 1 1/5~1/2 10~20 0.35 0.30 0.30 25 0.35 0.35 0.40 30 0.35 0.40 0.45 註：(1)風力垂直作用在屋頂面上，向內及向外均要考慮。 (2) B：與風向垂直的屋頂尺寸，m。 L：與風向平行的屋頂尺寸，m。 X：從屋頂之迎風面屋簷到壓力中心的距離，m。 θ：屋頂斜面與水平面所夾的角度。 (資料來源：「建築物耐風設計規範及解說(95 年版)」) 貳、美國 ANSI/ASCE 7-02 相關規定 美國 ANSI/ASCE 7-02 規範中對於開放式建築物之單斜式屋頂之風力係 數Cf與國內「建築物耐風設計規範及解說(95 年版)」中表 2.9 相同(參見前節)， 考慮及計算方式亦大致相同。 叁、紐澳 AS/NZS 1170.2:2002 相關規定 紐澳AS/NZS 1170.2:2002 規範對於設計風壓，依規範 2.4.1 節規定，採用

下式進行估算： dyn fig des air V C C p=(0.5ρ )[ _,θ]2 (2.19)

其中ρair為空氣密度，Vdes,θ為目標建物各正交風向角的設計風速，Cfig為

氣動力外形因子(aerodynamic shape factor)，C_dyn為動力反應因子(dynamic response factor)。

紐澳規範AS/NZS 1170.2:2002 附錄 D 中對於懸伸式屋頂雨庇的氣動力外 形因子(Cfig，aerodynamic shape factor)建議直接以下式計算：

l a n p fig C K K C = _, (2.20)

其中C_p,n代表垂直作用於版面的淨壓力係數(net pressure coefficients)，包 括風攻角為零度、45 度、90 度等條件下，Cp,n由查表可得(如下表所示)。Ka

為面積折減因子(area reduction factor)，K 為局部風壓因子(local pressure _l factor)，通常可直接取用 1.0。

圖 2-11 單斜式獨立屋頂之符號說明 (資料來源：紐澳 AS/NZS 1170.2:2002 規範)

表 2-10 單斜式獨立屋頂之淨風壓係數(C_p,a)－0.25≦h/d≦1 風攻角0 度 風攻角180 度 w p C _, C_p,l C_p,w C_p,l 屋頂傾 斜角度 α 下方無 阻礙物 有阻礙 物 下方無 阻礙物 有阻礙 物 下方無 阻礙物 有阻礙 物 下方無 阻礙物 有阻礙 物 0 -0.3,0.4 -1.0, 0.4 -0.4, 0.0 -0.8, 0.4 -0.3, 0.4 -1.0, 0.4 -0.4, 0.0 -0.8, 0.4 15 -1.0 -1.5 -0.6, 0.0 -1.0, 0.2 0.8 0.8 0.4 -0.2 30 -2.2 -2.7 -1.1,-0.2 -1.3, 0.0 1.6 1.6 0.8 0.0 (資料來源：紐澳 AS/NZS 1170.2:2002 規範) 表 2-11 單斜式獨立屋頂之淨風壓係數(C_p,a)－0.05≦h/d<0.25 條件 h/d 與迎風面前 緣距離(x) 淨風壓係數(Cp,a) x≦1h 如上表中α = 0°時的C_p,w 1h<x≦2h 如上表中α = 0°時的C_p,l 對於α ≤ 5° 或風攻角90 度的所有α 0.05≦h/d<0.25 x >2h 下方無阻礙物：-0.2, 0.2 下方有阻礙物：-0.4, 0.2 (資料來源：紐澳 AS/NZS 1170.2:2002 規範)

肆、日本 AIJ 規範相關規定

依據日本建築學會(Architectural Institute of Japan)2004 年建築設計規範建 議 AIJ Recommendations for Loads on Buildings (2004Edition)，對於矩形地面 投影的獨立屋頂(free roofs)，屋頂面設計風力係數可用下表加以評估。 表 2-12 AIJ(2004 版)規範屋頂面設計風力係數 迎風面屋頂RU 背風面屋頂RL 屋頂傾斜角θ 正值 負值 正值 負值 10 30≤ ≤− − θ 0.7+0.01θ -0.6+0.03θ 0.05-0.025θ -1.2-0.03θ 10 10< < − θ 0.6 -0.9 0.3 -0.9 30 10≤θ ≤ 0.3+0.03θ -1.15+0.025θ 0.3 -0.6-0.03θ (資料來源：日本 AIJ Recommendations for Loads on Buildings (2004Edition))

第四節 桁架高塔構造物的設計風力

壹、國內規範相關規定 國內「建築物耐風設計規範及解說(95 年版)」第 2.8 節表 2.15、表 2.16 取自ASCE 7-88 規範，提供設計方形高塔及三角形高塔所用之風力係數C ，_f 有幾點說明如下： 1. 對於拉固索式的高塔，其懸臂部份應以一般高塔之設計風力的 1.25 倍 做為設計。 2. 選擇適當的C 來決定作用在高塔附屬物，如梯子、電線、燈等之設計f

Cf φ 方形高塔 三角形高塔 ＜0.025 4.0 3.6 0.025∼0.44 4.1-5.2φ 3.7-4.5φ 0.45∼0.69 1.8 1.7 0.70∼1.0 1.3+0.7φ 1.0+φ 註：(1) 本表之Cf適用由角鋼或平邊構材所組成的高塔。 (2) 對於圓斷面構材所組成的高塔，決定設計風力時可依表內之值，乘上以下 所列之係數 C 而得所使用之風力係數。 φ≦0.29， C=0.67 0.3≦φ≦0.79， C=0.67φ+0.47 0.8≦φ≦1.0， C=1.0 (3) 就三角形高塔而言，假設設計風力垂直作用在塔之某面上。 (4) 就方形高塔而言，假設設計風力垂直作用在某塔面上。若風向傾斜作用 在塔面時，將產生最大的水平風力，其為垂直作用在塔面的設計風力乘 上一係數 C， C=1.0+0.75φ，φ＜0.5 並假設其沿著對角線作用。 (5) φ：塔面之實體面積與其總面積的比值。 (6) 受風面積 Af為高塔迎風面實體構材投影在垂直風向平面上之面積。 (資料來源：「建築物耐風設計規範及解說(95 年版)」)

貳、美國 ANSI/ASCE 7-02 相關規定 美國ANSI/ASCE 7-02 規範中對於桁架塔結構物，採用依塔橫截面形狀分 類方式，分別對三角形及正方形兩種形狀，提出設計風力規定。 表 2-14 ANSI/ASCE 7-02 規範桁架高塔風力係數 橫截面形狀 Cf 正方形 4.0_ε2 ₋5.9_{ε +}4.0 三角形 _3.4ε2 _{−4.7ε +3.4} 註：(1) 對於所有的風攻角，Af以投影面積考慮。 (2) 本表主要考慮具有平之側邊的桿件。 (3) 對於圓桿應在乘上修正因子0.51_ε2 ₊0.57 ，且不大於1.0。 (4) 對於方桿應在乘上修正因子1+0.75ε，且不大於1.2。 (5) 塔上如有其他附屬物，應依形狀採取適當的風力係數。 (6) 桿件上如有積冰應一併考慮。 (7) ε：塔上面對風向的的實體率。 (資料來源：ANSI/ASCE 7-02 規範) 叁、紐澳 AS/NZS 1170.2:2002 相關規定 紐澳規範AS/NZS 1170.2:2002 附錄 E 中對於桁架高塔設計風力建議採用 沿垂直方向至少分為十節以上的區段，氣動力外形因子(C_fig)依各節桿件構造 計算。設計風力所考慮的風速，採用8 個風向角，由 45 度方向正逆時針轉， 間隔取用22.5 度。 有關氣動力外形因子(Cfig)的選取有以下規定： 1. 如塔上無附屬物則氣動力外形因子(Cfig)可直接採用阻力係數(CD) 2. 如塔上有附屬物則氣動力外形因子(C_fig)採用總有效阻力係數(total effective drag force，C )，其中如附屬物為對稱，直接採用投影面積_de 總和考慮；如屬非對稱分布，則C =C +

∑

∆C 。

用固定索2/3 高度處的設計風速。 表 2-15 方形或等角三角形橫截面且無附屬物桁架高塔的阻力係數(CD)－平 側邊桿件 方型橫截面 迎風面實體率 (δ) 作用於平面上 作用於角隅 等角三角形 橫截面 ≦0.1 3.5 3.9 3.1 0.2 2.8 3.2 2.7 0.3 2.5 2.9 2.3 0.4 2.1 2.6 2.1 ≧0.5 1.8 2.3 1.9 (資料來源：紐澳 AS/NZS 1170.2:2002 規範) 表 2-16 方形橫截面且無附屬物桁架高塔的阻力係數(CD)－圓桿件 部分塔身於亞臨界流中 s m V b_{i des,θ} <3 2/ 部分塔身於超臨界流中 s m V b_{i des,θ} ≥6 2/ 迎風面實 體率(δ) 作用於平面上 作用於角隅 作用於平面上 作用於角隅 ≦0.05 2.2 2.5 1.4 1.2 0.1 2.0 2.3 _1.4 1.3 0.2 1.8 2.1 _1.4 1.6 0.3 1.6 1.9 _1.4 1.6 0.4 1.5 1.9 _1.4 1.6 ≧0.5 _{1.4 1.9 1.4} 1.6 (資料來源：紐澳 AS/NZS 1170.2:2002 規範)

表 2-17 等角三角形橫截面且無附屬物桁架高塔的阻力係數(CD)－圓桿件 迎風面實體率(δ) 部分塔身於亞臨界流中 s m V bi des 3 / 2 ,θ < (所有風攻角) 部分塔身於超臨界流中 s m V bi des 6 / 2 ,θ ≥ (所有風攻角) ≦0.05 1.8 1.1 0.1 1.7 1.1 0.2 1.6 1.1 0.3 1.5 1.1 0.4 1.5 _1.1 ≧0.5 1.4 1.2 (資料來源：紐澳 AS/NZS 1170.2:2002 規範) 肆、日本 AIJ 規範相關規定

依據日本建築學會(Architectural Institute of Japan)2004 年建築設計規範建 議 AIJ Recommendations for Loads on Buildings (2004Edition)，對於桁架高塔 構造物的設計風力係數可用下圖中表列數據加以評估。

圖 2-12 桁架高塔構造物的設計風力係數

第五節 國內法規管理

對於建築物附屬設施國內法規之管理方式，在「招牌廣告及樹立廣告管 理辦法(93.06.17)」中規定樹立廣告設置於地面高度超過六公尺或設置於屋頂 上高度超過三公尺者均需申請雜項執照，未達上述規模者免申請雜項執照， 但仍需經主管建築機關或其委託之專業團體申請審查許可；本研究同時蒐集 包括台北市、桃園縣、台中市、苗栗縣等地方縣市對於招牌廣告及樹立廣告 管理亦大多訂定類似的管理規則，透過申請雜項執照或經主管建築機關或其 委託之專業團體審查認可。 對於如建築樣品屋等臨時性建物，部份地方縣市政府亦明訂管理規則， 如「高雄市建築工程樣品屋管制要點(92.09.03)」，對於建築樣品屋規定須經依 法登記開業建築師出具安全證明始准建造，同時並規定年限為二年。

第三章 水塔構造物氣動力實驗

由以上文獻資料顯示，獨立招牌或獨立牆體的設計風力在部分規範中已 作定義，國內「建築物耐風設計規範及解說(95 年版)」亦提供資料可供使用。 其他常見的建築物附屬設施如圓桶型水塔等，亦可查表得到設計風力係數。 一般國內住宅屋頂上安裝的白鐵圓桶型水塔，通常體積不是很大，利用三支 或四支鐵架支撐，下方有間隙，此細節對於設計風載重的考慮是偏保守或不 保守，本研究將進一步探討。同時氣動力實驗的過程，亦有助於提升本所風 洞實驗室運用力平衡儀量測模型所受氣動力載重的實驗技術能量。

第一節 實驗設置

壹、流場條件 本實驗使用國立成功大學航太校區內之內政部建築研究所風洞設施，該 風洞為一封閉式的循環風洞，為滿足多種不同實驗目的，具有兩種測試截面 (第一測試區 4 m × 3 m、第二測試區 6 m × 2.6 m)，本研究之模型試驗於第一 測試區中進行，試驗段長36.5 m，最大風速為 30 m/s。 為了解於大氣邊界層中圓筒型構造物的受風力，氣動力實驗首先選擇郊 區地況條件的大氣邊界層流場，流場條件如表3-1 所示： 表 3-1.實驗用流場條件 邊界層厚度 δ (cm) 138.82 層緣風速 Uδ (m/sec) 14.21 冪數率 α 0.22 剪力速度 u* 0.64 粗糙長度 Z0 (cm) 6.01×10-02 地表阻力係數 Cd 2.0×10-03 (資料來源：本研究製作) 流場之平均風速剖面如圖3-1 所示，紊流強度如圖 3-2 所示。

Wind Speed (m/s) He ig ht (c m ) 0 5 10 15 20 0 50 100 150 200 250 圖 3-1 流場平均風速剖面 (資料來源：本研究製作) Turbulence Intensity (%) H ei ght (c m ) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 50 100 150 200 250 圖 3-2 流場紊流強度剖面 (資料來源：本研究製作) 為探討均勻流況下建物附屬設施之受力情況，模型氣動力實驗之第二階 段，採用平滑流場進行實驗，將模型置於風洞試驗段前緣，以達最佳之均勻

貳、模型設計與資料量測 邊界層流場中之實驗，本計畫首先設計短圓柱體模型，模型採用壓克力 材料製成，上下以平板密閉，圓桶直徑15 公分，高度有 20 公分及 30 公分兩 種。為表現原桶底部間隙的條件，設計圓桶模型可利用四支螺桿固定於底下 力平衡儀上，螺桿可任意調整圓桶模型的高低，比較不同間隙比的影響，模 型裝置如圖3-3 所示。 Force balance 螺桿可供調整模型高低 H D wind 風洞地板 圖 3-3 圓桶模型與力平衡儀裝置圖 (資料來源：本研究製作)

量測同時利用熱線(Hot Wire)探針配合恆溫流速儀(Constant Temperature Anemometer; DANTEC 9090N10101) 監控風速，風速量測高度採用圓桶模型 屋頂高度風速為參考風速，實驗進行時高寬比 1.33 模型屋頂高度處風速約 15.5m/sec、高寬比 1.5 模型屋頂高度處風速約 16.7m/sec，配合模型順風向投 影寬度（直徑）計算雷諾數約為180,000。 平滑流場中之實驗，本研究考慮圓筒型水塔分別為直立式及水平式兩種 配置方式，模型皆以壓克力製作，直立式模型直徑均為30 cm，採三組模型高

度分別為30 cm、45 cm 及 60 cm。試驗中風速保持在 21.5 m/s。參考風速採 模型頂部高度處為準，經計算本實驗雷諾數約為460,000。由於模型為圓形斷 面，為避免雷諾數效應的影響，試驗中在各模型上每隔10 度黏貼 PVC 管增 加糙度，強迫固定分離點發生位置。實驗中發現，模型黏貼PVC 管之後，當 風速大於17 m/s，其無因次之平均阻力及平均昇力，隨風速增加，並無明顯 之改變，可滿足模擬實際流場中高雷諾數之情況。 直立之水塔實驗中模型採四種不同距地高度，分別為24 cm, 16 cm, 8 cm 及0 cm (完全貼地)，因此設計一連接水塔模型及力平衡儀之鐵架，模型可藉 由調整螺帽位置上下移動，調整高度及水平。 水平配置型態的圓筒型水塔模型部分採兩種距地高度，分別為4 cm 及 12 cm，同樣藉由改變螺帽位置調整高度及水平。

(A) D U0 4 m (B) H U0 2.6 m D (C) D U0 4 m x y α 圖 3-4 模型配置情形，(A)直立模型上視圖，(B)直立模型側視圖，(C)水平式 模型配置上視圖 (資料來源：本研究製作) Y X

圖 3-5 直立式水塔模型 (H = 30 cm) (資料來源：本研究拍攝)

圖 3-6 直立式水塔模型 (H = 45 cm) (資料來源：本研究拍攝)

圖 3-7 直立式水塔模型 (H = 60 cm) (資料來源：本研究拍攝)

圖 3-8 橫置式水塔模型 (H = 30 cm) (資料來源：本研究拍攝)

本實驗中採用皮托管進行來流平均風速之量測，皮托管架設於試驗段上 由區，距離風洞內天花頂部約30 公分，以避免邊壁效應。由皮托管所量測到 的壓力差值，利用伯努利方程式(Bernoulli equation)，如下式計算出相應之風 速： air

p

2

U

ρ

∆

=

(3.1) 其中，

∆

p

為壓力差，ρ_air為空氣密度。 皮托管量測所得為壓力差，配合壓力轉換器轉換為電壓值以供資料擷 取，壓力轉換器轉換為薄膜式壓力轉換器(VALIDYNE DP103-18)，具有堅固 之金屬外殼，其內部包有一壓電膜片。當受到外部壓力時會導致金屬薄片變 形，致使產生電壓變化，再經由VALIDYNE CD-18 訊號放大器讀出電壓值。 壓力轉換器若與皮托管(pitot tube)連接，經率定後用以量測流場平均速 度。薄膜式壓力轉換器率定應配合壓力轉換器內部的壓電膜片的受壓範圍， 依照其膜片可承受範圍，利用壓力校正器(DPI 610)連接兩條 PVC 管傳輸壓力 給薄膜式轉換器之動壓與靜壓。壓力由小至大，直到可承受之最大壓力，透 過資料擷取系統(取樣頻率為 250Hz，取樣時間為 70 秒)將所測之電壓值轉換 存檔後，其迴歸率定曲線呈線性型態。 圖 3-9 VALIDYNE DP103-18 壓力轉換器 (資料來源：本研究拍攝)

圖 3-10 VALIDYNE CD-18 訊號放大器 (資料來源：本研究拍攝)

圖 3-11 DPI-610 壓力校正器 (資料來源：本研究拍攝)

試 驗 中 模 型 所 受 之 平 均 風 力 使 用 六 分 力 平 衡 儀(High frequency six components force balance, JR3 IFS-90M31A50-I50)量測，量測項目包括水塔模 型之三軸受力(Fx, Fy, Fz)及彎矩(Mx, My, Mz)量測。

風洞實驗段均設置有直徑3.2m 的旋轉基座(turn table)，旋轉台中央位置 有直徑45 公分，深度 60 公分圓柱形空間可安置六分量力平衡儀及其角座，

實驗進行中六分量力平衡儀上方之厚壓克力板鎖定模型，並利用螺絲鎖緊， 實驗進行前均須確認不存在任何間隙或晃動等現象，且在各軸向施力以確認 信號之正確傳送。 圖 3-12 六分力平衡儀 (資料來源：本研究拍攝) 圖 3-13 圓桶模型可利用四支螺桿固定於底下力平衡儀上

實驗所量得之類比訊號係經由IOTECH ADC-488/8SA 擷取後作類比數位 (analog-digital)轉換。本系統共有 8 組輸入端，最高採樣頻率為 100 kHz，具 有16-bit 之解析度，精確度(accuracy)高達 0.02%。數位化的訊號以大於 200 kb/s 的速度經由IEEE-488 界面傳至電腦，進行資料儲存與統計運算。 圖 3-14 IOTECH ADC-488/8SA 類比數位轉換器及資料擷取系統 (資料來源：本研究拍攝) 實驗進行時由力平衡儀輸出六分力之類比資料首先傳送至 IOTECH ADC-488/8SA 類比數位轉換器，經過類比-數位轉換，並透過 IEEE-488 介面 傳輸至個人電腦(PC)儲存，以便分析。 模型架設完成後，由於架設時模型底座與力平衡儀產生內力，因此先取 靜止狀態之受力，代表系統之零值，待達到預定測量風速(約 21.5 m/s)時，再 擷取模型受風載重之下的受力，用此受力減靜止時系統零值即為實測值，資 料擷取頻率為250 Hz，時間為 40 秒。模型直立時為對稱狀態，因此不改變其 風攻角；而當模型橫擺時，量測時模型由0 度順時針轉至 90 度，每次間隔 15 度，以觀察其不同風攻角對其受力改變之影響。

叁、資料分析 研究中量測的項目為模型三軸向之受力及力矩，定義如下所示： Fx：X 方向之平均受力 ( N ) Fy：Y 方向之平均受力 ( N ) Fz：Z 方向之平均受力 ( N ) Mx：X 方向之平均力矩 ( N-m ) My：Y 方向之平均力矩 ( N-m ) Mz：Z 方向之平均力矩 ( N-m ) X 方向之無因次化受力定義為平均阻力係數，Y 方向為平均升力係數： 平均阻力係數

A

U

2

1

F

C

2 x D

ρ

=

(3.2) 平均升力係數

A

U

2

1

F

C

2 y L

ρ

=

(3.3)

ρ

：空氣密度 ( kg/m3 ₎ U：平均風速 ( m/s ) A：受力面積 ( m2 ) 另定義一般化外力為橫風向(x 方向)及順風向(y 方向)之力矩除於模型頂端與 地面間之距離，如下所示：

X 方向之一般化外力 T y mx

_H

M

F

=

( N ) (3.4) Y 方向之一般化外力 T x my

H

M

F

=

( N ) (3.5) HT：模型頂離地面之距離 ( m ) 由無因次化一般化外力計算風力係數為： X 方向之無因次一般化外力

A

U

2

1

F

C

2 mx Fmx

ρ

=

(3.6) Y 方向之無因次一般化外力

A

U

2

1

F

C

2 my Fmy

ρ

=

(3.7) 此外，定義高寬比為 H/D，取圓柱直徑 D 為特徵長度。

第二節 實驗結果與討論

壹、邊界層流場中實驗結果 邊界層流場中實驗結果顯示如圖3-15 及圖 3-16 所示，圖 3-15 為高寬比 1.5 的圓柱模型改變不同的桶底間隙比對平均風力係數的影響，由結果顯示， 在本次實驗的間隙變化隨比值的增加，平均阻力係數（CD）有小幅上昇的趨 勢。在間隙比為零的條件下，代表直接座落於地面的短圓柱體，其CD值約為 0.3，此值略低於前述規範中所述圓柱體的 CD值（約 0.5），顯示由於本次實 驗採用市郊地區的大氣邊界層流場，且柱體高度較低，模型完全浸沒於大氣 邊界層的底層部分，因此紊流強度甚高，平均阻力係數較偏低。平均昇力係 數(CL)由圖 3-15 顯示均在零值附近，因模型為左右對稱形式，因此平均昇力

係數接近零。，且對間隙比變化無明顯變化趨勢 圓筒高/直徑=1.5 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 桶底間隙/直徑 Cd, Cl Cd Cl 圖 3-15 H/D=1.5 模型的平均阻力係數及昇力係數 (資料來源：本研究製作) 圓筒高/直徑=1.33 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 桶底間隙/圓筒直徑 Cd, Cl Cd Cl 圖 3-16 H/D=1.33 模型的平均阻力係數及昇力係數 (資料來源：本研究製作)

的影響，本次實驗的模型更短，由結果顯示，間隙變化隨比值的增加，平均 阻力係數（CD）亦有小幅上昇的趨勢。在間隙比為零的條件下，其CD值較前 一模型略微上昇接近 0.4，此值仍略低於前述規範中所述圓柱體的 CD值（約 0.5~0.8 之間），推測與模型完全浸沒於大氣邊界層的底層、紊流強度甚高有 關。平均昇力係數(CL)由圖 3-16 顯示亦均在零值附近，因模型為左右對稱形 式，因此平均昇力係數接近零，且對間隙比變化無明顯變化趨勢。 由圖3-15 及圖 3-16 顯示在本實驗範圍內隨水塔模型的高度提高，平均阻 力係數有上昇的趨勢，及受高紊流強度影響而使CD值偏低，為進一步完整掌 握變化趨勢及選擇較保守的流場條件，有必要使用平滑流場進行實驗加以比 較。 貳、均勻流場中實驗結果 1.風力係數之影響 由前文的實驗結果顯示，在邊界層流場中實驗量測所得的風力係數受邊 界層底層高紊流強度影響，均有較規範中建議值略微偏低的現象，有必要利 用平滑流場進行進一部探討，實驗進行中為避免長試驗段因邊壁效應產生近 壁邊界層流的影響，將實驗位置移至接近上游端的實驗旋轉台，利用平滑流 場探討風力係數的變化。另一方面為提高雷諾數，使圓柱體實驗結果較不售 雷諾數效應的影響，採用較大直徑的圓柱模型，同時參考謝(2004)對煙囪的氣 動力模型實驗方法，在圓柱體表面沿長軸向浮貼細小的PVC 管，沿圓週每隔 十度貼一條，以提高表面糙度，並促使分離剪力流產生的渦散尾流有穩定的 生成。 2.平均阻力係數(CD)

由平均阻力係數比較圖(圖 3-17)得知，在實驗中，不同高寬比( H/D )、及 不同之離地高度( HG )，對於阻力係數並無顯著影響之趨勢，而其中最大值與 最小值如以完全貼地之狀況為基準，本研究中變化高寬比之影響最大僅有 5%，在本實驗變化的底緣高度範圍內，平均阻力係數並未受筒底間隙增加的 流況而明顯改變，如實際考慮圓筒型構造物的受風力情形，採用相同的風力 係數考慮誤差應不大。 實驗結果的平均阻力係數約在0.73 附近，雖較紐澳規範中所建議的 0.63 略高，但考慮本項實驗主要在平滑流場中進行，自然界中流場應有一定程度 的紊流強度，將對於平均阻力係數有部分減抑的影響。美國ANSI/ASCE 7-02 規範中對於圓筒型穀倉或水塔的平均阻力係數建議值約為0.7，與本實驗量測 結果較為近似。 H_G 0 8 16 24 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 H / D = 1.0 C_D H / D = 1.5 C_D H / D = 2.0 C_D C_D 圖 3-17 平均阻力係數(CD)隨不同底部間隙及模型高寬比的變化，HG表圓筒 底緣距離地板面的高度(cm) (資料來源：本研究製作)

3.平均升力係數(CL) 而平均升力係數部分(如圖 3-18)，由於柱體左右對稱，圓柱兩側交互產生 渦散現象( Vortex shedding )，因此升力部分應接近 0 值，CL值皆接近0 值， 不隨模型高寬比改變而有顯著變化，符合學理上之分析結果。 H_G 0 8 16 24 -0.1 0 0.1 0.2 H / D = 1.0 C_L H / D = 1.5 C_L H / D = 2.0 C_L C_L 圖 3-18 平均升力係數(CL)隨不同底部間隙及模型高寬比的變化 (資料來源：本研究製作) 4.順風向無因次化之一般化外力係數( CFmx ) 圖3-19 表示模型直立情況下，四種不同高度之 X 軸向無因次之一般化外 力，因為模型左右對稱，所造成之升力接近0 值，因此對於順風向之一般化 外力並無太大影響，CFmx也接近0 值。而模型高寬比之改變並不影響 CFmx值 的變化。 模型橫擺之結果由圖3-20 表示，在此狀況下，風攻角對於模型橫風向受

力有顯著改變，因此模型由0°順時針轉至 90°測量其受力變化。結果顯示， 橫風向受力在模型轉角度之後，由於柱體不再正對風場，在不對稱情況下呈 現一上升趨勢，當風攻角達到45°時受力達到最大，也造成最大之 CFmy值。 而過了45°之後又漸漸恢復到 0°的情況，約略為對稱情況。而隨著距地高 度增加，力臂也隨之上升，因此CFmy值略隨HG增加而上升。 H_G 0 8 16 24 -0.1 0 0.1 0.2 H / D = 1.0 C_Fmx H / D = 1.5 C_Fmx H / D = 2.0 C_Fmx CFmx 圖 3-19 模型直立時順風向無因次之一般化外力係數 (資料來源：本研究製作) ANGLE OF ATTACT (α) 0 15 30 45 60 75 90 0 0.3 0.6 0.9 1.2 _H G= 4 cm H_G= 12 cm C_Fmx 圖 3-20 H / D= 1.0 模型橫擺時順風向無因次之一般化外力係數

5.橫風向無因次化之一般化外力係數( CFmy ) 圖3-21 為模型直立時 CFmy值之變化情況，模型在同高寬比時，隨著距地 間距的增加，橫風向之力矩也因力臂增加而上升，而阻力係數再實驗量測中 幾為定值，因此CFmy值也呈現一上升趨勢。而模型高寬比對於CFmy值之影響 在距地間距小於24 cm 時，其皆隨高寬比增加而有上升的趨勢，但在 24 cm 時，卻隨高寬比增加而降低，此一現象也許為實驗進行時，模型架設不當所 造成，但此趨勢與較小高度時明顯不同，須在進一步討論。 圖3-22 為橫擺模型之 CFmy值比較圖，由於風攻角改變時，尾流區區域變 大，造成較大的順風向受力，也因此CFmy值隨著角度增加而上升，而當風攻 角45°時達到最大值。而在 45°∼75°之間，雖然尾流區漸小，但模型漸漸 轉為底部面對風場，相較於原本側面面對風場，其造成之阻力較大，所以在 此下降趨勢較為緩慢。而當風攻角達到90°時，已變成模型底部正對風場， 流體在流經圓柱時，固定在其前端銳緣處發生分流現象( Separation )，使其受 力有回升現象，也造成此處CFmy值有上升之趨勢。同上直立之狀況，力臂正 比於距地高度，也造成CFmy值有隨距地高度上升而增加的趨勢。