非封閉式結構風載重特性研究

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(1)非封閉式結構風載重特性研究. 內政部建築研究所協同研究報告中華民國九十七年十二月.

(2) ISBN-978-986-01-6874-7. 非封閉式結構風載重特性研究. 研究主持人：王榮進協同主持人：陳若華研. 究. 員：陳志誠、汪宏志. . 內政部建築研究所協同研究報告中華民國九十七年十二月.

(3) 目錄. 目. 錄. 目. 錄.................................................................................................... I. 圖. 次................................................................................................. III. 摘要................................................................................................ XIII 第一章緒論..........................................................................................1 第一節研究緣起與背景...............................................................1 第二節研究方法...........................................................................2 第二章文獻探討..................................................................................7 第一節國內外規範相關規定比較...............................................7 第二節文獻回顧.........................................................................22 第三節非封閉式建築物所受風力作用之特性 ........................26 第三章建築物氣動力實驗................................................................31 第一節實驗規劃.........................................................................31 第二節流場規劃.........................................................................38 第四章實驗結果與討論....................................................................41 第一節實驗量測的驗證.............................................................41 第二節山形屋頂建築物模型氣動力實驗 ................................48 第三節拱形屋頂建築物模型氣動力實驗 ................................53 I.

(4) 非封閉式結構風載重特性研究. 第五章非封閉式建築物的內壓特性 ...............................................59 第一節淨風壓分佈的變化.........................................................59 第二節內壓的空間相關性.........................................................63 第三節內外風壓的傳遞函數(admittance function) ...............69 第六章結論與建議............................................................................77 第一節結論.................................................................................77 第二節建議事項.........................................................................79 附錄一、期中審查會議紀錄與審查意見回應 .................................81 附錄二、期末審查會議紀錄與審查意見回應 .................................89 參考書目............................................................................................105. II.

(5) 圖次. 圖. 次. 圖 2-1 Durst曲線...................................................................15 圖 2-2 AS/NZS 1170.2 2002 規範對於具穿透性外殼建築物的內風壓係數建議值....................................................17 圖 2-3 AS/NZS 1170.2 2002 規範對於具主要開口建築物的內風壓係數建議值........................................................17 圖 2-4. TTU WERFL量測實場風壓用建築物 ...................23 圖 2-6 Sharma(2003)驗證之TTU1:50 縮尺模型在open A條件下內壓隨攻角的變化................................................24 圖 2-7 風向垂直於屋脊時，屋面坡度 1:4、深高比 4 之山型廠房建築物模型的表面風壓分佈，(a)平均風壓係數，(b)擾動性風壓係數...............................................26 圖 2-8 風向平行於屋脊時，屋面坡度 1:4、深高比 4 之山型廠房建築物模型的表面風壓分佈，(a)平均風壓係數，(b)擾動性風壓係數...............................................26 圖 2-9 風向垂直於屋脊時，拱高與跨度比 1:8、深高比 4 拱形屋頂廠房建築物模型的表面風壓分佈，(a)平均風. III.

(6) 非封閉式結構風載重特性研究. 壓係數，(b)擾動性風壓係數.......................................27 圖 2-10 風向平行於屋脊時，拱高與跨度比 1:8、深高比 4 拱形屋頂廠房建築物模型的表面風壓分佈，(a)平均風壓係數，(b)擾動性風壓係數.......................................27 圖 2-11 廠房建築物各部名稱說明.......................................28 圖 3-1. 一號模型於風洞中進行實驗量測 .........................32. 圖 3-2. 屋面坡度 1:4 之山形屋頂建築模型(二號模型) ...32. 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)...................................................................................35 圖 3-4 電子式壓力掃描模組 ...............................................36 圖 3-5 壓力訊號處理系統 ...................................................36 圖 3-6 流場特性之垂直分佈，(a)平均風速剖面，(b)紊流強度剖面........................................................................39 圖 4-1 一號模型實驗規劃之不同開口配置及風攻角定義，開口部代號為(a)第一類型，(b)第二類型，(c)第三類型，(d)三組結構構架位置。...............................42 圖 4-2 一號模型實驗第一類型開口(開口率 3%)配置下之內風壓係數(a)平均與擾動性內風壓係數，(b)內風壓. IV.

(7) 圖次. 係數之極端值。............................................................42 圖 4-3 一號模型實驗第二類型開口(開口率 5%)配置下之內風壓係數(a)平均與擾動性內風壓係數，(b)內風壓係數之極端值。............................................................43 圖 4-4 一號模型實驗第三類型開口(開口率 2.5%)配置下之內風壓係數(a)平均與擾動性內風壓係數，(b)內風壓係數之極端值。........................................................44 圖 4-5 模型上單一組結構構架中屋脊位置內外風壓係數示意圖................................................................................44 圖 4-6 一號模型實驗第一類型開口配置下，屋脊線上內外風壓之相關係數............................................................45 圖 4-7. 一號模型實驗第二類型開口配置下，屋脊線上內. 外風壓之相關係數........................................................46 圖 4-8. 一號模型實驗第三類型開口配置下，屋脊線上內. 外風壓之相關係數........................................................46 圖 4-9. 山形屋頂建築模型各構架位置表面平均風壓係數48. 圖 4-10 山形屋頂建築模型各構架位置表面平均風壓係數，(a)風攻角 0 度，(b)風攻角 270 度 ......................49. V.

(8) 非封閉式結構風載重特性研究. 圖 4-11 山形屋頂建築模型於風攻角 0 度、山牆開口率 14%時，各構架位置表面平均風壓係數 ...................49 圖 4-12 山形屋頂建築模型於風攻角 0 度、四面牆開口率 28%時，各構架位置表面平均風壓係數 ...................50 圖 4-13 山形屋頂建築模型於風攻角 0 度、各構架位置表面擾動性風壓係數分布情形，(a)山牆面上單一開口率 7%，(b)兩對面側牆面上開口率 4%..........................50 圖 4-14 山形屋頂建築模型於風攻角 0 度、四面牆開口率 28%時，各構架位置表面擾動性風壓係數分布情形51 圖 4-15 山形屋頂建築模型內壓係數於不同風攻角作用下分布情形，(a)山牆面上單一開口率 7%，(b)兩對面側牆面上開口率 4%，(c)四面牆開口率 28% ...........52 圖 4-16 拱形屋頂建築模型於風攻角 0 度、單一開口且主開口率為 7%時，各構架位置表面平均風壓係數分布53 圖 4-17 拱形屋頂建築模型於風攻角 90 度、屋頂面及山牆開口且主開口率為 7%時，各構架位置表面平均風壓係數分布........................................................................54 圖 4-18 拱形屋頂建築模型於風攻角 0 度、四面牆開口率. VI.

(9) 圖次. 28%時，各構架位置表面平均風壓係數分布情形 ...54 圖 4-19 拱形屋頂建築模型於風攻角 0 度，主開口率 28% 時，各構架位置表面擾動性風壓係數分布，(a)相鄰牆面開口，(b)四面牆開口...............................................55 圖 4-20 拱形屋頂建築模型於不同開口率及開口形式，平均內壓係數隨風攻角變化，(a)山牆單一開口、開口率 7%，(b) 側牆單一開口、開口率 16%，(c) 側牆及屋頂面開口、開口率 16%...............................................56 圖 4-21 拱形屋頂建築模型於側牆單一開口、開口率 16% ，開口部開啟前後內壓之時序列資料 .............57 圖 5-1. 具有主要開口率 7%，兩相鄰牆面開口之山形屋頂. 建築模型第三號構架位置淨風壓係數極端值分佈 ...59 圖 5-2. 具有側牆與屋頂面開口、主要開口率 7%之山形屋. 頂建築模型第三號構架位置淨風壓係數極端值分佈60 圖 5-3. 具有單一屋頂面開口之山形屋頂建築模型第三號. 構架位置淨風壓係數極端值分佈................................60 圖 5-4. 具有單一山牆開口之拱形屋頂建築模型第三號構. 架位置，(a)淨風壓係數極端值，(b)外風壓係數極端. VII.

(10) 非封閉式結構風載重特性研究. 值，(c)平均風壓計算的極端值 ...................................61 圖 5-5 具有主要開口率 7%，兩相鄰牆面開口之拱形屋頂建築模型第三號構架位置淨風壓係數極端值分佈 ...62 圖 5-6 具有主要開口率 7%，側牆與屋頂面開口之山形屋頂建築模型內外風壓相關係數，(a)三組構架屋脊處， (b)構架右側屋角。.......................................................64 圖 5-7 具有主要開口率 7%，山牆單一開口之山形屋頂建築模型內外風壓相關係數，(a)三組構架屋脊處，(b) 構架右側屋角。............................................................65 圖 5-8 具有主要開口率 28%，相鄰牆開口之山形屋頂建築模型內外風壓相關係數，(a)三組構架屋脊處，(b)構架右側屋角。................................................................66 圖 5-9 具有主要開口率 28%，相鄰牆開口之拱形屋頂建築模型內外風壓相關係數，(a)三組構架屋脊處，(b)構架右側屋角。................................................................67 圖 5-10 具有主要開口率 7%，山牆與屋頂面開口之拱形屋頂建築模型內外風壓相關係數，(a)三組構架屋脊處， (b)構架右側屋角。.......................................................68. VIII.

(11) 圖次. 圖 5-11 具有主要開口率 7%，山牆與屋頂面開口之山形屋頂建築模型第三組構架位置屋頂轉角附近內外風壓傳遞函數，(a)風攻角 0 度，(b) 風攻角 90 度。......69 圖 5-12 具有主要開口率 4%，相對側牆面開口之山形屋頂建築模型第三組構架位置屋頂轉角附近內外風壓傳遞函數，(a)風攻角 0 度，(b) 風攻角 90 度。..........70 圖 5-13 具有主要開口率 14%，山牆面開口之山形屋頂建築模型第三組構架位置屋頂轉角附近內外風壓傳遞函數，(a)風攻角 0 度，(b) 風攻角 90 度 ..................71 圖 5-14 山形屋頂建築模型四面牆開口率 28%時，第三組構架位置屋頂轉角附近內外風壓傳遞函數，(a)風攻角 0 度，(b) 風攻角 45 度................................................72 圖 5-15 拱形屋頂建築模型相對兩側牆開口率 4%時，第三組構架位置屋頂轉角附近內外風壓傳遞函數，(a)風攻角 0 度，(b) 風攻角 90 度...........................................73 圖 5-16 拱形屋頂建築模型單一側牆開口率 16%、風攻角 0 度時，第三組構架位置屋頂轉角附近內外風壓傳遞函數 ....................................................................................74. IX.

(12) 非封閉式結構風載重特性研究. 圖 5-17 拱形屋頂建築模型四面牆開口率 28%時，第三組構架位置屋頂轉角附近內外風壓傳遞函數，(a) 風攻角 0 度，(b) 風攻角 11.25 度 ......................................75. X.

(13) 表次. 表. 次. 表 2-1 地況相關參數 ...........................................................10 表 2-2 牆之平均外風壓係數(主要風力抵抗系統用) ........ 11 表 2-3 屋頂之外風壓係數Cp(主要風力抵抗系統用).........12 表 2-4 國內規範定義之內風壓係數 ....................................13 表 2-5 BS6399-2:1997 規範對於封閉式建築物內風壓係數建議值........................................................................20 表 2-6 BS6399-2:1997 規範對於具有主要開口建築物內風壓係數建議值............................................................20 表 3-1. 模型分類與尺寸說明 .............................................31. 表 3-2. 山形屋頂模型開口形式與配置 .............................33. 表 3-3 拱形屋頂模型開口形式與配置 ...............................34 表 3-4 氣動力實驗用建築物模型內部空間之特徵頻率 ...37 表 3-5.實驗用流場條件 ........................................................38. XI.

(14) 非封閉式結構風載重特性研究. XII.

(15) 摘要. 摘要關鍵詞：非封閉式建築物、內壓係數、風載重一、研究緣起台灣地區廠房類的構造物在颱風季節常發生鄰棟建築物墜落物風擊、開口部耐風強度不足或表面披覆物扣件強度不足，造成開口破損事件，使原本封閉式建築物瞬間成為部分封閉式建築物，由於此類建築物內部空間多屬於完整連通的，內壓變化影響可迅速及於整棟建築物內部，與一般大樓發生開口破壞雖導致外部氣流進入，但因內部隔間繁複使得內壓變化僅及於局部空間，兩者對於結構系統所受風載重的變化有所不同。廠棚式建築物發生破孔，外部紊流作用引入內部空間，使原本建物的內壓發生改變，事件大多發生於颱風等強風作用期間，有可能引起後續更多的外殼破壞，甚至對建築物產生結構性的危害。因此探討此類建築物開口破壞引發的風載重變化，需同時考慮外部風壓及內部壓力擾動聯合作用下的風載重特性，並能推估其等值風載重的變化，對於廠房類建築物受極端氣候作用下的結構安全確保將有所助益。二、研究方法及過程本計畫將建立非封閉式工業廠房建築物的風載重評估所需資料及耐風設計策略探討，有必要進行系列的紊流場中氣動力模型實驗，並針對實驗資料進行評估建構模式，規劃研究內容如下： 1. 文獻資料蒐集：本研究將就非封閉式工業廠房建物設計風力有關的文獻、數據進行蒐集與彙整，工作內容包括國外規範相關部份的比較與整理、蒐集風工程相關期刊中有關此議題的最新研究成果發表、國內外文獻中有關部分封閉式建築物風載重研究的實驗成果資料加以蒐集，比對實驗條件加以分類整理。 2. 國內部分封閉式建築物耐風設計的需求狀況蒐集：了解國內建築市場與公共安全需求的前提下，部分封閉式建築物耐風設計的需求，以供參考。 3. 氣動力實驗規劃： (1) 流場規劃：本研究將利用本所台南風洞實驗室現有大氣邊界層流. XIII.

(16) 非封閉式結構風載重特性研究. 場，選取合適的紊流條件，進行所需之建築物氣動力模型實驗研究。 (2) 模型設計：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。實驗第一階段並製作 TTU WERFL(Texas Tech University Wind Engineering Research Field Laboratory)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、側風面及背風面不同開口位置，量測內壓變化，並與文獻資料相驗證。 (3) 模型氣動力實驗量測：氣動力模型將利用壓克力版製作，並在與屋脊垂直軸上分上中下游位置均布風壓孔，代表三個不同建築物區段的構架風載重。風壓孔以細 PVC 管線製作之壓力傳感管線系統(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。 4. 資料分析：由於目標建築物大多位於邊界層底部，側面馬蹄型渦漩與頂部拱門型渦漩兩種流況幾乎重疊，三維流場作用明顯的影響下，其頂面與側面擾動性風壓分布情形與有開口時內部風壓擾動的關係應加以深入探討。分析內容包括： (1) 由實驗量測所得之表面風壓資料首先將計算其表面風壓均值、擾動值、尖峰因子(peak factor)、擾動風壓頻譜(spectrum)、空間相關性(spatial correlation)及頻率特性等，以完整掌握表面風壓分佈情形。 (2) 利用內外風壓在時間域上瞬時相減，計算外殼所受淨風壓，並特別重 XIV.

(17) 摘要. 視屋頂面上淨風壓的統計特性，以了解開口部存在對於屋頂面披覆物受風作用的變化。 5. 內風壓頻譜轉換函數：本研究藉由不同區塊外風壓擾動與內風壓相關性分析結果，進一步建立內外風壓的轉換函數。 6. 耐風設計策略研擬：由本研究在檢討不同部位的外風壓擾動與內風壓相關性分析，可瞭解不同外殼部位開口部破壞引發的內壓變化效應，對外殼結構而言影響最大的區位，配合等值靜載重的分析，將能有效的指出須特別加以防範的的程度，有助於研擬提升建築物耐風性能的設計手法。. 三、重要發現本研究藉由國內外規範比較、氣動力模型實驗與分析探討部分封閉的低層廠房式建築物受風作用特性，結論如下所述： 1.. 本研究比較國內外有關非封閉式建築物耐風設計的相關規範，顯示各規範均對於建築物封閉條件加以區分為封閉式、部分封閉式及開放式等類別，分類方式類似，而紐澳規範內則增加對於具有通透性牆面的區分。國內規範在建築類型分類方面，基本上與美國 ANSI/ASCE 7-05 規定是相同的。針對眾多的開口型態，合適的內風壓建議值為必要的，紐澳規範對於開口分布情形及通透性外牆的配置，所產生的內風壓變化有較詳細的建議，對於實際設計工作上有甚大的助益。英國規範在此部份，亦有較詳細的規定可供參考。. 2.. 由於內風壓會受到外部流場影響主要發生在如工業廠房等具良好內部聯通性空間的建築物，有關建築物內風壓的考慮在各國規範中均有定義，而其考慮方式以均勻分布、靜壓係數型態加以考慮，ASCE 7-05 規範則在補充說明中對於開口部引起的內外壓高度相關的狀況應加以注意，本研究氣動力實驗結果顯示我國規範應加以重視。. 3.. 本研究氣動力實驗的成果顯示，部分封閉式建築物的內壓與開口部附近風力作用形式關係密切，同時外部紊流透過開口進入建築物內部，內風壓直接反映該牆面的風壓，亦因此隨風攻角的改變，內風. XV.

(18) 非封閉式結構風載重特性研究. 壓有正負壓的變化。由單一開口建築物的實驗結果數據顯示，與規範建議值相比，平均內風壓變化範圍並未超過規範的建議值。同時由內外風壓的相關性係數加以檢視，顯示在部分風攻角作用下內外風壓有高度的相關性。 4.. 部分封閉式建築物由於引進外部氣流進入內部空間，形成內壓的變動，考慮結構局部桿件受風載重或表面披覆物受風作用時，本研究採用結合內外風壓的淨風壓加以檢討，由極值的比較顯示，單純以平均風壓配合內壓計算並不夠保守。. 5.. 由本研究結果顯示，具有開口的部分封閉式建築物內外壓的相關性較佳的情形多現在開口部直接面對來流，則形成在開口部附近區域的內外壓相關性佳，如前述內部空間的內壓彼此間有極佳的相關性，因此外風壓主導進入內部空間氣流的空間相關性，成為重要的關鍵。由淨風壓極值的表現觀點，則顯示如在上游區建築物出現開口破壞，轉成非封閉式建築物之後，在開口附近的表面披覆物將承受較高的風壓作用，正壓力或負吸力均有可能，從而引發後續的破壞。. 6.. 本研究顯示低層廠房式建築物在多個開口的情形下，上游開口主導了內壓擾動的情形，不同風攻角作用下平均內壓亦隨之有正負的起伏變化。. 7.. 在本研究的開口率範圍內，隨開口數量的增加，內壓平均值正負值隨不同風攻角作用起伏的幅度有減小的趨勢。由頻譜的表現顯示，開口數量的增加亦促使內壓擾動能量下降。因此主導表面披覆物破壞為外壓的極端風壓作用，如配合開口增加引發的內外壓高度相關性，對於如上游角隅屋面等區域甚為不利。. 8.. 國內建築物耐風設計規範(民國 95 年版)針對內壓係數採用公式計算，有必要於解說中增列關於開口部破壞對於內外壓相關性提升，以及後續引發破壞的進一步考慮。. 四、主要建議事項. XVI.

(19) 摘要. 根據研究發現，本研究針對非封閉式廠房建築物風載重評估，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。 1.. 立即可行之建議：. 國內廠房建築物外殼破壞發生機制及影響性的調查主辦機關：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低層建築物受內外壓擾動造成破壞，易發生在表面披覆物的受負壓吸力作用而撕開，因此較具有此風險的區位，如屋頂上游角隅附近，可針對台灣地區在颱風等強風作用下所需強化的抗風設計，調查一般廠房建築物設計上的作法及實際產生的破壞程度，並檢討設計方式，作出具標準化的設計建議。 2.. 長期性建議：. 提升大跨度廠房構架耐風性能的結構系統改進主辦機關：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大跨度廠房構架在風向與構架平面平行（本研究中為垂直於屋脊方向）時，由於較不易安排更多的結構桿件，此型構造更有效率的抗風結構系統應就現行常見的廠房結構設計進行進一步的討論，以提高結構系統的性能與經濟效益。. XVII.

(20) 非封閉式結構風載重特性研究. ABSTRACT Keywords: Partial enclosed buildings, Internal pressure, Wind loadings The openings of industrial buildings may be damaged by strong wind or wind debris during the typhoon in Taiwan.. With these openings the buildings would. become the partial enclosed buildings, and the internal pressure will act an important role in the wind loadings.. This project will discuss action and. characteristics of the wind loadings that combined the surface wind pressures with the internal pressure.. A series of aerodynamic experiments with different. opening conditions on variant building models were conducted to measure the surface and internal pressures simultaneously.. To explore the extreme wind. loading for these partial enclosed buildings a ‘net wind pressure’ concept are adopted in this study. The result of this project gave some contributions to the understanding of wind loadings on the partial enclosed buildings, especially for the design work of low-rise industrial buildings.. This project concludes that:. 1. The comparison study of variant building codes which included the ASCE 7-05, AS/NZS 1170.2 2002, AIJ 2004 and BS6399-2:1997 shown that the design wind loadings for partial enclosed buildings were all provided. Specially, the AS/NZS 1170.2 2002 defined the variation of internal pressures for the porous openings. It is a very useful tool in the design work of buildings. 2. The ASCE 7-05 has pointed out the high correlation between surface pressure and internal pressure should not be disregard.. The aerodynamic. experiments results also shown that the correlation between surface pressure and internal pressure will cause the high peaks of wind loadings time-history. 3. The aerodynamic experiments results shown that the relative direction between the opening and on-coming flow is a very important factor to determine the positive of negative of internal pressure. . 4. The concept of net wind pressures is introduced in this study.. The extreme. wind pressure by net wind loadings has been proved may bring about the serious wind loadings on the partial enclosed buildings. 5. The correlation between the internal pressure of opening nearby and surface. XVIII.

(21) 摘要 pressures is always high.. So the cladding near this opening may be suffered. with this loadings. 6. The variation range of internal pressure will be reduced by the more openings are appeared.. So the extreme pressures acting on the structural system of. buildings will also be buffered.. This project comes to the immediate and long-term strategies. For immediate strategies: 1. The wind acting mechanism of wind loadings on low-rise buildings should be explored more careful in the future study. For long-term strategies: 1. The large span frame in the industrial building will be the most sensitive member under the strong wind actions. A better structure system should be studied or designed.. XIX.

(22) 非封閉式結構風載重特性研究. XX.

(23) 第一章緒論. 第一章緒論. 第一節研究緣起與背景台灣地區廠房類的構造物在颱風季節常發生鄰棟建築物墜落物風擊、開口部耐風強度不足或表面披覆物扣件強度不足，造成開口破損事件，使原本封閉式建築物瞬間成為部分封閉式建築物，由於此類建築物內部空間多屬於完整連通的，內壓變化影響可迅速及於整棟建築物內部，與一般大樓發生開口破壞雖導致外部氣流進入，但因內部隔間繁複使得內壓變化僅及於局部空間，兩者對於結構系統所受風載重的變化有所不同。廠棚式建築物發生破孔，外部紊流作用引入內部空間，使原本建物的內壓發生改變，事件大多發生於颱風等強風作用期間，有可能引起後續更多的外殼破壞，甚至對建築物產生結構性的危害。因此探討此類建築物開口破壞引發的風載重變化，需同時考慮外部風壓及內部壓力擾動聯合作用下的風載重特性，並能推估其等值風載重的變化，對於廠房類建築物受極端氣候作用下的結構安全確保將有所助益。本計畫對於非封閉式建築物設計風力的考量，透過文獻資料整理與風洞中氣動力模型試驗，探討其受風行為與內風壓變化的特徵。研究內容包括建築物模型的內外風壓量測與特性分析，比較不同區位內外風壓的相關性，並由不同開口條件檢討內外風壓頻譜的轉換函數，透過外部風載重的特徵模態分析與相關性積分法，推估有效的等值在重，建立非封閉式建築物在設計風力較為完整的參考資料。對於國內工程界在此部份設計工作的釐清與未來建立設計準則，均有所助益。藉由非封閉式廠棚建築物受風載重的研究，有助於了解工業廠房建物受風作用易生危害度與敏感的分析，防止工業廠房建築物可能受到風災的預防對策。. 1.

(24) 非封閉式結構風載重特性研究. 第二節研究方法本計畫將建立非封閉式工業廠房建築物的風載重評估所需資料及耐風設計策略探討，有必要進行系列的紊流場中氣動力模型實驗，並針對實驗資料進行評估建構模式，規劃研究內容如下： (1.) 文獻資料蒐集：本研究將就非封閉式工業廠房建物設計風力有關的文獻、數據進行蒐集與彙整，工作內容包括： (1) 國外規範相關部份的比較與整理，針對議題檢視包括美、日、紐澳、英國、加拿大等國建築設計相關規範，就有關部分封閉式建築物耐風設計建議加以整理比較，界定研究對象。 (2) 蒐集風工程相關期刊中有關此議題的最新研究成果發表，以供國內設計準則建立的參考。 (3) 實驗成果資料蒐集：本研究將就國內外文獻中有關部分封閉式建築物風載重研究的實驗成果資料加以蒐集，比對實驗條件加以分類整理。 (2.) 國內部分封閉式建築物耐風設計的需求狀況蒐集：了解國內建築市場與公共安全需求的前提下，部分封閉式建築物耐風設計的需求，以供參考。 (3.) 氣動力實驗規劃： (4) 流場規劃：本研究將利用本所台南風洞實驗室現有大氣邊界層流場，選取合適的紊流條件，進行所需之建築物氣動力模型實驗研究。 (5) 模型設計：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。實驗第一階段並製作 TTU WERFL(Texas Tech University Wind Engineering Research Field Laboratory)實場量測建築物的縮尺模型，側牆上開設矩形孔口，並安. 2.

(25) 第一章緒論. 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、側風面及背風面不同開口位置，量測內壓變化，並與文獻資料相驗證。 (6) 模型氣動力實驗量測：氣動力模型將利用壓克力版製作，並在與屋脊垂直軸上分上中下游位置均布風壓孔，代表三個不同建築物區段的構架風載重。風壓孔以細 PVC 管線製作之壓力傳感管線系統(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。 (4.) 資料分析：由於目標建築物大多位於邊界層底部，側面馬蹄型渦漩與頂部拱門型渦漩兩種流況幾乎重疊，三維流場作用明顯的影響下，其頂面與側面擾動性風壓分布情形與有開口時內部風壓擾動的關係應加以深入探討。分析內容包括： (7) 由實驗量測所得之表面風壓資料首先將計算其表面風壓均值、擾動值、尖峰因子(peak factor)、擾動風壓頻譜(spectrum)、空間相關性(spatial correlation)及頻率特性等，以完整掌握表面風壓分佈情形。因模型內壓亦同步量測，因此除內風壓係數的均值、擾動值、尖峰因子及擾動風壓頻譜等統計特性計算外，並計算外部風壓與內部風壓的相關性，由不同部位的外部風壓與內風壓相關性分析，了解內部風壓擾動與建築物周邊流場及開口的影響。研究中量測各壓力孔之風壓訊號，用以計算風壓係數，氣動力係數定義如下所示：. 3.

(26) 非封閉式結構風載重特性研究. 平均風壓係數 C P =. 1 2. P ρU 2. 擾動性風壓係數 C P′ = 平均彎矩係數 CM = 相關性係數 rij (τ ) =. 1 2. (1.1). P′ 2 2 1 2 ρU. (1.2). M ρU 2 B 2. (1.3). [ pi (t ) − pi ][ p j (t + τ ) − p j ]. σpσp i. (1.4). j. 其中 ρ 為空氣密度(kg/m3) ，U為參考風速(m/sec) ， P 為平均風壓 (kg/m2)， P ' 為擾動性風壓(kg/m2)，σ pi 為第i孔位擾動性風壓的均方根值，. σ p 為第j孔位擾動性風壓的均方根值，B為寬度(m)， M 為由風荷載計算的 j. 結構彎矩(kg-m)。有關局部尖峰風壓分布的研究，Cook & Mayne (1979)指出在研究建築物表面尖峰風壓方面，利用第一型極值分布 (Type I extreme value distribution)研究尖峰風壓是十分合適的。並建議將相當實場 15 分鐘之模型表面壓力極值，至少取 16 段，利用樣本之mode (U0)與dispersion (1/a0)，代入下式以求得尖峰風壓係數： 1 (1.5) ) a0 (8) 利用內外風壓在時間域上瞬時相減，計算外殼所受淨風壓，並特別重 C P * = U 0 + 1.4(. 視屋頂面上淨風壓的統計特性，以了解開口部存在對於屋頂面披覆物受風作用的變化。 (5.) 內風壓頻譜轉換函數：就實務需求而言，探討非封閉式建築物的特性及對外殼所受淨風壓的影響，內風壓擾動特徵非常重要，而其頻譜雖可藉由實驗量測而得，但建立與外風壓頻譜的轉換函數及經驗模式則更具意義。因此本研究藉由不同區塊外風壓擾動與內風壓相關性分析結果，進. 4.

(27) 第一章緒論. 一步建立內外風壓的轉換函數 (internal-external pressure admittance function)： 2. S pi ( f ) = χ i / e S pe ( f ). (1.6) 2. 其中 S pi ( f ) 及 S pe ( f ) 分別代表內外擾動性風壓頻譜， χ i / e 即為內外風壓的轉換函數。 (6.) 耐風設計策略研擬：由本研究在檢討不同部位的外風壓擾動與內風壓相關性分析，可瞭解不同外殼部位開口部破壞引發的內壓變化效應，對外殼結構而言影響最大的區位，配合等值靜載重的分析，將能有效的指出須特別加以防範的的程度，有助於研擬提升建築物耐風性能的設計手法。. 5.

(28) 非封閉式結構風載重特性研究. 6.

(29) 第二章文獻探討. 第二章文獻探討. 第一節國內外規範相關規定比較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，我國規範設計風載重的規範亦隨之更新。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亦甚為重視，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，以下簡述國內外有關低層建築物設計風力的相關規範。壹、國內「建築物耐風設計規範(95 年版)」規範依國內「建築物耐風設計規範(95 年版)」區分，風載重的考慮分為整體抗風結構系統與局部風壓及構件兩大類，所謂主要風力抵抗系統是指提供作為次要構件及外部被覆物支撐之主要結構組合體，如剛構架及斜撐構架、空間桁架及剪力牆等。而局部構件及外部被覆物是指直接承受風力的外部被覆物或構件及接受其附近外部被覆物產生之風力，並將其傳送到主要風力抵抗系統之構材者，如帷幕牆上的玻璃窗及框架，屋頂被覆物、平行桁條及屋頂桁架等。建築物受風作用下的開口存在或分佈形式會改變風載重分佈，因此規範中定義有封閉式建築物及非封閉式建築物等分類，建築物的封閉與否主要為是否有開口或可穿透性牆面的存在。規範中對於「開口」的定義為在設計風速下，建築物表面會造成內外空氣流通之開孔(包括可能破損之外部被覆物)。國內建築物耐風設計規範對於不具開口建築物視為封閉式建築物，而非封閉式建築物則包括「開放式建築物」及「部分封閉式建築物」兩大類，其中「開放式建築物」為每一面牆開口面積達 80%以上，如棚架等建築物較為單純，無內壓存在，規範建議其設計風力係數。而具有開口或開口部破損的建築物則可視為「部份封閉式建築物」，其風載重狀況較為複雜且必須加以重視，亦為本研究計畫的重點，規範對於其外部風壓係數的考量與封閉式建築物相同，利用改變內風壓係數方式調整風載重。目. 7.

(30) 非封閉式結構風載重特性研究前國內規範在有關建物內壓部份參考 ASCE 7-02 以靜壓係數方式表現，結構分析時如考慮外部風壓作用的高擾動性，再與內部風壓變化相結合，有助於提升結構設計的耐風性能，並提供國內業界設計參考。所謂開放式建築物指建築物每一方向牆面皆至少有 80％之面積為開口，也就是對每一方向牆面皆滿足A0≧0.8 Ag，其中Ag為受正值外風壓牆面總面積， A0為該牆面總開口面積。而部分封閉式建築物係指建築物滿足(1)A0 > 1.10A0i， (2) A0 > 0.37m2或 0.01Ag (兩者取小值)，且；其中A0i為各牆面(含屋頂，但不含 A0)之總開口面積，Agi為各牆面(含屋頂，但不含Ag)之總面積。至於封閉式建築物則為建築物不符合開放式建築物或部分封閉式建築物之定義者。在基本設計風速方面，國內「建築物耐風設計規範(民國 95 年版)」以地況 C 條件下，離地面 10 公尺高度處，相對於 50 年回歸週期的 10 分鐘平均風速作為基本設計風速，並分別針對不同地區的基本設計風速加以條列式定義。規範中有關地況的定義與詳細資料請參閱表 2-1。國內「建築物耐風設計規範(民國 95 年版)」對於設計建築物的主要抗風系統其設計風力考慮如下： 1.設計風力計算式封閉式、部分封閉式或開放式建築物或地上獨立結構物之主要風力抵抗系統所應承受之設計風壓p、屋頂女兒牆設計風壓pp及設計風力F，應依本節規定之公式計算，相關公式亦整理列於規範表 2.1。封閉式或部分封閉式普通建築物或地上獨立結構物之主要風力抵抗系統所應承受之設計風壓 p，依下式計算： p = qGCp－qi(GCpi). (2.1). 式中對迎風面牆，外風速壓 q 採 q(z)；對背風面牆、側牆與屋頂，外風速壓 q 採 q(h)；q(z) 與 q(h) 依規範 2.6 節之規定計算。對封閉式建築物或內風壓取負值之部分封閉式建築物，內風速壓 qi 採 q(h)；對內風壓取正值之. 8.

(31) 第二章文獻探討部分封閉式建築物，內風速壓 qi 可採 q( zh0 ) 或 q(h)，其中 z h0 為會影響正值內風壓之最高開口高度。G 為普通建築之陣風反應因子，依規範 2.7 節之規定計算。Cp 為外風壓係數，依規範 2.8 節之規定計算。(GCpi) 為內風壓係數，依規範 2.9 節之規定計算。 2.風速壓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) Kzt [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： 2α. K(z) = 2.774 ⎛⎜ z ⎞⎟ ；z＞5m ⎜ ⎟ ⎝ zg ⎠. = 2.774 ⎛⎜ 5 ⎜z ⎝ g. 2α. ⎞ ⎟ ；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，見規範表 2.2。Kzt 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風速局部加速效應。 3.陣風反應因子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： ⎛ (1 + 1.7 g Q I z Q ) ⎞ ⎟⎟ G = 1.927⎜⎜ ⎝ 1 + 1.7 gV I z ⎠. (2.4). 式中gQ與gV 均可取 3.4； I z 紊流強度與背景反應Q分別依下式計算：. I z = c (10 / z ). 1/ 6. (2.5). 9.

(32) 非封閉式結構風載重特性研究. Q=. (2.6). 1 ⎛ B + h⎞ ⎟⎟ 1 + 0.63⎜⎜ ⎝ Lz ⎠. 0.63. 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； Lz 為紊流積分尺度，由下式計算：. Lz = l( z / 10 ). ε. (2.7). 式中 l 和 ε 之值依國內規範如下表所示。. 表 2-1 地況相關參數地況. α. zg (m). b. c. l(m). ε. zmin (m). A. 0.32. 500. 0.45. 0.45. 55. 0.5. 18. B. 0.25. 400. 0.62. 0.30. 98. 0.33. 9. C. 0.15. 300. 0.94. 0.20. 152. 0.20. 4.5. (資料來源：建築物耐風設計規範[民國 95 年版]). 4.風壓係數與風力係數計算建築物或地上獨立結構物主要風力抵抗系統之設計風力時，其所使用之風壓係數Cp (封閉式或部分封閉式建築物用)及風力係數Cf (開放式建築物用) 見規範表 2.4 至 2.16。. 10.

(33) 第二章文獻探討. 表 2-2 牆之平均外風壓係數(主要風力抵抗系統用). 所屬牆面. L/B. Cp. 使用的風速壓. 迎風面. 所有值. 0.8. q(z). 背風面. 0-1 2 ≧4. -0.5 -0.3 -0.2. q(h). 側風面. 所有值. -0.7. q(h). 註：L：平行於風向之結構物水平尺寸，m B：垂直於風向之結構物水平尺寸，m G：陣風反應因子. q(h)GCp θ. 風 q(h)GCp. q(h)GCp. B. Z. h. q(z)GCp. q(h)GCp. q(z)GCp. q(h)GCp. q(h)GCp L. L. (資料來源：建築物耐風設計規範[民國 95 年版]). 11.

(34) 非封閉式結構風載重特性研究. 表 2-3 屋頂之外風壓係數Cp(主要風力抵抗系統用). 風向垂直於屋脊平行於屋脊. h L. 0. ≦0.3. -0.7. 0.5 1.0 ≧1.5 h/L 或 h/B ≦ 2.5 h/L 或 h/B ＞ 2.5. -0.7 -0.7 -0.7. 迎風面，Cp 屋頂與水平面所夾的角度，θ(度) 10~15 20 30 40 50 * 0.2 0.2 0.3 0.4 0.5 -0.9* -0.9 -0.75 -0.2 0.3 0.5 -0.9 -0.75 -0.9 0.35 0.5 -0.9 -0.9 -0.9 -0.35 0.2. -0.7. -0.8. 註： (1) *：設計屋頂時，0.2 和-0.9 都要用。 (2)負號，表示風壓遠離屋頂面作用。正號，表示風壓指向屋頂作用。 (3)欲求其他θ及h/L之Cp值，可做直線內插。 (4) h：平均屋頂高度，m。當θ＜10°時，h=屋簷高。 L：平行於風向建築物水平尺寸，m。 B：垂直於風向建築物水平尺寸，m。 (5)使用的風速壓為 q(h)。. (資料來源：建築物耐風設計規範[民國 95 年版]). 12. ≧60. 背風面所有之θ 及 h/L 值. 0.01θ 0.01θ 0.01θ 0.01θ. -0.7. -0.7. -0.8.

(35) 第二章文獻探討 5.內風壓係數內風壓係數 (GCpi) 之值見下表。對內含一大型無隔間區域之部分封閉式建築物而言，內風壓之尖峰因子較小，(GCpi) 可乘上一折減係數 Ri，其值依下式計算： ⎛ ⎜ ⎜ 1 Ri = 0.5⎜1 + Vi ⎜ 1+ ⎜ 6950 Aog ⎝. ⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ≤ 1.0 ⎟ ⎟ ⎠. (2.8). 式中A0g 為建築表面總開口面積(m2)，Vi 為無隔間區域之內體積(m3)。. 表 2-4 國內規範定義之內風壓係數 (GC pi ) 開放式建築部份封閉式建築. 封閉式建築. 0.00 +1.146 -1.146 +0.375 -0.375. 註：下面兩種情況皆須分別考慮 (1) 所有牆內面之(GC pi )為正值。 (2) 所有牆內面之(GC pi )為負值。. (資料來源：建築物耐風設計規範[民國 95 年版]) 貳、美國 ANSI/ASCE 7-05 規範美國 ASCE 「 Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, ANSI/ASCE7-05」規範對於建築物採用外壓減內壓方式計算主要設計風載重，對於外牆及附屬構件設計風壓採用平均屋頂高度風壓，規範中提供包括簡易設計 (Simplified procedure)及解析設計(Analytical procedure)兩種程序供使用。對於簡單構架建築物的設計可採用第一種方法，規範中提供的是Ps30及Pnet30設計風壓（亦. 13.

(36) 非封閉式結構風載重特性研究即地況B條件下，高度 30 英尺、用途係數I=1.0 的風壓力）以供使用。對於主抗風結構其設計風壓(ps)為： ps = λIpS 30. (2.9). 其中 λ 為建築物高度與地況調整因子，I 為用途係數。對於結構構件及披覆物其設計風壓(pnet)為： pnet = λIpnet 30. (2.10). 其中Ps30及Pnet30於規範中以查表方式取得。另規範中提供解析設計(Analytical procedure)程序，以供較不規則外型或氣動力不穩定現象明顯的建築物設計風載重之用。在工業廠房等造型建築物規範提供各種不同屋頂形式的外部風壓係數，包括圓形屋頂、單斜屋頂、階梯式屋頂、多跨距雙斜屋頂、多跨距單斜屋頂等造型，針對不同構形建築物在不同的屋頂區域或牆面區域利用查表方式提供設計風壓係數，國內新版耐風設計規範亦採類似作法。設計風壓計算方式與國內規範類似，如(2.1)式所示，由外風壓減內風壓加以考量，同時考慮建築物氣動力效應而做的修正因子亦與國內規範相同。 ANSI/ASCE 7-05 為決定建築物的風載重，將建築物依其開口情形分類為封閉式(enclosed)建築物、部分封閉式(partially enclosed)建築物及開放式(open)建築物等三類，同時其定義與國內規範相同。基本設計風速的考慮上，ANSI/ASCE 7-05 以某地點在地況 C 條件下，離地面 33 英尺(10 公尺)高度處，3 秒陣風平均風速。基本設計風速分區圖可分為濱海颶風區與非颶風區。由於 ASCE 7-05 風速之平均時間為 3 秒鐘，根據 Durst Curve，ASCE 7-05 之風速為我國規範風速之 1.443 倍，故我國規範之陣風因子為 ASCE 7-05 陣風因子之 2.083 (=1.443× 1.443)倍。依 ASCE/ANSI 7-05 規範之補充說明解釋，規範中表列有關內風壓係數數據主要依據文獻參考及風洞實驗資料所訂定，雖主要為低層建築物實驗所得數據但對於其他高度建築物的設計使用仍是適當的。對於封閉式建築物設計內風壓係數採用+0.18 及-0.18，而在建築物具有開口情形時，考慮內壓擾動與外風壓擾動的空間相關性，因此建議值為採用+0.55 及-0.55。依基本設計風速選取方式的不同，. 14.

(37) 第二章文獻探討我國規範之陣風因子較 ASCE 7-05 高出 2.083 倍，因此將 ASCE 7-05 建議的內壓係數±0.55 乘上 2.083 及為我國規範建議值±1.146。. 圖 2-1 Durst 曲線 (資料來源：建築物耐風設計規範[民國 95 年版]) 叁、紐澳 AS/NZS 1170.2:2002 規範紐澳規範 AS/NZS 1170.2:2002 對於高低層建築物以平均屋頂高度 25 公尺為分界，設計風載重以矩形封閉型建物為主體表現，對於低層建築物與 ASCE 規範不同之處是風載重以不同面向為單元加以定義，在同一面上風壓分布不再細分局部。對於不同順風向深度的建築物加以分類，區分為平均屋頂高度(h)與順風向建築物深度的比值(h/d)區分為 h / d ≤ 0.25 、 h / d = 0.5 、 h / d > 1 三各區間以表列方式呈現。紐澳 AS/NZS 1170.2 2002 規範對於封閉式低層建築物包括單斜屋頂、雙斜屋頂、四面斜屋頂等建物，提供查表方式估算其外部風壓，配合內壓力計算風載重。 AS/NZS 1170.2 2002 規範對於建築物表面局部風壓係數，另行定義較易出現極端風壓力作用的區域，利用局部壓力因子(local pressure factors)將局部風壓係數放大，最大可達 3 倍之多。 AS/NZS 1170.2:2002 規範建議對於建築物 8 個不同方位角之基地風速以下式計算： V sit , β = V R M d ( M z ,cat M S M t ). 其中. (2.11). VR：3 秒陣風風速 Md：風向因子 Mz,cat：高度因子. 15.

(38) 非封閉式結構風載重特性研究 Ms：遮蔽因子 Mt：地形因子構型已定義清楚而基地地況未明的情形，建議以標準有效風速搭配具方向性之風壓係數加以檢核。對於需要進一步詳細檢核週邊地形、建物群對風場影響時，如臨近明顯地型變化或都市地區，建議以具方向性的有效風速搭配標準風壓係數進行檢核。設計風速需取與正交於建築物 45 度範圍內最大風速之線性內插值。規範將紐澳地區分為颶風作用區與非颶風作用區兩類，各類再細分為數種區域，各區域的 3 秒陣風在不同迴歸年數的區域風速以表列方式顯示，迴歸年數由 5 年至 2000 年，並提供各區域的經驗公式可供直接計算。規範針對不同區域提出風向因子，以表列方式顯示，其值介於 0.8 至 1.0 之間。區域設計風速(regional wind speed, VR)採用 3 秒陣風，因此引用本規範設計與國內規範比較時，採用的基本設計風速須依圖 2.1 之Durst曲線加以調整。關於建築物封閉型態的分類，在 AS/NZS 1170.2 2002 規範中指出建築物的內壓與外殼的開口(opening)及可穿透性(permeability)有密切關係。規範將建築物的門、窗、通風口、煙囪等均視為可穿透性的開口；而如存在有某一面的開口面積大於其他各面開口總面積時，視為具有主要開口(Dominat openings)的牆面，因此有關內風壓的定義即以此兩大類作為區分，建議之內風壓係數如下圖所示。. 16.

(39) 第二章文獻探討. 圖 2-2 AS/NZS 1170.2 2002 規範對於具穿透性外殼建築物的內風壓係數建議值 (資料來源：AS/NZS 1170.2 2002 規範). 圖 2-3 AS/NZS 1170.2 2002 規範對於具主要開口建築物的內風壓係數建議值 (資料來源：AS/NZS 1170.2 2002 規範). 17.

(40) 非封閉式結構風載重特性研究肆、日本 AIJ2004 規範日本建築學會(Architectural Institute of Japan)的「AIJ Recommendations for Loads on Buildings」(2004 版)建議的風載重設計方法主要有兩種程序：Detailed procedure I 及 Detailed procedure II，一般而言高度高於 45 公尺以上的柔性建築物才需用 Detailed procedure II 進行設計。日本規範 AIJ2004 對於建築物外風壓的規定以建築物高度 45 公尺作為分類的依據，對於高度 45 公尺以下的建築物外風壓，分別針對不同型式的低層建築物表面風壓以不同建築物面向為區分加以表現，其外風壓以圖表方式呈現。日本規範 AIJ2004 對於建築物構件及表面披覆物的耐風設計時，提供尖峰風壓係數作為放大設計載重之用。日本規範AIJ2004 中對於基本設計風速(UH)以所規定之平坦開闊地、10m高度處的 10 分鐘平均風速為基本設計風速，設計風速之廻歸週期採 100 年。對於不同年份之迴歸期其轉換因子以下式定之， R = 0.54 + 0.1ln( r ). (2.12). r 為設計迴歸期。以國內規範定義之基本設計風速廻歸週期採 50 年，因此對照日本規範時，需配合廻歸週期轉換因子 R( R = 0.54 + 0.1 ln(50) = 0.9312 )，如國內台北市基本設計風速 39.93m/sec，轉換後基本設計風速採用 39.93 / 0.9312 = 42.88 m/sec。關於建築物封閉型態的分類，AIJ2004 規範中對於屋面風載重計算其風力係數為： C R = C pe − C pi. (2.13). 其中 C pe 為外風壓係數， C pi 為內風壓係數，建築物在不具有主要開口條件下內壓係數( C pi )可用 0 或-0.4 加以考慮。對於披覆物或構件的尖峰風力係數其計算式為： Cˆ C = Cˆ pe − C *pi. (2.14). 其中 Cˆ pe 為尖峰外風壓係數， C *pi 為內風壓擾動係數，建築物在不具有主要開口條件下內壓擾動係數( C *pi )可用 0 或-0.5 加以考慮。. 18.

(41) 第二章文獻探討伍、英國 BS6399-2:1997 規範關於英國之風力規範以「Loading for buildings－Part 2. : Code of practice for. wind loads」 (BS 6399-2:1997)規範為主。英國 BSI「Loading for Buildings — Part 2 : Code of practice for wind loads」(BS 6399-2 : 1997)規範中對於建築物屋頂面上外部風壓分布有甚為詳細的規定，配合規範中的圖例說明與表格，定義包括平屋頂、單斜向屋頂、單脊雙斜向屋頂(包括外斜及內斜兩種)、具備水平屋脊區間的雙斜向屋頂(包括外斜及內斜兩種)、四面斜屋頂、多斜面屋頂、連續單斜面屋頂、連續山形屋頂等多種形式，同時懸伸摺版型雨庇亦包括在內。規範中對於風載重評估方式主要包括兩種：標準風壓法(Standard method)及風向風壓法(Directional method)兩種；標準風壓法計算風載重的方式對於封閉式建築物採用外壓減內壓方式估算，非封閉式建築物則直接提供淨風壓係數。風向風壓法配合風向給予不同的外風壓係數，再配合不同風向的風速資料加以評估。基本設計風速 (basic wind speed，Vb)由規範中所提供之地圖分區中直接查得，代表以 50 年迴歸之小時平均風速。BS6399-2:1997 規範中基本設計風速採用小時平均風速，因此引用本規範設計與國內規範比較時，採用的基本設計風速須依圖 2.1 之Durst曲線加以調整。 BS6399-2:1997 規範對於封閉式建築物設計風壓為： p = pe − pi. (2.15). 其中 pe 為外風壓， pi 為內風壓。規範中對於封閉式建築物或具有可穿透性牆面建築物的內風壓係數建議值整理如下表所示：. 19.

(42) 非封閉式結構風載重特性研究. 表 2-5 BS6399-2:1997 規範對於封閉式建築物內風壓係數建議值 C pi 建議值. 牆面形式兩相對面牆面具備穿透性，而其他牆面不可穿透. 風向垂直於可穿透面. +0.2. 風向垂直於不可穿透面. -0.3 -0.3. 四面牆面均具備相同的穿透性. (資料來源：BS6399-2:1997 規範). 如建築物具有主要開口，規範中建議之內風壓係數如下表所示：. 表 2-6 BS6399-2:1997 規範對於具有主要開口建築物內風壓係數建議值主要開口面積與其他開口面積和的比值. C pi 建議值. 2. 0.75 × C pe. 3. 0.9 × C pe. (資料來源：BS6399-2:1997 規範). 陸、相關規範討論本研究比較國內外有關非封閉式建築物耐風設計的相關規範，初步整理其結果如下所述： 1.. 由國內外風力設計規範有關非封閉式建築的設計風載重規定了解，各規範均對於建築物封閉條件加以區分為封閉式、部分封閉式及開放式等類別，分類方式類似，而紐澳規範內則增加對於具有通透性牆面的區分。. 20.

(43) 第二章文獻探討國內規範在建築類型分類方面，基本上與美國 ANSI/ASCE 7-05 規定是相同的。 2.. 由於內風壓會受到外部流場影響主要發生在如工業廠房等具良好聯通性內部空間的建築物，有關建築物內風壓的考慮在各國規範中均有定義，而其考慮方式以均勻分布、靜壓係數型態加以考慮，ASCE 7-05 規範則在補充說明中對於開口部引起的內外壓高度相關的狀況應加以注意。. 3.. 針對眾多的開口型態，合適的內風壓建議值為必要的，紐澳規範對於開口分布情形及通透性外牆的配置，所產生的內風壓變化有較詳細的建議，對於實際設計工作上有甚大的助益。英國規範在此部份，亦有較詳細的規定可供參考。. 4.. 我國規範中對於封閉式及部分封閉式建築物內風壓係數以靜風壓係數方式表現，開放式建築物則建議風力係數；在部分封閉式建築物設計中，考慮內外部風壓相關性是否有可能產生的較大載重，須加以釐清或檢驗其保守性。. 21.

(44) 非封閉式結構風載重特性研究. 第二節文獻回顧低層建築如廠房類的構造物，其內部空間大致上為開放相連通的，門窗等較脆弱的開口部發生破損事件，使原本封閉式建築物瞬間成為部分封閉式建築物，建築物發生破孔，外部紊流作用引入內部空間，使原本建物的內壓發生改變，內壓的改變影響將改變整體建物外殼的背壓，建築物所受的風載重狀況亦完全不同。內壓的變化亦可能與外部風壓結合，使部分表面披覆物或建物其他開口部承受超載而發生破壞，進一步發生更大規模的表面構材或結構破壞，事件大多發生於颱風等強風作用期間，有可能引起後續更多的外殼破壞，甚至對建築物產生結構性的危害。因此探討此類建築物主要開口(dominant opening)破壞引發的風載重變化，需同時考慮外部風壓及內部壓力擾動聯合作用下的風載重特性，並能推估其等值風載重的變化，對於廠房類建築物受極端氣候作用下的結構安全確保將有所助益。有關內部相連通的工業廠房建物表面風壓及內壓的特性的研究方面，實場量測方面 Texas Tech University 的 Wind Engineering Research Field Laboratory(WERFL) 自 1990 年代起，利用其自建的實尺寸建物(圖 2-4)，量測低矮建物實場表面風壓特性(Levitan 1992a, 1992b, Tieleman 1996)，其後續研究者同時量測實場建築物內壓係數(Ginger 1997)，對於封閉式建築物內壓有初步的數據資料，再配合分別位於迎風面、側風面及背風面等不同的開口條件探討內壓的變化，量測結果顯示在單一開口時，內壓變化受建築物內部空間條件形成之特徵頻率(亦稱為 Helmholtz frequency) 的影響甚鉅，Sharma(2003, 2005)研究此特徵頻率對內壓的影響，顯示外在的風壓擾動，特別是接近開口牆面上的分離渦流與內壓擾動變化存在密切的相關性，對於結構的風載重亦產生一定的影響。而迎風及背風面均開口時，內壓係數則有隨開口率增加的趨勢。. 22.

(45) 第二章文獻探討. 圖 2-4. TTU WERFL 量測實場風壓用建築物 (資料來源：http://www.wind.ttu.edu/Research/FullScale). Sharma(2003)製作 1:50 縮尺 TTU 實場量測建築物模型，並設置不同的開口條件，如圖 2-5 所示。量測成果除對於特徵頻率研究外，其量測資料亦有助於類似實驗的驗證，如圖 2-6 所示，為 open A 條件下不同攻角造成的內壓變化，本研究亦據以作為驗證。 Ginger(1999)由 TTU 實場量測內壓變化，並在迎風面取 2%開口，量測內壓及屋頂面外風壓，研究結果顯示，在內風壓的變化上由於開口位於迎風面，因此內壓擾動與流場直接作用相關，同時指出內壓變化是具有相當擾動性的，且屋面前緣的尖峰負壓值可達外部尖峰風壓減內部尖峰風壓的 93%，顯示內正風壓擾動與外部負風壓在極端值出現時機為高度相關的。. 23.

(46) 非封閉式結構風載重特性研究. 圖 2-5 Sharma(2003)驗證之 TTU1:50 縮尺模型立面開口配置情形 (資料來源：文獻 Sharma[2003]). 圖 2-6 Sharma(2003)驗證之 TTU1:50 縮尺模型在 open A 條件下內壓隨攻角的變化 (資料來源：文獻 Sharma[2003]). Beste(1997)利用 1:100 縮尺的 TTU 實場量測建築物模型，探討屋面外部區塊平均的風壓資料與內風壓的關係，研究結果指出在迎風面有開口的狀況下，由於. 24.

(47) 第二章文獻探討低層建築物受外部分離渦流包圍，因此內外風壓具有良好的相關性，其相關係數可達 0.65 以上。Woods(1995)利用正方形實驗模型探討開口部對於內壓變化的影響，研究指出在單一開口條件下內風壓的變化與外風壓存在有穩定的轉換關係，且內風壓為均勻的分布；但對於多開口或具有通透性牆面的情形，因特定風向角會造成內部有流動現象，內風壓分佈將成為具有差異梯度的分布情形。就實務的觀點，如能建立部分封閉式建築物受風作用下表面風壓與內風壓的簡易預測模式，對於建築工程界廠房式建物的受風作用的掌握將有所裨益，如配合國內的氣候條件與建築風格研擬策略，將有助於減低國內廠房式建築的風災。. 25.

(48) 非封閉式結構風載重特性研究. 第三節非封閉式建築物所受風力作用之特性本研究前兩年階段曾就多種不同屋頂形式的廠房式建築模型量測其表面風壓，與本研究相同的模型表面風壓分部如下圖所示。. 0. 2. 0.100.05 0.15 0.25. PRMS. -0.4. -0.2. 0. MODEL : C40. 0.0 -0.3. -0.1. 0. 250.20. 0.15. 0.20. 0.10. 0.25. 0.25 0.35. 0.20. 0.25. 0.6. 0.6. 0.05 -0.2. 0.15. ANGLE : 90°. 0.05 0.20. 0.35 0.35. 0.25. 0.15. -0.1. 0.5. -0.3 -0.4. 0.25 0.25. 0.30. 0.20. 0.6. -0.8. -0.3. 0.10. 0.25. 0.20. 0.15. 0.1 0.4. -0.9 -0.7 -0.6 -0.5. -0.5 -0.4. -0.2. 0.6. 0.30. -0.3 -0.4. 0.05. 0.2. -0.3. -0.6. -0.1. 00. 0.5. 0.5. 0.10. 0.30. 0.5. -0.3. 0.5. 0.05 0.20. 0.25. 0.5. 0.1 0.5 0.3 0.4. -0.8 -0.7. 0.40. 0.4. 0.30. -0.3. 0.5 0.3. MODEL : C40 PMEAN. ANGLE : 90°. 0. 25. 0.20. 0.25. -0.1 00. (a). -0.2-0.3. 0.150 05 0.10. (b). 0.25 0.20. 圖 2-7 風向垂直於屋脊時，屋面坡度 1:4、深高比 4 之山型廠房建築物模型的表面風壓分佈，(a)平均風壓係數，(b)擾動性風壓係數 (資料來源：本研究整理). MODEL : C40. PMEAN. MODEL : C40. PRMS. 0.05. 0.05. 0.0. 0.1. 0.1. 0.1. 0. 1. 0.6. 0.7. -0.5. -0.6 -0.4 0.6. 0.05 0.10. -0.1. -0.3. 0. 5. -0.2 -0.3. 0.. 20. 25 0. 0.30. 0.20. 0. 2. 0.15. -0.4. -0.2. 0.0. -0.1. ANGLE : 0 °. 0.3. 0. 25. 0. 0.25. 0.20. 5. 0.10 0.20 0.15. -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5. 0.20 0.05. 1 -0.. 0.20. 0.0. 0.0. 0. ANGLE : 0 °. 0.7. 0. 1. 0.1. 0.10. 0.25. (a). 0.5 0 3 0 1 0.6 0.4 0 2. (b). 0.15 0 05. 0.200 10. 圖 2-8 風向平行於屋脊時，屋面坡度 1:4、深高比 4 之山型廠房建築物模型的表面風壓分佈，(a)平均風壓係數，(b)擾動性風壓係數 (資料來源：本研究整理). 26.

(49) 第二章文獻探討 1 0.4. 7 0.184. 0. 29. Cp rms. -0.908. 7. 0.570. 0.4. 11 0.2. 0.22 2 0.260. 7. 0.335. 0.260 73 0.3. 0.146. -0.795. 0. 0. 0.297. 0. 260. 95. 0.184. 0.7. wind. 35. 35 0.3. 0.3. -0.34. 60. 0.297. 08. wind. -0.681. (a). 0. 29. 29 0.2. 0.457. 40 -0. 3. 84. 60. 60 0.2 0.2. 0.1. 0.2. 97. 0.222. 08. 0.570 0.229. .3 40. 0.2. 0.1. 0.570. 5-0.9 79 - 0.. -0.453. 81. 43 0.3. -0.6. -0. 0. 0.373 0.297. -0.567. -0.908. -0.7. 95. 0. 57. 0.146. 1. 0.184. -. 68 0.. 0.343 0.4 57. -0.453. -0.3 40. 97. 0.6. -0. 56. 0.297 0. 335. -0.453. 2. 0.335. 81. 22 0.. -0.6. -0 .2. E40. -0.795. 0. 0.343 84. 4 .3 -0. 26. Cp mean. -0.5 67. E40. (b). 圖 2-9 風向垂直於屋脊時，拱高與跨度比 1:8、深高比 4 拱形屋頂廠房建築物模型的表面風壓分佈，(a)平均風壓係數，(b)擾動性風壓係數 (資料來源：本研究整理) E40. Cp mean. Cp rms. 0.297. -0.45. 60 0.20.260. -0.91. 222. 0.18. 0.184 0. 18 4. 4. -0.11. 0.146. 6 0.146 0.14. -0.11. -0.11. (a). 0.184 0.184 0.184 .146 0. 0.146. 0.146. 0.108. -0.11 -0.11 -0.11 -0.11 -0.11. 2. -0.11 -0.11 -0.11 -0.11 -0.11 -0.11. 22 0.. -0.11. -0.11. 5. -0.45 -0.57. -0.23. 1. 0.335. 33. -0.11. 0.335. 0.. -0.1. 0.297. 7. -0.68. 7. -0.23. 0.335. 29 0.. -0.91 -0.91 -0.91 -0.91. .91. -0.5. 1. -0. -0.9. 0.297. 0.46. -0.91. 0.335. E40. 0.108. wind. 0.108. wind 0.108. 0.108 0.108. 90. 90. (b). 圖 2-10 風向平行於屋脊時，拱高與跨度比 1:8、深高比 4 拱形屋頂廠房建築物模型的表面風壓分佈，(a)平均風壓係數，(b)擾動性風壓係數 (資料來源：本研究整理) 對於具有開口的部分封閉式建築物而言，建築物內壓變化可能影響建築物的風載重作用型態，一般高層建築物外殼破壞產生的開口雖會引入外部氣流，由於內部隔間關係，除非恰巧被破壞的開口位於相緊鄰的兩牆面，可能造成部分局部氣流貫穿室內的變化，且建築物內壓幾乎不會有重大的改變，整體建築物的風載重條件亦無變化。開口部的破壞，影響風載重較嚴重的當屬低層廠房式建築物，. 27.

(50) 非封閉式結構風載重特性研究由於內部空間連通性甚高，因此受到外物打擊或披覆物破壞出現開口時，建築物內壓將迅速改變，結合外部風壓的作用極有可能會進一步引起更多的破壞。就低層廠房式建築物所受的風載重而言，內壓的改變對主要抗風結構系統內側受力而言為對稱的，因此基本上並未改變主抗風結構系統所受的風載重，但內壓變化結合外部風壓的擾動則可能造成局部披覆物的破壞，有必要加以進一步探討。. 屋頂面坡度. 山牆簷口高度. 側牆. 圖 2-11 廠房建築物各部名稱說明 (資料來源：本研究整理) 實務上工業廠房設計如採用連續構架型式，以山形廠房為例，在山牆面多會加裝防風柱，而在側牆面上則以斜撐方式加固，如簷口高度較高，為增加柱的抗側彎能力或架設天車軌道所需，亦會有環梁的規劃。就結構抗風性能而言，垂直於屋脊方向的抗風性能，因橫越大跨度空間受風作用可能較為敏感。當建築物發生開口破壞時，內壓變化的考量依我國規範須考慮正負兩種內壓條件，局部構件受內外風壓作用可能產生加成或相消的情形，設計時須特別加以注意。對於僅具單一主要開口的建築物而言，外部紊流引入內部空間將引起內部壓力的擾動。內部空間對壓力波形成部分的共振反應，主要的特徵頻率稱作 Helmohltz frequency，如建築物外殼具有足夠的剛性，不隨紊流壓力波擾動而有體積變化則特徵頻率可記作：. 28.

(51) 第二章文獻探討. fH =. 1 2π. γAp0 ρ a l eV0. (2.16). 其中 γ 為空氣的比熱，A為開口面積， p 0 為大氣壓力(105pa)， ρ a 為空氣密度， l e 為有效長度，可表示為 l e = (πA / 4) ， V0 為內部體積。. 29.


(53) 第三章建築物氣動力實驗. 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. 1. 平屋頂. 2. 山形屋頂. 1:4. 4. 3. 拱形屋頂. 1:8(拱高與跨度比). 4. 備註 TTU building 側牆高度 10cm 模型寬 20cm. (資料來源：本研究整理). 31.

(54) 非封閉式結構風載重特性研究. 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。. 32.

(55) 第三章建築物氣動力實驗. 表 3-2 主要開口率. 開口數量. 7%. 1. 4%. 2. 14%. 1. 28%. 1. 28%. 2. 28%. 4. 山形屋頂模型開口形式與配置開口配置方式. wind. Wind azimuth 0 deg. Frame 3 Frame 2. 風攻角. Wind azimuth 90 deg. Frame 1. Wind azimuth 270 deg Wind azimuth 180 deg. (資料來源：本研究整理). 33.

(56) 非封閉式結構風載重特性研究. 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. 7%. 1. 7%. 2. 14%. 1. 28%. 1. 28%. 2. 28%. 4. 開口配置方式. wind. 風攻角. Wind azimuth 90 deg. frame 3 frame 2. Wind azimuth 0 deg frame 1. Wind azimuth 180 deg. (資料來源：本研究整理). 34. Wind azimuth 270 deg.

(57) 第三章建築物氣動力實驗. 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。. 35.

(58) 非封閉式結構風載重特性研究. 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模組，分別接入電子式壓力掃瞄器。表面風壓量測使用之壓力掃描器(ZOC33/64. 36.

(59) 第三章建築物氣動力實驗 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空氣比熱 γ 開口面積 A. 1.4. 1.4. 16×10-4 m2 64×10-4 m2. 拱形屋頂建築物模型 1.4. 1.4. 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. 1.22 kg/m3. 1.22 kg/m3. 空氣密度 ρ a. 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 V0. 9×10-3 m3. 9×10-3 m3. 9.33×10-3 m3. 9×10-3 m3. 121.5 Hz. 171.8 Hz. 119.3 Hz. 168.7 Hz. fH =. 1 2π. γAp0 ρ a l eV0. (資料來源：本研究整理). 37.

(60) 非封閉式結構風載重特性研究. 第二節流場規劃本研究利用內政部建築研究所台南風洞實驗室進行建築物氣動力模型實驗研究，風洞設施為一封閉式的循環風洞，具有兩種測試斷面(第一測試區 4 m × 2.6 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，風洞可提供最大風速為 30 m/s。風洞中邊界層流場之模擬方式為在試驗段上游區域擺設錐形渦流產生器 ( spire ) 以及地表粗糙元素 ( roughness element )，以產生近似鄉村地形之大氣邊界層來流。所產生平均流速剖面指數律分佈之α值為 0.22，而在距地 10 cm 處之紊流強度( turbulence intensity )約為 23%，流場細部資料如表 3-5 所示，流場之平均風速剖面及紊流強度如圖 3-6 所示。本研究氣動力模型置於試驗段旋轉台的中央，可用數控旋轉台旋轉模型，表現不同風攻角的效果。. 表 3-5.實驗用流場條件邊界層厚度 δ (cm). 138. 層緣風速 Uδ (m/s). 14.2. 指數律 α. 0.21. 剪力速度 u*(m/s). 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：本研究整理). 38.

(61) 250. 250. 200. 200. 150. 150. Height (cm). Height (cm). 第三章建築物氣動力實驗. 100. 50. 0. (a). 100. 50. 0. 5. 10. Wind Speed (m/s). 15. 0. 20. (b). 0. 5. 10. 15. 20. 25. Turbulence Intensity (%). 30. 35. 40. 圖 3-6 流場特性之垂直分佈，(a)平均風速剖面，(b)紊流強度剖面 (資料來源：本研究整理). 39.
