建築物耐風設計風載重條文之修訂研究
217
0
0
全文
(2) (國科會 GRB 編號). PG9702-0424 (本部計畫編號). 097301070000G1014. 建築物耐風設計風載重條文之 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：陳瑞華 研 究 助 理：羅元隆. 內政部建築研究所委託研究報告 中華民國 97 年 12 月.
(3) 目次. 目次 目次 ....................................................................................... I 表次 .....................................................................................III 圖次 ...................................................................................... V 摘要 ..................................................................................... IX 第一章 緒論 .......................................................................... 1 第一節 計畫緣起 ..................................................... 1 第二節 研究內容與方法 ......................................... 2 第三節 報告內容簡述 ............................................ 6 第二章 等值設計風載重計算模式之再修正及簡化 ............. 7 第一節 順風向設計風力 .......................................... 9 第二節 橫風向及扭轉向設計風力 ......................... 13 第三節 等值設計風載重計算模式之簡化 .............. 16 第三章 高層建築設計風力之風洞試驗 .............................. 25 第一節 第二節 第三節 第四節 第五節. 文獻回顧 ................................................... 26 逼近流場 ................................................... 27 風壓模型 ................................................... 28 實驗設備及訊號處理 ................................. 31 實驗結果 ................................................... 38. 第四章 廠房建築之橫風向與扭轉向設計風載重 ............... 63 第一節 橫風向及扭轉向設計風力計算式之限制條件 中各項參數之適用範圍檢討 .................................. 64 第二節 廠房式建築之橫風向與扭轉向載重組合方式 ............................................................................... 69 第五章 建築物外風壓係數與風力係數 .............................. 79. I.
(4) 建築物耐風設計風載重條文之修訂研究. 第一節 各國規範風壓係數與風力係數之比較 ...... 80 第二節 建議新增項目 ............................................ 91 第六章 最高居室樓層側向加速度 ...................................... 93 第一節 最高居室樓層尖峰側向加速度初步修正模式 ............................................................................... 94 第二節 檢核頂樓水平振動舒適度評估標準之適用性 檢討 ........................................................................ 95 第七章 應用案例 .............................................................. 103 第一節 高層建築 ................................................. 104 第二節 廠房建築 ................................................. 121 第八章 風力規範修正條文初擬........................................ 129 第一節 建築物風力計算之修訂 ........................... 130 第二節 建築物最高居室樓層側向加速度之修訂 . 134 第九章 結論與建議 .......................................................... 135 第一節 結論 ......................................................... 135 第二節 建議 ......................................................... 138 附錄一 期中審查會議紀錄 ............................................... 141 附錄二 期末審查會議紀錄 ............................................... 153 附錄三 第一次專家座談會議紀錄 .................................... 165 附錄四 第二次專家座談會議紀錄 .................................... 167 附錄五 風壓及風力係數建議增加項目 ............................ 171 參考書目 ........................................................................... 197. II.
(5) 表次. 表次 表 2-1 不同高寬比及深寬比之 Cw 值(地況 A) ................... 21 表 2-2 不同高寬比及深寬比之 Cl 值(地況 A) .................... 22 表 2-3 不同高寬比及深寬比之 λQ 值 ................................. 22 表 2-4 不同深寬比、不同結構自然頻率之 χ R ( f ) 值 ......... 23 表 2-5 不同深寬比、不同結構自然頻率之 χ R ( f ) 值 ......... 23 表 5-1 台灣與美國規範風力風壓係數之初步比較 ........... 81 表 5-2 台灣與日本規範風力風壓係數之初步比較 ........... 84 表 5-3 台灣與紐澳規範風力風壓係數之初步比較 ........... 86 表 5-4 台灣與中國大陸規範風力風壓係數之初步比較. .. 88 表 7-1 二種案例(高寬比 3、6 矩柱)之相關參數 .............. 105 表 7-2 案例中各層之設計風力計算結果 .......................... 126. III.
(6) 建築物耐風設計風載重條文之修訂研究. IV.
(7) 圖次. 圖次 圖 1-1 研究步驟 ............................................................... 5 圖 2-1 風洞試驗數據資料庫及系統架構示意圖 .............. 17 圖 2-2 順風向設計風力流程 ............................................ 18 圖 2-3 橫風向及扭轉向設計風力流程 ............................. 18 圖 3-1 逼近流場平均風速與紊流強度剖面 ...................... 27 圖 3-2 風壓模型幾何尺寸、風壓孔位置及實驗配置 ...... 29 圖 3-3 淡江大學一號邊界層風洞實驗室 ......................... 31 圖 3-4. IFA-300 智慧型風速儀、探針及校正儀 ............. 32. 圖 3-5 壓力量測系統 ....................................................... 33 圖 3-6 壓力訊號處理系統(RADBASE3200) .................... 34 圖 3-7. 64 頻道壓力感應器模組 ..................................... 34. 圖 3-8 本文 130cm 風壓管管線修正使用之頻率域轉換函數 ..................................................................................... 37 圖 3-9 不同長寬比對順風向平均基底拖曳力係數之影響. ..................................................................................... 41 圖 3-10 不同長寬比對順風向擾動基底拖曳力係數之影響 ..................................................................................... 42 圖 3-11 不同長寬比對橫風向擾動基底昇力係數之影響. 44 圖 3-12 不同長寬比對擾動基底扭矩係數之影響. ........... 45 圖 3-13 不同高寬比模型之順風向基底彎矩頻譜(地況 A) 50 圖 3-14 不同高寬比模型之順風向基底彎矩頻譜(地況 B) ..................................................................................... 51 圖 3-15 不同高寬比模型之順風向基底彎矩頻譜(地況 C) ..................................................................................... 52 圖 3-16 不同高寬比模型之橫風向基底彎矩頻譜(地況 A). V.
(8) 建築物耐風設計風載重條文之修訂研究. ..................................................................................... 53 圖 3-17 不同高寬比模型之橫風向基底彎矩頻譜(地況 B) ..................................................................................... 54 圖 3-18 不同高寬比模型之橫風向基底彎矩頻譜(地況 C) ..................................................................................... 55 圖 3-19 不同高寬比模型之扭轉向基底扭矩頻譜(地況 A) ..................................................................................... 56 圖 3-20 不同高寬比模型之扭轉向基底扭矩頻譜(地況 B) ..................................................................................... 57 圖 3-21 不同高寬比模型之扭轉向基底扭矩頻譜(地況 C) ..................................................................................... 58 圖 3-22 基底平均及擾動風力係數之個別實驗誤 ............ 61 圖 4-1 不同高寬比橫風向風壓變化圖 .............................. 64 圖 4-2 不同高寬比下扭轉向彎矩變化圖 ......................... 65 圖 4-3 不同的深寬比對於橫風向基底剪力的影響 .......... 66 圖 4-4 不同的深寬比對於扭轉向扭矩變化 ...................... 66 圖 4-5 不同無因次頻率之橫風向風力圖 ......................... 67 圖 4-6 不同無因次頻率之扭轉向扭矩圖 ......................... 68 圖 4-7 ASCE7-05 提出基於順風向設計風力的四種風力組合 方式 .............................................................................. 71 圖 6-1 矩形建築物具有相同斷面積不同建築高度之頂樓角 隅加速度比較圖（阻尼比＝0.01） .............................. 97 圖 6-2 矩形建築物具有相同斷面積不同建築高度之頂樓角 隅加速度比較圖 （阻尼比＝0.01） ............................ 97 圖 6-3 矩形建築物具有相同斷面積不同建築高度之頂樓角 隅加速度比較圖 （阻尼比＝0.01） ............................ 98 圖 6-4 矩形建築物，高度為 50m，不同自然頻率之頂樓角隅 加速度比較圖（阻尼比＝0.01） .................................. 98. VI.
(9) 圖次. 圖 6-5 矩形建築物，高度為 50m，不同自然頻率之頂樓角隅 加速度比較圖（阻尼比＝0.01） .................................. 99 圖 6-6 矩形建築物，高度為 50m，不同自然頻率之頂樓角隅 加速度比較圖（阻尼比＝0.01） .................................. 99 圖 6-7 矩形建築物，高度為 50m，不同 L/B 之頂樓角隅加速 度比較圖 ...................................................................... 100 圖 6-8 矩形建築物，高度為 50m，不同 L/B 之頂樓角隅加速 度比較圖（只含共振部分風力） ................................. 100 圖 6-9 地況 C，矩形建築物斷面積為 600m 2 ，不同高度與斷 面深寬比 L/B 之頂樓角隅加速度比較圖 ..................... 101 圖 6-10 地況 C，矩形建築物斷面積為 600m 2 ，不同高度與 斷面深寬比 L/B 之頂樓角隅加速度比較圖（只含共振部分 風力） .......................................................................... 101 圖 7-1 深寬比 1/3、高寬比 3 及 6 之 MIDAS 結構模式 . 107 圖 7-2-1 深寬比 1/3 高寬比 6 地況 A 案例之順風向設計風載 重及其樓層剪力(資料來源：本研究整理) ................... 110 圖 7-2-2 深寬比 1/3 高寬比 3 地況 A 案例之順風向設計風載 重及其樓層剪力(資料來源：本研究整理) ................... 110 圖 7-3-1 深寬比 1/3 高寬比 6 地況 B 案例之順風向設計風載 重及其樓層剪力(資料來源：本研究整理) ................... 111 圖 7-3-2 深寬比 1/3 高寬比 3 地況 B 案例之順風向設計風載 重及其樓層剪力(資料來源：本研究整理) ................... 111 圖 7-4-1 深寬比 1/3 高寬比 6 地況 C 案例之順風向設計風載 重及其樓層剪力(資料來源：本研究整理) ................... 112 圖 7-4-2 深寬比 1/3 高寬比 3 地況 C 案例之順風向設計風載 重及其樓層剪力(資料來源：本研究整理) ................... 112 圖 7-5-1 高寬比 6 案例之橫風向設計風載重及其樓層剪力 （地況 A） ................................................................... 114 VII.
(10) 建築物耐風設計風載重條文之修訂研究. 圖 7-5-2 高寬比 3 案例之橫風向設計風載重及其樓層剪力 （地況 A） ................................................................... 114 圖 7-6-1 高寬比 6 案例之橫風向設計風載重及其樓層剪力 （地況 B） ................................................................... 115 圖 7-6-2 高寬比 3 案例之橫風向設計風載重及其樓層剪力 （地況 B） ................................................................... 115 圖 7-7-1 高寬比 6 案例之橫風向設計風載重及其樓層剪力 （地況 C） ................................................................... 116 圖 7-7-2 高寬比 3 案例之橫風向設計風載重及其樓層剪力 （地況 C） ................................................................... 116 圖 7-5-1 高寬比 6 案例之扭轉向設計風載重及其樓層扭矩 （地況 A） ................................................................... 118 圖 7-5-2 高寬比 3 案例之扭轉向設計風載重及其樓層扭矩 （地況 A） ................................................................... 118 圖 7-6-1 高寬比 6 案例之扭轉向設計風載重及其樓層扭矩 （地況 B） ................................................................... 119 圖 7-6-2 高寬比 3 案例之扭轉向設計風載重及其樓層扭矩 （地況 B） ................................................................... 119 圖 7-7-1 高寬比 6 案例之扭轉向設計風載重及其樓層扭矩 （地況 C） ................................................................... 120 圖 7-7-2 高寬比 3 案例之扭轉向設計風載重及其樓層扭矩 （地況 C） ................................................................... 120. VIII.
(11) 摘要. 摘要 關鍵詞：建築風力規範，設計風載重，風洞試驗 一、研究緣起 國 內 現 行 風 力 規 範 「 建 築 物 耐 風 設 計 規 範 及 解 說 」 於 95 年 9 月 頒 布，96 年 起 正 式 施 行。此 新 頒 布 規 範 在 風 力 計 算 方 面，除 設 計 風 速 及 風 場 特 性 外，多 參 照 美、日 等 先 進 國 家 之 風 力 規 範，內 容 較 以 往複 雜 許 多，而 各 國 針 對 設 計 風 力 之 規 定 亦 不 盡 相 同。因 此，內 政 部 建 築 研 究 所 在 95、 96 年 間 ， 針 對 建 築 物 所 受 之 風 力 進 行 規 範 比 較 與 風 洞 實 驗 研 究，企 圖 使 建 築 物 風 力 計 算 過 程 更 符 合 當 前 風 工 程 學 術 發 展 並 兼 顧 工 程 實 用 需 求。在 正 式 實 施 耐 風 設 計 規 範 的 一 年 中，建 研 所、風 工 程 學 會 與 其 他 學 術、工 程 界 曾 多 次 舉 辦 相 關 專 家 學 者 座 談 會，亦收 集 歸 納 實 務 應 用 之 問 題 點 與 未 臻 完 善 之 處，確 有 必 要 進 一 步 研 究 與探 討，並 轉 化 為 規 範 條 文 之 修 正 建 議 案。因 此，本 計 畫 延 續 前 述 研 究 成 果，針 對 耐 風 設 計 規 範 問 題 點 與 不 足 之 處 再 進 行 研 究，並 廣 徵 產 官學 界建言，期使規範更臻完善並確實可行。. 二、研究方法及過程. 對 於 風 力 計 算 模 式 及 風 洞 實 驗，本 計 畫 延 續 參 考 書 目 17 之 做 法， 增 加 風 洞 試 驗 之 典 型 建 築 物 形 式，以 確 實 涵 蓋 規 範 適 用 之 範 圍，並持 續進行風洞實驗數據之歸納整理，尋找出各參數簡易且準確之經驗 式 。 本 計 畫 並 以 參 考 書 目 17 所 推 導 之 風 力 計 算 式 為 基 礎 ， 持 續 整 合 修 正 風 力 計 算 式，研 擬 適 於 工 程 實 務 應 用 的 風 力 計 算 方 法。本 計 劃針 對 廠 房 建 築 之 橫 風 向 與 扭 轉 向 風 載 重，則 以 美、日 最 新 風 力 規 範 為依 據，配 合 國 內 工 程 環 境，提 出 適 當 的 修 正 方 案。對 於 建 築 物 外 風 壓係. IX.
(12) 建築物耐風設計風載重條文之修訂研究. 數 與 風 力 係 數，則 選 取 美、日、澳 等 風 工 程 先 進 國 家 之 最 新 風 力 規 範， 與「 建 築 物 耐 風 設 計 規 範 及 解 說 」中 相 關 條 文 進 行 比 較，做 為 條 文修 訂 之 依 據。而 在 屋 頂 側 向 加 速 度 方 面，本 計 畫 以 參 考 書 目 17 為 基 礎 ， 分 析 各 種 條 件 下 之 中 低 樓 層 側 向 加 速 度，以 評 估 不 需 進 行 加 速 度 檢 核 之最低樓層高度。. 三、重要發現 本研究案之具體成果如下： (1) 風 力 計 算 模 式 及 風 洞 實 驗 本 計 畫 延 續 參 考 書 目 17 之 成 果 ， 增 加 風 洞 試 驗 之 典 型 建 築 物 形 式，確 實 涵 蓋 規 範 適 用 之 範 圍。實 驗 結 果 將 可 作 為 本 文 風力計算式之簡化，並提供做為風力資料庫之基本數據。另 外，本計畫提出二種較為簡易之模式以求得準確的設計風載 重：設計風力資料庫以及查表法。. (2)廠 房 建 築 之 橫 風 向 與 扭 轉 向 風 載 重 考慮廠房建築在使用國內風力規範之橫風向與扭轉向風 載 重 時 之 適 用 性，經 本 文 以 案 例 研 究，國 內 現 行 風 力 規 範「 建 築 物 耐 風 設 計 規 範 及 解 說 」2.10 節 建 議 可 做 以 下 修 訂：「 當 建 築 物 近 似 規 則 矩 形 柱 體，且 滿 足 2≦ h/√ BL≦ 6，0.1≦ L/B≦ 5， fa√ BL/Vh≦ 1.0 時 ， 得 依 照 2.2 節，2.10 節，2.11 節 之 風 力 計 算 式 分 別 計 算 建 築 物 同 時 受 到 順 風 向 風 力、橫 風 向 風 力 與 扭 矩 的 作 用 」。同 時 建 議 國 內 規 範 可 增 列 下 述 風 載 重 計 算 方 式：「當 建 築 物 符 合 下 列 條 件 之 一 者 ： 1.建 築 物 高 寬 比 h/√ BL≦ 2； 2. 建 築 物 高 度 小 於 50 公 尺，且 高 寬 比 h/√ BL≦ 3。建 築 物 之 設 計 風 力 組 合 得 依 照 本 文 建 議 之 ASCE7-05 風 力 組 合 計 算 之 」 。. X.
(13) 摘要. (3)建 築 物 外 風 壓 係 數 與 風 力 係 數 本 文 比 較 各 國 最 新 風 力 規 範 相 關 之 條 文，整 理 出 其 與 國 內 規 範 之 異 同 處 ，並 節 錄 ASCE7-05 中 實 用 性 較 高 且 國 內 規 範 並 未 明 列 或 不 足 之 構 造 物 ， 包 括 1. 封 閉 或 部 分 封 閉 式 建 築 物 之 屋 頂，增 加 單 斜 式 屋 頂 及 雙 軸 對 稱 之 拱 形 屋 頂 之 風 壓 係 數； 2. 開 放 式 建 築 物 之 屋 頂 ， 增 加 山 脊 開 放 式 屋 頂 (pitched free roof) 及 凹 槽 開 放 式 屋 頂 (troughed free roof)之 風 壓 係 數，並 改 變 風 力 分 布 形 式 ， 將 原 有 之 風 力 係 數 C f 改 為 淨 風 壓 係 數 CN 。. (4)修 正 屋 頂 側 向 加 速 度 計 算 式 與 評 估 標 準 對 於 高 度 較 低 之 中 低 層 建 築 物，其 因 風 力 造 成 側 向 加 速 度 振 動 之 不 舒 適 度，較 不 常 見。為 降 低 結 構 設 計 者 在 進 行 類 似 建 築 物 結 構 分 析 時 之 負 荷，根 據 本 文 研 究 結 果 顯 示，在 現 有 風 力 規 範 架 構 之 下 ， 建 築 物 高 度 在 50 公 尺 以 下 ， 位 於 都 市 或 鄉 鎮 地 況（ 地 況 A，B）；或 是 建 築 物 高 度 在 30 公 尺 以 下，位 於 平 坦 開 闊 地 況（ 地 況 C），其 頂 樓 振 動 加 速 度 應 無 超 過 舒 適 度 容 許值之慮，可建議免除該項耐風設計之檢核。. 四、主要建議事項 根據本文今年度之研究現況以及專家座談會審查委員之寶貴意 見，對於風力規範後續之相關研究與改進，本文提出下列建議： 建議一 修改現行風力規範部份條文：立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：行政院其他相關部會 根據本文之研究，提出下列風力規範之初擬修正條文，包. XI.
(14) 建築物耐風設計風載重條文之修訂研究. 括 ： 壹 、 規 範 「 第 二 章 建 築 物 風 力 之 計 算 」 ： 2.10 橫 風 向 之 風 力 、 2.11 作 用 在 建 築 物 上 之 扭 矩 、 2.12 建 築 物 設 計 風 力 組 合 之 一 、2.12(a) 建 築 物 設 計 風 力 組 合 之 二 ；貳 、規 範「 第 四 章 建 築 物 層 間 變 位 角 與 最 高 居 室 樓 層 側 向 加 速 度 之 控 制 」 ： 4.4 建 築 物 最高居室樓層側向加速度之計算。. 建議二 增 加 現 行 風 力 規 範 風 壓 及 風 力 係 數 之 構 造 物 形 式：立 即 可 行 建 議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：行政院其他相關部會 本 文 比 較 各 國 最 新 風 力 規 範 相 關 之 條 文，整 理 出 其 與 國 內 規 範 之 異 同 處 ， 並 節 錄 ASCE7-05 中 實 用 性 較 高 且 國 內 規 範 並 未 明 列 或 不 足 之 構 造 物。建 議 增 加 該 部 分 構 造 物 有 關 風 壓 風 力 係 數 之 數據，提升國內規範之使用性。. 建議三 風洞實驗數據之歸納整理：立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：行政院其他相關部會 風 洞 試 驗 結 果 須 經 過 詳 細 之 檢 核 與 整 理，方 能 成 為 規 範 條 文 之 ㄧ 部 分。惟 該 工 作 需 研 究 人 員 長 期 持 續 的 投 入，方 有 一 定 之 成 果。本 研 究 案 已 完 成 涵 蓋 國 內 現 行 規 範 限 制 條 件 下 之 大 部 分 風 洞 試 驗，建 議 持 續 進 行 風 洞 實 驗 數 據 之 歸 納 整 理，尋 找 出 各 相 關 參 數簡易且準確之經驗式。. 建議四 風力計算修正式之整合：立即可行建議. XII.
(15) 摘要. 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：行政院其他相關部會 本研究初擬之風力計算修正式，著重於提高分析之準確度， 因 而 存 在 著 較 為 繁 複 之 形 式。對 於 工 程 實 務 而 言，該 種 複 雜 形 式 之 風 力 計 算 式 尚 不 足 以 成 為 規 範 之 可 用 條 文。建 議 持 續 針 對 風 力 計算之修正式進行整合，降低型態之複雜性以得實用化之形式。. 建議五 訂定振動加速度舒適性標準：立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：行政院其他相關部會 國 內 目 前 並 無 足 夠 之 本 土 化 人 體 振 動 加 速 度 舒 適 性 資 料，現 行 風 力 規 範 中 有 關 數 據 是 整 理 國 外 相 關 文 獻 而 產 生。建 議 執 行 振 動 加 速 度 舒 適 性 標 準 之 人 體 實 驗 與 探 討 ， 建 構 本 土 化 之 數 據 庫， 進而提出相關規範之修正條文。. 建議六 建立本土化之風力規範：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：行政院其他相關部會 風力規範之內容需要與時俱進，在確保結構安全之前提下， 以更加經濟準確之方式設計結構抗風系統及其他受風影響之構 造 物。建 議 透 過 後 續 逐 年 之 計 畫 支 持，能 使 國 內 風 力 規 範 擺 脫 參 考 國 外 規 範 造 成 之 限 制，建 立 符 合 台 灣 人 文 自 然 環 境 特 性 之 本 土 化風力規範，並達國際上風工程先進國家之水準。. XIII.
(16) 建築物耐風設計風載重條文之修訂研究. ABSTRACT Key Words: Building Wind Code, Design Wind Load, Wind Tunnel Test The latest Specification for Building Wind Resistant Design was announced in September 2006 and became part of the official Building code since January 1 2007. Except for the design wind speed and wind profiles, the procedures for design wind loads are adopted from wind load. provisions. of. ASCE7. and. AIJ. recommendations.. On. the. considerations of the significantly difference between the new wind code and the old one, meetings and workshops had been held by several organizations to collect the review opinions and responses from the academic. community. and. structural. design. engineers.. Besides. continuing research works on some unfinished issues of the previous studies, one important aspect of this project is to study the wind code issues that raised by the practice building designers. This project has studied the latest building wind codes of USA and Japan and the current development in the international wind engineering community. The newly announced building wind code has been carefully re-accessed and compared with other wind codes. Additional external pressure and force coefficients for building and structures, that absent in the current Taiwan wind code, are listed in the report. In this project, systematic wind tunnel testing of the rectangular shaped building models in turbulent boundary layer were carried out to ensure sufficient building wind load data for the future wind code aerodynamic database. The analytical procedure for building design wind loads based on the wind tunnel investigation is proposed, which can be either tables and graphics oriented or database oriented. Amendments on the wind loads combinations for low-rise buildings which are not adequately covered in the present wind code are proposed. Building accelerations under wind loads were calculated for various building conditions, and then the exemption criteria of motion comfort evaluation was subsequently. XIV.
(17) 摘要. proposed. At the end of this report, design wind loads for prototype buildings are made to demonstrate the possible differences between the current wind code and the proposed modifications. Two workshops have been. organized. to. review. the. proposed. building. wind. code. modifications. In the 11 months time table, this project has carried out analytical and experimental investigations to fulfill the following aims: 1. Making clarification and amendments on some of the obscurity articles in the “specification of Building Wind Resistant Design”. 2. Proposing a practically feasible wind load calculation procedure that would reduce the difficulty of practice structural designers. 3. Design wind load examples to explain the proper use of building wind code. 4. Based on the aforementioned studies, recommendations are proposed for future building wind code revisions.. XV.
(18) 建築物耐風設計風載重條文之修訂研究. XVI.
(19) 第一章 緒論. 第一章 緒論 第一節 計畫緣起 台 灣 位 處 強 風 盛 行 地 區，因 此 建 築 物 在 進 行 結 構 分 析，風 力 部 分 占 有 相 當 重 要 之 地 位。對 於 大 跨 度 屋 頂 結 構 以 及 高 層 建 築 而 言，風力 甚 至 會 超 過 地 震 力，而 成 為 結 構 設 計 時 的 主 要 環 境 載 重。耐 風 設 計規 範 中 ， 對 設 計 風 力 有 重 要 影 響 的 參 數 有 三 類 ： (1)設 計 風 速 及 風 場 特 性 、 (2)風 壓 或 風 力 係 數 、 及 (3)陣 風 反 應 因 子 。 內 政 部 於 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 」 (參 考 書 目 15)中 ， 其 設 計 風 力 與 設 計 風 壓 之 相 關 規 定 與 計 算 式 ， 大 體 上 是 參 酌 美 國 ASCE 7-02 (2002) (參 考 書 目 1)之 內 容 ， 並 引 用 日 本 AIJ (1996) (參 考 書 目 3)對 於 橫 風 向 與 扭 轉 向 風 力 之 規 定 ， 研 擬 而 成。在 正 式 實 施 耐 風 設 計 規 範 的 一 年 中，建 研 所、風 工 程 學 會 與 其 他 學 術、工 程 界 曾 多 次 舉 辦 相 關 專 家 學 者 座 談 會，亦 收 集 歸 納 實 務 應用 之 問 題 點 與 未 臻 完 善 之 處。本 計 畫 將 針 對 耐 風 設 計 規 範 問 題 點 與 不 足 之 處 再 進 行 研 究，期 使 規 範 更 臻 完 善 並 確 實 可 行。此 外，美 國、日本 風力規範均隨風工程科技發展而持續研擬修訂中，我國亦當如此。 根 據 過 去 一 年 中 與 產 官 學 界 多 次 溝 通 座 談 所 彙 整 的 資 料，以 及 國 內 相 關 的 研 究 結 果，本 計 畫 擬 針 對 風 力 規 範 諸 多 條 文 中 的 下 列 四 項 進 行 進 一 步 的 研 究 並 提 出 修 正 方 案：(1)持 續 改 進 風 力 計 算 模 式，增 加 風 洞 實 驗 數 據，研 擬 適 於 工 程 實 務 應 用 的 風 力 計 算 方 法；(2)廠 房 建 築 之 橫 風 向 與 扭 轉 向 風 載 重 ； (3)建 築 物 外 風 壓 係 數 與 風 力 係 數 ； (4)修 正 屋頂側向加速度計算式與評估標準。. 1.
(20) 建築物耐風設計風載重條文之修訂研究. 第二節. 研究內容與方法. A、 持 續 改 進 風 力 計 算 模 式 ， 增 加 風 洞 實 驗 數 據 ， 研 擬 適 於 工 程 實 務 應用的風力計算方法 高 層 建 築 所 承 受 的 風 載 重 包 括 順 風 向、橫 風 向 及 扭 轉 向 三 組 同 時 作 用 的 風 力。順 風 向 風 力 其 學 理 較 為 明 確，藉 由 理 論 模 式 之 推 導，各 國 規 範 有 相 近 的 規 定。橫 風 向 及 扭 轉 向 風 力 則 源 自 渦 散 分 離 及 紊 流 尾 跡 等 現 象，因 其 學 理 較 為 複 雜，各 國 風 力 規 範 尚 無 一 致 之 規 定。參考 書 目 1 根 據 風 工 程 界 近 年 來 之 研 究 成 果 以 及 風 洞 試 驗 數 據，提 出 迎風 面與背風面之風力計算方式，組合出較佳之順風向設計風力計算式； 橫 風 向 及 扭 轉 向 風 力 則 是 利 用 先 進 的 表 面 風 壓 同 步 量 測 技 術，選 取深 寬 比 1/1、1/2、1/3、2/1、3/1 且 高 寬 比 為 3 及 6 之 五 種 矩 形 斷 面 柱 體 為 標 的 ， 以 現 行 規 範 定 義 之 地 況 A、 B、 C 為 逼 近 流 場 ， 藉 由 風 洞 實 驗建立本土化之風力風壓數據資料庫，做為未來規範修正之參考。 本 計 畫 擬 延 續 參 考 書 目 17，增 加 風 洞 試 驗 之 典 型 建 築 物 形 式，確 實 涵 蓋 規 範 適 用 之 範 圍，並 持 續 進 行 風 洞 實 驗 數 據 之 歸 納 整 理，尋找 出 各 參 數 簡 易 且 準 確 之 經 驗 式 。 本 計 畫 並 將 以 參 考 書 目 17 所 推 導 之 風 力 計 算 式 為 基 礎，持 續 整 合 修 正 風 力 計 算 式，研 擬 適 於 工 程 實 務應 用 的 風 力 計 算 方 法。然 而 一 般 而 言，無 法 同 時 滿 足 提 高 風 力 估 算 的精 準性與簡化風力計算式二項要求。由先進國家的耐風設計規範可知， 經 由 複 雜 的 計 算 式 以 求 得 更 準 確 的 設 計 風 載 重 是 一 項 共 同 的 趨 勢。因 此，本 計 畫 將 嘗 試 二 種 較 為 簡 易 之 模 式 以 求 得 準 確 的 設 計 風 載 重：設 計 風 力 資 料 庫 以 及 查 表 法。前 者 將 提 出 結 合 數 位 風 力 計 算 式 與 風 洞 試 驗 數 據 資 料 庫 的 應 用 模 式，使 用 者 能 夠 透 過 網 際 網 路 快 速 進 入 風 力 規 範 的 風 壓 係 數、風 力 係 數、風 力 頻 譜 等 數 據 資 料 庫，取 得 風 力 計 算所 需 之 各 項 風 力 參 數 並 由 數 位 風 力 計 算 式 取 代 複 雜 之 計 算 過 程。後 者則. 2.
(21) 第一章 緒論. 將 風 力 分 析 過 程 中 較 為 繁 雜 之 計 算 式，以 表 格 或 圖 表 方 式 詳 列 之，讓 使用者避免執行繁複而易發生錯誤之計算。. B、 廠 房 建 築 之 橫 風 向 與 扭 轉 向 風 載 重 「 建 築 物 耐 風 設 計 規 範 及 解 說 」中，其 設 計 風 力 與 設 計 風 壓 之 相 關 規 定 與 計 算 式，是 參 酌 美 國 ASCE 7-02 (2002) (參 考 書 目 1)之 內 容， 並 引 用 日 本 AIJ (1996) (參 考 書 目 3)對 於 橫 風 向 與 扭 轉 向 風 力 之 規 定 ， 研 擬 而 成 。 AIJ (1996)對 於 橫 風 向 與 扭 轉 向 風 力 是 根 據 風 洞 試 驗 數 據 彙 整 而 成 ， 其 計 算 式 有 下 列 的 適 用 先 決 條 件 ： (1)建 築 物 近 似 規 則 矩 形 柱 體 ， (2)滿 足 3 ≤ h/ BL ≤ 6 ， (3) 0.2 ≤ L / B ≤ 5 ， (4) f 0 BL /Vh ≤ 0.4 ， 其 中 f 0 為 建 築 物 橫 風 向 或 扭 轉 向 基 本 自 然 頻 率 。 然. 而 在 實 務 應 用 時，設 計 者 會 遇 到 大 型 廠 房 式 建 築，由 於 建 築 物 高 寬比 小 於 3， 不 滿 足 前 述 適 用 條 件 ， 因 此 規 範 無 法 提 供 恰 當 的 側 向 以 及 扭 轉 向 設 計 風 載 重。這 項 由 於 採 用 二 種 不 同 風 力 規 範 造 成 的 疏 漏 需 要 儘 速彌補，本計畫參考美、日最新風力規範，提出適當的修正方案。. C、 建 築 物 外 風 壓 係 數 與 風 力 係 數 雖 然 「 建 築 物 耐 風 設 計 規 範 及 解 說 」 主 要 內 容 是 參 酌 美 國 ASCE 7-02 (2002) (參 考 書 目 1)研 擬 訂 定 而 成 。 然 而 建 築 物 之 外 風 壓 係 數 與 風 力 係 數 屬 於 較 早 版 本 ， 並 未 確 實 反 應 ASCE 7-02 之 相 關 內 容 。 此 外 ， 紐 澳 風 力 規 範 (參 考 書 目 5)中 有 若 干 較 美 國 規 範 更 為 完 整 之 風 壓 風 力 係 數。因 此，本 計 畫 參 考 美、日、澳 等 國 最 新 風 力 規 範，修 訂 補 正「 建 築 物 耐 風 設 計 規 範 及 解 說 」中 之 建 築 物 外 風 壓 係 數 與 風 力 係 數。. D、 修 正 屋 頂 側 向 加 速 度 計 算 式 「 建 築 物 耐 風 設 計 規 範 及 解 說 」(參 考 書 目 15)中，對 於 建 築 物 最. 3.
(22) 建築物耐風設計風載重條文之修訂研究. 高 居 室 樓 層 之 尖 峰 側 向 加 速 度 所 提 出 之 簡 易 計 算 原 則，未 能 考 慮 半 年 回 歸 期 風 速 為 基 準 之 風 力 頻 譜 值 與 設 計 風 力 所 依 據 的 50 年 (100 年 )回 歸 期 風 速 之 風 力 頻 譜 值 的 差 異，直 接 調 整 設 計 風 速 所 得 的 結 果 與 正確 值 可 能 會 有 相 當 的 誤 差 ， 參 考 書 目 17 對 此 現 象 進 行 探 討 並 提 出 修 正 模 式。本 計 畫 將 以 此 為 基 礎，完 成 屋 頂 側 向 加 速 度 計 算 式 與 規 範 條 文 之 修 正。另 外，對 於 高 度 較 低 之 中 低 層 建 築 物，其 因 風 力 造 成 側 向加 速 度 振 動 之 不 舒 適 度，較 不 常 見。為 降 低 結 構 設 計 者 在 進 行 類 似 建築 物 結 構 分 析 時 之 負 荷，本 文 即 根 據 前 述 之 加 速 度 計 算 式，分 析 各 種條 件 下 之 中 低 樓 層 側 向 加 速 度，以 評 估 不 需 進 行 加 速 度 檢 核 之 最 低 樓層 高度。. 本 計 劃 之 研 究 方 法 及 過 程 包 括 下 列 數 項 （ 圖 1-1） ： 1.各 國 最 新 風 力 規 範 之 整 理 與 比 較 ； 2.風 力 計 算 模 式 之 再 修 正 及 簡 化 ； 3.高 層 建 築 等 值 設 計 風 載 重 之 風 洞 試 驗 ； 4.風 洞 試 驗 數 據 資 料 庫 ； 5.廠 房 建 築 之 橫 風 向 與 扭 轉 向 設 計 風 載 重 ； 6.外 風 壓 係 數 與 風 力 係 數 ； 7.評 估 高 層 建 築 最 高 居 室 樓 層 側 向 加 速 度 之 計 算 式 ； 8.應 用 案 例 。. 4.
(23) 第一章 緒論. . 開始 各國最新風力規範 之整理與比較. 風力計算模 式之再修正 及簡化. 高層建築 風洞試驗 風洞試 驗數據 資料庫. 評估高層 建築振動 加速度之 計算式. 廠房建築之 橫風向與扭 轉向設計風 載重補正. 第一次 專家 座談會 外風壓係 數與風力 係數修正. 第二次 專家 座談會. 應用案例. 提出風力規範條文修 結束. 圖 1-1 研 究 步 驟 (資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ). 5.
(24) 建築物耐風設計風載重條文之修訂研究. 第三節. 報告內容簡述. 本 報 告 根 據 所 列 研 究 內 容 及 方 法，針 對 研 究 所 得 結 果 作 以 下 各 章 節之探討，所探討內容逐次說明如下：. 第一章 緒論：對整份報告做一整體性概述； 第二章 等值設計風載重計算模式之再修正及簡化：概述去年度 已完成之順風向、橫風向及扭轉向設計風載重之推導過 程及初步修正條文，以及本年度預計對其進行修正及簡 化之方向； 第三章 高層建築設計風力之風洞試驗：介紹實驗內容、初步實 驗結果及風洞實驗數據資料庫； 第 四 章 廠 房 建 築 之 橫 風 向 與 扭 轉 向 設 計 風 載 重 ： 介 紹 ASCE 及 AIJ 橫 風 向 與 扭 轉 向 設 計 風 載 重 之 相 關 條 文 ； 第五章 建築物外風壓係數與風力係數：概述風力規範先進國家 風力風壓係數之完整性及與國內規範之比較； 第六章 最高居室樓層側向加速度：概述去年度已完成之側向加 速度推導過程及初步修正條文，提出加速度之計算修正 式，並檢討中低樓層建築物之側向加速度，評估不需進 行加速度檢核之最低樓層高度； 第七章 應用案例：針對樓高較高之高層建築與樓高較低之廠房 建 築 二 種，以 本 研 究 提 出 之 風 力 載 重 計 算 方 式 進 行 分 析； 第八章 風力規範修正條文初擬：根據本文研究，針對國內現行 風力規範提出初擬之修正條文； 第九章 結論與建議. 6.
(25) 第二章 等值設計風載重計算模式之再修正及簡化. 第二章 等值設計風載重計算模式之再修正及簡化 高 層 建 築 等 值 靜 態 風 載 重 評 估 模 式 區 分 為 順 風 向、橫 風 向 及 扭 轉 向三個方向，其中順風向風力是由風速壓與逼近流的紊流特性所決 定，根 據 現 有 理 論 配 合 少 數 風 洞 實 驗 數 據 即 可 有 效 預 測。橫 風 向 及扭 轉 向 風 力 發 生 之 原 因，則 源 自 渦 散 分 離 及 紊 流 尾 跡 等 現 象 所 產 生 之 橫 向 不 平 衡 風 壓 及 不 對 稱 風 壓。因 為 發 生 機 制 複 雜，這 兩 種 風 力 形 式目 前 沒 有 簡 易 有 效 之 理 論 能 加 以 模 擬。ㄧ 般 而 言，較 簡 單 可 行 之 方 式是 針 對 特 定 幾 何 形 狀 之 建 築 物 進 行 風 洞 試 驗，量 取 其 橫 風 向 及 扭 轉 向風 力 頻 譜 進 行 迴 歸 分 析 以 得 一 經 驗 公 式，也 因 此 其 適 用 性 亦 受 到 風 洞 試 驗模型幾何形狀之限制。 內 政 部 建 築 研 究 所 96 年 度 委 託 研 究 報 告 「 高 層 建 築 耐 風 設 計 風 力 頻 譜 與 風 載 重 之 修 訂 研 究 」(參 考 書 目 17)，根 據 風 工 程 界 近 年 來 之 研 究 成 果 以 及 風 洞 試 驗 數 據，已 提 出 初 步 之 風 載 重 修 正 模 式。在 順風 向 設 計 風 載 重 方 面，因 應 迎 風 面 與 背 風 面 風 力 形 成 原 因 之 差 異，提出 個 別 計 算 迎 風 面 與 背 風 面 風 力 之 分 析 模 式，組 合 出 較 佳 之 順 風 向 設計 風 力 計 算 式；並 令 等 值 靜 態 風 載 重 有 關 擾 動 風 力 共 振 部 份 在 空 間 上 之 分佈，與慣性力分布方式相同。在橫風向及扭轉向設計風載重方面， 則 是 利 用 先 進 的 表 面 風 壓 同 步 量 測 技 術，選 取 深 寬 比 1/1、1/2、1/3、 2/1、 3/1 且 高 寬 比 為 3 及 6 之 五 種 矩 形 斷 面 柱 體 為 標 的 ， 以 現 行 規 範 定 義 之 地 況 A、 B、 C 為 逼 近 流 場 ， 藉 由 風 洞 實 驗 建 立 本 土 化 之 風 力 風壓數據資料庫，做為未來規範修正之參考。 在 上 述 設 計 風 載 重 初 擬 條 文 中 ， 順 風 向 條 文 之 CW 、 Cl 、 λQ 、. χ R ( f n ) 、 Su∗ ( f n ) 等 參 數 及 橫 風 向 條 文 之 λL 、 CL' ( z ) 、 S F ( f a ) 等 參 數 ( 扭 轉 L. 向 亦 同 )， 並 未 完 成 風 洞 試 驗 數 據 經 驗 式 之 回 歸 與 整 理 ， 仍 須 依 據 更 完整之風洞試驗資料及後續之分析，以求得簡易可靠之迴歸經驗式。. 7.
(26) 建築物耐風設計風載重條文之修訂研究. 本 年 度 有 關 該 部 分 之 研 究 內 容 即 在 於 延 續 96 年 案 ( 參 考 書 目. 17) ， 規 劃 更 大 範 圍 之 風 洞 試 驗 ， 增 加 更 多 之 典 型 建 築 物 形 式 ( 詳 見 本 文 之 風 洞 試 驗 一 節 )， 以 確 實 涵 蓋 目 前 國 內 風 力 規 範 適 用 之 範 圍 。 同 時 針 對 上 述 各 設 計 風 載 重 初 擬 條 文 之 參 數，持 續 進 行 與 其 相 關 之 風洞 實驗數據之歸納整理，嘗試尋找出各參數簡易且準確之經驗式。 本 計 畫 並 將 以 參 考 書 目 17 所 推 導 之 風 力 計 算 式 為 基 礎 ， 繼 續 整 合 修 正 風 力 計 算 式，研 擬 適 於 工 程 實 務 應 用 的 風 力 計 算 方 法。然 而一 般 而 言，無 法 同 時 滿 足 提 高 風 力 估 算 的 精 準 性 與 簡 化 風 力 計 算 式 二項 要 求。由 先 進 國 家 的 耐 風 設 計 規 範 可 知，求 得 準 確 的 設 計 風 載 重 是 一 項 共 同 的 趨 勢，因 而 很 難 以 簡 單 計 算 式 處 理 複 雜 的 鈍 體 空 氣 動 力 學 問 題。因 此，本 計 畫 將 嘗 試 二 種 較 為 簡 易 之 模 式 以 求 得 準 確 的 設 計 風載 重：設 計 風 力 資 料 庫 以 及 查 表 法。前 者 將 提 出 結 合 數 位 風 力 計 算 式與 風 洞 試 驗 數 據 資 料 庫 的 應 用 模 式，後 者 則 將 風 力 分 析 過 程 中 較 為 繁雜 之 計 算 式，以 表 格 或 圖 表 方 式 詳 列 之，讓 使 用 者 避 免 執 行 繁 複 而 易 發 生錯誤之計算。. 8.
(27) 第二章 等值設計風載重計算模式之再修正及簡化. 第一節 順風向設計風力 根 據 內 政 部 建 築 研 究 所 96 年 度 委 託 研 究 報 告 「 高 層 建 築 耐 風 設 計 風 力 頻 譜 與 風 載 重 之 修 訂 研 究 」 ( 參 考 書 目 17)，初 擬 之 順 風 向 設 計 風載重修正模式如下：. 矩 形 斷 面 建 築 物 z 處 高 度 順 風 向 風 力 D( z ) ， 計 算 如 下 ：. D ( z ) = G ( z ) FD ( z ). (2-1). z 高 度 處 之 平 均 風 力 FD ( z ) 依 下 式 計 算 ： z 2α FD ( z ) = q( H )W Cw + Cl H . (2-2). z 高 度 處 之 陣 風 反 應 因 子 G( z) 依 下 式 計 算 ： 2 2 2β z α π f n χ R ( f n ) Su∗ ( f n ) 2 z 2 λQ CW + Cl + ( 2 β + 1) 4ξ H H G( z) = 1 + gD 2 I Z 2α z CW + Cl H. 1. 2. (2-3). 其中，. q( H ) ：建 築 物 高 度 H 處 之 風 速 壓； W：建 築 物 寬 度； α ：相 較 於 10 分 鐘 平 均 風 速 之 垂 直 分 布 法 則 的 指 數 ； CW 、 Cl ： 分 別 為 迎 風 面 之 正 風 壓 以 及 背 風 面 之 負 風 壓 平 均 風 壓 係 數； g D ：順 風 向 振 動 之 尖 峰 因 子 ； β ： 結 構 順 風 向 基 本 振 態 指 數 φ ( z) = ( z / H )β ； fn ： 結 構 順 風 向 基 本 振 態 頻 率 (Hz)； I Z ：等 效 結 構 高 度 z 位 置 之 逼 近 流 場 紊 流 強 度 ； z ： 等 效 結 構 高 度 ； χR ( fn ) ： 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； λQ ：相 關 性 折 減 因. 9.
(28) 建築物耐風設計風載重條文之修訂研究. 子 ； Su∗ ( f n ) ： 對 應 於 結 構 順 風 向 基 本 振 態 頻 率 f n 之 正 規 化 風 速 頻 譜 值，本 文 選 取 von Karman/Harris 頻 譜，其 正 規 化 形 式 表 示 如 下：. f ⋅ Su ( f ). Su* ( f ) =. σ u2. f ⋅ lu 4 U . =. 5. 2 6 f ⋅ lu 1 + 70.8 U . Su ( f ) 為 u 向 風 速 頻 譜， f 為 頻 率 (Hz)， σ u 為 u 向 擾 動 風 速 之 均 方 根 值 (m/s)， lu 為 u 向 長 度 尺 度 (m)，本 文 採 取 國 內 規 範 之 定 義， U 為 u 向 平 均 風 速 (m/s) 。 共 振 部 份 之 氣 動 力 阻 抗 函 數 （ admittance function ） χ R ( f ). [. χ R ( f ) = J x ( f ) CW2 J 1z ( f ) + 2CW Cl J z2 ( f ) N ( f ) + Cl2 J z3 ( f ). J 1z ( f ) =. 1 H2. J z2 ( f ) =. 1 H2. H. ∫ ∫. H. H. H. 0. 0. 0. 0. ∫ ∫. α +β. z Rz (∆z, f ) 1 H . α +β. z Rz (∆z , f ) 1 H . β. ]. (2-4). α +β. z2 H . dz1dz2 β. z2 dz1dz2 H . (2-5). β. 1 H H z z Rz (∆z , f ) 1 2 dz1dz2 2 ∫0 ∫0 H H H 1 W W J x ( f ) = 2 ∫ ∫ Rx (∆x, f )dx1dx2 W 0 0. J z3 ( f ) =. 其 中 ， Rz (∆z , f ) 、 Rx (∆x, f ) ： z 軸 與 x 軸 之 coherence function ；. N ( f ) ：背 風 面 與 迎 風 面 之 間 的 coherence function ( 參 考書 目 8 、 9 、 10) 。 分 列 如 下 ：. 10.
(29) 第二章 等值設計風載重計算模式之再修正及簡化. 1. N( f ) =. η. −. 1 (1 − e−2η ) , η = CUN2 fD 2η 2 3H. fC z − z Rz ( ∆z, f ) = exp − z 1 2 UH . (2-6). fC x − x Rx ( ∆x, f ) = exp − x 1 2 UH . 其 中 ， f 為 頻 率 (Hz) ， U H 、 U 2 H / 3 為 建 築 物 高 度 H 及 2H/3 處 之 平 均 風 速， D 為 特 徵 尺 度， C N 、 C X 、 CZ 為 相 關 函 數 無 因 次 係 數 ， Solari 等 建 議 分 別 為 15.4 、 11.5 、 11.5 。. λQ 為 相 關 性 折 減 因 子（ correlation reduction factor ），表 示 如 下 ：. λ. 2 Q. ∫ = ∫. ∞. 0 ∞ 0. SQ ( f )df. (2-7). SQ∗ ( f )df. 其 中 ， SQ∗ ( f ) 是 假 設 空 間 相 關 性 為 完 全 相 關 所 推 導 而 得 之 基 底 剪 力 頻 譜：. ∗ 2 CW2 2CW Cl 2 + + SQ∗ ( f ) = ( ρU H2 WHI Z ) C l Su ( f ) 2 1+α (1 + α ) . (2-8). SQ ( f ) 為 考 慮 相 關 性 之 順 風 向 基 底 剪 力 頻 譜 ： S Q ( f ) = ( ρ U H2 WHI Z ) S u∗ ( f ) χ B ( f ) 2. (2-9). 其中， χB ( f ) ：背景部份（基底剪力）之氣動力阻抗函數. 11.
(30) 建築物耐風設計風載重條文之修訂研究. [. ~. ~. ~. χ B ( f ) = J x ( f ) CW2 J z1 ( f ) + 2CW Cl J z2 ( f ) N ( f ) + Cl2 J z3 ( f ) 1 ~ J z1 ( f ) = 2 H. H. H. 0. 0. ∫ ∫. α. α. z z Rz (∆z , f ) 1 2 dz1dz2 H H α. ]. 1 H H ~ z J z2 ( f ) = 2 ∫ ∫ Rz (∆z , f ) 1 dz1dz2 H 0 0 H 1 H H ~ J z3 ( f ) = 2 ∫ ∫ Rz (∆z , f )dz1dz2 H 0 0. (2-10). 上 述 條 文 中 之 CW 、 Cl 、 λQ 、 χ R ( f n ) 、 Su∗ ( f n ) 等 參 數 須 依 據 更 完 整 之 風 洞 試 驗 資 料 及 後 續 之 分 析，以 求 得 簡 易 可 靠 之 迴 歸 經 驗 式，做為 最終之規範條文修正式。. 12.
(31) 第二章 等值設計風載重計算模式之再修正及簡化. 第二節 橫風向及扭轉向設計風力 A. 橫 風 向 設 計 風 載 重 計 算 式 根 據 內 政 部 建 築 研 究 所 96 年 度 委 託 研 究 報 告「 高 層 建 築 耐 風 設 計 風 力 頻 譜 與 風 載 重 之 修 訂 研 究 」 ( 參 考 書 目 17)，初 擬 之 橫 風 向 設 計 風 載重修正模式如下： 矩 形 斷 面 建 築 物 z 處 高 度 橫 風 向 風 力 WL ( z ) ， 計 算 如 下 ：. WL ( z ) = g L FL2,B ( z ) + FL2,R ( z ). (2-11). z 處 高 度 之 擾 動 風 力 背 景 部 份 FL ,B ( z ) 依 下 式 計 算 ： FL ,B ( z ) = q( H )λLCL' ( z ) D. (2-12). z 處 高 度 之 擾 動 風 力 共 振 部 份 FL ,R ( z ) 依 下 式 計 算 ： 1 FL ,R ( z ) = ( 2 β + 1) H. 1. β 2 z π f a S FL ( f a ) 4ξ H . (2-13). 其中， g L ：橫 風 向 振 動 之 尖 峰 因 子； q( H ) ：建 築 物 高 度 H 處 之 風 速 壓 ；. λL ： 擾 動 昇 力 係 數 CL' ( z ) 之 空 間 相 關 性 修 正 因 子 ； CL' ( z ) ： 高 度 z 處 未 考 慮 空 間 相 關 性 之 擾 動 昇 力 係 數 ； D： 建 築 物 深 度 ； β ： 結 構 橫 風 向 基 本 振 態 指 數 φ ( z ) = ( z / H ) β ； H：建 築 物 總 高 度； f a ：建 築 物 橫 風 向 振 動 之 自 然 頻 率 ； ξ ： 結 構 阻 尼 比 ； S FL ( 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。. λL 為 擾 動 昇 力 係 數 CL' ( z ) 之 空 間 相 關 性 修 正 因 子 ， 表 示 如 下 ：. λL =. FL' _ base. ∫. H. 0. FL' ( z )dz. (2-14). 13.
(32) 建築物耐風設計風載重條文之修訂研究. 其 中 ， FL' ( z ) ： 高 度 z 處 未 考 慮 空 間 相 關 性 之 擾 動 昇 力 ； FL' _ base ： 考慮空間相關性之基底擾動昇力。 上 述 條 文 中 之 λL 、 CL' ( z ) 、 S FL ( f a ) 等 參 數 須 依 據 更 完 整 之 風 洞 試驗 資 料 及 後 續 之 分 析，以 求 得 簡 易 可 靠 之 迴 歸 經 驗 式，做 為 最 終 之 規範 條文修正式。. B. 扭 轉 向 設 計 風 載 重 計 算 式 根 據 內 政 部 建 築 研 究 所 96 年 度 委 託 研 究 報 告「 高 層 建 築 耐 風 設 計 風 力 頻 譜 與 風 載 重 之 修 訂 研 究 」 ( 參 考 書 目 17)，初 擬 之 扭 風 向 設 計 風 載重修正模式如下： 矩 形 斷 面 建 築 物 z 處 高 度 扭 轉 向 風 力 WT ( z ) ， 計 算 如 下 ：. WT ( z ) = gT FT2,B ( z ) + FT2,R ( z ). (2-15). z 處 高 度 之 擾 動 風 力 背 景 部 份 FT ,B ( z ) 依 下 式 計 算 ： FT ,B ( z ) = q( H )λT CT' ( z ) BD. (2-16). z 處 高 度 之 擾 動 風 力 共 振 部 份 FT ,R ( z ) 依 下 式 計 算 ： 1. β 1 z π f t S FT ( f t ) 2 FT ,R ( z ) = ( 2 β + 1) H H 4ξ . (2-17). 其中， gT ：扭 轉 向 振 動 之 尖 峰 因 子； q( H ) ：建 築 物 高 度 H 處 之 風. 速 壓 ； λT ： 擾 動 扭 力 係 數 CT' ( z ) 之 空 間 相 關 性 修 正 因 子 ；. CT' ( z ) ： 高 度 z 處 未 考 慮 空 間 相 關 性 之 擾 動 扭 力 係 數 ； D ： 建 築 物 深 度； B ：建 築 物 寬 度； β ：結 構 扭 轉 向 基 本 振 態 指 數 φ ( z) = ( z / H )β ； H： 建 築 物 總 高 度 ； ft ： 建 築 物 扭 轉 向 振. 14.
(33) 第二章 等值設計風載重計算模式之再修正及簡化. 動 之 自 然 頻 率； ξ ：結 構 阻 尼 比； S FT ( 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。. λT 為 擾 動 扭 力 係 數 CT' ( z ) 之 空 間 相 關 性 修 正 因 子 ， 表 示 如 下 ：. λT =. FT' _ base. ∫. H. 0. FT' ( z )dz. (2-18). 其 中 ， FT' ( z ) ： 高 度 z 處 未 考 慮 空 間 相 關 性 之 擾 動 扭 力 ； FT' _ base ： 考慮空間相關性之基底擾動扭力。 條 文 中 之 λT 、 CT' ( z ) 、 S FT ( f t ) 等 參 數 須 依 據 更 完 整 之 風 洞 試 驗 資 料 及 後 續 之 分 析，以 求 得 簡 易 可 靠 之 迴 歸 經 驗 式，做 為 最 終 之 規 範 條文 修正式。. 15.
(34) 建築物耐風設計風載重條文之修訂研究. 第三節 等值設計風載重計算模式之簡化 近 年 風 工 程 的 發 展，使 我 們 得 以 更 清 楚 的 掌 握 複 雜 的 建 築 風 工 程 問 題。由 學 理 的 發 展 來 看，很 難 以 簡 單 計 算 式 處 理 複 雜 的 鈍 體 空 氣 動 力 學 問 題。綜 觀 先 進 國 家 的 耐 風 設 計 規 範 可 知，求 得 準 確 的 設 計 風載 重 是 一 項 共 同 的 趨 勢，我 國 當 然 不 可 以 無 視 國 際 趨 勢，閉 門 造 車，一 味 以 算 式 簡 易 為 最 高 原 則。然 而，建 築 規 範 的 存 在 是 為 了 提 供 一 般建 築 結 構 設 計 者 的 需 求，也 不 可 無 視 於 設 計 者 所 面 臨 風 力 計 算 式 日 益 複 雜 的 困 境。因 此，本 計 畫 將 嘗 試 二 種 較 為 簡 易 之 模 式 以 求 得 準 確 的設 計 風 載 重：設 計 風 力 資 料 庫 以 及 查 表 法。前 者 將 提 出 結 合 數 位 風 力 計 算 式 與 風 洞 試 驗 數 據 資 料 庫 的 應 用 模 式，使 用 者 能 夠 透 過 網 際 網 路 快 速 進 入 風 力 規 範 的 風 壓 係 數、風 力 係 數、風 力 頻 譜 等 數 據 資 料 庫，取 得風力計算所需之各項風力參數並由數位風力計算式取代複雜之計 算 過 程。後 者 則 將 風 力 分 析 過 程 中 較 為 繁 雜 之 計 算 式，以 表 格 或 圖表 方式詳列之，讓使用者避免執行繁複而易發生錯誤之計算。. A. 設 計 風 力 資 料 庫 系 統 初 步 架 構 及 該 系 統 內 之 設 計 風 力 計 算 流 程 如 圖 2-1~2-3 所 示。目 前 對 於 前 述 建 築 物 設 計 風 力 資 料 庫 系 統 的 初 步 操 作 構 想 包 括 下 列 步 驟： 1. 當 使 用 者 登 入 系 統 後，依 據 系 統 的 提 示，輸 入 適 當 的 建 築 物 與 地 況 相 關 資 料；2. 當 系 統 收 集 到 足 夠 的 資 訊，將 開 始 進 一 步 將 收 集 到 的 資 料 依 據 流 場、高 寬 比、深 寬 比 等 處 理 比 較；3. 再 根 據 系 統 評 估比較後的資料來提取實驗數據資料庫以及實場數據資料庫中的風 壓 係 數、風 力 係 數、風 力 頻 譜 等 數 據；4. 之 後 由 數 位 風 力 計 算 式 來 求 得 設 計 風 力；5. 透 過 人 性 化 之 介 面 輸 出 設 計 風 力 及 計 算 過 程 使 用 之實 驗參數等資料予使用者。. 16.
(35) 第二章 等值設計風載重計算模式之再修正及簡化. 本 計 畫 的 專 家 系 統 建 議 可 採 用 以 MS Windows 2003 Server 的 IIS 為 架 設 平 台，該 平 台 容 易 與 專 家 系 統 整 合，且 方 便 應 用 其 他 分 析 的程 式 來 協 助 處 理 資 料，使 許 多 的 後 處 理 程 式 可 以 直 接 執 行 運 算，管 理的 介面比較容易使用，不會有複雜的指令；實驗數據資料庫建議採用. MS SQL Server 來 架 設，該 資 料 庫 系 統 與 MS Windows 2003 Server 平 台 完 全 相 容，且 可 以 透 過 ODBC 等 介 面 來 存 取 資 料，且 支 援 網 路 方 式 存 取 資 料，可 以 使 實 驗 的 資 料 迅 速 的 儲 存 於 資 料 庫 並 可 以 直 接 提 取 使 用，操 作 方 式 如 同 MS Windows 2003 Server ，不 需 要 複 雜 的 指 令 即 可 使用。. 輸入建築物相關資料→ ←取得各樓層計算風力 輸入相關資料. 輸入建物 相關資料. 流場、高寬比、深寬比等相關資料→ ←Cw、Cl、N(f)..等相關函數 風力實驗資料庫. 防火牆 運算伺服器. 推算比較 1. 流場 2.高寬比 3. 深寬比. 由資料庫取 得相關參數. 實驗 資料庫. XR(f) λQ. 各樓層順風向設計風力. CL’(Z) SFL(f) λL. 各樓層橫風向設計風力. CT’(Z) SFT(f) λT. 各樓層扭轉向設計風力. 圖 2-1 風 洞 試 驗 數 據 資 料 庫 及 系 統 架 構 示 意 圖 (資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ). 17.
(36) 建築物耐風設計風載重條文之修訂研究. 順風向風力 流程 建物相關資料 流場. 高寬比. 深寬比. 風力係數 CW. 相關函數 Cl. N(f). 氣動力阻 抗係數 XR(f). RX(Δx,f). RZ(ΔZ,f). 相關性折 減因子 λQ. 可計算順風向 各樓層設計風力. 圖 2-2 順 風 向 設 計 風 力 流 程 (資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ) 橫風向、扭轉向 設計風力流程 建物相關資料 流場. 高寬比. 深寬比. CL’(z). CT’(z). SFL(f). SFT(f). λL(f). λT(f). 可計算橫風向 各樓層設計風力. 可計算扭轉向 各樓層設計風力. 圖 2-3 橫 風 向 及 扭 轉 向 設 計 風 力 流 程 (資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ). 18.
(37) 第二章 等值設計風載重計算模式之再修正及簡化. 針 對 上 述 之 風 力 載 重 資 料 庫，此 處 以 一 實 際 案 例 說 明 程 式 之 流 程 以及輸出、輸入之參數。 以 一 棟 位 於 台 中 市 中 心 、 高 度 180m 之 高 層 建 築 為 例 ， 令 其 寬 度 為 80m ， 深 度 為 32m ， 順 風 向 振 動 之 第 一 振 態 頻 率 為 0.2Hz ， 阻 尼 比 為 0.01 ， 振 態 指 數 β=1.0( φ ( z ) = ( z / H ) β ) ， 假 設 該 處 為 地 況 A ， 台 中 市 基 本 設 計 風 速 為 32.5m/s ， 求 其 各 樓 層 設 計 風 力 。 系 統 一 開 始 會 有 輸 入 介 面，會 提 示 使 用 者 需 要 輸 入 系 統 所 需 的 資 料 ， 包 括 1. 建 築 物 幾 何 資 料 ， 包 括 高 度 ( 輸 入 180) 、 寬 度 ( 輸 入 80) 、 深 度 ( 輸 入 32) ； 2. 結 構 動 力 特 性 資 料 ， 包 括 順 風 向 振 動 之 第 一 振 態 頻 率 ( 輸 入 0.2) 、 阻 尼 比 ( 輸 入 0.01) 、 振 態 指 數 ( 輸 入 1.0) ； 3. 流 場 性 質 ， 包 括 建 築 物 所 在 位 置 地 況 ( 輸 入 A) 及 其 基 本 設 計 風 速 ( 輸 入 32.5) 。 跟 著 系 統 的 提 示，將 所 有 的 資 料 都 輸 入 後，系 統 會 將 使 用 者 所 輸 入 的 資 料 讓 使 用 者 再 次 檢 核，如 果 資 料 輸 入 無 誤，系 統 將 會 提 示 使 用 者 進入 下 一 個 階 段 的 確 認，當 使 用 者 按 下 確 認 後，系 統 將 會 計 算 出 目 標 建物 的 高 寬 比 為 3.56 ， 深 寬 比 為 0.4 ， 地 況 為 A ， 然 後 將 這 些 資 料 送 到 資 料庫進行比對，尋找出與目標接近的實驗資料數據或實場資料數據， 然 後 將 這 些 資 料 回 傳 到 系 統 進 行 下 一 個 步 驟，當 系 統 取 得 由 資 料 庫 回 傳 的 各 項 資 料 後，先 判 斷 該 資 料 與 目 標 相 似 度，如 果 極 度 相 似 將 直接 使 用 提 取 回 來 的 資 料 來 進 行 下 一 步 驟，反 之 則 將 資 料 傳 到 內 差 計 算 程 式，該 程 式 從 由 資 料 庫 中 取 得 的 資 料 加 以 內 差 計 算 求 得 目 標 建 物 所 需 要 的 風 力 係 數 ( Cdw 、 Cdl ) 與 相 關 係 數 ( C N 、 C xw 、 C xl 、 C z ) 後 ， 回 傳 給 系 統 。 本 案 例 之 建 築 物 高 寬 比 3.56 介 於 資 料 庫 原 始 資 料 高 寬 比 之 3 與 4 之 間，深 寬 比 0.4 介 於 資 料 庫 原 始 資 料 高 寬 比 之 1/2 與 1/3 之 間， 並 未 符 合 資 料 庫 之 原 始 設 定，因 此 程 式 以 二 維 線 性 內 插 計 算 本 案 高寬 比、深 寬 比 對 應 之 前 述 各 項 係 數，包 括 風 力 係 數 ( Cdw = 0.611、Cdl = 0.673 ) 與 相 關 係 數 ( C N = 57.64 、 C xw = 7.26 、 C xl = 20.59 、 C z = 5.15 )。當 系 統 得. 19.
(38) 建築物耐風設計風載重條文之修訂研究. 2-1~ 到 了 風 力 係 數 與 相 關 係 數 後，將 資 料 往 下 一 步 驟 傳 送，到 了 第 三 階段，計算該建築物順風向各樓層設計風力所需要的資料皆已取得， 第三階段的程式將這些資料加以計算分析後，可得氣動力阻抗係數. χ R ( f 0 = 0.2) = 0.0238 及 相 關 性 折 減 因 子 λQ = 0.3275 ， 然 後 可 依 據 得 到 的 數值可計算順風向各樓層設計風力，例如頂樓之風載重計算結果為. 2.503 kN / m 2 。. B. 查 表 法 查表之目的在於取代公式中較為繁雜之計算，減少人為錯誤之發 生，同 時 也 使 實 驗 資 料 或 計 算 公 式 不 需 進 行 過 度 之 簡 化，能 維 持 較高 之 計 算 結 果 準 確 度。根 據 順 風 向 風 力 之 計 算 式 ( 式 2-1~2-3)，需 要 製 表 的 參 數 包 括 Cw 、 Cl 、 λQ 及 χ R ( f 0 ) 。 風 力 係 數 Cw 、 Cl 與 地 況 、 建 築 物 之 高 寬 比、深 寬 比 有 關； λQ 及 χ R ( f 0 ) 與 地 況 、 建 築 物 之 高 寬 比 、 深 寬 比 、 真 實 高 度 及 設 計 風 速 有 關 ， 其 中 χ R ( f0 ) 另 外 也 與 建 築 物 順 風 向 之 結 構 頻 率 f 0 及 振 態 指 數 β 有 關。由 於 實 場 條 件 之 建 築 物 高 度、設 計 風 速、結 構 頻 率 以 及 振 態 指 數 皆 為 變 化 之 參 數，再 配 合 風 洞 實 驗 條 件中 之 地 況、建 築 物 高 寬 比 與 深 寬 比 三 個 參 數，其 組 合 相 當 繁 雜。若 以 目 前 之 風 洞 實 驗 數 據 及 順 風 向 風 力 之 計 算 式 而 言，在 沒 有 經 過 任 何 之 簡 化 分 析 前，所 需 製 作 之 查 詢 表 格 將 有 數 十 張 之 多，超 出 一 般 規 範 可接 受 之 範 圍。因 此，減 少 製 表 之 數 目 即 為 日 後 研 究 之 方 向，可 行 之 方 法 包 括 嘗 試 將 上 列 參 數 進 行 合 併 以 減 少 變 數 之 數 量、或 是 將 變 動 較 不顯 著 之 參 數 以 一 保 守 之 固 定 值 取 代 等 等。這 些 工 作 需 要 大 量 之 案 例 分 析 以 及 數 據 之 整 理 歸 納，以 在 簡 化 分 析 與 計 算 準 確 性 之 間 求 得 一 可 接 受 之 結 果。由 於 本 案 之 年 度 經 費 及 工 作 期 程 並 不 足 以 針 對 參 數 之 簡 化進 行 有 效 之 研 究 分 析，在 此 文 中 先 以 特 定 參 數 對 應 之 少 數 表 格，概 述以 查表法計算順風向風力之基本流程。. 20.
(39) 第二章 等值設計風載重計算模式之再修正及簡化. 以 本 小 節 設 計 風 力 資 料 庫 一 文 中 之 高 層 建 築 案 例 為 例，所 需 表 格 為 1. 表 2-1~2-2，地 況 A、不 同 高 寬 比 及 深 寬 比 之 Cw、 Cl 值；2. 表 2-3， 地 況 A 、 不 同 高 寬 比 及 深 寬 比 之 λQ 值 (H=180m ， V10 (C ) = 32.5) ； 3. 表. 2-4~2-5，地 況 A 不 同 深 寬 比、不 同 結 構 自 然 頻 率 之 χ R ( f ) 值 ( 高 寬 比 3 及 4 ， H=180m ， V10 (C ) = 32.5 ， β=1.0) 。 本 案 例 建 築 物 之 高 寬 比 3.56 介 於 表 格 高 寬 比 之 3 與 4 之 間 ， 深 寬 比 0.4 介 於 表 格 高 寬 比 之 1/2 與. 1/3 之 間 ， 並 未 符 合 表 格 之 原 始 設 定 。 因 此 以 二 維 線 性 內 插 計 算 本 案 高 寬 比 、 深 寬 比 對 應 之 各 項 參 數 ， 可 得 Cdw = 0.611 、 Cdl = 0.673 、. χ R ( f 0 = 0.2) = 0.0243 及 λQ = 0.3266 。 其 中 之 χ R ( f 0 ) 及 λQ 與 前 述 設 計 風 力 資 料 庫 計 算 所 得 略 有 差 異，這 是 因 為 查 表 法 直 接 以 表 中 數 據 進 行 二 維 線 性 內 插 ， 而 設 計 風 力 資 料 庫 則 對 相 關 係 數 ( C N 、 C xw 、 C xl 、 C z ) 進 行 二 維 線 性 內 插 後，再 依 計 算 值 求 得 χ R ( f 0 ) 及 λQ ，因 此 二 者 數 據 會 有 差 異，但 皆 在 合 理 範 圍 內。在 以 查 表 求 得 風 力 計 算 所 需 之 參 數 後，即 可 代 入 第 二 章 之 公 式 2-1 、 2-2 、 2-3 ， 計 算 各 樓 層 之 設 計 風 載 重 。. 表 2 - 1 不 同 高 寬 比 及 深 寬 比 之 Cw 值 ( 地 況 A ) 高寬比 深寬比. 1/5 1/4 1/3 1/2 1/1 2/1 3/1 4/1 5/1. 3 0.633 0.756 0.580 0.650 0.534 0.664 0.603 0.746 0.700. 4 0.625 0.738 0.573 0.676 0.539 0.639 0.613 0.741 0.662. 5 0.588 0.703 0.577 0.645 0.532 0.643 0.604 0.720 0.678. 6 0.581 0.676 0.564 0.611 0.510 0.632 0.579 0.718 0.633. 7 0.571 0.659 0.541 0.599 0.522 0.595 0.578 0.705 0.626. (資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ). 21.
(40) 建築物耐風設計風載重條文之修訂研究. 表 2 - 2 不 同 高 寬 比 及 深 寬 比 之 Cl 值 ( 地 況 A ) 高寬比 深寬比. 1/5 1/4 1/3 1/2 1/1 2/1 3/1 4/1 5/1. 3 0.447 0.570 0.651 0.692 0.459 0.372 0.278 0.188 0.173. 4 0.451 0.575 0.635 0.741 0.483 0.347 0.265 0.185 0.171. 5 0.444 0.572 0.645 0.735 0.480 0.344 0.251 0.182 0.164. 6 0.452 0.578 0.639 0.719 0.487 0.354 0.244 0.183 0.163. 7 0.456 0.578 0.630 0.744 0.519 0.335 0.245 0.180 0.160. (資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ). 表 2 - 3 不 同 高 寬 比 及 深 寬 比 之 λQ 值 (地況 A，H=180m， V10 (C ) = 32.5) 高寬比. 3. 4. 5. 6. 7. 1/5. 0.319. 0.332. 0.338. 0.340. 0.332. 1/4. 0.271. 0.313. 0.321. 0.316. 0.324. 1/3. 0.313. 0.315. 0.317. 0.313. 0.321. 1/2. 0.347. 0.345. 0.339. 0.333. 0.329. 1/1. 0.326. 0.339. 0.359. 0.361. 0.374. 2/1. 0.294. 0.320. 0.347. 0.361. 0.367. 3/1. 0.298. 0.308. 0.308. 0.316. 0.317. 4/1. 0.352. 0.355. 0.347. 0.350. 0.343. 5/1. 0.347. 0.337. 0.347. 0.344. 0.343. 深寬比. (資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ). 22.
(41) 第二章 等值設計風載重計算模式之再修正及簡化. 表 2 - 4 不 同 深 寬 比 、 不 同 結 構 自 然 頻 率 之 χR ( f ) 值 (高寬比 3，地況 A，H=180m， V10 (C ) = 32.5，β=1.0) 頻率(Hz). 0.12. 0.14. 0.16. 0.18. 0.20. 0.22. 0.24. 0.26. 0.28. 0.30. 0.35. 0.40. 0.45. 0.50. 1/5. 0.0283. 0.0231. 0.0192. 0.0162. 0.0139. 0.0120. 0.0105. 0.0093. 0.0082. 0.0073. 0.0057. 0.0045. 0.0037. 0.0031. 1/4. 0.0468. 0.0391. 0.0331. 0.0284. 0.0246. 0.0215. 0.0189. 0.0168. 0.0150. 0.0134. 0.0105. 0.0084. 0.0069. 0.0058. 1/3. 0.0378. 0.0309. 0.0257. 0.0218. 0.0186. 0.0161. 0.0141. 0.0124. 0.0110. 0.0098. 0.0076. 0.0061. 0.0049. 0.0041. 1/2. 0.0573. 0.0477. 0.0403. 0.0344. 0.0298. 0.0260. 0.0229. 0.0203. 0.0181. 0.0163. 0.0127. 0.0102. 0.0083. 0.0070. 1/1. 0.0301. 0.0250. 0.0211. 0.0180. 0.0156. 0.0136. 0.0119. 0.0106. 0.0094. 0.0084. 0.0066. 0.0053. 0.0043. 0.0036. 2/1. 0.0361. 0.0309. 0.0267. 0.0233. 0.0205. 0.0182. 0.0162. 0.0146. 0.0132. 0.0120. 0.0096. 0.0078. 0.0065. 0.0055. 3/1. 0.0262. 0.0225. 0.0195. 0.0171. 0.0151. 0.0134. 0.0120. 0.0108. 0.0098. 0.0089. 0.0072. 0.0059. 0.0050. 0.0042. 4/1. 0.0357. 0.0310. 0.0271. 0.0240. 0.0214. 0.0193. 0.0174. 0.0159. 0.0145. 0.0133. 0.0109. 0.0092. 0.0078. 0.0067. 5/1. 0.0301. 0.0260. 0.0227. 0.0200. 0.0178. 0.0160. 0.0144. 0.0131. 0.0120. 0.0110. 0.0089. 0.0075. 0.0063. 0.0054. 深寬比. (資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ). 表 2 - 5 不 同 深 寬 比 、 不 同 結 構 自 然 頻 率 之 χR ( f ) 值 (高寬比 4，地況 A，H=180m， V10 (C ) = 32.5，β=1.0) 頻率(Hz). 0.12. 0.14. 0.16. 0.18. 0.20. 0.22. 0.24. 0.26. 0.28. 0.30. 0.35. 0.40. 0.45. 0.50. 1/5. 0.0324. 0.0267. 0.0223. 0.0189. 0.0162. 0.0141. 0.0123. 0.0109. 0.0096. 0.0086. 0.0067. 0.0053. 0.0043. 0.0036. 1/4. 0.0506. 0.0422. 0.0356. 0.0305. 0.0264. 0.0230. 0.0202. 0.0179. 0.0160. 0.0144. 0.0112. 0.0090. 0.0073. 0.0061. 1/3. 0.0384. 0.0316. 0.0265. 0.0225. 0.0193. 0.0167. 0.0147. 0.0129. 0.0115. 0.0103. 0.0080. 0.0064. 0.0052. 0.0043. 1/2. 0.0648. 0.0541. 0.0459. 0.0395. 0.0343. 0.0301. 0.0266. 0.0237. 0.0212. 0.0191. 0.0150. 0.0121. 0.0100. 0.0084. 1/1. 0.0309. 0.0255. 0.0214. 0.0183. 0.0157. 0.0137. 0.0120. 0.0107. 0.0095. 0.0085. 0.0066. 0.0053. 0.0044. 0.0036. 2/1. 0.0330. 0.0282. 0.0243. 0.0212. 0.0187. 0.0166. 0.0148. 0.0133. 0.0121. 0.0109. 0.0088. 0.0072. 0.0060. 0.0051. 3/1. 0.0261. 0.0223. 0.0194. 0.0170. 0.0151. 0.0134. 0.0121. 0.0109. 0.0099. 0.0090. 0.0073. 0.0060. 0.0051. 0.0043. 4/1. 0.0348. 0.0301. 0.0264. 0.0234. 0.0210. 0.0189. 0.0171. 0.0156. 0.0143. 0.0131. 0.0108. 0.0091. 0.0078. 0.0067. 5/1. 0.0250. 0.0216. 0.0188. 0.0166. 0.0148. 0.0132. 0.0119. 0.0109. 0.0099. 0.0091. 0.0074. 0.0062. 0.0053. 0.0046. 深寬比. (資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ). 23.
(42) 建築物耐風設計風載重條文之修訂研究. 24.
(43) 第三章 高層建築設計風力之風洞試驗. 第三章 高層建築設計風力之風洞試驗 96 年 度 研 究 案 「 高 層 建 築 耐 風 設 計 風 力 頻 譜 與 風 載 重 之 修 訂 研 究 」 ( 參 考 書 目 17) 有 關 風 洞 試 驗 方 面，已 完 成 深 寬 比 1/1、 1/2 、 1/3 、. 2/1 、 3/1 且 高 寬 比 為 3 及 6 之 五 種 矩 形 斷 面， 在 現 行 規 範 定 義 之 地 況 A、B、C 流 場 作 用 下 之 風 洞 試 驗 與 數 據 分 析。本 案 延 續 上 述 研 究 案 之 成果，增加模型幾何形狀之形式以滿足更廣之適用範圍。 本 研 究 以 風 壓 實 驗 量 取 順 風 向、橫 風 向 及 扭 轉 向 等 值 靜 態 風 載 重 評 估 模 式 所 需 之 風 力 特 性。於 風 洞 物 理 模 擬 範 圍 內 影 響 高 層 建 築 所 受 風力之因素，包括逼近流之風場特性及建築物幾何外形兩大項。 對 於 逼 近 流 風 場 之 選 擇，考 慮 本 計 劃 是 針 對 國 內 現 行 風 力 規 範 之 修正為標的，因此以規範定義之三類地況做為逼近流風場模擬之依 據，以了解不同地況特性對於建築物所受風力之影響。 建 築 物 幾 何 外 形 之 選 取，由 於 變 數 相 當 繁 多，一 般 而 言 多 選 擇 最 為 常 見 且 易 發 生 較 大 風 力 之 斷 面 為 標 的。參 考 現 行 規 範 之 橫 風 向、扭 轉 向 風 力 設 計 條 文，其 適 用 範 圍 限 制 在 建 築 物 高 寬 比 3~6 之 間、深 寬 比 0.2~5 之 間 的 近 似 規 則 矩 形 柱 體 ， 也 已 涵 蓋 大 部 分 常 見 之 建 築 物 外 形。故 本 研 究 以 國 內 規 範 限 制 之 範 圍 為 依 據，製 作 不 同 高 寬 比、深寬 比組合之壓克力模型，以風洞試驗進行建築物表面風壓之量測。 本計劃之風洞試驗是根據國內現行規範定義之地況並選取常見 之 高 層 建 築 幾 何 外 型 進 行 風 洞 試 驗。在 獲 取 順 風 向、橫 風 向 與 扭 轉向 之 風 力 風 壓 特 性，不 僅 可 建 立 更 準 確 之 等 值 靜 態 風 載 重 評 估 模 式，同 時 亦 結 合 國 內 規 範 有 關 地 況 與 風 力 間 之 關 係，有 效 反 應 出 屬 於 國 內 建 築環境之特性。. 25.
(44) 建築物耐風設計風載重條文之修訂研究. 第一節 文獻回顧 橫風向風力頻譜量測方式一般分為高頻力平衡儀法及表面風壓 量 測 法 二 大 類。前 者 以 五 分 量 高 頻 力 平 衡 儀 量 取 建 築 物 之 基 底 彎 矩 反 應。在 假 設 結 構 第 一 振 態 為 線 性 之 條 件 下，可 將 基 底 彎 矩 頻 譜 視 為第 一 振 態 之 廣 義 座 標 風 力 頻 譜。因 為 該 方 法 之 實 驗 成 本 及 所 需 時 間 相當 有 限，成 為 大 多 數 結 構 風 力 頻 譜 量 測 之 主 要 工 具。後 者 是 藉 由 模 型表 面 開 設 之 大 量 風 壓 孔 來 即 時 同 步 量 取 表 面 壓 力 之 變 化，再 換 算 為 所 需 之 風 力 頻 譜 等 資 料。由 於 紀 錄 了 建 築 物 表 面 壓 力 之 分 佈，該 方 法 較高 頻 力 平 衡 儀 法 更 能 掌 握 建 築 物 之 風 力 特 性，同 時 也 可 以 處 理 非 線 性振 態 之 廣 義 座 標 風 力 計 算 問 題 。 自 1970 年 代 學 術 界 即 開 始 對 風 力 頻 譜 進 行 量 測 ， 至 近 年 來 如 1990 年 Kareem （ 參 考 書 目 7 ） 在 邊 界 層 指 數 律 指 數 α=0.16 、 0.35 之 開 闊 、 都 市 地 形 ， 以 力 平 衡 儀 法 量 測 深 寬 比. 1/3、 1/2、 2/3、 1/1、 3/2、 2/1、 3/1 之 模 型 風 力 頻 譜，並 在 2003 年（ 參 考 書 目 12 ） 將 相 關 資 料 整 合 為 一 互 動 式 資 料 庫 ； 2002 年 Liang 等 人 （ 參 考 書 目 11 ）在 α=0.20 之 流 場，以 力 平 衡 儀 法 量 測 深 寬 比 1/1、2/1、. 3/1 、 4/1 ， 高 度 0.4m 及 0.8m 之 模 型 橫 風 向 風 力 頻 譜 ， 並 歸 納 出 經 驗 公 式 ； 2004 年 Gu 等 人 （ 參 考 書 目 14 ） 亦 針 對 矩 型 斷 面 深 寬 比 1/3 、. 1/2、2/3、3/2、2/1、3/1 之 建 築 物，高 寬 比 4、5、6、7、8、9，在 α=0.12、 0.16 、 0.22 、 0.30 之 地 形 ， 以 力 平 衡 儀 法 量 測 風 力 頻 譜 相 關 資 料 ， 並 歸 納 出 經 驗 公 式。2003 年 淡 江 大 學 風 工 程 研 究 中 心 王 及 鄭 等 人（ 參 考 書 目 13 ） 亦 整 合 多 年 之 研 究 成 果 ， 將 30 餘 種 不 同 幾 何 斷 面 模 型 在. α=0.15 、 0.32 之 地 形 下，以 力 平 衡 儀 法 量 測 之 風 力 頻 譜 等 資 料 整 合 為 一專家系統。. 26.
(45) 第三章 高層建築設計風力之風洞試驗. 第二節 逼近流場 本 計 畫 根 據 國 內 規 範 定 義 之 地 況，模 擬 出 實 驗 使 用 之 逼 近 流 場 特 性。國 內 規 範 定 義 之 地 況 為 地 況 A：大 城 市 市 中 心 區，α=0.32，z g =500 公 尺；地 況 B：大 城 市 市 郊、小 市 鎮， α=0.25， z g =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 ， z g =300 公 尺 。 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，本 實驗選取模型上游大氣邊界層高度 δ 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 Uδ， 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 110~120cm 。 1.0. 1.0. Experiment(Terrian A) Power Law α=0.32 Experiment(Terrian B) Power Law α=0.25 Experiment(Terrian C) Power Law α=0.15. Experiment(Terrian A) Experiment(Terrian B) Experiment(Terrian C) 0.8. 0.6. 0.6. z/zg. z/zg. 0.8. 0.4. 0.4. 0.2. 0.2. 0.0. 0.0 0. 5. 10. 15. T.I.(%). 20. 25. 30. 0.0. 0.2. 0.4. 0.6. 0.8. 1.0. U(z)/U(zg). 圖 3-1逼 近 流 場 平 均 風 速 與 紊 流 強 度 剖 面 (資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理 ). 27.
(46) 建築物耐風設計風載重條文之修訂研究. 第三節 風壓模型 96 研 究 案 ( 參 考 書 目 17) ， 已 完 成 之 建 築 物 風 洞 試 驗 ， 包 括 模 型 高 寬 比 3 、 6 ，及 深 寬 比 1/3 、 1/2 、 1/1 、 2/1 、 3/1 ，於 國 內 風 力 規 範 定 義 之 標 準 地 況 A 、 B 、 C 三 種 流 場 作 用 下 進 行 表 面 風 壓 試 驗 ， 獲 取相 關 之 平 均 風 力 係 數、擾 動 風 力 係 數、風 力 頻 譜 及 表 面 風 壓 在 空 間 上之 相 關 函 數 等 資 料。在 本 案 中 延 續 上 述 研 究 案 之 成 果，增 加 模 型 幾 何形 狀 之 形 式 以 滿 足 更 廣 之 適 用 範 圍。根 據 現 行 規 範 之 橫 風 向、扭 轉 向風 力 設 計 條 文 ， 其 適 用 範 圍 限 制 在 建 築 物 高 寬 比 3~6 之 間 、 深 寬 比. 0.2~5.0 之 間 的 近 似 規 則 矩 形 柱 體。因 此 本 研 究 以 國 內 規 範 條 文 使 用 限 制 之 範 圍 以 及 96 年 案 之 實 驗 結 果 為 根 據 ， 製 作 不 同 高 寬 比 、 深 寬比 組 合 之 壓 克 力 模 型，以 風 洞 試 驗 進 行 建 築 物 表 面 風 壓 之 量 測。本 計劃 選 取 之 建 築 物 外 形 分 別 如 下 ， 其 中 高 寬 比 與 深 寬 比 二 者 組 合 後 與 96 年案相同者，則不再重複實驗： 高 寬 比 ： 3、 4、 5、 6、 7， 共 5 組 ； 深 寬 比： 1/5、 1/4、 1/3、 1/2、 1/1、 2/1、 3/1、 4/1、 5/1，共 9 組 。. 風 壓 模 型 縮 尺 之 大 小，根 據 使 用 之 風 洞 試 驗 段 幾 何 尺 寸、所 模 擬 逼 近 流 風 場 之 邊 界 層 厚 度、模 型 占 風 洞 試 驗 段 之 阻 塞 比 以 及 實 驗 量 測 之 方 便 性 ， 選 取 約 1/300 之 縮 尺 比 例 。 其 中 高 寬 比 之 計 算 是 以 模 型 高 度 除 以 斷 面 積 開 根 號 之 值 作 為 代 表 ， 而 深 寬 比 1/1 即 為 正 方 形 斷 面 。 目 前 已 完 成 之 模 型 製 作 如 圖 3-2 所 示， 共 有 5 座 以 透 明 壓 克 力 製 做 之 矩 柱 模 型。其 中 模 型 2 在 垂 直 於 模 型 表 面 的 兩 個 風 向 角 下，可 代 表 兩 組 深 寬 比 1/2 及 2/1。其 它 模 型 也 以 同 樣 方 式 進 行 不 同 長 寬 比 之 實 驗。 另外再藉由調整模型進入風洞試驗段之高度，來代表不同之高寬比。 亦 即 當 執 行 高 寬 比 3 之 實 驗 時，模 型 進 入 風 洞 試 驗 段 之 高 度 為 0.3m ； 高 寬 比 7 之 實 驗 ， 模 型 進 入 風 洞 試 驗 段 之 高 度 為 0.7m 。. 28.
數據
+7
Outline
相關文件
• involves teaching how to connect the sounds with letters or groups of letters (e.g., the sound /k/ can be represented by c, k, ck or ch spellings) and teaching students to
engineering design, product design, industrial design, ceramic design, decorative design, graphic design, illustration design, information design, typographic design,
The objective of the present paper is to develop a simulation model that effectively predicts the dynamic behaviors of a wind hydrogen system that comprises subsystems
Set up the air current one wind speed it change with wind direction,flow for windbreaks during flowing field instead of after building, air current materials to
This study focuses on modal characteristics of single stage planetary gear systems and their dynamic characteristics under variant wind types of extreme fluctuation excitations..
Specifying parametric building object behavior (BOB) for a building information modeling system”,Automation in Construction, 15(6), 758-776, 2006.
Recently, with the popularity of 3D design, object oriented programming, and agreement of interoperability among software vendors, building information modeling (BIM)
We use InGaP/GaAS power HBT process of GCS to design our circuit by matching S-parameter and optimum load for maximum power output in the input port and output port.. In
