來流具俯仰角對低層建築風載重影響之研究

(1)

計畫編號：10262D0002-1

來流具俯仰角對低層建築風載重影響之研究

計畫主持人：陳建忠

協同主持人：陳若華

研究員：鍾政洋、聶國昀

研究助理：李冠篁、陳威呈

內政部建築研究所研究報告

中華民國 102年 12 月

（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

(2)

(3)

目次 I

目次 ... I

表次 ... V

圖次 ... VII

摘要 ... XV

ABSTRACT ... XIX

第一章緒論 ... 1

第一節研究緣起與背景 ... 1

一、研究緣起 ... 1

二、研究背景 ... 1

第二節研究內容與方法 ... 2

第三節研究流程與進度規劃 ... 8

第二章文獻回顧 ... 11

第一節國內外地形對設計風載重影響之相關規範 ... 11

第二節相關研究成果 ... 15

第三章實驗設置與規劃... 19

(4)

II

第一節流場規劃 ... 19

第二節實驗模型規劃 ... 21

第三節流場模擬成果 ... 29

第四章研究成果與討論... 35

第一節不同坡度山脊地形之影響 ... 35

4-1.1 表面風壓分布之特性 ... 35

4-1.2 中央帶寬之風壓特性 ... 56

4-1.3 表面風壓之統計特性 ... 56

4-1.4 風洞阻塞比與山頂加速現象 ... 57

第二節傾斜模型之實驗成果比較 ... 68

第三節建築物風載重比較 ... 75

第五章結論與建議 ... 79

第一節結論 ... 79

第二節建議 ... 81

附錄一、期初審查會議記錄及廠商回應一覽表 ... 83

附錄二、期中審查會會議記錄與意見回應表 ... 93

附錄三、期末審查會議意見回覆表 ... 105

(5)

目次 III

附錄四、第一次專家座談會議意見回覆表 ... 117

附錄五、第二次專家會議意見回覆表 ... 121

附錄六、第三次專家座談會議意見回覆表 ... 125

參考書目 ... 129

(6)

(7)

表次 V

表次

表 1-1 研究進度規劃表 ... 9

表 2-1 山體幾何條件影響係數 ... 12

表 3-1 二維山脊模型曲線規劃 ... 23

表 3-2 實驗模型類型規劃 ... 23

表 3-3 不同位置回歸所得對應實場之粗糙長度(z

0

) ... 33

表 4-1 傾斜模型實驗規劃 ... 68

表 A-1 期中審查會議意見回覆表 ... 101

表 A-2 期末審查會議意見回覆表 ... 114

表 A-3 第一次專家座談意見回應表 ... 118

表 A-4 第二次專家座談意見回覆表 ... 122

表 A-5 第三次專家座談意見回覆表 ... 126

(8)

(9)

圖次 VII

圖次

圖 1-1 計畫執行流程 ... 8

圖 2-1 山脊及山丘剖面示意圖 ... 12

圖 2-2 不同屋頂坡度之二落水式建築物表面平均風壓係數分布，

屋頂坡度(a)1:1，(b)1:2，(c)1:4，(d)1:8。 ... 16

圖 2-3 不同屋頂坡度之二落水式建築物表面擾動性風壓係數分

布，屋頂坡度(a)1:1，(b)1:2，(c)1:4，(d)1:8。 ... 17

圖 2-4 梁柱接點彎矩推估之低層建築剛架之等值靜載重(a)等值

靜載重，(b)剛架示意圖。 ... 18

圖 3-1 上游流場特性分佈，(a)平均風速剖面，(b)紊流強度剖面20

圖 3-2 二維山脊模型剖面圖 ... 21

圖 3-3 建築物模型示意圖 ... 22

圖 3-4 平屋頂模型表面分區編號 ... 22

圖 3-5 雙斜面屋頂模型表面分區編號 ... 23

圖 3-6 剛性構架上風壓孔編號(a)1:1 屋頂坡度建築模型，(b)1:2

及 1:4 屋頂坡度建築模型 ... 24

圖 3-7 二維山脊模型於風洞中進行風場量測 ... 25

圖 3-8 模型於風洞中進行實驗量測 ... 26

(10)

VIII

圖 3-9 二維山脊風場量測與模型安裝位置 ... 26

圖 3-10 TFI cobra probe ... 27

圖 3-11 電子式壓力掃描模組 ... 27

圖 3-12 壓力訊號處理系統 ... 28

圖 3-12 應用二維探針量測所得之流場(a)平均風速，(b)紊流強度，

(c)流向垂直俯仰角度剖面圖 ... 30

圖 3-13 應用 Cobra probe 量測所得之流場順風向(u 方向)速度剖

面(a)30%山脊模型，(b) 20%山脊模型 ... 31

圖 3-14 應用 Cobra probe 量測所得之流場俯仰角度剖面(a)30%

山坡模型，(b) 20%山坡模型 ... 32

圖 4-1 平屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之迎風坡面山腰位

置(P1)平均風壓係數分佈 ... 36

圖 4-2 平屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之山頂位置(P2)平

均風壓係數分佈 ... 36

圖 4-3 平屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之背風坡面山腰位

置(P3)平均風壓係數分佈 ... 37

圖 4-4 平屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之背風坡腳位置

(P4)平均風壓係數分佈 ... 37

(11)

圖次 IX

圖 4-5 平屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之背風坡腳一倍

山脊高度位置(P5)平均風壓係數分佈 ... 38

圖 4-6 平屋頂建物模型位於坡度 30%山脊地形之迎風坡面山腰

位置(P1)平均風壓係數分佈 ... 39

圖 4-7 平屋頂建物模型位於坡度 30%山脊地形之山頂位置(P2)

平均風壓係數分佈 ... 39

圖 4-8 平屋頂建物模型位於坡度 30%山脊地形之背風坡面山腰

位置(P3)平均風壓係數分佈 ... 40

圖 4-9 平屋頂建物模型位於坡度 30%山脊地形之背風坡腳位置

(P4)平均風壓係數分佈 ... 40

圖 4-10 平屋頂建物模型位於坡度 30%山脊地形之背風坡腳一倍

山脊高度位置(P5)平均風壓係數分佈 ... 41

圖 4-11 1:4 屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之迎風坡面山

腰位置(P1)平均風壓係數分佈 ... 42

圖 4-12 1:4 屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之山頂位置

(P2)平均風壓係數分佈 ... 42

圖 4-13 1:4 屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之背風坡面山

腰位置(P3)平均風壓係數分佈 ... 43

圖 4-14 1:4 屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之背風坡腳位

(12)

X

置(P4)平均風壓係數分佈 ... 43

圖 4-15 1:4 屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之背風坡腳一

倍山脊高度位置(P5)平均風壓係數分佈 ... 44

圖 4-16 1:4 屋頂建物模型位於坡度 30%山脊地形之山頂位置

(P2)平均風壓係數分佈 ... 44

圖 4-17 1:2 屋頂建物模型位於坡度 30%山脊地形之山頂位置

(P2)平均風壓係數分佈 ... 46

圖 4-18 1:1 屋頂建物模型位於坡度 30%山脊地形之山頂位置

(P2)平均風壓係數分佈 ... 46

圖 4-19 1:1 屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之山頂位置

(P2)平均風壓係數分佈 ... 47

圖 4-20 1:2 屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之背風坡面山

腰位置(P3)平均風壓係數分佈 ... 48

圖 4-21 1:2 屋頂建物模型位於坡度 30%山脊地形之背風坡面山

腰位置(P3)平均風壓係數分佈 ... 48

圖 4-22 1:1 屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之背風坡面山

腰位置(P3)平均風壓係數分佈 ... 49

圖 4-23 1:4 屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之迎風坡面

山腰位置(P1) 擾動性風壓係數分佈 ... 50

(13)

圖次 XI

圖 4-24 1:4 屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之山頂位置

(P2) 擾動性風壓係數分佈 ... 51

圖 4-25 1:4 屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之背風坡面

山腰位置(P3) 擾動性風壓係數分佈 ... 51

圖 4-26 1:4 屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之背風坡腳位

置(P4)擾動性風壓係數分佈 ... 52

圖 4-27 1:4 屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之背風坡腳一

倍山脊高度位置(P5)擾動性風壓係數分佈 ... 52

圖 4-28 1:4 屋頂建物模型位於坡度 30%山脊地形之迎風坡面山

腰位置(P1) 擾動性風壓係數分佈 ... 53

圖 4-29 1:4 屋頂建物模型位於坡度 30%山脊地形之山頂位置

(P2) 擾動性風壓係數分佈 ... 53

圖 4-30 1:1 屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之迎風坡面

山腰位置(P1) 擾動性風壓係數分佈 ... 54

圖 4-31 1:1 屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之山頂位置

(P2) 擾動性風壓係數分佈 ... 54

圖 4-32 1:1 屋頂建物模型位於坡度 30%山脊地形之迎風坡面

山腰位置(P1) 擾動性風壓係數分佈 ... 55

圖 4-33 1:1 屋頂建物模型位於坡度 30%山脊地形之山頂位置

(14)

XII

(P2) 擾動性風壓係數分佈 ... 55

圖 4-34 建物模型位於 20%山坡時之平均風壓係數分佈(a)平屋

頂，(b)屋頂面坡度 1:4， (c)屋頂面坡度 1:2，(d)屋頂面坡度

1:1 ... 58

圖 4-35 建物模型位於 30%山坡時之平均風壓係數分佈(a)平屋

頂，(b)屋頂面坡度 1:4， (c)屋頂面坡度 1:2，(d)屋頂面坡度

1:1 ... 59

圖 4-36 建物模型位於 20%山坡時之擾動性風壓係數分佈(a)平

屋頂，(b)屋頂面坡度 1:4， (c)屋頂面坡度 1:2，(d)屋頂面坡

度 1:1 ... 60

圖 4-37 建物模型位於 30%山坡時之擾動性風壓係數分佈(a)平

屋頂，(b)屋頂面坡度 1:4， (c)屋頂面坡度 1:2，(d)屋頂面坡

度 1:1 ... 61

圖 4-37 屋面坡度 1:4 建物模型位於 30%山坡迎風坡面山腰位置

(P1)時之風壓機率密度函數(PDF)分佈情形(a)迎風牆面，(b)

屋頂面前緣， (c)屋脊，(d)屋頂面後緣，(e) 背風牆面 ... 62

圖 4-38 屋面坡度 1:1 建物模型位於 30%山坡迎風坡面山腰位置

(P1)時之風壓機率密度函數(PDF)分佈情形(a)迎風牆面，(b)

屋頂面前緣， (c)屋脊，(d)屋頂面後緣，(e) 背風牆面 ... 63

圖 4-39 屋面坡度 1:4 建物模型位於 20%山坡山頂位置(P2)時之

(15)

圖次 XIII

風壓機率密度函數(PDF)分佈情形(a)迎風牆面，(b)屋頂面前

緣， (c)屋脊，(d)屋頂面後緣，(e) 背風牆面... 64

圖 4-40 建物模型中央帶寬之空間相關性分佈情形，(a) 20%山

坡 P1 位置，1:4 roof，(b) 20%山坡 P2 位置，1:4 roof， (c) 30%

山坡 P1 位置，1:1 roof ... 65

圖 4-41 屋頂坡度 1:4 建物模型置於 60cm 高、30%坡度山脊地

形時，中央帶寬之平均風壓係數，(a) P1 位置，(b) P2 位置，

(c) P3 位置，(d) P4 位置，(e) P5 位置，(f)平坦地形 ... 67

圖 4-42 平屋頂、傾斜角度 15

o

平均風壓係數分佈 ... 70

圖 4-43 1:4 屋頂、傾斜角度 15

o

平均風壓係數分佈 ... 70

圖 4-44 1:1 屋頂、傾斜角度 15

o

平均風壓係數分佈 ... 71

圖 4-45 1:1 屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之迎風坡面山

腰位置(P1) 平均風壓係數分佈 ... 71

圖 4-46 平屋頂模型於傾斜 15 度條件下與坡度 20%之山脊地形

於迎風坡面山腰位置(P1)在中央帶寬上平均風壓係數分佈比

較 ... 72

圖 4-47 平屋頂模型於傾斜 15 度條件下與坡度 20%之山脊地形於

迎風坡面山腰位置(P1)在中央帶寬上擾動性風壓係數分佈比

較 ... 72

(16)

XIV

圖 4-48 1:4 屋頂坡度模型於傾斜 15 度條件下與坡度 20%之山

脊地形於迎風坡面山腰位置(P1)在中央帶寬上平均風壓係數

分佈比較 ... 73

圖 4-49 1:4 屋頂坡度模型於傾斜 15 度條件下與坡度 20%之山

脊地形於迎風坡面山腰位置(P1)在中央帶寬上擾動性風壓係

數分佈比較 ... 73

圖 4-50 1:1 屋頂坡度模型於傾斜 15 度條件下與坡度 20%之山

脊地形於迎風坡面山腰位置(P1)在中央帶寬上平均風壓係數

分佈比較 ... 74

圖 4-51 1:1 屋頂坡度模型於傾斜 15 度條件下與坡度 20%之山

脊地形於迎風坡面山腰位置(P1)在中央帶寬上擾動性風壓係

數分佈比較 ... 74

圖 4-52 建物模型置於 20%坡度山脊地形時，推估之中央帶寬

等值靜風載重，(a) 屋頂坡度 1:4，(b) 屋頂坡度 1:2，(c) 屋

頂坡度 1:1 ... 76

圖 4-53 屋頂坡度 1:2 建物模型置於時，推估之中央帶寬等值靜

風載重，(a) 30%坡度山脊地形，(b) 20%坡度山脊地形 ... 77

(17)

摘要 XV

摘要

關鍵詞：風壓係數、低層建築、山坡地流場、風洞實驗一、研究緣起台灣地區多山而平原地帶較為不足，為能充分利用土地資源、發展經濟與工業，山坡地的運用成為不可避免的選擇，許多工業廠房、倉儲等建築物，常為緊臨山坡而建甚或直接座落於山坡面上。因此建築物所受到的風力作用型態，受到山地地形作用的影響，未必僅單純為水平攻角的改變，如流場具有俯仰角度改變時，建築物所受到的實際風壓分布及風載重條件為何?是會造成更嚴重的風荷載亦或偏向保守?需要加以研究釐清。二、研究方法及過程本計畫將建立位於山坡地流場之低層建築風載重評估所需資料及耐風設計策略探討，對於山坡地流場之低層建築物的耐風性能評估應包括：不同屋頂構型外型對於建築物的風載重影響，建築物座落於坡地位置對於本身所受風載重的影響，建築物結構系統在受到風載重作用下的結構反應評估等面向。就以上各面向進行整合研究，並提出建議，將有助於提昇位於山坡地或附近低層建築物的耐風性能。三、重要發現 1.山坡地形對於近地風場的影響：由本研究實際量測餘弦函數形態之山脊模型近地面風場剖面資料顯示，地形的起伏造成平均流場垂直流向的變化影響甚鉅，在上坡面上，近地表向上流動的氣流其仰角度約可達地表坡度的百分之八十，如本研究中採用 30%坡度山脊，迎風面山腰位置近地表風向仰角約為 23 度，而在 20%坡度山脊，迎風面山腰位置近地表風向仰角則約為 17 度。在背風坡面，受山體產生分離流的影響，

(18)

XVI 地形坡度影響較不明顯，近地平均流場之俯角略小，且本研究中採用的兩種不同坡度地形量測所得背風坡平均流場垂直流向的差異不大。 2.建築物座落於山坡地位置的影響：當建築物模型安裝在山頂位置，氣流通過模型周圍時，由於背面無山坡阻擋，其尾流區形成的迴流強度強於位於迎風面山腰位置時的情況，造成建築物側風面及背風面所受負風壓明顯增強。隨著模型往下游移動到背風面山腰及更下游之位置，模型受到山體屏蔽影響，建築物迎風牆面正風壓降低，同時建築物側風面及背風面風壓有回昇的現象。 3.建築物屋頂坡度的影響：由實驗結果顯示，來流與屋頂之間夾角縮小似有助於減少昇力作用在受風面屋頂，隨屋頂面的坡度提高，與來流相對夾角減小，本研究顯示屋頂板面中心壓力負壓有逐漸回昇的現象。在風速相同條件下，來流角度與屋頂傾斜坡度越接近垂直的情況，將使屋頂風力負載大幅度增加。具有仰角的氣流，如與屋面坡度接近，則有利於迎風屋緣的分離流渦漩形成，作用強度增大，使屋面前緣所受風荷載增加。 4.山坡坡度對於建築物所受風荷載的影響：與平坦地形的情形相類似，擾動性風壓係數的分布有隨屋面坡度減少而加劇的現象，來流俯仰角度如與屋頂坡度接近時，亦會增加擾動性風力作用。建築物位於背風坡面受到地形遮蔽影響，建築物氣動力載重均有減輕的趨勢，因此由對建築物危害程度的考量，迎風坡面及山頂應為須特別重視的區塊。在 30%坡度山脊地形上迎風坡面山腰及山頂位置均得出較強的負壓載重，而 20%坡度山脊地形條件下則載重略為減輕，顯示來流仰角的增加，提高屋面所受負風壓。

(19)

摘要 XVII 5.對建築物所受風荷載的影響性：模型屋頂坡度改變以及擺放位置不同對壓力分佈結果造成變化最為明顯，不同山坡坡度其壓力分佈趨勢相似，坡度 30%山脊地形條件下擾動性風壓係數明顯增加，但在山坡後方下游處位置，受到山坡遮蔽其結果無明顯變化。 6.建築物氣動力實驗方法的檢討：本研究嘗試利用傾斜模型模擬不同仰角來流的氣動力行為，研究結果顯示，傾斜模型僅改變傾斜角度，並無建立周圍模擬山丘環境，造成與二維山丘模型低層建築周圍渦流形成之特徵不相同，因此由本研究傾斜模型壓力分佈結果顯示，傾斜模型無法完全模擬低層建築安裝在二維山丘具不同俯仰角條件下壓力分佈。四、主要建議事項根據研究發現，本研究針對具有俯仰角來流低層建築物受風載重的實驗量測資料，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。建議一山坡地建築物損調查：立即可行建議主辦機關：內政部營建署協辦機關：中華民國風工程學會台灣地區每年均承受多次的颱風侵襲，過去偏重在土石流、道路交通損毀等災情，而坡地上建築風損情形議時有所聞，有必要由歷史資料中蒐集國去颱風對於台灣地區山坡地建築物風的情況，並對未來颱風作用後，組織團隊調查建築物風損情形，累積觀察資料。同時由風損案例中了解，建築物設計規範可進一步修正之處。

(20)

XVIII 建議二山坡地建築物風載重預估模式研擬：長期性建議主辦機關：內政部建築研究所、內政部營建署協辦機關：中華民國風工程學會由本研究結果顯示，山坡地上建築物所受風力地評估其影響因子甚多，如單純以風速加成方式考慮尚不足以涵蓋其複雜的機制，建議將影響山坡地建築風載重的坡度、建築形式、地形、地表條件、建築基地位置等條件綜合考量，結合氣動力實驗與 CFD 模擬計算，建立合適的風載重預估模式，由完整的數據資料建立預測模式，以利山坡地開發及建築設計之用。

(21)

ABSTRACT

XIX

ABSTRACT

Keywords: wind pressures coefficients、Low-rise buildings、Flow field over the

hill、wind tunnel experiments

Since Taiwan area is a mountainous island, the land resources should be used to their ultimate limitations. So lots of buildings will be set on the hill side. During the extreme weather conditions, these buildings will be suffered by the storm and strong wind. What will be the best design to avoid the disaster in these regions? Especially for the resistance ability to typhoon of buildings on the hill side, would be the important topic in this study.

A series of aerodynamic experiments were conducted to explore the buildings behavior under the strong wind at hill side. Two kinds of hill slopes and four different slopes of gable roof buildings models were used in this study. The result shown, the slope of hill will affect the wind vertical angle and the shear layer above the low-rise buildings may be combined with this approaching flow to make more serious wind loadings due to the slope of roof might make the flow synchronous. To estimate wind loadings on buildings at hill side, the LRC method was used in this study with the aerodynamic data collected from the wind tunnel model tests. We find that the equivalent static wind loadings on buildings with these flow conditions were higher than the past data collect from the flat terrain condition ones. So the designer should have enough circumspection with these situations.

In order to give the suitable estimations of the wind loadings on buildings at the hill side, this project concludes that:

1. Steeper slope of hill may cause more serious vortex onto the roof of the low-rise buildings on the hill.

2. The gentle slope gable roof may be suffered strong conical vortex especially on the hill side.

(22)

XX

collected data in this study, the stronger frame of low-rise buildings should be considered.

4. A more complete predicting model should be constructed. This project comes to the immediate and long-term strategies. For immediate strategies:

1. Surveying the disaster of buildings on the hill side by the typhoon or the other extreme weather conditions, put them all together to identify the priority of the modification of building codes.

For long-term strategies:

1. Creating the prediction model to suggest the suitable wind loadings on the designed target buildings, according to the slope of hill, type of roof, location of the building site and the approaching conditions.

(23)

第一章緒論 1

第一章緒論

第一節研究緣起與背景

一、研究緣起台灣地區多山而平原地帶較為不足，為能充分利用土地資源、發展經濟與工業，山坡地的運用成為不可避免的選擇，許多工業廠房、倉儲等建築物，常為緊臨山坡而建甚或直接座落於山坡面上。因此建築物所受到的風力作用型態，受到山地地形作用的影響，未必僅單純為水平攻角的改變，如流場具有俯仰角度改變時，建築物所受到的實際風壓分布及風載重條件為何?是會造成更嚴重的風荷載亦或偏向保守?需要加以研究釐清。二、研究背景目前國內規範對於地形影響主要著眼點在於因山丘或山脊所造成的風場局部加速現象，以地形因子放大風壓載重。但是如來流具有俯仰角度的變化，改變的可能不只是風壓大小，應同時有表面風壓分布型態的改變，對結構物的受風反應是否有影響?因此有必要加以探討。台灣地處西太平洋颱風盛行區，平均每年有 3.4 個颱風侵台，對民眾生命財產、國家經濟建設以及農業等造成巨大的損傷，由於每年颱風侵襲造成經濟損失，實居台灣所有天然災害的首位。在民國 74 年至 83 年間，因氣象因素所造成之經濟損失，總金額約為 1,714 億元，平均每年損失約 142 億元，其中因颱風所造成之災損金額為 1,314 億元，佔全部之 76. 6％(吳 1999)。建築物在大量輕質化、高強度化後，風力作用成為地震之外，在設計階段時所必需考慮之重要因素。現行法規對於低層建築物所受風載重形式的描述，多以水平攻角的不同為區分，但在山坡地附近建築物其所受風場可能具有俯角或仰角的來流，在此條件下建築物所受風壓將與水平角有所不同。對於建築物所受風載重的設計考量

(24)

2 而言，有必要加以探討。同時，表面披覆材料所受尖峰風壓的評估、結構系統受風荷載的計算及考慮項目等，在現行規範中尚無明確規範，如能建立風載重評估程序建議，對於業界實際從事類似案例設計工作上將有所裨益。

第二節研究內容與方法

本計畫將建立位於山坡地流場之低層建築風載重評估所需資料及耐風設計策略探討，對於山坡地流場之低層建築物的耐風性能評估應包括：不同屋頂構型外型對於建築物的風載重影響，建築物座落於坡地位置對於本身所受風載重的影響，建築物結構系統在受到風載重作用下的結構反應評估等面向。就以上各面向進行整合研究，並提出建議，將有助於提昇位於山坡地或附近低層建築物的耐風性能，研究方法如下： 1. 國內外相關研究文獻與規範探討：針對具有俯仰角來流對於建築物表面風壓影響的規範及研究成果文獻，蒐集風載重評估方法與成果資料，包括 (1) 國內低層建築現況與座落於山坡地位置的資料蒐集與檢討。 (2) 整理關於山地流場特性之現有相關研究成果。 (3) 蒐集不同屋頂型式對於建築物外部流場的影響文獻資料，並整理作為實驗設計之基礎：針對低層建築設計案例，有必要蒐集座落於山坡地或附近低層建築物相關案例風載重評估方法與成果資料，工作內容包括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。以及國內外文獻中有關低層建築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。文獻資料的比對為驗證本研究規劃設計之氣動力實驗正確性的依據，同時模型設計時須考量實務上的需求與法規的限制，避免實驗內容與實際需求脫節。。 (4) 蒐集俯仰角來流對於建築物表面風壓影響的規範及研究成果文

(25)

第一章緒論 3 獻：國外規範有關位於山地流場之低層建築設計風載重的規定可作為設計參考值，並可與氣動力實驗成果比較。 2. 流場模擬與量測： (1) 本研究將利用本所風洞實驗室現有大氣邊界層流場，初步選取地況 C 的流場條件，作為來流條件，再搭配二維山脊模型台使流場產生越過山丘的變化，模擬具較大俯仰角度的流況。 (2) 實驗模型基台將製作為具備雙坡向的二維山脊，具備調整坡度機構，並具備可啟閉的開口，以配合模型於坡面不同位置的安裝，模擬來流風場變化。

(3) 流場量測將利用本所的二維熱膜探針(Hot film probe)配合風速加以量測，運用昇降的探針支架可觀測記錄流場的剖面資料。 3. 具有俯仰角流場中低層建築物表面風壓氣動力實驗量測： (1) 本研究將以雙斜式屋頂的低層建築物製作氣動力模型進行風洞實驗，變化條件為屋頂坡度的變化，將包括平屋頂、1:4、1:2 及 1:1 等數種屋頂坡度變化。氣動力模型以壓克力薄板加工製作，表面均布風壓孔，透過管線系統與電子式壓力量測系統連接，進行同步壓力量測。 (2) 彙整本所研究成果，在平坦地形，不同屋頂形式低層建築物所受表面風壓與局部尖峰風壓的資料，與本案量測所得相互比較，探討山地流場對建築物氣動力載重的影響性。 (3) 由實驗量測所得之低層建築物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) 、機率密度函數 (PDF) 的識別、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。氣動力係數定義如下所示：

(26)

4 平均風壓係數 ₂ 2 1 _U P C_P   (1) 擾動性風壓係數 ₂ 2 1 2 U P CP _    (2) 其中 p 為風壓時序列資料的平均值， 'p 為風壓時序列資料 的擾動值，為空氣密度，U 為參考風速。 (4) 有關風壓的時序列資料同時亦分析其偏態(skewness)與峰度 (kurtosis)係數，定義如下所示：偏態(skewness)係數 ₃ 3 ] ) [( p S p p E C    (3) 峰度(kurtosis)係數 ₄ 4 ] ) [( p k p p E C    (4) 其中 E[..]代表期望值，p_{為風壓擾動均方根值。} (5) 利用氣動力模型表面風壓，採有效貢獻面積加權積分方式，將瞬時載重分配至各連接之承結構系統的節點，供結構分析之用。 (6) 由空間相關性探討建立屋頂面表面風壓載重傳遞過程與分析。 4. 表面披覆材所受尖峰風壓檢討：在具有俯仰角來流作用下，配合局部表面風壓的統計特性包括平均值、變異數、偏態係數與峰度係數等檢討其統計特性，嘗試以統計分布函數加以擬合。並與前期研究成果僅考慮單純水平攻角時，兩者表面尖峰風壓表現的差異性。 5. 結構所受風載重及內力分析： (1) 本研究將結合業界實務案例，以氣動力實驗模型造型規劃設計

(27)

第一章緒論 5 結構系統，採用本研究量測所得風壓載重資料，並利用結構分析軟體探討結構系統的受風反應(包含內力與變位)，採用不同來流風場的水平角及俯仰角度加以檢討結構系統設計耐風性能。 (2) 本計畫將利用有限元素法結構分析軟體，利用氣動力實驗成果數據，進行結構系統內力與變位分析，配合對結構系統不利的危險條件討論，將嘗試以變化桿件布置方式，觀察結構反應的改善情形。 6. 等值靜載重的評估：正交模態分析法以 Rij代表由風洞實驗模型表面風壓孔量測所得風壓 時域訊號 pi(x, t)的交相關張量(correlation tensor)，定義作：

)

,

'

(

)

,

(

x

t

p

x



p

R

_ij



_i _i (5) 其中x’表空間間距，代表時間稽延，如將 Rij分解成特徵值與特徵向量的組合，因此有 ) , ( ' ) , ' ( ) , , ' , (x x t x dxd x t R_ij _j  _i







(6) 其中為相對應的特徵值，因特徵模態為正交的，所以



  n n i n ij x x t x t R ( , ', ,)  ( , )2 (7) 本研究中對於時域風壓訊號均採用同步訊號，計算其交相關張量時並未考慮含有時間稽延條件下的變化，因此分析時 為 0。建物表面受風力與局部風壓資料間存在空間相關性影響，因此由表面風壓量測結果，配合空間相關性的考慮，亦為重要的技術，有必要加以探討。結構物受風作用形成的最大載重條件，可利用同一剛性構架(frame) 上的風壓相關性加以推求，Ginger(2000)應用相關性積分法推得最大受風反應情況下的反應值為：

(28)

6



   N i N j j i p p p p j i x i j i jAA 1 2 / 1 1 ] [       (8) 其中為受風反應影響係數， j iP P  為風力交相關係數矩陣、_p為風壓擾動均方根值、Ai為各風壓孔有效貢獻面積。風載重反應的尖峰因子以下式表示：



   N i x j i N j p p j i x g g P t P t g j i 1 2 / 1 1 / ] ) ( ' ) ( ' [    (9) 則發生最大風載重情況之等值靜載重為：



    N i x i j i x j x j P g P t P t P 1 ˆ [ ' ( ) ' ( ) / ] ) (   (10) 有效的設計風載重應能兼顧物理特性及不受特定結構系統的影響，由結構受風反應推估結構物的等值載重，應滿足以上要求。考慮建築物結構系統採二維的剛性構架，配合實驗量測所得的風載重資料推估其結構反應。尖峰反應(peak response) 的估算可由結構物上風壓歷時資料由 POD 分析得載重作用模態： ) .... 5 , 4 , 3 , 2 , 1 (j N Pejn njn  (11) 而各模態作用產生的結構反應可表示為：



  N j jn n j st n r 1    (12) 考慮前 NR個外力作用模態，則尖峰反應定義作：



  NR n n st kn k r q r 1 ' ˆ (13) 其中q’n(n=1,2,……NR)稱作結合因子(combination factor) 由實際風壓載重推估的尖峰反應為：

(29)

第一章緒論 7 r r n r g rˆ'    (14) 因此由實際風力作用及有限數量的風壓模態推估之結構反應其誤差為：



   M k k r r r 1 2 2 ) ' ˆ ˆ (  (15) 為使誤差最小化，可解下列線性方程式：

    

S

q

'



D

(16) 解得 q’=[q1’ q2’ …… qn’] (17) 代入下式以估算結構物的等值靜載重：



  NR n ejn n ej q P F 1 ' ' (18) 7. 提昇坡地建築物結構系統耐風性能的設計策略：本研究由結構受風荷載及結構反應檢討其耐風性能，嘗試做結構系統的調整，比較在坡地上低層建築物受風的特性，並作為改進設計的參考。 8. 歸納不同屋頂型式與配置關係：由本研究所獲得的風載重資料，配合山地地形影響的綜合檢討，了解本研究中所採用知各屋頂形式低層建築物座落在坡地位置與受風載重特徵的關係。

(30)

8

第三節研究流程與進度規劃

本計畫依據計畫目標與實驗設備規劃執行之流程如圖 1-1 所示，進度規劃如表 1-1 所示。

圖 1-1 計畫執行流程

資料來源：本研究繪製

低層建築物結構系統資料蒐集與分類整理實驗儀器整備與校驗二維山丘流場剖面資料蒐集實驗需求分析與規劃低層建築物氣動力模型製作二維山丘模型基台設計與製作氣動力實驗量測實驗資料分析與整理建築物受風作用等值靜載重分析建築物結構系統耐風設計策略研究撰寫報告計畫完成專家諮詢專家諮詢具俯仰角來流之低層建築物受風作用結構系統荷載分析山地流場量測與俯仰角驗證專家諮詢

(31)

第一章緒論 9

表 1-1 研究進度規劃表

月工作項目第 1 月第 2 月第 3 月第 4 月第 5 月第 6 月第 7 月第 8 月第 9 月第 10 月第 11 月備註資料蒐集文獻比較分析模型製作 ▼：完成實驗驗證儀器校正氣動力實驗實驗資料分析期中報告 ▼：完成期中報告結構分析結構設計建議 ▼：完成載重分析專家座談期末報告預定進度 (累積數) 7﹪ 13﹪ 27﹪ 37﹪ 43﹪ 57﹪ 70﹪ 83﹪ 93﹪ 99 % 100 ﹪ 說明：１工作項目請視計畫性質及需要自行訂定，預定研究進度以粗線表示其起訖日期。２預定研究進度百分比一欄，係為配合追蹤考核作業所設計。請以每一小格粗組線為一分，統計求得本計畫之總分，再將各月份工作項目之累積得分(與之前各月加總)除以總分，即為各月份之預定進度。３科技計畫請註明查核點，作為每一季所預定完成工作項目之查核依據。

(32)

(33)

第二章文獻回顧 11

第二章文獻回顧

第一節國內外地形對設計風載重影響之相關規範

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。國內關於建築物的設計風載重於建築物耐風設計規範中以風速壓為基礎，而計算風速壓的公式中 即含地形因子(Kzt)，並對不同的地形條件建立參考公式進行計算，地形因子考量山丘、斷崖等對於風場產生風速局部加速的現象，因此以地形因子針對風速壓的計算進行調整。美國規範 ASCESEI 7-10 亦有相同的規定，我國規範中有相當部分參考美國規範制定，此部分兩者為相同的定義。地形的變化除對風速壓產生影響，對於建築物所受擾動性風力的影響則不易評估，低層建築物位於大氣邊界層底層，受到高紊流強度作用下，所受風載重與規範給定的風壓需要加以比對。本研究模型形式為規範中的山脊地形，以二維方式考慮地形的變化除對風速壓產生影響，對於建築物所受擾動性風力的影響則不易評估，低層建築物位於大氣邊界層底層，受到高紊流強度作用下，所受風載重與規範給定的風壓需要加以比對。山坡地低層建築物表面披覆材料所受尖峰風壓的評估、結構系統受風荷載的計算及考慮項目等，如能建立風載重評估建議，對於實際案例設計工作上將有所裨益。 一、山坡地形對設計風載重影響之相關規範 國內建築物耐風設計規範中以風速壓為基礎，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_。 2 10( )] [ ) ( 06 . 0 ) (z K z K IV C q  _zt (19) 3

(34)

12 其中





2 3 2 1 1 K K K K_zt   ，K1表達山體幾何條件的影響，K2及 K3則為建物位置的影響係數，均以查表方式取得。

表 2-1 山體幾何條件影響係數

h L H 地況 A 或 B 下之 K1 地況 C 下之 K1 山脊懸崖山丘山脊懸崖山丘 0.20 0.26 0.15 0.19 0.29 0.17 0.21 0.25 0.33 0.19 0.24 0.36 0.21 0.26 0.30 0.39 0.23 0.29 0.43 0.26 0.32 0.35 0.46 0.26 0.33 0.51 0.30 0.37 0.40 0.52 0.33 0.38 0.58 0.34 0.42 0.45 0.59 0.34 0.43 0.65 0.38 0.47 0.50 0.65 0.38 0.48 0.72 0.43 0.53

資料來源：建築物耐風設計規範及解說

圖 2-1 山脊及山丘剖面示意圖

資料來源：建築物耐風設計規範及解說

二、山坡地形對於大氣邊界層的影響 x 0 V(z) 平地 Lh x 0 0 H H/2 H/2 V(z) 局部加速 (上風側) (下風側)

山脊及山丘

(35)

第二章文獻回顧 13 大氣邊界層流場受到山體地形的干擾作用，可能出現與一般平地風場截然不同的特性，因此考慮建築受風載重時如果仍以一般平地風場計算建築受風反應，可能產生誤差，其誤差的程度應加以評估。自 70 年代開始此一現象受到重視，文獻中許多學者針對各種不同山地地形進行氣動力實驗研究，指出由於風越過山頂的運動性質產生局部加速效應，對於建築物的影響較大(Kim 2000, Weng, 2000)。因此近地風速比平地在相同高度處的風速略高，主要針對山頂的加速現象，而對於山坡地的氣流垂直向運動的影響較少探討。特別是常見於山坡地的一般廠房、倉儲等建築物受到高紊流地形風場擾動的評估，則尚有待進一步探討。 三、低層建築物之受風作用特性 本所過去於低層建築物風載重研究已累積相當多，包括屋頂風載重分布、外部附屬設備風載重等的資料，本所 95 年研究計畫「低層廠棚式建築物風載重評估之研究」取用四種不同屋面坡度的系列低層建物模型，運用同步量測技術，獲得表面風壓資料，探討不同幾何尺寸與風攻角作用下的低層建築物受風作用特性，分析包括風壓係數的統計特性、分布特性，並利用正交模態分析(POD) 了解風壓作用的特徵結構。同時透過相關性積分法探討結構系統的受風反應及推估最大等值靜載重。表面風壓量測顯示，低層建築物由於浸沒大氣邊界層流場的底層，為高紊流強度的流場作用，建物表面風壓的分布具有高擾動性風壓及尖峰風壓作用，特別是角隅處由於流場分流的影響，通常有甚高的尖峰風壓作用，尖峰因子可能較一般高層建築更高。風壓機率密度函數屬於左偏的型態，在角隅及屋頂邊緣地帶，峰度係數可達 6 ~ 9 之間，其風壓機率密度函數屬於高狹峰形態。由表面風壓分布與建物幾何尺寸的關係探討顯示，相同屋面坡度的建物變化深高比，對表面風壓分布較無明顯的改變，顯示促成風壓分布形式的三維流場機制應相似。低層建築物表面風壓分布的重要尺度因子為建物高度，不論是表面風壓、擾動性風壓或尖峰風壓分布均顯示與建物高度有比例上的關係。由於低層建築物浸沒於大氣邊界層底部，受到強烈的紊流擾動，且本身高

(36)

14 度與寬度的比值接近 1，三維流場的作用十分明顯，Tieleman(1997, 1998)指出對於低層建物的風洞模擬實驗，由於紊流場作用強烈，水平向的紊流強度及小尺度紊流成為十分重要的因素，流場之平均風速剖面的指數值(α)及地表的氣動力粗糙長度(z0)則影響不大。由文獻中顯示，建築物外周邊的流場變化甚為複雜，受強烈山地地形風場作用時，屋頂表面分離剪力流氣流間形成的氣動力作用，是否構成更嚴重的風載重，尚須進一步加以釐清。 四、建築物結構系統之風載重評估 由以上所述，不論紊流場或風壓分布中許多特徵往往受到相當程度的擾動及干擾，在空間分佈的相關性特徵如僅以一般簡單的統計公式不易精確掌握其變化，Delville(1999)應用正交模態分析法檢測紊流場中之大尺度結構，指出正交模態分析法(POD)可快速的將系統中主要特徵收斂於少數個模態之中，有助於提昇分析工作的清晰度。正交模態分析法技術可有效將風壓場分解成為時間軸的主座標和空間座標特徵模態的組合，將隨時間變化的特性與風壓場的空間分佈主軸分離，因此透過 POD 模態(modes)，可有效觀察風壓場作用的行為。在邊界層流場中，如低層建築物或屋頂構造物等受風作用，由於其強烈紊流作用，如直接以量測所得的平均風壓計算整體風載重或受風反應，並不足以反應真實行為，因此整體表面風壓的空間相關性成為十分重要的考慮因素， Kasperski(1996)指出由結合結構物最大反應的載重組合，推估而得的外力作用方式才是較適合的設計載重，稱作 LRC 法。Ginger(2000)近一步利用相關性積分法求得廠房建築主要構架系統受極端載重的尖峰因子，並推估載重，同時指出就摺板式屋頂建築物而言，最大的載重條件是出現在屋脊平行或與屋脊 30 度夾角的風向作用。因此利用 LRC 法，有助於推估變異性較高的擾動性表面風壓形成的風壓載重。 (d)Slope 1:8

(37)

第二章文獻回顧 15

第二節相關研究成果

一、低層建築物之受風作用 本所研究計畫「低層廠棚式建築物風載重評估之研究」(2006)取用四種不同屋面坡度的系列低層建物模型，運用同步量測技術，獲得表面風壓資料，探討不同幾何尺寸與風攻角作用下的低層建築物受風作用特性。同時利用相關性積分法探討結構系統的受風反應及推估最大等值靜載重。以不同屋頂坡度之二落水式建築物表面風壓分布為例，如圖 2-2 所示，表面風壓的平均風主要在屋頂坡度較為陡峭的 1:1 屋頂，迎風上游區域有正風壓的分布，而其餘坡度屋頂的平均風壓分布均為負值，表是只有在較為陡峭的屋頂面上受到紊流直接衝擊作用而出現正壓，其餘坡度屋頂因上游邊緣剪力層分流影響形成整個屋頂壟罩在分離泡中，均為負壓。因此受地形影響，來流與受風面間夾角亦會影響表面風壓分布情形。建築物表面動性風壓係數分布的狀況如圖 2-3 所示，再見植物屋頂面上的擾動性風壓係數分部以在屋頂面前緣及角於區域最為強烈，相同的情形亦反映在間風風壓係數的表現上，因此對於低層建築物屋頂面披覆建材的破壞，亦已在角於區域的可能性最高。

(38)

16 (a) (b) (c) (d)

圖 2-2 不同屋頂坡度之二落水式建築物表面平均風壓係數分布，屋

頂坡度(a)1:1，(b)1:2，(c)1:4，(d)1:8。

資料來源：本研究整理

-0 .6 -0_.6 -0.4 -0.4 -0.2 0.0 0 .2 0 .2 0.2 0 .2 0 .4 0.4 0 .4 0.6 0 .6 0 .6 0.6 0.6 0 .6 -0.6 -0.6 -0.4 -0.4 -0.2 0.0 -0.4 -0.4 -0.4 -0 .2 0 .0 PMEAN MODEL : A40 ANGLE : 90 -0.65 -0.65 -0 .5₉ -0.54 -0.48 -0.48 -0.43 -0.43 -0 .3 7 -0.32 -0.26 -0.26 -0.21 -0.15 -0.09-0.04 -0 .2 1 -0 .1 5 0.68 0.62 -0 .0 9 -0 .0 9 -0.0 9 0.62 0.68 -0 .0 4 -0.0 4 -0 .0 4 0 .0 2 0.62 0 .0 2 0_.0 2 0 .0 2 0 .0 7 0 .0 7 0.51 0.68 0.0 7 0 .0 7 0 .0 7 0 .1 3 0 .1 3 0.62 0 .13 0_.1 3 0 .1 8 0.51 0.68 0 .18 0 .2 4 0 .2 4 0.62 0 .2 9 0 .2 9 0.40 0.68 0 .3 5 0.35 0.62 0 .4 0 0.40 0.62 0.68 0.62 0 .4 6 0 .4 6 0.51 0.62 0 .5 1 0 .5 1 0.68 0.62 0.57 0 .5 7 0 .6 2 0 .6 2 0.62 0.62 0 .6 2 0 .6 8 0 .6 8 -0.6 5 -0.5 9 -0.5 4 -0_.4 8 -0.4 3 -0.43 -0.3 7 -0.32 -0.32 -0.26 -0.26 -0.2 1 -0.15 -0.09 -0.04 -0_.3 2 -0.26 -0.3 2 -0.26 -0.26 -0.2 6 -0 .2 6 -0_.2 1 -0 .2₁ -0 .15 -0 .0 9 -0 .0 4 PMEAN MODEL : B40 ANGLE : 90 -0.5 7 -0.4 3 -0 .3 5 -0.2 8 -0.2 1 -0.1 4 -0.14 -0.64 -0.6 4 -0 .4₃ -0 .3₅ -0.64 -0.6 4 -0 .5₇ -0 .5 7 -0 .5 0 -0 .5 0 -0 .4 3 -0 .4 3 -0 .3 5 -0 .3₅ -0 .3 5 -0 .2 8 -0 .2₈ -0.9 2 -0 .8₅ -0.85 -0 .7 8 -0 .7 8 -0 .71 -0 .7 1 -0 .7 1 -0 .6 4 -0 .6₄ -0 .6 4 -0 .5 7 -0 .5₇ -0.50 -0 .50 -0 .5 0 -0.4 3 -0 .4 3 -0 .4 3 -0.4 3 -0 .3₅ -0 .3₅ -0.3 5 0.43 0 .4 3 0_.4 3 0 .50 0 .5 0 0.5₀ X Y -20 -10 0 10 20 30 40 -30 -20 -10 0 10 20 30 wind Cp mean 0 Frame 00130 Sep 2007 Frame 00130 Sep 2007 -0 .5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.5 0.5 -0.9 -0 .9 0.5 0.5 -0 .8 0.5 0.5 -0 .7 -0 .7 0.5 0.5 -0 .6 _0.5 -0 .5 -0 .5 0.5 0.5 -0.4 -0 .4 0.5 -0_.3 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 .1 0 .1 0.5 0.5 0 .2 0.5 0.5 0 .3 0.3 0.5 0.5 0 .4 0 .4 0.5 0.5 0.5 0 .5 0.5 0 .5 0.6 0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 -0 .2 -0 .1 -0 .1 0 .0 PMEAN MODEL : D40 ANGLE : 90

(39)

第二章文獻回顧 17 (a) (b) (c) (d)

圖 2-3 不同屋頂坡度之二落水式建築物表面擾動性風壓係數分布，

屋頂坡度(a)1:1，(b)1:2，(c)1:4，(d)1:8。

資料來源：本研究整理

二、建築物結構系統之風載重評估

正交模態分析法(Proper orthogonal decomposition, POD)技術可有效將風壓場分解成為時間軸的主座標和空間座標特徵模態的組合，將隨時間變化的特性與風壓場的空間分佈主軸分離，因此透過 POD 模態(modes)，可有效觀察風壓場的主要特徵。 0.02 0.04 0.060.08 0.10 0.120.18 0.160.200.14 0.2₀ 0 .2₂ 0.22 0.24 0.24 0.26 0.26 0.28 0 .2₈ 0.30 0.30 0.320.32 0 .0 2 0 .0 2 0 .0 4 0 .0 6 0 .0 8 0 .1 0 0 .1 2 0 .1 4 0 .1₄ 0 .1 6 0 .1 6 0 .1 6 ₀.1 8 0 .1 8 0.1 8 0 .2 0 0 .2 0 0 .2₂ 0 .2 2 0 .2 2 0 .2 2 0.2 2 0 .2 4 0.2 4 0 .2₄ 0 .2 6 0.28 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.160.18 0.20 0.22 0.2₂ 0.24 0.2₄ 0.26 0.2₆ 0.28 0.2 8_0.30 0 .30 0.32 0 .0 2 0 .0 4 0 .0 4 0 .0 6 0 .08 0 .1 0 0 .1 0 0 .12 0.12 0.12 0 .1 4 0.14 0.14 0 .1₄ 0.16 0 .1₆ 0 .1₆ 0.16 0.18 PRMS MODEL : A40 ANGLE : 90 0.05 0.100.15 0.20 0.20 0.25 0.25 0 .3₀ 0.3 0 0 .0 5 0 .0 5 0 .1 0 0 .1₀ 0 .1 5 0 .1 5 0.1 5 0 .2 0 0 .2₀ 0 .2 0 0 .25 0 .2₅ 0 .2 5 0.30 0.25 0 .3 0 0 .3₅ 0 .3 5 0.05 0.10 0.15 0.20 0.20 0.25 0.25 0 .3 0 0.30 0 .05 0 .1 0 0.10 0.10 0 .1 5 0.15 PRMS MODEL : B40 ANGLE : 90 0.12 0.12 0 .14 0.1 6 0.18₀ .2 1 0.23 0 .2 3 0 .2 5 0.25 0 .2 7 0.29 0.08 0 .0 8 0.14 0 .1₆ 0 .1₈ 0 .2₁ 0.23 0 .2₅ 0.1 2 0 .1₄ 0.14 0 .1 4 0 .1 6 0 .16 0 .1₆ 0.1 8 0.1 8 0 .1 8 0.2 1 0 .2 1 0 .2 1 0 .2 3 0 .2₃ 0.2 3 0.25 0 .1₄ 0.14 0 .14 0.1 6 0.1 6 0 .1₆ 0.1 8 0.1 8 0 .1 8 0 .21 0 .2 1 0 .2 1 0 .2 3 0 .2 3 0 .2₃ 0.2 5 0 .2 5 0 .2 5 0 .27 0.2 7 0.27 0 .29 0 .2₉ 0 .2₉ 0 .3 1 0.3 1 0.31 0.3 3 0 .2₁ 0 .2 1 0.23 0 .2₃ 0 .2₃ 0.23 0 .2 5 X Y -20 -10 0 10 20 30 40 -30 -20 -10 0 10 20 30 wind Cp rms 0 Frame 00130 Sep 2007 Frame 00130 Sep 2007 0.05 0.10 0.10 0.15 0.15 0.20 0.20 0.2₅ 0 .0 5 0 .0 5 0 .10 0 .1 0 0 .1 5 0 .2₀ 0 .2 0 0.2 0 0.2 5 0 .2 5 0 .2 5 0 .2 5 0.25 0.25 0 .3 0 0 .3 0 0.25 0.25 0.3 5 0 .3 5 0 .4 0 0.25 0.25 0.05 0.10 0.15 0.15 0.20 0.20 0.25 0.30 0.30 0 .0 5 0 .0 5 0.10 0.1 0 0 .1 5 0.15 PRMS MODEL : D40 ANGLE : 90

(40)

18 在邊界層流場中，如低層建築物或屋頂構造物等受風作用，Kasperski(1996) 指出由結合結構物最大反應的載重組合，推估而得的外力作用方式才是較適合的設計載重，稱作 LRC 法。Ginger(2000)近一步利用相關性積分法求得廠房建築主要構架系統受極端載重的尖峰因子，並推估載重，利用 LRC 法，有助於推估變異性較高的擾動性表面風壓形成的風壓載重。 (a) (b)

圖 2-4 梁柱接點彎矩推估之低層建築剛架之等值靜載重(a)等值靜載

重，(b)剛架示意圖。

資料來源：本研究整理

A30 frame 1, CM1 max equivlent loadings

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 tap no. Cp AOA=0 deg. AOA=22.5 deg. AOA=45 deg. AOA=90 deg. M2 M1

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第三章實驗設置與規劃 19

第三章實驗設置與規劃

第一節流場規劃

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)，本研究採用第一試驗段進行，試驗段長 26.5 m，風洞可提供最大風速為 25 m/s。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，表現不同風向角的效果。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。本研究以 C 地況流場為來流條件，配合邊界層元件所產生平均流速剖面指數律分佈之α 值為 0.16，而在距地 10 cm 處之紊流強度( turbulence intensity )約為 12%，流場之平均風速剖面及紊流強度如圖 3-1 所示。本研究採用之 C 地況流場為上游來流的流場條件，尚須經過二維山脊地形及安置建築物模型，進行氣動力實驗。邊界層特徵之除以平均風速剖面指數律公式之指數加以辨識，邊界層厚度的縮尺 1:300 一為設計模型及地形所需的技和縮尺條件。

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20 (a) (b)

圖 3-1 上游流場特性分佈，(a)平均風速剖面，(b)紊流強度剖面

資料來源：本研究整理

0 40 80 120 160 200 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 U(z)/Ur z (c m ) formula measured 0 40 80 120 160 200 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% T.I. (%) z (c m )

(43)

第二節實驗模型規劃

本計畫研究重點為不同氣流俯仰角對低層建築風載重，利用模型安裝至兩組坡度二維山脊 (圖 3-2)及不同位置探討表面風壓變化。採用剛性(rigid)構造物模型設計，控制的參數包括山丘坡度、模型屋頂坡度與安裝位置，氣動力實驗研究成果並與文獻資料相驗證。規劃進行的二維山脊模型為中心線前後對稱，低層建築模型設計採用雙斜屋頂為主，屋頂坡度包括 1:1、1:2、1:4 及平屋頂。山脊地形剖面函數以餘弦函數定之，採用的兩種不同坡度地形曲線繪出如圖 3-2 所示，公式如表 3-1 所示。實驗規劃首先量測兩種山丘坡度不同截面風場(圖 3-2)，分析山坡不同位置氣流俯仰角，再進行多種屋頂坡度、安裝位置的建築模型實驗(圖 3-3)，為方便表達建築物模型各不同受風面的行為，將模型各面作編號如圖 3-4 及 3-5 所示，本研究模型不設方位為固定來流軸向垂直於屋脊方式進行氣動力實驗，因此模型之 C 面固定為迎風牆面，而 E 面則為背風牆面，利用風洞實驗以探討包括風壓變化、整體風載重變化及結構受風力評估等。

圖 3-2 二維山脊模型剖面圖

資料來源：本研究整理

建築物模型安置在山坡地模型時仍以垂直直立方式安裝，因此模型底部與坡地地形之斜面間出現的間隙，則以薄壓克力板製作底座加以圍蔽，並以符合實踐建築物使用的狀況。山丘模型以木板製作，兩側使用保利龍材料向側邊延伸並裝設壓克力側板

(44)

22 (End plates)保持流場二維性，屋頂模型以壓克力製作，可變化不同屋頂面坡度，氣動力實驗研究成果並與文獻資料相驗證，最後進行 1:150 低層建築模型放置在地面改變傾斜角度模擬不同來流俯仰角。各類實驗項目如表 3-1、3-2 與 3-3 所示。 slope = h : d

圖 3-3 建築物模型示意圖

資料來源：本研究整理

圖 3-4 平屋頂模型表面分區編號

資料來源：本研究整理

6cm 15cm 2d=10cm h

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圖 3-5 雙斜面屋頂模型表面分區編號

資料來源：本研究整理

表 3-1 二維山脊模型曲線規劃

二維山脊方程式尺寸 30%坡度 cos ( /4 1) 2 L x h y  H=0.3, L=0.5 高度 0.3m, 總長度 2m 20%坡度 cos ( /4 1) 2 L x h y  H=0.3, L=0.75 高度 0.3m, 總長度 3m

資料來源：本研究整理

表 3-2 實驗模型類型規劃

模型類型屋頂坡度安裝位置低層建築 1:1 、 1:2 、 1:4、平屋頂迎風坡面山腰(P1)、山頂(P2)、背風坡面山腰(P3)、背風坡面山腳(P4)、背風坡面山腳後 30cm(P5)等五處。

資料來源：本研究整理

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24 (a) (b)

圖 3-6 剛性構架上風壓孔編號(a)1:1 屋頂坡度建築模型，(b)1:2 及 1:4

屋頂坡度建築模型

資料來源：本研究整理

規劃之氣動力實驗包括： 1. 二維山脊風場量測實驗：量測 30%、20%兩種坡度上不同位置處截面。 2. 平屋頂與斜屋頂建築物模型系列實驗：屋頂坡度包括 1:1、1:2、 1:4 與平屋頂不同坡度變化，安裝至山丘 P1~P5 共五處位置。 3. 流場規劃：以均勻紊流場模鄉村地況大氣邊界層底層流況。 4. 模型設計：兩組二維山脊模型利用木板製作，其外型曲線符合表 3-1 方程式，並在 P1~P3 三處鑿出放置模型空間。氣動力模型將利 1 4 7 8 12 14 h 2B a b Roof slope = a : b : pressure tap 11 1 4 6 7 10 12 h 2B a b Roof slope = a : b : pressure tap 9

(47)

第三章實驗設置與規劃 25 用壓克力板製作，模型包括屋頂坡度 1:1、1:2、1:4 與平屋頂模型，模型表面佈設壓力孔，搭配壓力管線系統，量測表面風壓變化，並與文獻資料相驗證。 5. 低層建築物模型：為表現不同建築物屋頂型式對於氣動力特徵的變化，本研究依據國內規範定義範圍選擇五種不同坡度(1:1，1:2， 1:4，1:8 以及平屋頂)的斜屋頂建築物模型，模型屋頂面設置孔位，將氣動力模型安裝於屋頂面上，提供可安裝在上、下游側及屋脊等位置的可能性。 6. 實驗控制參數：氣動力實驗研究主要探討不同氣流俯仰角對不同屋頂型式及安裝位置的表面風壓影響，因此在建築物模型方面實驗參數控制以山丘坡度與安裝位置因子為主。

圖 3-7 二維山脊模型於風洞中進行風場量測

資料來源：本研究拍攝

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26

圖 3-8 模型於風洞中進行實驗量測

資料來源：本研究拍攝

圖 3-9 二維山脊風場量測與模型安裝位置

資料來源：本研究整理

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第三章實驗設置與規劃

27

風場量測。取樣頻率為 512Hz ，取樣時間 120s。此系統可支援類比數位之轉換，使用 NI 數據擷取器擷取訊號再透過 TFI 軟體記錄三維方向瞬時速度。

圖 3-10 TFI cobra probe

資料來源：本研究拍攝

本研究低層建築物氣動力模型利用壓克力板製作，建築物模型幾何尺寸為高 4 公分、寬 10 公分、深 6 公分，模型的高寬比為 2:5、寬深比為 5:3。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，本次模型實驗視屋頂坡度變化於模型屋頂面與四周牆面共佈設 107~136 個風壓孔，利用本所實驗室現有的電子式壓力掃描器量測模型屋頂面及側面同步的風壓資料。氣動力模型實驗量測時，安裝在山丘上不同位置，表現不同氣流俯仰角對模型風壓變化之效果。

圖 3-11 電子式壓力掃描模組

資料來源：本研究拍攝

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圖 3-12 壓力訊號處理系統

資料來源：本研究拍攝

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。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 PX 如圖 3-2)，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 3-3)，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。本研究採樣頻率為 256Hz，實驗採樣 120 秒，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。

(51)

第三節流場模擬成果

本研究首先以坡度 20%山脊地形(Case A)曲線製作山脊高度為 60 公分的地形模型，應用二維探針量測所得之流場平均風速、紊流強度及流向垂直俯仰角度等如圖 3-11 所示，山坡面上近地表的氣流受地形導引，已形成俯仰角度的變化，特別是在山腰的區域角度變化最大，但隨高度的增加角度則迅速縮減，在到達山脊頂高度附近時角度已不及近地面的三分之一，此地型模型高度達 60 公分，實驗所用試驗段高度僅約 320 公分，因此有阻塞比過大造成局部加速現象的疑慮。依第一次專家座談建議，將山脊模型高度減少至 30 公分，並採用 Cobra 探針進行流場量測。量測所得之流場垂直俯仰角度如圖 3-12 所示，兩種坡度山脊模型的俯仰角度變化趨勢仍類似，最大的垂直角度變化亦出現在山腰部位，近地層角度變化較大，而隨高度的增加即迅速削減，迎風坡面山腰位置在 30%坡度地形時模型屋頂高度附近氣流約為 18 度的仰角，背風坡面山腰位置氣流則約為-18 度的俯角。而 20%坡度地形時模型屋頂高度附近氣流約為 12 度的仰角，背風坡面山腰位置氣流則約為-12 度的俯角。由圖中可觀察到坡趾部位，氣流仍有俯仰角度的變化，但其平均角度值則約為山腰區域的一半。本研究之建築物模型表面風壓量測均以 30 公分高的山脊模型進行，比較不同坡度與位置對於所受風載重的影響。由於邊界層受到山脊地形擾動，以對數律檢驗不同位置邊界層之粗糙長度(z0)，如表 3-3 所示，越過山脊後，流場擾動較為嚴重，z0的變化較劇烈。

(52)

30 (a) (b) (c)

圖 3-12 應用二維探針量測所得之流場(a)平均風速，(b)紊流強度，(c)

流向垂直俯仰角度剖面圖

資料來源：本研究整理

0 50 100 150 200 0 5 10 15 20 He igh t (cm ) U (m/sec) P1 P2 P3 P4 P5 0 50 100 150 200 0 0.1 0.2 0.3 0.4 He igh t (cm ) u'/U P1 P2 P3 P4 P5 0 50 100 150 200 -30 -15 0 15 30 He igh t (cm ) Inclination (degree) P1 P2 P3 P4 P5

(53)

第三章實驗設置與規劃

31

(a)

(b)

圖 3-13 應用 Cobra probe 量測所得之流場順風向(u 方向)速度剖面

(a)30%山脊模型，(b) 20%山脊模型

(54)

32

(a)

(b)

圖 3-14 應用 Cobra probe 量測所得之流場俯仰角度剖面(a)30%山坡

模型，(b) 20%山坡模型

(55)

表 3-3 不同位置回歸所得對應實場之粗糙長度(z

0

)

位置

30% slope

20% slope

P0

0.22 0.0036

P1

0.0064

0.002 P2

-

P3

0.08

0.007 P4

1.6 0.2364

P5

0.13 0.0182

單位:m 資料來源：本研究整理

(56)

(57)

第四章研究成果與討論 35

第四章研究成果與討論

第一節不同坡度山脊地形之影響

4-1.1 表面風壓分布之特性 為比較山坡地形之影響，本研究採用多種不同屋頂坡度之雙斜屋頂低層建築模型進行氣動力實驗，首先以平屋頂模型進行實驗，由實驗量測得壓力數據計算模型表面風壓係數分佈，平屋頂建築物模型安裝在坡度 20%山脊地形模型其平均壓力分佈如圖 4-1 至圖 4-5 所示。由圖 4-1 可明顯觀察到Ｃ面為受風面，壓力分佈均為正值。當氣流通過模型，經由前緣分離後，在模型上方與側面產生迴流，因此在 A、D、E 及 F 面壓力呈現負壓分佈。在模型側 D、F 面壓力分佈則往下游逐漸遞減。如圖 4-2 所示，當模型安裝在山頂(以下簡稱作 P2)位置，氣流通過模型周圍時，由於背面無山坡阻擋，其尾流區形成的迴流強度強於迎風面山腰(以下簡稱作 P1)位置，造成 A、D、E、F 面壓力明顯降低。如圖 4-3 所示，隨著模型往下游移動到背風面山腰(以下簡稱作 P3)位置，模型受到山坡遮蔽，C 面平均壓力降低至 0.15，同時 A、D、E、F 面負壓程度減弱。如圖 4-4 所示，當模型移動至背風面山腳(以下簡稱作 P4)位置， D、F 兩面壓力由負值壓力轉為正值，A、E 面負值壓力強度同時減弱，其壓力值接近 0，在此位置模型風力負載為最低。如圖 4-5 所示，當模型置放在背風面距山腳一倍山脊高度(以下簡稱作 P5)位置，山坡屏蔽效應減弱，氣流衝擊 C 面強度高於模型置放在 P4 位置，同時 D、F 兩面壓力降低。

(58)

36

圖 4-1 平屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之迎風坡面山腰位置

(P1)平均風壓係數分佈

資料來源：本研究整理

圖 4-2 平屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之山頂位置(P2)平均風

壓係數分佈

資料來源：本研究整理

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第四章研究成果與討論 37

圖 4-3 平屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之背風坡面山腰位置

(P3)平均風壓係數分佈

資料來源：本研究整理

圖 4-4 平屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之背風坡腳位置(P4)

平均風壓係數分佈

資料來源：本研究整理

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圖 4-5 平屋頂建物模型位於坡度 20%山脊地形之背風坡腳一倍山脊

高度位置(P5)平均風壓係數分佈

資料來源：本研究整理

隨著山坡坡度增加，可明顯觀察到因坡度產生不同氣流俯仰角對低層建築風載重影響，圖 4-6 至圖 4-10 為平屋頂模型安裝在坡度 30%平均壓力分佈。模型置放在 P1 平均壓力結果如圖 4-6 所示，與坡度 20%山脊地形結果(圖 4-4)比較，C 面受到正值壓力高於坡度 20%山脊地形條件下的表現，且其餘面所承受負壓力皆隨山坡坡度提高而增強(吸力增強)。當模型位在 P2(圖 4-7)與 P3 位置 (圖 4-8)其壓力分佈與坡度 20%山脊地形結果(圖 4-10、4-11)相似，原因為此位置在 20%與 30%兩坡度氣流俯仰角無明顯差異。P4 位置(圖 4-9)壓力分佈明顯觀察到 A 面壓力為正值壓力高於坡度 20%條件壓力分佈，但 C 面壓力分佈則低於坡度 20%山脊地形壓力分佈，其原因為坡度 30%山脊地形氣流下降角度約為 23o，遠大於坡度 30%山脊地形之氣流下降角度 10o_{，氣流衝擊Ａ面強度大於模} 型安裝在坡度 20%模型山丘，而模型移動至 P5 位置時，兩坡度壓力分佈皆無明顯差異。

來流具俯仰角對低層建築風載重影響之研究