高科技廠房建築物受風反應之研究

高

科

技

廠

房

建

築

物

受

風

反

應

之

研

究

內

政

部

建

築

研

究

所

協

同

研

究

報

告

（

年

度

）

103

高科技廠房建築物受風反應之研究

內 政 部 建 築 研 究 所 協 同 研 究 報 告

中華民國一Ｏ三年十二月

高科技廠房建築物受風反應之研究

研究主持人：何明錦

協同主持人：陳若華

研 究 員：聶國昀，鍾政洋，李信宏，

郭建源

研 究 助 理 ：周晉成，李冠篁

內 政 部 建 築 研 究 所 研 究 報 告

中華民國 103 年 12 月

（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

I

目次

目次 ... 錯誤! 尚未定義書籤。

表次 ... V

圖次 ... VII

摘 要 ... XIV

ABSTRACT ... XVII

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 ... 4

第二章 文獻回顧 ... 7

第一節 相關規範 ... 7

第二節 文獻研究成果 ... 10

II

第三章 風洞實驗 ... 15

第一節 流場規劃 ... 15

第二節 實驗量測與模型規劃 ... 16

第三節 實驗模型設計 ... 19

第四章 研究成果與檢討 ... 23

第一節 建築物結構系統受風反應之評估流程建立 ... 23

第二節 氣動力實驗成果與結構分析計算 ... 30

4-2.1 第一組模型實驗成果 ... 30

4-2.2 第一組模型結構計算成果 ... 36

4-2.3 第二組模型實驗成果 ... 44

4-2.4 第二組模型結構計算成果 ... 48

4-2.5 第三組模型實驗成果 ... 54

4-2.6 第三組模型結構計算成果 ... 57

第三節分析成果檢討 ... 63

第五章 結論與建議 ... 73

第一節 結論 ... 73

第二節 建議 ... 76

III

附錄一、評選委員發言單及廠商回應一覽表 ... 77

附錄二、第一次專家座談回應表 ... 81

附錄三、期中審查會議回應表 ... 85

附錄四、第二次專家座談回應表 ... 89

附錄五、期末審查會回應表 ... 93

附錄六、結構反應分析計算說明 ... 99

參考書目 ... 113

V

表次

表 1-1 研究進度規劃表 ... 5

表 2-1 一般低層建築物與高科技廠房在構造上的差別 ... 13

表 4-1 典型雙斜屋頂廠房結構構件初步設計斷面 ... 25

表 4-2 典型雙斜屋頂廠房更換桿件後各樓層受風作用之振動反

應計算結果 ... 28

表 4-3 典型雙斜屋頂廠房計算之微振反應 ... 29

表 4-4 第一組廠房建築物之前十五個模態之自然頻率 ... 39

表 4-5 第二組廠房建築物低階模態之自然頻率 ... 51

表 4-6 第三組廠房建築物低階模態之自然頻率 ... 58

表 4-7 第一組廠房建築物不同結構改善策略對微振反應的影響 72

表 A-1 評選委員發言單及廠商回應一覽表 ... 77

表 A-2 第一次專家座談委員意見及回應一覽表 ... 81

表 A-2 審查委員發言單及回應一覽表 ... 85

表 A-3 第二次專家座談委員意見及回應一覽表 ... 89

表 A-4 期末審查會委員意見及回應一覽表 ... 93

VII

圖次

圖 1-1 計畫執行流程 ... 4

圖 2-1 標準型之晶圓廠 ... 11

圖 2-2 双層型(double fab)之晶圓廠 ... 11

圖 2-3 多層型(multiple fab)之 TFT-LCD 廠 ... 12

圖 3-1 流場特性之垂直分佈，(a)平均風速剖面，(b)紊流強度剖

面 ... 15

圖 3-2 電子式壓力掃描模組 ... 18

圖 3-3 壓力訊號處理系統 ... 18

圖 3-4 第一組模型之氣動力模型 ... 20

圖 3-5 第二組模型之氣動力模型 ... 20

圖 3-6 第三組模型之氣動力模型 ... 21

圖 4-1 分析用之鋼骨構造工業廠房模型，(a)廠房外觀，(b)結構

系統。 ... 24

圖 4-2 計算模型使用的 (a)平均風壓等壓線圖，(b)擾動性風壓等

壓線圖 ... 24

VIII

圖 4-3 建築物之前三個低階模態與自然頻率，(a)1

st

_{Mode X 向}

(順風向) 1.5920Hz，(b)2

nd

_{Mode Y 向 (橫風向) 2.1032Hz0，}

(c)3

rd

Mode RZ 向 (扭轉向) 2.7075Hz ... 25

圖 4-4 頂層角隅處位移反應時序列資料... 26

圖 4-5 屋頂斜撐 CT 300x200x11x7 斷面檢核未過 ... 27

圖 4-6 節點位移及速度反應隨計算時間變化情形 ... 27

圖 4-6 風攻角零度時，第一組模型各面平均風壓係數分佈 ... 31

圖 4-7 風攻角 30 度時，第一組模型各面平均風壓係數分佈 ... 32

圖 4-8 風攻角 45 度時，第一組模型各面平均風壓係數分佈 ... 32

圖 4-9 風攻角 135 度時，第一組模型各面平均風壓係數分佈 ... 33

圖 4-10 風攻角 210 度時，第一組模型各面平均風壓係數分佈 . 33

圖 4-11 風攻角 225 度時，第一組模型各面平均風壓係數分佈 . 34

圖 4-12 風攻角 315 度時，第一組模型各面平均風壓係數分佈 . 34

圖 4-13 風攻角 0 度時，第一組模型各面擾動性風壓係數分佈 . 35

圖 4-14 風攻角 45 度時，第一組模型各面擾動性風壓係數分佈35

圖 4-15 第一組模型主抗風結構圖 ... 37

圖 4-16 第一組模型原建物之前三個低階模態與自然頻率，(a)1st

IX

Mode Y 向 (橫風向) 0.4828 Hz，(b)2nd Mode RZ 向 (扭轉)

0.5620 Hz，(c)3rd Mode X 向 (順風向) 0.5762 Hz。... 38

圖 4-17 本研究取用之第一組模型原建物中心點與角隅點位置圖38

圖 4-18 第一組模型原建物中心點不同迴歸期設計風速作用下之

微振反應(a)順風向，(b)橫風向 ... 40

圖 4-19 第一組模型原建物角隅點不同迴歸期設計風速作用下之

微振反應(a)順風向，(b)橫風向 ... 41

圖 4-20 第一組模型原建物中心點以不同風攻角作用下之微振反

應(a)順風向，(b)橫風向 (50 年迴歸期設計風速) ... 42

圖 4-21 第一組模型原建物角隅點以不同風攻角作用下之微振反

應(a)順風向，(b)橫風向 (50 年迴歸期設計風速) ... 43

圖 4-22 第一組模型原建物最外圍部分結構立柱補強透視圖 ... 44

圖 4-23 風攻角零度時，第二組模型各面平均風壓係數分佈 ... 45

圖 4-24 風攻角零度時，第二組模型各面擾動性風壓係數分佈 . 46

圖 4-25 風攻角 45 度時，第二組模型各面平均風壓係數分佈 ... 46

圖 4-26 風攻角 45 度時，第二組模型各面擾動性風壓係數分佈47

圖 4-27 風攻角 90 度時，第二組模型各面平均風壓係數分佈 ... 47

X

圖 4-28 風攻角 90 度時，第二組模型各面擾動性風壓係數分佈48

圖 4-29 第二組模型構架 3D 透視圖 ... 49

圖 4-30 第二組廠房建築物構架視圖(a)構架頂視圖，(b)構架右側

視圖，(c)構架正視圖，(d)典型斜撐鋼構架 ... 50

圖 4-31 第二組廠房建築物模型構架視圖 (a)60cm RC 牆體配置

頂視圖，(b)60cm RC 牆體 3D 透視圖 ... 51

圖 4-32 第二組模型原建物中心點以不同風攻角作用下之微振反

應(a)順風向，(b)橫風向 (50 年迴歸期設計風速) ... 52

圖 4-33 第二組模型原建物角隅點以不同風攻角作用下之微振反

應(a)順風向，(b)橫風向 (50 年迴歸期設計風速) ... 53

圖 4-34 第三組模型各面平均風壓係數分佈，(a)風攻角零度，(a)

風攻角 45 度，(a)風攻角 90 度 ... 55

圖 4-35 第三組模型各面擾動性風壓係數分佈，(a)風攻角零度，

(a)風攻角 45 度，(a)風攻角 90 度 ... 56

圖 4-36 第三組廠房建築構架 3D 透視圖 ... 58

圖 4-37 第三組廠房建築物構架視圖(a)構架頂視圖，(b)構架右側

視圖，(c)構架正視圖，(d)典型斜撐鋼構架 ... 59

圖 4-38 第三組廠房建築物構架視圖 (a)90cm RC 牆體配置頂視

XI

圖，(b)90cm RC 牆體 3D 透視圖 ... 60

圖 4-39 第三組模型原建物中心點以不同風攻角作用下之微振反

應(a)順風向，(b)橫風向 (50 年迴歸期設計風速) ... 61

圖 4-40 第三組模型原建物角隅點以不同風攻角作用下之微振反

應(a)順風向，(b)橫風向 (50 年迴歸期設計風速) ... 62

圖 4-42 補強策略一建築物之各向視圖 (a)構架 3D 透視圖，(b)

頂視圖，(c)長邊立面視圖，(d)短邊立面視圖 ... 64

圖 4-41 補強策略二建築物各向視圖 (a)構架 3D 透視圖，(b)頂視

圖，(c)長邊立面視圖，(d)短邊立面視圖 ... 65

圖 4-43 補強策略三建築物之各向視圖 (a)構架 3D 透視圖，(b)

頂視圖，(c)長邊立面視圖，(d)短邊立面視圖 ... 66

圖 4-44 以 50 年迴歸期設計風速計算，三種改進設計與原結構的

振動速度反應 (a)中心點順風向反應，(b)角隅點順風向反應，

(c)中心點橫風向反應，(d)角隅點橫風向反應 ... 69

圖 4-45 以 50 年迴歸期設計風速計算，三種改進設計與原結構的

振動速度反應下降量 (a)中心點順風向反應，(b)角隅點順風

向反應，(c)中心點橫風向反應，(d)角隅點橫風向反應 ... 70

圖 4-46 以 50 年迴歸期設計風速計算，第四種改進策略對於原結

XII

構的振動速度反應 (a)中心點順風向反應，(b)角隅點順風向

反應，(c)中心點橫風向反應，(d)角隅點橫風向反應 ... 71

XIV

摘 要

關鍵詞：振動反應、高科技廠房建築、結構分析、風洞實驗 一 、 研 究 緣 起 高科技產業為台灣經濟發展的重要骨幹，由北至南多個大型科學園區，均 以光電、通信、半導體、精密儀器、奈米科技、航太科技、生物科技等高科技 產業為主，高科技廠房設施的設置與運轉本身即有嚴苛的環境要求標準，外在 環境的條件方面包括噪音、微振、電磁波等均需嚴格控制。傳統一般用途之廠 房建築，由於高度遠低於高層建築物，自然頻率較高，風致振動幅度偏低，因 此多不予以考慮。但在高科技廠房中，研發、製造過程均需嚴格控制環境的振 動幅度與加速度，因此高科技廠房受風作用後，引發的微振行為有必要加以評 估。 二 、 研 究 方 法 及 過 程 本計畫將由氣動力實驗與結構分析等構面來探討風場對科技廠房建築風載 重的影響，涵蓋低層建築物模型氣動力實驗、結構分析軟體的計算檢討與耐風 性能優化設計建議等。 三 、 重 要 發 現 對於高科技廠房而言，由於建築物高寬比甚低，建築物表面風壓分布受到 拱門形渦漩主導，特別是在角隅突出情況下，產生甚強的角隅渦流作用，此時 有最低的負風壓，而頂面上紊流擾動亦將受角隅渦流主導。 本研究以一般低層建築物氣動力實驗所得之風荷載資料對於以符合一般耐 震規範的鋼骨構造物進行計算，發現其振動反應遠超過高科技廠房的要求。 針對不同迴歸期設計風速進行計算比較其差異，顯示 50 年迴歸期至半年迴 歸期變化設計風速，產生的微振反應計算結果差異約為工業用振動水準一個等

XV 本研究顯示，單純採用鋼骨構架系統未加裝外周區斜撐或剪力牆系統時， 其結構微振反應偏高。加設剪力牆可大幅提升對水平向勁度，對於減低結構微 振反應有明顯的效果，本研究比較不同加裝剪力牆的效果，顯示以均勻分布的 效果最佳。 計算結果顯示中央加設剪力牆可提供最大的建築物中央區微振反應的減低 量，可達接近兩個等級的降低，但角隅區受到扭轉振動放大效益影響，其微振 反應的降低則約為一個等級。如在周邊設置剪力牆提升建築物水平勁度，同時 有使中央區域與角隅區域微振反應近似幅度的降低，可降低一個等級。如在周 邊框架構件加設斜撐則以計算結果顯示，不論對於中央區域或角隅區域微振反 應的減低量十分有限，約僅降低半個等級。 四 、 主 要 建 議 事 項 【建議一】 高科技廠房受風微振反應量測：立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：風工程學術研究團體 台灣地區高科技產業為經濟的重要命脈，改善製程環境甚具價值，本研究 透過計算方式檢討其微振反應，有必組織團隊高科技廠房受風微振反應量測， 累積觀察資料。同時由各不同觀察對象之結構系統中了解，建築物設計規範中 針對微振反應可進一步修正之處。 【建議二】 高科技廠房風致微振動預估模式研擬：長期性建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：風工程學術研究團體

XVI 由本研究中採個案方式進行結構計算，研究結果顯示提高水平向勁度效果 最佳，由本研究結果顯示，高科技廠房所受風力影響因子甚多，如單純以風洞 實驗進行個案分析，尚不足以提供整體效益，建議將高寬比、寬深比、自然頻 率等影響條件綜合考量，結合氣動力實驗與結構計算，建立合適的風致微振動 預估模式，以利建築設計之用。

XVII

ABSTRACT

Keywords: vibrational responses, high-tech factory, structural analysis, wind tunnel tests.

Since the high-tech industries are the backbone of Taiwan's economic development, from north to south of Taiwan there are several major science parks. The contains of these parks may include optoelectronics, communications, semiconductor, precision instruments, nanotechnology, aerospace technology, biotechnology and other high-tech industries. Basically the requirements levels to the processing environments of these factories are very high and strictly. Hereby, the required conditions may include noise, micro-vibration, electromagnetic and other harsh environmental requirements of the standard, the conditions in the external environment. Traditional factory constructions, comparing to the natural frequency of high-rise buildings, are much higher. So the wind-induced vibration amplitude is low, commonly it will not to be considered. But the the environmental and acceleration vibration amplitude of the high-tech factory must be strictly controlled in the R & D, manufacturing processes. So the assessments of the micro-vibration responses of the high-tech factories by wind and the behavior triggered by them will be very important.

In order to give the suitable estimations of the response of wind effects on high-tech factories, this project concludes that:

1. The high-tech factories will suffer the arch vortex effects by approaching turbulent boundary layer flow due to the low aspect ratio. So the conical vortex can be found easily on the roof surfaces of models, especially for the wind with non-normal wind angles..

2. Simply design the factory with the building earthquake resistance design code is not good enough to control the micro-vibration of buildings.

3. The shear walls and bracings of rigid frames will play the important roles in the reduction of micro-vibration of high-tech factories under wind.

XVIII

According to the calculation of buildings responses, the shear walls with uniform distribution can make most effects. The level of micro-vibration can be reduced 2 levels under the well-arranged shear walls in the structural system.

4.If the buildings were enhanced by the bracing put in the shell frame of buildings, the effects would not be good enough. In this study on half level of micro-vibration can be reduced.

5.If the shear walls were arranged in the center region of FAB buildings, the micro-vibration level of the center region can be reduced about 1 or 1.5 levels. But the effects were not uniform, the micro-vibration of corner region would be only 1 levels reduced.

6.If the shear walls were arranged in the shell rigid frames of buildings, the micro-vibration level of whole building can be reduced about 1 level.

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

1. Surveying the micro-vibration level of real high-tech factories. Comparing the level of vibration with variant buildings structure system and make some conclusion about reducing vibration level. Put survey and structural analysis all together to identify the priority of the modification of building codes.

For long-term strategies:

1. Creating the prediction model to estimate the suitable micro-vibration responses by wind loadings on the designed target high-tech factories. The aspect ratio, depth-to-width ratio, natural frequencies would be the factors of modelling.

1

第一章 緒 論

第一節 研究緣起與背景

一 、 研 究 緣 起 高科技產業為台灣經濟發展的重要骨幹，由北至南多個大型科學園區，均 以光電、通信、半導體、精密儀器、奈米科技、航太科技、生物科技等高科技 產業為主，高科技廠房設施的設置與運轉本身即有嚴苛的環境要求標準，外在 環境的條件方面包括噪音、微振、電磁波等均需嚴格控制。傳統一般用途之廠 房建築，由於高度遠低於高層建築物，自然頻率較高，風致振動幅度偏低，因 此多不予以考慮。但在高科技廠房中，研發、製造過程均需嚴格控制環境的振 動幅度與加速度，因此高科技廠房受風作用後，引發的微振行為有必要加以評 估。 二 、 研 究 背 景 一般而言建築物外力震源可包括以下各類： 1.地震：由基礎傳遞至整體建築物 2.風力：由地面層以上受風發生振動 3.機具設備：屋頂冰水主機、動力幫浦等設備運轉造成振動 4.外環境衝擊：火車、高速鐵路等沿線周邊造成振動 由以上分類可見風力作用在建築物地面層以上的上部結構，形成風荷載傳 入結構系統，與地震由地底經由基礎傳入結構不同，基於耐震考量，高科技廠 房常加入隔震墊於基腳。 風致振動主要出現在主抗風結構系統，廠房中大多數機台均有配置良好的 隔振底座，傳遞至機台的振動與加速度雖能被抑制，但隨著製程不斷進步，要

2 求的微振幅度標準更趨嚴格。

第二節 研究內容與方法

本計畫將由氣動力實驗與結構分析等構面來探討風場對科技廠房建築風載 重的影響，涵蓋低層建築物模型氣動力實驗、結構分析軟體的計算檢討與耐風 性能優化設計建議等，規劃之研究內容包括： 1. 國內外相關研究文獻與規範探討：蒐集與彙整高科技廠房建築物結構系統、 設計標準與設計風載重相關之文獻，供評估模式建立及實驗品質管控，包括 2. 流場模擬：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。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。模型安裝後，風洞實驗斷面的阻塞比控制於 8%以下。 3. 建築物氣動力模型製作：本研究將結合業界實務案例製作三組以上不同高寬 比的科技廠房氣動力模型，進行風洞實驗，。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。氣動力模型安裝於風洞試驗段之旋轉平台，具備調整角度機構， 模擬不同方向來流風場變化。 4. 氣動力實驗量測：藉由變化不同之來流條件，取具代表性之高科技廠房造型 為典型建築物，並製作模型進行氣動力實驗量測，取得模型表面之風壓分佈 資料進行相關數據分析。 5. 建築物受風反應分析： (1) 利用典型科技廠房建物結構系統，以結構分析軟體進行結構分析計算， 利用有限元素法結合時序列分析，推估其風致振動反應，將結構節點中 最大反應值與工業振動分級標準進行初步比較，作為評估結構系統優劣 的基礎。 (2) 利用現行建築物耐風設計之計算公式，推估規範建議之風致振動反應， 並與風洞實際量測資料經結構計算之結果相互比較。同時將比對在不同 回歸期條件下的設計風速，對於高科技廠房建築微振反應評估的影響。

3 6. 提昇高科技廠房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，並重新進行建築物風致振 動的分析計算工作，比較高科技廠房建築物風致微振動的特性，並作為改進 設計的參考。 7. 歸納結構型式與風致振動關係：由本研究所獲得的風載重資料，配合有限元 素法計算分析的綜合檢討，了解本研究中所採用建築物形式與受風載重特徵 的關係。 8. 以結構分析軟體進行結構分析計算，並推估其風致振動反應，分析計算之流 程將可建立為類似案例計算之參考模式。此外，在考慮對於振動反應嚴格的 標準要求下，檢討主抗風結構系統可能的改進方案，做為未來設計的參考。

4

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 科技廠房建築物 結構系統資料蒐 集與分類整理 實驗儀器整備 與校驗 科技廠房建築 結構系統資料 蒐集 文獻蒐集與資料 比較 大氣邊界層流場剖 面驗證 科技廠房建築模 型設計與製作 氣動力實驗量測 實驗資料分析 與整理 科技廠房建築物有 限元素分析模型建 立 建築物結構系統與微振反 應關係研究 撰寫報告 計畫完成 專家諮詢 專家諮詢 科技廠房建築物受 風作用微振反應 分析 風壓管線校正 專家諮詢

5

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 廠房結構資料 蒐集 文獻比較分析 廠房模型設計 與製作 ▼：完成實驗驗 證 儀器校正 風洞實驗 實驗資料分析 期中報告 ▼：完成期中報 告 結構受風反應 分析 結構設計檢討 ▼：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。

7

第二章 文獻回顧

第一節 相關規範

1.高科技廠房對於環境振動之相關規範 關於「高科技」國內外有很多單位賦予不同的定義，張(2010)指出依據 聯合國國際經濟合作發展組織(OPED)將航太科技、藥品配製、電腦資訊機 械、通訊器材和科學儀器等定義為高技術產業。又依據行政院經濟規劃委員 會(CEPD)分類高科技產業為六個類別包括：積體電路、光電儀器、生物醫 學、遠距通訊、精密機械和電腦週邊設備。而我個人是認為高科技廠房包括 微電子、光電、精密儀器、電信、奈米科技(100 奈米以下)、藥品配製、微 生物研究(如疫苗) 、醫療設備(如人造心臟心導管) 、動物實驗、航太等科 技製造所需之廠房設施及研發實驗室。 高科技廠房設計時考慮的振動來源因素以地震影響為主，陳(2001)研究 指出一般工業上對震動的規範，圖 2-1 為依據 ISO16950 規範所訂的分為 B、 C、D 及 E 四級，B 級可容忍較大的震動位移量，而 E 級則最為嚴格，其震 動位移量只有 B 級規範的八分之一。現今 8 吋晶圓廠房的規格一般來說是要 低於 D 曲線，而 1 2 吋廠更是要求近 E 曲線規範。就震源而言，地震來自地 表振動經由建築物基礎傳遞至結構系統引發振動反應，風力作用則來自地表 以上之建築物受風作用形成的風荷載，引發結構系統振動反應，因此高科技 廠房之結構註下方亦有使用隔震墊方式處理，以減少振動量。地震能量甚大， 大規模地震引發結構物破壞，而風荷載受建築物外型影響差異較大，能量規 模不若地震的大，但每年發生極端氣候強風作用的機率高，因發建築物振動 多以舒適度為考量，對於高科技廠房嚴苛的生產環境要求，必須加以關注。 生物科技產業科技對於廠房地板振動的控制亦非常嚴格，Pan(2008)對於 生物科技廠房剛性地板的微振透過相關性分析，證實部分微振動與工作人員 的步行移動有所關聯，並加以評估。顯示高科技廠房是對於外來干擾非常敏

8 感，且環境條件要求異常嚴格。

圖 2-1. 工業用之振動分級

(資料來源:RWDI) 評估時對於振動速度的度量單位採用 dB，其定義為： ) ( log 20 0 10 dB v v Lv _        (1) 其中 v 為振動速度歷時資料計算得之均方根值，v0 為基準振動速度 (10-6_in/sec) 2.設計規範中對於建築物風致振動的規定 我國「建築物耐風設計規範與解說」對於建築物的風致振動反應，主要 由包括結構安全與使用者舒適性兩方面進行規定。由結構安全觀點規定「在 回歸期為 50 年的風力作用下，建築物層間變位角不得超過 5/1000」，同時要 求建築物層間變位角，應計及順風向振動、橫風向振動及扭轉振動所產生者， 可分別計算，再依規範 2.12 節規定求得總層間變位角。在使用者舒適性方 面，則規定「在回歸期為半年的風力作用下，建築物最高居室樓層角隅之振 動加速度尖峰值不得超過 0.05m/s2_」。 而對於高科技廠房，在製造設備更為複雜且更要求微型化更精密時，振 動影響之重要性在奈米科技之發展時程上顯然已逐漸超越過去對製造設備 精密度的要求(張 2010)。尤其是低於 10 赫茲 (Hertz) 的微振動，仍難以解 決。為因應更細微製程的發展，未來期望能將高科技廠房實驗內從目前每秒

9 4.5 微米(4.5μm/s, 180min/s)速度振動的標準，提昇到可容許每秒 3 微米(3μ m/s, 125min/s)振動的速度(張 2010)。顯示針對高科技廠房而言，減少各種可 能的微振來源甚為重要。 3.低層建築物之受風作用 高科技廠房大多為封閉式建築物且高寬比不大，外型上接近於低層建築 物的廠房式建築。本所過去於低層建築物風載重研究已累積相當多成果，包 括不同屋頂形式、不同屋面坡度及流場條件下，運用同步量測技術，取得表 面風壓資料，推估屋頂風載重分布、外部附屬設備風載重，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。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。 4.建築物結構系統之風致振動分析 結構之受風反應分析，可由頻率域及時間域加以計算。頻率域的計算以頻 譜運算為主，可獲得結構反應普及反應均方根值等資料，時序列分析計算原理 較為單純，但計算量多，可檢視結構反應包括平均值、均方根值及尖峰值等資 料。 由於氣動力實驗可獲得風壓擾動的時序列資料，透過模型縮尺分析，轉換 為實場中特定風速的風壓載重，進一步利用結構分析軟體進行結構系統的分析

10 計算，可有效求解複雜結構系統的反應行為，並進一步尋求結構改善補強措施。 經過有限元素模型的建立與分析，亦可有效的比較不同結構系統間的優劣， 並歸納構件布設與設計策略，建議採用的結構系統與桿件尺寸，有助於結構系 統的優化設計。本研究嘗試探討由外部風場對建築物作用，引發結構系統的風 振反應，以了解廠房之受風作用後微振反應，實際生產機台位置可能再加裝隔 震墊等設備以減緩微震影響，則屬於個建築物局部加強措施。

第二節 文獻研究成果

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。以不同屋頂坡度 之雙斜屋頂建築物表面風壓分布為例，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，表示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。此研究成果中取得低層建築物表面風壓的同步量測時序列資料，如 進行結構物振動反應的計算時，可採用此數據做為相同外形建築物的風荷載， 本研究初期取用此資料作為建構分析流程的測試資料。 二、高科技廠房常採用的結構系統與隔震措施 高科技廠房如晶圓廠等主體建物之結構系統，依黃(2007)指出標準型之晶 圓廠，如圖 2-1 所示，其主要由一外殼結構(shell structure)及一內部結構(interior structure)所組成。採用雙層殼的結構系統可有助於減少，外部振動與噪音進入 無塵室等重要的生產區域，同時亦可利用雙層殼的中間空間作為通風等管線布 置的區間。晶圓廠內部結構系統仍以採用 RC 構造或鋼骨構造等傳統結構系統 為主，黃(2007)指出標準型晶圓廠內部結構基本上為二至三層的 RC 結構(抗彎 構架)，而其無塵室地板可能為厚達 1.2m 之密肋樓蓋(waffle slab) 或 60cm 之平 板(flat slab)，厚重的樓版具有甚大的樓版垂直剛性，有助於減少垂直微振量。

11 但同時亦增加了建築物上部構造的重量，就耐震的角度而言，較為不利。 資料來源：黃(2007)

圖 2-1 標準型之晶圓廠

黃(2007)指出另一種晶圓廠之形式為疊層式晶圓廠，如圖 2-2、2-3 所示。 此類結構形式的形成主要是由於台灣土地成本較高，不易取得大面積的建廠或 擴廠空間，因此廠房採上下疊置方式設計。以圖 2-2 中之双層式晶圓廠為例， 結構型是可包含上層及下層廠，由於設備及生產動線的需求，結構系統必須騰 出足夠大的內部空間，使得無塵室區域容易形成耐震上之軟層或弱層。此類結 構形式推向更多層的構造如圖 2-3 所示，則可能產生更多重的軟層或弱層，對 耐震及防震而言，更為不利。 資料來源：黃(2007)

圖 2-2 双層型(double fab)之晶圓廠

12

資料來源：黃(2007)

圖 2-3 多層型(multiple fab)之 TFT-LCD 廠

王(2005)研究亦指出因應國內因土地成本太高，部分廠商揚棄標準晶圓廠 之建構模式，而採用疊層式晶圓廠房增加土地利用效益。疊層式晶圓廠房一般 將無塵室設置較高的樓層且往往不只一層，而無塵室為方便製程安排其空間的 要求是寬闊少柱，但寬闊少柱的下層無塵室背負其上的數個樓層之載重及地震 力，不力於耐震性能；往往此類疊層系統為多層重疊，整體廠房反而形成典型 的抗震不良結構系統。 黃(2002) 研究指出晶圓廠是世界上最貴的結構物之一，以一個 12 吋晶圓 廠而言，其投資金額可達千億新台幣之譜，其中佔成本最大的一部份是包含生 產設備在內的無塵室以及其底下的管線及支援系統，約佔投資金額的 95 %左右， 而整體土木結構的部份則僅佔 30〜40 億左右。但生產線如因地震等天災造成 良率下降甚或停工等情形，由於產品價值高昂，經濟損失相當重大。因此高科 技廠房的結構強化不單是維護人員與設備在地震等天災來臨時不致毀壞，更是 要維護生產線的正常運作，強化結構系統所增加的成本佔總成本僅是很小的一 部份，但如能確保震後生產線於短期內復工甚或照常運作，此項投資甚為值得。

13 由以上關於高科技廠房的說明，可見高科技廠房與一般工業廠房或低層建 築物有極大差異性，興建成本與產值均高於一般廠房甚多，而對於振動的控制 是異常嚴格，整理一般低層建築物與高科技廠房在構造上的差別如下表。

表 2-1 一般低層建築物與高科技廠房在構造上的差別

高科技廠房 一般低層建築物 幾何外型 接近矩形體 設計變化多樣化，可能有斜屋 頂、圓拱頂或平屋頂，平面形狀 以矩形為主。 量體尺寸 高度可能超過 50 公尺。 高寬比常小於 0.5 依建築物耐風設計規範分類，設 定為高度不超過 18 公尺。 高寬比在 1.0 附近。 結構系統 鋼骨構造或 RC 構造 鋼骨構造或 RC 構造 強化系統 剪力牆、斜撐、阻尼器 依標準圖建議，頂層構架以斜撐 加以強化 無 基礎 基腳設計常含有樁基礎。 柱腳與基礎連結間設置隔震墊。 普通單柱基腳或連梁基腳等一 般基礎構造 興 建 成 本 與產值 興建成本高昂，但經濟產值甚高 接近一般民用建築成本 振 動 的 控 制 依生產目標，以工業用振動分級 加以界定 以結構安全及材料壽限為考量

資料來源：本研究整理

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第三章 風洞實驗

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)，本研究利用內政部建築研究所台南風洞實驗 室進行實驗，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。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 1:200 亦為設計模型及地形所需的技和縮尺條件。 (a) (b)

資料來源：本研究整理

圖 3-1 流場特性之垂直分佈，(a)平均風速剖面，(b)紊流強度剖面

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 )

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第二節 實驗量測與模型規劃

本計畫研究重點為高科技廠房建築風載重，利用模型安裝於風洞測試段探 討不同風向角因起的表面風壓變化。採用剛性(rigid)構造物模型設計，變化不 同幾何形狀的模型與風向角，氣動力實驗研究成果並與文獻資料相驗證。規劃 進行的建築模型設計包括不同高寬比的建築物三組。 規劃之氣動力實驗包括： 1. 高科技廠房建築物模型系列實驗：採用不同高寬比的高科技廠房 建築物三種。 2. 流場規劃：以均勻紊流場模鄉村地況大氣邊界層底層流況。 3. 模型設計：氣動力模型將利用壓克力板製作，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。 4. 實驗控制參數：氣動力實驗研究主要探討不同風向角對表面風壓 影響，因此在建築物模型方面實驗參數控制以風向角為主。 5. 實驗量測所得之建築物模型表面風壓資料，計算其表面風壓均值、 擾動值等，以掌握表面風壓分佈情形。氣動力係數定義如下所示： 平均風壓係數 ₂ 2 1 _U P CP  _ (2) 擾動性風壓係數 ₂ 2 1 2 U P C_P     (3) 其中 P 為風壓時序列資料，實驗量測時已扣除參考壓力，所謂參 考壓力來自大氣邊界層上方自由流的背景壓力，p為平均壓力， 2 p 為擾動性風壓的均方根值，ρ 為空氣密度，U 為建築物屋頂高度處平 均風速。

17 本研究建築物氣動力模型利用壓克力板製作，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，模型實驗控制風壓孔數量在 400 個以下，利用本所實驗室現有的電子式壓力掃描器量測模型屋頂上下面同 步的風壓資料。氣動力模型實驗量測時，透過旋轉工作平台，表現不同風向角 對模型風壓變化之效果。 模型設計須考慮相似律，包括幾何相似律與動力相似律等條件，幾何相似 律方面，模型縮尺配合本所風洞實驗室之地況 C 大氣邊界層流場為 1:200，因 此有： 1 200        m P L L (4) 其中 LP代表實場之幾何長度尺度，Lm代表模型之幾何長度尺度。各模型 設計製作所需之尺寸均須依幾何縮尺製作。 動力相似律方面，因氣動力實驗為低速空氣運動實驗，以雷諾數為考慮依 據，雷諾數之定義為：  UD  Re (5) 其中 U 代表風速(m/sec)，D 代表特徵長度尺度(m)，



代表空氣之運動黏滯 係數(m2_{/sec)。本研究實驗進行時考慮氣溫 25℃，建築物屋頂風速取用 12m/sec，} 特徵長度取建築物模型平均屋頂高度(約 0.3m)，則計算其雷諾數為 229,299.3， 已具備紊流場之雷諾相似性。 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

18 ( 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。本研究之採樣頻率為 256Hz，每 次實驗採樣 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。

資料來源：本研究拍攝

圖 3-2 電子式壓力掃描模組

資料來源：本研究拍攝

圖 3-3 壓力訊號處理系統

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第三節 實驗模型設計

本計畫參考多家高科技廠房建築與結構圖，挑選不同高寬比建築物，以具 備無塵室(FAB)廠房為挑選主要對象，共三組模型，選取對象的目標僅為參考 具有實務條件的建築物，取其重要的外觀尺寸及建立分析所需之結構模型，不 涉及亦不探討各建物內部功能規劃與設計，因此純以結構系統為參考，配合氣 動力實驗與計算，以利建立評估程序，探討因風荷載可能形成之微振反應，與 原設計無關。第一組模型廠房基本上接近矩形體，平面之長邊約為 110 公尺、 短邊約為 70 公尺，頂樓樓板高度約為 52 公尺。因此建築物短邊高寬比為 0.74， 長邊高寬比為 0.47。本研究利用壓克力板製作氣動力模型如圖 3-4 所示，圖中 可見建築物表面各面均布設風壓孔，於實驗中取得各不同風向角的同步面風壓 資料，配合由建築物結構圖所建置的結構分析模型，可進一步探討受風作用下 的微振反應。 第二組模型廠房基本上接近方形體，平面之長邊約為 197 公尺、短邊約為 187 公尺，頂樓樓板高度約為 34 公尺。因此建築物高寬比為 0.18。本研究採用 壓克力板配合 PVC 管線製作氣動力模型如圖 3-5 所示。 第三組模型廠房基本上亦接近方形體，平面之長邊約為 196 公尺、短邊約 為 192 公尺，頂樓樓板高度約為 36 公尺。因此建築物高寬比為 0.185。本研究 採用壓克力板配合 PVC 管線製作氣動力模型如圖 3-6 所示。第三組模型的高寬 比與第二組模型接近，但實驗流廠採用地況 A 條件，以增加比對紊流作用的影 響性。

20

資料來源：本研究拍攝

圖 3-4 第一組模型之氣動力模型

資料來源：本研究拍攝

21

資料來源：本研究拍攝

23

第四章 研究成果與檢討

第一節 建築物結構系統受風反應之評估流程建立

為建立位移反應計算流程，本研究採用前述雙斜屋頂低層建築物氣動力實 驗資料進行計算流程開發，建築物表面風壓資料之採樣頻率為 255 Hz，風壓孔 均布於模型各表面，採樣頻道數共 208 個，共取得數據點 17,000 點。實驗之幾 何長度縮尺為 1/200，時間縮尺為 63.7，歷時分析長度為實場 3,600 秒。依縮尺 放大得對應之實場建築物長 100 m、寬 50 m、高 30 m。假設目標建築物位於新 北市、C 地況，依「建築物耐風設計規範與解說(96 年版)」設計風速 V10(C) 採 用 42.5m/sec，再依指數律換算屋頂高度處設計風速。模型表面各風壓孔之壓力 資料經各孔所在位置之貢獻面積加權計算其風力，並以結構桿件之結合點為作 用點加載於結構系統，進行結構受風反應分析計算。 本研究採用「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範(96 年版)」極限設計法進 行設計與計算，包括靜載重、活載重(以廠房 500kg/m2 計算)及地震力，風力載 重則採用氣動力實驗所得之歷時資料，計算之時間步長為 0.05 秒。建立的鋼骨 構造工業廠房如圖 4-1 所示。實驗時序列資料需轉換為外風壓荷載資料，整理 得表面風壓的平均值及擾動值分布如圖 4-2。 建築物結構系統採用一般常用之 I 型鋼型號進行設計，在不含風力作用下 先行進行斷面檢核可通過，再進行風荷載作用之時序列分析。初步完成建築物 各部分桿件如表 4-1 所示，樓層之樓板規劃為 15 公分厚之 RC 樓板，分析時設 為剛性樓板。分析計算時來流採用與長屋脊線垂直方向，並以此方向為 X 軸向， 其餘軸可由右手定則定之。首先分析得建築物的低階模態自然頻率與模態形式 如圖 4-10 所示。

24 (a) (b)

圖 4-1 分析用之鋼骨構造工業廠房模型，(a)廠房外觀，(b)結構系統。

資料來源：本研究繪製

(a) (b)

圖 4-2 計算模型使用的 (a)平均風壓等壓線圖，(b)擾動性風壓等壓線

圖

資料來源：本研究繪製

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 30 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 1 5 20 25 30 35 40 45 5 0 0 5 10 15 20 25 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 30 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 1 5 20 25 30 35 40 45 5 0 -25 -20 -15 -10 -5 -500 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 2 5 30 3 5 40 4 5 50 0 5 10 15 20 25 -5 0 -4 5 -4 0 -3 5 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 -5 0 5 10 15 20 25 3 0 35 4 0 45 5 0 0 5 10 15 20 25 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 30 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 2 0 25 30 3 5 40 45 50 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 30 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 1 0 15 20 2 5 30 35 4 0 45 50 -25 -20 -15 -10 -5 -500 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 2 0 25 30 3 5 40 45 50 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 -5 0 -4 5 -4 0 -3 5 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 -5 0 5 10 15 20 25 3 0 35 40 4 5 50 0 5 10 15 20 25

25

表 4-1 典型雙斜屋頂廠房結構構件初步設計斷面

結構構件

斷面尺寸

柱斷面

BH 500x500x25x40 銲接組立 H 型鋼

屋頂長向梁斷面

RH 500x200x10x16 熱軋 H 型鋼

屋頂短向梁斷面

RH 500x200x10x16 熱軋 H 型鋼

屋頂斜撐斷面

CT 300x200x11x17 熱軋 H 型鋼切割成型 CT 斷面

樓板長向梁斷面

RH 800x300x14x26 熱軋 H 型鋼

樓板短向梁斷面

RH 700x300x13x24 熱軋 H 型鋼

樓板

15cm 厚 RC

資料來源：本研究整理

(a) (b) (c)

圖 4-3 建築物之前三個低階模態與自然頻率，(a)1

st

_{Mode X 向 (順風}

向) 1.5920Hz，(b)2

nd

_{Mode Y 向 (橫風向) 2.1032Hz0，(c)3}

rd

_{Mode RZ}

向 (扭轉向) 2.7075Hz

資料來源：本研究繪製

26 0 100 200 300 Time (sec) -8 -4 0 4 8 12 X -D is p la c e m e n t (m m )

圖 4-4 頂層角隅處位移反應時序列資料

資料來源：本研究繪製

將風荷載時序列資料代入結構分析軟體(Midas)中進行計算，可得結構位移 反應的歷時資料，選取角隅處之位移反應為代表，如圖 4-4 為位移反應時序列 資料，整理得各樓層之位移反應如表 4-1 所示。同時利用分析軟體中斷面檢核 之功能，檢核各桿件應力在受風作用過程中是否有超載的現象，檢核之標準為 「鋼構造建築物鋼結構設計技術規範(96 年版)」，發現屋頂上風處斜撐有 9 支桿 件不合格，如圖 4-5 所示，桿件均為屋頂上風處受壓桿件。由計算結果在最高 居室樓層(5FL)其順風向(X 向)的位移尖峰值可接近 1 公分，擾動均方根值亦有 0.2 公分的規模，其位移反應速度擾動值達 0.02m/sec，顯示低層建築物微振反 應振幅不大但振動速度不低的特徵，而建築物位移反應隨結構系統的調整將有 顯著的不同。 將屋頂斜撐斷面改用 CT 350x300x13x24 熱軋 H 型鋼切割成型 CT 斷面， 再度進行結構反應計算，所得位移反應如表 4-2 所示，由於抽換的桿件位於屋 頂結構部分，對於主結構樑柱部分並無太大的影響，因此位移反應略小但類似。

27

圖 4-5 屋頂斜撐 CT 300x200x11x7 斷面檢核未過

資料來源：本研究繪製

.

圖 4-6 節點位移及速度反應隨計算時間變化情形

資料來源：本研究繪製

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表 4-2 典型雙斜屋頂廠房更換桿件後各樓層受風作用之振動反應計

算結果

Floor Node Item Disp.(mm) Vel.(mm/sec) Acc.(mm/sec

2₎ DX DY DZ DX DY DZ DX DY DZ RFL 175 Mean 2.09 0.05 0.06 0.01 0.01 0.00 0.01 -0.00 -0.00 Max. 9.04 3.58 0.38 89.47 47.01 4.20 1387.00 704.20 511.80 RMS 2.91 0.89 0.11 22.10 12.29 1.26 317.94 190.63 130.50 STD 2.02 0.88 0.09 22.10 12.29 1.26 317.94 190.69 130.50 Peak Factor 3.44 3.99 3.46 4.05 3.82 3.33 4.36 3.69 3.92 5FL 145 Mean 2.03 0.05 0.07 0.01 0.00 0.00 -0.02 -0.01 0.00 Max. 8.73 3.47 0.38 84.54 46.11 4.10 1156.00 658.80 359.60 RMS 2.81 0.86 0.11 21.24 11.91 1.24 284.44 176.45 99.08 STD 1.94 0.86 0.09 21.24 11.91 1.24 284.44 176.45 99.08 Peak Factor 3.45 3.99 3.47 3.98 3.87 3.32 4.06 3.73 3.63 4FL 115 Mean 1.81 0.04 0.07 0.01 0.00 0.00 -0.02 -0.01 0.01 Max. 7.60 3.02 0.38 73.24 41.77 3.87 1022.00 585.00 322.30 RMS 2.48 0.75 0.11 18.44 10.34 1.15 242.38 151.75 82.02 STD 1.69 0.74 0.09 18.44 10.34 1.15 242.38 151.75 82.02 Peak Factor 3.42 3.99 3.46 3.97 4.04 3.37 4.22 3.86 3.93 3FL 85 Mean 1.42 0.03 0.07 0.01 0.00 0.00 -0.02 -0.01 0.00 Max. 5.70 2.25 0.33 55.46 32.97 3.12 801.00 411.90 267.60 RMS 1.91 0.56 0.10 14.02 7.77 0.94 194.26 119.39 63.51 STD 1.28 0.56 0.08 14.02 7.77 0.94 194.26 119.39 63.51 Peak Factor 3.34 3.98 3.43 3.96 4.24 3.32 4.12 3.70 4.21 2FL 55 Mean 0.86 0.02 0.04 0.00 0.00 0.00 -0.01 -0.01 0.00 Max. 3.27 1.27 0.21 32.83 18.87 1.95 491.10 271.70 156.70 RMS 1.14 0.31 0.07 8.24 4.45 0.57 128.77 77.75 38.56 STD 0.75 0.31 0.05 8.24 4.45 0.57 128.77 77.75 38.56 Peak Factor 3.22 3.99 3.38 3.98 4.24 3.39 3.81 3.49 4.06 註：表中 RMS 代表變異數(Variance)的平方根，STD 代表標準偏差(Standard deviation)，MAX 為尖峰值，Mean 表平均值，Peak Factor 為尖峰因子。

29 計算是否已獲致穩定的答案，結構分析過程中同時觀察不同分析時間長度對於 計算結果的影響，如圖 4-6 顯示，橫風向位移反應、振動速度反應隨計算時間 的延長而趨於穩定，而約在在 600 秒之後，平均值及擾動值均有良好的一致性。 以振動速度之均方根值評估其微振水準如表 4-3 所示，由於結構系統僅採 用一般廠房結構所需的水準進行假設，因此可見其微振反應甚高，如為高科技 廠房則其結構系統在設計階段均有更加強化的規劃。

表 4-3 典型雙斜屋頂廠房計算之微振反應

FL Item 順風向(X) 橫風向(Y) Vel (μm/s) dB Vel (μm/s) dB RFL STD 2078 98.3 865 90.6 5FL STD 1996 97.9 835 90.3 4FL STD 1749 96.8 728 89.1 3FL STD 1343 94.5 551 86.7 2FL STD 804 90.0 324 82.1

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第二節 氣動力實驗成果與結構分析計算

4-2.1 第 一 組 模 型 實 驗 成 果 第一組模型參考位於台灣北部之某半導體製造廠新建廠房，廠房基本上接 近矩形體，平面之長邊為 109 公尺、短邊為 70 公尺，頂樓樓板高度為 52 公尺。 模型縮尺為 1/200，風洞實驗時壓力量測由 0 度旋轉至 360 度，每次變化 15 度。 此模型接近矩形，僅某些區域有些微凹凸造型，因此隨著風向角改變迎風面處 壓力皆承受正壓力。壓力量測取樣頻率為 256Hz，共取 32,768 點。圖 4-6 為風 攻角 0 度、各面壓力分佈，藍色箭頭為來流風向。由圖片可觀察到，迎風面幾 乎承受正壓，最大 Cp值約為 0.7，靠近模型左側外型不規則，影響周圍氣動力 特性導致風壓分佈不均勻，並在靠近看板處轉為負壓。氣流衝擊迎風面後在左、 右兩側產生迴流區，由圖 4-6(a)與 4-6(b)可觀察到壓力轉為負壓，最大負壓值達 -1.1，同樣在屋頂形成負壓區，但迴流強度較兩側來得弱，背風處僅承受較小 負壓。與文獻中關於低層建築之氣動力實驗量測結果相似，低層建築高度不高 且高寬比低，其表面風壓主要受到拱門形渦漩與馬蹄形渦漩的聯合作用，通常 在上游分離剪力流產生區及角隅渦流(conical vortex)產生區有較大壓力擾動及 尖峰風壓作用，其餘部位壓力擾動則隨距離而漸次遞減。 在風攻角 30 度時，看板處為模型受風處最前端，因此在此邊角處承受正壓 力面積增加，同時臨近看板模型側面隨風向角增加由負壓上升至正壓。另一方 面在屋頂屋凸層邊緣處觀察到極值負壓產生，Cp值達-1.8。在風攻角 45 度時， 模型側面承受正值壓力範圍明顯大於風攻角 30 度，另外在屋凸層處負值壓力急 速下降至-2.6，原因為在此邊角處產生角隅渦流，因此產生極大負壓值。角隅 渦流對於一般工廠等低層建築物而言易生成屋頂或表面披覆物的破壞。 當風攻角大於 45 度各面屋凸層處負壓強度逐漸減弱，當風攻角 135 度時(圖 4-9)，產生最大負壓區同樣在屋凸層，值得注意的是負壓區明顯移動至圖 4-9(c) 上方處，另外在圖 4-9(c)屋頂下方觀察到一正壓區，該區最大壓力值約為 0.3， 原因為屋頂上方產生迴流泡在此處再接觸至屋頂導致。隨著風向角增加至 210 度(圖 4-10)，最大負壓區移動至上方屋突處，其值約為-1.9，在風攻角 225 度時

31 度壓力量測結果如圖 7 所示，同樣在受風邊角處產生最大正壓力，由圖 4-12(b) 與 4-12(c)可觀察到最大負壓值同樣發生在屋頂屋凸處，其值達-1.9。綜合上述 結果，模型受風面承受最大正壓 Cp約 0.6-0.7，最大負壓值發生在風向角 45 度、 135 度、225 度和 315 度條件下，發生位置恰為屋頂 4 個邊角處。

圖 4-6 風攻角零度時，第一組模型各面平均風壓係數分佈

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圖 4-7 風攻角 30 度時，第一組模型各面平均風壓係數分佈

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圖 4-8 風攻角 45 度時，第一組模型各面平均風壓係數分佈

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圖 4-9 風攻角 135 度時，第一組模型各面平均風壓係數分佈

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圖 4-10 風攻角 210 度時，第一組模型各面平均風壓係數分佈

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圖 4-11 風攻角 225 度時，第一組模型各面平均風壓係數分佈

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圖 4-12 風攻角 315 度時，第一組模型各面平均風壓係數分佈

35 綜合上述結果，模型受風面承受最大正壓 Cp 約 0.6-0.7，最低負壓值多發 生在如風向角 45ｏ 、135o_、225o_{和 315}o_{等斜吹的條件下，發生位置亦為屋頂邊} 角處為主。 擾動性風壓係數方面，風向角 0ｏ 時廠房建築物各面向之擾動性風壓係數分 布情形如圖 4-13 所示。而風向角與牆面正交時，建築物所受表面擾動性風壓並 不是最強烈的情形，較高擾動風壓出現在側風牆面上。風向角 45 度時，建築物 所受表面擾動性風壓變化較為劇烈。較高擾動風壓出現在角隅牆面上，整體分 布較不對稱。

圖 4-13 風攻角 0 度時，第一組模型各面擾動性風壓係數分佈

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圖 4-14 風攻角 45 度時，第一組模型各面擾動性風壓係數分佈

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36 4-2.2 第 一 組 模 型 結 構 計 算 成 果 第一組模型建築物實際尺寸為長 109.15m、寬 70 m、高 51.60 m，大致為 矩形形狀的量體，結構系統之風載重評估採用之長度縮尺為 1/200、速度縮尺 1/4.0、時間縮尺 1/49.7，計算時間採用實場的 3600 秒，計算之時間步長為 0.1 秒。本研究採用 MIDAS 結構分析軟體進行結構反應的歷時分析計算，結構建 模參考結構圖說，如圖 4-15 所示，依據設計內容之各構件材料與尺寸建立分析 模型，樓板採剛性樓板假設。實驗量測所得建築物模型表面風壓資料，經本研 究撰寫的程式採貢獻面積為權重轉換為結構上各節點的風載重。結構分析得結 構體之前三個模態如圖 4-16 所示，表 4-4 則列出前 15 個模態對應之自然頻率。 前三個模態分別為 X 與 Y 軸向及扭轉向的低階模態，而扭轉模態對於角隅位置 結反應有放大的趨勢，前三個模態自然頻率接近且與後續其他模態之自然頻率 有明顯區隔，顯示扭轉向變形將對位移反應產生重要的影響。實際結構反應是 綜合各不同模態反應的加權平均結果，本研究選取樓板的中心點與角隅點作為 觀察建築物受風後發生位移反應的關鍵點，如圖 4-17 所示為中心點與角隅點位 置的示意圖。 由於我國建築物耐風設計規範中採用 50 年回歸期定義設計風速，考慮廠房 日常生產條件為依歸，因此計算中依規範修訂計算不同迴歸期對應的風速進行 結構計算，比較不同迴歸期計算所得的振動速度反應均方根值隨樓層的變化， 如圖 4-18 與圖 4-19 所示，半年迴歸期風速計算之結構反應資料，可反應一般 常年風況下的結構反應規模，以供評估計建築物在日常使用條件下的性能。由 圖中顯示 50 年迴歸期與半年迴歸期計算所得的振動速度反應均方根值差異達 到 15dB 以上，以圖 2-1 所示工業用之振動分級而言，至少有一個等級以上的差 異，本計算結果，而以前述 ISO 對於科技廠房微振的要求水準而言，仍屬偏高。 本研究以 50 年迴歸期設計風速計算所得的振動速度反應均方根值如表 4-3 所示，不論是順風向反應或橫風向反應在中心點與角隅點位置均不低。不同來 流風向角產生的反應如圖 4-21 所示，不同來流方向在本案例中所呈現的位移反 應差異可達 7dB，本案例平面屬於矩形形狀，因此受風向角改變的影響較大，

37 單純的樑版柱構架方式處理，對於受風作用產生的微振反應有不足之處。 由結構圖說，第一組模型結構系統為典型抗彎矩構架系統，並無任何斜撐 與牆體用以抵抗水平方向作用外力。原結構設計為五層鋼構廠房，雙向跨距達 9.6m。後又同樣以鋼構增建六、七兩層，並以立柱系統（斷面為 H3003001015） 補強廠房最外圍部分結構（如圖 4-22 示）。結構補強目的似乎著重於垂直載重， 因此並無增加任何斜撐桿件或結構牆體。為因應建物增建部分所增加的載重， 故設計以立柱系統補強建物外圍結構。然而，因增建所增加之建物質量，因受 風載重作用而產生之額外慣性力，明顯為造成本研究風力歷時分析結果超過振 動標準之主要原因。 如要降低結構反映，可考慮增設抵抗水平外力之結構元件，如剪力牆或外 柱等，達到增加結構系統側向勁度的目的，有助於降低水平向之振動反應。

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圖 4-15 第一組模型主抗風結構圖

38 (a) (b) (c)

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圖 4-16 第一組模型原建物之前三個低階模態與自然頻率，(a)1st

Mode Y 向 (橫風向) 0.4828 Hz，(b)2nd Mode RZ 向 (扭轉) 0.5620 Hz，

(c)3rd Mode X 向 (順風向) 0.5762 Hz。

圖 4-17 本研究取用之第一組模型原建物中心點與角隅點位置圖

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中心點 角隅點

39 Mode Freq.(Hz) 1 0.4828 2 0.5620 3 0.5762 4 1.6827 5 1.7075 6 1.8316 7 2.9171 8 3.0611 9 3.2183 10 3.9198 11 4.3736 12 4.7437 13 5.0410 14 5.6996 15 6.0155 .… …..

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40 (a) (b)

圖 4-18 第一組模型原建物中心點不同迴歸期設計風速作用下之微振

反應(a)順風向，(b)橫風向

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41 (a) (b)

圖 4-19 第一組模型原建物角隅點不同迴歸期設計風速作用下之微振

反應(a)順風向，(b)橫風向

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42 (a) (b)

圖 4-20 第一組模型原建物中心點以不同風攻角作用下之微振反應(a)

順風向，(b)橫風向 (50 年迴歸期設計風速)

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圖 4-21 第一組模型原建物角隅點以不同風攻角作用下之微振反應(a)

順風向，(b)橫風向 (50 年迴歸期設計風速)

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圖 4-22 第一組模型原建物最外圍部分結構立柱補強透視圖

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4-2.3 第 二 組 模 型 實 驗 成 果 第二組模型參考某半導體製造廠新建無塵室廠房，廠房基本上接近方形體， 平面之長邊為 197.2 公尺、短邊為 187.2 公尺，頂樓樓板高度為 34.25 公尺，建 築物高寬比為 0.18。本建築物量體十分龐大，結構系統亦強化甚多。不同風攻 角作用下建築物表面風壓分布如下圖所示。 模型縮尺為 1/200，風洞實驗時壓力量測由 0 度旋轉至 360 度，每次變化 15 度。此模型接近矩形，局部造型凹凸相當少，因此隨著風向角改變迎風面處 壓力皆承受正壓力。壓力量測取樣頻率為 256Hz，共取 32,768 點。 實驗所得平均風壓分布如圖 4-23 風攻角 0 度時各面壓力分佈，箭頭為來流 風向。由圖顯示，迎風面幾乎承受正壓，最大 Cp值約為 0.8，側風面上游區及 屋頂下游區有較低的負風壓，氣流衝擊迎風面後在左、右兩側產生迴流區 Cp 值可達-0.7，屋頂上游分離流形成區未見強烈的負壓區形成，在下游區負壓較

45 本模型接近方形平面的低層建築物造型，與規範相比較則未有明顯超過。低層 建築其表面風壓主要受到拱門形渦漩與馬蹄形渦漩的聯合作用，通常在上游分 離剪力流產生區及角隅渦流(conical vortex)產生區有較大壓力擾動及尖峰風壓 作用，本建物高寬比更低，角隅渦流作用十分明顯，其餘部位壓力擾動則隨距 離而漸次遞減，最高的風壓係數可達約+0.8，而上游角隅屋頂區域則有強烈的 負風壓作用，屋頂面角隅區其 Cp值可接近-1.6，與文獻中低層建築物的實驗成 果相比更為劇烈，顯示由於本模型的高寬比極低，且深寬比接近 1，渦漩在上 游突出的角隅區作用劇烈。圖 4-27 為風攻角 90 度時各面壓力分佈，本建築物 接近方形平面，表面風壓分布型態與風攻角 0 度時類似，僅是面向旋轉 90 度。 擾動性風壓分布狀況，如圖 4-24 及圖 4-28 分別為風攻角 0 度與 90 度，由 於來流垂直於牆面，擾動性風壓分布以分離剪力流形成區有較高的擾動值，其 餘較低。圖 4-26 為風攻角 45 度時的擾動性風壓分布狀況，明顯的在上游角隅 由角隅渦流作用的影響，風壓擾動較高，同時對於屋頂面的作用亦可明顯看到 沿 45 度對角線對稱的渦流擾動現象。亦表示對於低層建築物而言，拱門型渦漩 主導壓力擾動的形成。

圖 4-23 風攻角零度時，第二組模型各面平均風壓係數分佈

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圖 4-24 風攻角零度時，第二組模型各面擾動性風壓係數分佈

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圖 4-25 風攻角 45 度時，第二組模型各面平均風壓係數分佈

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圖 4-26 風攻角 45 度時，第二組模型各面擾動性風壓係數分佈

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圖 4-27 風攻角 90 度時，第二組模型各面平均風壓係數分佈

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圖 4-28 風攻角 90 度時，第二組模型各面擾動性風壓係數分佈

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4-2.4 第 二 組 模 型 結 構 計 算 成 果 第二組模型參考某半導體製造廠新建無塵室廠房，廠房基本上接近方形體， 平面之長邊為 197.2 公尺、短邊為 187.2 公尺，頂樓樓板高度為 34.25 公尺。與 4-2.2 結中有關第一組廠房建築的基本描述相比，可見本組廠房建築物高度約 為第一組廠房建築物的 2/3，而在寬度與深度方面則大了一倍有餘，顯示本組 建物所受風速及低於前組模型，而剛性上更高。因此建築物高寬比為 0.18。本 建築物量體十分龐大，結構系統含有 60 公分混凝土牆抵抗側向剪力，頂部樓層 的剛性構架並設置斜撐。 由結構圖說建立了本建物的結構分析模型如圖 4-29 為建築結構構架的透 視圖，可見其鋼骨結構配置方式大致與標準廠房的設計理念相似，在最高樓層 設置斜撐，構架之不同方向視圖及剖面上典型構架系統如圖 4-30 所示。本建物 在內部空間配置 60 公分厚混凝土牆體做為剪力牆，亦一併建立在分析模式中， 剪力牆配置的頂視圖及透視圖如圖 4-31 所示，可見該建築物的剪力牆配置接近 均勻且雙向配置。