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建築研究簡訊第100期 《業務報導》

建築物外牆常見附置物之耐風性能設計

人們因應生活或商業需求等因素,常常會在建築物外牆上加裝附置物,如外牆立面上的外伸式雨庇、廣告招牌、屋頂面上的太陽能光電設備、空調室外機等等。對於在建築物主要抗風結構系統外裝設之外牆附置物,多因結構系統設計較為簡化或缺乏適合的設計參考數據,在面對颱風等強烈氣流作用下易受風災損害,而現行規範中亦較無明確規定。由於外伸式雨庇在建築門窗開口部為最常見之外牆附置物類型,且易受擾動風場反覆作用而損壞,本所為探討建築物立面上外伸式雨庇所受風荷載情形,規劃採簡單矩形為建築物模型,雨庇以壓克力薄板加工製作於表面均部風壓孔,來加以彙整影響風荷載之設計策略,包括建築物幾何條件、安裝位置、安裝方式、附置物幾何尺寸、來流條件等因素對於其之影響,進行氣動力實驗後,將所獲風壓分布數據資料,以極值分析理論推估合適的設計風壓係數值,以有效掌握其風荷載特性,建立建築物附置物構件風荷載之速查表,並提供業界參考。

本案對建築物立面上外伸室雨庇版面整體風載重評估後發現:

  • 接近屋頂高度的雨庇,會受到較大的風荷載;而擾動性風壓係數的分布顯示,靠近建築物的版面上受到較高的擾動性風壓係數,應與建築物立面對來流形成阻擋作用,因此版面下方會有較高的正壓恢復,促使計算出的淨風壓係數略顯較高。
  • 雨庇安裝高度對於版面淨風壓係數分布的影響,結果顯示當雨庇位於接近屋頂高度位置時,上游區的邊緣有較強烈的負風壓係數分布,顯示前緣渦流的作用強烈,而隨著安裝高度的下降,版面平均淨風壓係數的分布趨於均勻,且其負風壓作用亦趨緩,顯示主導氣動力作用的為建築物量體,建築物屋頂高度處的強烈分離剪力流作用影響雨庇所受風壓分布情形。
  • 當雨庇安裝於接近屋頂高度處時,隨風攻角的變化情形不論懸伸比(hc/wc)為高或低,均呈現接近零值附近的狀況,因此以來流正吹及小攻角的情況對於雨庇所受風荷載最為嚴重。由設計安全的觀點,更重視的是尖峰風壓分布的情形。

 

  • 雨庇設計風力係數推估:

利用氣動力實驗成果所獲資料推估適當極值,在考慮實際風場作用下於不同安裝高度、懸伸長度分類中,挑選各風攻角作用下有最強烈的極端風力係數(正負值各一)作為該配置方式的代表。依我國建築物耐風設計規範建議對於一般建築物的陣風因子(G)建議直接採用1.88計算,因此極端風力係數亦除以G值以利公式計算的一致性,推估所得雨庇版面整體設計風力係數隨安裝配置方式變化如圖1所示。

基於保守的設計考量,就相同安裝配置方式的正負設計風力係數擇其絕對值最大者作為代表,建議實際計算其設計風力時應正負均做計算,對於水平雨庇板而言代表向下壓及向上掀起的兩種風荷載型態均須考慮。就推估所得之資料,及實驗資料所提供的安裝配置變化範圍進行線性內插而得不同安裝高度比及懸伸長度比的設計風力係數建議如表1所示,以供參考。

圖1 雨庇版面整體設計風力係數隨安裝配置方式變化

表1雨庇版面隨安裝配置方式變化之整體設計風力係數建議值

hc/wc

hc/h

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0.1

0.37

0.40

0.65

0.90

1.16

1.41

0.2

0.13

0.49

0.86

1.23

1.60

1.97

0.3

0.04

0.37

0.71

1.05

1.39

1.73

0.4

0.09

0.26

0.57

0.87

1.18

1.49

0.5

0.15

0.16

0.43

0.71

0.99

1.26

0.6

0.10

0.14

0.37

0.60

0.84

1.07

0.7

0.07

0.12

0.31

0.50

0.69

0.88

0.8

0.05

0.10

0.24

0.39

0.54

0.68

0.9

0.06

0.10

0.18

0.28

0.38

0.49

1

0.11

0.09

0.12

0.18

0.23

0.29

 

註:

(1)風力垂直作用在版面上,向內及向外均要考慮。

(2)計算設計風力所用之受風作用特徵面積為版面面積,風力作用點為版面之形心。

(3)參考風速取用平均屋頂高度處之風速。

(4)其中hc為雨庇之簷口高度,wc為雨庇之懸伸長度,h為建築物高度。

結論

由設計安全的觀點,雨庇的尖峰風壓分布甚為重要,隨著懸伸比(hc/wc)的增加,在風攻角零度附近有最大的尖峰風壓出現,因此對於向外延伸較短的雨庇,其所受的整體淨風壓係數是比較高的。如將雨庇安裝於建築物高度一半的地方,因為後方建築物量體阻擋,雨庇板所受整體淨風壓係數呈現下降的現象。由實驗數據顯示較為短小的雨庇其所受到的負尖峰風壓係數反而較為強烈。

本研究利用各種不同安裝高度、懸伸長度及風攻角均推估出雨庇相應的極端風力係數,並計算推估所得雨庇版面整體設計風力係數隨安裝配置方式變化,以速查表方式呈現。就推估所得之資料,及實驗資料所提供的安裝配置變化範圍進行線性內插而得不同安裝高度比及懸伸長度比的設計風力係數,以供參考。