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建築研究簡訊第104期 《業務報導》

應用風洞試驗進行建築結構物等效風荷載評估研究

       由於全球氣候趨於極端化,各地易發生強風驟雨導致災害頻傳,又台灣位處西太平洋颱風盛行區域,每年均會受到颱風侵襲本島,除雨水外強風造成的災損亦對國內的財產及人員安全造成危害。本所歷年來持續針對風作用於建築結構之安全性及民眾生活舒適性等面向進行研究,並推動「建築耐風設計規範」以提升建築設計於風相關方面之安全及舒適性,惟近年來隨著建築物設計之高層化、大型化、造型複雜化及複合式建築類型的出現,且在自然界中風多為間歇性,較少出現長時間固定風向風速的情況發生,故需將動態的風力效應轉化為靜態的等效風荷載以進行結構反應分析,該規範較難以一體適用。

       目前國內建築結構設計多依據「建築耐風設計規範」內所載明之方式計算並分析評估目標建築結構物的風荷載值,並與其他載重設計值做組合進行分析;又或者利用規範中典型結構物外型的風壓風力係數,進行簡易的風荷載計算。然而規範中所載明的目標建築結構物設計參數大多較規格化,於應用公式或者圖表計算風荷載時,往往獲得較保守的設計值。現行規範雖然已經可以提供不少類型的結構物進行風荷載計算,然而由於公式複雜且使用限定條件較多,因而尚不足以涵蓋所有建築結構物,特別是具有特殊造型的結構物。

       因此,本研究就近年來國內有常見建築結構物類型進行比較分析,包含高層建物(高寬比7以上)、低矮斜屋頂建物及大垮度屋蓋結構物等,各以3種等效風荷載方法進行比較,試圖找出一套適合演算前揭結構物的等效風荷載計算方法,同時透過相對應的建築結構物風洞試驗結果,來比較這些等效風荷載計算方法的優缺點,以及建立採用不同方法時應當注意的設計原則。

圖1  建築模型類型

       本研究採用傳統的風洞物理模擬方法進行各種結構物(試驗模型如圖1)的表面風壓量測,進而計算動態風力載重;並以有限元素模型進行動力分析,接著再透過各種方法計算等效風荷載並進行靜力分析(分析流程如圖2)。本研究著重在於如何應用量測到的動態風壓分布,將其轉換為等效風荷載的計算過程。

圖2  分析流程說明

       本研究針對下列3種等效風荷載方法進行比較:

一、陣風反應因子Gust Loading Factor,GLF(現行規範設計方法)

(1)   GLF法的前提在於以平均風力的分布型態為主,計算考量背景風力、共振風力的陣風反應因子,兩者相乘所得之靜力分布。換言之,平均風力必須是基於結構的主要振動模式,所得之結果才正確。

(2)   GLF法的優點是不需要經過時間歷時分析,僅需要風場風速頻譜、結構振態、阻尼值即可進行預測,適用於高層建物之風力設計,而且預測的結果略偏保守。

(3)   GLF法的缺點是只要平均風力與振態不相符,則無法用以預測,偏保守或不保守的結果都可能出現。以前述案例來看,GLF法無法在大跨度、單斜、雙斜、圓弧屋頂之低矮建物獲得良好的分析結果。

二、Universal ESWL,UNI

(1)   UNI法的前提必須進行時間歷時分析獲取最大(或最小)結構反應,而且必須求取POD模態(Proper Orthogonal Decomposition Method)與影響係數矩陣,藉由SVD分解(Singular Value Deomposition)進行最佳化組合,方能獲得等效風荷載分布。

(2)   UNI法的優點是其解可以完全符合時間歷時分析的結果。

(3)   UNI法的缺點是POD模態的數量與欲觀察的結構反應數量,必須完全一致。倘若不一樣(一般來說,結構反應數量較多),則必須確認POD模態的貢獻度方能獲得正確分析結果。

三、Load Response Correlated Method, LRC

(1)   LRC法的前提是必須建立風力歷時的交相關變異數矩陣,接著求取影響係數矩陣,利用力與位移的關係進行計算等效風荷載。

(2)   LRC法的優點是其理論解可以高度符合時間歷時分析的結果。

(3)   LRC法的缺點是等效風荷載分布的數量隨著欲觀察的結構反應數量增加而增加,因此必須進行許多靜力分析,方能符合所有結果。此外,必須審慎確定尖峰因子的大小,否則將無法完全符合時間歷時分析結果,而且此法並未包含共振反應的計算。

       本研究為將自然界間歇性非恆定風所造成之風力納入建築物結構分析,需將其轉換為等效的風荷載,現行「建築耐風設計規範」內所提供之陣風反應因子法(GLF法)主要適用於外表較為單純之矩形結構物,較複雜之結構物仍需搭配建築風洞試驗結果進行分析。本研究除GLF法亦納入Universal ESWL法及LRC法進行比較,並提出各方法之適用建築類型及所需要的參數,該成果可供國內實驗室做為風荷載轉換方式之參考,亦可供業界做為試驗委託結果之檢核依據。其中LRC法已納入ISO 4394標準中,具有一定的公信力,後續國內如需修訂建築結構風力時可參考研議。