中華民國內政部建築研究所中華民國內政部建築研究所

一、研究緣起
建築物或其他類型結構物受風作用下的結構反應是為風工程研究裡最重要的一項主議題。在不發生不穩定現象的前提下，結構反應通常來自兩部分 ─ 逼近流場的紊流對建築結構物造成的背景風力、以及建築結構物本身特性與流場相互影響產生共振而產生的共振風力。一般來說，工程師可以根據規範所載明的順、橫風向及扭轉向公式，計算目標建築結構物的風載重設計值，並與其他載重設計值做組合進行分析。或者利用規範中典型結構物外型的風壓風力係數，進行簡易的風載重計算。
然而規範中所載明的目標建築結構物的設計參數大多過於理想化，實際應用公式或者圖表計算風載重時，往往獲得十分保守的設計值。目前我國規範雖然已經可以提供不少類型的結構物進行風載重計算，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。近年來許多有關設計風載重的方法被提出，針對各類建築結構物進行比較分析，試圖找出一套滿足於所有類型結構物的載重計算方法。
本研究目的在於建立目前既有、廣泛被使用的等值靜載重方法的程式，同時透過不同類型建築結構物的風洞試驗，來比較這些等值靜載重方法的優缺點，以及不同方法採用時應當注意的原則。建築結構物的分類原則決定何種方法的採用與否，本研究亦期望提出分類原則之提案，作為未來規範修訂時之參考。並提供目前規範中有關風洞實驗結果轉換至設計值之步驟，更詳盡之風載重分析技術說明。
二、研究方法及過程
本研究採用傳統的風洞物理模擬方法進行各種結構物的表面風壓量測，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值靜力並進行靜力分析。本研究著重在於如何應用量測到的動態風壓分布轉換為等值風載重的過程，因而參考各種目前學界常見的等值設計載重理論。即時同步的風壓量測可用以計算風載重所需要了解的空間相關性、風壓擾動能量、風力與結構振動的耦合關係等等。本研究針對各種結構物建置有限元素模型，有助於了解系統振態以及執行動力直接積分法作為比對。最後，本研究針對這些結構物進行估算並與等值風載重、直接積分結果進行比較討論，並給予設計上的建議。
本研究之研究內容與步驟如後：
一、國內外研究文獻及資料之蒐集與整理
蒐集國內外等值靜力風載重之相關研究。並根據內容整理出大致的分類方式。由於學界發展這些方法的過程中，通常會利用常見的方法提出稍微不同的修改，然而大致上這些方法的精神原則均未改變。因此本研究希望可以進行分法的分類後，整理出主要的幾種方法。利用最原始的設計精神進行等值靜載重的計算。因此，本研究雖然收集近十種不同方法，但最後歸納為三種主要的不同設計精神。並僅進行此三種主要方法進行比較分析。
二、風洞試驗
本研究於內政部建築研究所的風雨風洞實驗室中進行風壓量測實驗，並且以淡江大學第一號風洞實驗室作為補充實驗之備用。風壓量測實驗中，首先以皮托管(Pitot tube)量測邊界層高度風速。其原理為利用量測內外管的壓力差，經熱線流速儀校正後可量測邊界層位置的動態風速作為參考風速壓。接著量測模型表面的動態風壓分布，並利用參考風速壓來計算風壓係數。對於高層建築、低層建築而言，風速的改變並不會造成分離點位置的改變，因此可以僅採用一合理縮尺風速即可。然而，具有曲面的大跨度屋蓋結構或煙囪等具有圓弧表面的結構物，則會因為雷諾數的影響而改變風力的估算。在本研究此部分採用較高風速來獲得較為合理的雷諾數實驗結果。為了可以進一步探討局部設計風壓，本研究採取較詳細的風壓量測實驗方式。
三、數值分析
本研究進行風壓量測後進行等值風載重的計算。為了作為比較的基準，本研究利用數值模型來進行直接積分的動態反應計算。其中的數值模型可以做為提供結構振態的資訊，對於作為設計端所需要的基本條件來說十分重要。
三、重要發現
目前採用MIDAS 有限元素分析軟體建立數值模型，可藉由調整其構件斷面尺寸或材料強度來變化結構物的振動頻率及振態。本研究收集之方法均涵蓋了所提及之三種不同結構型態的建築物，分別為陣風反應因子法、LRC 法、Universal ESWL 法三大類。雖然目前各國專家學者仍不斷努力創新開發出新的方法論，但此三種方法仍被國際上相關耐風設計規範以及風洞實驗進行後續分析風載重時所採納，因此本研究主要針對此三種方法進行三種典型結構物的設計值探討。在進行比較時，採用我國規範公式依循之陣風反應因子法(GLF)、LRC 法、Universal ESWL法(UNI)進行試算，再與時間域動力分析進行比較。
結果發現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。其缺點是只要平均風力與振態不相符，則完全無法用於預測。UNI 法的優點是其解可以完全符合時間歷時分析的結果，而缺點是POD 模態的數量與欲觀察的結構反應數量，必須完全一致。LRC 法的優點是其解為理論解，可以高度符合時間歷時分析的結果。缺點是等值靜力分布的數量隨著欲觀察的結構反應數量增加而增加，因此必須進行較多靜力分析，方能符合所有結果。
四、主要建議事項
建議一
建構完善之耐風設計規範風壓資料庫：立即可行建議
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：社團法人中華民國風工程學會
本研究由於累積大量的氣動力資料 ─ 風壓係數，因此可以藉此持續探究所謂的附屬結構物或帷幕牆等極值設計風壓的問題。實際上我國受風災多為掉落物影響行人、行車安全，或者玻璃破損而造成內外壓力不均導致掀翻或吹落等現象。其實這均屬於附屬結構物設計行為範疇。我國目前現行規範在此部分所條列的設計風壓係數種類實在不足以為現今工程師所用，因此有必要藉由研究來增列更多參考圖例，例如現行的ASCE7-16 即增加了不少此方面的圖例，包含太陽能光電系統支撐架的設計風壓係數。
建議二
新增耐風設計規範載重設計方法：立即可行建議
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：社團法人中華民國風工程學會
由本研究成果驗證的陣風反應因子法有其適用性的範圍限制，對於共振特性不明顯、但造型特殊之結構物，可以考慮採用Universal ESWL法及LRC 法評估風力。其中尤以LRC 法已經被納入ISO 4394 規範中，作為除了陣風反應因子法以外的載重設計參考方法。建議針對LRC 法納入我國規範的詳細作法進行深入探討，並以更多案例測試其方法的可靠程度，列為未來修訂規範的可能項目之一。
建議三
實際建築之實場監測計畫：中長期建議
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：社團法人中華民國風工程學會
任何一個結構系統的風載重設計，均需要多方驗證來加以評估其方法論的可靠度。除了風洞實驗以外，建議未來可進行三年至五年的高層建築、低矮建築、甚或大跨度屋蓋結構的實場監測計畫，其中應該包含結構位移反應的量測和風速風向的量測等，提供給未來規範修訂者作為驗證的對照資料，進而激發更多與風力導致結構物破壞的研究主題。

Structural response estimation of buildings or other structures excited by winds is the most important research topic among wind engineering researches. Under the stable and stationary condition, structural response can be classified due to two main sources – approaching turbulence and resonant forces. The former results in background response component which has the similar inherence of approaching wind; while the later results in resonant response component which makes even greater dynamic effect. In general,engineers can calculate design wind loads of target buildings or structures based on those formulae in the current Taiwanese Code and then conduct appropriate load combinations for static analysis. Engineers can also calculate design wind loads based on tables or figures in the code for typical buildings and structures in a simpler way. However, those formulae and given tables and figures are, in most of the cases, too conservative for designers.
Furthermore, the complexity of the formulae to represent the nature of wind leads to confusing equations for calculation. For those structures with spectacular shapes, the information in the code is far from efficiency for current society. Therefore, researchers are keen to develop methodologies to produce proper design wind loads to fulfill the demands from all buildings and structures. This research intends to establish routines of currently existing equivalent static wind load methodologies, to conduct wind tunnel tests for different structural types, and to classify the basic principles when adopting those methodologies for design wind loads. Furthermore, based on the results of this research, codification suggestions are to be concluded for the next code modification.
This research adopts the conventional wind tunnel tests to obtain instantaneous surface pressures of various types of buildings according to properly examined similarity rules. Dynamic loading is then calculated for the subsequent direct integration method in time domain analysis cooperated with finite element models. Dynamic loadings are then applied for the estimation of equivalent static wind loads with essential information such as influence matrix or POD modes. Finally, the structural responses from dynamic analysis and from static analysis are compared to demonstrate the advantages and shortcomings of related methodologies. During the analysis flow, the process for transferring pressures to loads, the correction of tubing effect, the characteristics of fluctuating pressures, and the coupled relationship between structures and loadings are examined in details.
Literatures from the domestic and the abroad show that all the recently developed methodologies to produce equivalent static wind loads can the categorized into three. These three categorizations have different spirits from each other and basically we can say, all other methods are just extension from these three. The three methods are gust loading factor method (GLF),universal equivalent static wind load method (Uni-ESWL), and load response correlated method (LRC). In this study, the authors adopt the original content of these three methods for the subsequent explanations and comparisons.
Wind tunnel test is mainly carried out in ABRI Wind Tunnel Laboratory and supplemental tests are executed at Tamkang University. In order to have a detailed information of wind forces, instantaneous surface pressures are recorded and corrected for tubing effect. Pressure coefficients are calculated by normalizing to the reference velocity pressure at model height.
All the tests are qualified with the demand of Reynolds number and the ensemble size is enough for several ten minute records for numerical stability.In fact, the authors have collected enough data for further studies for design pressures on claddings or sub-structures. MATLAB programming is adopted to develop routines for estimation of equivalent static wind load and finite element models are built to provide vibration modes, constraint conditions,influence matrix and other essential dynamic information.
Results show that by adjusting member section and material properties in finite element analysis software, dynamic characteristics of numerical models can be changed and then the estimation results of equivalent static wind loads also changes. GLF method, Uni-ESWL method and LRC method show quite different comparison results from different structural systems.
For high-rise buildings, results from the three methods match very well simply because the mean wind force is similar to the dominant fundamental vibration mode. For low-rise buildings, GLF method loses its precision since low-rise buildings do not have similar distribution of mean wind force and fundamental vibration mode. Their fluctuating pressures at the separation corner are much more significant than mean force. The LRC method is better than Uni-ESWL method because the former does not need a time domain analysis prior to the estimation of equivalent static wind load and the operation does not need to fulfill the redundancy problem of unknown numbers for structural responses. However, once the redundancy criteria are fulfilled, the Uni-ESWL method provides the best consistency with the time domain results. Large span roof structures have similar results to low-rise buildings.Based on the results, the authors have three main suggestions for future extension works.
Suggestion 1: Immediate executable suggestion
This research has accumulated huge information of pressures on various structural systems, which allows a good foundation for estimation of design pressures of claddings and sub-structures. In current Taiwan Code, the references for buildings are still insufficient for designers. Furthermore, the definition and quality for a good wind tunnel test work need more specific and quantitative supplementary words.
Suggestion 2: Immediate executable suggestion
This research has proved that the LRC method in dealing with those low-rise buildings with not significant resonant feature is a better and alternative to the GLF method. Especially ISO 4354 has included the LRC method as its reference for designers. The LRC method also serves a good tool when completing a good wind tunnel test for estimating design loads from dynamic time historic pressure data.
Suggestion 3: Long-term planning suggestion
No matter how good these developed methodologies can reproduce the estimation results from numerical time domain analysis, the lack of validation with field monitoring data certainly reflect less the benefits of adopting these equivalent static wind load methods. Therefore, the authors strongly suggest that in the future, Taiwan Government should announce a long-term project to conduct field monitoring on every aspect, such wind field, structural vibration, disaster survey, and so on. Not only validation with theoretical development but also discovery of new phenomena is possible for higher level of academic and practical application.