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建築研究簡訊第112期

  • 日期:110-07-15
主題報導張淇喻
風雨風洞實驗室不同縮尺流場之地況模擬

風洞實驗對於大型結構物或高層建築物之抗風能力與動態反應評估相當重要,實務上常於建築物建造前先進行縮尺模型風洞試驗,由試驗結果預先了解建築物潛在之危機。由於高層建物與較小尺度之附屬構造、標示物或延伸至屋頂型太陽能板等,所需的縮尺比例因為所處風場特性有所差異,因此建構相應比例之大氣紊流邊界層流場,為風洞試驗規劃前之首要步驟。

大氣紊流邊界層流場為空氣經長距離流動,且受到地表面之地形、植被、構造物之摩擦力與阻力影響,產生垂直分佈之風速剖面,此風速剖面之特性主要與地表粗糙度相關。該剖面越近地表則速度越低,而風速隨高度上升而增加,直至脫離地表影響範圍,此處高度稱為邊界層厚度,對應之風速則稱為層緣風速,而此剖面之影響範圍則稱為大氣邊界層。

本所風雨風洞實驗室具有臺灣最大實驗斷面之風洞,順風向截面寬4公尺,高2.6公尺,原先建立之流場縮尺為1/250,主要係針對高層建築物進行試驗,實驗實際架設狀況如圖1。藍色模型為主要待測建築物,周邊以待測建物為中心建構半徑為1.6公尺之建物地景縮尺圓盤以還原實際風場狀況,再於前方排設渦流產生器及地表粗糙元素以建構前述之大氣紊流邊界層流場。

        圖1   實際高層建築物風洞試驗擺設狀況

隨著近年政府推廣太陽能光電板架設以及樓高18公尺以下之較低樓層的特殊造型建築物的出現,相關的風洞試驗需求亦隨之產生,如3公尺寬的太陽能光電板,換算至1/250的縮尺下模型僅有1.2公分,除模型製作困難且相對於風洞整體截面尺寸過小外,同時亦不利於光電版面細部的量測,得出的結果可能與實際情況有所出入,故實驗室於109年度開始進行地況縮尺的擴充工作。

在建築物耐風設計規範中,大氣邊界層分為都市中心、市郊及平坦開闊地面3種,本所風雨風洞實驗室除原有1/250縮尺的都市中心、市郊及平坦開闊地面3種地況外,已分別完成新增市郊及平坦開闊地面的1/1001/50地況,目標分別對應於低層建築物(適用1/100縮尺)以及如太陽能光電板之類的小型構造物(適用1/50縮尺),可以較大的縮尺配合較大的模型尺寸,以利於設置更多的量測點位觀測細部變化。

在應用面上,圖2為一低層建築物設置屋頂架高陣列型太陽能光電板之模型,光電板及建築物以壓克力材質製作,綠色管線為量測位置。於較大的縮尺下,光電版面具有較充足的空間設置量測位置,兩側點位可以由邊角往中心呈現密到疏的變化,針對容易遭破壞的光電板邊角地區進行較精密的量測。因此,藉由研究成果,擴展建築研究標的多元性,試驗內容可由高層建築擴展至特殊造型建築及建築附屬物(如光電板、雨遮及看板等)等屬於不同屬性風場之風洞試驗,同時亦可用於較大型的戶外裝置,如台北市大運的聖火台亦於本所風洞實驗室進行過抗風測試,只是當初受限於縮尺比例關係,僅取部分組件進行實尺寸抗風試驗,如今縮尺擴增後已可以較大尺寸的縮尺模型直接進行完整受力量測。

       圖2  屋頂架高陣列型太陽能光電板模型示意圖