一、前言
我國屬多颱風地區,平均每年侵襲臺灣3至4次的颱風也常常造成巨大的經濟損失甚或發生傷亡事件。為防範未然減低風災引致之災損,可於建築設計階段進行風洞試驗以評估風力大小(圖1)。該試驗係建構於符合大氣紊流邊界層原理之縮尺模型試驗,於符合氣體動力與結構相似性為原則下,加以試驗計算實際建物所受風力。
圖1 本所風洞試驗設置照片
然而,風洞試驗收費較貴,一般建築物要求得風力,會根據「建築物耐風設計規範及解說」(2015年修訂公布實施)來計算。由於建築物風力特性受外型及結構振動特性影響甚鉅,因此規範內容不可能涵蓋所有種類的建築物型態,我國規範內容僅適用於近似矩形之建築物。其中,風力計算方法參照國外規範,以陣風反應因子法作為順風向風力的計算理論,橫風向及扭轉向風力的計算則採用經驗式,以擬合風洞試驗的結果獲得。目前依據規範所計算而得的風力仍舊有許多可改善的空間,其中,在依據規範公式計算獲得風力後,應該如何合理地組合這些風力,仍是一個急待解決的問題。根據規範2.12節目前作法,順、橫、扭轉向風力首先須分別獨立作用於結構模型上進行靜力分析,獲得了結構物的結構反應後再進行組合。接著取其組合後的最大反應者,對應此最大反應的來風方向的順、橫、扭轉向風力作為設計風力。實際上,目標結構物的結構反應可能因為結構系統之選擇而有所不同;而且三個方向的風力未必在同一時間發生最大值,故組合時理應存在機率問題。若能有效找到直接以風力進行組合的作法,能減少操作過程的繁複性。此外,為了簡化對於低矮建築物的繁複計算,我國規範參考他國規範建議,於規範2.13節提供了針對低矮建築物的簡易風力計算式,來取代第二章前幾節的一般風力計算式。然而,由於簡易風力計算式代表較為保守的設計風力值,因此必然在高寬比門檻臨界值發生較不連續的設計風力。此外,簡易風力計算式亦未考量組合,因此須一併進行探討。
有鑑於此,為能解決風力規範中對於載重組合設計疑慮,需以建築風洞試驗方法執行風力或風壓數據量測,作為順風向、橫風向及扭轉向風力基礎,輔以建築物結構分析程式進行靜力、動力及機率分析等,以佐證所提針對耐風設計規範第2.12與2.13節修正條文內容之合理性。
二、運用風洞試驗及靜、動力分析程式進行探討
在風洞試驗方面,由於本研究首要任務為探討高層建築物的載重組合,因此首先製作具代表性的高層建築物模型兩座作為風洞試驗模型(圖2),量取其表面風壓並分析其風壓及風力係數與各規範比較,確認此兩模型可用以作為後續分析使用。
圖2 高層建築物模型(方柱)
此兩模型係利用圓盤升降,分別為方柱與矩柱外型,進行高寬比不同的風洞試驗(表1),以充分提供順風向、橫風向及扭轉向風力。風洞試驗所得的結果,係作為規範及靜、動力分析程式之比對。
表1 高寬比不同的風洞試驗案例
在靜、動力分析程式方面,全程採用MATLAB程式語言來建立結構分析程式,且以該程式語言撰寫探討載重組合所需要的機率分析理論程式,並利用MIDAS商業軟體進行比對驗證,此靜、動力分析程式係採用外力直接進行組合,並可進行靜、動力分析。
三、載重組合及簡易風力修正建議
由以上規範及靜、動力分析程式所得之結果與風洞試驗作比對,發現「採用外力直接進行組合」的方式較為快速,雖然相較於日本規範及ISO規範採用結構效應組合的方式來得稍偏保守,但仍有一定的準確度且執行效率變快。
我國規範第一版(2007年)係承襲美國規範架構而來,定義了順風向風力計算方式,而後於第二版(2015年)中納入了日本規範的橫風向與扭轉向風力計算方式。如今最新版的美國規範實際上已經跟過去我國規範第一版所參考的版本內容相差甚多,架構也已完全不同。相互比較之下,反倒我國規範的架構與日本規範AIJ 2016或者歐洲國家多採用的國際標準規範ISO 4354 2009較為相近。
建議規範2.12節載重組合及2.13節簡易風力均參考日本規範來作修正,如此執行起來既快速便利,也不會因原2.13節簡易風力計算式太保守,在高寬比門檻臨界值產生過大斷層的設計風力;詳細規範修正內容可參考本所110年度「建築耐風設計規範之載重組合及簡易風力修正研究」研究案之成果報告。