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2018 OPEN SEMINAR POST

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第七屆風工程研討會

第七屆風工程研討會將於 2018/10/19 舉行
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105學年度年輕學者計畫(JRPES)」專題演講

時間:105年12月13日
地點:文學館L201
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風洞實驗介紹

自從1960年代以來,由於工程材料及施工方法的大幅進步,工程設計逐步走向質量輕,大跨度及超高的方向,使得在傳統上地震力為結構的主要水平荷重觀念逐漸改變。風荷重成為超高層建築、巨蛋型體育館、斜張橋等結構的主要水平載重。除此之外由於環保意識的覺醒,社會上對於生活品質的要求,使得工業廢氣的排放及都市中大型建築物造成環境微氣候的改變,亦成為工程界必須予以重視的課題。上述問題則構成了近代風工程的核心。

以上工程課題的共通點是牽涉了大氣紊流與結構間的相互作用,而目前為止流體與結構間的相互複雜作用,並沒有完整的理論模式可供解析。而在國內建築規範中,對高層建築風力仍以靜態方式表達,未考慮由擾動性風力作用造成的影響,該影響雖不致造成建築物重大災害,卻會造成外部帷幕、內部隔間的損害,增加居住的不舒適性及環境上的衝擊,而降低實用價值。所以對於實際大氣流場的氣動力問題唯有藉助物理縮尺模擬即風洞實驗來預估實際的風力現象。

目前本中心主要風洞實驗從事的項目有下列數項:

1. 大氣擴散試驗
2. 風力載重試驗
3. 表面風壓試驗
4. 環境風場試驗

以下僅就各項試驗做簡單的介紹:

(1)大氣擴散試驗

對於進入已開發國家的台灣而言,傳統產業及高科技產業愈趨發達。但當產業擴張之際,污染物的排放問題卻由於台灣地小人稠而日益嚴重。例如高屏地區工廠廢氣排放,造成嚴重之空氣污染;焚化爐廢氣排放導致附近民眾激烈抗爭;甚至危險氣體意外排放造成人員之傷亡。因此,對於工廠興建前之污染物擴散濃度分佈評估,便需採用更準確之技術加以預測,以避免日後產生難以彌補之傷害。

本中心在擴散試驗方面之工作內容、時間大致如下:

  • 模型範圍:依縮尺大小,模擬邊界可達排放源下游2,500~7,500公尺。
  • 量測項目:排放源在不同風向之空中及地表濃度分佈。
  • 量測風向:依據最近20年之氣象資料,選取發生機率較高之風向進行試驗,一般約3至4組風向。
  • 量測點數:由本中心視實際需要而定,一般案件單一風向所需之量測點數,介於50至60之間。
  • 評估方法:以風洞試驗量測結果,計算空中及地表之濃度係數分佈等值圖。
  • 作業時間:於業主提供風洞試驗所需相關資料後約六個月內,提出風洞試驗及評估報告。

結構設計所考慮之外力,對一般之建築物而言,地震力是主要對象。當建築物高度增加至某一範圍後,風力影響越趨嚴重,甚至成為主導結構設計的主要外力。對於低矮樓房而言,目前規範所提供之風力計算及分配方式,皆為相當安全保守之數據,可忽略建物周圍環境的影響。但是對於高層建築,其所受之風力已相當高,周圍環境對風力大小的影響便需加以注意。這便是規範公式力所未逮而需另案評估之部分。在面對風力載重的問題時,可選擇數值模擬或物理風洞試驗來預測。前者由於難以完整考慮複雜環境對氣流流況的干擾,在應用上有其限制與困難。而物理風洞實驗,以縮尺方式實際模擬周圍環境,能避開數值模擬的問題,得到較精確的評估結果,故為目前較可行的方法。

本中心在風力載重試驗方面,工作內容、時間大致如下:

  • 模型範圍:以主體建築物為中心,依據模型縮尺大小,約半徑450 公尺之圓周為模擬邊界。
  • 量測項目:以高頻力平衡儀量測主體建築物基底風力載重。
  • 評估方法:以風洞試驗量測結果,配合結構動力理論計算各層樓之風力載重及加速度值。
  • 量測風向:以正北向為基準,每10度做一量測,共取36個風向。
  • 作業時間:於業主提供風洞試驗所需資料後約三個月內,提出風力載重試驗結果,供結構計算;約四個月內提出風力載重試驗完整報告。

高層建築上除了需要考慮風速對於結構系統形成的動態載重效應外,建築外牆的局部風壓影響等結構安全性問題也是考量的重點。例如以風速強勁文明的芝加哥就有高樓門窗被吹破、損壞的案例。所以風壓所造成的影響會關係到屋主及附近民眾的安全,直接或間接地降低該建築物的使用功能,高層建築設計中之門窗或帷幕厚度需隨各樓層之局部風壓為設計依據,而在面對高層建築風壓的問題時,往往需要利用數值模擬或物理風洞試驗來預測。事實上,風的行為隨著地況、建築物本身構造及鄰近建築物的形狀、風向等的不同,皆會有所差異。以目前數值模擬發展現況而言,要預測風壓分佈仍有其困難,而風洞試驗是目前較有效且準確的方法。

在風壓試驗方面,工作內容、時間大致如下:

  • 模型範圍:以主體建築物為中心,依縮尺大小,約半徑450 公尺之圓周為模擬邊界。
  • 量測項目:主體建築物各區域之表面風壓。
  • 量測風向:以正北向為基準,每10度做一量測,共取36個風向。
  • 量測點數:由本中心視實際需要而定,一般案件所需之測點數介於150至250個之間。
  • 評估方法:以風洞試驗量測結果,經計算及規劃提出建築物表面設計風壓。
  • 作業時間:於業主提供風洞試驗所需資料後約三個月內,提出風洞試驗及設計風壓報告。

興建一座高層建築時,除了需要考慮風速對於結構系統形成的動態載重效應,以及建築外牆的局部風壓影響等結構安全性問題考量之外,建築物本身對四周環境風場的舒適性問題也需要一併加以注意。例如因各高層建築之間所形成的渠道效應、渦漩及下沖等現象,產生過快的風速及惱人的大樓風,造成人們行走或是活動的不便,都會直接或間接地降低該建築物的使用功能。興建高層建築除了需要滿足自身的安全性與舒適性的要求之外,同時要避免對鄰近的設施,如人行道、公園、開放式廣場等造成風場環境的衝擊。為避免新建大樓周圍環境風場的改變而造成的屋主和居民的糾紛,也為提高人民生活品質,先進國家紛紛立法來強制要求超高樓建築前,需先經過一連串周圍風場的環境影響評估,作為高樓興建與否乃至於社區及旅遊休閒區整體開發的決策依據。

因地形的複雜性,使得物理風洞模擬實驗,配合實場的氣象資料來做風場舒適性的預估,成為目前較可行的方法。

本中心在環境風場試驗方面,工作內容、時間大致如下:

  • 模型範圍:以主體建築物為中心,依據模型縮尺大小,約半徑450 公尺之圓周為模擬邊界。
  • 量測項目:主體建築物興建前後,量測地表行人高度平均風速。
  • 量測風向:以正北向為基準,每22.5度做一量測,共取16個風向。
  • 量測點數:由本中心視實際需要而定,一般案件單一風向所需之測點數,介於30至50個之間。
  • 量測高度:實場地面以上1.5至2.0公尺(行人高度)。
  • 評估方法:以風洞試驗量測結果,配合當地風向風速資料,計算各級風速標準發生頻率,進行舒適度評估。
  • 作業時間:於業主提供風洞試驗所需資料後約一個月內,提出風洞試驗及行人舒適性評估報告。