低層建築物表面風壓之實驗研究

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土木工程學系

論文名稱

低層建築物表面風壓之實驗研究
(This study experimentally investigates the pressure distribution on the surface of low-rise buildings with different roof angle.)

相關論文

★ 定剪力流中二維平板尾流之風洞實驗	★ 以大渦紊流模式模擬不同流況對二維方柱尾流之影響
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摘要(中)

摘要
本研究以風洞實驗的方式來探討邊界層流中低矮建築物表面風壓的分佈情形，實驗條件包括三種不同屋頂角度（15度、20度、30度）的模型。壓力量測使用電子式壓力掃描器可同時量測多個位置的瞬時壓力，由實驗結果可進而計算建築物表面的平均、擾動和最大壓力分佈。實驗結果顯示迎風面牆與背風面牆的平均壓力會隨屋頂角度的增加而增加；迎風面屋頂會由15度的負壓轉變為30度的正壓，20度則同時受正、負壓的作用，此結果接近前人研究所得之臨界角度；背風面屋頂的壓力和擾動壓力隨屋頂的增加而減少。
本研究以卓勇志(2001)所建議之最大壓力的前10%之壓力係數Cp10作為設計風壓係數，Cp10可用平均壓力係數Cp，加上擾動壓力係數Cprms與尖峰因子g10的乘積表示。尖峰因子不受建築物幾何外型及量測位置的影響，g10約為1.23，此結果可有效降低工程設計成本和簡化設計難度。本研究並以統計的方法分析各點所得的擾動風壓，發現迎風面牆和屋頂的擾動風壓會接近高斯機率函數，然而背風面牆和屋頂的擾動風壓會偏離高斯函數。本研究之結果可作為相關研究之參考，並提供相關工程改善時的建議。

摘要(英)

Abstract
This study experimentally investigates the pressure distribution on the surface of low-rise buildings with different roof angle (15o,20o and 30o). The experiments were carried out in an atmospheric boundary layer wind tunnel. Instantaneous fluctuating wind pressures were measured by an electronic pressure scanner. Based on the pressure measurement, the distributions of mean, rms Cprms and peak pressure Cpp can be calculated. It was found that the mean pressure coefficient on the front roof surface change from negative to positive while the roof angle change from 15 o to 30o. The critical angle is close to 20o, which is in good agreement with previous studies.
The pressure coefficient, Cp10, could be calculated by the formula, Cp10 = Cp + g10‧Cprms, where the peak factor g10 = 1.23, which is independent of the building shape and position. Experimental results also revealed that the probability of pressure fluctuations on the front surface are closed to the Gaussian distribution. On the other hand, the leeward side was skewed and did not necessary follow Gaussian distribution.

關鍵字(中)

★ 低層建築物
★ 高斯分佈

關鍵字(英)

★ Gaussian distribution
★ Lowirise building

論文目次

目錄
頁次
中文摘要………………………………………………………………...i
英文摘要………………………………………………………………..ii
目錄……………………………………………………………………..iii
圖目錄………………………………………………………………….xi
表目錄…………………………………………………………………xii
第一章緒論……………………………………………….…….…1
1.1 前言……………………………………………………...1
1.2 研究內容及大綱……………………………………………….2
1.3 研究內容及大綱……………………………………………….2
第二章理論基礎與文獻回顧…………………………………….3
2.1 大氣邊界層流………………………………………………….3
2.2 紊流強度與雷諾剪應力……………………………………….5
2.2.1 紊流強度………………………………………………..5
2.2.2 雷諾剪應力……………………………………………..6
2.2.3 風壓頻譜………………………………………………..6
2.3 準穩態假設…………………………………………………….7
2.4 風流經建築物之行為………………………………………….8
2.5 壓力係數量測……………………………………………….…9
2.5.1 設計風壓規範…………………………………………10
2.6 風洞模擬……………………………………………………...12
2.7 前人文獻回顧………………………………………………...13
第三章實驗設備與方法…………………………………………16
3.1 大型環境風洞………………………………………………...16
3.2 風速量測方法………………………………………………...17
3.3 壓力量測方法………………………………………………...19
3.3.1 前人研究……………………………………………….19
3.3.2 壓力量測儀器………………………………………….20
3.3.3 儀器校正……………………………………………….22
3.3.4 壓力量測……………………………………………….23
3.4 實驗方法……………………………………………………...25
3.4.1 大氣邊界層模擬與建築物模型………………………25
3.4.2 實驗數據採樣技巧……………………………………26
3.5 頻譜分析方法………………………………………………...27
第四章實驗結果與討論…………………………………………28
4.1 迫近流場……………………………………………………...28
4.2 不同角度建築物表面風壓…………………………………...29
4.2.1 平均風壓………………………………………………29
4.2.2 擾動風壓………………………………………………31
4.3 時間域分佈…………………………………………………...35
4.4 機率分佈……………………………………………………...36
4.4.1 峰度與偏度……………………………………………36
4.4.2 高斯分佈………………………………………………37
4.5 準穩態假設…………………………………………………...38
4.6 屋頂所受的阻力與升力……………………………………...39
第五章結論與建議……………………………………………….41
5.1 結論…………………………………………………………...41
5.2 建議…………………………………………………………...43
參考文獻………………………………………………………………43
圖目錄
頁次
圖1.1 低矮建築物屋頂被強風所破壞之影像圖…………………………47
圖2.1 風速剖面與不同地況之關係………………………………………48
圖2.2 流體流經矩形結構物側面之示意圖………………………………49
圖2.3 建築物周遭流況立體示意圖……………………………………....50
圖3.1 (a) 中央大學大型環境風洞之影像圖…………………………….51
(b) 中央大學大型風洞之立體構造圖………………………….…52
(c) 中央大學大型風洞之上視圖及側視圖……………………….53
圖3.2 風洞馬達轉速與風速之關係圖…………………………………....54
圖3.3 電子式壓力掃描器 ZOC33模組………………………………….55
圖3.4 數位處理模組DSM3000…………………….…………………….55
圖3.5 控制壓力模組 DSM CPM………………………………………...56
圖3.6 壓力校正儀 SPC3000……………………………………………..56
圖3.7 壓力校正模式儀器設置圖………………………………………....57
圖3.8 壓力量測模式儀器設置圖………………………………………...57
圖3.9 (a) 以20cm管線量測得之壓力訊號……………………………...58
(b) 以60cm管線量測得之壓力訊號……………………………...58
(c) 經由轉換函數轉換後之壓力訊……………………………….59
圖3.10 風洞中渦流產生器與粗糙元示意圖……………………………....60
圖3.11 渦流產生器與粗糙元之配置圖…………………………………....60
圖3.12 渦流產生器與粗糙元配置之俯視圖……………………………....61
圖3.13 壓力孔之間距及模型立體示意圖………………………………....62
圖3.14 實驗模型…………………………………………………………....63
圖3.15 風洞中的實驗設置………………………………………………....64
圖4.1 迫近流場之平均風速剖面圖……………………………………....65
圖4.2 迫近流場縱向紊流強度剖面圖…………….……………………..65
圖4.3 縱向紊流頻譜……………………………………………………...66
圖4.4 模型座標定義…………………………………………………...…67
圖4.5 (a) 迎風面牆平均壓力係數(Cp)分佈圖(θ =15度) ………………68
(b) 迎風面牆平均壓力係數(Cp)分佈圖(θ =20度) ………………69
(c) 迎風面牆平均壓力係數(Cp)分佈圖(θ =30度) ………………70
圖4.6 迎風面牆中心線之平均壓力係數與高度關係…………………....71
圖4.7 (a) 背風面牆平均壓力係數(Cp)分佈圖(θ =15度) ……………….72
(b) 背風面牆平均壓力係數(Cp)分佈圖(θ =20度) ……………….73
(c) 背風面牆平均壓力係數(Cp)分佈圖(θ =30度) ……………….74
圖4.8 背風面牆中心線之平均壓力係數與高度關係…………………....75
圖4.9 (a) 迎風面屋頂平均壓力係數(Cp)分佈圖(θ =15度) …………….76
(b) 迎風面屋頂平均壓力係數(Cp)分佈圖(θ =20度) …………….77
(c) 迎風面屋頂平均壓力係數(Cp)分佈圖(θ =30度) …………….78
圖4.10 迎風面屋頂中心線之Cp與高度關係圖…………………………..79
圖4.11 (a) 背風面屋頂平均壓力係數(Cp)分佈圖(θ =15度) …………….80
(b) 背風面屋頂平均壓力係數(Cp)分佈圖(θ =20度) …………….81
(c) 背風面屋頂平均壓力係數(Cp)分佈圖(θ =30度) …………….82
圖4.12 背風面屋頂中心線之Cp與高度關係圖…………………………..83
圖4.13 (a) θ =15、20、30度模型中心線上之平均壓力示意圖……….84
(b) θ =15、20、30度模型中心線上之擾動壓力分佈圖……….85
圖4.14 (a) 側風面牆平均壓力係數(Cp)分佈圖(θ =15度) ……………….86
(b) 側風面牆平均壓力係數(Cp)分佈圖(θ =20度) ……………….87
(c) 側風面牆平均壓力係數(Cp)分佈圖(θ =30度) ……………….88
圖4.15 (a) 迎風面牆擾動壓力係數(Cprms)分佈圖(θ =15度) …………….89
(b) 迎風面牆擾動壓力係數(Cprms)分佈圖(θ =20度) …………….90
(c) 迎風面牆擾動壓力係數(Cprms)分佈圖(θ =30度) …………….91
圖4.16 迎風面牆中心之擾動壓力係數與高度關係………………………92
圖4.17 (a) 迎風面牆壓力係數Cpp與Cp10之分佈(θ =15度) ……………93
(b) 迎風面牆壓力係數Cpp與Cp10之分佈(θ =20度) ……………93
(c) 迎風面牆壓力係數Cpp與Cp10之分佈(θ =30度) ……………93
圖4.18 迎風面牆平均壓力係數與尖峰因子關係圖………………………94
圖4.19 迎風面牆平均壓力係數與陣風反應因子關係圖…………………94
圖4.20 (a) 背風面牆擾動壓力係數(Cprms)分佈圖(θ =15度) …………….95
(b) 背風面牆擾動壓力係數(Cprms)分佈圖(θ =20度) …………….96
(c) 背風面牆擾動壓力係數(Cprms)分佈圖(θ =30度) …………….97
圖4.21 背風面牆中心之擾動壓力係數與高度關係……………………....98
圖4.22 (a) 背風面牆壓力係數Cpp與Cp10之分佈(θ =15度) ………….99
(b) 背風面牆壓力係數Cpp與Cp10之分佈(θ =20度) …………99
(c) 背風面牆壓力係數Cpp與Cp10之分佈(θ =30度) ………….99
圖4.23 背風面牆平均壓力係數與尖峰因子關係圖………………...…....100
圖4.24 背風面牆平均壓力係數與陣風反應因子關係圖………….……..100
圖4.25 (a) 迎風面屋頂擾動壓力係數(Cprms)分佈圖(θ =15度) …………101
(b) 迎風面屋頂擾動壓力係數(Cprms)分佈圖(θ =20度) ………....102
(c) 迎風面屋頂擾動壓力係數(Cprms)分佈圖(θ =30度) ………….103
圖4.26 迎風面屋頂中心之擾動壓力係數與高度關係……………………104
圖4.27 (a) 迎風面屋頂壓力係數Cpp與Cp10之分佈(θ =15度) ………105
(b) 迎風面屋頂壓力係數Cpp與Cp10之分佈(θ =20度) ………105
(c) 迎風面屋頂壓力係數Cpp與Cp10之分佈(θ =30度) ……….105
圖4.28 迎風面屋頂平均壓力係數與尖峰因子關係圖…………………….106
圖4.29 迎風面屋頂平均壓力係數與陣風反應因子關係圖……………….106
圖4.30 (a) 背風面屋頂擾動壓力係數(Cprms)分佈圖(θ =15度) …………..107
(b) 背風面屋頂擾動壓力係數(Cprms)分佈圖(θ =20度) ………….108
(c) 背風面屋頂擾動壓力係數(Cprms)分佈圖(θ =30度) ……….….109
圖4.31 背風面屋頂中心之擾動壓力係數與高度關係…………………..110
圖4.32 (a) 背風面屋頂壓力係數Cpp與Cp10之分佈(θ =15度)………111
(b) 背風面屋頂壓力係數Cpp與Cp10之分佈(θ =20度) ……..111
(c) 背風面屋頂壓力係數Cpp與Cp10之分佈(θ =15度) ……..111
圖4.33 背風面屋頂平均壓力係數與尖峰因子關係圖…………………..112
圖4.34 背風面屋頂平均壓力係數與陣風反應因子關係圖……….…….112
圖4.35 (a)側風面牆擾動壓力係數(Cprms)分佈圖(θ =15度) ……….…….113
(b)側風面牆擾動壓力係數(Cprms)分佈圖(θ =20度) ……….……114
(c)側風面牆擾動壓力係數(Cprms)分佈圖(θ =30度) ……….……115
圖4.36 (a) 風壓隨時間變化圖(屋頂前緣和邊隅) ………………..……..116
(b) 風壓隨時間變化圖(屋頂中間和屋脊) ……………….……..117
(c) 風壓隨時間變化圖(屋頂側緣和上緣邊隅) …………………118
圖4.37 (a) 迎風面屋頂之峰度與偏度係數分佈(θ =15度) …………….119
(b) 迎風面屋頂之峰度與偏度係數分佈(θ =20度) …………….119
(c) 迎風面屋頂之峰度與偏度係數分佈(θ =30度) ……………..119
圖4.38 (a) 背風面屋頂之峰度與偏度係數分佈(θ =15度) ……………..120
(b) 背風面屋頂之峰度與偏度係數分佈(θ =20度) …………….120
(c) 背風面屋頂之峰度與偏度係數分佈(θ =30度) ……………..120
圖4.39 峰度和偏度之關係圖……………………………………………..121
圖4.40 實測值與多種不同分佈之累積機率圖…………………………..122
圖4.41 (a) 實測值與理論高斯曲線之隨機機率圖………………………123
(θ =15度、20度屋頂前緣和邊隅)
(b) 實測值與理論高斯曲線之隨機機率圖……………………...124
(θ =30度屋頂前緣和邊隅)
(c) 實測值與理論高斯曲線之隨機機率圖……………………...125
(θ =15度、20度、30度背風面屋頂)
圖4.42 三種角度下屋頂表面之機率分佈示意圖………………………..126
圖4.43 (a) 背風面屋頂中心線之頻譜圖(θ =15度) ………….…………….127
(b) 背風面屋頂側緣之頻譜圖(θ =15度) ………….……………….127
(c) 背風面屋頂中心線之頻譜圖(θ =20度) ………….…………….128
(d) 背風面屋頂側緣之頻譜圖(θ =20度) ………….………………128
(e) 風面屋頂中心線之頻譜圖(θ =30度) ………….………………129
(f) 背風面屋頂側緣之頻譜圖(θ =30度) ………….……………….129
圖4.44 (a) 迎風面牆中心線之頻譜圖(θ =15、20、30度) ………….……130
(b)迎風面牆側緣之頻譜圖(θ =15、20、30度) ………….……….130
圖4.45 20 cm和80 cm桿長之頻譜圖……………………………………..131
圖4.46 (a) 迎風面准穩態假設修正係數與高度關係(θ =15度) …. ……..132
(b) 迎風面准穩態假設修正係數與高度關係(θ =20度) …………132
(c) 迎風面准穩態假設修正係數與高度關係(θ =30度) …………133
圖4.47 (a) 背風面准穩態假設修正係數與高度關係(θ =15度) …..……..133
(b) 背風面准穩態假設修正係數與高度關係(θ =20度) …………134
(c) 背風面准穩態假設修正係數與高度關係(θ =30度) …………134
表目錄
頁次
表2.1 地表粗糙長度及零風面位移…………………………………...4
表2.2 美國ANSI地況分類與指律指數之關係……………………4
表2.3 ε與地表粗糙長度的關係………………………………………5
表2.4 外牆之平均外風壓係數(ANSI) ………………………………11
表2.5 屋頂之外風壓係數(ANSI) ……………………………..…..…11
表2.6 建築技術規則………………………………………..…..…….12
表4.1 不同參考風速所得的壓力係數……………………………….31
表4.2 不同屋頂角度下模型表面風壓係數與ANSI規範值………..35
表4.3 不同峰度、偏度範圍所定義出的機率分佈………………….38
表4.4 房屋所受的阻力值與屋頂所受的升力值…………………….40
符號表
Cp ：平均壓力係數
Cprms ：擾動壓力係數
Cpp ：最大壓力係數
Cp10 ：最大10 %壓力係數
f ：頻率
fL ：無因次頻率
fs ：渦流逸散頻率
fx ：馬達轉速
g ：尖峰因子
G ：陣風反應因子
Iu(%) ：縱向紊流強度
ks ：粗糙元之高度
Lux ：縱向紊流積分尺度
N ：採樣總數
P ：建築物表面風壓
：平均風壓
po ：參考高度之大氣壓力
Ppeak ：壓力峰值
P10% ：最大前10 %風壓
Prms ：均方根壓力
R ：電阻
Re ：雷諾數
RN : 頻譜密度函數之無因次化函數
Sx : 頻譜密度函數
St ：史徹荷數
: 準穩態假設修正參數
：Von Karman常數
：邊界層厚度
：粗糙長度
：冪律指數
ν : 空氣之運動黏滯係數
<-u’w’> : 雷諾剪應力
: 均方根速度
σ : 空氣密度

參考文獻

參考文獻
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指導教授

朱佳仁(C.R. Chu)

審核日期

2002-7-12

推文