[[alternative]]A preliminary investigation on the design wind loads of arched roofs

碩士[[abstract]]現代建築中因為美學的考量之下,以曲面屋頂為造型的建築物越來越常出現,且因為特別型態的關係所以其特性通常是較輕且較軟的,因此在承受風力時會有更明顯的感受性,而國內目前的風力規範並沒有關於曲面屋頂詳細的設計風載重;所以研究此類屋頂的設計風載重顯得相當需要。 本文主要是探討曲面屋頂之設計風載重，因此以高雄捷運R17車站為研究對象。論文內容分為兩個部份,分別為(1)使用LRC (Load-Response-Correlation)法計算其屋頂設計風載重並與傳統的設計風載重方法做比較。(2)以POD(Proper Orthogonal Decomposition Method)法研究其屋頂實驗風力的風場特性比較與研究。 由本文分析結果得知，整個曲面屋頂受風時皆承受上揚力的作用，且在上風處的風力平均值與RMS值皆會比下風處要大，而屋頂風力歷時平均值受到屋頂支撐圓柱一定程度的影響。在LRC法分析當中，取接近屋頂中央桿件為反應的設計風載重是比較符合經濟性與安全性的設計風載重形式。在POD分析中，發現風場的橫向分佈與文獻相同，但是縱向及整體分佈則有很大的不同，需要近一步的研究。[[abstract]]Domes with large span and grand standing arched roofs are common structural forms in the modern architecture practice to meet both the functional requirement and the aesthetic consideration. This type of structure system tends to be light weighted and relatively flexible, therefore, more wind sensitive than the other large structural systems. The simplified design wind load in the current building wind code is suitable only for small to medium size storage dome. A more sophisticated design wind load procedure is needed for large span dome or arched roof system. In order to investigate the designed wind loads of arched roofs, this project used a real arched roof system in Kaoshiung as the target structure. A properly scaled pressure model was built and the wind pressure of the roof system was measured in a turbulent boundary layer. The Proper Orthogonal Decomposition Method (POD) was applied to get the insight of the wind load on the roof system. The Load-Response-Correlation Procedure (LRC) was used to evaluate the proper design wind load. The POD results indicate that the wind pressure distribution on the roof’s short axis (in the direction of wind) exhibits characteristics of incident turbulence, separation and reattachment as expected. However, the wind pressure distribution on the roof’s long axis (lateral direction to the wind) does not show clear physical significance. The LRC analysis suggests that the design wind load based on the strength of all members would be too conservative. Using a few selected key structural members as the basis of the LRC procedure would yield a more reasonable design wind load.[[tableofcontents]]第一章 緒論 I 1-1 研究動機 1 1-2 研究方法 2 1-3 研究內容 2 1-4 論文架構 3 第二章 文獻回顧 5 2-1 大氣邊界層流場之風洞模擬 5 2-2 風洞實驗之阻塞效應 6 2-3 雷諾數效應 6 2-4 風力量測之壓力量測法 7 2-5 曲面屋頂之風力特性 7 2-6 曲面屋頂之風場特性(POD) 8 2-7 曲面屋頂之設計風載重(LRC) 9 第三章 理論背景 10 3-1 大氣邊界層流場之特性 10 3-1-1 平均風速剖面 10 3-1-2 紊流強度 12 3-1-3 紊流長度尺度 13 3-1-4 擾動風速頻譜 14 3-1-5 縱向速度擾動的交頻譜(cross-spectra) 15 3-2 隨機數據處理 16 3-3 結構物之風載重 19 3-3-1 單點之風壓係數 19 3-4 曲面屋頂之風場特性分析理論(POD) 20 3-5 曲面屋頂之設計風載重理論(LRC) 22 第四章 實驗設置與數值分析 26 4-1 風洞設備 26 4-2 大氣邊界層流場之模擬 26 4-3 風速量測 28 4-4 風力量測 28 4-5 實驗模型 29 4-6 數值模型 29 4-6-1 概述 29 4-6-2 幾何形狀 30 4-7 數值分析程式 30 4-7-1 風場特性程式(POD) 30 4-7-2 設計風載重程式(LRC) 31 第五章 實驗結果與討論 33 5-1 曲面屋頂之風場特性(POD) 33 5-1-1 曲面屋頂橫斷面風場特性 33 5-1-2 曲面屋頂縱斷面風場特性 34 5-1-3 曲面屋頂整體風場特性 34 5-2 曲面屋頂之設計風載重(LRC) 35 5-2-1 曲面屋頂歷時風力資料濃縮的影響 35 5-2-2 曲面屋頂歷時風力資料平均值與RMS值分佈 35 5-2-3 曲面屋頂設計風載重分佈趨勢 36 5-2-4 曲面屋頂設計風載重比較 37 第六章 結論與建議 40 6-1 結論 40 6-2 建議 41 參 考 文 獻 43 表(4-1) 主要開放式風洞一覽表 46 表(5-1) 風力歷時資料平均值 47 表(5-2) 七組設計風載重值 48 表(5-3) 各種方法設計風載重比較 51 表(5-4) 各種方法最大設計風載重區域比較 53 圖(3-1) M隨ZO遞增之關係圖 54 圖(4-1) 淡江大學大氣環境風洞實驗室剖面圖 55 圖(4-2) 大氣邊界層平均風速剖面圖 56 圖(4-3) 大氣邊界層紊流強度剖面圖 57 圖(4-4) 錐形擾流板寬度決定曲線 58 圖(4-5) 實驗模型整體配制圖 58 圖(4-6) 壓力訊號處理系統(RADBASE3200) 59 圖(4-7) 64頻道壓力感應器模組 59 圖(4-8) 壓力量測系統 59 圖(4-9) R17車站1:200壓克力風壓模型 60 圖(4-10) 曲面屋頂XY面幾何形狀 61 圖(4-11) 曲面屋頂XZ面幾何形狀 62 圖(4-12) 曲面屋頂YZ面幾何形狀 63 圖(4-13) 曲面屋頂446個節點編排 64 圖(4-14) 曲面屋頂930個桿件編排 65 圖(4-15) 曲面屋頂採用444反應桿件編排 66 圖(4-16) 模型184個風壓量測點分佈 67 圖(4-17) 曲面屋頂採用80載重點編排 68 圖(5-1) 橫斷面特徵值比重圖 69 圖(5-2) 橫斷面前三模態圖 69 圖(5-3) 橫斷面變異數貢獻圖 70 圖(5-4) 縱斷面特徵值比重圖 70 圖(5-5) 縱斷面變異數貢獻圖 71 圖(5-6) 縱斷面前三模態圖 71 圖(5-7) 446點風力歷時資料平均值3-D圖 72 圖(5-8) 446點風力歷時資料平均值等高線圖 72 圖(5-9) 全屋頂全部特徵值比重圖 73 圖(5-10) 全屋頂前50項特徵值比重圖 73 圖(5-11) 全屋頂第一模態3-D圖 74 圖(5-12) 全屋頂第一模態等高線圖 74 圖(5-13) 全屋頂第二模態3-D圖 75 圖(5-14) 全屋頂第二模態等高線圖 75 圖(5-15) 80點風力歷時資料平均值3-D圖 76 圖(5-16) 80點風力歷時資料平均值等高線圖 76 圖(5-17) 80點風力歷時資料RMS值3-D圖 77 圖(5-18) 80點風力歷時資料RMS值等高線圖 77 圖(5-19)以圓柱一(X=-50.4)連接四桿件為反應之設計風載重分佈圖 78 圖(5-20)以圓柱二(X=-33.6)連接四桿件為反應之設計風載重分佈圖 78 圖(5-21)以圓柱三(X=-16.8)連接四桿件為反應之設計風載重分佈圖 79 圖(5-22)以圓柱四(X=0)連接四桿件為反應之設計風載重分佈圖 79 圖(5-23)以圓柱五(X=16.8)連接四桿件為反應之設計載重分佈圖 80 圖(5-24)以圓柱六(X=33.6)連接四桿件為反應之設計載重分佈圖 80 圖(5-25)以圓柱七(X=50.4)連接四桿件為反應之設計載重分佈圖 81 圖(5-26) 七組設計風載重2-D分佈圖 81 圖(5-27) 以圓柱一連接桿件為反應之設計風載重分佈3-D圖 82 圖(5-28) 以圓柱一連接桿件為反應之設計風載重分佈等高線圖 82 圖(5-29) 以圓柱二連接桿件為反應之設計風載重分佈3-D圖 83 圖(5-30) 以圓柱二連接桿件為反應之設計風載重分佈等高線圖 83 圖(5-31) 以圓柱三連接桿件為反應之設計風載重分佈3-D圖 84 圖(5-32) 以圓柱三連接桿件為反應之設計風載重分佈等高線圖 84 圖(5-33) 以圓柱四連接桿件為反應之設計風載重分佈3-D圖 85 圖(5-34) 以圓柱四連接桿件為反應之設計風載重分佈等高線圖 85 圖(5-35) 以圓柱五連接桿件為反應之設計風載重分佈3-D圖 86 圖(5-36) 以圓柱五連接桿件為反應之設計風載重分佈等高線圖 86 圖(5-37) 以圓柱六連接桿件為反應之設計風載重分佈3-D圖 87 圖(5-38) 以圓柱六連接桿件為反應之設計風載重分佈等高線圖 87 圖(5-39) 以圓柱七連接桿件為反應之設計風載重分佈3-D圖 88 圖(5-40) 以圓柱七連接桿件為反應之設計風載重分佈等高線圖 88 圖(5-41) 以連接七圓柱桿件為反應之最大值分佈3-D圖 89 圖(5-42) 以連接七圓柱桿件為反應之最大值分佈等高線圖 89 圖(5-43) 444組設計風載重平均值分佈3-D圖 90 圖(5-44) 444組設計風載重平均值分佈等高線圖 90 圖(5-45) 444組設計風載重極大值分佈3-D圖 91 圖(5-46) 444組設計風載重極大值分佈等高線圖 91 圖(5-47) 陣風反應因子法分佈3-D圖 92 圖(5-48) 陣風反應因子法分佈等高線圖 92 圖(5-49) 單點極值設計風載重分佈3-D圖 93 圖(5-50) 單點極值設計風載重分佈等高線圖 93 圖(5-51) 設計風載重分佈比較2-D圖 94[[note]]學號: 692310476, 學年度: 9