不同矩柱表面之極值風壓分佈及局部風載重設計

• Main Author: 詹政翰;Jhan, Jheng-Han
• Other Authors: 淡江大學土木工程學系碩士班, 羅元隆; Lo, Yuan-Lung
• Language: Chinese
• Published: 2017
• Subjects: 極值風壓;非超越機率分布;Reverse-Weibull函數;形狀參數;設計風載重理論;Extreme wind pressure;Non-exceedance probability distribution;Reverse-Weibull distribution;Shape parameter;Local design wind loads; Arctic
• Online Access: http://tkuir.lib.tku.edu.tw:8080/dspace/handle/987654321/114616; http://tkuir.lib.tku.edu.tw:8080/dspace/bitstream/987654321/114616/1/index.html

碩士 本研究為了探討不同矩柱表面之極值風壓分佈與風載重設計的問題，分別以高寬比(H⁄√BD)3、6搭配7種不同深寬比(D/B)矩形斷面模型當作研究對象，將14種矩形斷面模型各自放入風洞中進行表面風壓量測，採樣足夠的實驗筆數後將所得到之數據繪製成極值風壓係數的非超越機率分布(累積機率密度分布)。接著以Reverse-Weibull函數公式作為擬合非超越機率分布曲線，找出各模型上風壓孔以Reverse-Weibull函數所擬合出曲線之形狀參數與計算曲線之變異係數(擾動程度)，再將擬合之結果繪成等高線圖可發現形狀參數之分布差異與風壓孔的位置及矩形斷面尺寸相關。另外，根據局部設計風載重理論得知，極值設計風速以及極值風壓係數的乘冪關係式所涉及的非超越機率分布曲線對局部設計風載重的影響進行探討，且與國外規範中常見以Cook-Mayne值進行比較，找出在不同非超越機率分布曲線下所算出的載重設計值。經過數據分析得知，形狀參數會受到風壓孔位置不同而有所差別，值的範圍約在0 ~ 0.5之間，形狀參數皆為正值代極值風壓係數有其上限值，且大部分模型在迎風面與背風面形狀參數值會較高，接著從研究結果來看我們只能得知形狀參數值的範圍，其分布趨勢則無一定規則。此外，非超越機率分布曲線呈現非高斯的特性與我國規範假設不同。一般來說，Cook and Mayne (1985)所建議的78%非超越機率設計百分比是以Gumbel分布曲線來假設，本研究也有以一個模型比較Reverse-Weibull函數與Gumbel函數所擬合出的非超越機率設計百分比，結果為Gumbel函數算出之非超越機率設計百分比會較保守。 最後若依照本研究結果並進行建議，可提出局部風載重的設計值應隨著不同極值分布曲線來調整，才能得到較合理之設計值。 This research intends to investigate the design wind loads of various rectangular cross-sectional high-rise buildings in terms of extreme pressure coefficients. By6 conducting wind pressure measurement tests in a well simulated turbulent boundary layer flow, 14 high-rise building models were individually processed a huge amount of records to formulate each extreme value distribution for each pressure tap over the surface. A Reverse-Weibull function was adopted to fit the shape parameter of each distribution and the coefficient of variation was calculated to indicate the fluctuation level of extreme values. From the contours of both parameters of 14 building models, it was concluded that the range of fitted shape parameters is from 0.0 to 0.5 and the coefficient of variation followed the tendency of turbulence intensity. Moreover, the optimal design pressure coefficients were found based on iterative calculation of target non-exceedance probability of 0.001 for structural classification III and then compared with the Cook and Mayne coefficients. It was generally found in these 14 building models, the suggested 78% by the Cook and Mayne coefficient is more conservative than the optimal coefficients and a reasonable re-distributed design fractile map for design is strongly recommend. 目錄 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 研究方法 1 1.3 研究內容 2 1.4 論文架構 2 第二章 文獻回顧 4 2.1 有關不同幾何斷面矩柱結構之氣動力特性研究 4 2.2 極值分析理論於風工程研究之應用 4 2.2.1 設計風速方面 4 2.2.2 設計氣動力參數方面 5 2.3 相關極值之氣動力案例研究 6 第三章 理論背景 7 3.1 大氣邊界層特性 7 3.1.1 平均風速剖面 7 3.1.2 紊流強度 8 3.1.3 紊流長度尺度 8 3.2 風與結構體之相互關係 9 3.2.1 氣動力現象 9 3.2.2 相似性原則 10 3.3 隨機數據理論 12 3.4 設計風載重理論 14 3.4.1 極值分布 14 3.4.2 基本理論 15 3.4.3 範例說明 16 3.4.4 極值分布形狀參數對設計百分比之影響 19 第四章 實驗設置與數據處理分析 21 4.1 實驗設置 21 4.1.1 風洞 21 4.1.2 風壓模型 21 4.1.3 量測儀器 21 4.1.4 大氣邊界層流場模擬與阻塞比 23 4.2 訊號處理與數據處理 23 4.2.1 數據採樣 23 4.2.2 風壓訊號之管線修正 24 4.2.3 數據處理分析 25 第五章 實驗結果與討論 27 5.1 模型孔位控制 27 5.1.1 平均風壓係數 28 5.1.2 各模型孔位控制與特性 29 5.2 等高線圖分布 30 5.2.1 形狀參數 30 5.2.2 變異係數 31 5.2.3 最佳設計百分比 32 5.3 不同矩柱斷面實驗極值特性與其它比較 34 5.3.1 實驗極值分布特性 34 5.3.2 不同矩柱整體比較 34 5.3.3 實驗資料有無平滑化定量比較 35 5.3.4 不同擬合公式比較 35 第六章 結論與建議 36 6.1 結論 36 6.2 建議 37 參考文獻 38 附表 41 附圖 43 表目錄 表3-1 不同地況之指數律參數 41 表3-2 不同地況之地表粗糙長度尺度 [31] 41 表3-3 地表粗糙長度尺度對應之β(Davenport [30]) 41 表3-4 不同參數變化之影響 41 表4-1 模型幾何尺寸及孔位 42 表4-2 本研究風洞實驗所假設的各項相似性比例縮尺 42 圖目錄 圖3-1 紊流長度尺度參數C、m與高度Z0關係圖 43 圖3-2 鈍體分離流及渦漩示意圖 43 圖3-3 Reverse-Weibull在不同τ值下的尾端性狀變化 44 圖3-4 各種不同τc(-0.2 ~ 0.3)於τv=0時之最佳非超越機率百分比分布圖 45 圖4-1 淡江大學風工程研究中心第一號大氣邊界層風洞實驗室 45 圖4-2 本研究方柱模型示意圖及照片 45 圖4-3 IFA-300智慧型風速儀、探針及校正儀 46 圖4-4 壓力量測系統 46 圖4-5 壓力訊號處理系統(RADBASE3200) 46 圖4-6 64頻道壓力感應器模組 47 圖4-7 淡江大學第一號大氣邊界層風洞實驗室擾流板與粗糙元素擺設示意圖 47 圖4-8 地況B、風速10.3m⁄s的平均風速剖面及紊流強度 47 圖4-9 風壓管之管線修正使用之頻率域轉換函數(Amplitude ratio) 48 圖4-10 風壓管之管線修正使用之頻率域轉換函數(Phase difference) 48 圖5-1 矩形建築物受風面示意圖 48 圖5-2 方柱模型側風面孔號36(左圖為取最小、右圖為取最大風壓係數) 49 圖5-3 方柱體平均風壓係數等高線分布圖(由左至右為d→a→b→c面) 49 圖5-4 D1B1H6平均風壓係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 50 圖5-5 D1B2H6平均風壓係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 50 圖5-6 D1B3H6平均風壓係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 51 圖5-7 D2B1H6平均風壓係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 51 圖5-8 D2B3H6平均風壓係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 52 圖5-9 D3B1H6平均風壓係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 52 圖5-10 D3B2H6平均風壓係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 53 圖5-11 D1B1H3平均風壓係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 53 圖5-12 D1B2H3平均風壓係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 54 圖5-13 D1B3H3平均風壓係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 54 圖5-14 D2B1H3平均風壓係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 55 圖5-15 D2B3H3平均風壓係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 55 圖5-16 D3B1H3平均風壓係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 56 圖5-17 D3B2H3平均風壓係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 56 圖5-18高寬比6各模型迎風面(a面)方塊圖 57 圖5-19高寬比3各模型迎風面(a面)方塊圖 57 圖5-20 D1B1H6形狀參數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 58 圖5-21 D1B2H6形狀參數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 58 圖5-22 D1B3H6形狀參數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 59 圖5-23 D2B1H6形狀參數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 59 圖5-24 D2B3H6形狀參數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 60 圖5-25 D3B1H6形狀參數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 60 圖5-26 D3B2H6形狀參數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 61 圖5-27 D1B1H3形狀參數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 61 圖5-28 D1B2H3形狀參數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 62 圖5-29 D1B3H3形狀參數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 62 圖5-30 D2B1H3形狀參數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 63 圖5-31 D2B3H3形狀參數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 63 圖5-32 D3B1H3形狀參數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 64 圖5-33 D3B2H3形狀參數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 64 圖5-34 D1B1H6曲線變異係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 65 圖5-35 D1B2H6曲線變異係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 65 圖5-36 D1B3H6曲線變異係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 66 圖5-37 D2B1H6曲線變異係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 66 圖5-38 D2B3H6曲線變異係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 67 圖5-39 D3B1H6曲線變異係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 67 圖5-40 D3B2H6曲線變異係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 68 圖5-41 D1B1H3曲線變異係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 68 圖5-42 D1B2H3曲線變異係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 69 圖5-43 D1B3H3曲線變異係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 69 圖5-44 D2B1H3曲線變異係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 70 圖5-45 D2B3H3曲線變異係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 70 圖5-46 D3B1H3曲線變異係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 71 圖5-47 D3B2H3曲線變異係數等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 71 圖5-48 D1B1H6最佳設計百分比等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 72 圖5-49 D1B2H6最佳設計百分比等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 72 圖5-50 D1B3H6最佳設計百分比等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 73 圖5-51 D2B1H6最佳設計百分比等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 73 圖5-52 D2B3H6最佳設計百分比等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 74 圖5-53 D3B1H6最佳設計百分比等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 74 圖5-54 D3B2H6最佳設計百分比等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 75 圖5-55 D1B1H3最佳設計百分比等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 75 圖5-56 D1B2H3最佳設計百分比等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 76 圖5-57 D1B3H3最佳設計百分比等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 76 圖5-58 D2B1H3最佳設計百分比等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 77 圖5-59 D2B3H3最佳設計百分比等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 77 圖5-60 D3B1H3最佳設計百分比等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 78 圖5-61 D3B2H3最佳設計百分比等高線分布圖 (由左至右為d→a→b→c面) 78 圖5-62 Tau-Cov關係圖(高寬比為3(左圖)、6(右圖)，深寬比皆為1) 79 圖5-63 Tau-Cov關係圖(高寬比為3(左圖)、6(右圖)，深寬比皆為0.5) 79 圖5-64 Tau-Cov關係圖(高寬比為3(左圖)、6(右圖)，深寬比約為0.3) 79 圖5-65 Tau-Cov關係圖(高寬比為3(左圖)、6(右圖)，深寬比皆為2) 80 圖5-66 Tau-Cov關係圖(高寬比為3(左圖)、6(右圖)，深寬比約為0.6) 80 圖5-67 Tau-Cov關係圖(高寬比為3(左圖)、6(右圖)，深寬比皆為3) 80 圖5-68 Tau-Cov關係圖(高寬比為3(左圖)、6(右圖)，深寬比皆為1.5) 81 圖5-69 模型各面形狀參數之平均值 81 圖5-70 模型各面變異係數之平均值 82 圖5-71 模型各面最佳設計百分比之平均值 82 圖5-72 方柱形狀參數各面定量比較圖(左圖未平滑化、右圖平滑化) 83 圖5-73 方柱變異係數各面定量比較圖(左圖未平滑化、右圖平滑化) 83 圖5-74 方柱最佳設計百分比各面定量比較圖(左圖未平滑化、右圖平滑化) 83 圖5-75 方柱模型0.8H正中央風壓孔(左圖未平滑化、右圖為平滑化) 84 圖5-76 最佳設計百分比各面定量比較圖(左圖甘保、右圖Reverse-Weibull) 84 學號: 603380287, 學年度: 105