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系統識別號 U0002-0108201610583200
中文論文名稱 半圓頂型屋蓋結構物表面擾動風壓交相關頻譜之分析與擬合
英文論文名稱 Approximation of Cross Spectra of Fluctuating Pressures on Dome-like Structure’s Surface
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 104
學期 2
出版年 105
研究生中文姓名 林香伶
研究生英文姓名 Hsiang-Ling Lin
學號 603380022
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2016-07-05
論文頁數 142頁
口試委員 指導教授-羅元隆
委員-鄭啟明
委員-陳若華
中文關鍵字 半圓頂型屋蓋  擾動風壓  雷諾數  紊流強度  屋蓋曲率 
英文關鍵字 Domed Roofs  Wind Pressure Fluctuations  Reynolds Number  Turbulence Intensity  Roof Curvature 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 當休閒娛樂活動與大量儲存空間的需求與日俱增,使得大跨度結構也越來越多,大跨度結構的特性為跨度大且材質較輕,故此類結構物受風力作用的敏感程度亦無可避免地增加。風力作用對於大跨度結構物所造成的反應成為設計大跨度結構物最重要的一環。大跨度結構的相關研究在以往已有若干學者針對表面風壓特性進行探討,但大部分均為定性探討;此外,大跨度結構表面風壓分布深受雷諾數、紊流強度以及其屋蓋曲度影響,因此進行風洞實驗時,均需將這些因素考慮進去。本研究以Lo and Kanda [1]的實驗資料中不同曲率的半圓頂型結構物作為研究對象。經由風洞實驗,以過往曾被提出的眾多經驗公式與本研究新提出的擬合公式,針對屋蓋子午線上,兩鄰近擾動風壓之Root-coherence與Phase function進行交頻譜分析與擬合,探討半圓頂型屋蓋結構表面擾動風壓交相關頻譜之結果與趨勢變化,根據不同曲率與風壓孔間距提出對擬合公式係數影響的迴歸公式,並與實驗比較其差異性,作為日後風力載重計算與數值模擬之依據。
由擬合結果得知,不同屋蓋曲率的交頻譜變化趨勢相同,因此可以使用 f/D=0.5的交相關頻譜擬合結果取代 f/D=0.2~0.4的擬合結果。以Root-coherence與Phase function擬合公式係數進行迴歸後再進行Co-coherence擬合,可以發現對於f/D=0.5的擬合結果最好,隨著f/D愈小擬合結果的誤差愈大。
英文摘要 When the demands for leisure activities and a large number of storage spaces are increasing, there are more and more large-span structures being constructed. The unique features of large-span structures are their large span roofs and lighter materials, which make them sensitive to wind loads. Therefore wind effect on large-span roofs have become the most important issue in the whole design procedure. Related researches about large-span structures in the past have been explored by a number of scholars. Reynolds number, turbulence intensity and roof curvature dominate the estimation of the wind loads. However, most conclusions were given in qualitative discussion.
This present study adopts several different curvatures for hemispherical dome structures in Lo and Kanda’s experiments. By comparing proposed empirical formulas and the one proposed in the present study, cross spectrum of any two neighboring fluctuating pressures along the roof meridian have been well approximated. From fitting results, cross spectra with different roof’s curvature have similar trends. Therefore the case of rise/span ratio (f / D) equals 0.5 can be used instead of other three (f / D = 0.2, 0.3, 0.4) in conveneince. By separately regressing the fitted coefficients of root-coherence and phase functions, the cross spectra can be approximated well in a quantitative way.
論文目次 目錄
圖目錄 V
表目錄 VII
第一章 緒論 1
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 2
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 紊流對半圓頂型結構之影響 6
2.5 擾動風速與擾動風壓之交頻譜擬合公式 7
第三章 理論背景 9
3.1 大氣邊界層特性 9
3.1.1 平均風速剖面 9
3.1.2 紊流強度 10
3.1.3 紊流長度尺度 11
3.1.4 擾動風速頻譜 12
3.1.5 擾動風速交頻譜 13
3.2 風與結構體之相互關係 13
3.2.1 氣動力現象 13
3.2.2 雷諾數 14
3.3 風壓交頻譜經驗公式 15
第四章 實驗設置與數據處理分析 17
4.1 實驗設置 17
4.1.1 風洞 17
4.1.2 風壓模型 18
4.1.3 量測儀器 19
4.1.4 大氣邊界層流場模擬 22
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 23
4.2.3 數據處理分析 26
第五章 實驗結果與討論 27
5.1  交相關擬合公式之提出 27
5.1.1 文獻公式與本文公式之比較 27
5.2 交頻譜擬合結果 29
5.2.1 不同 f/D 與 h/D=0.0之擬合結果 29
5.2.2 不同h/D之擬合結果 33
5.2.3 各公式誤差之比較 34
5.2.4 MAC 45
5.2.5 Root-coherence 擬合公式係數之迴歸 46
5.2.6 Phase function 擬合公式係數之迴歸 49
5.3 Co-coherence迴歸結果與誤差計算 51
5.3.1 Co-coherence迴歸結果 51
5.3.2 誤差計算 62
第六章 結論與建議 67
6.1 結論 67
6.2 建議 68
參 考 文 獻 69
附錄A 71
附錄B 107

圖目錄
圖3-1 紊流長度尺度參數C、m和高度z0關係圖 12
圖3-2 氣流於不同雷諾數的分離現象 15
圖4-1 日本東京大學風洞實驗室 17
圖4-2 屋頂模型與圓柱面模型 18
圖4-3 模型幾何符號定義 18
圖4-4 IFA-300智慧型風速儀、探針及校正儀 19
圖4-5 壓力量測系統 20
圖4-6 壓力訊號處理系統(RADBASE3200) 21
圖4-7 64頻道壓力感應器模組 21
圖4-8 日本東京大學風洞實驗室擾流板與粗糙元素擺設示意圖 22
圖4-9 地況IV、風速5.9m⁄s與11.1m⁄s的平均風速剖面及紊流強度 22
圖4-10 風壓管之管線修正使用之頻率域轉換函數(Amplitude ratio) 25
圖4-11 風壓管之管線修正使用之頻率域轉換函數(Phase difference) 25
圖5-1 f/D=0.5 與 h/D=0.0 模型分區示意圖 29
圖5-2 Ch.1與Ch.2 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 30
圖5-3 Ch.2 與Ch.3 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 30
圖5-4 Ch.7 與Ch.8 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 31
圖5-5 Ch.8 與Ch.9 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 31
圖5-6 Ch.13 與Ch.14 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 31
圖5-7 Ch.14與Ch.15 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 32
圖5-8 Ch.23 與Ch.24 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 32
圖5-9 Ch.24 與Ch.25 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 32
圖5-10 Ch.27 與Ch.28 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 33
圖5-11 Ch.28與Ch.29 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 33
圖5-12 f/D=0.5與h/D=0.0~0.5間隔一之擬合係數C1與C2 47
圖5-13 f/D=0.5與h/D=0.0~0.5間隔二之擬合係數C1與C2 47
圖5-14 f/D=0.5與h/D=0.0~0.5間隔三之擬合係數C1與C2 48
圖5-15 f/D=0.5與h/D=0.0~0.5間隔一與間隔二之擬合係數C3 50
圖5-17 f/D=0.5與h/D=0.0~0.5間隔三之擬合係數C3 50
圖5-18 Ch.1與Ch.2 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 52
圖5-19 Ch.2與Ch.3 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 52
圖5-20 Ch.7與Ch.8 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 52
圖5-21 Ch.8與Ch.9 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 53
圖5-22 Ch.13與Ch.14 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 53
圖5-23 Ch.14與Ch.15 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 53
圖5-24 Ch.23與Ch.24 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 54
圖5-25 Ch.24與Ch.25 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 54
圖5-26 Ch.27與Ch.28 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 54
圖5-27 Ch.28與Ch.29 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 55
圖5-28 Ch.1與Ch.2 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 55
圖5-29 Ch.2與Ch.3 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 55
圖5-30 Ch.7與Ch.8 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 56
圖5-31 Ch.8與Ch.9 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 56
圖5-32 Ch.13與Ch.14 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 56
圖5-33 Ch.14與Ch.15 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 57
圖5-34 Ch.23與Ch.24 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 57
圖5-35 Ch.24與Ch.25 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 57
圖5-36 Ch.27與Ch.28 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 58
圖5-37 Ch.28與Ch.29 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 58
圖5-38 Ch.1與Ch.2、Ch.1與Ch.3及Ch.1與Ch.4的Co-coherence 59
圖5-39 Ch.2與Ch.3、Ch.2與Ch.4及Ch.2與Ch.5的Co-coherence 59
圖5-40 Ch.7與Ch.8、Ch.7與Ch.9及Ch.7與Ch.10的Co-coherence 59
圖5-41 Ch.8與Ch.9、Ch.8與Ch.10及Ch.8與Ch.11的Co-coherence 60
圖5-42 Ch.13與Ch.14、Ch.13與Ch.15及Ch.13與Ch.16的Co-coherence 60
圖5-43 Ch.14與Ch.15、Ch.14與Ch.16及Ch.14與Ch.17的Co-coherence 60
圖5-44 Ch.23與Ch.24、Ch.23與Ch.25及Ch.23與Ch.26的Co-coherence 61
圖5-45 Ch.24與Ch.25、Ch.24與Ch.26及Ch.24與Ch.27的Co-coherence 61
圖5-46 Ch.27與Ch.28、Ch.26與Ch.28及Ch.25與Ch.28的Co-coherence 61
圖5-47 Ch.28與Ch.29、Ch.27與Ch.29及Ch.26與Ch.29的Co-coherence 62

表目錄
表3-1 不同地況之指數律參數 10
表3-2 不同地況之地表粗糙長度尺度 [28] 10
表3-3 地表粗糙長度尺度對應之β(Davenport [20]) 11
表4-1 模型幾何尺寸 19
表4-2 Lo and Kanda [1]風洞實驗所假設的各項相似比例尺 23
表5-1 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 圖例 29
表5-2 f/D=0.2與h/D=0.0的擬合誤差(單位:%) 34
表5-3 f/D=0.3與h/D=0.0的擬合誤差(單位:%) 37
表5-4 f/D=0.4與h/D=0.0的擬合誤差(單位:%) 40
表5-5 f/D=0.5與h/D=0.0的擬合誤差(單位:%) 43
表5-6 各擬合公式之平均誤差 (單位:%) 45
表5-7 f/D=0.2與f/D=0.5之MAC 46
表5-8 f/D=0.3與f/D=0.5之MAC 46
表5-9 f/D=0.4與f/D=0.5之MAC 46
表5-10 Co-coherence、Phase function、Root-coherence 圖例 51
表5-11 f/D=0.2 與 h/D=0.0的誤差結果 (單位:%) 63
表5-12 f/D=0.3與h/D=0.0的誤差結果 (單位:%) 64
表5-13 f/D=0.4與h/D=0.0的誤差結果 (單位:%) 65
表5-14 f/D=0.5與h/D=0.0的誤差結果 (單位:%) 66
參考文獻 參 考 文 獻
[1]Lo,Yuan-Lung and Jun Kanda, CHARACTERISITICS OF WIND PERSSURE FLUCTUATIONS ON DOME-LIKE STRUCTURES
[2]Armitt, J. & Counihan, J. (1968) “The Simulation of the Atmospheric Environment ”, vol.2., pp.49-71.
[3]Counihan, J. (1970) “An Improved Method of Simulation Atmospheric Boundary Layer”, Atmospheric Environment, Vol.4., pp.159-275.
[4]Counihan, J. (1970) “Further Measurements in a Simulated Atmospheric Boundary Layer”, Atmospheric Environment. Vol.4., pp.159-275.
[5]Counihan, J. (1973) “Simulation of an Adiabatic Urban Boundary Layer in a Wind Tunnel”, Atmospheric Environment, Vol.7., pp.673-689.
[6]Standen, N. M. (1972) “A Spire Array for Generating Thick Turbulent Shear Layers for Natural Wind Simulation in Wind Tunnels”, Rep. LTR-LA-94, National Aeronautical Establishment, Ottawa, Canada.
[7]Barret, R. V. (1972) “A Versatile Compact Wind Tunnel for Industrial Aerodynamics”, Technical note, Atmospheric Environment, Vol.6., pp.491-495.
[8]Cook, N. J. (1973). “On Simulating the lower Third of the Urban Adiabatic Boundary Layer in a Wind Tunnel”, Atmospheric Environment, Vol.7., pp.691-705.
[9]Cermak, J. E., Peterka, J.A. (1974) “Simulation of Atmospheric Flows in Short Wind Tunnel Test Sections”, Center for Building Technology, IAT, National Bureau of Standards Washington, D.C., June.
[10]Jesen, M. (1958) “The Model Law for Phenomena in Natural Wind”, Ingeioen International Edition, vol.2., No.4, pp.121-123.
[11]Whitbread, R. E. (1963) “Model Simulation of Wind Effects on Structures”, Proceeding of the Conference on Wind Effects on Buildings and Structures, pp.284-306.
[12]J. M. Biggs, (1954) “Wind Load on Truss Bridges”, ASCE, pp.879.
[13]Hunt, A. (1982) “Wind Tunnel Measurement of Surface Pressure on Cubic Building Models at Several Scales”, J. Wind Eng. Ind. Aero., Vol. 10., pp.137-163.
[14]F. J. Masher, (1965) “Wind loads on basic dome shapes”, J. Struct. Div. ASCE ST3, pp.219-228.
[15]N. Toy W.D. Moss, E. Savory, (1983) “Wind tunnel studies on a dome turbulent boundary layers”, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 1, pp.202-212
[16]T. J. Taylor, (1991) “Wind pressures on a hemispherical dome”, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., vol.40, pp.199-213
[17]T. Ogawa, M. Nakayama, S. Murayama, Y. Sasaki, (1991) “Characteristics of wind pressures on basic structures with curved surfaces and their response in turbulent flows”, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. vol.38, pp.427-438.
[18]C. W. Letchford, P. P. Sarkar, (2000) “Mean and fluctuating wind loads on rough and smooth parabolic domes”, J. Wind Eng. Aerodyn., vol.88., pp.101-117.
[19]C. M. Cheng, and C. L. Fu, () “Characteristics of Wind Loads on a Hemispherical Dome in Smooth Flow and Turbulent Boundary Layer Flow”.
[20]A. G. Davenport, (1961) “Spectrum of Horizontal Gustiness near the Ground in High Winds”, Journal of Royal Meteorological Society vol.88., pp.194-211.
[21]J. Kanda, (1981) “Height dependence of the longitudinal turbulence characteristics in strong winds”, Transaction of AIJ, no.299., pp.21-31.
[22]T. Ogawa, M. Nakayama, S. Murayama, Y. Sasaki, (1991) “Characteristics of wind pressures on basic structures with curved surfaces and their response in turbulent flow”, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., vol.38., pp.427-438.
[23]Y. Uematsu, R. Tsuruishi, (2008) “Wind Load Evaluation System for the Design of Roof Cladding of Spherical Domes”, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., vol.96., pp.2054-2066.
[24]M. C. H. Hui, A. Larsen, and H. F. Xiang, (2009) “Wind turbulence characteristics study at the Stonecutters Bridge site : Part II : Wind power Spectra, integral length scales and coherences”, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., vol.97(1)., pp.48-59.
[25]J. Sakamoto, (1993) “Investigation on coherences of fluctuating wind forces”, Research report of AIJ Touhai Branch, pp.153-160.
[26]A. G. Davenport, (1961) “The Relationship of Wind Structure to Wind Loading”, Proc. Symp. On Wind Effects on Buildings and Structures, vol.1., National Physical Laboratory, Teddington, U.K. Her Majesty’s Stationary Office, London, pp.53-102.
[27]American National Standard A58.1-1982 Minimum American National Standard Institute, Inc., New York.
[28]Counihan, J., “Adiabatic Atmospheric Boundary Layers: A Review and Analysis of Data from the Period 1880-1972”, Atmospheric Environment, vol.9., 1975, pp.871-905.
[29]Emil Simiu, Rebort H. Scanlan, (1986), “Wind Effects on Structures” 2nd edit.﹐John Wiley & Sons.
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