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系統識別號 U0002-0202201522255400
中文論文名稱 以氣動力資料庫建立建築物之風力係數與風力頻譜之擬合公式
英文論文名稱 The Establishment of Aero-Data Based Fitting Formulas for Building Wind Coefficients and Spectra
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 103
學期 1
出版年 104
研究生中文姓名 許昱斌
研究生英文姓名 Yu-Pin Hsu
學號 601380370
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2015-01-16
論文頁數 89頁
口試委員 指導教授-王人牧
委員-鄭啟明
委員-陳若華
中文關鍵字 氣動力資料庫  非線性迴歸  橫風向  扭轉向  風力係數  風力頻譜 
英文關鍵字 Aerodynamic Database  Nonlinear Regression  Across-wind  Torsion-wind  Wind Coefficient  Wind Spectrum 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 現今國內風力規範「建築物耐風設計規範及解說」參照美國ASCE 7-02(2002)與日本AIJ(1996)修訂而成,在使用上有時過於保守,有時又有低估的情形;專家系統採用類神經網路模式,但過程並不透明化且缺乏紙本公式作為依據。
本研究利用氣動力資料庫對於橫風向與扭轉向風力設計所需的風力係數及風力頻譜進行擬合,將擬合結果與現行規範以及氣動力資料庫模式進行比較,主要目的為工程上使用時可有較明確之紙本公式做為參考依據。
以氣動力資料庫之內容擬合風力係數之擬合公式;考量工程上之使用,轉換無因次化方式,以規範公式內容做為參考擬合規範建議修正式。橫風向風力頻譜參考Clark &Vickery (1972)對於圓形斷面煙囪的橫風向風力頻譜公式進行修改;扭轉向風力頻譜則以順風向風力頻譜與橫風向風力頻譜組合擬合其公式。擬合結果整體尚且優於現行規範
本研究以內政部建築研究所於102年度委託研究報告「設計風載重資料庫之應用研究(二)」中所使用之風載重計算模式為本研究之風力計算模式,比較規範與風力係數以規範建議修正式之計算結果以及氣動力資料庫之計算;橫風向設計風載重與扭轉向設計風載重以全部深寬比,高寬比2、3及6之模型計算比較。
橫風向設計風載重在180m深矩柱之部分效果不佳,其他案例分析之整體表現皆接近氣動力資料庫之計算模式,扭轉向部分計算較為保守,整體案例分析之結果修正規範不保守之現象。
英文摘要 Taiwan wind code is modified from ASCE 7-02 (2002) and AIJ (1996). In practical use, it sometimes is too conservative and it is not conservative enough for certain cases. Expert system uses artificial neural networks to predict wind coefficients and wind force spectra, but the process is not transparent and lacks formulas.
This thesis use the aerodynamic database of Wind Engineering Research Center of Tamkang University to fit formulas for wind coefficients and wind spectra that are required for acrosswind and torsional wind load calculations. The results of wind code and aero-data based calculations are compared with the results of fitting formulas. The objective is to have accurate and explicit formulas for engineering design practices.
Regressional analysis was used to find the “fitting formula” of the acrosswind and totional wind coefficients based on the contents of the aerodynamic database.Taking the nondimensionalizing method of engineering practice and form of the original wind code formulas into concideration, “wind code modification formulas” were found later. The pattern used to fit acrosswind spectra was similar to the formula used by Clark & Vickery (1972) for the acrosswind spectra of circular cross-section chimneys. On the other hand, the formula form used for torsional wind spectra was composed using the formula of alongwind and acrosswind spectra.The results are superior to the Taiwan wind code in general.
Based on the wind load calculation method in the 2013 ABRI project, Applications of Aerodynamic Database on Building Design Wind Loads (II), the acrosswind and torsional wind loads calculated using the wind code modification formulas are compared with both the aero-data based and wind code calculations. The analized cases cover all the side ratios and aspect ratio 2, 3 and 6.
Results of acrosswind wind loads are poor for deep rectangle buildings at 180m. Other cases are close to the aero-data based calculations. As for the torsional wind loads, the calculation results are more conservative. The not conservative problem of the current wind code has been improved in general.
論文目次 目錄
圖目錄 III
表目錄 VI
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 研究範圍 3
1.3 研究方法 4
1.3.1 資料取得與分析 5
1.3.2 風力係數與風力頻譜之架構探討 5
1.3.3 結果歸納 5
1.4 論文組織簡述 6
第二章 文獻回顧 7
2.1 建築物耐風設計規範及解說 7
2.1.1 結構物風荷載計算模式 7
2.1.2 風力係數之比較 10
2.1.3 風力頻譜之比較 13
2.2 氣動力資料庫設計風載重計算模式 23
2.2.1 橫風向設計風載重計算模式 23
2.2.2 扭轉向設計風載重計算模式 24
2.3 非線性迴歸擬合分析方法 25
2.4 相關研究 26
第三章 風力係數之擬合 29
3.1 風力係數介紹 29
3.1.1 風力係數定義 29
3.1.2 擬合資料範圍 30
3.2 風力係數擬合經驗 31
3.3 橫風向係數之擬合 32
3.3.1 氣動力資料庫分析 32
3.3.2 擬合公式之結果 34
3.4 扭轉向係數之擬合 38
3.4.1 氣動力資料庫分析 38
3.4.2 擬合公式之結果 40
3.5 與 規範建議修正式 44
3.5.1 規範建議修正式結果 44
3.5.2 規範建議修正式結果 47
3.6 擬合公式與規範建議修正式比較 50
第四章 風力頻譜之擬合 51
4.1 風力頻譜介紹 51
4.1.1 橫風向風力頻譜定義 51
4.1.2 扭轉向風力頻譜定義 55
4.1.3 資料範圍 59
4.2 橫風向頻譜分析 60
4.3 橫風向風力頻譜擬合 61
4.4.1 擬合公式分析 61
4.4.2 擬合公式結果 62
4.4 扭轉向風力頻譜擬合 73
4.4.1 擬合公式分析 73
4.4.2 擬合公式結果 74
第五章 設計風載重案例分析 77
5.1 結構物幾何尺寸與動力特性及風場條件 77
5.2 計算風載重結果 80
5.2.1 橫風向係數規範建議修正式之設計風載重結果 80
5.2.2 扭轉向規範建議修正式之設計風載重結果 82
5.2.3 案例分析比較 84
第六章 結論與建議 85
6.1 結論 85
6.1.1 風力係數 85
6.1.2 風力頻譜 85
6.1.3 案例分析 86
6.2 建議 88
參考文獻 89


圖目錄
圖1- 1研究方法流程圖 4
圖2- 1 橫風向係數之氣動力資料庫與規範比較 11
圖2- 2 扭轉向係數之氣動力資料庫與規範比較 12
圖2- 3 A地況深寬比1於高寬比變化下氣動力資料庫與國內規範橫之風向風力頻譜比較 14
圖2- 4 B地況深寬比1於高寬比變化下氣動力資料庫與國內規範之橫風向風力頻譜比較 15
圖2- 5 C地況深寬比1於高寬比變化下氣動力資料庫與國內規範之橫風向風力頻譜比較 16
圖2- 6 A地況高寬比6於深寬比變化下氣動力資料庫與國內規範之橫風向風力頻譜比較 17
圖2- 7 B地況高寬比6於深寬比變化下氣動力資料庫與國內規範之橫風向風力頻譜比較 18
圖2- 8 C地況高寬比6於深寬比變化下氣動力資料庫與國內規範之橫風向風力頻譜比較 19
圖2- 9 A地況深寬比1於高寬比變化下氣動力資料庫與國內規範之扭轉向風力頻譜比較 20
圖2- 10 B地況深寬比1於高寬比變化下氣動力資料庫與國內規範之扭轉向風力頻譜比較 21
圖2- 11 C地況深寬比1於高寬比變化下氣動力資料庫與國內規範之扭轉向風力頻譜比較 22
圖3- 1 深寬比對橫風向係數( )之影響 33
圖3- 3 公式擬合最大正負誤差情況 36
圖3- 4 擬合公式與規範值對照實驗值 37
圖3- 5 深寬比對橫風向係數( )之影響 39
圖3- 7 公式擬合最大正負誤差情況 42
圖3- 8 擬合公式與規範值對照實驗值 43
圖3- 9 建議式與規範值對照實驗值 46
圖3- 10 建議式與規範值對照實驗值 49
圖4- 1 A地況不同高寬比之橫風向風力頻譜 52
圖4- 2 B地況不同高寬比之橫風向風力頻譜 53
圖4- 3 C地況不同高寬比之橫風向風力頻譜 54
圖4- 4 A地況不同高寬比之扭轉向風力頻譜 56
圖4- 5 B地況不同高寬比之扭轉向風力頻譜 57
圖4- 6 C地況不同高寬比之扭轉向風力頻譜 58
圖4- 7 橫風向風力頻譜分析 60
圖4- 8 A地況擬合、實驗與規範橫風向風力頻譜比較 66
圖4- 9 B地況擬合、實驗與規範橫風向風力頻譜比較 68
圖4- 10 C地況擬合、實驗與規範橫風向風力頻譜比較 71
圖4- 11 扭轉向風力頻譜擬合、實驗與規範比較 75
圖5- 1 180m規範建議修正式之橫風向設計風載重比較 81
圖5- 2 90m規範建議修正式之橫風向設計風載重比較 81
圖5- 3 60m規範建議修正式之橫風向設計風載重比較 82
圖5- 4 180m規範建議修正式之扭轉向設計風載重比較 83
圖5- 5 90m規範建議修正式之扭轉向設計風載重比較 83
圖5- 6 60m規範建議修正式之扭轉向設計風載重比較 84


表目錄
表1- 1研究範圍 3
表2- 1規範與氣動力資料庫之無因次化 10
表3- 1 擬合資料範圍 30
表3- 2 擬合公式之係數 34
表3- 3 擬合公式之誤差結果 35
表3- 4 公式擬合之係數 40
表3- 5 擬合公式之誤差結果 41
表3- 6 規範修正建議公式之係數 45
表3- 7 規範修正建議公式之誤差結果 45
表3- 8 規範修正建議公式之係數 48
表3- 9 規範修正建議公式之誤差結果 48
表4- 1 資料範圍 59
表4- 2 橫風向風力頻譜係數表(首項公式) 64
表4- 3 橫風向風力頻譜係數表(第二項公式) 64
表4- 4 橫風向風力頻譜整體誤差 65
表4- 5 扭轉向風力頻譜係數表 75
表5- 1 建物相關幾何資料與動力特性 78
參考文獻 [1] 內政部營建署,2006,「建築物耐風設計規範及解說」,營建雜誌社。
[2] ASCE, 2002, 「Minimum design loads for buildings and other structures」, ASCE 7-02, Reston, Va., USA.
[3] Architectural Institute of Japan,1996,「Recommendations for loads on buildings」, Japan.
[4] 鄭啟明,王人牧,2013,「設計風載重資料庫之應用研究(二)」,內政部建築研究所委託研究報告。
[5] M. Gu, 2004, 「Across-wind loads of typical tall buildings」, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 92.
[6] 廖仁傑,2013,「以非線性迴歸方法建立建築物風力係數及風力頻譜之擬合公式」,淡江大學土木工程學系碩士班論文。
[7] 鍾欣潔,2011,「預測高層建築之風力係數與風力頻譜的模試探討」,江大學土木工程學系碩士班論文。
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