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系統識別號 U0002-0707201112052800
中文論文名稱 風吹落物之軌跡預測與災害風險評估
英文論文名稱 Trajectories of plate-type windborne debris and risk assessment
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 99
學期 2
出版年 100
研究生中文姓名 翁偉誠
研究生英文姓名 Wei-cheng Weng
學號 698380044
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-06-22
論文頁數 65頁
口試委員 指導教授-吳重成
委員-蕭葆羲
委員-鄭啟明
委員-陳瑞華
中文關鍵字 風吹落物  垂直向軌跡  翻轉模式  平移模式  風險評估系統 
英文關鍵字 Windborne Debris  Vertical Trajectory  Auto-rotation  Translation  Risk Assessment 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要   台灣位處於亞熱帶地區,氣候形態多變,常受西北太平洋颱風之侵襲,而近年來因全球氣候變遷,強烈颱風的數量明顯增加,導致引發的風災更加慘重,除了在山區因強降雨所引發的山崩土石流,以及中下游地區洪水暴漲的可怕場景,颱風所夾帶的強風,同樣也對國人的生命財產造成嚴重的威脅。
  面對如此高的風險,該如何對國土進行有效的管理與運用,以及面對天然災害時的危機處理能力,就成了政府的一項重大課題。目前現行之颱風災損評估模組,主要是針對強降雨所導致之土石流與洪水進行分析,對於強風引發的效應則著墨較少,強風導致的災損規模或許不像洪水或土石流般的龐大,但對於人口密集且環境擁擠的都市區來說,其所造成的災損也是具有相當程度的影響。
  Tachikawa將板狀風吹落物在飛行時的狀態分為三種類型,分別為翻轉模式、平移模式,以及混合模式;而Lin則在其發表的論文中,利用他透過實驗所得到的軌跡方程式,發展出一個可以估算在某一住宅區內,房屋遭受風吹落物破壞的機率的系統,但是Lin在建立軌跡方程式的時候,並沒有特別去區分飛行模式,單純只針對水平向位移來進行分析,而忽略了垂直向軌跡造成的影響。
  但Visscher在其研究中發現,翻轉和平移這兩種模式在飛行的距離上會有明顯的差異,這種差異的產生,主要來自於在不同的飛行模式下,風吹落物的滯空時間並不相同,此即為垂直向軌跡所引起之效應。故將垂直向軌跡造成的影響納入軌跡方程式內,以期得到較符合真實情形的結果,即為本研究的重點所在。
  本研究在實驗設置上,為了找出兩不同飛行模式下的差異,將特別針對風攻角做設定,分別為30度以及75度,並以四種不同風速進行實驗,實驗的對象為內含6種不同材質的20塊板,外型尺寸上除了正方形與長方形各半以外,在厚度上也略有不同。在實驗完成並得到垂直向的軌跡資料之後,便可將最終整理出來的軌跡方程式代入評估系統內進行分析,並計算風吹落物造成破壞的機率。
英文摘要 Taiwan, located in the subtropical region, has a lot of typhoons, which bring heavy rains and strong winds. It not only causes landslide and debris flow, but also damages houses. Due to the high risk of natural disasters, how to predict disasters is government’s priority.
Windborne debris was developed in 1980s, and Tachikawa reported the flying behavior of plate-type debris in 1983. He defined three different kinds of flight mode: auto-rotation, translation, and intermediate. In 2006, Lin used experiment data to form the empirical expressions for estimation the horizontal flight speed and distance, and then designed a risk assessment to estimate the probability of damage. It should be noted that in this system, the vertical trajectory was ignored. But in further research, Visscher pointed that the flight distance has significant difference between auto-rotation and translation.
In experiment setup, we choose different types of plates and set the angle of attack to 30 and 75 degrees representing auto-rotation and translation respectively. The wind speed range between 8 and 18 m/s.
This paper presents the relation between the flight mode and flight distance. We will use these experiment data to find the vertical trajectory influencing the flight time and flight distance. Finally, these empirical expressions are to calculate the damage probability in risk assessment.
論文目次 目錄
表目錄 III
圖目錄 IV
第一章 導論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 2
1.3 文獻回顧 3
1.4 本文架構 5
第二章 基礎理論概述 7
2.1 風吹落物的產生與種類 7
2.2 構成破壞的要素 8
2.3 災害風險的評估方法 10
2.3.1 常態分配 11
2.3.2 二項分配 13
2.3.3 泊松分配 14
2.3.4 蒙地卡羅模擬法 15
第三章 實驗方法與分析結果 17
3.1 實驗架構與方法 17
3.1.1 實驗儀器與設備 18
3.1.2 實驗方法與流程 20
3.2 數據分析 21
3.2.1 軌跡計算的幾何關係 21
3.2.2 無因次化參數 24
3.3 實驗結果 25
第四章 風險評估系統 42
4.1 系統架構 42
4.1.1 機率理論 42
4.1.2 矩陣運算 46
4.2 系統改良 48
4.3 評估流程 51
第五章 案例分析 55
5.1 參數設定 55
5.2 模擬分析 56
第六章 結論與展望 61
6.1 結論 61
6.2 展望 62
參考文獻 64


表目錄
表3.1 實驗試體明細表 29

圖目錄
圖2.1 風吹落物分類示意圖 16
圖2.2 常態分配機率範圍 16
圖3.1 施放裝置 30
圖3.3 皮托管 32
圖3.4 高速攝影機 33
圖3.5 真空機與儲氣鋼瓶 33
圖3.6 B/D示意圖 34
圖3.7 幾何示意圖 (風攻角30度,俯視圖) 34
圖3.8 幾何示意圖 (風攻角30度,側視圖) 34
圖3.9 視角與水平位移的幾何關係示意圖 (1) 35
圖3.10 視角與水平位移的幾何關係示意圖 (2) 35
圖3.11 視角與垂直位移的幾何關係示意圖 35
圖3.12 幾何示意圖 (風攻角75度,俯視圖) 36
圖3.13 幾何示意圖 (風攻角75度,側視圖) 36
圖3.14 讀取像素座標 36
圖3.15 無因次化之水平向軌跡 (翻轉模式) 37
圖3.16 無因次化之水平向軌跡 (平移模式) 37
圖3.17 無因次化之垂直向軌跡 (翻轉模式) 38
圖3.18 無因次化之垂直向軌跡 (平移模式) 38
圖3.19 軌跡偏移示意圖 (No.15, 、 ) 39
圖3.20 飛行軌跡 (No.6) 39
圖3.21 飛行軌跡 (No.20) 40
圖3.22 飛行軌跡 (No.3 & No.7) 40
圖3.23 飛行軌跡 (No.3 & No.15) 41
圖3.24 飛行軌跡 (No.3 & No.20) 41
圖4.1 落點區域示意圖 54
圖5.1 模擬區域範圍 60
圖5.2 評估系統模擬分析結果 60
圖5.3 內壓變化示意圖 60
參考文獻 參考文獻
1. 中央災害應變中心.防救災資訊系統(EMIS).http://www.ndppc.nat.gov.tw/info1.htm
2. Tachikawa, M. (1983). Trajectories of flat plates in uniform flow with application to wind-generated missiles. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 14(1-3), 443-453. doi:DOI: 10.1016/0167-6105(83)90045-4
3. Tachikawa, M. (1988). A method for estimating the distribution range of trajectories of wind-borne missiles. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 29(1-3), 175-184. doi:DOI: 10.1016/0167-6105(88)90156-0
4. Wills, J. A. B., Lee, B. E., & Wyatt, T. A. (2002). A model of wind-borne debris damage. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 90(4-5), 555-565. doi:DOI: 10.1016/S0167-6105(01)00197-0
5. Lin, N., Letchford, C., & Holmes, J. (2006). Investigation of plate-type windborne debris. part I. experiments in wind tunnel and full scale. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 94(2), 51-76. doi:DOI: 10.1016/j.jweia.2005.12.005
6. Visscher, B. T., & Kopp, G. A. (2007). Trajectories of roof sheathing panels under high winds. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 95(8), 697-713. doi:DOI: 10.1016/j.jweia.2007.01.003
7. Lin, N., & Vanmarcke, E. (2008). Windborne debris risk assessment. Probabilistic Engineering Mechanics, 23(4), 523-530. doi:DOI: 10.1016/j.probengmech.2008.01.010
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