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系統識別號 U0002-1307201422265100
中文論文名稱 大跨度圓頂結構系統受風行為及耐風設計之探討
英文論文名稱 THE DYNAMIC BEHAVIORS OF LARGE SPAN HEMI-SPHERICAL DOMES UNDER WIND LOADS
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系博士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 102
學期 2
出版年 103
研究生中文姓名 吳旗清
研究生英文姓名 Chi-Ching Wu
電子信箱 arc9080@ms14.hinet.net
學號 801380055
學位類別 博士
語文別 中文
口試日期 2014-07-02
論文頁數 171頁
口試委員 指導教授-鄭啟明
共同指導教授-林堉溢
委員-張錦鐘
委員-陳振華
委員-陳瑞華
中文關鍵字 耐風設計  大跨度圓頂結構  時域動力分析  建築風力規範 
英文關鍵字 wind resistant design  large span hemi-spherical dome  time domain analysis  building wind code 
學科別分類
中文摘要 大跨度圓形屋蓋結構的耐風設計與評估,一般多依據風力規範或是風洞實驗數據計算而得。風洞縮尺模型試驗雖然最為準確,但也費時且所費不貲。因此在工程實務上,若是在初步規劃設計階段,能夠快速且相對準確提出耐風評估的流程,確有其重要性。本文根據風洞實驗數據,首先以非線性迴歸模型及建構圓形屋蓋結構的風壓頻譜,據此應用多點自迴歸模式(AR),模擬產生表面風壓時間歷時,進行時域動力分析。本文建構了三種不同結構系統之圓頂結構有限元素模式,以時域動力分析評估其抗風能力。研究結果顯示,幾何非線性效應對大跨度圓頂結構的受風力行為有相當程度的影響,耐風設計評估時不可忽略。本文研究亦顯示,現行我國建築物耐風設計規範及美國ASCE 7-10風荷載規範之設計風荷載未能合理的考量大跨度圓頂結構的結構動力特性,致使根據此風力規範所得之結構反應明顯低於本文計算流程結果。
英文摘要 In engineering practice, the wind resistant design of long span dome is based on either building wind code or wind tunnel test. Wind tunnel test is the most accurate procedure among all; but the process is also expensive and time-consuming. Therefore, it is meaningful to have a less costly procedure that can produce a reasonably accurate wind loads for the wind resistant design of long span dome, at least in the preliminary planning and design stage. In this article, firstly, nonlinear regression models of wind pressure spectra were constructed based upon wind tunnel data. Then auto-regressive model (AR) was used to generate the surface wind pressure time histories to be used as in the subsequent time domain dynamic analysis.
In this article, finite element model of three different structural systems were constructed for the hemi-spherical dome. Then, wind tunnel produced surface pressure time histories were used to perform time domain dynamic analysis on these dome structures. The comparative studies indicate that the geometric non-linearity plays an important factor in the hemi-spherical dome structural behavior under wind loads; ignoring it would cause noticeable underestimation. Furthermore, the equivalent static design wind loads in the existing building wind codes tend to be significantly un-conservative.
論文目次 目錄
第一章緒論…………………………………………………………1
1.1前言……………………………………………………………1
1.2文獻回顧………………………………………………………2
1.2.1圓頂結構風壓分佈…………………………………………2
1.2.2圓頂結構風壓特性(POD)……………………………………2
1.2.3圓頂結構風壓歷時之數值模擬……………………………3
1.2.4圓頂結構風壓載重組合(LRC) ……………………………4
1.2.5圓頂結構時域動力分析……………………………………4
第二章大跨度圓頂結構受風之理論背景…………………………5
2.1大氣邊界層流場特性…………………………………………5
2.1.1平均風速剖面………………………………………………5
2.1.2紊流強度……………………………………………………6
2.1.3紊流強度尺度(Length scales of turbulence)…………7
2.1.4擾動風速頻譜………………………………………………7
2.1.5擾動風速交相關頻譜(cross-spectra)……………………8
2.2隨機數據理論分析…………………………………………9
2.3結構物單點之風壓係數……………………………………11
2.4圓頂結構之風場特性分析理論(POD)………………………11
第三章大跨度圓頂結構風洞實驗與分析結果…………………15
3.1前言……………………………………………………………15
3.2風洞實驗條件…………………………………………………15
3.2.1風洞設備及流場模擬………………………………………15
3.2.2大氣邊界層流場模擬………………………………………16
3.2.3實驗模型……………………………………………………17
3.2.4風壓量測系統與風速量測系統……………………………17
3.2.4.1風壓量測系統……………………………………………17
3.2.4.2風速量測系統……………………………………………18
3.3圓頂結構氣動力特性與風洞實驗結果………………………19
3.3.1平均風壓係數分佈…………………………………………19
3.3.2擾動風壓係數分佈…………………………………………19
3.3.3表面風壓係數等壓線分佈與歷時…………………………20
3.3.4表面風壓頻譜特性…………………………………………20
第四章風壓力頻譜之數值模擬………………………………22
4.1風壓力頻譜曲線擬合…………………………………………22
4.2風壓力頻譜迴歸分析…………………………………………24
4.2.1風壓力頻譜線性迴歸分析…………………………………24
4.2.2風壓力頻譜非線性迴歸分析………………………………26
4.2.3最小平方法…………………………………………………27
4.2.4擬合曲線之判別準則………………………………………27
4.3風壓力頻譜之模擬與結果比較………………………………29
4.3.1風壓力頻譜之數值模擬……………………………………29
4.3.2檢核風壓力頻譜擬合曲線之正確性………………………29
第五章風載重歷時之數值模擬…………………………………31
5.1前言……………………………………………………………31
5.2AR時間序列模式………………………………………………31
5.3風載重歷時之模擬……………………………………………33
5.3.1設定目標頻譜函數…………………………………………33
5.3.2計算相關性函數……………………………………………33
5.3.3決定模式之階數……………………………………………34
5.3.4計算模式之參數值…………………………………………35
5.3.5建立時間序列模式…………………………………………35
5.3.6利用時間歷時資料建立頻譜………………………………35
5.3.7檢核AR模式頻譜之正確性…………………………………35
5.4風壓數值模擬合適性之檢驗…………………………………36
第六章大跨度圓形結構之結構特性……………………………38
6.1圓頂結構模型…………………………………………………38
6.2圓頂結構物之結構特性………………………………………39
6.2.1圓頂網格結構之最佳化設計………………………………39
6.2.2圓頂網格結構之幾何和材料特性…………………………40
6.3圓頂結構物之結構動力特性…………………………………42
第七章大跨度圓頂結構物之結構動力分析……………………44
7.1前言……………………………………………………………44
7.2頻率域之模態分析法…………………………………………44
7.3圓頂結構物抗風之結構動力時域分析………………………48
7.3.1時域之模態分析法…………………………………………48
7.3.2時域之線性直接積分法……………………………………49
7.3.3時域之非線性直接積分法…………………………………51
7.4分析方法之比較………………………………………………55
第八章大跨度圓頂結構物之抗風評估比較………………………56
8.1前言……………………………………………………………56
8.2圓頂結構形式對於抗風能力之影響…………………………56
8.3不同網格圓頂結構系統之桿件應力比………………………60
第九章大跨度圓頂結構物之時域分析與現行風力規範之比較…63
9.1現行風力規範資料分析………………………………………63
9.1.1設計風速壓…………………………………………………63
9.1.2順風向風力計算……………………………………………64
9.2圓頂結構風力規範表面風載重分佈之特性…………………66
9.3圓頂結構表面風載重不同分析方式結果比較………………67
9.3.1規範風載重與時域等值風載重比較………………………67
9.3.2時域等值風載重之陣風反應因子探討……………………67
9.4圓頂結構時域分析與風力規範之風載重分析結果比較……69
第十章結論與建議…………………………………………………71
10.1前言……………………………………………………………71
10.2結論……………………………………………………………71
10.3建議……………………………………………………………74
參考文獻……………………………………………………………76
附表……………………………………………………………84
附圖……………………………………………………………103

表目錄
表2-1各種地況下之粗糙度函數值………………………84
表2-2各種地況下之粗糙長度值……………………………………84
表2-3對應到不同粗糙長度的β值…………………………………84
表4-1圓頂結構第二環(ψ=10°)各點自頻譜非線性擬合曲線參數…………85
表4-2圓頂結構第三環(ψ=20°)各點自頻譜非線性擬合曲線參數…………86
表4-3圓頂結構第四環(ψ=30°)各點自頻譜非線性擬合曲線參數……87
表4-4圓頂結構第五環(ψ=40°)各點自頻譜非線性擬合曲線參數…………88
表4-5圓頂結構第六環(ψ=50°)各點自頻譜非線性擬合曲線參數…………89
表4-6圓頂結構第七環(ψ=60°)各點自頻譜非線性擬合曲線參數…………90
表4-7圓頂結構第八環(ψ=70°)各點自頻譜非線性擬合曲線參數…………91
表4-8圓頂結構第九環(ψ=80°)各點自頻譜非線性擬合曲線參數…………92
表4-9圓頂結構第六環(ψ=50°)各點擬合曲面頻譜模式參數……93
表5-1AR模式之階數(p)與誤差率(error)比較表(多點)……………94
表5-2數值模擬風壓所得之風荷載與風洞數據之比較………………94
表6-1大跨度圓頂結構系統幾何編號………………………95
表6-2圓頂結構(施威德勒型)不同桿件組合之最佳化設計…………96
表6-3大跨度圓頂結構系統之幾何和材料特性………………………96
表6-4大跨度圓頂結構系統各方向前二個振動模式自然週期………96
表8-1圓頂結構施加靜載重與活載重(DL+LL)之基底剪力與最大位移反應……97
表8-2大跨度圓頂結構系統承受風荷載之基底剪力反應……………97
表8-3大跨度圓頂結構系統承受風荷載之最大位移反應……………97
表8-4大跨度圓頂結構系統承受風荷載之最大位移角反應…………98
表8-5大跨度圓頂結構承受風荷載(DL+LL+W)線性分析之桿件
最大應力比……………………………………………………………98
表8-6肋環型及凱威特型圓頂結構最大P-M應力比之比較…………98
表8-7圓頂結構承受風荷載抗風能力穩定度之比較…………………98
表9-1地況相關參數……………99
表9-2凱威特型圓頂結構規範風載重Pmax分佈表……………………99
表9-3凱威特型圓頂結構規範風載重Pmin分佈表……………………99
表9-4肋環型(施威德勒型)圓頂結構規範風載重Pmax分佈表………100
表9-5肋環型(施威德勒型)圓頂結構規範風載重Pmin分佈表………100
表9-6(肋環型)圓頂結構時域分析陣風反應因子比較表……………101
表9-7圓頂結構承受風荷載最大基底剪力反應與規範(ASCE 7-10)之比較…102
表9-8圓頂結構承受風荷載最大位移反應與規範(ASCE 7-10)之比較……102

圖目錄
圖2-1紊流強度尺度參數 C ,m 和高度Z0關係圖……………………103
圖3-1淡江大學風工程研究中心第二風洞實驗館立面圖……………104
圖3-2內政部建築研究所台南縣歸仁風洞實驗館第二試驗段………105
圖3-3紊流邊界層流場之風速剖面與紊流剖面………………………105
圖3-4不同地況下平均風速隨高度之變化示意圖……………………106
圖3-5( B )地況風速剖面及紊流強度分佈…………………………107
圖3-6圓頂結構系統模型水平仰角(ψ)與方位角(θ)…………107
圖3-7壓力量測系統……………………………………………………108
圖3-8風速量測系統(cobra probe)…………………………………108
圖3-9中心子午線之平均風壓係數 (Cp) 分佈………………………109
圖3-10第二水平環線( ψ=10°)之平均風壓係數( Cp )分佈………109
圖3-11中心子午線之擾動風壓均方根值係數Cp’(σ)分佈………109
圖3-12第二水平環線( ψ=10°)之擾動風壓均方根值係數Cp’(σ)分佈…………109
圖3-13(B地況)半球體表面之風壓分佈………………………………110
圖3-14圓頂結構模型風洞試驗風壓歷時……………………………111
圖3-15圓頂結構模型(ψ=50°)風洞試驗所得風壓之自頻譜圖…111
圖3-16圓頂結構模型(ψ=50°)風洞試驗所得風壓之交頻譜圖…111
圖3-17風洞試驗所得半球體表面中心子午線之風壓之自頻譜圖…112
圖4-1風壓力頻譜擬合曲線迴歸分析流程圖………………………113
圖4-2Hybrid的方法,函式[fun_e2 ]………………………………114
圖4-3最小平方法準則之圖解說明…………………………………114
圖4-4第六環(ψ=50°)線性參數a1、a2擬合曲線…………………115
圖4-5第六環(ψ=50°)非線性參數λ1、λ2擬合曲線……………115
圖4-6第二環(ψ=10°) ~第九環(ψ=10°)線性參數a1、a2 擬合曲線………116
圖4-7第二環(ψ=10°) ~第九環(ψ=10°)非線性參數λ1、λ2擬合曲線………117
圖4-8第六環( ψ=50° )各測點自相關頻譜之擬合曲面…………118
圖4-9第六環( ψ=50° )各測點自相關頻譜之曲面立體函數圖形………118
圖4-10第二環(ψ=10°) ~第九環(ψ=10°)各測點自相關頻譜之擬合曲面…119
圖4-11第二環(ψ=10°) ~第九環(ψ=10°)各測點自相關頻譜之曲面立體函數圖形……………………………………………………………120
圖4-12測點p122( ψ=50 ° , θ = 0 ° )與第六環( ψ = 50 ° )各點譜擬合交頻譜曲面…………………………………………………121
圖4-13測點p122( ψ=50 ° , θ = 0 ° )與第六環( ψ = 50 ° )各點擬合交頻譜曲面立體函數圖形……………………………………121
圖4-14測點p 4 ( ψ=10 ° , θ = 0 ° )與第二環( ψ = 10 ° )各點相關函數函數圖形…………………………………………………122
圖4-15測點p 50 ( ψ=20 ° , θ = 0 ° )與第三環( ψ = 20 ° )各點相關函數函數圖形…………………………………………………122
圖4-16測點p 74 ( ψ=30 ° , θ = 0 ° )與第四環( ψ = 30 ° )各點相關函數函數圖形…………………………………………………123
圖4-17測點p 98 ( ψ=40 ° , θ = 0 ° )與第五環( ψ = 40 ° )各點相關函數函數圖形…………………………………………………123
圖4-18測點p122( ψ=50 ° , θ = 0 ° )與第六環( ψ = 50 ° )各點相關函數函數圖形…………………………………………………124
圖4-19測點p146( ψ=60 ° , θ = 0 ° )與第七環( ψ = 60 ° )各點相關函數函數圖形…………………………………………………124
圖4-20測點p170( ψ=70 ° , θ = 0 ° )與第八環( ψ = 70 ° )各點相關函數函數圖形…………………………………………………125
圖4-21測點p194( ψ=80 ° , θ = 0 ° )與第九環( ψ = 80 ° )各點相關函數函數圖形…………………………………………………125
圖4-22第六環測點(ψ=50°,θ=0°)擬合自頻譜與風洞風壓力自頻譜(Su11)
比較……………………………………………………………………126
圖4-23第六環十三測點(ψ=50°, θ=0° ~180°)擬合自頻譜與風洞風壓力自頻譜比較………………………………………………………126
圖4-24第六環二測點(ψ=50°, θ=0°,15°)擬合交頻譜與風洞風壓力交頻譜(Su12)比較……………………………………………………127
圖4-25第六環十三測點(ψ=50°, θ=0° ~180°)擬合交頻譜與風洞風壓力交頻譜比較………………………………………………………127
圖5-1風壓歷時AR模式分析流程圖…………………………………128
圖5-2圓頂結構風壓模型上6節點位置………………………………128
圖5-3圓頂結構風壓模型上位置 N ( 1 )( ψ=50 °, θ = 0 °)節點壓力歷時………129
圖5-4圓頂結構風壓模型上位置 N ( 2 )( ψ=30 °, θ = 0°)節點壓力歷時…………129
圖5-5圓頂結構風壓模型上位置 N ( 3 )( ψ=90 °, θ = 0 °)節點壓力歷時………130
圖5-6圓頂結構風壓模型上位置 N ( 4 )( ψ=130 °, θ = 0 °)節點壓力歷時………130
圖5-7圓頂結構風壓模型上位置 N ( 5 )( ψ=50 °, θ = 45 °)節點壓力歷時………131
圖5-8圓頂結構風壓模型上位置 N ( 6 )( ψ=50°, θ = 315 °)節點壓力歷時………131
圖5-9圓頂結構風壓模型上6節點(6x6)風壓目標頻譜(log圖形)…132
圖5-10圓頂結構風壓模型上6節點(6x6)風壓目標頻譜(plot圖形)…133
圖5-11圓頂結構風壓模型上6節點(6x6)風壓相關函數,實部r(Ru)
(log 圖形)……………………………………………………………134
圖5-12圓頂結構風壓模型上6節點(6x6)風壓相關函數,虛部r(Ru)
(log 圖形)……………………………………………………………135
圖5-13圓頂結構風壓模型上N(1)節點,段平均與頻率平均(q=9)修正頻譜…135
圖5-14圓頂結構風壓模型上6節點AR模式之階數…………………136
圖5-15 AR模式之階數( p )與誤差率( error )關係圖…………137
圖5-16白干擾(white noise) 歷時資料……………………………137
圖5-17測點p-217(ψ=90°, θ=0°)AR模式模擬之壓力歷時………138
圖5-18測點p-217(ψ=90°, θ=0°)AR模式模擬頻譜與目標頻譜之比較………138
圖5-19圓頂結構風壓模型上6節點AR模式模擬頻譜與目標頻譜之
比較………………………………………………………………139
圖5-20風洞數據與部分擬合及完全擬合所得x -方向各測點 擾動風壓均方根值之比較………………………………………140
圖5-21風洞數據與部分擬合及完全擬合所得y -方向各測點 擾動風壓均方根值之比較………………………………………140
圖5-22風洞數據與部分擬合及完全擬合所得z -方向各測點 擾動風壓均方根值之比較………………………………………141
圖5-23部分擬合及完全擬合所得z-方向各測點擾動風壓均方根值 誤差率比較圖……………………………………………………141
圖6-1圓頂結構體系………………………………………………142
圖6-2大跨度圓頂結構系統模型…………………………………143
圖6-3圓頂結構桿件之最佳化設計過程…………………………143
圖6-4不同結構形式圓頂結構系統之振動模態週期分佈………144
圖6-5肋環型圓頂結構之振動模態………………………………144
圖6-6施威德勒型圓頂結構之振動模態…………………………144
圖6-7凱威特型圓頂結構之振動模態……………………………144
圖6-8肋環型模態參與質量………………………………………145
圖6-9肋環型累積模態參與質量…………………………………145
圖6-10施威德勒型模態參與質量…………………………………146
圖6-11施威德勒型累積模態參與質量……………………………146
圖6-12凱威特型模態參與質量……………………………………147
圖6-13凱威特型累積模態參與質量………………………………147
圖7-1紊流風載重大跨度圓頂結構分析流程……………………148
圖7-2弧長法--修正垂直面迭代示意圖…………………………148
圖7-3牛頓法--預測勁度矩陣示意圖……………………………148
圖7-4非線性增量--迭代分析流程圖……………………………149
圖7-5大跨徑圓頂結構採用不同模態數與直接積分法所得之
最大基底反力比較…………………………………………………150
圖8-1大跨度圓頂結構系統(肋環型)基底剪力反應--(線性分析)………151
圖8-2大跨度圓頂結構系統(施威德勒型)基底剪力反應--(線性分析)………152
圖8-3大跨度圓頂結構系統(凱威特型)基底剪力反應--(線性分析)………152
圖8-4施威德勒型圓頂結構風荷載線性與非線性分析x方向
基底剪力之比較……………………………………………………153
圖8-5施威德勒型圓頂結構風荷載線性與非線性分析y方向
基底剪力之比較……………………………………………………153
圖 8-6施威德勒型圓頂結構風荷載線性與非線性分析z方向
基底剪力之比較……………………………………………………153
圖8-7大跨度圓頂結構系統肋環型各節點最大位移反應(線性分析)………154
圖8-8大跨度圓頂結構系統施威德勒型各節點最大位移反應(線性分析)…154
圖8-9大跨度圓頂結構系統凱威特型各節點最大位移反應(線性分析)……155
圖8-10施威德勒型大跨度圓頂結構系統各節點最大位移反應比較
(線性與非線性分析)………………………………………………156
圖8-11大跨徑圓頂結構z向最大位移頻譜(第9環, ψ=80°, θ = - 60°)…156
圖8-12圓頂結構施加靜載重與活載重(DL+LL)之P-M應力比較圖…157
圖8-13圓頂結構承受風荷載之( V )剪應力比較圖………………157
圖8-14肋環型圓頂結構承受風荷載之P-M應力比圖………………157
圖8-15施威德勒型圓頂結構承受風荷載之P-M應力比圖…………158
圖8-16凱威特型圓頂結構承受風荷載之P-M應力比圖……………158
圖9-1G計算過程圖……..……………….…………………………….………159
圖9-2外風壓係數(ASCE 7-10規範)…………………………………160
圖9-3內風壓係數……………………………………………………160
圖9-4凱威特型圓頂結構中央子午線軸規範風載重………………161
圖9-5凱威特型圓頂結構規範節點風載重…………………………161
圖9-6凱威特型圓頂結構規範內風壓載重分佈……………………161
圖9-7肋環型(施威德勒型)圓頂結構中央子午線軸規範風載重…162
圖9-8肋環型(施威德勒型)圓頂結構規範節點風載重……………162
圖9-9肋環型(施威德勒型)圓頂結構規範內風壓載重分佈………162
圖9-10(凱威特型)圓頂結構規範風載重與時域等值風載重比較--x方向……163
圖9-11(凱威特型)圓頂結構規範風載重與時域等值風載重比較--y方向……163
圖9-12(凱威特型)圓頂結構規範風載重與時域等值風載重比較--z方向……163
圖9-13肋環型(施威德勒型)圓頂結構規範風載重與時域等值風載重比較--x方向……………………………………………………………164
圖9-14肋環型(施威德勒型)圓頂結構規範風載重與時域等值風載重比較--y方向……………………………………………………………164
圖9-15肋環型(施威德勒型)圓頂結構規範風載重與時域等值風載重比較--z方向……………………………………………………………164
圖9-16(肋環型)圓頂結構節點74(ψ=40°, θ=75°)位移頻譜--x方向………165
圖9-17(肋環型)圓頂結構節點138(ψ=50°, θ=255°)位移頻譜--y方向………165
圖9-18(肋環型)圓頂結構節點138(ψ=50°, θ=255°)位移頻譜--z方向………165
圖9-19(肋環型)圓頂結構時域分析節點陣風反應因子---Gx(max),Gx(min)…166
圖9-20(肋環型)圓頂結構時域分析節點陣風反應因子---Gy(max),Gy(min)…166
圖9-21(肋環型)圓頂結構時域分析節點陣風反應因子---Gz(max),Gz(min)…166
圖9-22肋環型圓頂結構桿件彎矩應力之比較………………………167
圖9-23肋環型圓頂結構承受風荷載之桿件軸向應力比較…………167
圖9-24施威德勒型圓頂結構桿件彎矩應力之比較…………………167
圖9-25施威德勒型圓頂結構承受風荷載之桿件軸向應力比較……168
圖9-26凱威特型圓頂結構桿件彎矩應力之比較……………………168
圖9-27凱威特型圓頂結構承受風荷載之桿件軸向應力比較………168
圖9-28肋環型大跨度圓頂結構系統各節點最大位移反應比較……169
圖9-29施威德勒型大跨度圓頂結構系統各節點最大位移反應比較………170
圖9-30凱威特型大跨度圓頂結構系統各節點最大位移反應比較…170
圖9-31凱威特型圓頂結構最大位移頻譜……………………………171
參考文獻 參考文獻
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