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系統識別號 U0002-1707202023583100
中文論文名稱 考慮風向性對局部設計風載重的影響
英文論文名稱 Estimation of local wind loads considering wind directional effects
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 108
學期 2
出版年 109
研究生中文姓名 李紹緯
研究生英文姓名 Shao-Wei Li
電子信箱 jasper10624@Gmail.com
學號 608380035
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2020-07-06
論文頁數 222頁
口試委員 指導教授-羅元隆
委員-王人牧
委員-陳若華
中文關鍵字 風向性  非超越機率分布  甘保分布  廣義分布  年破壞超越機率 
英文關鍵字 wind direction  non-probability  Gumbel distribution  GEV distribution 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本研究首先以台北測站為對象,調查該測站於1961年至2019年間所有颱風期間平均十分鐘風速紀錄,並依每15度角為一個風向進行分類,並將風速轉換為實際建物高風速。取每個颱風在各角度下的最大風速值以及不分風向下的最大風速值,繪製其機率分布、累積機率分布,同時擬合甘保分布以觀察其趨勢。結果發現採集到的極值風速資料不全然屬於甘保分布趨勢,後續分析則可分別採用甘保或廣義極值分布的假設來作比較。接下來,本研究以淡江大學第一號大氣邊界層風洞實驗室進行高層建築模型的氣動力風壓試驗,量取模型表面長時間的風壓分佈歷時。風洞試驗採用我國規範中的鄉鎮型地況作為模擬實驗流場。高層建築模型以真實CAARC大樓建築物作為1/400縮尺模型。每15度風攻角下進行實場約莫六十個小時的長時間風壓量測。擬合風壓係數後發現同樣不全然屬於甘保分布或廣義極值分布。最後藉由羅和Kasperski (2018)[1]所提及的乘冪積分方法,針對不同極值分佈型態與風向角變化與否,計算出七種不同組合的設計風載重進行比較。
結果顯示,方向性的影響造成各風向的風壓載重設計值均呈現下降分布;以最佳非超越機率和78%分析之結果對比,兩者計算出之風載重設計值相差不大,誤差值落在5%左右。以甘保分布作為極值風速及極值風壓係數分布的假設與以廣義極值分布為主的假設結果做比對,兩者的誤差值有至少20%左右的差距,廣義分布之假設設計風載重值皆大於甘保分布之假設設計風載重值,且兩者的趨勢走向相同。以全風向及分風向極值風速及風壓係數為主的假設,大部分風載重結果誤差值差距40%以上甚至於達到100%。全風向之設計風載重值皆大於分風向之設計值,但分風向角之設計值受權重影響較為顯著。以風向角權重方面去做比較,統計出來之權重與均權(角度總數分之一)作結果比對,兩者之設計風載重值趨勢起伏相近,但沒有明顯的單一偏大的趨勢。以是否折減風速去做比較,先做折減風速的設計風載重比用權重折減的設計風載重值來的大,但始終坐落在現在使用之設計值與分風向角甘保設計之設計值之間。在所有之比較分析中,以分風向角下甘保假設的設計風載重為最小,以其做設計較不保守但在合理範圍;以廣義極值假設之全風向角設計值最大,以其做設計則是最為保守。而目前所用之78%非超越機率之全風向設計風載重計算結果則在兩者之間偏向保守。
英文摘要 This research aims to investigate the effects of wind directions and extreme distribution types on design wind loads. In the first phase, the records of the Taipei Meteorological Station were adopted for the extreme wind speed observation. It was found that in different wind sectors, the Gumbel distribution may not always be the best fitting model for extreme distribution type. In the second phase, the long-term pressure measurement of a scaled CAARC building was also conducted for the identification of extreme distribution types for different locations. In the third phase, the convolution iteration method to estimate design wind loads was adopted to evaluate the effects of wind direction changes and the distribution types. In total, there are seven combination scenarios for discussions.
Results showed that the consideration of wind direction changes generally reduced design wind loads at the range of around 5% in comparison with the Cook and Mayne method. The consideration of the generalized extreme distribution (GEV) altered significantly from the Gumbel model. The difference was found at least 20%; the design wind loads based on GEV were larger than that based on Gumbel. Considering different probabilities of wind directions gave little differences in design wind loads. Among all the seven scenarios, the case with different wind directions under Gumbel assumption produced the smallest design wind loads; while the case with unique wind direction under GEV assumption produced the largest design wind loads. The conventional Cook and Mayne method is in between and tends to conservative values.
論文目次 目錄
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究方法 1
1.3 論文架構 2

第二章 理論背景 3
2.1 風洞流場特性 3
2.1.1 大氣邊界層 3
2.1.2 紊流強度剖面 4
2.1.3 紊流長度尺度 4
2.2 氣動力現象 6
2.2.1 流體分離再接觸 6
2.2.2 渦散現象 6
2.2.3 尾跡 6
2.3 相似性原則 7
2.3.1 幾何相似性 7
2.3.2 動力相似性 7
2.3.3 熱力相似性 8
2.4 風洞實驗之阻塞效應 8
2.5 隨機數據理論 9
2.5.1 平均值 9
2.5.2 變異數 9
2.5.3 偏態係數 9
2.5.4 峰態係數 10
2.5.5 變異係數 10
2.6 極值分佈模型 11
2.6.1 機率密度函數與累積機率密度函數 11
2.6.2 累積機率密度函數之極值分佈模型 11

第三章 文獻回顧 12
3.1 年破壞超越機率 12
3.2 設計風載重 13
3.2.1 Kasperski修正建議 14
3.2.2 Kasperski對德國建物分風向之探討 14
3.3 分風向角之修正係數 16
3.3.1 地況係數修正 16
3.3.2 邊界層高度 16
3.3.3 風速折減因子 17

第四章 實驗設置與數據處理分析 18
4.1 實驗設置 18
4.1.1 風洞 18
4.1.2 模型 18
4.1.3 縮尺 20
4.1.4 量測儀器 21
4.2 數據處理分析 24
4.2.1 範例說明 24

第五章 實驗結果與討論 28
5.1 氣象局風速資料 28
5.1.1 風速資料之機率分布及累積機率分布 29
5.1.2 風速資料與甘保之擬合 30
5.1.3 極值風速統計圖 31
5.2 平均、擾動之風壓係數與c.o.v之極值風壓係數 32
5.3 風載重之設計 34
5.3.1 平均極值風速 34
5.3.2 權重 34
5.3.3 各類型之比較 35

第六章 結論與建議 53
6.1 結論 53
6.2 建議 53

參考文獻 54

表目錄
表2-1 地表粗糙長度尺度對應之β 4
表3-1 建築物分類原則 12
表3-2 台北測站16個風向角之地況修正係數 16
表3-3 台北測站16個風向角之邊界層高度(m) 16
表3-4 台北測站16個風向角之風速折減因子 17
表5-1 方法(一)、(二)、(六)比較表格 36
表5-2 方法(一)、(三)、(六)比較表格 41
表5-3 方法(二)、(五)、(六)比較表格 45
表5-4 方法(二)、(六)、(七)比較表格 49
表D-1 方法(一)、(二)、(六)比較表格 92
表E-1 方法(一)、(三)、(六)比較表格 118
表F-1 方法(二)、(五)、(六)比較表格 144
表G-1 方法(二)、(六)、(七)比較表格 170
表H-1 各種方法之比較表格 196

圖目錄
圖2-1 實場大氣邊界層 3
圖2-2 紊流長度尺度參數C、m與高度Z_0關係圖 5
圖2-3 風流體圖 6

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示意圖 18
圖4-2 CAARC模型示意圖 19
圖4-3 CAARC模型風壓孔位分布示意圖 19
圖4-4 頻道壓力感應器模組 21
圖4-5 Cobra之示意圖 21
圖4-6 風速剖面圖 21
圖4-7 紊流強度圖 21
圖4-8 風壓管之管線修正使用之頻率域轉換函數 23
圖4-9 f_v之機率分布圖 26
圖4-10 (1-F_c)之累積機率分布圖 26
圖4-11 f_v 與(1-F_c)之乘冪圖 26

圖5-1 台北測站地況地貌圖 28
圖5-2 0度之機率分布圖 29
圖5-3 0度之累積機率分布圖 29
圖5-4 0度風攻角以颱風獨立事件為基礎之極值風速非超越機率分布圖 30
圖5-5 0度風攻角以年發生為基礎之極值風速非超越機率分布圖 30
圖5-6 極值風速統計圖 31
圖5-7 0度風攻角平均風壓係數之等高線分布圖 32
圖5-8 0度風攻角擾動風壓係數之等高線分布圖 32
圖5-9 0度風攻角c.o.v極值風壓係數之等高線分布圖 33
圖5-10 平均極值風速比較圖 34
圖5-11 p_ϕ權重比較圖 35
圖5-12 0.8h高度之風壓孔位示意圖 37
圖5-13 方法(一)、(二)、(六)之比較圖(tap68) 38
圖5-14 方法(一)、(二)、(六)之比較圖(tap142) 39
圖5-15 方法(一)、(二)、(六)之比較圖(tap233) 40
圖5-16 方法(一)、(三)、(六)之比較圖(tap68) 42
圖5-17 方法(一)、(三)、(六)之比較圖(tap142) 43
圖5-18 方法(一)、(三)、(六)之比較圖(tap233) 44
圖5-19 方法(二)、(五)、(六)之比較圖(tap68) 46
圖5-20 方法(二)、(五)、(六)之比較圖(tap142) 47
圖5-21 方法(二)、(五)、(六)之比較圖(tap233) 48
圖5-22 方法(二)、(六)、(七)之比較圖(tap68) 50
圖5-23 方法(二)、(六)、(七)之比較圖(tap142) 51
圖5-24 方法(二)、(六)、(七)之比較圖(tap233) 52

附圖A
圖5-25 機率分布圖(a)及累積機率分布圖(b)[0度 ~ 30度] 55
圖5-26 機率分布圖(a)及累積機率分布圖(b)[45度 ~ 75度] 56
圖5-27 機率分布圖(a)及累積機率分布圖(b)[90度 ~ 120度] 57
圖5-28 機率分布圖(a)及累積機率分布圖(b)[135度 ~ 165度] 58
圖5-29 機率分布圖(a)及累積機率分布圖(b)[180度 ~ 210度] 59
圖5-30 機率分布圖(a)及累積機率分布圖(b)[225度 ~ 255度] 60
圖5-31 機率分布圖(a)及累積機率分布圖(b)[270度 ~ 300度] 61
圖5-32 機率分布圖(a)及累積機率分布圖(b)[315度 ~ 345度] 62

附圖B
圖5-33 以颱風獨立事件為基礎之極值風速非超越機率分布圖(a)
以年發生為基礎之極值風速非超越機率分布圖(b)[0度~30度] 63
圖5-34 以颱風獨立事件為基礎之極值風速非超越機率分布圖(a)
以年發生為基礎之極值風速非超越機率分布圖(b)[45度~75度] 64
圖5-35 以颱風獨立事件為基礎之極值風速非超越機率分布圖(a)
以年發生為基礎之極值風速非超越機率分布圖(b)[90度~120度] 65
圖5-36 以颱風獨立事件為基礎之極值風速非超越機率分布圖(a)
以年發生為基礎之極值風速非超越機率分布圖(b)[135度~165度] 66
圖5-37 以颱風獨立事件為基礎之極值風速非超越機率分布圖(a)
以年發生為基礎之極值風速非超越機率分布圖(b)[180度~210度] 67
圖5-38 以颱風獨立事件為基礎之極值風速非超越機率分布圖(a)
以年發生為基礎之極值風速非超越機率分布圖(b)[225度~255度] 68
圖5-39 以颱風獨立事件為基礎之極值風速非超越機率分布圖(a)
以年發生為基礎之極值風速非超越機率分布圖(b)[270度~300度] 69
圖5-40 以颱風獨立事件為基礎之極值風速非超越機率分布圖(a)
以年發生為基礎之極值風速非超越機率分布圖(b)[315度~345度] 70

附圖C
圖5-41 平均風壓係數等高線圖[0度 ~ 15度] 71
圖5-42 平均風壓係數等高線圖[30度 ~ 45度] 72
圖5-43 平均風壓係數等高線圖[60度 ~ 75度] 73
圖5-44 平均風壓係數等高線圖[90度 ~ 105度] 74
圖5-45 平均風壓係數等高線圖[120度 ~ 135度] 75
圖5-46 平均風壓係數等高線圖[150度 ~ 165度] 76
圖5-47 平均風壓係數等高線圖[180度] 77
圖5-48 擾動風壓係數等高線圖[0度 ~ 15度] 78
圖5-49 擾動風壓係數等高線圖[30度 ~ 45度] 79
圖5-50 擾動風壓係數等高線圖[60度 ~ 75度] 80
圖5-51 擾動風壓係數等高線圖[90度 ~ 105度] 81
圖5-52 擾動風壓係數等高線圖[120度 ~ 135度] 82
圖5-53 擾動風壓係數等高線圖[150度 ~ 165度] 83
圖5-54 擾動風壓係數等高線圖[180度] 84
圖5-55 附圖C-c.o.v極值風壓係數等高線分布圖[0度 ~ 15度] 85
圖5-56 附圖C-c.o.v極值風壓係數等高線分布圖[30度 ~ 45度] 86
圖5-57 附圖C-c.o.v極值風壓係數等高線分布圖[60度 ~ 75度] 87
圖5-58 附圖C-c.o.v極值風壓係數等高線分布圖[90度 ~ 105度] 88
圖5-59 附圖C-c.o.v極值風壓係數等高線分布圖[120度 ~ 135度] 89
圖5-60 附圖C-c.o.v極值風壓係數等高線分布圖[150度 ~ 165度] 90
圖5-61 附圖C-c.o.v極值風壓係數等高線分布圖[180度] 91

附圖D
圖5-62 0.4h高度之風壓孔位示意圖 92
圖5-63 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap37) 93
圖5-64 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap41) 94
圖5-65 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap45) 95
圖5-66 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap124) 96
圖5-67 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap126) 97
圖5-68 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap129) 98
圖5-69 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap202) 99
圖5-70 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap206) 100
圖5-71 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap210) 101
圖5-72 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap289) 102
圖5-73 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap292) 103
圖5-74 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap294) 104
圖5-75 0.8h高度之風壓孔位示意圖 105
圖5-76 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap64) 106
圖5-77 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap68) 107
圖5-78 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap72) 108
圖5-79 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap142) 109
圖5-80 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap144) 110
圖5-81 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap147) 111
圖5-82 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap229) 112
圖5-83 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap233) 113
圖5-84 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap237) 114
圖5-85 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap307) 115
圖5-86 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap310) 116
圖5-87 方法(一)、方法(二)與方法(六)之比較(tap312) 117

附圖E
圖5-88 0.4h高度之風壓孔位示意圖 118
圖5-89 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap37) 119
圖5-90 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap41) 120
圖5-91 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap45) 121
圖5-92 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap124) 122
圖5-93 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap126) 123
圖5-94 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap129) 124
圖5-95 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap202) 125
圖5-96 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap206) 126
圖5-97 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap210) 127
圖5-98 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap289) 128
圖5-99 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap292) 129
圖5-100 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap294) 130
圖5-101 0.8h高度之風壓孔位示意圖 131
圖5-102 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap64) 132
圖5-103 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap68) 133
圖5-104 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap72) 134
圖5-105 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap142) 135
圖5-106 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap144) 136
圖5-107 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap147) 137
圖5-108 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap229) 138
圖5-109 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap233) 139
圖5-110 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap237) 140
圖5-111 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap307) 141
圖5-112 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap310) 142
圖5-113 方法(一)、方法(三)與方法(六)之比較(tap312) 143

附圖F
圖5-114 0.4h高度之風壓孔位示意圖 144
圖5-115 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap37) 145
圖5-116 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap41) 146
圖5-117 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap45) 147
圖5-118 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap124) 148
圖5-119 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap126) 149
圖5-120 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap129) 150
圖5-121 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap202) 151
圖5-122 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap206) 152
圖5-123 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap210) 153
圖5-124 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap289) 154
圖5-125 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap292) 155
圖5-126 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap294) 156
圖5-127 0.8h高度之風壓孔位示意圖 157
圖5-128 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap64) 158
圖5-129 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap68) 159
圖5-130 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap72) 160
圖5-131 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap142) 161
圖5-132 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap144) 162
圖5-133 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap147) 163
圖5-134 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap229) 164
圖5-135 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap233) 165
圖5-136 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap237) 166
圖5-137 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap307) 167
圖5-138 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap310) 168
圖5-139 方法(二)、方法(五)與方法(六)之比較(tap312) 169

附圖G
圖5-140 0.4h高度之風壓孔位示意圖 170
圖5-141 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap37) 171
圖5-142 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap41) 172
圖5-143 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap45) 173
圖5-144 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap124) 174
圖5-145 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap126) 175
圖5-146 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap129) 176
圖5-147 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap202) 177
圖5-148 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap206) 178
圖5-149 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap210) 179
圖5-150 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap289) 180
圖5-151 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap292) 181
圖5-152 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap294) 182
圖5-153 0.8h高度之風壓孔位示意圖 183
圖5-154 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap64) 184
圖5-155 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap68) 185
圖5-156 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap72) 186
圖5-157 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap142) 187
圖5-158 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap144) 188
圖5-159 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap147) 189
圖5-160 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap229) 190
圖5-161 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap233) 191
圖5-162 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap237) 192
圖5-163 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap307) 193
圖5-164 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap310) 194
圖5-165 方法(二)、方法(六)與方法(七)之比較(tap312) 195

附圖H
圖5-166 0.4h高度之風壓孔位示意圖 197
圖5-167 所有方法之比較(tap37) 198
圖5-168 所有方法之比較(tap41) 199
圖5-169 所有方法之比較(tap45) 200
圖5-170 所有方法之比較(tap124) 201
圖5-171 所有方法之比較(tap126) 202
圖5-172 所有方法之比較(tap129) 203
圖5-173 所有方法之比較(tap202) 204
圖5-174 所有方法之比較(tap206) 205
圖5-175 所有方法之比較(tap210) 206
圖5-176 所有方法之比較(tap289) 207
圖5-177 所有方法之比較(tap292) 208
圖5-178 所有方法之比較(tap294) 209
圖5-179 0.8h高度之風壓孔位示意圖 210
圖5-180 所有方法之比較(tap64) 211
圖5-181 所有方法之比較(tap68) 212
圖5-182 所有方法之比較(tap72) 213
圖5-183 所有方法之比較(tap142) 214
圖5-184 所有方法之比較(tap144) 215
圖5-185 所有方法之比較(tap147) 216
圖5-186 所有方法之比較(tap229) 217
圖5-187 所有方法之比較(tap233) 218
圖5-188 所有方法之比較(tap237) 219
圖5-189 所有方法之比較(tap307) 220
圖5-190 所有方法之比較(tap310) 221
圖5-191 所有方法之比較(tap312) 222
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