系統識別號 | U0002-1707202023583100 |
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DOI | 10.6846/TKU.2020.00491 |
論文名稱(中文) | 考慮風向性對局部設計風載重的影響 |
論文名稱(英文) | Estimation of local wind loads considering wind directional effects |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 土木工程學系碩士班 |
系所名稱(英文) | Department of Civil Engineering |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 108 |
學期 | 2 |
出版年 | 109 |
研究生(中文) | 李紹緯 |
研究生(英文) | Shao-Wei Li |
學號 | 608380035 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
口試日期 | 2020-07-06 |
論文頁數 | 222頁 |
口試委員 |
指導教授
-
羅元隆(yllo@mail.tku.edu.tw)
委員 - 王人牧(wang@mail.tku.edu.tw) 委員 - 陳若華(rhchen@ctu.edu.tw) |
關鍵字(中) |
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 |
關鍵字(英) |
wind direction non-probability Gumbel distribution GEV distribution |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
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. |
第三語言摘要 | |
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 |
參考文獻 |
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