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風洞試驗模擬評估

評估流程說明
簡介

「風洞試驗模擬評估」是一種針對高層建築與大跨距橋梁等土木結構所進行的縮尺物理模擬實驗,旨在探討並評估結構物在強風作用下的空氣動力行為與耐風安全性。執行評估時,必須在大氣邊界層風洞中精確模擬真實自然風場的遠場紊流特性與近場周邊地貌,並且無論是流場或結構模型,都必須嚴格遵守與原型結構間的模擬相似律(如雷諾數、福祿數、質量比等),以確保實驗結果能正確無誤地轉換至實體結構應用。依據不同的工程需求,具體的評估項目涵蓋建築物的整體風力、局部風壓與周邊行人舒適度,以及橋梁的風力係數、顫振導數與全橋空氣動力穩定性(如渦致振動、抖振與顫振等反應),進而為結構耐風設計提供可靠的數據與設計依據。

1 流場模擬

風洞中的風場模擬主要區分為「遠場」與「近場」兩項

遠場模擬(逼近流場)

主要模擬逼近紊流大氣邊界層的特性,透過錐形擾流板、粗糙元素、阻牆等元素的組合,模擬出目標地貌的邊界層流場(包含平均風速剖面、紊流強度剖面、積分長度尺度及能譜密度分佈)。

近場模擬(周邊地貌)

模擬標的建築物周邊的地形與鄰近建築物,以評估其對風場的影響。模擬範圍通常是以基地主建築為中心,半徑大於「鄰近高度超過60公尺建物最大寬度的8倍」或「300公尺」之較大者,依縮尺比例製作並放置於風洞轉盤上。

2 模擬相似律與縮尺決定

風洞試驗是縮尺的物理模擬,大多數的建築物風洞試驗的目的在於量測主要抗風系統所承受之風力,以及外部被覆物之表面風壓,結構因風力引起的振動行為對於風力與風壓特性影響可忽略不計,這類風洞試驗可被歸類為稱之為鈍體空氣動力實驗。執行建築結構的空氣動力實驗時,只需要選擇適當的實驗雷諾數,並維持時間縮尺、長度縮尺以及速度縮尺的一致性即可。

長度縮尺

長度縮尺代表風洞模型與真實結構在空間幾何尺寸上的比例。在決定長度縮尺時,必須考量阻隔效應。

速度縮尺

速度縮尺代表風洞試驗之目標風速與實場真實風速的比例關係,一般情況下,風洞試驗大多在經過適當縮尺後的較低風速下進行試驗。速度縮尺的決定通常受到各種相似律的牽制,例如雷諾數等。

時間縮尺

時間縮尺反映模型在風洞中隨時間變化的動態反應(如振動、受力歷時)與實場真實時間的對應關係,通常與結構的振動頻率或流場擾動頻率密切相關。在風洞試驗中,時間縮尺主要是透過史特赫數相似律來與長度縮尺、速度縮尺建立連動關係。

雷諾數(Reynolds Number)

慣性力與黏滯力的比值,一般紊流邊界場模擬建議在 $10^5$ 以上,具有銳角的建築或橋梁模型則需在 $10^4$ 以上。

阻隔效應

當模型過大超過風洞斷面積的5~10%時,會產生由阻隔效應引起的流場加速現象,導致量測誤差。

3 模型製作

建築物風洞試驗多屬於「鈍體空氣動力實驗」,因此多採用剛性模型,並著重於幾何縮尺的精確性。依據測試目的的不同,有不同模型的製作方式,介紹如下:

風壓模型(量測局部風壓)

模型外觀通常由壓克力製成。為了量測表面風壓,會在壓克力模型表面開設數十至數百個風壓量測孔,並在模型內部佈置大量管線,連接至底部的電子式壓力轉換器(掃描儀),以便同步讀取各測點的瞬時風壓。

高頻力平衡儀模型(量測整體風力)

採用剛性的建築縮尺模型,但不需開孔。重點在於將剛性模型穩固地安裝於具有高自然頻率的「五分量力平衡儀」上,藉以精確量測建築物基底的彎矩及剪力。

4 風洞試驗

針對高層建築設計規劃的需求,分別進行以下三項主要量測:

建築主要抗風系統所承受之整體風力試驗

主要分為「高頻力平衡儀法」及「同步風壓積分法」兩者,前者為透過五分量力平衡儀,直接量測建築模型基底的彎矩及剪力歷時反應。後者為藉由同步量測模型表面所有測點的壓力變化,再將壓力乘以各區塊面積,計算出每一瞬時的風力歷時反應。實務上亦常結合此兩者以互補不足(如組合扭矩的相關係數)。

局部構件及外部被覆物所受之局部風壓試驗

為獲得外牆與帷幕設計所需數據,通常會透過轉盤每隔 10 度改變一次風向,共計量取 36 個風向的表面風壓資料。各測點的瞬時風壓會透過電子式壓力掃描器以 200~300 Hz 的採樣頻率同步量測。

建築物周邊行人舒適性評估

針對行人經常出入或停留的地點(如建築物四周人行步道、出入口、街角等),在模型上配置測點,量測一般行人高度(約1.5m~2.0m)的風速變化。

5 數據分析與設計值計算

取得風洞量測數據後,需經過特定的分析流程轉換為實體建築的設計依據。

外牆被覆物設計風壓分析

量測到的各測點瞬時風壓,透過特定的分析流程,最終繪製成建築物各面的設計風壓等壓線與分區圖,供外牆設計使用。設計風壓分析流程如下:

  1. 1. 蒐集風壓試驗中各測點之瞬時風壓。
  2. 2. 進行各測點之風壓極值分析。
  3. 3. 計算出各測點之正負無因次化極值外風壓係數。
  4. 4. 轉換為實場之外風壓。
  5. 5. 計算實場各測點之內風壓。
  6. 6. 結合內外風壓,計算被覆物各測點之設計風壓。
  7. 7. 計算建築物各面設計風壓之等壓線。
  8. 8. 製作建築物之設計風壓分區圖。
  9. 9. 求得供設計使用的建築物被覆物之設計風壓。

結構整體風載重計算

將力平衡儀量測到的基底彎矩歷時數據轉換為頻譜密度函數,並經過簡易的振態修正後求得廣義座標風力頻譜,藉此計算出結構的動態反應及設計風載重。

行人舒適性綜合評估

將環境風場量測到的風速數據,配合當地氣象站真實的風速與風向資料,進行大樓興建前與完成後的周遭行人舒適性評估。詳細內容可參考本網站「環境風場評估」部分。

參考來源

1. 中華民國風工程學會. (2016). 風工程理論與應用.