淡江大學土木工程學系碩士班學位論文
淡江大學,正常發行
選擇卷期
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羅元隆(2020)曾經提及我國目前積極發展替代能源，風力發電更是其中最重要的一環，並且因為風機技術掌握於外國風機設計公司等受限原因，因此目前國內僅能間接獲取風力機基底的反力歷時並進行下部結構的設計。基於以上考量，本研究利用淡江大學風工程研究中心第一號大氣邊界層風洞實驗室進行風機縮尺模型的氣動力實驗，利用縮尺模型量測風機基底風力係數變化。離岸風機主要分布範圍靠近沿海一帶。當風吹過海平面時，水面會因不穩定現象而產生小的波紋和漣漪，成為風前進的粗糙表面。根據海氣象研究，海洋地況風速剖面較符合指數律α = 0.1 ～ 0.14的大氣紊流流場。因此，本研究藉由風洞試驗模擬海上流場，並對風速剖面進行分析。以日本規範AIJ 2015建議的參考值模擬D地況，接著以建築物風洞模擬中常見的C地況(α = 0.15)，平坦開闊地面或草原地況，與D地況進行平均風速、紊流強度及紊流積分尺度等剖面的比較。並繪製參考度(輪鼓高)的風速頻譜，以確認本研究模擬之流場可靠性。 接著本研究以常見之實場風機進行縮尺相似性的探討，得出所需之縮尺比例後，進行風機模型之製作與氣動力風洞試驗。試驗過程中，本研究利用高靈敏度的六力平衡儀進行風力量測(Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz)。六力平衡儀的主要功能為將各軸之力與彎矩同時且連續以高精度品質輸出，採樣頻率可達 8000 Hz，並增置一數位訊號處理器以解決當訊號高速輸出時，產生之軸間偏移與雜訊等問題。本研究實驗中，採樣頻率為1000 Hz，採樣時間為5分鐘，採樣長度為300,000個資料點。分析時採用每段分成8,192點，接著針對“風力機風攻角”與“葉片轉角”兩項參數去做改變，藉此來研究各種組合下的風力係數變化特性。藉由六力平衡儀量測到的基底剪力及彎矩，進行實場的一秒移動平均，接著計算平均風力係數、擾動風力係數及風力頻譜等重要風場參數。以“葉片轉角”跟“風攻角”分類繪製出各曲線圖，同時比對兩個地況的差異性，並加以探討每個係數值其主要受到的影響原因。另外，本研究亦參考J. Jonkman(2009)針對5MW Reference Wind Turbine此海上機型的定義及設計，其中，本研究亦與OpenFAST軟體所輸出之風力歷時進行比較，探討以風洞實驗為主以及以目前國際社會常用之風場模擬軟體為主的差異性。
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根據美國最新規範ASCE7-16之修訂結果，風力係數及風壓係數皆有更加保守的趨勢，表示對於未來極端氣候的防範更為提升。我國風力規範所參考之ASCE7-88及ASCE7-02，距今已有十幾年差距，同時在第三章局部構材及外部被覆物之設計風壓係數其實為參考美國規範並乘上一個倍數而得，基於此，希望透過本研究之實驗以及計算來確立出一套能夠探討這部分的流程，並與規範進行初步的比對。 本研究之主要目的為探討低矮建物之局部風壓係數受有效受風面積之影響，在此藉由傳統的風洞物理模擬方法作為進行內容各部分的探討依據。首先在風壓係數部分，選擇數座具代表性的低矮建築物作為風洞試驗之模型，量取其表面風壓並分析成風壓係數，之後再進行面積加權之計算以探討有效面積之影響。同時將本研究中不同模型之實驗成果進行比較，最後將本研究所認為之最佳成果與規範進行初步的比較與討論。本研究分別於內政部建築研究所風雨風洞實驗室以及淡江大學風工程研究中心第一號大氣邊界層風洞實驗室進行縮尺模型的風壓量測實驗。將量測到之各模型表面動態分壓分布，利用參考風速壓來計算風壓係數。接著利用以甘保分布為基礎的極值分析估算出最佳極值風壓係數，並利用該設計值進行面積加權動作。 比較其結果可推測，將估算出之最佳極值風壓係數的結果進行面積加權後，比對本研究中不同模型之實驗成果並探討其面積效應之影響，同時與現今台灣建築耐風設計規範之第三章之內容進行初步之比較。透過以上的流程確立出與規範第三章局部構材及外部被覆物之設計風壓係數比對的一套流程，並希望以此作為判斷現今規範設計值保守與否之初步分析。
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運營和維護(Operation and Maintenance, O&M)階段是設施生命週期中最長的階段，在此期間，設施維護管理 (Facility Maintenance Management, FMM)人員開展活動以提供舒適的生活和工作環境，並維護設備以防止功能故障。依據研究統計，FMM成本的三分之二是耗損於低效率。因此，如何提高FMM的效率已成為建築、工程、施工和運營 (Architecture, Engineering, Construction and Operations, AECO) 行業的一個熱門和重要研究課題。 傳統方法中FMM人員攜帶施工圖紙到現場，並需要花費大量精力去尋找正確的圖紙以獲得所需的信息。因此，許多電腦化系統已經被開發出來，以提高FMM人員活動的效率。 近年來，新興的擴增實境 (augmented reality, AR)通過將虛擬信息與實體世界相結合，在促進FMM活動方面展現潛力，率續有研究應用AR於FMM，提高FMM的效率。然而這些研究有其優點，卻也有以下局限性: (1) 在現場維護過程中，FMM人員有時需要向辦公室的另一位管理人員口頭描述現場情況，或訪問存儲設施信息的地點。管理人員之間的遠程溝通和與信息存儲地點的距離往往會阻礙有效的溝通或信息檢索，或者兩者都有。在大型數據庫中尋找與某一特定設施管理問題相關的信息也是一種挑戰。 (2) 儘管一些研究提供了設備系統或設備部件的維護時間表，但維護工作單的時間表不夠具體，無法決定哪個具體部件應比其他部件更優先考慮。 本研究在將Revit模型導入Unity軟件的同時，將設備製造等非幾何數據導入Microsoft SQL Server Management Studio (Ms-SQL) 數據庫，並提出了一個Unity AR應用程序，供住戶向FMM人員發送請求，以及FMM人員管理他們的請求並儘快解決請求：(1) 允許FMM人員立即搜索故障設備的信息，(2) 進行初步檢查並確定故障設施的位置，並提供故障設施的元素/設備信息。(3)允許FMM人員設定維修順序的優先級（報告時間、嚴重程度等）。
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自工業時代以來，持續的燃燒化石燃，使大氣溫度不斷上升，然而天氣變得更加極端，這意味著會有更猛烈的風暴、強風。這些天氣變化也帶來了挑戰。而台灣地區位處於熱帶地區，每逢夏季受熱帶氣旋影響，每年平均會出現三次以上的颱風侵襲，然而天災帶來的損失是極其重大，因此在結構物安全性及舒適性的考慮是不可或缺的。然而世界各地對於風載重之設計皆有一定程度之發展，有著相當多理論以及規範，不過皆是基於較穩定之風場狀況來進行探討，忽略許多實際存在於大自然中急劇變化的天氣現象，使得在設計上趨於保守。颱風、雷雨等急劇變化的天氣特性對於建築物之影響，將會是未來著重探討的項目之一。 本研究利用位於淡江大學風工程研究中心的主動控制型、開放式複數風扇風洞機具，探討當氣流在穩態流和急加速的變化下對於二維圓柱之氣動力現象;本研究主要分成四個部分進行實驗：(1)使用淡江複數風扇風洞模擬定常性流場風速範圍為4 m/s ~ 14 m/s以每1 m/s作為間隔，共有11種均勻風速剖面，與非定常性流場4 m/s加速至14 m/s，加速時間2s、4 m/s加速至14 m/s，加速時間5s兩種加速氣流場。(2)將圓柱模型放入上述(1)進行定常性以及非定常性之風洞試驗。完成上述(1)、(2)項實驗後，再進行(3)模型係數的探討，比較圓柱模型在不同的穩態流(低紊流)及加速氣流下的表面風壓分布特性及拖曳向、升力向風力係數的差異。(4)進而改變加速區間探討加速區間的變化是否會造成係數上的影響。數據分析上，透過比對算術平均（Arithmetic average）以及集合平均(Ensemble average)之概念，數據在定常性以及非定常性下的一致性以及正確性。針對渦散特性之探討則使用短時傅立葉轉換(STFT)。然而更進一步探討圓柱是否與深寬比1:1之方柱在非定常性流場下，模型表面風壓與風力係數是否有相同的現象發生，並討論加速區間的長短是否會因幾何形狀的關係而有不同的趨勢。
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隨著現今人口密度提高造成建築物高度逐漸上升，對於高樓建築物之安全性以及舒適性的要求提升，結構物抗風之設計成為相當重要的一環。然而世界各地對於風載重之設計皆有一定程度之發展，有著相當多成熟之理論以及規範，不過皆是基於較穩定之風場狀況來進行探討，忽略許多實際存在於大自然中急劇變化的天氣現象，使得在設計上趨於保守，因此颱風、雷雨等急劇變化的天氣特性對於建築物之影響，將會是未來著重探討的項目之一。 本研究使用淡江大學複數風扇風洞實驗室，探討當氣流在急加速的變化下對於二維方柱之氣動力現象。實驗部分可分為兩階段，分別為流場模擬以及氣動力實驗。在流場實驗中，定常性流場設定13種不同的均勻風速剖面；非定常性流場透過調整初始風速、結束風速及加速時間，來定義四種不同的變換方式；氣動力實驗則採用深寬比1之二維方柱模型，依照上述之流場設定進行表面風壓之量測。數據分析上，透過比對算術平均（Arithmetic average）以及集合平均（Ensemble average）之概念，說明數據在定常性及非定常性下之一致性以及正確性。針對渦散特性之探討則使用短時傅立葉轉換（STFT）以及連續小波轉換（CWT）來進行比對，進而找出在時頻分析上的最佳方法。最後透過Yang and Mason（2019）中所提及的無因次化加速度（ap），針對各項氣動力參數進行數據上之計算與探討。 結果顯示，無因次化加速度（ap）之最大值可以用來表示流場開始進行加速的時間點，在初始風速小的Case中ap數值會越大，其所對應之平均及擾動風壓係數數值下降幅度也越大。當ap所表現出之斜率越大，則係數變化之幅度隨之提升，而帶寬越小其回復至定常狀態所需之時間會越快。在加速時間延長的Case中，由於變化之幅度偏低，在各項參數幾乎沒有變化。在渦散特性的比對中，可以看出使用STFT之方式可以有效地進行各時間段的頻率切分，觀察到史特赫數隨著急加速而產生出不穩定之變化的現象，最後以量化的方式呈現出非定常性與定常性結果差異之倍數。
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隨著社會經濟發展、人口密集，導致建築物高度提升、相互間之距離縮減。而群體型建築物之干擾效應會使流場產生變化，進而改變其氣動力現象。以往，已有許多學者針對三維之雙棟建物進行研究與探討，而由於三維流場之高度複雜性，加上干擾效應之成因為諸多不同因素形成，導致此研究目前仍停留在以實驗數據呈現其結果之階段，無法依照各干擾成因分別獨立探討，且未能與設計風載重之規範進行結合。因此本研究選擇採用以二維方式進行實驗，深入探討風力於雙方柱之相互干擾影響下之變化，及其引致之雙穩態現象。 本研究使用淡江風工程研究中心之橋梁斷面模型風洞，進行雙方柱之氣動力與強制振動實驗，並以壓力量測系統取得雙方柱之風壓數據。以單方柱之氣動力現象做為對照數據，將雙方柱之氣動力現象與其進行比較，觀察當雙方柱改變其之間距離時，其相互間所造成的干擾影響。且特別探討雙方柱於特定間距下所引致的雙穩態現象，主要與Sakamoto（1988）之結論進行驗證與討論。且更透過8%紊流下之雙方柱氣動力實驗，將其現象於不同紊流流場下之變化能更加完整地呈現，初估出雙穩態現象於不同紊流強度下之變化趨勢。 本研究於氣動力實驗之結果顯示，上游方柱會因下游方柱之存在而受抑制，下游方柱則因上游方柱之遮蔽影響，其本身承受之風速偏低於上游方柱。並於紊流強度0.5%下，發現雙穩態現象出現在X⁄D=3.25~3.6之間距內，其兩種流場特性以間歇交替性形式進行轉換，而於8%紊流雖無發現此現象之產生，但其流場則以連續性形式依照相同趨勢轉換其特性。
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現今高樓林立，且越高之建築物受風力影響越大，而高樓與高樓之間存在相互影響關係，因此本研究選用兩種幾何斷面(方柱及圓柱)、不同干擾位置及不同風場的模擬，進行高層建築物的風力和結構干擾效應探討。 本研究試驗，採用氣動力之方式，將高剛性縮尺模型置於一具高自然振動頻率之六力力平衡儀上，同步量測六力瞬時資料。其中瞬時資料包含基底剪力(Base shear)、基底彎矩(Base moment)和扭矩(Torque)。模型選用方形與圓形斷面之三維模型，固定模型高0.6 m，且保持兩模型的斷面積0.01 m^2。風場模擬選用我國《建築物耐風設計規範及解說》中三種標準地況，參考風速為固定模型高9.2 m/sec。數據電壓值經電腦計算轉換為各風力統計值，並利用頻譜分析理論計算結構物的擾動位移和擾動加速度反應。 本研究數據分析，分為等高線分布圖分析與特定位置干擾分析兩種。等高線分布圖以兩相同斷面組合研究，探討三種不同模擬風場與不同間距之干擾效應；特定位置干擾以四種斷面組合研究，探討C地況下，五個系列不同間距之干擾效應。最後研究結果發現，風力反應與結構反應干擾效應是存在兩高層建築之間，且風力反應與結構反應之干擾效應發現結果不盡相同，甚至同樣位置之干擾效應風力反應減小、結構反應放大。兩高層間之干擾效應，與流場紊流強度、流場α指數、主要建物斷面幾何與干擾建物斷面幾何息息相關。