風力是一種流體(空氣)透過阻礙物(建築結構)所產生的空氣動力現象,與阻礙物的幾何形狀有密切關係。概括來說,物體的形狀越是流線,其所受風力越小;只不過,一般的建築物與橋樑很難具有流線的外型。同樣地,對於某些柔度特性明顯的建築物與結構體,會進一步放大建築結構所受的風力。
對一般的建築物而言,地震力是主要的設計考慮,但是當結構物的高度需到達一定程度,如高層建築、巨型煙囪和高塔等,風力的影響就不容忽視,並且逐漸取代地震力,成為主要的水平設計載重。
高層建築需要考慮的使用功能性,遠比一般結構物複雜,在風力的影響上也不例外。一般而言,高層建築在設計規劃時,應列入考慮的風力影響有4項:①高層建築結構系統所承受的整體風力;②帷幕外牆所受的區域性風壓;③建築風擺造成的居住者舒適性問題;④環境微氣候,即鄰近的地面風場環境所造成的行人舒適性問題。
從高樓結構設計的觀點來看,作用於高層建築上的風力可分為順風向、橫風向與扭轉向風力,各個風向的風力又可分為平均風力與擾動風力。順風向風力主要由風場中的陣風造成,對於基本造型近似矩形柱體的建築物,大體上可以透過理論與實驗資料得到合理的評估。
在建築設計上,重要的橫風向擾動風力主要來自流體透過建築物時,發生的流體分離與渦散現象所造成的週期性作用力。當建築物的高寬比與柔度都很大時,在設計風速之內可能會發生結構共振現象,造成過大的振動反應。這個渦散分離現象引發的結構共振,與建築物的幾何造型及結構動力特性有密切關係,目前並無妥善的分析模式可供解析。
風洞實驗
對於一般幾何造型的建築物,扭轉向風力的影響小於順風向及橫風向風力。由於扭轉向風力也是源自流體分離,故亦無分析模式。所幸的是,橫風向與扭轉向風力對一般高層建築的影響有限,主要的設計風力仍由順風向風力控制。
近幾十年來,建築風工程已有長足進步,常見建築物(近似長方形,高寬比小,高度在數十米)所受的風力多能由風力規範計算得知。雖然近年來計算流體力學(CFD)進步很快,對於航天、汽車、機電方面的應用都有極大貢獻,然而,應用於建築物的複雜風力作用尚需一段時日。現階段探討建築風工程,仍以縮尺模型作風洞物理模擬最為有利。
執行風洞試驗時,需妥善考慮縮尺模型與實際高層建築之間的模擬相似率,唯有如此,風洞縮尺實驗結果才能確實應用於原型結構。設計高層建築的風洞試驗,需滿足流場以及結構空氣動力(或結構空氣彈力)的模擬相似性。建築風工程探討的是建築物在強風作用下的結構反應;以風洞進行縮尺模擬時,需要正確模擬:①自然風場特性;②高樓幾何特性;③正確的長度縮尺、時間縮尺與速度縮尺;④正確的高樓空氣動力效應;⑤對於少數超高層建築,需正確模擬建築結構的空氣彈力相似性。
風力是一種流體(空氣)透過阻礙物(建築結構)所產生的空氣動力現象,與阻礙物的幾何形狀有密切關係。概括來說,物體的形狀越是流線,其所受風力越小;只不過,一般的建築物與橋樑很難具有流線的外型。同樣地,對於某些柔度特性明顯的建築物與結構體,會進一步放大建築結構所受的風力。
對一般的建築物而言,地震力是主要的設計考慮,但是當結構物的高度需到達一定程度,如高層建築、巨型煙囪和高塔等,風力的影響就不容忽視,並且逐漸取代地震力,成為主要的水平設計載重。
高層建築需要考慮的使用功能性,遠比一般結構物複雜,在風力的影響上也不例外。一般而言,高層建築在設計規劃時,應列入考慮的風力影響有4項:①高層建築結構系統所承受的整體風力;②帷幕外牆所受的區域性風壓;③建築風擺造成的居住者舒適性問題;④環境微氣候,即鄰近的地面風場環境所造成的行人舒適性問題。
從高樓結構設計的觀點來看,作用於高層建築上的風力可分為順風向、橫風向與扭轉向風力,各個風向的風力又可分為平均風力與擾動風力。順風向風力主要由風場中的陣風造成,對於基本造型近似矩形柱體的建築物,大體上可以透過理論與實驗資料得到合理的評估。
在建築設計上,重要的橫風向擾動風力主要來自流體透過建築物時,發生的流體分離與渦散現象所造成的週期性作用力。當建築物的高寬比與柔度都很大時,在設計風速之內可能會發生結構共振現象,造成過大的振動反應。這個渦散分離現象引發的結構共振,與建築物的幾何造型及結構動力特性有密切關係,目前並無妥善的分析模式可供解析。
風洞實驗
對於一般幾何造型的建築物,扭轉向風力的影響小於順風向及橫風向風力。由於扭轉向風力也是源自流體分離,故亦無分析模式。所幸的是,橫風向與扭轉向風力對一般高層建築的影響有限,主要的設計風力仍由順風向風力控制。
近幾十年來,建築風工程已有長足進步,常見建築物(近似長方形,高寬比小,高度在數十米)所受的風力多能由風力規範計算得知。雖然近年來計算流體力學(CFD)進步很快,對於航天、汽車、機電方面的應用都有極大貢獻,然而,應用於建築物的複雜風力作用尚需一段時日。現階段探討建築風工程,仍以縮尺模型作風洞物理模擬最為有利。
執行風洞試驗時,需妥善考慮縮尺模型與實際高層建築之間的模擬相似率,唯有如此,風洞縮尺實驗結果才能確實應用於原型結構。設計高層建築的風洞試驗,需滿足流場以及結構空氣動力(或結構空氣彈力)的模擬相似性。建築風工程探討的是建築物在強風作用下的結構反應;以風洞進行縮尺模擬時,需要正確模擬:①自然風場特性;②高樓幾何特性;③正確的長度縮尺、時間縮尺與速度縮尺;④正確的高樓空氣動力效應;⑤對於少數超高層建築,需正確模擬建築結構的空氣彈力相似性。