ASCE-10設計風力

賴映宇 結構技師

前言

台灣地區建築結構中，除低矮鋼構廠房建物與摩天大樓外，大多以設計地震力作為控制載重，因此，業界對風力的鑽研並不興盛，台灣要以帷幕牆業界最常採用風力設計外牆構件，大都引用最新版之美國規範。美國風力設計規範包含在Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures 中，近年更新之版本為ASCE/SEI 7-98、ASCE/SEI 7-02、ASCE/SEI 7-05、ASCE/SEI 7-10，大約4年進行一次改版。台灣於民國96年1月1日由內政部頒佈之「建築物耐風設計規範與解說」主要係參考ASCE/SEI 7-02版本，再配合台灣中央氣象局自1947年以來之風速資料進行制定，此一規範頒布至今已近6年，而帷幕牆業界普遍採用最新版本之ASCE/SEI 7-XX做為參考設計風力，故將近版之ASCE/SEI 7與國內耐風設計規範做一整理比較。

設計風壓

一、基本設計風速

「耐風設計規範與解說」2.4節定義之基本設計風速為「任一地點之基本設計風速V₁₀(C)，係假設該地點之地況種類為C類，離地面10公尺高，相當於50年回歸期之10分鐘平均風速，其單位為m/s。」，此處定義大都沿用ASCE/SEI規範，惟ASCE/SEI採用3秒平均風速，台灣規範基本設計風速依據中央氣象局提供之10分鐘平均風速資料訂定。

依據Durst Curve可針對不同平均風速作一轉換，3秒平均風速較10分鐘平均風速高約1.443倍，「耐風設計規範與解說」已將此一差異以陣風反應因子攤除。

二、用途係數

「耐風設計規範與解說」2.5節定義之用途係數為「一般建築物之基本設計風速係對應於50年回歸期，為提高重要建築物之基本設計風速為100年回歸期，並降低重要性較低建築物之基本設計風速為25年回歸期，訂定用途係數I」，台灣分為五類建築物，用途係數自1.1～0.9；ASCE/SEI 7-10取消用途係數的定義，改以不同回歸期之設計風速做為建物重要性的差異。

ASCE/SEI 7-10中，依據建築物重要性不同，基本設計風速分別對應300、700及1700年回歸期。

回歸週期之轉換因子ASCE定義為0.36+0.1*ln(12T)，T為回歸週期。

表1 不同回歸期之轉換係數

由表1可知以50年回歸期為基準，對應不同回歸週期之轉換係數。台灣將重要性較低之建築物設定其設計風速回歸期為25年，由上表知轉換係數為0.93，故訂定用途係數為0.9；重要性較高之建築物其設計風速回歸期為100年，由上表知轉換係數為1.07，故訂定用途係數為1.1。

三、風速壓

「耐風設計規範與解說」2.6節定義風速壓為「風吹至建築物上而完全靜止時，對建築物產生之壓力稱為風速壓，其與風速的關係如。」

ASCE/SEI 7-05 中，qz=0.613*K_z*K_zt*K_d*V²*I (N/m²)；V in (m/s)　　　(1)

ASCE/SEI 7-10 中，qz=0.613*K_z*K_zt*K_d*V² (N/m²)；V in (m/s)        (2)

「耐風設計規範與解說」中，q(z)=0.06*K(z)*K_zt[I*V₁₀(C)]² (kgf/m²)；V in (m/s)         (3)

其中K_z、K(z)為風速壓地況係數，K_zt為地形係數，K_d為風向係數，

　　V、V₁₀(C)為基本設計風速，I為用途係數

設計差異

以極限設計法設計結構物時，載重因子如下表所列。

表2 極限設計法設計結構物之載重因子

D為結構靜載重，W為結構設計風力。

由表2可知，ASCE/SEI 7-05與ASCE/SEI 7-10風力載重組合相差1.6倍，而設計風速壓以300年回歸期而言相差1.18²=1.39；700年回歸期而言相差1.26²=1.59；1700年回歸期而言相差1.35²=1.82。

若將用途係數及載重因子一併計入，並先假定地況係數、地形係數及風向係數等皆相同，取為1.0，則設計載重如下表所示。

表3  用途係數及載重因子併入之設計載重

由此可知，ASCE/SEI 7-05與ASCE/SEI 7-10訂定之基本設計風速雖不相同，然將用途係數與載重因子一併計入考量後，所得出之設計風力相同，對設計者而言並無差異。而「耐風設計規範與解說」在重要性較高的建築物所採行之設計風力較ASCE/SEI大；重要性中等的建築物設計風力相同；重要性低之建築物設計風力反而略小。 

結論與建議

以同樣重要性的建物而言，「耐風設計規範與解說」所得出之設計風力較ASCE/SEI約有5~8%差異。

未來修訂耐風設計規範時，建議可跟隨ASCE/SEI 7-10作法，採用回歸期分別訂定出建築物的重要性，以貼近耐震設計規範訂定精神。

參考文獻

[1]  ASCE, “Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures”, ASCE/SEI 7-98.

[2]  ASCE, “Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures”, ASCE/SEI 7-02.

[3]  ASCE ,“Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures”, ASCE/SEI 7-05.

[4]  ASCE ,“Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures”, ASCE/SEI 7-10.

[5]  “建築物耐風設計規範與解說”，民國96年1月1日。

[6]  陳郁潔。“高層建築帷幕牆設計風壓規範之解說與比較”。帷幕牆會刊，第20期