風力作用

風力作用
國立新莊高級中學汪惠玲老師編輯/國立台灣師範大學地球科學系陳正達教授責任編輯

風是我們在日常生活中非常熟悉的大氣運動，但當風速過大時，常會破壞地形地物而造成生命財產的損失。風是如何產生破壞作用的呢？其主要的運作方式可以分為直接風壓、吸力及渦流等三種方式。

風壓

物體迎風而立就會受到風壓，在風速大的狀況下，如果這些迎風而立的建物支架或結構體不強時，則易因風壓過大而折斷破壞，物體承受風力的大小，可以用物體迎風面積及風壓來計算，而風壓則隨風速大小而改變。

wp(風壓)=v(風速)**2/1600[kN/m**2]

此為標準狀態下(氣壓為1013 hPa,溫度為15℃,空氣單位體積重量r=0.01225 kN/m**3，重力加速度g=9.8m/s**2) 時，每平方公尺所受風壓。以風速代入，再以垂直於風向的受力面積乘上風壓，就可以算出整個支架所受的力。如以廣告招牌承受10級風為例，其風速相當於 24.5-28.4m/s,取風速上限28.4m/s,得到風壓wp=0.5 kN/m**2,相當於每平方公尺廣告牌要承受約51公斤重的力。因此招牌如果面積過大，或者有時戶外架設巨大的布幕時，支架及結構的強度是非常重要的考量。

吸力

從白努力原理(Bernoulli principle)─流動的流體(液體或氣體)其壓力比靜止時低可以推知，當風通過有形狀變化的屋頂(如瓦片或波浪狀的鐵皮屋頂)時，必須經過較長距離的那一端就會加速，由於加速，使得壓力下降，壓力下降的程度與風速的平方成正比。但在建物內側，即屋頂下方的氣壓並未改變，而此壓力差會使屋頂承受一股往上的作用力，尤其在屋脊、屋簷處，流體通過此銳緣後產生造成極大之吸力(suction force)，建築物的屋頂常因此被掀飛。這些在空中飛行的石板或鐵板是非常危險的。為了預防屋頂被掀飛，在常有大風侵襲的地區，往往會特別注意屋頂的設計，如支座固定的加強，或用石頭來加重屋頂的重量等。

渦流

當風經過非流線型結構時會產生渦流(vortex)，這種作用力會對結構物形成周期性之擾動外力，引起建物的振動，而振動的建物又會反過來影響流場，改變空氣的作用力。如果建物的自然頻率與風渦流造成的振動頻率相近，就容易導致共振(resonance)發生。如美國塔科馬海峽(Tacoma Narrows)吊橋在1940年11月7日，即完工開放後四個月時便發生崩塌，就是建物因與風共振而被拆解的著名例子。

一般超高層結構物勁度較傳統結構物小，自然頻率較低，容易與風發生共振，台灣的超高層建築─101大樓，在高達101層的建物中，於87-92層間裝設有巨大的風阻尼球，便是為減少建物共振的幅度，避免生活於其中的人員產生不適，減少建物被破壞的可能性。

參考資料：
1. 狂風起兮，Michael Allaby著，張風蕙譯，2001年，寰宇出版。
2. 廣告牌和風壓計算：http://www.t7online.com/feature/news130601.htm
3. Tacoma Narrows Bridge，維基百科，http://en.wikipedia.org/wiki/Tacoma_Narrows_Bridge
4. 如何幫大樓抗風防震？淺談台北101大樓阻尼器，http://epaper.ce.ntu.edu.tw/vol.21/101damper-1.html