蘇迪勒風災探討風機受損

前言

今年8月8日之蘇迪勒颱風來得快去得也快，短短兩天就橫掃全台灣，其最大風級達蒲福氏(Beaufort scale)17級，最大風速高達每小時220km，約為每秒60公尺。蘇迪勒颱風所造成之災害，固然也有一些水患，但劇烈之風災值得探討之課題更多。

一般性之風災

本次之風災，計有無數電桿折腰仆街、全台4百多萬戶停電、1,219所學校受創、招牌看板東倒西歪、北高之路樹近2萬棵仆街蓋地、新北烏來宛如孤島、風力發電機8部嚴重受損、8節貨運火車翻箱倒櫃、全世界最大之風力阻尼(TMD)搖晃振幅高達100公分、後續之龍捲風拔樹掀屋、街道滿目瘡痍，且捲起人車齊飛30公尺等，尚有歪腰之郵筒被列為觀光之景點，堪稱史上最嚴重之風災禍害。值得探討與改善之課題頗多，謹就風力發電機之受損探討如下。

風力發電機之受損

蘇迪勒颱風共吹壞了8部台電之風力發電機，據中央通訊社報導，台中港高美溼地被颱風吹倒6座，有一座葉片斷掉；而北海岸石門發電站，則有一台塔架折斷，另一台是機艙與葉片燒損，高度大部分為30公尺。台中港之風力機已商轉12年，為台電第一期引進之風機，而石門風力機則商轉11年。另據自由時報報導，每座風機之重量約有200噸，每片葉片約有2噸，風力機向荷蘭購買，每座造價約為新台幣七千七百萬元，每座機組每年約可供電450萬度。原設計之抗風級數為16級風，蘇迪勒颱風在台中梧棲港之陣風亦為16級風，卻造成嚴重受損。風力發電機之示意如圖1。

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圖1 風力發電機示意圖

風力發電機以接受風吹之能量為主，其設置地點都在空曠場所，才能大量接受風能。地況之阻礙較小，風阻係數相對減小，其設計之耐風能力則應提高，況且風機為了減少主柱之風壓，都採用圓形之斷面，約可消散1/3之風力。換言之，受風桿之耐風性能應十分良好。然而如此高標耐風之設計，卻有數座承受不了蘇迪勒颱風之摧殘，攔腰折斷，推測其原因不外乎：

1.耐風設計之級數與安全係數是否足夠?

2.材料之品質有無不符設計之標準?

3.施工之品質有無未達設計之要求?

4.結構設計是否考慮動態效應?

5.長期承受風吹之柱體有無疲勞現象等?

其中值得探討的技術是結構物受風之動力分析與結構物之疲勞狀況。

一、動力分析

當高聳之受風支柱承受局部陣風時，受風柱容易左右擺動，其來回擺動之頻率，若與陣風之頻率相接近時，會造成共振效應，振幅會逐漸擴大而益發不可收拾，終致破壞斷裂，甚至倒塌。雖然受風桿本身有阻尼性能，結構動力學仍然存在共振之問題。按照結構動力學分析，具有阻尼設置之結構體其最大動態載重因數(dynamic load factor)為：

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式中

DLF：動態載重因素，為動態穩態變位與靜態變位之比值。

r：頻率比，為作用力發生頻率與自然頻率之比值。

ξ：阻尼比，為構造物之阻尼與臨界阻尼之比值。

如以不同之阻尼比繪製上式之函數曲線，如圖2所示，當頻率比等於1 時，共振效應最顯著，動態載重因素也最大。

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圖2 最大動態載重因素

假設某鋼管之直徑150cm，厚度4cm，高度30m，自重與設備靜重合計為180mt，質心高度20m，承受風壓300kgf/m2，圓弧受風面之面積乘以2/3計算，系統阻尼比0.1，則可估計不同陣風頻率作用下之動態載重因素如表1，當陣風頻率為0.68hz時，設施之最大變位將放大5.02倍。如將阻尼比調整為0.05時，在0.68hz頻率之振動下，最大變位則將放大至9.71倍（表1看不出來）。

表1 各種振頻之最大動態載重因素

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二、疲勞問題

對於承受動態作用之結構物，如果往復之振動，既頻繁又快速，將使材料疲勞，而降低其強度。長期的往復振動，會從材料外部之細小缺口、或內部之氣孔率先裂損，當振動持續發生時，裂損會逐漸蔓延，終至全面斷裂。構造物之疲勞破壞會瞬間發生，令人措手不及，只有靠平時之定期檢查及防護。

依照鋼結構設計規範，承受往復式載重之次數在20,000次以上者，必須考慮疲勞設計。振動次數愈高，其容許之應力差值愈小，以軋製之鋼料為例，容許之應力差值如表2；載重狀況之定義則如表3所示。所謂應力差值，係指最大反復張應力與壓應力之數值和，或相反方向之最大剪應力之數值和。從表2顯見，反復次數較高之載重狀況，其容許應力差值明顯降低，載重反復在500,000次以上之結構，其容許應力差值僅為20,000次之1.69/4.43=38%。因此，抵抗疲勞之設計，必須十分嚴謹。

表2 容許之應力差值(t/cm²)