C-07-04

第26回計算工学講演会

計算工学講演会論文集

計算工学会

Vol.26 (2021年5月)

風荷重が作用する枠組足場の倒壊挙動に関する数値解析的評価
Numerical Evaluation on Collapse Behavior of Prefabricated Scaffolds under Wind Loads多湖拓海1)，磯部大吾郎2)
Takumi Tago and Daigoro Isobe
1) 筑波大学大学院（〒305-8573 茨城県つくば市天王台1-1-1, E-mail:s2120868@s.tsukuba.ac.jp)
2) 博(工) 筑波大学教授（〒305-8573 茨城県つくば市天王台1-1-1, E-mail: isobe@kz.tsukuba.ac.jp）
Numerical evaluation on collapse behavior of prefabricated scaffolds are conducted under wind loads withvarious speeds and angles. The Adaptively Shifted Integration (ASI)-Gauss method, which can stably
calculate non-linear phenomena such as fracture, is used as a numerical method in this research. The
numerical results show that timing when wall ties are pulled out varies depending on wind speed andattachment interval of wall ties. Furthermore, it is turned out that when any wall tie is pulled out, the otherwall ties are pulled out as in a chain reaction.
Key Words : Prefabricated Scaffolds, Wind Loads, ASI-Gauss Technique

1． 序論
近年，強風による足場の倒壊被害が相次いでいる．最近
では，東急東横線沿いの建設現場に建てられた足場が倒壊し，線路内に覆いかぶさったことで交通機関に被害が生じ，約17万3800人に影響が出た[1]．事故当時，北西から最大瞬間風速16.4 [m⁄s]の強風が吹いており，建物東側に設置された足場が倒壊した．このように，足場の倒壊は近隣に甚大な被害を引き起こす危険性があり，防止するための方策が必要である．
足場が風荷重によって倒壊する主な原因としては，足場と建物壁面を接続している「壁つなぎ」（図-1）と呼ばれる部材が壁から引き抜かれることが挙げられる．壁つ

図-1

壁つなぎ

図-2

枠組足場

なぎ自体の引張強度，圧縮強度はともに十分に高いものであるが，それらに比べて壁つなぎを壁面に固定させるために打ち込むアンカーの引き抜き強度は著しく低いことが既存の研究[2]で明らかになっている．また，設計指針として風荷重に対する足場の安全技術指針[3]が示されているが，想定以上の風荷重が作用した際の足場の安全性については不明瞭な点が多く，そのような場合の足場の挙動について評価することは足場の安全性向上に際して極めて重要であると考えられる．
そこで本研究では，多くの現場で一般的に用いられている枠組足場（図-2）に対し，風荷重を作用させたときの倒壊挙動を数値解析によって調査する．パラメータは壁つなぎの取り付け間隔，風速および風向角とし，それらの差異による倒壊発生の有無および倒壊挙動の違いを評価

枠組足場には多くの部材が用いられているが，本研究する．解析手法には，最小限の要素分割で大規模構造物をでは，足場の強度に寄与していると考えられる建枠，床付解析することができるASI-Gauss法[4]を用いる．

き布枠，交差筋交い，壁つなぎのみをモデル化した．建枠

2． 枠組足場の数値解析モデル(1) 枠組足場の各部材の概要© 一般社団法人 日本計算工学会

は，足場の構造に対し柱の役割を担う部材であり，脚柱，横架材および補剛材を溶接したものである．床付き布枠- C-07-04 -C-07-04

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トを表現し，9807 [N]の引張軸力が作用したら破断させる

建物Yこととした[9]．最下層の脚柱下端の拘束条件は，最も危（単位：mm）険と考えられるピン接合，壁つなぎの取付金具は完全固X定とした．

3． 枠組足場の倒壊解析

建物

20675
Z

(1) 風荷重の設定
本解析では，枠組足場の第1構面側の脚柱と横架材の交Z

900
X23700
図-3 解析モデルの平面図および立面図点182点それぞれに，それらの点における風速に基づいて計算される風荷重を与える．枠組足場に作用する風荷重

Y𝑃 [N]は次のように求める．
𝑃 = 𝐶𝑞𝑧 𝐴は，建枠間に渡し，作業床となるものである．壁つなぎは，(1)

足場を建物壁面に固定させるものであり，アンカーを介𝐶，𝑞𝑧 ，𝐴はそれぞれ風力係数，速度圧 [N⁄m2 ]，作用面積して固定されている．

[m2 ]である．速度圧𝑞𝑧 は次式で与えられる．
1𝑞𝑧 = 𝜌𝑉𝑧 2
2(2) 解析モデル
枠組足場全体の解析モデルを図-3に示す．解析対象の枠(2)組足場は，既存の研究[5]の風洞実験と同様，12層13スパ

ここで，𝜌，𝑉𝑧 はそれぞれ空気密度 [kg⁄m3 ]，高さ𝑧 [m]にンの枠組足場とする．各部材の詳細な寸法は各メーカーおける風速 [m⁄s]である．なお，𝑞𝑧 と𝑉𝑧 の下添え字𝑧は，によって異なるため，解析モデルを作成する際には既存地表面からの高さ𝑧 [m]に依存する量であることを表す．の研究[6]で用いられていた寸法および規格[7]を参考にし

空気密度は大気の気圧や温度によって異なるが，ここた．建枠と床付き布枠，建枠と交差筋かい，建枠と壁つなでは一般に風荷重の概算で用いられている𝜌=ぎの結合部はピン接合とし，壁つなぎの主材と取付金具1.25 [kg⁄m3 ]とする．𝑉𝑧 は指数分布[10]に基づいて次のよの場合と同じ方法で模擬した．

うに求める．
𝑧 𝛼
𝑉𝑧 = 𝑉0 ( )𝑧0

防音シートはモデル化していないが，シートの単位面積当たりの質量を1.2 [kg⁄m2 ]とし，枠組足場の第1構面側(3)に密度として加えることで重量のみ考慮した．なお，第1

ここで，𝑧0 ，𝑉0 ，𝛼はそれぞれ基準高さ [m]，𝑧0 [m]にお構面とは，建物から見て外側の面のことである．

ける風速 [m⁄s]，風速の鉛直分布を表す指数である．本解壁つなぎの本数は30本とし，図-4のように設置間隔を変析では，基準高さを足場の高さである𝑧0 = 20.625 [m]とえて取り付ける．分散型は2，4，6，8，10層に6本ずつ，し，𝑉0 = 15~34 [m⁄s]とする．指数𝛼は4~9階の中層建築

上層密型は4，8層に8本ずつ，10層に14本取り付ける．た物が主となる地域を仮定して，𝛼 = 0.27とする[3]．

だし，分散型のように壁つなぎを均等に配置するのが一次に，枠組足場の風力係数𝐶を求める．既存の研究[5]では，風洞実験によって図-5のような風向角𝜃に風力係数𝐶般的である．
外壁面から引き抜かれることを表現するために，壁つが依存することが示されている．既存の研究の風洞実験

なぎの取付金具に2000 [N]の引張軸力が作用したらそのおよび仮設工業会が定めている，建物に併設された足場要素を破断させることとした[8]．また，建枠間についての設置位置による補正係数を参考にして，図-6のように風も引き抜きを考慮して，微小要素を用いて脚柱ジョイン

力係数𝐶を決定した．

：壁つなぎの取り付け位置Z（b）上層密型配置（a）分散型配置
X© 一般社団法人 日本計算工学会

図-4

壁つなぎの取り付け位置- C-07-04 -C-07-04

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100

風荷重 [kN]80

建物Y𝜃 = 0°

𝜃 = 180°60

𝜃 = 90°40200-20𝜃X
図-50

風123456789時間 [s]風向角𝜃

図-7 足場全体に作用する風荷重（𝑉0 = 15 [m⁄s]）（a）𝜃 = 0°（b）𝜃 = 180°
図-6（c）𝜃 = 90°

風力係数𝐶の分布

作用面積𝐴は風荷重を加える節点が負担する面積とすとして，「層番号-左端から数えた番号」を用いた．𝑉0 =る．同じ高さにある節点であっても，端部の節点の作用面

15 [m⁄s]のとき，図-11から分散型，上層密型ともに壁つ積はそれ以外の節点の半分となる．

なぎは1本も引き抜かれておらず，倒壊には至らなかった．

以上から各風速における風荷重を算出する．風向角𝜃 =この傾向は，𝑉0 = 16~18 [m⁄s]でも同様に確認された．

0°，180°，90°の順に吹くと仮定し，時間増分を0.001 [s]，𝑉0 = 19 [m⁄s] の と き ， 分 散 型 で は 壁 つ な ぎ の 軸 力 が解析時間を9 [s] とする．風荷重は動的荷重として与え，7.037~7.212 [s]で2000 [N]を超え，10 → 8 → 6 → 4 → 2層

その時刻歴波形はいずれの風向角でも，図-7のように，の順に全て引き抜かれていた（図-12(a)）．一方，上層密1 [s]かけて風荷重の大きさが最大になり，その後1 [s]定常型では壁つなぎが1本も引き抜かれなかった（図-12(b)）．

で，1 [s]で除荷されるという台形波とする．

この傾向は，壁つなぎが抜けるタイミングに差はあるが，(2) 解析結果

𝑉0 = 20~27 [m⁄s]でも確認された．𝑉0 = 28 [m⁄s]のとき，解析は，𝑧0 = 20.675 [m]における風速𝑉0 を15~34 [m⁄s]分散型では4.007~4.196 [s]で壁つなぎが全て引き抜かれの範囲で1 [m⁄s]ずつ変化させながら実施する．本節では，ており（図-13(a)），倒 壊し 始めるタイミ ングが 𝑉0 =𝑉0 = 15，19，28，31 [m⁄s]の結果を示す．

19~27 [m⁄s]の場合より早かった．ただし，壁つなぎが引各風速における足場最上部のY軸方向変位を図-8に示き抜かれた順番は同様であった．一方，上層密型では𝑉0 =す．図-8(a)から，𝑉0 = 15 [m⁄s]では分散型，上層密型のい19~27 [m⁄s]の場合と同様，壁つなぎが1本も引き抜かれずれも倒れていないことがわかる．次に，図-8(b)では，上ておらず，倒壊はしなかった（図-13(b)）．この傾向は，

層密型は𝑉0 = 15 [m⁄s]の場合と同様に倒れていないが，𝑉0 = 28~30 [m⁄s] で 確 認 さ れ た ． 図 -14(a) か ら ， 𝑉0 =分散型では7 [s]辺りから倒れ始めていることが確認でき

31 [m⁄s]のとき，分散型において壁つなぎが引き抜かれた

る．図-8(c)から，𝑉0 = 28 [m⁄s]のとき，分散型は4 [s]辺りのは3.839~4.011 [s]であった．一方で，上層密型も図-から倒れ始めており，𝑉0 = 28 [m⁄s]のときよりも早いタ14(b)から7.430~7.491 [s]で引き抜かれていた．上層密型

イミングで倒れ始めていた．一方，上層密型は倒れていな

で壁つなぎが引き抜かれた順番は，8 → 10 → 4層の順番かった．𝑉0 = 31 [m⁄s]では，上層密型も倒れ始めていた．

であった．壁つなぎが引き抜かれる時間に差はあるが，このときの解析モデルの様子を図-9，10に示す．

𝑉0 = 32~34 [m⁄s]でも同様の傾向が確認された．

また，各風速における分散型，上層密型の場合における以上の解析結果から，各ケースにおける足場の倒壊の壁つなぎの軸力を図-11～14に示す．図-11～14の評価対象有無をまとめると，表-1 のようになる．このことから，は，各ケースにおいて最も大きな風荷重を受ける壁つな

分散型では風速18 [m⁄s]まで耐えられ，上層密型では風速ぎおよびその壁つなぎと同じX座標上に取り付けている30 [m⁄s]まで耐えられることがわかった．

壁つなぎとした．ここで，壁つなぎを区別するための記号© 一般社団法人 日本計算工学会

分散型と上層密型でこのような差が生じたのは，風速- C-07-04 -C-07-04

第26回計算工学講演会の鉛直分布から，足場の上層部ほど風速が大きくなり，そ番大きく，次に 8 層，一番小さいのは 10 層であった．負れに伴って風荷重も大きくなるが，分散型の上層部に取担面積と風速の鉛直方向分布から，負担する風荷重は 8り付けられた壁つなぎの本数が上層密型よりも少なく，層の壁つなぎが一番大きくなり，8 層から引き抜かれ始め壁つなぎ 1 本当たりが負担する風荷重が増加したことにた．壁つなぎの軸力のグラフからも，負担する風荷重の大よると考えられる．分散型と上層密型には壁つなぎが引きさは，分散型では 10 層が一番大きく，上層密型では，き抜ける順番にも違いが見られた．分散型は10 → 8 →8 層が一番大きいことがわかる．
また，壁つなぎが 1 本でも抜けてしまうと，その壁つ密型は8 → 10 → 4層の順で引き抜かれた．このような違なぎが負担していた風荷重を近接の壁つなぎが負担するいが生じた原因も壁つなぎの負担面積によるものであることになり，連鎖的に引き抜かれ，足場の倒壊が始まる．と考えられる．分散型は，2，10層の壁つなぎの負担面積

したがって，足場の倒壊を防ぐには，壁つなぎが 1 本もが一番大きく，その他の部分は2⁄3程度であることから，引き抜かれないこと，すなわち，壁つなぎの引き抜き強度負担する風荷重は上層ほど大きく，下層ほど小さくなっもしくは本数に十分余裕を持たせることが重要であるとた．一方，上層密型は，壁つなぎの負担面積は 4 層が一考えられる．

10000

1000000

Y軸方向変位 [mm]Y軸方向変位 [mm]6 → 4 → 2層の順で壁つなぎが引き抜かれていたが，上層-10000
分散型-20000上層密型-30000012345678分散型-20000上層密型-300009012345

時間 [s]

時間 [s]（a）𝑉0 = 15 [m⁄s]（b）𝑉0 = 19 [m⁄s]678978910000

Y軸方向変位 [mm]10000

Y軸方向変位 [mm]-100000-10000
分散型-20000上層密型

0-10000

分散型-20000上層密型-30000-300000123456780912345

時間 [s]

時間 [s]（c）𝑉0 = 28 [m⁄s]（d）𝑉0 = 31 [m⁄s]図-8（a）3 [s]© 一般社団法人 日本計算工学会

最上部の Y 軸方向変位（b）6 [s]図-96（c）9 [s]

壁つなぎが分散型に配置された枠組足場の挙動（𝑉0 = 31 [m⁄s]）- C-07-04 -C-07-04

第26回計算工学講演会（a）3 [s]（b）6 [s]

壁つなぎが上層蜜型に配置された枠組足場の挙動（𝑉0 = 31 [m⁄s]）

40-4-8-12-16-20-24-28

6-3
8-3
123

4

56

78

910-3

40-4-8-12-16-20-24-28

6-3

10-3
56

78

9

時間 [s]

40-4-8-12-16-20-24-28

4-3
6-3
8-3
10-3
345678時間 [s]

56

7

98-2
10-3
引き抜き
強度
12

3

456789940-4-8-12-16-20-24-28

引き抜き

4-28-210-3引き抜き
強度01234567時間 [s]

強度（b）上層密型
図-138時間 [s]（a）分散型© 一般社団法人 日本計算工学会

44-20引き抜き

2-323（b）上層密型
壁つなぎに作用する軸力（𝑉0 = 19 [m⁄s]）

図-1212

強度（a）分散型

0140-4-8-12-16-20-24-288-34

強度

時間 [s]

軸力 [kN]

4-33引き抜き

02-3210-3（b）上層密型
壁つなぎに作用する軸力（𝑉0 = 15 [m⁄s]）

図-1118-2

強度（a）分散型

04-2引き抜き

時間 [s]

軸力 [kN]軸力 [kN]

4-30

軸力 [kN]40-4-8-12-16-20-24-28

2-3

軸力 [kN]

軸力 [kN]

図-10（c）9 [s]

壁つなぎに作用する軸力（𝑉0 = 28 [m⁄s]）- C-07-04 -89第26回計算工学講演会

40-4-8-12-16-20-24-28

40-4-8-12-16-20-24-28

2-34-3軸力 [kN]

軸力 [kN]

C-07-04

6-3
8-3
10-3
0

123

45678

図-14

引き抜き
強度
0123

456789⚫

壁つなぎが 1 本でも抜けると，他の壁つなぎも連鎖

風速 [m⁄s]

分散型

上層密型

15○○

16○○

17○○18○○

本研究の今後の展望としては，建物外壁 1 面だけでな19×○

く，2 面以上に枠組足場が建てられているような複雑な形

20×○状のものや，時々刻々と風速が変化する場合を解析し，倒21×○

壊挙動を確認する必要がある．また，より最適な壁つなぎ

22×○の取り付け配置を検討する必要もあると考えられる．

23×

○

24×

○

25×

○26×

○

27×

○

28××

○

る足場用壁つなぎ材アンカーの強度に関する研究，

29××

○

労働安全衛生研究，第 2 巻，第 2 号，pp.85-90，2009．

30××

○

31×××

32×××

33×××××

的に引き抜かれる．
⚫

上記のことから，壁つなぎの引き抜き強度，もしくは本数に十分余裕を持たせる必要がある．

参考文献
[1]

[3]

17 万人に影響，2021 年 3 月 3 日．

高梨成次，大幢勝利，高橋弘樹：ALC パネルにおけ

仮設工業会：改訂風荷重に対する足場の安全技術指針，2019．

[4]磯部大吾郎：はり要素で解く構造動力学

建物の崩壊解析からロボット機構の制御まで，丸善出版，2020．
[5]×吉田正邦，眞田早敏，本郷剛，中村修：建設足場に設置された養生シート及び防音パネルに作用する風荷重に関する実験的研究，鹿島技術研究所年報，第28 号，1980．

[6]

高橋弘樹，大幢勝利，高梨成次：標準わく組足場の耐荷強度に関する評価方法の検討，労働安全衛生研
究，第 1 巻，第 3 号，pp.211-218，2008．

結論
本研究では，建物外壁に設置された枠組足場をモデル[7]

株 式 会 社 千 歳 商 会 ： http://www.chitose-[8]g.co.jp/index.html
ゼ ン 技 研 株 式 会 社 ： https://www.zen-化し，足場最上部における風速が15~34 [m⁄s]の風が，𝜃 =0°，180°，90°の順で吹くと仮定して風荷重を作用させ，倒壊解析を行った．その結果，次の知見が得られた．

g.co.jp/product_2paa.html

壁つなぎの取り付け本数が同じであっても，上層部の取り付け間隔を狭くすることで，ある程度の風速[9]

JISA8951：鋼管足場，2016．

[10] 日本建築学会：日本建築学会荷重指針・同解説，1993．

まで足場の倒壊を防ぐことが可能である．

© 一般社団法人 日本計算工学会

東京新聞：線路脇足場崩落の東横線，電車そろりと運転再開[2]○：倒壊しない
×：𝜃 = 90°のとき倒れ始める
××：𝜃 = 180°のとき倒れ始める

⚫

10-3

時間 [s]（b）上層密型
壁つなぎに作用する軸力（𝑉0 = 31 [m⁄s]）

風速15~34 [m⁄s]での解析結果

344.

8-2

強度

時間 [s]（a）分散型表-1

引き抜き

94-2- C-07-04 -