切妻屋根形状建物の軒先と“けらば”に作用する突風時風荷重の増大効果に関する研究

高橋 正名
１．序

２．風圧力測定実験概要

立ち上がり時間の短い突風下で，定常風と比較して非2.1 実験装置概要

常に大きな風力が構造物に作用する風力の「オーバーシ

実験は九州大学大学院人間環境学研究院のエッフェル

ュート現象」は，既に多くの報告 1-4)があるが，突風を受型吸込式風洞を用いて行った。風洞の計測部下流に水平ける建物表面の風圧分布特性 には未解明な点が多い。突方向に設置した 6 枚の翼列を回転させることにより，ほ風風洞装置を用いて切妻屋根模型表面の突風時風圧力をぼ無風状態から最短時間約 0.2 秒での風速の立ち上げが測定した中村ら の報告は，風力と同様に建物模型の局部可能である。風洞断面内での各計測機器の配置状況を図 1

風圧にもオーバーシュート現象が見られ，各面でオーバに示す。計測部断面寸法は 1.5m×1.5m，計測部前面の風速

ーシュート風圧の分布特性が異なることを示した。一方，調整部は 2.0m，計測部は 3.0m である。上述のように本風竜巻などの突風による被害は軒先および“けらば”に多く洞は吸込式であるので，翼列を閉鎖した状態での吸引部見られるが，現行の設計基準 では，軒先の垂木等に作用の圧力低下を回避するために吸引部の天井と床面に翼列する風圧力を検討する場合の風力係数として，屋根上面を配置して，風速制御の翼列開閉と反転同期させている。

を引き上げる力と壁面に正対する風が軒を押し上げる力

切妻屋根模型表面に作用する風圧力は多点圧力スキャナとが同時に作用する場合を想定して，屋根上面の外圧係（大手技研 DSA3217）を用いて計測し，風速測定には超数 Cpe(屋根上面)と屋根下面の外圧係数 Cpe(屋根下面（=風上壁面の)

音波風速計と熱線風速計を併用した。なお，風速計と圧力外圧係数）の和として算定する。しかしながら，壁面に沿スキャナの出力信号はそれぞれ 1000Hz と 500Hz でサンって屋根下面に作用する軒の出以外のけらば等の風力にプリングした。

ついては考慮されておらず，また突風などの非定常な場

2.2 試験体概要

5)

6)

7)

合を想定していないため，オーバーシュート発生時に軒実験には，図 2 に示す軒の出ている切妻屋根模型を用の出のどの位置で最も大きな力が作用するのか，その値いた。平壁に突風を受ける場合の模型の各辺の寸法は幅はどの程度なのかは明らかにされていない。

300mm，奥行 150mm，軒高 150mm とし，勾配 1/2，軒の本報告では，切妻屋根の軒先と“けらば”に作用する突出 33.5mm，けらばの出 30mm の屋根を上部に設置した。

風荷重の特性に着目し，突風風向を平壁面と妻壁面とし模型の表面には多数の圧力測定孔が設けられており，軒，て，両者の荷重分布を比較検討することによって，切妻屋けらば部分には面の表裏に測定孔がある。それぞれを“軒根の軒と“けらば”に作用する骨組用風荷重に及ぼす突風

上面測定孔”と“軒下面測定孔”と示す。軒上面測定孔と風向の影響を明らかにする。

軒下面測定孔の間隔は仕様のため 3mm のずれを置いてい
屋根勾配 1/2

けらば
軒先

熱線風速計

wind

翼列

1,500

1,300

超音波風速計150200模型
端板

900300

150

wind

400

単位(mm)

wind

多点圧力スキャナ（平壁に突風を受ける場合）（単位：mm）（妻壁に突風を受ける場合）

図２ 試験体概要

図１ 風洞実験配置図

20-1

ラメータ毎に 3 回測定を行った。表 1 にパラメータをま上述の多点圧力スキャナにより測定する。圧力スキャナ

とめる。と模型表面測定孔を結ぶ導圧チューブの長さは 2000mm

３．実験結果である。本実験は，図 2 に示すように平壁に突風を作用さ3.1 風速・風力波形せた場合と，模型を 90°回転させ妻壁に突風を作用させた

目標風速4.0m/sを0.2秒および1.0秒で立ち上げたときの場合との 2 つの風向で行ったが，模型はそれぞれの風向風速波形を図4に示す。また各代表計測点における目標風に対して対称であるため実験計測位置は模型の片側のみ

速4.0m/sを0.2秒および1.0秒で立ち上げたときの平壁に突とした。切妻屋根展開図に示した風圧力測定点の位置を風を受ける場合の風力波形を図6(a)～(d)に，妻壁に突風を図 3 に示す。圧力測定は軒上面 48 点と軒下面 48 点の計受ける場合の風力波形を図7(a)～(d)に示す。代表点位置を96 点で行ったが，本論文では図 3 に示した平壁に突風を図5に示した。ここでの風力は軒上面で測定した波形から受ける場合の 4 点と妻壁に突風を受ける場合の 4 点の代軒下面で測定した波形を差し引くことで求めた。軒とけ

表測定点について報告する。

らばに作用する単位面積当たりの力であるため単位は2.3 測定方法と実験パラメータPa(N/m2)であるが，以下これを風力と呼ぶ。この風力波形

風洞の送風ファンを所定の回転数で駆動させたまま風では，正値は軒を下向に押す力，負値は上向へ引っ張る力

洞下流部の翼列を閉鎖した状態で計測を開始し，計測開と定義した。

始から約 6 秒後に翼列を所定の速度で開放することで無平壁に突風を受ける場合のA,B点，妻壁に突風を受ける場

風状態から風速を立ち上げ，計測時間 20 秒に達するまで合のE,F,H点での風力は，立ち上がり時間1.0秒では緩やか

模型表面の風圧力と計測部内の風速の時刻歴変化を記録に増大しているのに対し，立ち上がり時間0.2秒ではオーする。

バーシュート現象が発生している。A,E点では負のオーバ

風速が立ち上がった後の定常状態での風速を目標風速ーシュートが確認できるが，B,F,H点でのオーバーシュー

Ut，無風状態から目標風速に達するのに要する時間を立ちト風力は正値となる。A,E点では定常状態の風力値も大き上がり時間 tr とする。これらを実験のパラメータとし，パいが，これは軒上面に作用する負圧に加えて，風上壁面にあたった風が壁面に沿って吹き上がり，軒下面に作用し表１ 実験パラメータた正圧の影響であると考えられる。B点では定常状態にお目標風速U t （m/s）

2.0,4.0,6.08.0
2.0,4.0,6.0,0.2, 0.3,0.4, 0.4,0.6, 0.6
1.0立ち上がり時間t r （sec） 0.2,

X 面（風下屋根面）

33.5

BA

20wind単位(mm)

20wind300360

30単位(mm)(a)平壁に突風を受ける場合
20HG

117.483.9

Y 面（風上屋根面）

FE
234.8

C

れぞれ負と正になるが値が小さくなる。これは風を受け117.4

Dいても正値となるのに対し，F点とH点の定常状態ではそ30(b)妻壁に突風を受ける場合
図３ 圧力測定孔位置10543ttrr == 0.2sec
0.2sec21ttrr == 1.0sec
0.6sec0-1-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
時間(sec)0B

風速(m/s)

圧力（Pa）

る。これらの測定孔の圧力をチューブを介して接続した-10-20-30-40

-0.5

0.5
1.5
時間（sec）
図４ 風速波形（Ut=4.0m/s）

CD

HAGF

Ewindwind(a)平壁に突風を受ける場合(b)妻壁に突風を受ける場合

図５ 代表計測点位置20-2

速である。

る。

平壁に突風を受ける場合において，定常状態とオーバC点では立ち上がり時間0.2秒で最も大きな負のピーク

ーシュート発生時では風力係数分布が異なる。オーバーを記録した。1.0秒においてもわずかだが負のピークを記

シュート発生時の風上屋根面の軒先及びけらばでは，定録し，定常状態ではわずかに正値となる。D点では立ち上常状態の値と比較して 1.5 倍程度のピーク値の分布とながり時間0.2秒でオーバーシュート現象が見られたが値はるのに対し，定常状態ではほとんど力のかからない風下小さく，定常状態ではほとんど力がかからない。一方，G屋根面において，オーバーシュート発生時ではけらばの点では立ち上がり時間0.2秒においてもオーバーシュート棟付近にて大きな負値をとり，けらば寄りの軒先の点で現象は起こらない。

大きな正値をとる。

3.2 軒先と“けらば”の風力係数分布

妻壁に突風を受ける場合に着目すると，定常状態では目標風速 4.0m/s，立ち上がり時間 0.2 秒のときの突風を負の分布となる風上側のけらばより後方に位置する軒先

平壁および妻壁に受ける場合の軒とけらばの風力係数分

ではほとんど力がかからないのに対し，オーバーシュー

布をそれぞれ図 7 と図 8 に示す。オーバーシュート発生

ト発生時では軒先に正のピークを記録する点がある。

時のピーク風力値 Ppeak を突風風速の速度圧 qH で除した値

突風を平壁に受ける場合と妻壁に受ける場合を比較すをオーバーシュート風力係数と定義して，次式(1)で算出

ると，オーバーシュート発生時のピーク値は正負ともにする。

平壁に突風を受ける場合の方が大きい。これは風向に対Covershoot=Ppeak / qH

して屋根勾配のある平壁に受ける場合の風上屋根面を下(1)

ここに，Ppeak：オーバーシュート発生時のピーク風力絶対に押す力や棟部での剥離によって生じる非定常渦の影響

値，qH：基準速度圧=1/2ρUt 2，ρ：空気密度，Ut：目標風の影響であると考えられる。

100-10-20-30-40-0.5

1.5-0.50(b) B-40点(c) C-40点
1010-0.5-0.50.50.51.51.5
図６
平壁に突風を受ける場合の風力波形（U=4.0m/s）
時間（sec）
時間（sec）
00t

風力(Pa)

圧力（Pa）

圧力（Pa）

風力(Pa)(a) A -40
点
10100-10-20
ttrr == 0.2sec
0.2sec-30
ttrr == 1.0sec
0.6sec-40-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
時間(sec)0.5
時間（sec）

1.5(d) D 点

1030
30-10-10-1030
ttrr == 0.2sec
ttrr == 0.2sec
ttrr == 0.2sec
0.2sec0.2sec0.2sec
020
20
20
-20
-20
-20
ttrr == 1.0sec
ttrr == 1.0sec
ttrr == 1.0sec
0.6sec0.6sec0.6sec-10101010-2000-30 t = 0.2sec-30-300trr = 0.2sec-30-10-10-10-40 ttrr == 1.0sec-40-40
0.6sec
-40
-20
-20
-20
1.5 0.5 1.0-0.51.5 2.0 0.5
1.5
1.5 0.5 1.0 1.5 2.0-0.5 0.0 0.5 1.0-0.51.5 2.0 0.5 -0.5 0.0-0.5 0.0
0.5 1.0-0.51.5 2.0 0.5 -0.5 0.0
時間（sec）
時間（sec）
時間（sec）
時間(sec)時間(sec)時間(sec)時間(sec)0.5
時間（sec）

1.5

2.1(a) E 点(b) F 点(d)H 点(c) G 点

図７ 妻壁に突風を受ける場合の風力波形（Ut=4.0m/s）-1.4

1.4 0.7
0.7

00.7

-2.8
1.4

風力(Pa)

20

0.5
時間（sec）

圧力（Pa）

-0.5

10
10
0
0-10-10-20
ttrr == 0.2sec
0.2sec-30-20 ttrr == 1.0sec
0.6sec-40-0.5 0.0 0.5 -30
1.0 1.5 2.0
20
時間(sec)

風力(Pa)-40

圧力（Pa）-30

風力(Pa)-20

圧力（Pa）

0-10

10
10
1030
020
00-10
10-10-10-200ttrr == 0.2sec
ttrr == 0.2sec
0.2sec0.2sec-30-20 ttrr == 1.0sec-20 ttrr == 1.0sec
0.6sec -10
0.6sec-40-20-0.5 0.0 0.5 -30
1.0 1.5 2.0-0.5 0.0 0.5 -30
1.0 1.5 2.0
20
20
時間(sec)時間(sec)

圧力（Pa）

風力(Pa)

1020

20

風力(Pa)

2020

風力(Pa)

圧力（Pa）

圧力（Pa）る屋根の向きの違いによる勾配の影響であると考えられ

tr = 0.2sec

tr = 0.2sec

01.4

2.8
-0.7
-1.4

-1.4

-0.7
-1.4

1.4

-2.1

-2.1

wind

wind
wind

(a) オーバーシュート発生時(b) 定常状態

図８ 平壁に突風を受ける場合の風力係数分布(a) オーバーシュート発生時

wind(b) 定常状態

図９ 妻壁に突風を受ける場合の風力係数分布20-3

3.3 突風作用壁面の違いによる比較(1)

立ち上がり時間の短い突風下では，軒と“けらば”

風速と立ち上がり時間の実験データを系統的に整理すに作用する単位面積当たりの風力においてオーバーるため，立ち上がり時間を無次元化した無次元立ち上がシュート現象が見られるが，波形の特性は風向およ

り時間 tr’を次式(2)で定義する 。

び測定孔位置によって異なる。

8)tr’ =Ut･tr / d

(2)

(2)

軒と“けらば”の風力係数分布は定常状態とオーバ

ここに，tr：立ち上がり時間，Ut：目標風速，d：模型のーシュート発生時では異なり，平壁に受ける場合の代表長さである。ここでの代表長さは平壁に突風を受け定常状態でほとんど力のかからない風下屋根面で，る場合の模型の流れ方向長さである奥行き 150mm とした。

オーバーシュート発生時ではけらばの棟付近にて大無次元立ち上がり時間と 3.2 節で示したオーバーシュ

きな負値をとり，けらば寄りの軒先の点で大きな正ート風力係数の関係によって 2 風向を比較したものを図10 に示す。突風を平壁に受ける場合の A,C 点と妻壁に受値をとる。
(3)

平壁に突風を受ける場合のオーバーシュート発生時ける場合の E 点を比較する。A,E 点は現行の設計の基準の風力係数分布は，屋根勾配や棟部での風の剥離にとなっている部分で，3.2 節で示した風力分布において定よる影響を受けて複雑な分布となり，突風を妻壁に常状態，オーバーシュート発生時ともに負値をとる部分受ける場合より正または負に大きなピークを記録すに位置する。またそれぞれの風向でその部分内での風力る点が多い。

が最大となる点である。また，C 点は図 8 と図 9 のオー(4)無次元立ち上がり時間で整理したオーバーシュート

バーシュート発生時において最も大きな負のピークを記

風力係数の比較では，無次元立ち上がり時間が小さ録した点である。どの測定点においても実験結果はほぼいほど，平壁に突風を受ける場合の風下屋根面“け同じパターンにプロットされ，無次元立ち上がり時間がらば”に位置する棟寄りの測定点での値が大きく，小さいほどオーバーシュート風力係数が大きくなる傾向

無次元立ち上がり時間が大きい場合では妻壁に突風が見られた。また同じ無次元立ち上がり時間で比較するを受ける場合の“けらば”の測定点での値が大きい。と，無次元立ち上がり時間が小さい場合は平壁に突風を(5)

軒先に作用する風力と“けらば”に作用する風力を受ける場合の C 点の風力係数が大きく，無次元立ち上が比較すると，2 風向の場合ではパラメータに問わずり時間が 5 以上では妻壁に突風を受ける場合の E 点の風“けらば”に上向きに作用する風力の方が大きい。

力係数が大きい。軒先に位置する A 点とけらばに位置す

参考文献
1) S.Taneda, The development of the lift of an impulsively
started elliptic cylinder at incidence.Journal of the PhysicalSociety of Japan, Vol.33, No.6, pp.1706-1711, 1972.
2) Matsumoto, M., Shimamura, M., Maeda, T., Shirato, H.,
Yagi, T., Hori, K., Kawashima, Y. and Hashimoto, M.,
Drag forces on 2-D cylinders due to sudden increase ofwind velocity. Proceedings of 12th International
Conference on Wind Engineering, pp.1727-1734, 2007
3) T. Sarpkaya, Separated Flow about Lifting Bodies andImpulsive Flow about Cylinders, AIAA Journal, Vol.4,No.3, pp.414-420, 1966
4) 竹内崇, 前田潤滋,ステップ関数的突風を受ける物体のオーバーシュート風力 - 基本形状物体に作用する非定常抗力の実験的検討 -，日本建築学会構造系
論文集，第 77 巻，第 681 号, 1629-1635, 2012.
5) 日本建築学会，建築物荷重指針・同解説 2004，pp.2233，2004．
6) 中村諭史，前田潤滋他，突風風洞での基準静圧変動を考慮した圧力計測による切妻屋根物体の表面風圧特性，第 21 回風工学シンポジウム論文集，pp.197202，2010．
7) 2007 年版建築物の構造関係技術基準解説書，p.259
8) Takeuchi, T., Maeda, J., Hayata, T., and Kawashita, H.,
Effects of section size on aerodynamic forces on an elliptic
cylinder under short-rise-time gusts. Proceedings of the 7th
Asia-Pacific Conference on Wind Engineering, pp.731734, 2009.

る E 点は両者とも軒下に正圧が作用することで時刻歴波形が類似するが，無次元立ち上がり時間の大小に関わらずけらばに位置する E 点の方が大きい。これらから 3 点の局部に作用する風力を比較すると，パラメータを問わず，軒先に作用する風力よりけらばに作用する風力の方が負に大きいことがわかる。

４．まとめ
2 風向に突風を受ける切妻屋根の軒と“けらば”の風力測定を行い，以下の知見を得た。

432105
オーバーシュート風力係数

オーバーシュート風力係数

51A点（平壁に突風を受ける場合）

4C点（平壁に突風を受ける場合）

E点（妻壁に突風を受ける場合）

321011010100
無次元立ち上がり時間
無次元立ち上がり時間100

図１０ 風向別の比較

20-4