腹構造物の雪荷重の考え方

本間義教・

梗 概
本報告は、膜構造物の屋根雪処理に関する一連の研究成果を基に、融雪装置を有する膜僧造物の雪荷重に対する考え方を述べると共に、札幌市を例にとり、実験・実測結果に基づき作成した「雪荷重計算プログラム Jによりシミュレーション解析を行い、その考え方の妥当性を証明した。更に、実験 ・実浪JI
結果延びにシミュレーション解析結果に基づき、設計雪荷重の算定方法等を提案したものである。

1.はじめに叫ばれているが、荷重低減が認められない要因として膜構造物は、透光性のよい膜材を用いることによ

以下の項目が考えられる。

り、従来の建物にない明るい空間を作り出す。乙のた①多雪地減における膜構造物の実績が少ないこと 。

め、近年多雪地域において、冬季の活動の場を提供す②融雪装置の信頼性、性能の有効性を証明する実績る建物として、膜情造物の需要が増加してきている。
多雪地域に膜構造物を建設する場合、設計上、雪荷が少ないこと。
③万が一事故が発生した場合、社会的に与える影響重が支配的な外力となる。膜機造物では、情造面からが大きいこと。

積雪による膜材のクリ ープを防ぐため、また、建物機長大の要因としては、上記②に示した融雪装置の信頼能面から自然唄度確保のため、融雪等により屋根雪を性および性能の有効性を立証するデータを、設計者側除雪するのが通常である。

が持ち合わせていないことによるものと考えられる。

膜構造物の許認可制度であるが、大規模なものは、

本報告は、これまで行なって来た研究成果 S叫 を 萎

日本建築センターの評定を、中小規模のものは、日本に、目莫燐造物に対する雪荷重の考え方について述べる

膜情造協会の審査を受ける必要がある。評定等におけと共に、雪荷重の低減を提案するものである。

る雪荷重に関する指導は、雪荷重は、行政値またはそなお、雪荷重低減を提案するに当たり 、提案内容を年或は 100年再現期千明直)をれ以上の値(例えば、 50より具体的に説明するため、建設地点 として札幌市を採用するよう指導され、更に、融雪装置を設置するよ例にして述べる。

う指導されて いると聞き及んでいる。
このように、融雪装置を設置した場合においても、2. 降雪強度の再現期待値(札幌市)雪荷重の低減は認められず、逆に、過大な雪荷重を見札幌市における 1目、 3日および 7日降雪強度と 再込まなければならず、多雪地域における膜構造物の普現期間との関係を、図 ‑ 1および表ー iに示した。 3及を阻害するー要因となっている。

日および 7日降雪強度は、日降雪強度を累積して求め

最近、膜構造物の設計雪荷重の低減が設計者側からた。統計期聞は、 1951年~1986年の 36年間である。再*: (株)大林組技術研究所流体研究室‑87‑

現期待値の推算方法は、 Gumbel
分布を採用し、回帰直乙の場合、 雪密度および降雪強度を、どの程度の値ringortenの積率法で求めた。 データのプロッ線は、 Gに設定すれば良いかが問題となる。続雪直後の新雪のトは、 Hazenplotによった。

密度は、本研究における実測では、雪質にかかわらず00年再現期待値は、降雪強度の 1

1日降雪強度が72.
8cm、 3日 降 雪 強 度 が 109.1cm.7日降雪 強 度 が0.
08g/cm3 (0.
8Kg/m2/cm) 程度であった。また、北3.
08g/cm
陸地方の新雪の密度は、雪質にかかわらず 0161.4cOlである。

程度と言われている。乙れより、 雪荷重の算定に用い、 ρ=0.
10g/cm3 と設定すれば安全側のる雪密度 pは3. 雪荷重の考え方値となる。降雪強度は、豪雪の発生確率と情造物の耐6条(以下、第 86条
雪荷重は、建築基準法施行令第8と記す)で規定されている。第86条では、

用年数を考慮して、再現期聞を定める必要がある。降「積雪荷重

雪強度の再現期間は、設計地震力或は設計風速の再現は、積雪の単位重量にその地方の垂直最深積雪量を乗

00年、重期聞を参考にすると、一般的な膜構造物で 1じて計算しなければならないJとしている。この時の00年花L上とすることが望ましい。
要度高いもので 1積雪の単位重量は、 2K
g/m2/c同孔上としなければなら

即ち、融雪装置を有する膜構造物の雪荷重は、次式ないとしている。讃雪の単位重量は、多雪地域においで算定できるものと考えられる。ては、特定行政庁が別に定め、一般的に 3Kg/m2/c
llll.
‑.
:
1.

Kg/m2/cmX除雪に要する期間の雪荷 重 =雪 密度 1上としている。第 86条における積雪荷重の考え方は、100年再現降雪強度 (cm)(3.
1)

冬期の累進綴雪量の最大値が屋根に積雪しているもの

札幌市における雪荷重は、行政{直カ S300Kg/m2(=100として、それにその雪の単位重量(雪密度)、即ち、Kg/m2/cm)、建築学会荷重指針による 50年再現期
cmX386Kg/m2(=162cmx3Kg/m2/cm)である。前述
待値は、 4圧密された状態の単位重量を乗じるものである。ま

100年再現 7日降雪強度の雪荷

た、日本建築学会、建築物荷重指針・同解説では、基の考え方に基づいて、0年再現期待値で与えてい準となる垂直最深積雪量を 5重を式 (6.
3.
1)から算定すると 161.
4Kg/m2(= 161.
4cm

る他は、基本的に第 86条と考え方は向じである。

Kg/m2/cm)となる。このように、行政値等と (3.
1)
X12ι
L
式による算定値とで約 140Kg/m上の差がある。どち膜僧造物において、屋根上の積雪は、融雪等によりl日或は数日で除去 し、屋根上に長期間積雪 させないらが実情 に 即 し、 妥当であるかについては、後述す6条の考え方は妥当とは言えない。とした場合、第 8る。

膜構造物では、融雪等により屋根上の雪 を数日で除去するものとした場合、 雪荷重は、除去しえるまでの期間の降雪強度に、積雪直後の雪密度を乗 じて算定できるものと考えられる。

表‑ 17臼降富強度 ST=88.47叫 8.
12((‑In(‑In(1‑lff))J‑0.5572)

降雪強度と再現期間の関係(札幌)

3日降富強度 S守 =59.39'12.36(・(In(‑ln(1‑1パJ)J‑
0.5572)ST =40.25'8.
90((‑ln(‑ln(1‑1パ1})‑
0.5572)l日降富強度

降雪強度

187日

3日

(cm)

(cm)

l日 ￨
(cm)

200

174

118

78

100

161

109

73

再思月間

50
10

149
119

101
80

16

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. :72日
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年平均値
標準偏差

20~

88. 5 59. 4 4O
. 3I

2510 2 050 100200

再現期間 T (年}23. 2 15. 9 10. 4I︒
口図‑ 1

降雪強度と再現期間の関係(札幌)

4.
1解析条件

4 屋根積雪のモデル計算

解析方法については、文献 1で詳述したので参照さ

乙こでは、降雪下における、融雪或は強制落雪による屋根積雪の経時変化、および融雪装置が故障した場れたい。解析条件は、表 ‑2に示した。

合の積雪の経時変化について、シミェレーション解析

4.2解析結果

解析結果は、図 ‑2に示した。

結果を基に述べる。
表‑2(1) 融雪運転

解析条件

融雪運転のみの場合、屋根面には、時間降雪量と時跡
目間融雪量の差が積雪し、面圧 20Kg/m2 (積雪深 20c⑧解析モデル 膜屋根の直径 100m、.3ライズスパン比 0当)以上になると、一部で自然、落雪が誘発される。最大雪荷重は、約 34Kg/m2 であった。

@融雪能力2cm/時間、 48c
m/臼@富密度0.10g/cm3

@降雪強度

3cm/
時問、 72cm/日
100年再現 l日降雪強度相当雪させ、翌朝融雪開始と同時に落雪させるものであ@融雪装置
退転停止後の降雪強度

100年再現 3日降雪強度(109cm!
3日)

部の屋根勾配が緩やかな部分で、落雪が生じないため(2) 融雪 ・強制落雪併用運転
この方式は、日中融雪し、夜間は融雪を停止して積る。強制落雪後の荷重が零にならないのは、屋根中央/m2 でである。この方式によ る最大雪荷重は、 48Kgあった。

融雪運転 :24時間運転
⑦融雪装置
選転条件

(3) 融雪装置停止の場合

融雪・強制活雪併用通転:融雪 6‑18時遥転
18‑6時休止

これは 、融雪装置が故障し、復旧するまでの期間に、 100年 再 現 3日降雪強度の大雪があった場合を想燃定したものである。融雪装置は、図中 2日目に備蓄5⑧融雪装置の 融雪装置熱源動力の外部からの熱源燃料の 供給停止後、最大能力で 3日間備蓄量
連続運転可能な備蓄量@融雪装置の系統数料による運転が停止し、 5日目に復旧 した ものとした。複雪は、降雪・がそのまま積もるものとし、自然洛雪の発生は考慮、していない(実際には落雪が生じ2系統g/m2であった。
る)。この場合の最大雪荷重は、 128K
このように、札幌市における行政値或は建築学会荷融雪能力は、 5年 再 現 1日降雪強度程度の降雪を、 1日24時間で融雪できる能力とした。
降雪強度は、 100年再現 1日降雪強度相当とし、この降雪が連日継続するものとした。このような降雪は、実際には起こり得ないものであるが、解析の有効性および前章の雪荷重の考え方の妥当性を証明するため、この条件を採用した。
融雪装置故障後の降雪強度を 100
年再現 3日降雪109cm!
3日)とした。過去の豪雪において、都強度 (市部でライフライン停止後、復旧に要した期聞が大旨一週間程度であり、また、降雪をもたらす低気圧の通過期間も長くて一周間程度である。
これより、融雪装置熱源、動力の外部からの供給停止後、復旧に要する期聞を一週間とし、その聞の最低 3日聞はパックアップ運転できるものとして、パックアップ停止後から復旧までの期間の降雪強度とした。
融雪装置故障子の対応は、装置を 2系統以上にし、融雪能力を維持するものとする。

重指針値は、本解析結果と比べ 3‑5倍の荷重{直となっており、融雪装置を有する膜+構造物にと って、如何に過大な荷重を与えているかが分かる。

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5日目

図‑2

雪荷重の時間変化(計算値)

1.
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凸む5.雪荷重の低減について謝辞

ここでは、これまでの研究成果を基に、融雪装置を本研究の遂行に当たり、北海道大学工学部建築工学有する腺構造物に対する雪荷重の低減を提案すると共科教授・柴田拓二博士並びに同助教授・城I対等士のどに、雪荷重低減に必要な条件について述べた。

指導を賜りました。ここに、厚く謝意を表します。

5.
1設計雪荷重の算定(案)室主玄盤(1) 融雪装置を有する膜構造物の設計雪荷重は、(1)大塚治敏、本間義教、他 6名、次節に示した荷重低減に必要な条件を満足し膜構造物の雪処理に関する研究、欠の算定方法で算出した値とする
た場合に、 J

膜構造研究論文集 '90、NO.4、日本膜織造協会、

1990.
11ことができる。

(2) 設計雪荷重は、降雪強度に雪密度を乗じて算(2) 大塚清敏、本間義教、他 5名、定するものとする。但し、降雪強度は、再現

膜構造物の融雪 ・滑雪に関する研究、00年
期間 11、NO.5、日本膜構造協会、
膜構造研究論文集・ 9ι
L
上の 3日降雪強度とし、密度は1Kg/m2/c
叫孔上とする。

1991.12(3) 本間義教、大塚清敏、他 5名、

5.
2荷重低減に必要な条件(案)目美術造物の雪処理に関する研究その 1~4 、

日本建築学会大会講演梗概集、 1990.
10(1) 対象は、正規に維持管理される膜鱗造物とす(4) 本間義教、大塚清敏、他 5名、る。

膜構造物の雪処理に関する研究その 5~9 、(2) 融雪装置は、 2系統以上とし、熱源の燃料備

日本建築学会大会講演梗概集、 1
991.9蓄は 3日以上とする。
(3)融雪能力は、5年再現 1日降雪強度の降雪にιL上とする。

対し 1日で融雪できる能力(4) 融雪装置の性能は、実験或は解析等により定量的に提示するものとする。

6.まとめ以上、融雪装置を有する膜構造物の雪荷重に対する考え方を述べると共に、札幌市を例にとり、実験 ・実測結果に基づき作成した「雪荷重計算プログラム」によりシミュレーション解析を行い、その考え方の妥当性を証明した。更に、実験・実視IJ結果延びにシミュレーション解析結果に基づき、設計雪荷重の算定方法等を提案した。
この提案が、膜構造物の発展に寄与することを願うものであるが、今後、提案内容に対する各方面の論議を期待する。

‑90ーADESIGNPROPOSAL O F

SNOW LOADSANIDEAF O R MEMBRANEOFSTRUCTURES

Yoshinori HOMMA・SYNOPTICS

A new idea of determining thedesign snow loads for membrane structures in thesnow rich regions ispresented in this paper. Based on the results obtained in the field experiments on the artificial
removal of snow from membrane structures along with mumerical simulations. it turned out that thebasic concept of the new idea would be apPI'opr
iatein considering the design snow loads for membranestructures. Numerical simulations were performed on the behaviors of the roof snow loads on thefull scale membrane structures in the Sapporo City under the possible heaviest snow fall event accom
panied by the breakdown of snow melting equipments. From the experiments and numerical simulations
made here. new criteria for use in the determination of design snow loads formembrane structrures
are derived and proposed.

* Technical Reseache Institute. Obayashi Corporation‑91一