ＢＲＩ－Ｒ０４講演会テキスト

建築物に作用する洪水等による外力性状に関する検討
構造研究グループ 研究員

髙舘 祐貴はないことから測定時間は 1 セット 60 秒とし、各統計量は 5Ⅰ はじめに
国土交通省では全国各地で水災害が激甚化・頻発化している回の計測のアンサンブル平均で評価することとした。建築物にことや気候変動の影響による降雨量の増加等に対応するため作用する抗力は図 1(b)のように模型を鋼板で上から吊り下げ、に、令和 3 年 5 月に特定都市河川浸水被害対策法の一部を改正

水平方向の外力によって生じる鋼板のひずみから算出した。

1)を整備した。この法令では水災害の危

図 2 に実験模型と模型の設置位置を示す。実験では 1 辺が険性の高い地域に居住する場合にも命を守る基準として、浸水0.08 m の正方形角柱を用いた。水路の幅を B、模型の幅を d と被害防止区域内の建築物は居室(居間、食事室、寝室その他の居すると B/d は 7.5 となる。
模型は水流に正対する角度を0°とし、住のための居室等)の床面を基準水位以上の高さとすること等15°ピッチで 45°まで変化させた。実験では定常流での検討とすが定められている。さらに、浸水被害防止区域内の建築物は令るために、貯水槽に一定量の水を汲み上げて流量が一定になる

和 3 年国土交通省告示第 1392 号(告示 1392 号)で洪水又は雨水ように制御した。上流側には高さ 50mm の位置に遮水板を設置出水(洪水等)に対して安全な構造方法とすることを求めている。

し、貯水高さを 60mm から 120mm まで 20mm ピッチで変化さ

この告示は、流域水害対策計画において定められた都市浸水のせることで 4 種類の水流を生成した。図 3 に模型がない状態で発生を防ぐべき目標となる降雨が生じた場合に想定される洪貯水高さを変化させた時の模型前方の位置で測定した流速 U、水又は雨水出水(想定洪水等)による浸水が発生した場合におい水深 hw 及びフルード数 Fr (=U/�ghw)の時刻歴を示す。貯水高て安全な構造方法を定めるものであり、特定都市河川浸水被害さを変化させると水深は大きくなるものの、流速はやや低くな対策法施行規則第 45 条第 3 号に規定する水深及び流速(特定水る。この時のフルード数の大きさは貯水高さによらず、いずれ深等)の他に、水の単位体積重量、想定洪水等が作用する部分ののケースでも時間平均で約 0.7 である。

幅及び抗力係数を用いて建築物に作用する水平方向の流体力

Ⅲ 単体角柱に作用する抗力し、「流域治水関連法」を計算しなければならない。告示で計算方法は位置づけられているものの、建築物に作用する洪水等による外力についてはこ

角柱に作用する抗力 F は代表面積に水深 hwと模型の幅 d を用いて、次式で無次元化して抗力係数 CD として表す。

れまで検討事例が少なく、より安全かつ合理的な設計を行うための水理実験や数値流体解析によるデータの蓄積も乏しい。そこで、本報ではまず基本形状である単体角柱を対象とした水理実験によって抗力を測定し、単体角柱に対する流入角による抗力の変化を把握することを目的とする。
Ⅱ 水理実験の概要
水理実験は秋田工業高等専門学校が所有する実験水路を利(a) 水路全体(b) 模型まわりの流れ

図 1 実験水路と実験時の流れ場用した。図 1 に実験水路と実験時の流れ場を示す。水路の長さは約 15m、幅は 0.6m、高さは 0.8m である。流下方向の流速はプロペラ式流速計(測定範囲：±0.03〜3m/s)、水深は容量式波高計(測定範囲：0.1〜1m)を用いて模型の前方及び後方の流れの影響を受けにくい位置でそれぞれ計測した。評価時間は洪水の継続時間、模型の幾何学的縮尺率及び速度の縮尺率から定められるべきであるが、洪水等荷重の評価時間についての知見が多く(a) 模型の寸法(b) 模型の設置位置(θ = 0°)

図 2 実験模型と水路内の模型の位置

CD =F1
ρU 2 hw d2(1)ここで、ρ は水の密度である。抗力係数 CD は特定水深等で与えられる流速及び水深を想定し、模型のない状態で測定した水深h w 及び流速 U の 2 乗の積の最大値を用いて定義した。表 1 に建築物に対する流入角 θ が 0°の時の平均抗力係数 CDmean を示(a) 水深す。告示 1392 号では高橋ら 2)の実験結果と同様に CD = 2.1 とされている。しかし、今回の実験結果での CDmeanの大きさは告示の値よりも大きい。CD の定義はやや異なるが、既往の研究
3)~5)によると C

D は B/d によって変化するとされており、B/d が小さくなると単体角柱でも CD≧3 になることが報告されている。また、津波の実験結果に対しては B/d < 4 で影響が大きく、B/d > 8 で影響が小さくなるとされている 6)。これらは、閉塞率(b) 流速が高くなることによって流れが堰き止められて、対象とする模型の前面と後面の水位差が大きくなるためと考えられる。建築物が密集する街区では単体角柱の場合よりも閉塞率が高くなり、CD が増大することが想定される。安全かつ合理的な設計を行うためには、閉塞率による CD の変化を把握することに加えて、連棟配置などの条件での水理実験及び数値流体解析を通して、さらに外力についてのデータを蓄積する必要がある。

(c) フルード数
図 3 流入条件 (凡例は貯水槽での貯水の高さ)

図 4 に θ = 0°の時の抗力を基準として、θ を 15°ずつ変化させたときの抗力の比を示す。全体的な傾向を見ると、θ = 30°や θ

表 1 平均抗力係数 (θ = 0°)= 45°の時は、流入条件に対する一定の傾向は見られず、条件に貯水高さ
CDmeanよっては θ = 0°のときよりも抗力が大きくなる。一方、θ =15°

60 mm
2.9180 mm
3.76100 mm
3.72120 mm
3.40の時は流入条件に関わらず θ =0°の時よりも抗力が小さくなり，その大きさは貯水高さが低くなるほど小さくなる。建築物に対する流入角が変化することで閉塞率が変化し、角柱前後の自由表面の挙動が変化すると考えられるが、θ =15°で抗力が小さくなる傾向は自由表面のない一様流中の風による正方形断面の空力特性 7)と類似している。
図 4 流入角による抗力の変化

Ⅳ まとめ
建築物に作用する洪水等による外力性状を明らかにするために、水理実験で単体角柱に作用する抗力を測定した。水理実
験では閉塞率が抗力に及ぼす影響が大きいことから、安全かつ合理的に荷重評価を行うためには基本断面に対する検討に加3)4)5)えて、閉塞率を変化させた水理実験及び数値流体解析を通してさらにデータの蓄積及び分析をする必要がある。

6)

参考文献
1) 国土交通省：https://www.mlit.go.jp/river/kasen/ryuiki_hoan/index.html (閲覧：2023 年 1 月)
2) 高橋保，中川一，加納茂紀：洪水氾濫による家屋流出の危険度評価，

7)

京大防災研究所年報，第 28 号，B-2, 1985
福岡捷二，川島幹雄，横山洋，水口雅教：密集市街地の氾濫シミュレーションモデルの開発と洪水被害軽減対策の研究，土木学会論文集，
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秋山壽一郎，重枝未玲，小林俊彦，大田和正：定常自由表面流中の正角柱に働く流体力，水工学論文集，第 46 巻, pp. 827 – 832, 2002
小山毅：開水路定常流を受ける角柱に作用する抗力に及ぼすフルード数及び閉塞率の影響に関する水理学的考察，日本建築学会大会学術講演梗概集(東北)，構造 I，pp. 43 – 44, 2018
池谷毅，岩田善裕，奥田泰雄，喜々津仁密，石原晃彦，長谷川巌，橋本純，小畠大典：水理模型実験における陸上構造物に作用する津波力に及ぼす実験水路幅の影響，土木学会論文集 B2(海洋工学)，pp. 901 –906, 2017
西村宏昭：種々の辺長比をもつ長方形角柱の空力特性に関する研究，
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