フ ッ 霊 長 括 主t
J
J旨墨色E足英本オグ〉ぜ骨霊言 4こJ

コ し 、 て ご ( 第 1報)

北川澄 男 容l

黒木仁昭叫

梗 概

恒久建築膜構造物として、ガラス繊維布にフッ素樹脂をコートした復合膜材が諸外国をはじめ、日本でも実用化されるようになった 。
しかしながら冬季の積雪に伴い、その雪の滑雪による膜材の表面状態がどのようになるかを報告している研究は少ない .
フッ素樹脂は非粘着性、低摩係性、耐熱耐寒性など優れた特徴を有しており、このフッ素樹
脂コ ー トヌゲラス繊維布複合膜材を利用することによって、屋根雪の処理に有効且つ多大な効果が期待できる。

ι

観点から、初期段階として P TF
'Eコー トカ.ラスクロ

̲
L
̲
主 一重
近年に至っては 中小規模および大規模で恒久的な膜ス表面上での人工的滑雲試験を行うとともに、実際、構造建築物が日本国内においても本格的に普及の兆し

冬季のある期間、種々の傾斜勾配を有した試験骨組体があり、実際、実験棟および商業用ベースとしてかなを作製し、積雪に伴った膜材の観察を行った 。

りの件数が建築されている。
そこに使用される膜材に関しても P V C (塩化ビニール)ーガラス繊維布、 P V Cーポリエステル布、 P

2̲，̲誕滋五主主T F E (四フッ 化エチレン樹脂 )ーガラス繊維布等のネニ 上 一二豆急隊に よl， P T F Eコート足立主之旦三複合膜材が開発され、目的、規模、 地域{立地条件)

丞lIñトでの滑~誌監

図 1、図 2のような 2種類の傾斜角度 20。
、 45。

によってそれぞれ異なった形で使用されている。
本報告は多降雪 ‑積雪地械における恒久膜建築構造を有する骨組体を作製し、 P T F Eコートガラスクロ物でのフッ索樹脂製膜材の利用において、四フッ化エス(以下チレン樹脂コー トガラスクロス(以下的な滑雪試験を行った 。

P T F Eコー単に膜材と略記)を取付、新雪による人工トガラスクロスと略記)表面上での滑雪試験、それに2雪ブロックは股材との接触面積 1500cm、容積基づく PTFEコートガラスクロスの表面状態、主に0.045m3の枠を作り、なるべく自然の状態に近滑雪による摩耗・キズの発生の有無についての観察をいような形態で雪ブロックを作る 。雪密度の測定は雪行うことを目的とし、膜構造設計上の雪荷重の問題おブロック作製後、内容積 500cm3の円筒で雪サンよび雪害対策に効果を発揮するであろう"スベリ"のプルを取り、重量を測定し雪密度を算出する。

s 中興化成工業側

t1研究開発部

川営業本部

‑31一

又 この初期滑り角度 (θ) をも って雪 と膜材との静!
以材

摩際係数 μ s (ta nθ ) を算出する 。

この時の雪質は新雪であり密度が 0.15g/cm3であ った。
試験実施場所は秋田県仙北郡神岡町で行 った.

︐bAtdqyMb

図 lθ=20・、 r
ll=600mm

富ブロック.
.
.
‑.
.
.
‑./'

机JjoIA

図 3 初JUJ
角度訓I
J定図
図 2θ=45・、 r
1
l=6OOmm(ロ)

表面状態観察用サンプリング時の滑雪回数はそれぞ

臼然の精密に伴う淘l
官れの傾斜角度で 100回とし 、膜材表面の観察は電子(イ)においては人工的に新雪の霊ブロックを作製顕微鏡で行った .また滑雪距離は雪プロ ックの接触面し、その時の μ s の算出を行 った.この試験は平板に積中心から lち OOmmの距離である .

股材を貼りつけた後に 、自然の降雪に伴い、ある時刻における積雪の滑富角度から μ s を算出するものであ三ニ 2.
.
̲̲̲̲̲
:担卸滑り角庶 (θ} の 測 宮 ( 雪 H 豊材表直とり、雪密度， 気温等の影響につ いての考察を行 うため

包鼓塵鐙昆霊堂 μ q の 箆 出 )の試験である .

(イ)

人 T的雪プ口 、ソクによる刻l
室尚、この試験は新潟県上越市で行 った。

図 3のように平板に股材を貼りつけ、富ブロックを作製し、長手方向の一辺を徐々に持ち上げ 、雪ブロッ
クが滑り出す瞬間の高さを測定し、初期滑り角度を算出する 。
内ノ UMqu2ー弓各傾斜角Jiによる荷量主よ立温量Atffi.盤整

3 . 結果お上 71 ~号繁ミニ .l̲
温室箆企隙材の表面 1
問屋盟室

傾斜角度 27・ (5寸勾配)、 21・ (4寸勾配 )、17・ (3寸勾配)に設定した骨組体に般材を貼りつ2‑1の試験は滑雪による膝材表面の状態を知る上

L ~密度 、各渇度を 浪~定け、その上に積雪する 雪の:li

で重要な試験である 。つまり表面写真 を観察する と摩するとともに滑雪状況の観察を行った .

耗・キズの発生は何ら確認されず 、経端な言い方をす

雪密度.積雪量は 2 ~ 3 時間間隔で測定 し、気温 、膜温 、雪 中温度は 10 ~3 0 分毎に自動測定を行った 。

ればガラスクロスの剥き出しによる液浸透による強度低下等の懸念も考えられない .

雪の密度は 2‑1の試験と同様の円筒を使用し、積各条件としては滑雪角度 20・の場合、雪質新雪、雪 した 雪に差し込み 、容積 500cm3 の富の重量に富密度 :0.15g/cm3 、滑富重量 :約 8kg、出した .
より nt
骨雪角度 :45・の場合、雪11':ざらめ雪、雪密度:試験体での膜材のサイ ズは 1mX2m、厚み O.80.44g/ cm3 、滑雪重量 .約 25kgであり 、m mのものを使用し、膜面温度は図 4のよ うに設置し滑雪角度、 雪質による変化はみ られず、初期状態を保た.尚、この試験は新潟県上越市で行 った .

ち P TF Eの初期1の特性を損な うとい うことはない .
写真 1は未滑雪腹材の表面写真、写真 2は滑蓄角度20・、滑雪回数 100回後の表面写真、写真 3は滑雪角度 45・、滑雪回数 100回後の表面写真であり‑i

何れも倍率 500倍の電子顕微鏡写真である.
温度センサー
図 4 )民温センサー設置図

写真 1 *ili雪の表面写真

it
雪後の表出 '1.
J:兵
写真 2 0=20・のl‑33ー30。

:
.
101・

101‑0o12II
JJ3 45圧 [gf /ClI']

図 5 而圧と θのIJ
ij係0.
60.
51‑0.41‑μs0.
31‑0.
21‑，0 11ー。
。

写真 3 θ=45・のi
骨富後の表面写真

234G
而 庄 [gf/ClII'

図 6 回圧と μ s の関係
弓‑ ? 初 期 滑 り 角 庭 (θ) の立出 { μ q の笠出)

表 lお よび図 5、図 6にそ の結果 を示 した .その結2‑2一 (イ)の試験にお いて密度が果、秋田県の中央部に位置す る仙北郡神岡町の雪質に15g/cm3 である新富プロ ックを作り、膜材よる θ、μ s は人工雪ブロッ クでは雪荷重が増加す る

表面にかかる雪荷重の変化により、どのように変化すとともに、それぞれ低下し、雪荷重が 2g/cm2 以るか測定した.

上になる とほぼ一定した値を得ることができた .例と0して富荷重が 4.5g/cm2の場合、 膜構造の傾斜

表 l θとμ s の関係(あるいは接線傾斜)を 10・以上に設計すれば良好

0.
2 No.
3 No.
4No.
l ト1'
N 30 W 30 W30 バラ雪雪休.
30 L30
L 30 L寸法.
5 H3cm トI30 H13 H7.05 1.8 1.
0
1 0.4
重武 Kg
"4
面圧な自然滑雪を促進する 。 しかし シェル構造ドームの頂上部はほぼ平面であるためにこ のような見解はあてはまらない として 、何 らかの外部か らの滑雪手段が必要になってくる.また、自然に冨が降り積もった場合、富の密度、合水率、 外気温あるいは含水による牒材表面と雪との表蘭張力 、風の最多響と様々な因子が複雑に

8i'i 2 4.5

44.12 0.
2.
0 1

θ(0) 1113 13Z
II，影響するため、 地域的あるいは立地条件の遣いによ るデータ蓄積が必要である。

2‑2一 (ロ )においては自然の降雪に伴う積富に26燦材を取り付け 、冬季のある時刻において、平板上に l488
.2300
.2300.
.940
μ5 01

おいて 初期角度およひρsを算出 する試験である .

34‑

v︐
・ae‑EBEEF‑E4

この試験は 2‑2ー (イ)とは異なり、自然の状態

O.
Gで確認したため雪片中の水の表面張力等により若干高0.
51‑
μS

0.
3・・かなりの水分を含んでいるものと判断される .

、(0.
2ー・

表2 おt
雪試験結果

0.
11ー。
。

27 3.
2 3.7
2.20 2.
:0013:0011:00
L6:5011

m雪量2i
li

3I

1王[&f/cufJ5

図 8 国圧と μ s の関係

9.5 18.5 L
J7.5 12.5Cm¥

0.
11‑

い値になっており、試験実施幼所も海岸部であるため

事長 2、図 7、図 8にそれぞれのデータを掲載した .

P

密機係数 μ s の関係を図 9
又、気温および隙温と静 E。

が表れている .つまり 1'C付近までは雪片の水の表面.27C0.1800.104
8/cm3 0に示した .その結果、気温の 1'Cを境にし特異な現象

面圧2.5653.24 4.89 4.00
81/cm2︐Al︐tー(0 )30.5426.102
1.
3118.26

メJsj
民i
品。C

1.72.
11.
53.
8

雪i.
l.'
C

1.80.61.
10.
2になると水の量が多くなり一種の潤滑効果の役割を果たしているものと判断される，

令

気温℃

0.
59 0.49 0.39 0.
33.
1 4.5
1.7 0.
8 2

妓力により μ s は高くなっているが、それ以上の温度

一一0.
6ο.5。

0.
1//l:;
.

8。

メJs

10，:
?

00.
31‑

¥、」

301・

θ20・・0.
21‑

O./

101‑
2而。
。

3l.

。。

5C11I']
1
王 [ιf I

32気溢℃

1J.と μ s のl
刻i系
凶 9 気i

図 7 回圧と θの関係

‑35525

動摩擦係数 μ k の値は膜温 2'
C付近においては雷と膜材表面は困層

ευ 20 1‑

回層の摩僚ではなく、困層 一液庸 一困層という形をとり 、この液層が前述の如く潤滑的なt志~六 フッ化プロピレン共重合体樹脂)の場合 、μ k は雪、一 !
十一‑一一‑一一‑

17•

31‑

27"

合 水率E
当/シノス‑
̲.
.
.
.
.、
¥1
ヨ 21
‑

5. 2%、滑り速度 8cm/ secで μ k = O.12~ O.

L。

同じフヴ索系樹脂である FEP (四フッ化エチレ ン ー

O. 118 ~ O. 121g/cm

21・il，l雪5

し、 μ s よりかなり低い値になるものと 予想される 。

密度¥'"=

馴 10 1‑

役割を果たし 、雪粒子が一種のベアリング的な役目を

327・i
1i'雪嗣 15」。

13という値が確認されている 。

更に 2‑2‑ (イ)、 (ロ)を比較すると、人工的iLP
三に雪ブロックを作製した結果と自然堆積した場合とはかなり異なっており、 2‑2一 (ロ)の試験は雪片の膜材表面への雪の付着力の度合いを表している 。

。
:00

10:00

12:00

11:
UO

16:00

18・00u寺
実1)
図 10 各沿)J[と積雪の山{系主二図 10に試験期間のある一日の積雪および滑雪の結果を示した 。尚この図の状況は夜のみ降雪があ った。
この図から傾斜角度が大きいほど滑雪時刻も早くなっていることが確認できる。また気温との関係についC以上から自然滑雪を開始していることがわかては 1'る。
この結果はあくまでもある地域での個々の状況により、その地域特有の確認が必要である 。

一般に膜材雪(屋根材)が滑り出そうという力は 、雪 と膜材との摩擦力、雪の膜材への付着力および抗張国 11 )脱材富に作川する :!
J

力の 3つの低抗力の和より大きくなければならない 。
摩撚力、付着力および抗張カをそれぞれ Fl、 F2 、F3 とすると、滑り出そうとい う力、 つ まり駆動力 S
は次式のような関係になる 。

S>F1 +F2+F3(4)F3 = hσt(1)となる 。ここでの関係が成り立つ 。図 11のような膜材雪に作用する

ρ

それぞれのカを分解すると

μs

S= し h ρ sinθ(2)

Fl ‑しh ρ μ s .c 0 sθ

(3)

36‑:

密度

静摩擦係数

τf

単位面積当たりの雪の付着力σt

単位蘭積 当たりの雪の抗張力

また 、膜材に積雪した雪がある高さから飛び出し、どの付近まで飛跡するのか、いわゆる飛距離の計算をも。

行った 。

的

今回の試験において図 10のときの飛距離を計算すυ

マる.

.
5o0

今、図 13のようなモデルを考え、 庇先端での滑雪速度 (Vo )を 初速度として、放物運動を行 うとすれもロぜ・

ば、その飛距離は次式のようになる .

.
.
凶V ox (J2 gH+ (V0 s inθ) 2 )

A=。
。

2040g
Vox (V0 s inθ)

60kμθzS(/n caeθts0gsinθ > しτr +し hρμs .c0 Sθ

oDmc g8

ゐつV9

似Vo =

式 (2)、 (3)、 (4)を式(1)に代入すると
十 hσt

一一一一

ここて'

図 12)
出材を j
骨雪させるために必耳目な勾配v

角度(.)

Lhρ(10)g

μ k :動 E
密機係数(6)となる .
雪が滑り出すときは日照や暖房効果により 付着力が1︒ 内凶Oの場合に滑雪するため、式(6)は次のように変形できる .

Lhρ. s inθ>Lhρμs .c0 Sθ
h'A

十 hσa(7)となる 。 σt について密度 ρ の雪の単位面積当たりのσt = 10(3. 2 ・ logρ+4. 3)

(8).

t。

式 (8)を式(6)に代入し 雷が滑り 出す初期角度を算出できる . しかし今回の試験においては積雪全体が滑雪し、試験骨組体の構造から抗張力を Oと考がえらHれる。
仮に積雪 h=30cm、長さし =200cm、雪の密度 ρ=0.lg/ cm3 、静摩鍛係数 μs= O. 4と仮定した場合、次の関係式を求めることができる .

S 1 nθ >0 . 4 c o s θ ( 9)
この解を図 12に示した .その結果、上記条件においては傾斜角度を少なくとも 2 2・以上にしなければならないことが分かる.

ト・トl民~>1

抗張力の上限として次の関係式が求められている .

‑37ー

図 13 JJ史材からの富の 11~Ul! tj~lHn]l;;凶図 10の 27。勾配時について考察すると 、用) .国立防災科学技術センター研究速報

5) 渡 辺 善 八 . 1985・積雪の物理的特性 雪
氷の科学一 1984. 山形 、雪の国際シンポジウ

D=1.78m
θ=27・
H=1.5mμ k = O.12

ム ー，山形県

ここで μ k は雪と FEPとの動摩燦係数をあてはめて計算すると飛距縫 A=1.4mとなる。
これは高さ、角度、長さ等が全く小さいためにこの程度の値になるが、大規模な構造物においてはかなりの飛距緩が予想され、周辺の安全牲を考慮にいれなければならない 。

4. 総 括以上のような四フッ化エチレン樹脂コート tlラスク
ロス膜材の雪による界面現象の観察を行った結果、(1) 雪の滑落後の膜材表面は何ら変化は見られなかった。

(2) 実際の冬季の雪害対策においては膜材表面のフッ素樹脂の特徴である非粘着性 、低摩様性のため、スムーズに自然滑雪を促すことができた 。

(3) 基本的に今回の試験により初期滑雪角度の測定を行ったが、地域的に差がみられ、雪賀、環境(立地条件)の差が表れた .これは各地減での試験が必要であり、着雪、着氷等の確認を行わなければならない 。

謝辞

最後に本論文の作成にあたり、御指導、御助言を頂きました、横浜国立大学

石井一夫教授に感謝の意を表します 。

参考文献

1) 石井 一夫 ・建築膜構造の設計、工業調査会
2) 高 橋 博 、 沢 田 勉 : 雪 氷 防 災 、 白 亜 書 房3) 前 回 博 司 、 沢 田 和 明 、 1977:屋根雪に関する基礎的研究(その 2)..昭和 52年度
目本建築学会大会学術梗概集. No.2184
4) 栗山 弘. 1984:湿雪地域における道路‑交通標識の着雪防止(機能性含ふっ索高分子の利U門ペ口む