Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
Table 3 Mechanical properties of tank material used in low-cycle fatigue test

Thickness (mm)	Yield stress $ \sigma_{Y} $ (N/mm $ ^{2} $ )	Teisile strength $ \sigma_{B} $ (N/mm $ ^{2} $ )	Elongation (%)
Shell plate	9	312	460	25
Bottom plate	6	321	446	25

Fig.11 Schematic illustration of specimen for low-cycle fatigue test (unit: mm)

使用した試験機は、インストロン製の100kN電気油圧サーボ試験機で試験片の側板部を試験機の固定治具に取り付け、底板先端部を荷重伝達治具に固定した。試験片の主な制御パラメータは、隅角部溶接止端部から2mm内側の底板上面のひずみ範囲Δε_{r}(2)とした。この値は、1サイクル目の負荷時に所定のε_{r}(2)になるように荷重制御し、2サイクル目以降は、1サイクル目負荷時に測定した荷重点の変位量を繰り返し範囲として荷重点変位制御で試験を行い設定した値である。

き裂発生寿命は、止端部の様子をビデオカメラで撮影・記録した画像から、溶接止端部に長さが約1～2mmのき裂が観察されたときの繰り返し数とした。破断寿命は、試験片に加わる荷重がほぼゼロになったときの繰り返し数とした。

一部の試験片については、放電加工により予めスリットを導入した後、小さい荷重を繰り返し負荷し、長さ13mm、深さ1mmの浅い疲労き裂を導入した。

次に、低サイクル疲労実験に比べて簡易な引張り試験によるデータから疲労寿命を推定することを試みる。試験片は、低サイクル疲労実験で用いた試験片から採取した。その形状をFig.12に示す。

引張り試験は、Fig.13に示す低サイクル疲労試験のヒステリシスループの1/4サイクルにあたる。この図において、ヒステリシスループの中心o'における応力とひずみが低サイクル疲労実験の平均応力σ_{m}と平均ひずみε_{m}であり、応力振幅σ_{a}、ひずみ振幅ε_{a}および塑性ひずみ振幅ε_{ea}は、図中で定義される値である。

低サイクル疲労における塑性ひずみΔεpと破断寿命Nfとの間にはManson−Coffin則⁶)と呼ばれる次式が成立する。

Δεp(Nf)ᵃ=C …… (3)

ここで、Cは、材料定数であり、αはほぼ一定で1/2で

Fig.12 Schematic illustration of specimen for tensile test (unit: mm)

Fig.13 Schematic illustration of Original and Fractured specimen

ある。小規模タンク等に使用されている一般構造用圧延鋼において、$\varepsilon_{\mathrm{ea}}<<\varepsilon_{\mathrm{pa}}$ であるので、ここでは、$\Delta\varepsilon_{\mathrm{p}}=\Delta\varepsilon$ とした。

引張り試験がヒステリシスループの1/4サイクルであることから、 $ N_{f} $ に1/4を代入すると（3）式は、

C = 1/2·Δε_{p}……(4)となる。ここで、引張り試験では断面積および標点距離が試験中刻々と変化するため、Δε_{p}の代わりに破断延性ε_{f}を用いることとする。ε_{f}は、Fig.14に示す元の長さθ_{0}と破断長さθ_{f}を用いて、次式で示される。

$$ \begin{array}{r l r}{\varepsilon_{\mathrm{~f~}}}&{{}=}&{\ell\mathrm{\boldmath~n~}\left(\ell_{\mathrm{~f~}}/\ell_{0}\right)}\end{array} $$

また、弾性変形による体積変化を無視すると、くびれが生じる前では、断面積の変化は、

$$ \begin{array}{r l r}{\mathbf{A_{0}}/\mathbf{A_{f}}}&{{}=}&{(\mathbf{\ell_{f}}/\mathbf{\ell_{0}})}\end{array} $$

が成立する。ここで、 $ A_{0} $ は、元の断面積、 $ A_{f} $ は、破断時の断面積である。

(5) 式に (6) 式を代入すると

$\varepsilon_{\mathrm{f}} = \ell \mathrm{n} \left( \mathrm{A}_{0} / \mathrm{A}_{\mathrm{f}} \right)$ …… (7)

が得られる。一方、絞り$\phi$は、
$ \phi = (A_{0} - A_{f}) / A_{0} $ …… (8)

で定義される。(4) 式に (7) 式と (8) 式を代入すると、

材料定数Cは、次式で示される。

$$ \mathrm{~\textit~{~C~}~}=\mathrm{~1/2~}\cdot\varepsilon_{\mathrm{~f~}}{=}1/2\cdot\mathrm{~\ell~n~}\left(1/(1-\phi)\right) $$

引張り試験で得られる絞りφの値を（9）式に代入することにより、（3）式で破断寿命が推定できる。

### 3.2 実験結果

繰り返しひずみ範囲$\Delta\varepsilon_{\mathrm{r}}(2)$ に対する試験片の破断寿命$\mathrm{N}_{\mathrm{f}}$ をFig.15に示す。$\mathrm{N}_{\mathrm{f}}$ は、これまで報告されているように、$\Delta\varepsilon_{\mathrm{r}}(2)$ と良い相関関係があることがわかる。予き裂有りと予き裂なしを比較すると、$\Delta\varepsilon_{\mathrm{r}}(2)$ が小さいほど$\mathrm{N}_{\mathrm{f}}$ に影響を及ぼすことがわかる。$\Delta\varepsilon_{\mathrm{r}}(2)$ が0.5%の場合、予き裂有りの$\mathrm{N}_{\mathrm{f}}$ は、予き裂無しに比べて約1/3である。

Fig.16に破断寿命 $ N_{f} $ とき裂発生寿命 $ N_{c} $ の関係を示す。き裂の有無に拘わらず $ N_{f}=N_{c} $ の関係が見られる。

この結果から、地震動による1回当たりの浮上り量が終局浮上り量に等しい場合、底板側の隅角部は、100回程度の繰返し数まで破断しないことがわかる。

次に、引張り試験の結果をTable4に示す。引張り試験による絞り値を用いて推定したManson-Coffin則の破断寿命をFig.13に直線で示す。予き裂が無い試験片について、ひずみ範囲が1％以上では実用上問題のない程度の一致を示しているものと思われる。

以上の解析および実験結果からタンク底部の最大浮上り量が消防法で与えられている終局浮上り量以内であれ

Fig.15 Relation between $ N_{f} $ and $ \Delta\varepsilon $ (2)

ば、100サイクル程度までの繰返し数に耐えられることがわかる。しかし、前報（その1）での浮上り量は、本報で仮定した浮上り量の5倍程度で、浮上り回数は、20回程度である。隅角部に発生するひずみが、浮上り量に比例すると仮定（Fig.7参照）すると、Manson-Coffin則から破断寿命は、約8サイクルとなり、地震波による浮上り回数の方が多いことから隅角部が破断する結果となる。阪神淡路大震災で小規模タンクの隅角部が破断した事例が無いことから、今回の解析では十分に説明ができない。隅角部の破断寿命は、浮上り量に大きく影響するため、前報での解析を詳細に検討する必要があり、今後の課題としたい。

Fig.14 Hysteresis loop of low-cycle fatigue

Fig.16 Relation between $ N_{f} $ and $ N_{c} $

Table 4 Results of tensile test

Gage length $ l_{0} $ (mm)	Final length $ l_{f} $ (mm)	Initial cross-sectional area $ A_{0} $ (mm²)	Final cross-sectional area $ A_{f} $ (mm²)	Reduction of area $ \phi $ (%)	Yield stress $ \sigma_{y} $ (N/mm²)	Teisile strength $ \sigma_{B} $ (N/mm²)
D1	31.29	42.94	35	12.59	64.02	336	470.4
D2	29.55	47.26	35	15.31	56.25	341.6	473.2
### 4. まとめ

容量が1,000kl未満の小規模タンクが、地震動を受けて底部の一部が基礎から浮き上がる場合について、側板と底板の隅肉溶接部に発生するひずみを材料の非線形を考慮した軸対称有限要素法により解析した。また、隅肉溶接部を模擬したL型試験片を用いて低サイクル疲労強度実験を行い、溶接止端部のき裂の有無が破断までの疲労寿命に及ぼす影響を調べるとともに、Manson-Coffin則による破断寿命の推定を試みた。

その結果、以下のことが明らかになった。

(1) 有限要素法解析において、隅肉溶接部近傍の発生ひずみの挙動は、側板と底板の板厚に大きく影響を受けることが明らかになった。

(2) 側板の板厚の方が厚い場合、底板側の止端部のひずみは、繰り返し浮上りに対してループを描く挙動を示すが、側板の方が薄い場合、その挙動は複雑となる。

(3) 低サイクル疲労強度実験において、溶接止端部のき裂の有無が破断寿命に与える影響は、低ひずみ領域ほど顕著であることが明らかになった。

(4) 1％以上のひずみ範囲では、引張り試験で得られる絞りを用いてManson-Coffin則による低サイクル疲労寿命が推定できることがわかった。

## 参考资料

1）消防庁危険物技術基準委員会：“1978年宮城県沖地震東北石油仙台製油所石油タンク破損原因調査報告書”、昭和54年9月20日

2）自治省消防庁消防研究所：“兵庫県南部地震による危険物施設の被害調査報告書”、p.29、（1995）

3）日本高圧力技術協会：“平成7年度石油タンクの防食技術と安全性評価に関する調査・研究報告書”、p.435-633（平成8年3月）

4）消防庁危険物技術基準委員会：“新技術を活用した石油タンクの検査・判定方法に関する調査検討報告書”、pp.50-59（平成12年3月）.

5）西晴樹、山田實、畑山健、“地震動による小規模タンク底部の浮上り拳動について一その1 浮上り回数および高さに関する検討”、消防研究所報告、96、pp.16-25(2003)

6）例えば、西谷弘信編：“疲労強度”、p.235（1985）

オーム社
# Analysis on uplift behavior of bottom part of small-scale aboveground tank during earthquake - Part 2: The strain and low-cycle-fatigue life of the fillet welding joint

(Abstract)

Minoru Yamada, Haruki Nishi, Naotake Ohtsuka and Shoichi Yoshida

(Received July 24, 2003)

The bottom of a small-scale tank may be uplifted from a foundation by earthquake ground motions. In such a situation, it is known that strain considerably exceeds the yield point of material yields in the fillet welding joint of a shell plate and a bottom plate.

In this report, we analyzed the strain by the axis symmetrical finite element method in consideration of the nonlinear characteristic of material. Moreover, we conducted low-cycle-fatigue experiments of L-shape specimen which imitated the fillet welding joint, and investigated the influence of the existence of the crack of a toe of welding joint on the fatigue life to fracture.

Consequently, in the finite-element-method analysis, it became clear that the behavior of generating strain near the fillet welding joint is influenced by the thickness of shell plate and bottom plate.

From the low-cycle-fatigue experiment, it became clear that the influence of the existence of the given crack on a fatigue life is larger in low strain area rather than a high strain area. Furthermore, it turned out that the low-cycle-fatigue life can be estimated by the Manson-Coffin law using reduction of area obtained by tension test.
論文

# 林冠の閉塞した林内における湿度と土壌含水率の動態に関する研究

新井場 公徳、寒河江 幸平

(平成15年7月28日受理)

林冠の閉塞した2カ所の林野における気象・土壌含水率の観測を1時間間隔で行った。2002年中の観測結果を用いて、林床可燃物の含水量変化に影響を与えると考えられる地上0.2、1.5mの2つの高さの湿度と、実効湿度の考え方を1時間間隔に適用して求めた累積湿度及び地下10cmの深さの土壌含水率について検討を行い、以下のことが分かった。

・一般に相対湿度は地表付近の方が高く、風速が小さいときに地表の累積湿度が高いことが多い。また、秋季～冬季には、結露による水分供給が地表にあり、累積湿度にもその影響が現れる。

・これらの現象は、林床可燃物の水分動態に影響を与えると考えられるが、一般的な気象観測では観察できず、林野火災発生危険度を過大に評価する可能性がある。

・地表面下10cmの土壤水分量は、一定レベル以上を維持する期間が長い。但し地温が高く降水がない状態が継続すると、急激に減少する現象が見られた。急激な減少と日射量の間には明瞭な相関は見られなかった。

### 1. はじめに

我が国の林野火災の発生頻度には、自然的要因としての林野に存在する可燃物の量や状態と、人為的要素としての入山者の量や質などが関係していると考えられる。今回我々は、前者に関連する林野の内部の水分動態について観測的研究を行った。

林野の可燃物としては、落葉落枝及びダや草本類など林床に存在するものと、林を構成する樹木の幹や枝葉など空中に存在するものとがある。このうち発生頻度に最も関連するのは林床可燃物の状態であると考えられ、本研究では林床付近の水分動態について検討した。

林床可燃物の水分動態のモデル化はカナダや米国において進歩している（例えば¹）、²）。これらのモデルでは、可燃物と外部との間の熱及び水の収支と、可燃物内部の熱伝導及び水分の移動が考慮されている。可燃物への水分の供給は降水によってなされ、気温と湿度、可燃物への日射、可燃物表面の水分量などによって可燃物から空気への蒸発量が求められる。

このモデルの構築にあたっては、北米大陸の気候や地形、植生が考慮されており、日本の林野に適用するには難しい点がある。例えば、気温や湿度は平均的な変化に従うと考えられており、気象条件が変わりやすい日本とは条件が異なる。また、林冠の閉塞状況など植生の特徴も異なると考えられる。

玉井・服部 $ ^{3)} $ は、日本の落葉広葉樹林における実験・観測によって、林床落葉層の水分蒸発量のモデル化を行っている。このモデルでは、落葉層の水分は、降水と地盤からの水蒸気によって供給され、日射量に依存する空気への蒸発と土壌への浸透によって消費される。土壌からの蒸発については北米大陸のモデルを用いている。日射量を用いるために、この考え方は林冠の閉じた林野には適用できない。

一方、火災危険度との関連においては、我が国では実効湿度による検討が主流である（例えば $ ^{4} $ ）。実効湿度と火災件数や拡大率の関係について数多くの研究がなされている。既往研究の「実効湿度」は、用いる相対湿度として気象台等で計測されたものを用いており、林野特に林冠の閉塞した林の林床可燃物が接する空気との違いについて検討が必要である。

本研究では測定の容易な土壌の含水率と林内気象要素について連続観測を行い、林内における水分動態の特徴について検討を行った。
### 2. 観測の方法

### 2.1 概要

Fig. 1 に観測装置の概要を示す。林冠の閉塞した林内にポールを立て、次の項目を測定した：気温（地上1.5m）、湿度（同1.5m及び0.2m）、風向・風速（同1.7m）、日射量（同1.5m）。近傍の地面には土壌水分計を3深度（0.1、0.3、0.5m）に埋設するとともに、0.5m深には地温計も埋設した。降雨量を把握するために、林外に雨量計を設置した。これら観測機器は林外に設置した太陽電池によって駆動し、1時間間隔で測定を行っている。記録は携帯電話によって回収する。設置状況をFigs. 2，3に示す。

これらの観測機器を千葉県富津市内のヒノキ林（斜面方位：西、2001年11月13日観測開始）、徳島県池田町内のヒノキと落葉広葉樹からなる林（同北：2002年3月20日観測開始、9月21日停止）に設置した。表層地質は、富津市については砂質堆積層、池田町については、結晶片岩起源の崩積土である。地形的にはいずれも平面型の斜面である。

本論文では2001年12月1日から2002年12月31日の1年間の記録について検討を行う。2001年12月1日0時を時刻の基準として表す。

### 2.2 気象観測装置の設置方法

温湿度計は、一般的な気象観測の高さである地上1.5mと、地表可燃物に近い地上0.2m（湿度のみ）の2つの高

Fig.2 Schematic structure of monitoring equipment.

さで測定した。シェルターは自然通風型のものを用いた。これは強制通風による周辺の空気の攪乱を防ぐためである。後述する通り冬季の早朝に地表に近いシェルターでは、高い湿度が長時間継続する様子が観測された。これは、シェルター外壁に結露を生じることによってシェルター内部の空気の湿度が高い状態が継続したものと考えられる。シェルターが存在しない自然状態とは同じ条件ではなく、気象の観測としては誤差であるが、林床可燃物にも露によって水分が供給されていることを定性的には反映しており、本研究の目的としては妥当であると考えている。

日射計、風向風速計はポールの所定高度に取り付けた。用いた日射計は受光部の直径が20mmで、木漏れ日が直接あたるかどうかで出力が大きく変わることが予想され、各時刻の計測値については代表値としての意味がないものと考えられる。本研究では日単位の平均値を用いて相対的な明るさの指標とする。雨量計（0.5mm計）は、太陽電池と共に上方が開けている場所（富津市：幼齢林、池

Fig.2 Picture of monitoring equipment in Futtsu City, Chiba Prefecture.

Fig.3 Picture of monitoring equipment in Ikeda Town, Tokushima Prefecture.
田町：林道わき）に設置した。地温計は後述の土壌水分計を埋設する際に掘削したピットに埋設した。

### 2.3 土壤水分計

用いた土壤水分計はADR式変換器で、円筒（直径40mm長さ140mm）の先から4本の針状のアンテナ（長さ60mm）が突き出した形状である。この変換器を以下の手順によって埋設した。

1. 地上の落葉落枝を手で除去する。

2．長さ約1 m（傾斜方向）、幅約50 cm（等高線方向）、深さ約60 cmのピットを掘る。

3．土壤水分計と同径・同長の鉄製中空パイプで、ピットの斜面上方側の壁の所定深度（10、30、50cm）に横穴をくりぬく。

4．土壌水分計を横穴へ挿入する。アンテナ部は横穴の先端から土壌へ押し込む。

5. 地温計をピットの底部に埋める。

6．ピットを埋め戻す。埋め戻しにあたってはピットから水が流入するのを防ぐため十分に締め固める。

7．周囲と違和感がない程度に付近から集めてきた落葉落枝で地表を覆う。

以上の手順によって、土壌水分計のアンテナが不攪乱土壌に挿入され、ピットの掘削・埋め戻しに起因する攪乱が計測に与える影響が小さくなるようにした。本方法の問題としては、アンテナ部を不攪乱土壌へ挿入するために、土壌によってはアンテナ部に石が入り大きな空隙を生じたり、石の有無によって計測値が変化してしまう可能性があること、挿入時にアンテナ部を押し込むために、土壌を締め固めてしまう可能性があること等が指摘できる。一部の計器でその傾向が伺われたため、埋設をやり直したものもある。

出力は計器付属の変換式によって体積含水率に換算した。変換式は有機質土壤と鉱物質土壤によって異なったものが示されている。ピット掘削時の土壤の観察から、富津市の観測点については0.3mまでを有機質土壤、池田町の観測点については0.1mのみを有機質土壤とした。

### 3. 観測結果

### 3.1 湿度

Fig. 4 に林内で観測された湿度を示す。富津市における観測では大局的に見て冬場に低く夏季に高い値を示している。池田町の観測でも観測期間は半年間ではあるが同様な傾向が指摘できる。また富津市の結果を見ると冬季には特に日変化が激しい。一般に冬季の太平洋側では乾燥傾向であるが、高い湿度が観測されることもある。

いずれの観測点でも地上0.2mにおける観測湿度の方が地上1.5mにおけるものよりも高い時期が多い。計器の零点のずれの差が含まれている可能性もあるが、地表から水蒸気という形で水分が供給されている結果と考えられる。

### 3.2 土壤の含水率

Fig. 5 には各深度における体積含水率の変化を示した。富津市においては降雨に対応して含水率は上昇し、その後の無降雨期間に減衰する様子が明瞭である。池田町では10cmでは地表が石混じりであることに起因すると思われる激しい変化を示しているが、30、50cmの深さの反応性が悪く、長期的な変化だけが見られている。この2つの深度については埋設上の問題があるものと考え、後日再設置を行った。

富津市の10cmの深さのデータを見ると年間を通して約50%のレベル以上で推移することが多いが、時折そのレベルを割り込んで大きく減少することがある。池田町の深さ10cmのデータについては45%の辺りで同様に変曲しているようである。Fig. 6には富津市の10cmの深さの含水率がこの期間で最低となった2002年7～8月の様子を示す。7月末の降雨によって含水率が増加しているが、浅いほど反応が良い。その後、浅いほど減少が早く、8

Fig.4 Humidities observed in 2001. Locations and monitored heights are written in each diagram.
Fig.5 Soil moisture contents by volume observed in 2001. Locations and monitored depths are written in each diagram.

月7日を過ぎから10cmの深さの含水率が上に凸の曲線を示して減少が加速する様子が見られる。

### 3.3 風速・風向・雨量

Fig. 7 に富津市における風向・風速・時間雨量を示す。風向は変化が激しいため、6時間平均値を表示した。夏場に南風が吹く傾向が見られ、その他は南東の風が卓越している。風速は林冠の閉塞した林内であることと吹き下ろしの成分が卓越しているために比較的小さい。最下段の時間雨量の図に矢印で示したのは、台風が千葉県を通過した日

Fig.6 Variations in soil moisture content in Futtsu City in the period when the lowest value was observed at the depth of 10 cm.

時を示す（台風6，7，21号）。特に10月の台風は富津市直上を通過したが、観測された風速はそれほど大きくなかった。池田町の観測結果では、台風が襲来しなかったこと

Fig.7 Results of meteorological monitoring in Futtsu. Top: Wind direction (6 hrs moving average), Middle: Wind speed, Bottom: Hourly precipitation.
などから、風速の最大値は3 m／sに過ぎなかった。林内の風は林外に比べて非常に弱いことが分かる。

### 4. 考察

### 4.1 累積湿度

既往研究において実効湿度は日代表値（日平均値や最低値など）を用いて算出されている。本研究では1時間毎のデータが得られているため、実効湿度の考え方を時間単位に拡張して考察を行う。以下の手順で求められた値を、累積湿度と呼ぶ。

$$ \begin{aligned}& 日单位の実効湿度は式(1)で得られる。\\&\mathrm{Y}_{\mathrm{n}}=1/\mathrm{A}^{*}\Sigma\mathrm{r}^{(\mathrm{n}+)}\mathrm{X}_{\mathrm{i}}\quad\mathrm{i}=0\sim\mathrm{n}\quad\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\\&\mathrm{A}=1+\mathrm{r}+\mathrm{r}^{2}+\mathrm{r}^{3}+\cdot\cdot\cdot=1\nearrow(1-\mathrm{r})\\&\mathrm{Y}_{\mathrm{n}}:\mathrm{n} 日の実効湿度 \\&\mathrm{X}_{\mathrm{n}}:\mathrm{n} 日の相対湿度 \\&\mathrm{r}:\mathrm{ 相対湿度 の実効湿度 への寄与に関する係数 }\end{aligned} $$

式(1)を時間単位とした場合、24時間前の相対湿度の現時刻の累積湿度への寄与の大きさを同じ（r）とするために、式(2)を累積湿度の計算式として用いる。

$$ \begin{aligned}&Z_{m}=1/B^{\star}\Sigma s^{(n-1)}Xi\quad i=0\sim m\quad\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\\&\quad s^{24}=r\\&B=1+s+s^{2}+s^{3}+\cdot\cdot\cdot=1\nearrow(1-s)\\&Z_{m}: 時刻 m の累積湿度 \\&X_{m}: 時刻 m の相対湿度 \\&s: 相対湿度の累積湿度 \nearrow の寄与に関する係数 \end{aligned} $$

実際の計算にあたっては、次式（3）の漸化式を用い、時刻0の累積湿度は時刻0の相対湿度と等しいと仮定した。この仮定によって生じる誤差は、時刻の経過と共にsのべき乗で減衰するため、実用上問題はないものと考える。

$$ Z_{\mathrm{m}}=\mathrm{~(1-s)~}X_{\mathrm{m}}+\mathrm{s}Z_{\mathrm{m-1}} $$

日単位の相対湿度と林野火災の関係については、 $ r = 0.5 $ が適合性が高いとされる $ ^{5)} $ 。本研究では $ r = 0.5 $ に対応するs = 0.97153を用いた。

得られた累積湿度をFig.8に示す。式（3）から明らかなとおり、累積湿度は観測湿度を平準化した形となっており、大局的には冬季に低く、夏季に高い傾向が見られる。

先に述べたとおり、湿度は観測高さによって異なった。最下段の累積湿度の高さによる差（0.2mの値から1.5mの値を引いたもの）を見ると経常的に地表付近の方が高い。また、秋期から冬季の千葉県のデータには、10%程度まで差が一時的に大きくなる時期が見られる。結露により地表付近に水分が多く供給されたためと考えられる。Fig.9は、累積湿度と同様の式を用いて計算した累積風速と累積湿度差の関係を見たものである。累積湿度差が大きな値をとるのは累積風速が小さいときであることが分かる。林冠の閉塞した林内では、風速は林外に比べて著しく小さく、そのため空気の攪乱が小さいと考えられる。そのため、結露した場合に地表付近だけ長時間累積湿度が高い状態が保たれるという現象をとらえたものと考えられる。秋期から冬季にかけては、林内可燃物にはこのような水分供給がありえるが、この現象は気象官署や消防署所などにおける観測記録には現れにくい。このようなデータを用いて実効湿度と林野火災の関係を見る上で注意が必要である。

### 4.2 土壤の含水率の変化

Fig. 6 で見られたように、地下10cmの土壌含水率は、

Fig.8 Accumulated humidities in 1.5m and 0.2m (above two diagrams) and the difference of them (bottom).

Fig.9 Relationship between the accumulated humidity and the accumulated wind speed.
ある一定レベル以上で推移する時期と、急に減少する時期とが見られた。急に減少するのはどのような条件の時なのかを検討した。

Fig.10に富津市のデータを示す。観測期間中、図に灰色で示す4回の含水率の著しい減少が観察された。累積湿度（同図2段目）には4回の減少に対応して低減するといった特徴的なものは見られない。木材などの含水状態を表すとされる実効湿度と、土壌の含水率は異なる特性を持つことが分かった。

同様に、玉井・服部 $ ^{3)} $ が林床可燃物の水分量変化に影響があるとしている日射量（3段目：日射量の1日の積算値）についても、土壌の含水率の減少と日射量の間に

Fig.10 Relationship between sudden decrease in soil moisture content and meteorological conditions. Shaded boxes indicate periods when sudden decrease in soil moisture content was observed.

は対応関係が見られない。日射量が10cmの深さの含水率の変化に与える影響は小さいようである。

Fig.10、4段目は1.0mm以上の降雨がない期間を表したもので、含水率の減少期との相関がよい。さらに5段目に示した地温を考慮すると、地温の高い時期に無降雨日が連続すると（図のA～C）、上に凸の曲線となって含水率が急減するといえる。Dの期間は無降雨期間が2番目に長いものの含水率の減少の仕方は下に凸のままであり、これは地温の低さに起因しているものと考えられる。以上のように、土壌の含水率が急激に減少する現象については、無降雨の継続と地温の高さが関係していると考えられる。

### 5 \. 結論

1年間及び半年という限られた時間ではあるが、千葉県富津市及び徳島県池田町の林野における気象・土壌含水率の観測の結果、以下のことが分かった。

(1) 一般に相対湿度は地表付近の方が高く、累積湿度で見ると、風速が小さいときに地表の湿度が高いことが多い。また、秋季～冬季には、結露によるとみられる水分供給が地表にあり、累積湿度にもその影響が現れる。

(2) これらの現象は、林床可燃物の水分動態に影響を与えると考えられるが、林野外の一般的な気象観測では観察できないものであり、林野火災発生危険度と気象要素の関係の検討においては留意すべき点である。

(3) 地表面下10cmの土壌の含水率は、一定レベル以上を維持する期間が長い。但し地温が高く降水がない状態が継続すると、急激に減少する現象が見られた。

## 謝辞

観測にあたっては、土地所有者の方々、千葉県中部林業事務所、古谷尊彦千葉大学教授、末峯章京都大学防災研究所助教授にお世話になっています。記して感謝いたします。

## 引用文献

1) R. C. Rothermel, R. A. Wilson, Jr, G.A. Morris and S. S. Sackett: Modeling Moisture Content of Fine Dead Wildland Fuels., USDAFS Research Paper INT-359, 1986.

2) R. M. Nelson, Jr: Prediction of diurnal change in 10-h fuel stic moisture content, Can. J. For. Res., Vol.30, pp. 1071-1087, 2000.

3）玉井幸治・服部重昭:落葉広葉樹林における林床面蒸発のモデル化と流域への適用，日林誌，Vol.76,No.3, pp.233-241, 1994

4）寒河江幸平：林野火災発生率と実効湿度及び最小湿度との関係，平成15年日本火災学会研究発表会概要集，pp.450-453，2003

5）消防庁：大規模林野火災発生予知システム開発調査報告書，1986
# Study of variations in the soil moisture content and the humidity in forests with closed canopy

(Abstract)

Kiminori Araiba and Kohei Sagae

(Received, July 28, 2003)

Meteorology and soil moisture content in the forest with closed canopy are observed at two locations; Futtsu City, Chiba Prefecture and Ikeda Town, Tokushima Prefecture. We consider that the humidity of the air close to the ground and the moisture content of shallow soil correlate with the moisture content of fuel on the forest floor. We examine relative humidities at two heights, 0.2m and 1.5m, “accumulated humidities” which are evaluated by the equation modified from that of effective humidity in order to obtain hourly values and soil moisture contents at 0.1m below the ground surface. We found followings:

(1) Higher humidities are generally observed in 0.2m. Differences in the accumulated humidity between two heights become large when wind is calm. Very large differences are often observed in autumn and winter season, which must be due to dew condensation.

(2) Moisture supply due to the dew in the forest can not be estimated by ordinary meteorological monitoring because it is generally conducted in the area without vegetation and forest crown. Using such monitoring data can lead to the overestimate of the danger of forest fire.

(3) Soil moisture contents at 10 cm depth are over certain values in most periods. However they drop suddenly in the case that duration without precipitation lasts long in the period of high ground temperature. The correlation between such drops and solar radiation is not observed.
論文

# 1〜18GHzの電磁波が及ぼす火災感知器への影響と 導電性塗料によるシールド効果

田村 裕之

(平成15年7月30日受理)

無線関連機器が数多く実用化され、自動火災報知設備が電磁波に曝される機会が増大している。また、総務省が定める「周波数の使用状況」によると移動体通信や無線LAN、公衆通信業務用無線が1～18GHzのマイクロ波に拡大している。そこで、1～18GHzのマイクロ波を電界強度や放射方法を変化させながら火災感知器（以下、感知器とする。）に曝露し、そのときの感知器の動作を確認する実験を行った。さらに、電磁波ノイズの影響を受けた感知器に対し、電磁波から回路動作を守る方策を施し、その効果を検証した。

電磁波曝露実験の結果、光電式感知器と赤外線式感知器はマイクロ波の影響を受けやすい傾向が確かめられた。電磁波の発生源をダイポールアンテナと仮定すると、マイクロ波の影響を受けないアンテナとの距離は光電式感知器が約55cm、赤外線式感知器が約80cmとなり、これらの感知器を設置した場合には、光電式感知器では1m、赤外線式感知器では2m以内に無線機が近付けない方策をとることが望ましい。一方、サーミスタを用いた熱感知器やイオン化式感知器は電磁波ノイズに強いことが分かった。

電磁波による影響を防止するための一方策として、感知器匡体の内側全面に導電性塗料を塗布した感知器を試作した。受信機とデータ通信を行うタイプの光電式感知器の場合、シールドのない感知器では通信のエラーが頻発したが、導電性塗料の塗布により通信のエラーがほぼ解消された。1～18GHzの電磁波に対するシールド方法として有効であった。

### 1. はじめに

無線通信機器や攜帯電話、無線LAN機器の普及が進み、1GHzより高い周波数のマイクロ波と呼ばれる周波数域の利用が拡大している。総務省が定める「周波数の使用状況」をみると今後も移動体通信や無線LAN、電気通信業務用に確保された周波数帯域が多くある1～18GHzのマイクロ波帯の利用が増加すると考えられる。消防用設備の自動火災報知設備は電子機器化が進み、ICを搭載した機器が多く開発され、電磁波ノイズによる誤動作の危険性が考えられ、実際、高出力の電磁波を利用した医療機器により煙感知器が誤動作した例が報告されている $ ^{1} $ 。過去に、27～500MHzの電磁波に対する自動火災報知設備の動作を調べた実験 $ ^{2} $ や200～1000MHzの電磁波に対する感知器の動作を確認する実験 $ ^{3} $ が行われている。しかし、波長がより基板の配線長に近づき電磁波がノイズとして乗りやすくなると予想されるマイクロ波帯の電磁波の影響を確認した報告はまだ少ない $ ^{4} $ 。また、実際に電磁波の影響があった場合に、どのように影響を低減させるかについて、感知器に改造を加え実験的に確かめた。

ここでは、マイクロ波が及ぼす感知器への影響について述べるとともに、導電性塗料でシールド加工した試作感知器のシールド効果について報告する。

### 2 \. 実験

### 2.1 実験設備

機器構成をTable1に示す。電波暗室内外の機器配置をFig.1に示す。電波暗室内に被試験感知器と電界強度計プローブを置き、アンテナから電磁波を放射した。

### 2.2 実験項目

(1) 実験 1：電磁波の曝露実験 (1)

4 機種のスポット型感知器に対し、1～18GHzの電磁波を曝露し、異常な動作を起こす電波条件と動作の内容を調査した。

(2) 実験 2 : 電磁波の曝露実験 (2)

5 機種のアナログ型と呼ばれるスポット型感知器に対
Table1 Configuration of experimental equipments

equipment	model (manufacturer)
signal generator	HP83732B (HP)
power amplifier	25S1G4, 20T4G18 (AR)
antenna	DRG-118/A (A.R.A)
electric field meter	EMR-200 (W&G)
receiver	FAP228 (nohmi) or Personal computer (HP) (for analog type detector)

Fig.1 Radio wave anechoic chamber and arrangement of experiment equipments

し、1～18GHzの電磁波を曝露し、異常な動作を起こす電波条件と動作の内容を調査した。

(3) 実験 3：シールド加工感知器への電磁波の曝露実験

アナログ式光電式スポット型感知器に対し、1～18GHz の電磁波を曝露し、3種類の導電性塗料の塗布によるシールド効果を検証した。

### 2.3 被試験感知器

被試験感知器としては、機械的に接点が閉じるような機構の感知器は対象外にし、電磁波の影響を受けやすいであろう回路を内蔵しているものを主に取り上げた。赤外線式スポット型感知器は、焦電素子やOPアンプによる増幅回路を有していて、焦電素子への周囲電界の変化の影響やわずかなノイズ電圧の増幅などで、感知器動作に影響が出やすい可能性が考えられる。また、光電式スポット型感知器は、煙粒子の散乱光により発生するフォトダイオードの微弱な電流を2～3段組み込まれている増幅回路で増幅しているため、電磁波ノイズで発生した微弱電流を増幅してしまう可能性が考えられる。熱感知器は動作原理が機械式のものが多いが、ここでは、感熱素子にサーミスタを用い電気回路を有する感知器を選んだ。実験に供した感知器の種類と機能の概要を以下に示す。

#### 2.3.1 実験 1

被試験感知器は以下の4機種で、すべて国産品である。

(1) 光電式スポット型感知器 2 種

煙粒子による散乱光の強度をとらえる煙感知器である。

(2) イオン化式スポット型感知器 2 種

煙粒子によるイオン電流の変化をとらえる煙感知器である。

(3) 赤外線式スポット型感知器

炎からの赤外線を検出する炎感知器である。

(4) 住宅用の定温式スポット型感知器

感熱素子がサーミスタで、設定温度で発報する熱感知器である。

（1）から（4）の感知器は、温度や煙濃度、赤外線強度などが発報レベルになると接点信号を受信機に送る感知器で、受信機側では火災発報の有無を判別できる。

#### 2.3.2 実験 2

被試験感知器はアナログ式の以下の5機種で、すべて国産品である。

(1) アナログ式光電式スポット型感知器 2 種(A社)

(2) アナログ式光電式スポット型感知器 2 種 (B 社)

(3) アナログ式定温式スポット型感知器特種

感熱素子がサーミスタで、設定温度で発報する熱感知器である。

(4) アナログ式定温式スポット型感知器1種

(5) アナログ式差動式スポット型感知器2種

感熱素子がサーミスタで、急な温度上昇がある場合に発報する熱感知器である。

アナログ式と呼ばれる感知器は、受信機にアドレス情報と時間と供に変化する温度あるいは煙濃度のデータを伝送する感知器であり、受信機側で、温度あるいは煙濃度のデータを確認できる。

#### 2.3.3 実験 3

被試験感知器は以下の1機種であり、実験2の（2）の感知器と同機種である。

(1) アナログ式光電式スポット型感知器 2 種 (B社)

### 2.4 実験条件と方法

アンテナ先端と感知器までの距離は50cmとした。電磁波仕様の内、変調方式、信号波、変調度、周波数スイープ率はIEC61000-4-3の放射無線周波電磁界イミュニティ試験に準じた。電磁波の仕様はすべての実験で同一で、周波数範囲は1～18GHz、変調は信号波が1KHzで変調度が80%の振幅変調で、放射方法は連続放射と断続放射を行い、周波数スイープ率は約1％とした。放射方法の断続放射は、複数の無線機が同時に通信を開始した場合等を想定し、1秒間に10回の割合で電磁波の放射と停止を繰り返した。感知器は表示灯が上になるように設置し、暗室外にある受信機への信号線はシールド線を用いた。

ある周波数に固定し電界強度を上下させ、感知器の動作内容を記録した。最大の放射能力まで電界強度を上げていき感知器動作に変化がなければ「異常なし」とした。感知器動作に何らかの異常な動作、例えば火災発報を起こしたり、温度や煙濃度の数値が上昇したりする場合にはその内容と電界強度を記録した。次にある周波数の約1.01倍の周波数に変更し、同様に電界強度を上下させ感
知器の動作を確認した。これを繰り返し、全周波数範囲で発生できる範囲で電磁波の強度を上昇させて、感知器が異常な動作をしたときのその内容と電界強度を記録した。

今回の実験機器構成で感知器に曝露できた電磁波の最大電界強度をFig.2に示す。13GHz以上では30V/m以下の低い電界強度になっている。

以下の記述で、実際の無線局の周波数や出力等は、総務省が定める平成15年3月現在の「周波数の使用状況」と平成13年11月現在の「日本無線局周波数表」によった。また、無線機の出力と任意の距離離れた場所での電界強度の計算値は、理想的な半波長ダイポールアンテナのときの次式を用いた $ ^{5} $ 。

\[ 電界強度 (V/m)=7\sqrt{}(P)/r\quad\cdots\cdots\

ここで、Pは出力（W）、rは距離（m）である。

### 3. 結果と考察

Fig.3からFig.5は電磁波曝露実験で火災発報を発生した最低電界強度を示す。実験は横軸の周波数範囲全てで行ったが、火災発報を記録した周波数のみを表示した。周波数が同一な場合、表示された電界強度以上の電界をかけると、感知器は火災発報することを示す。

### 3.1 実験 1：電磁波の曝露実験（1） $ ^{6)} $

## (1) 光電式スポット型感知器 2 種

周波数と火災発報の発生した最低電界強度との関係をFig.3に示す。

連続放射の場合は、航空無線航行やレーダーに利用されている1000～1020MHzで90V/m以上、1140～1260MHzで38V/m以上、衛星に利用されている1560～1580MHzで18V/m以上、携帯電話や衛星で利用されている1960～2030MHzで13V/m以上、宇宙運用や公共業務に利用されている2240～2330MHzで60V/m以上、無線LANやアマチュア無線に利用されている2420～2510MHzで95V/m以上、レーダーに利用されている2720～2840MHzで60V/m以上で火災発報をしている。

断続放射の場合は、レーダーや自動車電話、携帯電話や業務無線に利用されている1000～1520MHzで約10V/m以上、天文気象衛星や固定公共業務無線やPHS、携帯電話に利用されている1660～2030MHz付近で15V/m以上、宇宙運用や公共業務無線に利用されている2270～2330MHzで60V/m以上、無線LANや通信衛星、レーダーなどに利用されている2450～3000MHzで38V/m以上で誤動作をしている。

衛星や宇宙運用、航空無線航行やレーダーの用途では、アンテナ自体は屋外にある固定局のため建物内の感知器が上記の電界強度以上の電波を受ける可能性は低いため、誤作動要因にはならないと考える。

火災発報要因として携帯無線機が感知器に接近することを想定する。火災発報が発生した中で、電界強度の低い部分は携帯電話などに利用されている周波数域で13V/mである。携帯電話の出力を大きく見積もって1Wとすると、(1)式から電界強度が13V/mになるのは、距離約53cmである。また、携帯電話の実機を用いた実測では、携帯電話の5cm以内で電界強度計で測定すると60V/mを計測することがあった。2GHz付近の携帯電話では、感知器直近で運用した場合、火災発報の原因となりうる。これらのことから、安全を考慮すると、光電式感知器は、携帯型の無線機が感知器の設置場所から1m以内で使用されないような工夫が必要である。

光電式感知器の回路内にはフォトダイオードの出力を増大する増幅回路があり、この部分が電磁波ノイズの影響を受けていると予想される。

Fig.2 Maximum electric field strength of electromagnetic waves radiated from the antenna.
Fig.3 Relation between electric field strength and frequency when alarms occurred in the case of a spot type photoelectric optical smoke detector and maximum electric field strength of electromagnetic waves radiated from the antenna

Fig.4 Relation between electric field strength and frequency when alarms occurred in the case of a spot type ionization smoke detector and maximum electric field strength of electromagnetic waves radiated from the antenna

Fig.5 Relation between electric field strength and frequency when alarms occurred in the case of a spot type infrared flame detector and maximum electric field strength of electromagnetic waves radiated from the antenna