第6回：低層建築物の耐風設計

低層建築物とは

いま、屋根平均高さ$\small H$、長方形平面（幅$\small B$ × 奥行$\small D$）の建物を想定します。「低層建築物」とは、文字通りに解釈すれば「高さの低い（$\small H$が小さい）建物」ということになります。米国土木学会（ASCE）の設計基準ASCE7-16^6.1)では、「$\small H \leq 60ft$ かつ $\small H \leq min(B,D)$である建物」（ただし、屋根勾配が10°以下の場合、$\small H$は軒高$\small h$）に対する風荷重算定法をそれ以外の建物とは別に定めていますが、このような建物が「低層建築物」に該当します。単に「低い」ということであれば、第一の条件だけで良いはずですが、もう1つ条件がついています。それは建物形状が「平べったい」ということです。高さが60ft（18.3m）以下であっても、ペンシルビルのような「細長い」建物は該当しません。これは、「平べったい建物」と「細長い建物」では、そのまわりの流れの性状が大きく異なるからです。風荷重算定法を別途設けている理由には、実際にそのような建物が圧倒的に多く、規模もそれほど大きくないので、風荷重を簡便に算定したいということもあります。

日本建築学会「建築物荷重指針・同解説」^6.2)（以下、「荷重指針」）では、「低層建築物」という表現は用いられていませんが、アスペクト比$\small H/\sqrt{BD}=2$を境に異なる風荷重算定法を与えています。これもASCE7-16と同じ理由によるものです。流体力学的には、絶対的な高さより「平べったさ」が重要なのです。したがって、イベントホールやスポーツ施設のような高さが優に20mを越えるような大スパン建築は、屋根高さが高くても「低層建築物」の範疇に入ると考えて良いでしょう。

地震国日本においては設計上支配的な荷重は地震荷重であり、風荷重が問題になるのは高さが200mを越えるような超高層建築物だけと思っている設計者は意外と多いのではないでしょうか。低層でもスパンが比較的大きく軽量な鉄骨構造では、風荷重が設計上支配的となるケースが多くあります。また、第3回で述べたように、台風等による強風被害のほとんどが低層建築物の外装材に発生しています。被害を低減するためには、低層建築物に作用する風圧の性状を正しく理解し、適切な風荷重評価、耐風設計を行う必要があります。

低層建築物に対して設計上支配的となる荷重

工場、倉庫、体育館などに代表される平屋の低層建築物にはH形鋼を用いた鉄骨構造がよく用いられます。そこで、【図6.1】に示すような軒高$\small H$、スパン$\small L$の門型ラーメンを想定し（$\small S=6m$と仮定）、日本鋼構造協会「JSSC 低層一方向ラーメン・他方向ブレースシステム 設計仕様書・同解説」^6.3)に基づき部材を設定し、下記荷重条件に対して、建築基準法施行令に定められた設計荷重を作用させたときの部材応力度を計算しました。

積雪荷重$\small S$：垂直積雪深$\small d=30cm$、単位積雪重量$\small \rho=20N/cm\cdot m^2$

風荷重$\small W$：基準風速$\small V_0=34m/s$、地表面粗度区分Ⅲ

地震荷重$\small K$：地震地域係数$\small Z=1.0$、振動特性係数$\small R=1.0$、標準せん断力係数$\small C_0=0.2$

$\small H$および$\small L$の様々な組み合わせに対して、許容応力度設計を行った際の支配的な荷重は【表6.1】に示す通りです。$\small H$が小さく$\small L$が大きい場合には積雪荷重$\small S$が支配的になりますが、それ以外の場合には風荷重$\small W$が支配的であり、地震荷重が支配的になることはありません。これより、小雪地域では風荷重が支配的となり、風外力を直接受ける外装材（外装仕上げ材だけでなくその支持部材も含む）ばかりでなく、構造骨組に対しても耐風設計が重要であることが分ります。

【図6.1】平屋の一般的な鉄骨構造

【表6.1】設計上支配的となる荷重

低層建築物まわりの流れの性状

勾配の比較的緩やかな切妻屋根を有する低層建築物について、桁行壁面に正対する方向から風が吹いたときの建物まわりの流れの様子を模式的に表すと【図6.2】のようになります。流れは風上屋根端部（軒先）で剥離した後、屋根面に再付着し、「剥離泡」（Separation bubble）を形成します。ただし、この剥離泡は常に形成されているのではなく、時間平均的な流れに対してのみ存在します。気流の乱れが大きいほど再付着点が風上側に移動し、剥離泡は小さくなります。これに伴い、風上端近傍の負圧が大きくなるとともに剥離泡内の風圧の変化（空間的変化）も大きくなります。

【図6.3】は、境界層乱流中に置かれたスパン・高さ比6の二次元陸屋根建物まわりの流れをLarge Eddy Simulation（LES）を用いた数値流体計算（CFD）により求めた結果で、瞬間的なスカラー風速分布を示しています。図中の$\small t^{\ast}$は、$\small t^{\ast}=t\cdot U_H/L$（$\small t$：時間、$\small U_H$：軒高$\small H$での平均風速、$\small L$：スパン）で定義される無次元時間を表します。剥離せん断層（風上端で剥離した流れ）は間欠的に巻き上がって渦を生成し、屋根面に大きな負圧をもたらします。この渦は下流に流され、屋根面に変動風圧をもたらします。

【図6.2】低層建物まわりの流れ（桁行面に正対する風向の場合）

【図6.3】陸屋根まわりの流れのLES解析（瞬間的スカラー風速分布）

【図6.4】は、切妻屋根をもつ建物に風が斜め方向から当った場合の流れの様子を模式的に描いたものです。屋根勾配$\small \beta$が比較的小さい場合（例えば$\small \beta \lt 10^{\circ}$）、風上隅角部に円錐渦（conical vortex）が生成され、その付け根に当たる屋根端部に大きなピーク負圧が発生します。$\small \beta$の増大に伴い、この渦の強さは弱まり、いずれ発生しなくなります。ところが、今度は風上棟端部を頂点とするような円錐渦が生成されるようになり、棟端部に大きなピーク負圧が発生します。この円錐渦は$\small \beta \approx 20^{\circ}$のとき最も強くなります。強風被害調査でよく見られる瓦屋根の飛散はこのような円錐渦による場合が多いと考えられます。

切妻屋根に作用する風圧分布は屋根勾配$\small \beta$と風向角$\small \theta$によって複雑に変化します。【図6.5】は屋根周辺部をA～Eの5領域に分割し、$\small \beta$と$\small \theta$の組み合わせに対してどの領域で最大負圧が発生するかを示したものです^6.4)。$\small \theta \approx 0^{\circ}$の場合、$\small \beta \lt 20^{\circ}$では軒先での流れの剥離によって領域Aに最大負圧が発生しますが、$\small \beta \gt 20^{\circ}$になると流れの剥離は軒先では発生しなくなり、代わって棟の位置で生じ、領域Eに最大負圧が発生します。$\small \theta \approx 30^{\circ}$の場合、屋根勾配$\small \beta$の増大に伴い、最大負圧の発生位置がB→D→Eと変化します。興味深い点は、$\small \beta \approx 20^{\circ}$の狭い範囲で領域Dに最大負圧が作用することです。これは、【図6.4】に示した風上棟端部に発生する円錐渦によるものです。同様に、$\small \theta \approx 45^{\circ}$の場合、$\small \beta$が小さい時には風上端部に発生する円錐渦により、領域Bに大きな負圧が発生します。

【図6.4】切妻屋根に発生する円錐渦

【図6.5】最大負圧の発生する領域

風荷重の組合せ

建設省告示（以下「告示」）第1454号には様々な建物形状に対する外圧係数分布が与えられています。そのうち梁間方向に風を受ける切妻屋根に着目します。告示では、屋根を風上面と風下面の2つに分け、風上面の値として「正の係数」と「負の係数」が屋根勾配$\small \beta$の関数として与えられています。例えば、$\small \beta =30^{\circ}$の場合、正の係数は$\small 0.2$、負の係数は$\small -0.3$となっています。一方、風下面の値は$\small -0.5$の1つだけです。風上面の風圧は屋根勾配によって大きく変化します。陸屋根（$\small \beta=0^{\circ}$）の場合には、軒先での流れの剥離によって大きな負圧が作用しますが、$\small \beta=45^{\circ}$のような急勾配の場合には風が屋根に直接当たるため正圧が作用します。軒先で流れの剥離が起こるかどうか、剥離した流れが風上屋根面に再付着するかどうかは、屋根勾配、軒先の形状（庇の出など）、気流の乱れなど、様々な要因によって変化します。また、「梁間方向の風」と言っても、実際には桁行壁面に正対する風向（$\small \theta=0^{\circ}$）だけではなく、$\small \theta=0^{\circ}$を中心とした$\small \pm 45^{\circ}$の幅を考慮しています。そこで、告示では外圧係数に幅をもたせ、正の外圧係数と負の外圧係数の2種類を与えているのです。さらに、風力は外圧と内圧の差で与えられますから、内圧との組み合わせを考えなければいけません。閉鎖型建築物の内圧係数も2種類与えられていますので、「2種類の外圧係数分布 × 2種類の内圧係数」、つまり4種類の風力係数分布に対して構造計算を行う必要があります。固定荷重や雪荷重との組み合わせを考慮すれば、正負のうち絶対値の大きい方が必ずしも設計上厳しいというわけではありません。全てに対してチェックする必要があります。

外装材の荷重負担面積と風荷重

外装材の荷重負担面積は高々数m²と小さいのが普通です。外装材用ピーク外圧係数はその荷重負担領域に対する面平均外圧係数の全風向中最大あるいは最小ピーク値に基づいて設定されます。したがって、告示第1458号に規定された各領域の値は同一風向に対する値ではありません。【図6.5】を参考にすると、軒先（領域A）の値は風向$\small \theta \approx 0^{\circ}$の時に生じ、隅角部（領域B）の値は$\small \theta \approx 30^{\circ} \sim 50^{\circ}$の時に生じたものと考えられます。当然のことながら各領域の値には同時性はありません。

告示第1458号の規定値を見ると、$\small \beta \approx 0^{\circ}$のときの隅角部と$\small \beta \approx 20^{\circ}$のときの棟端部には非常に大きな負のピーク外圧係数が与えられています。それは【図6.4】に示した円錐渦によるものであることは上述の通りですが、これらの領域では圧力勾配（圧力の空間的な変化）が大きいので、荷重負担領域に対して面平均するとピーク値は低減します。【図6.6】は面平均外圧係数のピーク値と荷重負担面積$\small A$の関係を示したものです^6.4)。これによれば、$\small A$が小さくなると面平均ピーク外圧係数の大きさはかなり大きくなることが分ります。告示1458号の規定値は$\small A$が数m²に対する値ですから、設計対象の外装材の面積が小さい場合には、荷重を適宜割り増しする必要があります。逆に、荷重負担面積が大きければ低減が可能です。荷重指針では外装材の受圧面積に応じたピーク外圧係数の低減係数を与えているのはこのためです。

【図6.6】面平均外圧係数のピーク値と荷重負担面積の関係（縦軸は最小ピーク外圧係数）

結び

建築物の耐風設計の基本について、強風被害の多い低層建築物を中心に、6回に分けて説明しました。2018年台風21号や2019年台風15号は建築物に甚大な被害をもたらしましたが、これらの台風による暴風は決して異常なものではなく、建築基準法で想定している風速を越えるものはほとんどなかったようです。最新の設計基準で設計された建物にも被害が生じているということは、設計・施工のどこかに問題があることを意味しています。以前、外装材メーカーに行ったヒアリングによれば、外装材の被害が多いのは構造設計者の外装材の耐風設計に対する認識の低さによると言わざるを得ません。構造設計者には外装材も含め建築物全体の構造安全性に責任があります。そして、それができるのは構造設計者しかいません。建築基準法にいろんな欠陥があることは第5回で述べた通りです。建築基準法はあくまでも最低基準を定めているものであって、それを満足すれば良いというものではありません。建築物の耐風設計について、建築物に作用する風圧・風力の特性をよく理解し、必要に応じて風洞実験や耐力試験を行ったり、耐力の割り増しを行ったりして、適切な設計に心がけて頂きたいと思います。