通気性のある屋上目隠しパネルに作用する外装材用風荷重の検討
A STUDY OF WIND LOADS ON PERMEABLE PANELS PLACED ALONGTHE PERIMETER OF THE ROOFTOP OF A HIGH-RISE BUILDING 相原 知子1) 植松 康2)
Tomoko AIHARA1)and Yasushi UEMATSU2)
ABSTRACT
Permeable materials such as louver and punching metal are used as an outer skin attached to the outside of building walls. However, the wind loads acting on such a permeable material have not been clarified. In the present study, a wind tunnel test is performed to investigate the wind loads on permeable panels attached along the perimeter of the rooftop of a high-rise building. The permeable outer skin is modeled by a thin metal plate with rectangular holes. The porosity and size of the openings are changed in the test. The effects of those parameters on the wind loads acting on the outer skin are understood through the test.
Key Words: Wind tunnel test, Permeable panel, Rooftop, Wind load for cladding
１．はじめに 建築物の外壁面および屋上外周部には、デザインや設備機器等の目隠しを目的として、ルーバーやパンチングメ タルなどの通気性材料が外装材として用いられる場合が多い。しかし、そのような通気性材料に作用する風荷重に関 する資料はほとんどない。現状では、通気性材料の外装材用設計風荷重を算定する場合、通気性のない外壁面に 作用するピーク風力係数を代用し、外装材の面積に通気性材料の充実率を乗じる等の方法で設計されていることが 多いと予想される。一方、風圧実験によって建築物の外装材として用いられる通気性材料に作用するピーク風力係 数を求めようとすると、ルーバーの形状やパンチングメタルの孔の寸法等を、建築物と同じ縮尺率で模型化することは 出来ない。そのため、通気性材料の模型化材料として通気性のある金属プレート（以降、金属メッシュと呼ぶ）等を用 いるなど、形状の単純化が必要となる。既報1)では、建築物の外壁面（1 面のみ）を通気性材料が覆っている状態を想 定し、通気性材料に見立てた金属メッシュに作用する風力係数および金属メッシュに覆われた外壁面に作用する外 圧係数について報告した。 本報告では、既報 1)と同じ金属メッシュを用いた風圧実験の結果を用いて、パンチングメタルのようなプレート状の 通気性材料を対象として、幅：奥行：高さが１：１：３の高層建築物の屋上外周部に設置されている通気性のある目隠 しパネルに作用する外装材用風荷重について検討する。通気性のない屋上目隠し壁に作用するピーク風力係数は、 風圧実験で比較的容易に求めることが可能であるが、通気性がある場合には風圧測定孔を形成する金属タップが露 出することで、金属タップの形状が測定結果に影響する可能性が考えられるため、特に、パネルの裏面圧（屋根面側 1) 大成建設株式会社 技術センター （〒245-0051 横浜市戸塚区名瀬町 344-1） 2) 東北大学大学院工学研究科都市･建築学専攻 教授 （〒980-8579 仙台市青葉区荒巻字青葉 6-6-11-1214） 第23回 風工学シンポジウム（2014）
の風圧）の測定が困難となる。そこで、目隠しパネル近傍の屋根面圧（外圧）を目隠しパネルの裏面圧と仮定して算 出したピーク風力係数を用いることとした。なお、「実務者のための建築物外装材耐風設計マニュアル 2)」では、屋上 目隠し壁に作用するピーク風力係数 4 程度を設計の目安としているが、通気性のある屋上目隠しパネルに作用する ピーク風力係数に関しては記載されていない。 ２．実験概要 ２．１ 実験気流 本実験は大成建設(株)技術センター所有のエッフェ ル型境界層風洞を用いて行った。実験気流は縮尺率を 1/300 とし、建築物荷重指針 3)に定められている地表面 粗度区分Ⅲに概ね相当する境界層乱流である。風洞床 上300mm の高さにおける乱れの強さは 15.3%、乱れの スケールは43.4cm であった。 ２．２ 実験模型 図１に実験模型の寸法と風圧測定点位置を示す。模 型の寸法は、幅 B=100mm、奥行き D=100mm、高さ H=300mm であり、屋上目隠しパネルの高さ h は 20mm である。屋上目隠しパネルの外圧測定孔は 1 面にのみ、 屋根面から10mm の高さ（パネルの中央高さ）に 7 点配 置し、裏面圧として代用する屋根面の風圧測定孔は、 測定点を配置した目隠しパネルから5mm離れた位置に 7 点配置した。写真１に実験模型を示す。屋上目隠しパ ネルの外圧測定用のチューブは、屋上面に設けた風圧 測定孔から15mm 程度離れた場所から模型内部へと引 き込んでいる（写真２参照）。 ２．３ 実験風向 実験風向は、図１(b)に示す 0°から180°まで反時計 回りに10°ピッチ 19 風向に 45°と 135°を加えた合計 21 風向である。 ２．４ 実験ケース 実験ケースは、屋上目隠しパネルの模型化材料とし て、表1 に示す No.1～No.8 の 8 種類の通気性材料（金 属メッシュ）を用いた8 ケースと通気性のない板（開口率 0%）を用いた 1 ケースの合計 9 ケースである。開口率は、 金属メッシュの剛性も考慮し、20％、50％、80％とした。 孔の寸法W は、模型寸法で 1mm、2mm、3mm の 3 種 類であり、実大寸法に換算すると300mm～900mm に相 当する。なお、開口率80%、W=1mm の通気性材料は、 測定点 (a) 立面図 (b) 屋根平面図 図１ 模型寸法および測定点位置と実験風向の定 H =3 00 h= 20 5 15 15 15 15 15 15 5 (a) 通気性なし (b) 通気性あり 写真１ 実験模型 目隠しパネル （表面） 単位 (mm) 測定点 W P d No.1 20 80 1 2.24 1.24 0.2 37 No.2 20 80 2 4.47 2.47 0.2 42 No.3 20 80 3 6.71 3.71 0.2 44 No.4 50 50 1 1.41 0.41 0.2 3.2 No.5 50 50 2 2.83 0.83 0.2 3.8 No.6 50 50 3 4.24 1.24 0.2 4.0 No.7 80 20 2 2.24 0.24 0.2 0.37 No.8 80 20 3 3.35 0.35 0.2 0.39 材料 番号 開口率 (%) 充実率 φ (%) 孔の寸法(mm) 圧力損失 係数ζ 板厚t (mm) 写真２ 実験模型（屋根面） P W d 線材中心 線材中心 開口中心 材料 開口率 充実率 孔の寸法 板厚 圧力損失 開口開口中心 表1 模型に使用した通気性材料の概要 端部 A 端部B 中央部 15mm 端部A 端部端部B 5 D =100 B=100 単位 端部 0° 90° 180° （開口率０%） （開口率8０%） 金属メッシュに配置された測定点の 位置は、この寸法を目標とし、材料 番号1～3 ではメッシュの線材中心、 材料番号 4～8 ではメッシュの開口 中心に配置されており、材料毎に若 干異なる（表１参照）。屋根面の測 定点位置も同様であり、両端部から の寸法(5mm)誤差は全実験ケース において10%未満である。
寸法d が板厚 tより細くなるため用いていない。ただし、金属メッシュはエッチング加工により孔を設けた真鍮板であり、 エッチングの加工誤差により開口率や孔の寸法は、表１に示す値とは若干異なっている可能性がある。表１に示す金 属メッシュの圧力損失係数ζ は、電動送風機、オリフィス流量計、圧力損失係数測定部を内径12.5mm の塩ビ管で連 結した圧力損失係数測定装置4)を用いて測定した管内平均風速U と金属メッシュ前後の差圧∆Pmを用いて求めた。 W の寸法を変化させても、開口率が等しければ、ζ はほぼ等しい値となっている。ζ の算定式を以下に示す。 2 m 2m 2 2 U P U P ρ ρ ζ = ∆ = ∆ (1) ここに、 ∆Pm ：金属メッシュの前後差圧 (Pa)， ρ ：空気密度 (kg/m3)， U ：管内の平均風速 (m/s) ２．５ 実験風速 実験風速は、通気模型を用いた全実験ケースにおいて風向 0°の時のみ模型頂部（風洞床上 300mm）高さで約 6m/s～17m/s まで 4 段階に変化させて結果を比較したが、各測定点で得られた外圧係数および風力係数に顕著な差 が見られなかったため通気性なしの実験模型を用いた実験を含む全実験ケースにおいて約 13.5m/s とした。模型縮 尺を1/300 として、建設省告示第 1454 号に準拠して求めた設計風速は 41.9m/s（設計速度圧は 1,053N/m2）であり、 風速の縮尺率は約1/3 である。なお、建設地は東京（V0=34m/s）と仮定して求めている。 ３．評価方法 外圧係数および風力係数は、高さ H（風洞床上 300mm）における速度圧q を基準としており、目隠しパネルの風H 力係数C は(2)式により時刻歴上で求めた。ピーク値の評価は、平均化時間を実大相当 0.5 秒とし、評価時間 10 分f 間相当で5 回のアンサンブル平均により評価した。目隠しパネルの外装材用風荷重 Wpは(3)式を用いて求めた。 H q C C Cf =( pe− pr)/ (2) f P q ˆC W = φ (3) ここに、 C ：目隠しパネル表面の外圧係数， pe C ：目隠しパネル裏面（屋根面）の外圧係数，pr q ：設計速度圧（1,053N/m2）， φ ：パネルの充実率（表１参照）， f ˆC ：目隠しパネルのピーク風力係数 なお、通気性のある目隠しパネルに作用する ˆC は、高さ方向に分布を持つと考えられるが、本報では、屋根面圧をf パネルの裏面圧として求めた ˆC が高さ方向に一様に分布すると仮定した。屋根面から離れる程、屋根面圧の影響がf 小さくなり、金属メッシュの表面と裏面の圧力差が緩和すると考えると、(3)式で得られた Wpは安全側の評価となる。 ４．実験結果 端部A 端部B 端部A 端部B 2.34 2.64 2.65 2.67 2.69 2.70 2.78 0° 0° 0° 0° 0° 10° 30° 通気性なし（開口率0%） 2.57 2.63 2.62 2.68 2.65 2.79 3.02 0° 0° 20° 20° 0° 20° 45° 材料番号No.2（開口率 20%、W=2mm） 3.18 2.67 2.76 2.72 2.78 3.07 3.59 0° 0° 0° 0° 0° 45° 45° 材料番号No.5（開口率 50%、W=2mm） 3.50 3.01 2.66 2.56 2.74 3.40 3.68 0° 0° 0° 0° 0° 40° 30° 材料番号No.7（開口率 80%、W=2mm） −2.31 −1.71 −1.54 −1.39 −1.45 −1.35 −2.81 130° 130° 140° 140° 170° 80° 70° 通気性なし（開口率0%） −2.03 −1.83 −1.57 −1.42 −1.35 −1.03 −1.16 140° 140° 140° 160° 160° 90° 90° 材料番号No.2（開口率 20%、W=2mm） −2.33 −2.28 −2.33 −1.97 −1.97 −1.52 −1.36 135° 135° 15° 150° 160° 170° 170° 材料番号No.5（開口率 50%、W=2mm） −1.01 −0.99 −0.95 −0.99 −0.93 −1.09 −1.13 130° 150° 170° 170° 170° 180° 180° 材料番号No.7（開口率 80%、W=2mm） (a) 最大値 (b) 最小値 図２ 目隠しパネルに作用するピーク風力係数分布と発生風向
４．１ ピーク風力係数分布 図２に、通気性なしと材料番号 No.2、No.5、No.7 の金 属メッシュを用いた目隠しパネルに作用する、全風向中最 大および最小のピーク風力係数分布（上段）とその発生風 向（下段）を示す。なお、ピーク風力係数の符号は、パネ ルを外側から内側（屋根側）に押す方向が正(＋)である。 最大値は端部B において発生しており、発生風向は 30° また45°である。最小値は端部 A あるいは端部 B で発生 しており、端部A における最小値の発生風向は 130°～140°であった。これらのピーク風力係数を、端部（端部 A＋ 端部 B）と中央部に部位分けすると、全風向中最大および最小のピーク風力係数は表２に示す値となり、通気性なし の最小値を除き、端部と中央部の差は比較的小さい。 ４．２ ピーク風力係数の風向変化 金属メッシュを用いた屋上目隠しパネルに作用するピーク風力係数は、端部と中央部に部位分けをしても大きな差 が見られないため、目隠しパネルの7 箇所で得られたピーク風力係数中、最大および最小値の風向による変化を図３ に示す。図中の■は W=1mm、●は W=2mm、◆は W=3mm の結果であり、全ての図に通気性なしの結果（黒破線） を参考値として示している。図３(a)に示す最大ピーク風力係数は、風向 45°付近において最大値が発生し、図３(b) に示す最小ピーク風力係数は、風向 135°付近において最小値が発生している。また、最大値および最小値が発生 している風向付近では、同じ開口率の金属メッシュであっても、W の違いによってピーク風力係数のばらつきが大きく なる傾向が見られた。ただし、開口率 20%の場合の最小値では、ピーク風力係数のばらつきはほとんど見られない。 なお、図２からも分かるように、風向45°付近において最大値が発生するのは端部 B であり、風向 135°付近におい て最小値が発生するのは端部A である（写真２参照）。 パネル の材料 最大値 最小値 端部 中央部 端部 中央部 通気性なし 2.78 2.70 −2.81 −1.71 No.2 3.02 2.79 −2.03 −1.83 No.5 3.59 3.07 −2.33 −2.28 No.7 3.68 3.40 −1.13 −1.09 表２ 部位別のピーク風力係数 0 1 2 3 4 0 45 90 135 180 最大ピ ーク風力 係数 風向（度） 通気性なし ■ No.1 ● No.2 ◆ No.3 （開口率20%） -3 -2 -1 0 1 0 45 90 135 180 最小ピ ーク風力 係数 風向（度） 通気性なし ■ No.1 ● No.2 ◆ No.3 （開口率20%） 0 1 2 3 4 0 45 90 135 180 最大ピ ーク風力 係数 風向（度） 通気性なし ■ No.4 ● No.5 ◆ No.6 （開口率50%） -3 -2 -1 0 1 0 45 90 135 180 最小ピー ク風力係数 風向（度） 通気性なし ■ No.4 ● No.5 ◆ No.6 （開口率50%） 0 1 2 3 4 0 45 90 135 180 最大ピ ーク風力 係数 風向（度） （開口率80%） 通気性なし ● No.7 ◆ No.8 -3 -2 -1 0 1 0 45 90 135 180 最小ピー ク風力係数 風向（度） （開口率80%） 通気性なし ● No.7 ◆ No.8 90 風向 （°） 90 風向 （°） 90 風向 （°） 風向 （°）90 90 風向 （°） 90 風向 （°） 風向 （°） 風向 （°） (a) 最大値 (b) 最小値 図３ 屋上目隠しパネルに作用する最大および最小ピーク風力係数の風向変化 (参考) (参考) (参考) (参考) (参考) (参考)
４．３ ピーク外圧係数 図４(a)および図４(b)には風向 45°における端部 B お よび風向135°における端部 A のパネルに作用するピ ーク外圧係数と屋根面に作用するピーク外圧係数を示 す。図４(a)はパネルに作用する最大ピーク風力係数が 発生する風向45°（端部 B）であるため、パネルの正側 のピーク外圧係数と屋根面の負側のピーク外圧係数を 示し、図４(b)はパネルに作用する最小ピーク風力係数 が発生する風向 135°（端部 A）であるため、屋根面の 正側のピーク外圧係数とパネルの負側のピーク外圧係 数のみを示している。図中には、参考として通気性なし の結果も併せて示している。 図４(a)では、パネルの正側のピーク外圧係数は通気 性材料の開口率による変化はほとんどなく、通気性なし の結果とほぼ同程度の値を示しているが、屋根面の負 側のピーク外圧係数は開口率が大きくなる程、絶対値 が大きくなる傾向が見られる。図４(b)では、屋根面の正 側のピーク外圧係数は開口率が大きくなる程小さくなる 傾向があり、同じ開口率の場合、W による変化はほとん どない。パネルの負側のピーク外圧係数においては、 開口率50%の場合、W の違いによるばらつきが大きくな る傾向が見られるが、通気性なしの結果と比べて、あま り大きな差は見られない。このことから、パネルに作用す るピーク風力係数には、裏面（屋根面）のピーク外圧係 数による影響が大きいと考えられる。 表３は、図４(a)に示したパネルの正側のピーク外圧係 数から屋根面の負側のピーク外圧係数を差し引いた Peak to Peak 値（以下、p−p 値）および図４(b)に示したパ ネルの負側のピーク外圧係数から屋根面の正側のピー ク外圧係数を差し引いたp−p 値と、同じ風向におけるピ ーク風力係数に対するp−p 値の倍率を示している。材料番号 No.7 の風向 135°（端部 A）を除き、ピーク風力係数に 対するp−p 値の倍率が概ね 1.1 倍であることから、同時性を考慮していないピーク値同士の組み合わせである p−p 値 をピーク風力係数として用いた場合、10%程度大きく評価することとなる。なお、開口率が 20%である No.7 の風向 135°（端部 A）における倍率が他と比べて大きいのは、比較したピーク風力係数の絶対値が他と比較して小さい値 （1.0 未満）であることが原因の一つと考えられる。 ５． 外装材用風荷重 図５は、図３で示した屋上目隠しパネルに作用する最大および最小ピーク風力係数に設計速度圧q と充実率φ を 乗じて求めた外装材用風荷重(N/m2)の風向変化を示している。図中には、通気性なしの結果（黒破線）を参考値とし て示している。正側の外装材用風荷重においては、通気性なしの場合 2,924N/m2に対して、開口率 20%の場合 2,646N/m2、開口率50%の場合 1,993 N/m2、開口率80%の場合 814 N/m2であり、それぞれ通気性なしの値の0.90 倍、0.68 倍、0.28 倍であった。負側の外装材用風荷重においては、通気性なしの場合−2,963N/m2に対して、開口率 20%の場合−1,827N/m2、開口率50%の場合−1,450 N/m2、開口率80%の場合−316N/m2であり、それぞれ通気性なし の値の0.62 倍、0.49 倍、0.11 倍であった。これらの倍率は、正側では各金属メッシュの充実率（開口率 20%の場合 0.8、 開口率50%の場合 0.5、開口率 80%の場合 0.2）より大きく、負側では充実率より小さい結果となった。これは、図４の 結果からも分かるように、通気性のない屋上目隠しパネルの裏面圧よりも、通気性のある屋上目隠しパネルの裏面圧 材料 番号 風向45°（端部 B） 風向135°（端部 A） p−p 値 倍率 p−p 値 倍率 No.1 3.03 1.09 −2.37 1.09 No.2 3.25 1.08 −2.31 1.15 No.3 3.37 1.09 −2.22 1.12 No.4 3.38 1.15 −2.16 1.16 No.5 3.88 1.08 −2.54 1.09 No.6 4.02 1.09 −2.86 1.12 No.7 3.70 1.07 −1.40 1.43 No.8 4.14 1.07 −1.60 1.16 -4 -2 0 2 4 ピ ーク外圧係 数 材料番号 通気なし 通気あり パネルの正側ピーク外圧係数 ▲ 屋根面の負側ピーク外圧係数 ▼ 開口率20% 開口率50% 開口率80% W=1mm 2mm 3mm 1mm 2mm 3mm 2mm 3mm No.1 No.2 No.3 No.4 No.5 No.6 No.7 No.8
-4 -2 0 2 4 ピ ーク外圧係 数 材料番号 通気なし 通気あり 屋根面の正側ピーク外圧係数 ▲ パネルの負側ピーク外圧係数 ▼ 開口率20% 開口率50% 開口率80% W=1mm 2mm 3mm 1mm 2mm 3mm 2mm 3mm No.1 No.2 No.3 No.4 No.5 No.6 No.7 No.8
(a)風向 45°端部 B
(b)風向 135°端部 A
図４ 屋根面およびパネルに作用するピーク外圧係数 表３ ピーク風力係数に対するp−p 値の倍率
の方が負側では大きく、正側では小さくなるためであり、屋上目隠しパネルを風が通過することによって、剥離点がパ ネル上端部から屋根面端部にシフトし、屋根面の負圧が強くなるためと思われる。 このことから、パンチングメタルのようなプレート状の通気性材料を用いた屋上目隠しパネルに作用する外装材用 風荷重を設定する際、通気性のない屋上目隠しパネルに作用する外装材用風荷重に通気性材料の充実率を乗じた 値を採用すると、正側では危険側となり、負側では安全側となる可能性が考えられる。 ６．まとめ パンチングメタルのようなプレート状の通気性材料を用いた屋上目隠しパネルが設置された高層建物を対象とした 風圧実験を実施し、目隠しパネルの裏面圧が建物の屋根面圧とほぼ等しいと仮定してピーク風力係数を算出した結 果、以下のことが明らかとなった。 ①通気性なしの場合と比較して、通気性材料（金属メッシュ）を用いた場合のピーク風力係数は、端部（コーナー部） と中央部における値の差は小さい。 ②ピーク風力係数は風向45°および 135°付近において最大および最小となり、同じ開口率の通気性材料であっ ても、孔寸法の違いによるばらつきが大きくなる傾向が見られた。 ③屋上目隠しパネルのピーク風力係数は、裏面圧として用いた屋根面のピーク外圧係数による影響が大きい。 ④パンチングメタルのようなプレート状の通気性材料を用いた屋上目隠しパネルに作用する外装材用風荷重を設 定する際、通気性のない屋上目隠しパネルに作用する外装材用風荷重に通気性材料の充実率を乗じた値を採 用すると、正側では危険側となり、負側では安全側となる可能性がある。 参考文献 1) 相原知子，寺崎浩，風圧実験に用いられる通気性材料が実験結果に与える影響について，第 22 回風工学シン ポジウム，pp299-304，2012 年 2) 日本建築学会，実務者のための建築物外装材耐風設計マニュアル，2013 年 3) 日本建築学会，建築物荷重指針・同解説（2004） 4) 相原知子，浅見豊，風洞実験に用いる通気性材料の圧力損失係数について，日本建築学会大会学術講演梗概 集，pp.119-120，2009 年 8 月 0 1000 2000 3000 4000 0 45 90 135 180 通気性なし ■ No.1 ● No.2 ◆ No.3 外装材用 風荷重( N /m 2 ) 風向（度） （開口率20%） -3000 -2000 -1000 0 1000 0 45 90 135 180 外装材用 風荷重( N /m 2 ) 風向（度） 通気性なし ■ No.1 ● No.2 ◆ No.3 （開口率20%） 0 1000 2000 3000 4000 0 45 90 135 180 外装材用 風荷重( N /m 2 ) 風向（度） 通気性なし ■ No.4 ● No.5 ◆ No.6 （開口率50%） -3000 -2000 -1000 0 1000 0 45 90 135 180 外装材用 風荷重( N /m 2) 風向（度） ■ No.1 ● No.2 ◆ No.3 通気性なし （開口率50%） 0 1000 2000 3000 4000 0 45 90 135 180 外装材用 風荷重( N /m 2 ) 風向（度） 通気性なし ● No.7 ◆ No.8 （開口率80%） -3000 -2000 -1000 0 1000 0 45 90 135 180 外装材用 風荷重( N /m 2) 風向（度） ● No.7 ◆ No.8 通気性なし （開口率80%） (a) 最大値 (b) 最小値 図５ 屋上目隠しパネルに作用する最大および最小の外装材用風荷重の風向変化 No.4 No.5 No.6 90 風向 （°） 風向 （°）90 90 風向 （°） 風向 （°）90 90 ( )) 最大値風向 （°）最大値 90 (b)) 最小値風向 （°）最小値 (参考) (参考) (参考) 通気性なし (参考) (参考) (参考)
