屋根雪荷重の制御について
○川上俊一
,伊
東敏幸,苫
米地 司 (北海道 工業大 学)1
は じめに近年
,積
雪 寒冷地 に膜構造物 や ガ ラスを用い たア トリウムな どの大規模構造 物 の建設が本格 化 され るに伴 い,屋
根上積雪荷重 の評価方法 の 確立が望 まれて い る。建築物の屋根 上積雪 荷重 は,50年
あるいは 100年に一度 降 り積 もる雪の 最大積雪深 が屋上 に積 もるとして現 行で は設計 されて い る1)。 しか し,現
実 と して は,屋
根葺 材 の特性 や内部空 間 を生 かすた めに屋根上 に雪 が積 もらない状態 が望 ま しい。 そのため何 らか の方法 で屋根 上積雪 を除去す る ことが必要 とな る。大規模構 造物 で は,屋
根勾 配を利用 して滑 雪 させた り,熱
エ ネルギを与えて融雪 させた りして屋根 雪を処理す ることが一般的 である。 し か し
,
この場 合屋根葺材 と屋根 雪 との界面 に働く凍着力が大 きいために
2),滑
雪現象 は不規則 な発生 とな る。 このため,滑
雪等 による屋根上 雪荷重 の低減 が認 め られ ない現状 にあ る。このよ うな背景 か ら本研究で は
,合
理的 な屋 根上積雪荷重 の制御方法 を確立す る ことを 目的 に各種屋根葺 材 と雪氷体 との間 に働 く凍着性状 について検討 した。2
実験方法凍着 力 に関 す る既往 の研究例 をみ ると
,吉
田他
(1991)で
は直接水 を氷結 させ る方法で測定 し,渡
辺他(1993)で
は フ レー ク状 の水 に水を 加 えて氷結 させ る方法 で測定 してい る。 これ ら の実験結 果を比較す ると,凍
着方法 の違 い によ って凍着 力が大 き く異 な ってい る。 このた め本 研究 で は,凍
着方法 によ る違 いおよび既往 の研 究結 果 との比 較検討 を行 った。凍着 力 は写真1に示 す水平滑 雪装 置を用 いて以下 に示す
2通
り の凍着方法 に よ る実験 を行 った。実験 に用 いた 試料概要 およ び実験 シ リーズを表1に
示す。1)屋
根葺材 上 で直接水 を氷結 させ る方法 屋根葺材上 で直接水 を氷結 させ る方法 (凍着 方法A)は ,屋
根葺材 に塩 ビ管 (内径31mm,高
さ30mm)を
設 置 し実験温度 に冷却 した後,所
定 の水 量 を入 れて凍着 させ た。凍着時 間 は ‑10℃で は 3時間
, 5℃
で は 5時間,‑2℃
で は 8時間 と した。写 真1 水 平 滑 雪 装 置 の概 要 表 l 試 料 機 要 お よ び 実 験 シ リ ー ズ
材 料 種別
料 ＤＥ 試
ＣＯ 試 料概 要
凍 着 方 法
A
凍着 方 法 B 温度 (℃)‑5 ‑2 ‑10 ‑2
高 分 子 材 料
P 着 色 亜 鉛 鉄 板 (「 リエステル樹脂 光 沢) ○ 〇 ○ ○ ○ ○ PAC 塗装 溶 融 亜鉛 ‑5%ア パ ニ,ム合 金 め っ き鋼 板 ○ ○ ○ ○ ○ F 着 色 亜 鉛 鉄 板 (フ,素樹 脂) ○ ○ ○ ○
t*^irv1ffi&.
○ ○ ○ 〇 ○属 料 金
材 S 冷 間 圧 延 ステンレス鋼 板 〇 〇 ○ ○ ○
Z 亜鉛 合 金 板 ○ ○ 〇 ○ ○
機 料 無
材 フロ ト板 力‐
ラス ○ ○ ○ 〇 ○ ○
磨 き板 カ ラス ○ ○ ○ ○
‑58‑
2)屋
根葺材 上で氷フロック を凍着 させ る方法 屋根葺材上 で氷フ・ロック を凍着 させ る方法 (凍ミ
1。
着方法
B)は ,1)と
同様 の塩 ビ管内 に予め氷 をコ1。
作成 し
,屋
根 葺材上 を水 で濡 らし氷 フロック を凍写
it毒
「Ъ 司電マ￨::彗
醤百 せ〔『 冒ぁピ: SI。
に
2通
りの方 法 によ って凍着 させた後 に10mm/m !o
inの速度 で荷 重 を加 え剥離 させた。 この剥 離 し た時 の荷重 を付着面積で除 した値を凍着力
(kg l f/r)と
した。3
実験結果図
1に
高分子材料P(着
色亜鉛鉄 板 :ポ リエ ステル樹脂光沢)の
凍着 力 と実験温度 との関係 を示す。図の よ うに,い
ず れの凍着方法 におい て も温度 の増加 に伴 い凍着力 は減少 す る傾 向を 示す。凍着方法 による差異 をみ ると,い
づれの温度条件 にお いて も凍着方法
Aの
方 が凍着 方法Bよ
り も大 きな値 を示 す。 ここで,両
者 の比(A/3)を
み る と, ‑10℃
で38, ‑5℃
で166,
‑2℃で
108と
な り,‑5℃
で は ‑10℃の4倍
以上 のバ ラツキが み られ る。次 に
,金
属材料S(冷
間圧延 ステ ンレス鋼板)の凍着 力 と実験温度 との関係 を図
2に
示す。図 のよ うに,い
づれの凍着 方法 において も温度 の 増加 に伴 い凍着力 は減少 す る傾 向を示す。凍着 方法 によ る差 異 をみ ると,い
づれの温度条件 に おいて も凍着方法Aの
方 が凍着方法Bよ
り も大 きな値 を示す 。両者 の比(A/3)を
み ると,
一10℃で
33, ‑5℃
で20, ‑2℃
で14と
な り,両者 の差 は温度 の上昇 に伴 い緩 やか に減少 す る。
同様 に
,無
機材料FG(フ
ロー ト板 ガラス)の凍着 力 と実験温度 との関係を図
3に
示す。図 のよ うに,凍
着 力 の減少 や凍着方法 による差異 は,前
述 の材料 と同様 な傾 向を示す。 しか し,‑5℃
,‑2℃
において雪氷 体 は,最
大 荷重 に達 し た後 に直 ちに剥 離せず,滑
るよ うに荷重が低下 す るのが確認 された。 これ は,表
面 が非常 に平 滑 なガ ラス表面 において は,雪
氷体 との界面 に 大 きな力 であ る粘性作用 が生 したため と考 える。両者 の比
(A/3)を
み る と, ‑10℃
で73, 5
℃で
252, 2℃
で17と
な り, 5℃
で は ‑10℃温度 (℃) 図
1
凍 着 力 と実 験 温 度 との 関係図
2凛
着 力 と実 験 温 度 と の 関 係無 機材 料:FG
O:凍
着方 法A
●:凍着 方 法B
―!2 ‑10 ‑8 ‑6 ‑4 ‑2 0 温 度 (℃)
図
3凍
着 力 と実 験 温 度 と の 関 係︵■ ヽ ど
︶ 尺 囀 焉
^,0‐ E ピ10
縣
￨。'者 102
高 分 子 材 料 :P
O:凍
著 方 法A●:凍着 方 法B
金 属材料 :S
O:凍
着方法A●:凍着方 法B
‑59‑
‑2 0 温 度 (℃)
の
3倍
以 上 の パ ラ ツキが み られ る。次 に
,無
機 材 料FGに
お け る既往 の研究 結果 と本 研 究 の結 果 を合 わせ て図4に
示 す 。吉 田他 に よ る実 験結 果 と凍着方 法Aは
, どち らも温度 の増 加 に伴 い凍着 力 が減 少 し, 2℃
で は急 激 に低 下 して い る。 これ に対 して渡辺 他 に よる実験 結 果 と凍 着方 法
Bは ,ど
ち らも温度 の増加 に伴 い緩 やか に減 少 す る傾 向 があ る。 この よ うに凍 着 力 は,凍
着 方 法 に よ って大 き く異 な るといえ る。 そ のため現 実 に発生 す る屋 根雪 の凍着 現象 を 的確 に把握 し,そ
れ に応 した 凍着 方 法 に よる 凍 着 力 を測定 す る必 要 が あ ると考 え る。4
屋 根 上積 雪荷 重 の制 御 につ いて勾 配 屋 根 に お け る屋根 雪 の滑 走運 動 は
,屋
根 雪 の位 置 エネ ルギ に よる滑走 力 が滑 走抵抗 力 を 超 え る と きに開 始 す る。 この運 動 は,雪
氷 の界 面 状 態 に大 き く左 右 され る。 そ のた め屋根 雪 を 滑 雪 させ るた め に は,屋
根雪 に作 用 す る諸 力 を 把 握 す る必 要 が あ る。図
5に
示 す 滑 雪 時 に働 く力学 的要 因 を基 に滑 雪 開始 条 件 を検 討 す る と次式 とな る。Msinθ >Fa + M・ μs・cOs θ+ Ft
ここで ガ ラスの諸抵抗力 は
,Fa:426〜
50426kgf/m2(2〜
‑10℃),μ s:0235(0℃
の場合),Ft
i約
0 2kgf/cm2密
度(02g/cǹ)と な る。実験 で得 られた よ うに
,凍
着 力は他 の滑雪抵 抗力 に比 べて極 めて大 きな値 であ る ことか ら,滑雪運動 は凍着力 に支配 され る と考 え る。 その ため屋根雪 を滑雪 させて荷重制御す るには
,凍
着力を低減す る必要 があ る。凍着力 は凍着 方法 によ って異 な ることが
,実
験結 果か ら確認 され て いるた め,凍
着力 を低減す るには屋根雪 の凍 着過程 を明 らか に しなければな らな い。図
6に
降雪 時 に発生す る屋根 雪の凍着過 程 の 例 を示す。図 の よ うに屋根雪 は,連
続 的に降雪 が繰 り返 され ると屋根面上 に積雪 される。積雪 した屋根雪 は,外
気温,小
屋裏温度,お
よび 日射量 な どの外 的要因 の影響 を受 けて屋根葺材界 面 に融解 が生 じる。 この融解水 が外 気温の低下
温度 (℃) 図
4凍
着 力 と実験 温 度 との 関係■︵ ヽ ゴ
︶ 代 榊 送
M :薇雪諄■
0:岸
IR勾配の角度F sf:1'''I事抵littt Fa:凛青カ
F kf:゛鷹 傍工￨た力 Fcttt"【￨たカ FI:「3̀雷との弓B長破晰力
図
5屋
根 雪 の 滑雪 時 に働 く力 学 的要 因 フ ロ ー ト板 ガ ラ ス:FCタ タ カ 一カ 一 着 デ着 デ 凍 の 凍 の
る Ａ る Ｂ
よ 法 よ 法 に方 に 方 田 着 辺 着 吉 凍 渡 凍
〇
●
△
▲
内 惑 か ら の 魯 屋 根 面
‑60‑
図
6降
雪 時 の 屋 根 雪 の 凛 着 過 程。 1° 。
9ト リ
によ り氷結 して屋根雪 を凍着 させ る。 この過程 で凍着 した屋根雪 の滑雪 を考えてみ ると
,熱
工=
ネルギを供給 す る ことによ り
,凍
着 力 を低減す:
ることが可能 とな り
,屋
根勾配 によ る重力滑雪=
を容易 にす る ことが可能 で ある。 この場合
,氷
結時 の積雪重量 によ って凍着力が変 化す ること が既往 の研究 つで指摘 されてい ることか ら
,積
雪重量 による影響 も考慮 しなければな らな い。
この凍着 力の特性 を明 らか にす るた めには
,屋
根葺材表面 に伝 わ る熱伝導性や供給 エネルギ量,
外気温 による界面 の温度 変化 な どの屋根葺材 の 凍着性状 を明確 に しなけれ ばな らない。 これ ら
ζ の ことによ り
,凍
着力 の低減が意図的 に抑制 さ・ れ ると許容積 雪重量 の範 囲で滑雪 が促 され
,設 :
計用屋根上雪 荷重 の低減 を見込 む ことがで きる。・ 以上 の ことを考慮 して屋根上雪荷重 を制御す る
と以下 の ことが いえ る。
札幌市 にお け る積雪深 の変化過程 (積雪深極 値年第
4位 ,1977121〜 1978430)を
図7に
示す。図 のよ うに3回
に渡 って1日30cmを超 える積雪が あ り
, 2月 3日
には最大積 雪深 の 125c口に達 して い る。 ここで
,図 7に
示 した積雪深 がそのまま屋 根 に積 もった と考 え ると積雪重量 の変化過程 は図8と な る。 この積雪状態 を用 い て積雪重量 を100kg/■2で制御す ると仮定 した場 合図9と なる。 図の よ うに制御 荷重 に達 した ら 速 やか に滑雪 させ,常
に制御荷重以上 に堆 積 さ せない ことに よ り,積
雪重量 は最大 で も100kg/m2に留 ま り
,豪
雪時 な どの積雪深 の急増 に対応 が可能 とな る。この様 に雪 荷重 の制御方 策を確立 させる こと によ り
,凍
着 力 および設 計用屋根上雪荷重 が低 減 され,建
築物 の耐久性,経
済性が向上 され ると考 え る。
5
ま とめ本研究 によ り
,屋
根雪荷重 を制御す る上 で最 も大 きい抵抗 力で あ る凍着力 について実験 を行 った結 果,以
下 の ことが明 らか とな った。凍着 力 は,雪
氷体 の凍着方法 によって異 な る。屋根 雪 の滑雪 は,凍
着 力 を軽 減す る ことによ って促 進 させ ることが可能 であ る。凍着力 を軽減す る1月 1月 2月 3月 ̀月 崎 ● (B〕
図
7
札 幌 市 に お け る 地 上 積 雪 深 の 変 イヒ過 程1月 2月 3月 4月 ■ra(3)
図
8屋
根 雪 の積 雪 重量 の変 化過 程図
9屋
根雪荷■の制御ため には
,屋
根雪 と屋根葺材 との凍着性状 およ び熱供給 によ る凍着力 の低減状況 を明 らか に し なければな らない。 これ らの条件 を建物管理者 が常 に把握 し,屋
根雪 を計画的 に制御す ること によ って屋根 上雪荷重 の低減が可能 にな る。今後 は
,屋
根雪 の凍着過程 お よび供給 エネル ギ量 につ いて算 出,検
討 が必要 と考 え る。1参考文献 】
1)日本建築学会 :建 築物●菫指針 同解説 pp 109 1,￨
2)苫米地 司他 :各 種屋根■材 と屋根雪 との凛■性状 につ いて,
日本雪工学会大会論文報告集 pp ll,1221,"1
3)清 水 増次郎 :氷 点下 にお ける雪 の日根材への付 ■ 日本雪氷学会
= を3■ ,,25'2'Sl"2,
■人餞=Ⅸ ̀●
