強風時の家にかかる風圧力を解析

流体解析で風圧力を確認

風速は60m/sの強風が下図左側から住宅に吹き付ける条件で流体解析を実施しました。風圧力の高い箇所は赤色、負圧になっている箇所は青色に表示しています。

最大瞬間風速60m/sでは、2階建て木造家屋とカプセル型住居のどちらも最大2,400Pa程度の風圧力が作用する結果となりました。JIS A 4706（サッシ）では、最大2,400Paの風圧力に耐えることのできるサッシの等級をS-5としているため、S-5等級のサッシが住宅に使われている場合は、最大瞬間風速60m/sに耐えることができるということになります。

もしも設計風圧力を1,200Paと想定して、S-2等級のサッシを選定した場合は、最大瞬間風速60m/sの風圧力には耐えられない可能性があります。

強風の影響を可視化

流体解析の結果は、無料の可視化ソフト（Paraview）を使って、気流の風速を色分けして表示することが可能です。下図では風速80m/sの気流を赤色、風速0m/s以下の気流を青色で表示しています。

解析結果を確認すると、気流は壁に沿って上方に流れ，屋根面上で流速が大きくなっていることを確認できます。屋根面上では他の箇所に比べ流速が大きいため圧力が低くなり、風圧力はマイナス、つまり上向きに引っ張られる力が働いています。

後背地の風の流れを確認

東京都や横浜市などの多くの自治体で環境アセスメントが制定され、ビルや商業施設などの大型商業施設を建築する場合は、事前に風害（後背地の風環境）の評価が求められるケースがあります。

今回の解析は住宅のため後背地の風環境の評価は求められませんが、流体解析により後背地の風の流れも可視化することが可能です。

一般的に住宅は直方体のケースが多いため、上から見ると建物の左右に分離した流れが後方で合流し渦ができ、後背地では複雑な流れが生じます。一方、曲面の多いカプセル型住居は後背地に渦ができず、風がカプセル型住居に遮られるため風速が直線的に遅くなっています。

なお、平成12年建設省告示第1454号、第1458号に基づき、設計風圧力を求める際の風速として平均風速を用いることが求められます。上記の解析結果は60m/sという瞬間風速を用いているため、皆さんの住居のサッシにS-5等級のサッシ（2,400Paまで耐えることができる）が使われていないからといって、設計が間違っているというわけではありません。

強風で家は損害を受ける？

2階建ての木造家屋では、瞬間風速60m/sの強風の影響により約4,000Paの風圧差が生じています。そのため、屋根の部分は固定されていない瓦が飛ばされる、壁よりも外側に張り出している軒先などに許容応力以上の荷重がかかり、破断するなどの被害が出る可能性があります。

設計風圧力を求める際の風速は、国土交通省告示1454号で定める各地方の基準風速を見ると確認することができます。各地の基準風速は過去の台風の記録に基づいて計算されており、東京23区および横浜市では34m/s、千葉市では36m/sとなっています。台風の多い沖縄県は46m/sとなっているため、本州と比較すると住宅の台風被害は圧倒的に少なくなっています。

風圧力に対する家の強さの目安として耐風等級というものがあります。耐風等級１は、極めて稀に（500 年に一度程度）発生する暴風による力（建築基準法施行令第87 条に定めるものの1.6 倍）に対して倒壊、崩壊等せず、稀に（50年に一度程度）発生する暴風による力（同条に定めるもの）に対して損傷を生じない程度とされています。

耐風等級2では、耐風等級1の1.2倍の力に対して倒壊・崩壊、損傷を生じない程度とされています。

近年は流体解析により、住宅に影響する風圧力の計算ができるようになりました。後背地の環境評価のために流体解析をご依頼いただくことはありますが、規模の大小を問わず構造物そのものにどの程度風圧力が作用するのかについての解析については、実はほとんどご依頼いただくことはありません。ビルや公共施設だけではなく、戸建住宅についても風災のリスクを検討するために流体解析を活用し、強風に備えることが可能です。

風圧力を求める場合、計算式に基準風速を代入することで値を簡単に求めることができます。しかし、計算式で算出した値を流体解析の結果と比較すると、地面に対して垂直の面に作用する風圧力と近似しており、負圧箇所との圧力差等は考慮されていません。流体解析では、垂直面の風圧力だけではなく、屋根面上で流速が大きくなるため生じる負圧についても計算することができるため、住宅全体の風圧力の影響をより正確に評価することが可能です。

今後、流体解析が戸建住宅の分野においても気軽に利用されるようになることを期待しています。もちろんKDYエンジニアリングが新社屋を設計する際は、流体解析の結果も活用して自社の建屋を台風時の強風にも耐えることができる構造にする予定です。

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