風圧の求め方

質問

基礎知識がないために、お手上げになってしまいました。
どうか、わかりやすく教えてください。

温室のような形状（長方形の箱の上に、三角柱が乗ったような形状）のもの２つがあります。
一つは、屋根は横からみたら三角形の形状（傾斜がある）で、地面から屋根までの高さは３ｍです。横幅は３ｍ、縦幅（長さ）は５ｍ、軒高は２ｍです。

二つめは、屋根は横から見たら台形の形状（上は平ら）で、地面から屋根までの高さは、２．５ｍです。その他は、１つめのものと大きさです。

この２つの形状でそれぞれ、
１．すべての面がビニールで覆われている場合に、全体にかかる風圧
２．屋根部のみビニールで覆われ、側面は風が抜ける状態になっている場合に、屋根部全体にかかる風圧

を計算したいと思います。
ちょっとわかりづらい説明で、申し訳ございません。
できるだけわかりやすく教えていただければ幸いです。
よろしくお願いいたします。

回答No.6

take-1A

初めに、Msg５ の 「 簡単な例 」 の項目で、一部 修正・追加 いたします。
下から５行目 ：　（誤）　の風圧力を求める。　→　（正）　の風圧力 Ｗ（kgf）を求める。
下から４行目 ：　（誤）　Ｄ ＝ Ｃd *（ Ｖ／4.04 ）^2 * Ｈ*Ｌ ＝　以下 同じ
　　　　　　　　　 　（正）　Ｗ ＝ Ｄ * Ａ ＝ Ｃd *（ Ｖ／4.04 ）^2 * Ｈ*Ｌ ＝　以下 同じ

Ｂ． 建築関係法規（ 速度圧 と 風圧力度 ）
速度圧 Ｑ kgf/m2（ ＝ 動圧 Ｐd ）、風圧力度 Ｐ kgf/m2（ ＝ 抗力 Ｄ ）　および　風力係数 Ｃ（ 無次元 ） が定められています。

速度圧（動圧）　　Ｑ　＝　６０√Ｈ　　・・・　ここで、Ｈ ： 地上からの高さ（ m ）
風圧力度（抗力）　Ｐ　＝　Ｃ * Ｑ　　（ kgf/m2 ）

上式より速度圧Ｑを計算し、ベルヌーイのＰdの式で 風速Ｖを逆算した結果を下に記す。

地上高さ Ｈ（ m ）　　　2　　　　4　　　　6　　　　8　　　10　　　　12　　　14　　　　16
速度圧 Ｑ（kgf/m2）　84.9 　120.0 　147.0 　169.7　 189.7　　207.8　　224.5　　240.0
---------------------------------------------------------------------
風速 Ｖ（ m/s ）　　　 37.2　　44.3　　49.0　 　52.6 　　55.6　　 58.2　　　60.5　　 62.6　　

これより 地上 14～16 m における設計風速は 60 m/s強 となり、いわゆる室戸台風なみの強風を 設計規準に採用していることがわかる。
実際には、地方ごとに また立地条件に応じて、速度圧の低減率が定められている。
　（ 最近 風圧力の算出基準が変更になった筈ですが、私は詳細を知りません ）

Ｃ． 三角ハウスの風圧力（ ビニールは破れず飛ばず、原形を保つという前提 ）
　　　　風速 Ｖ＝３６ m/s （地方別の低減率込み）と、仮定する。
　　　　速度圧Ｑは ベルヌーイの式より　Ｑ（＝Pd）＝（36／4.04）^2 ＝ 79.4 kgf/m2 となる。

イ）切妻面に垂直に吹きつける場合
　　上流側壁面（押す力）： Ｃ ＝ 0.9
　　　　風圧力 Ｗ ＝ Ｐ*Ａ ＝ Ｃ*Ｑ*Ａ ＝ 0.9 * 79.4 * 7.5 ＝ 536 kgf
　　下流側壁面（引く力）： Ｃ ＝ 0.3
　　　　　　　　 Ｗ ＝ Ｐ*Ａ ＝ Ｃ*Ｑ*Ａ ＝ 0.3 * 79.4 * 7.5 ＝ 179 kgf

ロ）長手壁面に垂直に吹き付ける場合
　　上流側壁面（押す力）： Ｃ ＝ 0.8
　　　　風圧力 Ｗ ＝ Ｐ*Ａ ＝ Ｃ*Ｑ*Ａ ＝ 0.8 * 79.4 * 10 ＝ 635 kgf
　　下流側壁面（引く力）： Ｃ ＝ 0.4
　　　　　　　　 Ｗ ＝ Ｐ*Ａ ＝ Ｃ*Ｑ*Ａ ＝ 0.4 * 79.4 * 10 ＝ 318 kgf　
　　上流側屋根面（押下げ力）： Ｃ ＝（1.3*sinθ - 0.5）＝ 0.22
　　　　　　　　 Ｗ ＝ Ｐ*Ａ ＝ Ｃ*Ｑ*Ａ ＝ 0.22 * 79.4 * (10*1.8) ＝ 314 kgf
　　下流側屋根面（引上げ力）： Ｃ ＝ 0.5
　　　　　　　　 Ｗ ＝ Ｐ*Ａ ＝ Ｃ*Ｑ*Ａ ＝ 0.5 * 79.4 * (10*1.8) ＝ 715 kgf
　　　　ここで　θ ＝ 33.7度 で、水平面からの屋根の傾斜角度をあらわす。

ハ）全側面とも壁なし、屋根（ ／＼ ）のみの場合
　　　手持ちの資料がないので、詳細は判りません。　参考までに、θ ＝ 10 度の場合、
　　　屋根全体に対して揚力がかかり Ｃ ＝ 0.7 の揚力だそうです。　この場合には；
　　Ｗ ＝ Ｐ*Ａ ＝ Ｃ*Ｑ*Ａ ＝ 0.7 * 79.4 * ( 10*1.8*2 ) ＝ 2000 kgf

以上 ご参考までにお願いします（建築は専門外です故 三角ハウスの件は自信なし）。　なお、台形屋根も同様の考え方で良いでしょうが、風力係数Ｃの値などについては建築設計の参考書・建築基準法・同施行令・同施行規則等で調べて下さい。

回答No.5

take-1A

Ａ．流体力学（ Msg４の 続き ）：　未完で送信してしまいました。続けます。

前式の 　Ｄ 　＝　Ｃd　*　γ*Ｖ^2／２ｇ　　（Ｄ の単位は kgf/m2 ）　において

　　　　　Ｐd　＝　γ*Ｖ^2／２ｇ　・・・・　（Ｐd の単位は kgf/m2 または mmH2O ）

で表すとき、この Ｐd の値を 動圧（Dynamic pressure）または速度圧などと呼び、流体力学で有名な ベルヌーイの式（Bernoulli's equation）から導かれている。

Ｃd とは、抗力係数（Coefficient of drag）または抵抗係数などと呼ばれる無次元の数値で、一般には風洞実験などで求められる。　近年コンピューターの発達に伴い、自動車や飛行機の流力特性の解析にはスーパーコンピューターによる数値計算が多用されている。

建築・土木関係などで構造物にかかる風圧力を算出する場合も、基本的には上述の ベルヌーイの式 を簡素化したものを使用している。

簡単な例 ；
高さＨ＝２m、長さＬ＝１５m のブロック塀に、風速 Ｖ＝３０ m/s の風が直角に当たる場合の風圧力を求める。　但し塀の抗力係数 Ｃd＝１．２ とする。

　　Ｄ ＝ Ｃd * （Ｖ／４．０４）^2　*　Ｈ*Ｌ＝　１．２*（３０／４．０４）^2　*　２*１５
　　　　＝　１．２ * ５５．１４（kgf/m2） * ３０(m2)　＝　１９８５ kgf

続編（建築法規）は、後ほど・・・
もしこれを見ておられたら、ハウス設置場所（府県）差し支えなければ教えて下さい。

補足

ご回答いただきましてありがとうございます。
ご丁寧に解説してくださっているので、
とてもわかりやすいです。

続編をいただけるということ、重ね重ね本当に
ありがとうございます。
設置場所は、東京都です。
お手数おかけして本当に申し訳ございませんが、
続編を待っております。
なにとぞよろしくお願いいたします。

回答No.4

take-1A

まだ見ておられますでしょうか。　流体力学と建築基準法の両面から検討してみましょう。　私は建築屋ではありませんので、的外れな点もあろうかと思いますが、ご了承下さい。
なお 計算の単位は、特記なき限り 在来単位系（ｍ-ｋｇ-ｓ）を使います。

Ａ． 流体力学（ 動圧と抗力 ）
流体中を物体が進行する場合または流れの中に物体が静止している場合、この物体が流体から受ける力のことを、抗力（Drag）または流体の抵抗という。
いま、流速を Ｖ（m/s）、流体の比重を γ（kgf/m3）、重力の加速度を ｇ（m/s2）で表すと、物体が流体から受ける抗力 Ｄ（kgf/m2）は次式で表される。

　　Ｄ　＝　Ｃd　*　γ * Ｖ^2／２ｇ
　　　　＝　Ｃd　*　１．２ * Ｖ^2／１９．６　＝　Ｃd　*　（ Ｖ^2／１６．３３３ ）
　　　　≒　Ｃd　*　（ Ｖ／４．０４ ）^2　
ここで、
　流体の比重量 ： γ ＝ １．２ ｋgf/m3 （ 空気　at 20℃、60％ＲＨ、1 atm ）
　重力の加速度 ： ｇ ＝ ９．８ m/s2

回答No.3

linus3030

>側面ありの場合より
>相互の干渉が少ないような気がするのですが

私の予想はまったく逆になります。
屋根下にも風（低速）が流れるので
揚力はとてつもなく大きくなると思います。

こればっかりは模型実験が一番正確でしょう。

回答No.2

linus3030

>合計をいうのでしたら、両方の計算の仕方を
知りたいと思います。

面ごとに計算しなければなりませんが
お互いに干渉しあうので
そう簡単には計算できません。
（気象庁なみのスパコンが必要）
模型を作って実験するのが一番です。

個人的予測ですが
風向へのの抵抗力は側面ありのほうが大きいが
（骨格が壊れやすい）
揚力（持ち上げる力）は側面なしのほうが大きい
（地面から飛ばされやすい）
でしょう。

お礼

早々に回答くださり、本当にありがとうございます。
>気象庁なみのスパコンが必要
そんなに難しいのですね。残念です。
もし、各面相互の干渉を無視して計算するとしたら、どうでしょうか？
特に、側面なしの三角形と台形、それぞれにかかる風圧がどのくらい
違うかを計算する場合、素人考えとしては、側面ありの場合より
相互の干渉が少ないような気がするのですが、いかがでしょうか？

重ね重ね、お手数おかけして申し訳ございません。
できましたら、ぜひとも教えてください。宜しくお願いいたします。

回答No.1

linus3030

風圧といってもCｄとかCLがあります。
風下に引かれる力と持ち上げる力の
どちらが知りたいのですか？

また骨格は頑固ですか？
頑固なら重心点に対しての作用力であらわせますが
頑固でない（へしゃげる）場合
面ごと（厳密にはさらに細かい領域ごと）で
算出する必要があります。

補足

質問をみていただき、回答を下さって本当にありがとうございます。

「構造物に風圧がかかる」という場合には、風上側の持ち上げる力と、
風下側の引かれる力の合計をいうのでしたら、両方の計算の仕方を
知りたいと思います。

また、骨格は頑固でなく、地面との固定は強固なものではありません。
簡易の骨組みで、地面の上に置いてあるというようなものです。

お手数おかけいたしますが、どうぞよろしくお願いいたします。