18-1

屋根面に固定された平板状物体の飛散性状に関する研究

工藤 愛架

１．はじめに

強風下での飛散物に関する研究の中で，立川の研究1)~3)のように風洞実験でその性状を検証した例は多く

ない。特に構造躯体に釘やボルトで固定された屋根葺

材などの外装材が飛散する状況を再現した実験はほと

んど見当たらない。外装材の固定状況を模擬した風洞

実験としては電磁石を利用し，平板を固定した Linら4),5)の飛散実験があるが，磁力で固定する方法は，残留

磁気が残る電磁石の特性から固定力を高精度に再現す

ることが難しい 6)。近藤ら 7)はエアパッドを使用した

吸着装置を開発し，電磁石よりも安定性の高い固定力

を再現し，陸屋根模型の上端部から飛散する平板の実

験を行った。

本研究では，住宅屋根面のさまざまな位置に固定さ

れた平板状物体の強風による初期飛散状況の解明を目

的に風洞実験を実施した。エアパッド吸着装置によっ

て屋根面へ固定させた平板の設置位置と平板に作用す

る風速および，その平板を固定する力との関係を明ら

かにする。

２．風洞実験の概要

2.1 実験装置と試験体の概要

風洞は九州大学大学院人間環境学研究院のエッフ

ェル型吸込式風洞を用いて行った。風洞断面内での各

計測機器の配置状況を図 1に示す。計測部断面寸法は

1500mm×1500mm，計測部前面の風速調整部は約

2000mm，計測部は約 3000mm である。風速測定には

超音波風速計を用いた。風速計の信号は 200Hzでサン

プルしている。建物模型には図 2に示す陸屋根模型と

切妻屋根模型を用いた。模型各辺の寸法は陸屋根模型

が幅 1450mm×奥行 800mm×軒高さ 175mmで，切妻屋

根模型は陸屋根模型に棟高さ 375mm，勾配 1/2の屋根

を載せた。風洞断面に占める閉塞率は陸屋根が約 11%，

切妻屋根が約 24%である。屋根面に固定する平板は一

辺 65mm，厚さ 2mm，重さ 1.3gのバルサ材正方形平板

とした。平板を屋根面に固定するためのエアパッド吸

着装置を模型内に設置し，平板が屋根面の高さと一致

するように調節した。

2.2 測定方法と実験パラメータ

上述した平板を図 2に示す模型の屋根面上に設置す

る。陸屋根模型上での平板の初期設定位置は風上側か

ら陸屋根模型初期位置 A，B，C及び Dとし，切妻屋

根模型は風上側から切妻屋根模型初期位置 A，B，C，

D，E及び Fと記す。風速 4~12m/sまでの 2m/s間隔 5

通りの一様流中に，平板を吸着させた状態で模型を設

置し，吸着装置の圧力バルブを調節し吸着力を徐々に

下げることで平板を飛散させる。飛散開始時の吸着力

と平板の自重の和を平板の固定力として式(1)で表す。

固定力=エアパッドの吸着力+mg cosθ (1)

ここに，m：物体の質量，g：重力加速度である。陸屋

根模型では平板の設置角度は θ=0°なので，cosθ=1，1/2

勾配の切妻屋根模型は平板の設置角度 θ=26.6°なので，

cosθ=0.89となる。

固定力が平板への風圧力と一致した瞬間に平板が飛

散するものとして，エアパッドから平板が飛散する風

速と固定力および平板の初期位置をパラメータとし，

各場合で 5回の測定を行った。平板の飛散状況を横方

向からハイスピードカメラ（120fps）で撮影した。ま

た，屋根模型表面に作用する風圧力を多点圧力スキャ

屋根模型

超音波風速計

防護ネット

翼列

500mm

1325mm

175mm

800mm

wind

図 1 風洞実験配置図 図 2 使用する模型と平板の初期位置

1450mm

175mm

800mm

wind

200mm

1450mm800mm

175mm A

B C D

A

B

C D E F

18-2

(a) 風速 4m/s の場合

4

(b) 風速 6m/s の場合

(c) 風速 8m/s の場合

wind

4

wind

4

wind

(d) 風速 10m/s の場合

(e) 風速 12m/s の場合

図 9 陸屋根上の平板状物体の飛散軌跡

4

wind

4

wind

ナ（大手技研 DSA3217）により計測した。飛散実験と

同位置に圧力測定用の測定孔を設けた平板を固定し，

風速 4~12m/sの一様流下で 20秒間測定した。圧力スキ

ャナの信号は 500Hzでサンプルした。

３．陸屋根模型屋根面に設置した平板の飛散実験

図 3から図 6に初期位置AからDに平板を設置した

場合の飛散開始風速と試行回数 5回分の固定力と平均

値を示す。図から，当然ながら大きな固定力で設置し

た平板の飛散にはより高い風速が必要であり，高風速

であるほど平板に大きな風圧力が作用していることが

分かるが，初期位置によって風速に対する飛散開始時

の固定力が異なる。

初期位置の影響を検討するために，図 7に飛散開始

時の固定力の 5回試行の平均値と初期位置との関係を

風速毎にまとめる。図 7より，どの風速においても初

期位置 Bが最も高い固定力において飛散しており，次

いで初期位置 C，初期位置 Aの順で，初期位置 Dが最

も低い固定力で飛散している。

図 8に各風速における初期位置での風圧力のピーク

値の関係を示す。図 8と図 7の飛散時固定力を比較す

ると必ずしも一致していない。理由は現時点で不明だ

が，平板を固定する治具などに検討の余地がある。

ハイスピードカメラで撮影した各飛散風速におけ

る平板の飛散運動の様子を図 9に示す。なお，図 9中

の平板は一コマ当たり 1/60秒の時間経過を表す。図 9

より，大きな力で固定されていた平板ほどより高い軌跡

で速く飛散する。風上側の初期位置 Aと Bでは，低風

速ではゆっくりと浮き上がって着地し，高風速では斜

め上後方に回転しながら類似した飛散軌跡を描いて飛

散する。後縁側の初期位置 Cと Dでは，低風速では浮

固定力

平均値

近似線

固定力

平均値

近似線

図 3 初期位置 A の風速と固定力

風速

[m/s

]

0 1.0 0.8 0.6 0.2

8.0

4.0

10.0

6.0

2.0

0.4

12.0

1.2 1.4 0.0

14.0

固定力[N]

図 5 初期位置 C の風速と固定力

風速

[m/s

]

0 1.0 0.8 0.6 0.2

8.0

4.0

10.0

6.0

2.0

0.4

12.0

1.2 1.4 0.0

14.0

固定力[N]

固定力

平均値

近似線

図 4 初期位置 B の風速と固定力

風速

[m/s

]

0 1.0 0.8 0.6 0.2

8.0

4.0

10.0

6.0

2.0

0.4

12.0

1.2 1.4 0.0

14.0

固定力[N]

固定力

平均値

近似線

図 6 初期位置 D の風速と固定力

風速

[m/s

]

0 1.0 0.8 0.6 0.2

8.0

4.0

10.0

6.0

2.0

0.4

12.0

1.2 1.4 0.0

14.0

固定力[N]

4m/s6m/s8m/s10m/s12m/s

図 7 初期位置と飛散時の固定力

固定力

[N]

C B A

0.8

0.4

1.0

0.6

0.2

1.2

D 0.0

初期位置

4m/s6m/s8m/s10m/s12m/s

図 8 初期位置に作用する風圧力

風圧力

[N]

C B A

0.8

0.4

1.0

0.6

0.2

1.2

D 0.0

初期位置

18-3

き上がりそのまま着地するが，高風速ではある程度浮

き上がった後に回転の向きを変え斜め下後方に勢いよ

く飛散するパターンが多く見られた。

４．切妻屋根模型屋根面に設置した平板の飛散実験

切妻屋根初期位置Aから Fに平板を設置した場合の

飛散開始風速と試行回数 5回分の固定力およびその平

均値を図 10から図 15に示す。初期位置 A，C，E及び

F では高い固定力で固定された平板の飛散にはより高

い風速が必要だが，初期位置 B（風上側中央）や D（風

下側棟部）では低い風速でも高い固定力で固定された

平板が飛散する場合がある。

初期位置の影響を検討するために，5 回の試行での

飛散開始時の固定力の平均値と初期位置との関係を風

速毎にまとめたものを図 16に示す。図 16より，どの

風速においても初期位置 C(風上側棟部)が最も低い固

定力で飛散している。また，低い風速では初期位置

D(風下側棟部)が高い固定力で飛散しているのに対

して，高風速では，初期位置 E(風下側中央)や F(風

下側軒先)がより高い固定力で飛散している。また，

初期位置 B(風上側中央)はどの風速でも高い固定力

の時点で飛散している。

図 17 に各風速における初期位置での風圧力のピ

ーク値を示す。図 17と図 16にまとめた飛散時固定

力を比較すると，風速に因らず初期位置 Dに最も大

きい風圧力が作用し，次いで E，F，C，A，B の順

で作用する風圧力が小さい。飛散実験の結果と比較

すると陸屋根模型と同様に相違点が多く見られた。

ハイスピードカメラで撮影した各飛散風速におけ

る平板の飛散運動の様子を図 18に示す。なお，図中

の平板は一コマ当たり 1/60秒の時間経過を表す。図

18より，切妻屋根模型の場合も低い風速ではゆっくり

と飛散し，高風速の場合ほど平板の飛散速度が速く，

飛散軌跡もより高く遠くなる。初期位置による飛散軌

跡を比較すると，初期位置 Aでは，平板の飛散速度は

異なるが風速によらずほぼ同じ飛散軌跡を辿る。初期

位置Bで，低風速ではゆっくりと回転しながら着地し，

高風速では風速に因らず類似した飛散軌跡を描く。初

期位置 Cでは，高風速において陸屋根模型後方に設置

した場合に見られたのと同様に途中で回転の向きを変

え低い軌跡で飛散するパターンが見られた。模型の後

方の初期位置 Dでは，どの風速においても浮き上がっ

た後あまり回転せずに飛散した。初期位置 Eでは，高

風速でも屋根面に水平にある程度水平に浮き上がって

から回転を開始して飛散する。初期位置 Fでは，低風

速ではほぼ後方に落下するように飛散するが，高風速

では撮影範囲以上に高く飛散した。

固定力

平均値

近似線

図 10 初期位置 A の風速と固定力

風速

[m/s

]

0 1.0 0.8 0.6 0.2

8.0

4.0

10.0

6.0

2.0

0.4

12.0

1.2 1.4 0.0

14.0

固定力[N]

固定力

平均値

近似線

図 13 初期位置 D の風速と固定力

風速

[m/s

]

0 1.0 0.8 0.6 0.2

8.0

4.0

10.0

6.0

2.0

0.4

12.0

1.2 1.4 0.0

14.0

固定力[N]

固定力

平均値

近似線

図 11 初期位置 B の風速と固定力

風速

[m/s

]

0 1.0 0.8 0.6 0.2

8.0

4.0

10.0

6.0

2.0

0.4

12.0

1.2 1.4 0.0

14.0

固定力[N]

固定力

平均値

近似線

図 14 初期位置 E の風速と固定力

風速

[m/s

]

0 1.0 0.8 0.6 0.2

8.0

4.0

10.0

6.0

2.0

0.4

12.0

1.2 1.4 0.0

14.0

固定力[N]

14.0

固定力

平均値

近似線

図 12 初期位置 C の風速と固定力

風速

[m/s

]

0 1.0 0.8 0.6 0.2

8.0

4.0

10.0

6.0

2.0

0.4

12.0

1.2 1.4 0.0

固定力[N]

固定力

平均値

近似線

図 15 初期位置 F の風速と固定力

風速

[m/s

]

0 1.0 0.8 0.6 0.2

8.0

4.0

10.0

6.0

2.0

0.4

12.0

1.2 1.4 0.0

14.0

固定力[N]

図 16 初期位置と飛散時の固定力

固定力

[N]

D C A

0.8

0.4

1.0

0.6

0.2

1.2

E 0.0

初期位置

図 17 初期位置に作用する風圧力

風圧力

[N]

0.8

0.4

1.0

0.6

0.2

1.2

0.0

初期位置

4m/s 6m/s

8m/s 10m/s

12m/s

B F

4m/s 6m/s

8m/s 10m/s

12m/s

D C A E B F

18-4

(a) 風速 4m/s の場合

4

(b) 風速 6m/s の場合

(c) 風速 8m/s の場合

(d) 風速 10m/s の場合

(e) 風速 12m/s の場合

図 18 切妻屋根上の平板状物体の飛散軌跡

4

4

4

wind

wind

wind

wind

wind

５．まとめ

本論文では，外装材を模擬した平板を陸屋根模型お

よび切妻屋根模型の屋根面にエアパッド吸着装置によ

って設置し，平板を固定する力および平板の初期位置

が平板の初期飛散状況に与える影響を検討した。今回

の陸屋根模型（幅 1450，奥行 800，軒高さ 1750mm）

および切妻屋根模型（幅 1450，奥行 800，軒高さ 1750mm，

棟高さ 3750mm，屋根勾配 1/2）の仕様で得られた所見

を以下にまとめる。

(1) 陸屋根では，平板の初期位置にかかわらず，高い固

定力をもつ平板の飛散にはより高い風速が必要である。

切妻屋根も概ね同じ傾向があるが，初期位置 Bおよび

D では低い風速において高い固定力で固定された平板

が飛散する場合があった。

(2) 陸屋根，切妻屋根ともに低い風速では平板はゆっく

りと飛散し，高風速の場合ほど平板の飛散速度が速く，

飛散軌跡もより高く遠くまで飛散する傾向がある。

(3) 陸屋根風上側では，風速に因らず斜め上後方に回転

しながらほぼ同じ軌跡を描いて飛散する。後縁側では

高風速の場合，ある程度浮き上がった後に回転の向き

を変え斜め下後方に勢いよく飛散するパターンが多く

見られた。

(4) 切妻屋根模型でも初期位置 Aと Bでは斜め上後方

に回転しながら飛散し，風上側棟部の初期位置 Cでは，

高風速の場合，飛散途中で回転の向きを変え低い軌跡

で飛散するパターンが見られた。模型の後方の初期位

置 Dでは，風速に因らず平板は浮き上がった後あまり

回転せずに飛散した。初期位置 E，Fでは，高風速でも

屋根面に水平にある程度水平に浮き上がってから回転

を開始して飛散する。

(5) 模型表面に作用する風圧力は，陸屋根模型，切妻屋

根模型ともに飛散実験における飛散時の固定力と一致

しなかった。

参考文献

1) 立川正夫，福山雅弘：台風時の飛散物の軌跡と速度に関する

研究，その 1 平板の空力特性と運動方程式，日本建築学会論

文報告集，第 302号，pp.1-11，1980．

2) 立川正夫，福山雅弘：台風時の飛散物の軌跡と速度に関する

研究，その 2 一様流中での平板の 2次元飛散運動，日本建築

学会論文報告集，第 314号，pp.17-25，1982．

3) 立川正夫，原英基：台風時の飛散物の軌跡と速度に関する研

究，その 3 各種飛散物の空力特性，日本建築学会論文報告集，

第 319号，pp.23-31，1982．

4) Ning Lin, Chris Letchford, John Holmes： Investigation of

plate-type windborne debris ― Part I. Experiments in wind tunnel

and full scale， Journal of Wind Engineering and Industrial

Aerodynamics，94，pp.51-76，2006.1

5) J. D. Holmes, C. W. Letchford, Ning Lin: Investigations of

plate-type windborne debris – Part Ⅱ : Computed trajectories,

Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol.94,

pp.21-39, 2006.

6) 松井正宏，田村幸雄：電磁解放センサを用いた建築物から飛

散物が発生する状況の再現実験，風工学シンポジウム，第 21

回，pp.119-124，2010.12

7) 近藤潤一，前田潤滋，鶴則生：平板状物体の初期飛散状況に

関する実験的研究―エアパッド吸着を利用した固定装置の開

発―，日本建築学会 2011年度大会学術講演梗概集，pp. 51-52，2011.3