GBRC Vol.38 No ことはないのでパネル下面と屋根上面の風圧がほぼ等 βと隙間dの水準を表-1に示すなお屋根勾配β 4. しくなる Pi1 Pi と考えられるこれよりここでは低層住宅屋根の一般的な屋根勾配である4.5寸勾配はパネル下面の風圧を屋根上面の風圧で

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ともみもちやま
5 years ago
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に示されている裏側が室内となることを想定した屋根葺き材の設計用風力係数を適用できずパネルの風荷重は適切に設定できないパネルの設計用風荷重は JIS C 8955 ) に従って設定されることもあるが JIS C 8955 ではパネルを外装材ではなく構造骨組として扱っているためパネルの風荷重を適切に評価できるかどうか疑問がある屋根上に設置されるパネルは

1 試験研究低層住宅に設置される太陽光発電パネルの風荷重 Wind Loads for Solar Panels on a Low-rise Building 中川尚大 *1 高森浩治 * 西村宏昭 *3 1. はじめに住宅の屋根上に設置される一般的な太陽光発電システムは屋根葺き材の上に金属製のフレームを設置しその上に太陽光発電パネル ( 以下パネルと称す ) が取り付けられるので屋根葺き材上面とパネル下面の間には隙間があることが多い ( 写真 -1 参照 ) そのためパネルには上面だけでなく下面にも外部風による圧力が作用するので平成 1 年建設省告示第 1458 号や建築物荷重指針 1) に示されている裏側が室内となることを想定した屋根葺き材の設計用風力係数を適用できずパネルの風荷重は適切に設定できないパネルの設計用風荷重は JIS C 8955 ) に従って設定されることもあるが JIS C 8955 ではパネルを外装材ではなく構造骨組として扱っているためパネルの風荷重を適切に評価できるかどうか疑問がある屋根上に設置されるパネルはひとつのモジュールの受圧面積が比較的小さくかつ屋根面上に形成される渦の影響を強く受けるため局所的な風荷重を考慮することが適切であろう建築物上に設置されるパネルの風力係数に関する研究成果が増えてきており 3),4) パネルには瞬間的に大きな風力が作用することがわかっているのでパネルの耐風設計にはピーク風力係数を用いることが妥当であるなお勾配屋根に設置されるパネルを対象とした研究例は非常に少ない 5),6) 本研究では切妻屋根をもつ一般的な低層住宅の屋根上に設置されるパネルを対象とした風洞実験を行ないパネルの設計用ピーク風力係数について検討したなお本報は日本風工学会誌の特集 7) で報告した内容をもとにピーク風力係数の平均化時間を変更し設計用ピーク風力係数を再検討したまた得られた設計用ピーク風力係数を用いて一般的な条件での風荷重の算定を行なった. 風洞実験方法パネルに作用する風力 fは図 -1に示すようにパネル上面 Poと下面 Piの圧力差として求められるパネルと屋根面との隙間が小さい場合風は隙間を横切って流れる写真 -1 太陽光発電パネルの設置状況 ( 大和ハウス工業提供 ) 図 -1 パネルに作用する風力の定義 *1 NAKAGAWA Naohiro :( 一財 ) 日本建築総合試験所試験研究センター建築物理部耐風試験室 * TAKAMORI Koji :( 一財 ) 日本建築総合試験所試験研究センター建築物理部耐風試験室室長代理 *3 NISHIMURA Hiroaki :( 一財 ) 日本建築総合試験所試験研究センター建築物理部耐風試験室室長博士 ( 工学 )

2 GBRC Vol.38 No ことはないのでパネル下面と屋根上面の風圧がほぼ等 βと隙間dの水準を表-1に示すなお屋根勾配β 4. しくなる Pi1 Pi と考えられるこれよりここでは低層住宅屋根の一般的な屋根勾配である4.5寸勾配はパネル下面の風圧を屋根上面の風圧で代用することとを想定しているした f Po-Pi なお一般に風圧は面を押す方向を正としその面に向かう方向に作用風圧を図示することが多いが図-1では負の圧力を示しているパネルに作用する風力は屋根勾配やパネルと屋根面表-1 測定ケース屋根勾配β 隙間 d 1 3 5mm 実寸の mm 相当の隙間により変化すると考えられることから本実験で想定した住宅は図-に示す切妻屋根をもつ階建ては屋根勾配とパネルと屋根面との隙間の変化を組み合の低層住宅であり壁面の幅B 10m 奥行きD 7m わせた計15ケースの測定を行なった設定した屋根勾配軒高h 6m 軒の出0.6m を基本寸法とし奥行きDは図- 図-3 想定した低層住宅および太陽光発電パネルの配置実験模型における屋根勾配およびパネルと屋根面との隙間を変化させるための工夫 3

3 GBRC Vol.38 No 後述する模型製作方法の都合上屋根勾配によって変化 3. 実験結果させている通常太陽光発電パネルは南向きの屋根面 3. 1 風圧係数およびパネルの風力係数の定義に設置されることから切妻屋根の片面のみにパネル模測定された各測定点の風圧は住宅模型の屋根平均高型を設置した太陽光発電パネルを構成するひとつのモさHにおける平均速度圧で基準化し式 1 の風圧係数ジュールは一般的なサイズである約1ｍ 1.06ｍ CPで表した 0.96m 程度のものを想定しけた行き方向10枚張り CP P/qH 1 間方向4枚の計40枚を配置している軒先およびけらば P 各測定点の風圧 N/m 端からのパネルの距離はいずれも0.3mとした qh 屋根平均高さHでの平均速度圧 N/m 実験模型の縮尺はパネル部分での風圧測定の加工のパネルの風力はモジュール毎に配置された上面4点都合により1/30とした実験模型はひとつの屋根模型下面4点の面積平均された風圧の差圧によりモジュールで屋根勾配とパネルと屋根面との隙間を変化できるよう毎の風力 f を求め式の風力係数C f で表したなおに工夫されている屋根勾配の変化は図-3の a に示表- すように棟の部分の角度を変化させることにより行なっ風圧測定条件た屋根面とパネルの隙間の調整はパネル模型を上下移実験風速 10m/s 動させることにより行なっており実験模型では図-3 風速スケール 1.5 の b に示すようにパネル模型を支える真鍮パイプ導時間スケール 1 1 圧パイプをシリコンゴムブロックで支持接着せずにサンプリング周波数 00Hz 摩擦により支持することによって屋根上面からの漏ローパスフィルターなし気がない状態でのパネル模型の上下移動を実現してい 10 分間相当のデータ数個るなおパネル模型の厚さは3mmである風圧測定点は 1モジュールにつき上面4点下面4点の計8点とした風圧測定点の配置を図-4に示す風圧上面測定点測定点を配置したモジュールは模型形状の対称性を考下面測定点慮してパネル全体の半分に相当する0モジュールに配置した図-参照風向角θはパネルが設置された屋根面が風に正対する風向をθ 0 とし時計回りに0 355 の5 間隔の7風向について行なった図-4 1モジュールあたりの風圧測定点各測定点に作用する風圧は風圧測定点の位置に設けられた直径1m mの測定孔から導圧パイプ真鍮パイプおよび導圧チューブビニールチューブを介して圧力計に導いて測定した圧力計からの電気信号は A/D変換器により00Hzのサンプル周波数でコンピュータに取り込み導圧チューブの伝達特性を用いて風圧波形の補正を行なった後全ての風圧時系列データをコンピュータに保存した風圧測定の測定条件を表-に示す風洞気流は地表面粗度区分Ⅱに概ね相当する乱れ強さ約0 の乱流とし模型の風上側に設置した格子により気流の乱れを与えた風洞気流の特性を図-5に示す風速の鉛直分布のべき指数はα 0.15程度であったまた変動風速のパワースペクトルから求めた渦のスケールは 0.18ｍ実スケール換算5.4ｍである図-5 4 風洞気流

上面および下面の各測定点の負担面積 (m ) A :1 枚のモジュールの面積 (m ) A= A(i)= i u A(i) i l 全測定点で同時に測定された風圧から得られたパネル上面とパネル下面の風圧係数 C pu C pl およびパネル風力 C f の時間変化の例を図 -6 に示すパネル上面の風圧 C pu とパネル下面の風圧 C pl の時間平均値は概ね同程度の値を示しており

4 GBRC Vol.38 No これにより求められる風力係数は約 1m の面積平均値であるまた風力係数においても屋根平均高さHにおける速度圧 q H で基準化している C f = f /q H () f = P(i) u A (i)/ u A i f : モジュール毎の風力 (N/m ) P(i) l A (i)/ l A i P u P l : 上面および下面の各測定点の風圧 (N/m ) A u A l : 上面および下面の各測定点の負担面積 (m ) A :1 枚のモジュールの面積 (m ) A= A(i)= i u A(i) i l 全測定点で同時に測定された風圧から得られたパネル上面とパネル下面の風圧係数 C pu C pl およびパネル風力 C f の時間変化の例を図 -6 に示すパネル上面の風圧 C pu とパネル下面の風圧 C pl の時間平均値は概ね同程度の値を示しておりパネルの平均風力係数 C f は概ね 0 付近の値となるしかし C pu が瞬間的に大きくなるとき C pl 図 -6 時系列データの例が追従しないことがあり C f が瞬間的に大きくなることがあるパネルの設計風荷重はこの瞬間的な風力 ( ピーク風力 ) をパネルの設計用の風力係数として用いる必要があるそこでパネルのピーク風力係数は実時間の10 分間相当の風力係数の時系列を作成しその正側および負側のピーク値の5 回のアンサンブル平均値として求めたピーク風圧の平均化時間の設定については明確な基準はないがモジュールが屋根面に取り付けられた状態での固有周期に近い風圧変動までモジュールが追従すると考えるとピーク風圧もそれに相当する平均化時間に設定する必要があると考えられるそこで本実験では実物モジュールの固有周期を0.1 ~ 0.5 秒程度であると仮定しピーク風圧の平均化時間を実時間の0. 秒間 ( 実験上の0.017 秒間 ) 相当に設定した 3. 平均風圧係数パネル上面および下面の平均風圧係数分布の例を図 -7 に示すここではパネルと屋根面との隙間 d=3mm( 実寸で90mm 相当 ) の場合の屋根勾配 β= の結果について示している低勾配の屋根においては風上側コーナー付近で局所的に非常に強い負圧が発生するが図 -7に示す結果ではパネルの上下面ともにそのような非常に強い負圧は見られず例えば屋根勾配 β=10 における風向角 θ=45 ではパネル上面でCp=-1.0 下面でCp=-1. 程度であった ( 図 -7(a)) これはパネルの設置位置が端部からセットバックしていること屋根上面とパネル下面に隙間があること屋根上面とパネル上面に段差があることなどがその要因であると考えられるこの傾向はパネルと屋根図 -7 平均風圧係数の分布 ( 隙間 d=3mm) 5

GBRC Vol.38 No.1 013.1 面との隙間が小さいd=1mmの場合でも同様であった屋根勾配 β=4. における風向角 θ=135 付近では風上側けらばから棟に沿ったエリアで屋根上面の負圧が大きくCp=-1.

5 GBRC Vol.38 No 面との隙間が小さいd=1mmの場合でも同様であった屋根勾配 β=4. における風向角 θ=135 付近では風上側けらばから棟に沿ったエリアで屋根上面の負圧が大きくCp=-1.5を超える値を示す ( 図 -7(b)) この場合においてもパネル下面には比較的強い負圧が作用しているので上方向への平均風力は比較的小さい屋根勾配 β=40 の風向角 θ=0 においてはパネルが風上側となる風向で屋根の上面の広い範囲で正圧が作用するがパネル下面ではほとんどの部位で負圧が作用する ( 図 -7 (c)) パネル上下面の平均風圧の差( 平均風力係数 ) はどのケースにおいても大きくならない 3. 3 ピーク風力係数正側および負側のピーク風力係数 C fmax C fmin の風向による変化の例として屋根勾配 β=10 および4. ( いずれも隙間 d=3mm) の結果を図 -8に示す測定対象の 0 枚のモジュールのピーク風力係数の測定値は 4つの部位 ( けらば部棟部軒部一般部 ) に分けてそれぞれ部位ごとに異なるマークで図に示している図 -8 ピーク風力係数の風向による変化の例 6

GBRC Vol.38 No.1 013.1 これらの測定ケースでの正側のピーク風力係数 C fmax はいずれの部位においても測定対象のモジュールが風上側になる風向角 θ=0 ~90 で大きくなる傾向にある全てのモジュールでC fmax が最も大きい値を示すのはどちらのケースにおいてもけらば部近くのモジュールでありその値はいずれも.

6 GBRC Vol.38 No これらの測定ケースでの正側のピーク風力係数 C fmax はいずれの部位においても測定対象のモジュールが風上側になる風向角 θ=0 ~90 で大きくなる傾向にある全てのモジュールでC fmax が最も大きい値を示すのはどちらのケースにおいてもけらば部近くのモジュールでありその値はいずれも.3 程度であるその他の部位のモジュールにおいてもC fmax の全風向中の最大値は概ね1.5~.0を示しており部位の違いによる差は比較的小さいと考えられる負側のピーク風力係数 C fmin は部位によって最小値 ( 絶対値の最大値 ) を示す風向が異なるが各部位での全風向中の最小値は屋根勾配 β=10 の場合で-1.0~ -. 屋根勾配 β=4. の場合で-1.0~ -1.7の範囲にあり部位による差があるこのような傾向は他の測定ケースにおいても概ね同様であったピーク風力係数の全風向中の最大値および最小値 ( 以下最大最小ピーク風力係数と称す ) の分布の例として隙間 d =1~5mmにおける屋根勾配 β= での結果を図 -9に示すこの図では各パネルの風力係数をそれぞれの位置での棒グラフで表している最大ピーク風力係数の分布の傾向は屋根勾配によって大きく変化しないがパネルと屋根面との隙間の大きさで若干変化する ( 図 -9(a)) どのケースにおいても概ねけらば部のパネルで大きくなりけらば部での最大ピーク風力係数の最大値は1.6~.3であるけらば部で大きくなるのは風向角 θ=0 ~90 の風向の場合に下面の負圧が大きくなるのでパネルを下方向に押す風力が大きくなるその他の部位での最大ピーク風力係数の最大値は1.~1.9を示しけらば部よりやや小さくなるが部位による差は比較的小さい最小ピーク風力係数の分布は屋根勾配やパネルと屋根面との隙間の大きさにより異なる傾向を示す ( 図 - 9( b )) 隙間 d=1mmや屋根勾配 β=40 では一図 -9 最大最小ピーク風力係数分布の例 7

7 GBRC Vol.38 No 様な分布に近くなりその他の屋根勾配や隙間の大きさでは棟部で大きくなる傾向にある棟部で大きくなるのは風向角 θ=135 ~180 の風向の場合であり上面の負圧が大きくなるのでパネルを上方向へ引く風力が大きくなるまた最小ピーク風力係数は屋根勾配の増加に伴って全体的に絶対値がやや小さくなる傾向にある最小ピーク風力係数の最小値となる部位は屋根勾配によって異なる多くの基規準では外装材等の設計用風力係数がゾーニングして設定されているしかし本実験で得られた太陽光発電パネルの最大ピーク風力係数の部位ごとの最大値 ( けらば部棟部軒部一般部の各部位での最大値 ) は部位によって顕著な差がないことまた最小ピーク風力係数の各部位での最小値は屋根勾配やパネルと屋根面との隙間によって複雑に変化することから設計用ピーク風力係数を設定する際のゾーニングの適用が難しくまたその必要性も低いと考えられる係数の最小値は屋根勾配 βの増加に伴って絶対値が減少する傾向にあり概ねC fmin =-1.0 ~ -.5の範囲で変化するなお β =0 付近の屋根勾配での隙間 d= 150mm( 実寸 ) では負のピーク風力係数が-.5より低くなる ( 絶対値が大きくなる ) 場合もあるパネルと屋根面の一般的な隙間は100mm( 実寸 ) 以下であると考えられることから設計に用いる負のピーク風力係数は屋根勾配 βによりc fmin =-.(β=10 ) から-1.3(β= 40 ) に直線的に変化させた値に設定することが妥当であると考えられるただし屋根勾配 β=0 付近でパネルと屋根面の隙間が100mm( 実寸 ) を超える場合にはピーク風力係数の割増を考慮する必要があるこれらの表 -3 ピーク風力係数の全パネル中の最大値および最小値 4. 設計用ピーク風力係数の検討各測定ケースにおける全パネルのピーク風力係数の最大値および最小値を表 -3に示すまたそれらの屋根勾配による変化を図 -10に示す同図にはJIS C 8955 ) での風力係数 * も併せて示しているこの結果によればピーク風力係数の最大値は屋根勾配 βや隙間 dに関わらず C fmax =.0 ~.3 程度の値を示しており設計用の正のピーク風力係数としてはC fmax =.3の一定値が妥当であると考えられるピーク風力 8 図 -10 ピーク風力係数の全パネル中の最大値および最小値の屋根勾配 β による変化

8 GBRC Vol.38 No 値は JIS C 8955の値を大きく上回るこでは表-3に示す風力係数を用いて β 0 では-.67 JIS C 8955に示された平均風力係数C wにガスト影響係数 G f. 地表面粗度区分Ⅱ を乗じた値をピーク風力係数として示した β 4. では-.38として風荷重を求めた値である正の風荷重は屋根勾配で変わらず0.87 kn/m 負の風荷重は-0.83 kn/m β kn/m β 40 となるなお屋根勾配β 0 付近で隙間d 100mm 5. 太陽光発電パネルの設計用風荷重の算定を超える場合では最大で-1.01 kn/m となる図-1か本研究で得られたピーク風力係数を用いて平成1年ら分かるように本研究でのピーク風力係数の提案値を建設省告示第1458号により一般的な階建の住宅に設用いて求めた風荷重は JIS C 8955で求められる風荷重置される太陽光発電パネルの設計用風荷重を試算したを大きく上回るなおここで示した風荷重は一般的な条件設定での値算定条件を次に示す算定条件市街地調整区域内 (建築物の高さ) 地表面粗度区分 Ⅲ ZG 450m α 0.0 基準風速V0 34m/s 一般的な地域を想定基準高さH 7m 屋根平均高さ市街地調整区域外 (建築物の高さ) Ⅱ 31m Ⅱ 設計用風荷重Wは式 3 により算定する W q Ĉ f 3 W 設計用風荷重 N/m 設計速度圧 N/m q q 0.6 Er V0 Er 平均風速の鉛直分布を示す係数 13m 13m Ⅲ Ⅲ 0m 00m 500m (海岸線又は湖岸線からの距離) 海岸線又は湖岸線は対岸までの距離が1500m以上のものとする図-11 地表面粗度区分の適用範囲 Er 1.7 H/ZG α Ĉ f ピーク風力係数 4章での提案値表-4 設計用風荷重 kn/m 地表面粗度区分は平成1年建設省告示第1454号をもとに設定した同告示では海岸から500mより離れた地域や海岸より500m以内の地域において建物高さが31m 以下の場合また海岸より00m以内の地域において建物高さが13m以下の場合は地表面粗度区分Ⅲとなる図 -11参照一般的な住宅は建物高さが13m以下になることから本検討では地表面粗度区分Ⅲを採用したなお風洞実験は地表面粗度区分Ⅱの気流中で行なったが風力係数の値は地表面粗度区分Ⅲの地表面粗度にも適用できると考えられる上記により求められた風荷重の屋根勾配βによる変化を表-4および図-1に示す図中の太い実線は提案値の風力係数により求めた風荷重細い破線はJIS C 8955の算定式により求めた風荷重であるガスト影響係数Gf は地表面粗度区分Ⅲの.5を設定したまたは β 0 付近の屋根勾配で隙間d 100mmを超える場合に設計用ピーク風力係数が提案値よりも大きくなるのでこ図-1 設計用風荷重 kn/m 9

GBRC Vol.38 No.1 013.1 であり基準風速 V 0 や基準高さHによって設計用風荷重が異なるので注意されたい 6.

屋根勾配に関わらず.3の一定値を設定することが妥当であると考えられる負側の設計用ピーク風力係数は屋根勾配 10 で-. 屋根勾配 40 で-1.

は 34m/s 基準高さHは屋根平均高さで7mとした正の風荷重は屋根勾配で変わらず0.87kN/m 負の風荷重は最大で-0.

9 GBRC Vol.38 No であり基準風速 V 0 や基準高さHによって設計用風荷重が異なるので注意されたい 6. まとめ低層住宅の切妻屋根上に設置される太陽光発電パネルの風力係数を風洞実験により求め設計用ピーク風力係数を検討した得られたピーク風力係数より一般的な条件で設計用風荷重を算定したパネルに作用する時間平均風力係数はほぼゼロであることが多いが瞬間的なピーク風力係数は大きい値を示すことがありこれらを設計用ピーク風力係数として設計風荷重を設定する必要がある正側の設計用ピーク風力係数は屋根勾配に関わらず.3の一定値を設定することが妥当であると考えられる負側の設計用ピーク風力係数は屋根勾配 10 で-. 屋根勾配 40 で-1.3としその中間の屋根勾配では10 と40 の値をもとに直線補間した値に設定することが妥当であると考えられるただし屋根勾配が0 付近でパネルと屋根面との隙間が100mm( 実寸 ) を超える場合には負の設計用ピーク風力係数を割増する必要がある得られた設計用ピーク風力係数をもとに一般的な階建住宅に設置されるパネルの設計用風荷重の試算をした算定条件は地表面粗度区分 Ⅲ 基準風速 V 0 は 34m/s 基準高さHは屋根平均高さで7mとした正の風荷重は屋根勾配で変わらず0.87kN/m 負の風荷重は最大で-0.83 kn/m ( 勾配 10 ) であったなお本研究で求められた風荷重は JIS C 8955で求められる風荷重を大きく上回る 7) 高森浩治, 中川尚大, 山本学, 吉田昭仁, 奥田泰雄, 中村修, 低層住宅に設置される太陽光発電パネルのピーク風力係数, 日本風工学会誌, 第 36 巻, 第 4 号 ( 通号 19 号 ),p.38- p.389, 平成 3 年 10 月執筆者 *1 中川尚大 (NAKAGAWA Naohiro) * 高森浩治 (TAKAMORI Koji) *3 西村宏昭 (NISHIMURA Hiroaki) 参考文献 1) 日本建築学会, 建築物荷重指針同解説,004,p.41-p.49 ) JIS C 8955:011 太陽電池アレイ用支持物設計標準 3) 山本学, 近藤宏二建築物の陸屋根に複数設置した太陽電池アレイに作用する風力特性, 第 1 回風工学シンポジウム論文集,010,p.345-p.350 4) 扇谷匠己, 岡崎充隆, 神田亮, 太陽光パネルに作用する風荷重に関する研究, 日本建築学会大会学術講演梗概集 ( 北陸 ), 構造 Ⅰ,010 年 9 月,p.169-p.170 5) 西村元吾, 中川尚大, 高森浩治, 西村宏昭, 切妻屋根に設置される太陽電池パネルの風荷重 ( その 1), 日本建築学会大会学術講演梗概集 ( 北陸 ), 構造 Ⅰ,010 年 9 月,p.165- p.166 6) 中川尚大, 西村元吾, 高森浩治, 西村宏昭, 切妻屋根に設置される太陽電池パネルの風荷重 ( その ), 日本建築学会大会学術講演梗概集 ( 北陸 ), 構造 Ⅰ,010 年 9 月,p.167- p

Microsoft Word - 表紙

Microsoft Word - 表紙第 5 章住宅用太陽光発電パネル 5.1 はじめに住宅用太陽光発電システム導入の補助金制度を背景に, 太陽光発電パネルを設置する住宅が急増している住宅に設置される一般的な太陽光発電システムは, 屋根ふき材の上に金属製のフレームを設置し, その上に太陽光発電パネルが取り付けられることから, 屋根ふき材上面とパネル下面の間には隙間があるそのため, パネルには上面だけでなく下面にも外部風による圧力が作用するので,