2016 Fiscal Year Annual Research Report
Development of a downburst simulator and its application to wind resistant design of buildings
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15H04071
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
植松 康 東北大学, 工学研究科, 教授 (60151833)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
奥田 泰雄 国立研究開発法人建築研究所, 構造研究グループ, グループ長 (70201994)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ダウンバースト / 非定常 / 最大瞬間風速分布 / 風荷重 / シミュレーター / 数値流体計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成27年度に送風機を一定速度(最大2m/s)で移動できるよう既存のダウンバーストシミュレーター(自作)を改良したが、平成28年度には、移動しながら指定された場所で瞬発的噴流を発生させることができるよう、さらに改良を加えた。これによって、静止した状態で瞬発的噴流を発生させる「噴流ダウンバースト」、定常的な噴流が一定速度で移動する「移動ダウンバースト」、送風機が一定速度で移動しながら瞬発的な噴流を発生させる「移動・噴流ダウンバースト」といった3種類の特性を有するダウンバーストを再現することが可能となった。なお、幾何学的縮尺率は約1/2000である。
平成28年度においては、まず、上記3種類のダウンバーストによる風速場(特に最大瞬間風速に着目)の測定を熱線風速計を用いて行った。「噴流ダウンバースト」の場合、地表付近で大きな最大瞬間風速が発生し、上空へいくと急激に風速が低下するのに対して、移動を伴う場合には、地上付近の最大瞬間風速の大きさは「噴流ダウンバースト」と同程度あるいはいくらか小さいが、高さ方向変化が緩やかになる。これは、一般的な境界層乱流に比べて、「噴流ダウンバースト」の場合には低層建築物の風荷重が大きくなるが、移動を伴う場合には、高層建築物の風荷重が大きくなることを示唆している。
平成28年度には、40m(幅)×40m(奥行)×20m(高さ)の大きさを有する陸屋根建築物を対象とし、3種類のダウンバーストにより生じる風圧分布の測定を行った。また、その結果に基づき、全体風力係数(抗力・横力・揚力係数)を計算した。風圧係数、風力係数いずれも屋根高さにおける最大瞬間風速に基づく速度圧で定義されている。いずれのダウンバーストにおいても、境界層乱流による値に比べて風力係数は大きくなること、また、最大・最小ピーク風圧係数分布が大きく異なること、などが示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2年をかけて、既存のダウンバーストシミュレーター(過去の科研費(挑戦的萌芽研究)にて試作したもの)の改良を行い、「噴流ダウンバースト」、「移動ダウンバースト」、「移動。噴流ダウンバースト」を再現するシミュレータを完成させることができた。これは当初の予定通りである。これによって、「瞬発的な噴流」と「移動」によって生じるダウンバースト特有の非定常性が風速場や建物に作用する風圧分布・風力に及ぼす影響を検討することが可能となった。
本装置を用いることによって、ダウンバーストによる最大瞬間風速の分布や建物に作用する風圧分布・風力を測定することができ、ダウンバーストによる風圧・風力の特性を明らかにし、設計用風荷重を提案することが可能となった。また、現在開発中の数値シミュレーションモデルの妥当性検証用データとしても有効に活用できる。
数値シミュレーションについては、OpenFOAMを利用して上記実験を再現できるようなシミュレーションモデルを開発中である。「噴流ダウンバースト」については、概ね実験結果を再現できるようになった。「移動ダウンバースト」および「移動・噴流ダウンバースト」についても、定性的には実験結果に一致する結果が得られている。境界条件などに改良の余地はあるが、今後、詳細な実験結果との比較により、モデル化を精緻化することは可能であると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度に、ダウンバーストシミュレーターを完成させることができた。また、この装置を用いて幅：奥行：高さ=1:1:0.5の建物模型に作用する風圧分布を測定し、ダウンバーストによる風荷重を検討する上での貴重なデータを得ることができた。
平成29年度には、建物のアスペクト比や規模、屋根勾配の異なる模型を用いて風圧測定を行い、建物に作用する風圧・風力特性に及ぼす様々なパラメータの影響を明らかにする。また、境界層乱流中でも同様の測定も行い、違いを明確にする。
数値シミュレーションについては、詳細な実験結果との比較に基づき、モデルの改良を行う。「移動ダウンバースト」および「移動・噴流ダウンバースト」についても、実験結果を再現できるモデルを完成させる。さらに、ダウンバーストは積乱雲からの冷気の吹き出しが特徴であることを考慮し、気温変化も考慮できるシミュレーションモデルを改良し、下降流の気温が風速分布や風圧分布に及ぼす影響を明らかにする。
以上の実験並びに数値シミュレーションの結果に基づき、ダウンバーストによる風荷重の評価方法を提案する。
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