2014 Fiscal Year Research-status Report

形態制御による風力低減効果を利用した高耐風性園芸用鉄骨ハウスの開発

Research Project

Project/Area Number	26630252
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	植松康東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60151833)
Project Period (FY)	2014-04-01 – 2016-03-31
Keywords	園芸用鉄骨ハウス / 風荷重低減 / 翼型断面 / 最適断面 / 内圧制御 / 風洞実験 / 数値流体計算
Outline of Annual Research Achievements	本研究では，スパンが大きく，作業性に優れた園芸(農業)用鉄骨ハウスの実現をめざし，風荷重がもつ以下の２つの特徴を巧みに利用することで,従来とは異なる耐風性に優れた新しい鉄骨ハウスを提案することを目的としている。 (1)構造物の風荷重が形状に大きく依存することより，断面形を従来の円弧型や切妻型ではなく，「翼型」とすることで抗力を大幅に低減することができると考えられる。 (2)ハウスの側壁を二重膜とした上で，一部を意図的に開放し，ハウス内部に緩やかな流れを導入て内圧を制御し，「等圧効果」を利用することで，ハウス全体ならびに被覆材に作用する風力を低減することができると考えられる。 (1)については，数値流体計算(CFD)を利用し，断面形状を決定する5つのパラメータを系統的に変化させて抗力係数CDと揚力係数CLを計算した。なお，スパンは20m，頂部高さは5.7mに固定した。一連のシミュレーションにより，各パラメータがCD，CLに及ぼす効果を明らかにした。その結果に基づき，内部での作業性を考慮した上で，CDが最小となる断面形状を決定した。次に，決定した最適断面を有する鉄骨ハウス模型(縮尺率1/200)を用い，乱流境界層内での風圧分布を測定し，CFDの結果との比較を行った。その結果，CFDの結果の妥当性を確認した。(2)については，上で決定した断面形状に対し，想定する開口位置での外圧を風洞実験により多点同時測定した。また，側面開口の位置と面積(開口率)が与えられたとき，多点外圧データを用いて内圧変動をシミュレーションする計算モデルとプログラムを作成した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 平成26年度は，翼型断面による風力低減効果を，数値流体計算を用いた系統的なシミュレーションによって定量的に明らかにし，その結果に基づいて最適な断面形状を決定することを目的とした。断面形状を決定づける5つのパラメータを広範囲に変化させ，各パラメータが風力係数に及ぼす影響を明らかにした上で，抗力係数低減効果という観点から最適な断面を決定した。その断面形状を有するハウスの縮尺模型を用いた風洞実験を行い，数値流体計算結果と風洞実験結果がよく整合していることを確認した。当初の計画では，系統的なシミュレーションの中からいくつかの断面形状を選び出し，LESを用いた数値流体計算を行う予定であったが，RANSモデルを用いた3次元シミュレーション結果と風洞実験結果が概ね整合していることを確認したので，LESを用いたシミュレーションは省略した。風洞実験による最適断面の検証は，当初平成27年度に実施する予定であったが，LESを用いた数値流体計算を省略した代わりに，風洞実験を前倒しし，平成26年度に実施した。また，想定した開口位置での外圧の多点同時測定も実施し，内圧の数値シミュレーションも実施し，開口を利用した内圧制御による荷重低減効果の検討(平成27年度に実施)の準備を行った。このように，当初計画を一部変更したが，翌年度実施する予定の課題を一部前倒しして実施したので，全体的には概ね順調に進展している。
Strategy for Future Research Activity	平成27年度においては，風力低減効果に及ぼす側面開口の効果について，系統的な数値シミュレーションを実施し，その結果に基づき最適な開口条件を見出す。平成26年度において，既に風洞実験と内圧シミュレーション用プログラムの作成は完了しているので，系統的な内圧のシミュレーションは容易である。具体的な検討項目と手順は以下の通りである。まず，各フレームについて，外圧による荷重効果(ここでは，フレーム肩部の曲げモーメントに着目する)を風向ごとに計算し，最大荷重効果を与える条件(フレーム位置と風向)を明らかにする。次に，最大荷重効果を与える風向に対し，側面開口の位置と面積(開口率)を様々に変化させて内圧をシミュレーションし，風洞実験で得られた外圧と内圧のシミュレーション結果を組み合わせて風力を計算する。そうして得られた風力の時刻歴を用いてフレームの荷重効果を計算する。その結果に基づき，開口の位置や面積(開口率)が内圧並びに荷重効果に及ぼす影響を把握し，「荷重効果の低減」という観点から最も効果的な組み合わせを見出す。最後に，以上お検討結果に基づき得られた開口条件を実現するためのディテールを検討する。また，様々に設定された設計風速に対し，具体的な骨組設計を行う。