風荷重の計算方法

風とは、高気圧から低気圧への空気の流れを指し、その流れの方向は主に水平です。 ^{[1] X研究ソース}強風は建物の表面に圧力をかけるため、非常に破壊的です。この圧力の強さが風荷重です。風の影響は建物の大きさと形状によって異なります。より安全で風に強い建物を設計・建設したり、アンテナなどの物体を建物の上に設置したりするには、風荷重を計算することが必要です。

方法1方法1/3:

一般的な公式を使用した風荷重の計算

1一般的な式を理解します。風荷重の一般的な公式はF = A x P x Cdです。ここで、 Fは力または風荷重、 Aは作用を受ける物体の面積、 Pは風圧、 Cd は抗力係数です。 ^{[2] X研究ソース}この式は特定の物体にかかる風荷重を推定するのに便利ですが、新しい建物を計画するための建築基準法の要件を満たしていません。
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- 面積を計算する式は表面の形状によって異なります。平らな壁の面積を計算するには、面積 = 長さ x 高さという式を使用できます。円柱の面積を概算するには、面積 = 直径 x 高さという式を使用できます。
- SI単位系を使用して計算する場合、面積Aは平方メートル（m ² ）で表す必要があります。
- インペリアル単位を使用する場合、面積Aは平方フィート (ft ² ) で表す必要があります。
風圧を計算します。英国の単位（平方フィートあたりの重量ポンド）を使用すると、風圧 P の簡単な式は P = 0.00256V^{2} となり、ここでVは風速（マイル/時、mph）です。 ^{[4] X研究ソース}SI 単位 (N/m2) を使用する場合、式は P = 0.613V^{2} となり、 Vはメートル毎秒です。 ^{[5] X研究ソース}
- この式はアメリカ土木学会の仕様に基づいています。係数 0.00256 は、空気密度と重力加速度の標準的な値に基づいて計算されます。 ^{[6] X研究ソース}
- エンジニアは、周囲の地形や建物の種類などの要素を考慮した、より正確な計算式を使用します。 ASCE 仕様 7-05 で式を調べるか、以下の UBC 式を使用することができます。
- 風速がわからない場合は、米国電子工業会 (EIA) 規格またはその他の関連規格を調べて、お住まいの地域の最高風速を調べることができます。たとえば、米国の大部分は最大風速 86.6 mph のクラス A に該当しますが、沿岸地域は最大風速 100 mph のクラス B または最大風速 111.8 mph のクラス C に該当する場合があります。
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- 長い円筒管の標準抗力係数は 1.2 ですが、短い円筒管の標準抗力係数は 0.8 です。多くの建物にあるアンテナチューブに取り付けられます。
- 建物の表面などの平板の標準係数は 2.0 または 1.4 で、前者は長い平板、後者は短い平板の場合に使用されます。
- 抗力係数には単位がありません。
風荷重を計算します。上記で決定した値を使用して、式F = A x P x Cdを使用して風荷重を計算できます。
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- まず、力を受ける面積を推定します。この場合、A = dw = (3ft)(0.5in)(1ft/12in) = 0.125ft^{2}
- 風圧を計算します：P = 0.00256V^{2} = 0.00256(70^{2}) = 12.5 psf。
- 短円筒の抗力係数は0.8です。
- 式に代入すると、F = APCd = (0.125ft^{2})(12.5psf)(0.8) = 1.25 lbs となります。
- アンテナにかかる風荷重は 1.25 ポンドです。
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方法2方法2/3:

電子工業会の式を使用して風荷重を計算する

1アメリカ電子工業会が規定する計算式を理解します。風荷重の式はF = A x P x Cd x Kz x Ghです。ここで、 Aは荷重面積、 Pは風圧、 Cdは抗力係数、 Kzは露出係数、 Gh は突風応答係数です。この式では、風荷重を計算する際にいくつかの追加パラメータを考慮します。アンテナにかかる風荷重を計算するためによく使用されます。
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- A 、 P 、 Cdは一般式で使用されているものと同じです。
- Kzは露出係数であり、地面から物体の中心点までの高さを考慮して計算されます。単位はフィートです。
- Ghは突風応答係数であり、物体全体の高さを考慮して計算されます。単位は 1/フィートまたは ft ^-1です。
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- 平らな壁の場合は、風の力を受ける壁の長さと幅を測定し、面積 = 長さ x 幅という式を使用して、力を受ける面積を計算できます。
- チューブやシリンダーの場合は、長さと幅を使用しておおよその面積を計算することもできます。この場合、チューブまたはシリンダーの幅はその直径に基づきます。
風圧を計算します。風圧は、式P = 0.00256 x V ²を使用して計算できます。ここで、 Vは風速（キロメートル毎時 (mph)）です。風圧は平方フィートあたりの重量ポンド (psf) で測定されます。
- たとえば、風速が 70 mph の場合、風圧は 0.00256 x 70 ² = 12.5 psf になります。
- 特定の風速における風圧を計算する場合、さまざまな風域の基準を使用することもできます。たとえば、米国電子工業会 (EIA) によれば、米国の大部分は最大風速が 86.6 mph のクラス A に該当しますが、沿岸地域は最大風速が 100 mph または 111.8 mph のクラス B またはクラス C に該当する場合があります。
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- 長い円筒管の標準抗力係数は 1.2 で、短い円筒管の標準抗力係数は 0.8 です。多くの建物に設置されているアンテナ管に適しています。
- 建物の表面などの平板の標準係数は 2.0 または 1.4 で、前者は長い平板、後者は短い平板の場合に使用されます。
- 飛行機と円柱の抗力係数の差は約 0.6 です。
- 抗力係数には単位がありません。
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- たとえば、アンテナの長さが 3 フィートで、地面から 48 フィートの高さにある場合、 z は46.5 フィートになります。
- Kz = [z/33] ^(2/7) = [46.5/33] ^(2/7) = 1.1 フィート。
7 突風応答係数Ghを計算します。突風応答係数はGh = .65+.60/[(h/33) ^(1/7) ]として計算されます。ここでhは物体の高さです。
- 例えば、アンテナの長さが3フィートで、地上から48フィートの高さにある場合、 Gh = .65+.60/[(h/33) ^(1/7) ] = .65+.60/(51/33) ^(1/7) = 1.22 ft ^-1
風荷重を計算します。上記で得られた値を使用して、式F = A x P x Cd x Kz x Ghを使用して風荷重を計算できます。すべての変数を数式に代入して計算を実行します。
- たとえば、風速 70 mph のときに長さ 3 フィート、半径 0.5 インチのアンテナにかかる風荷重を計算するとします。高さ48フィートの建物の屋上に位置しています。
- まず、力を受ける面積を計算します。この場合、 A = lxw = 3 フィート x (0.5 インチ x (1 フィート/12 インチ)) = 0.125 フィート^{2 です}。
- 風圧を計算します: P = 0.00256 x V ² = 0.00256 x 70 ² = 12.5 psf。
- 短円筒の抗力係数は0.8です。
- 露出係数を計算します: Kz = [z/33] ^(2/7) = [46.5/33] ^(2/7) = 1.1 フィート。
- 突風応答係数を計算します: Gh = .65+.60/[(h/33) ^(1/7) ] = .65+.60/(51/33) ^(1/7) = 1.22 ft ^-1
- 式に代入すると、 F = A x P x Cd x Kz x Gh = 0.125 x 12.5 x 0.8 x 1.1 x 1.22 = 1.68 ポンドとなります。
- アンテナにかかる風荷重は 1.68 ポンドです。
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方法3方法3/3:

風荷重は、1997 年統一建築基準法 (UBC) の式を使用して計算されます。

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- 風圧（PSF）は、P = Ce x Cq x Qs x Iwとして計算されます。ここで、 Ceは高さ、露出、突風応答係数の組み合わせ、 Cqは圧力係数（前の 2 つの式の抗力係数に相当）、 Qsは風のよどみ圧力、 Iw は重要度係数です。これらの値は、適切な表を参照して計算または見つけることができます。
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- 平らな壁の場合は、風の力を受ける壁の長さと幅を測定し、面積 = 長さ x 幅という式を使用して、力を受ける面積を計算できます。
- チューブやシリンダーの場合は、長さと幅を使用しておおよその面積を計算することもできます。この場合、チューブまたはシリンダーの幅はその直径になります。
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- 「露出 B とは、建物、樹木、またはその他の不規則な覆いがあり、周囲の面積の少なくとも 20% を覆い、建物の場所から 1.6 キロメートル以上広がる地形です。」
- 「露出 C とは、建物の所在地から 0.8 km 以上広がっており、一般的に開けた平坦な地形を指します。」
- 「露出度Dは最も深刻で、基本風速が時速129km以上で、大きな水域に障害物なくアクセスできる平坦な地形です。」
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- 長い円筒管の標準抗力係数は 1.2 で、短い円筒管の標準抗力係数は 0.8 です。これらは、多くの建物にあるアンテナチューブに取り付けられます。
- 建物の表面などの平板の標準係数は 2.0 または 1.4 で、前者は長い平板、後者は短い平板の場合に使用されます。
- 飛行機と円柱の抗力係数の差は約 0.6 です。
- 抗力係数には単位がありません。
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- たとえば、風速が 70 mpg の場合、風のよどみ圧力は 0.00256 x 70 ² = 12.5 psf になります。
- 風域ごとに設定された標準値を使用することもできます。たとえば、米国電子工業会 (EIA) によれば、米国の大部分は最大風速が 86.6 mph のクラス A に該当しますが、沿岸地域は最大風速が 100 mph または 111.8 mph のクラス B またはクラス C に該当する場合があります。
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- 標準用途建物の重要度係数は1です。
風荷重を計算します。上記で決定した値を使用して、式F = A x P = A x Ce x Cq x Qs x Iwを使用して風荷重を計算できます。すべての変数を数式に代入して計算を実行します。
- たとえば、風速 70 mph のときに長さ 3 フィート、半径 0.5 インチのアンテナにかかる風荷重を計算するとします。それは、露出度 B 地形に分類される地域にある標準的な高さ 48 フィートの建物の上に設置されました。
- まず、力を受ける面積を計算します。この場合、 A = lxw = 3 フィート x (0.5 インチ x (1 フィート/12 インチ)) = 0.125 フィート^{2 です}。
- Ceを決定します。表 16-G の 48 フィートの高さと露出 B 地形を調べると、 Ce は0.84 であることがわかります。
- 短い円筒の抗力係数Cqは0.8です。
- Qsを計算します： Qs = 0.00256 x V ² = 0.00256 x 70 ² = 12.5 psf。
- 重要度要因を決定します。標準的な建物なので、 Iw は1 になります。
- 式に代入すると、 F = A x P = A x Ce x Cq x Qs x Iw = 0.125 x 0.84 x 0.8 x 12.5 x 1 = 1.05 ポンドとなります。
- アンテナにかかる風荷重は 1.05 ポンドです。
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