風工学

住宅周辺の風速コンターの流れの可視化

風力工学は、建物の空力効果をカバーします

ハリケーン・マリアによる風力タービンの損傷

風力工学は、機械工学、構造工学、気象学、応用物理学の一部であり、自然環境と人工環境における風の影響を分析し、風によって生じる可能性のある損害、不便、または利益を研究します。工学分野では、不快感を引き起こす可能性のある強風だ​​けでなく、竜巻、ハリケーン、激しい嵐などの広範囲にわたる破壊を引き起こす可能性のある極端な風も含まれます。風力エネルギーと大気汚染の分野では、発電と汚染物質の拡散に関連する弱風と中風も含まれます

風工学は、気象学、流体力学、力学、地理情報システム、そして空気力学や構造力学を含む多くの専門工学分野を活用しています。^[1]使用されるツールには、大気モデル、大気境界層風洞、数値流体力学モデルなどがあります。

風工学には、とりわけ以下のトピックが含まれます。

• 構造物（建物、橋、塔）への風の影響
• 建物付近の風の快適性
• 建物内の換気システムへの風の影響
• 風力エネルギーの風況
• 建物付近の大気汚染

構造エンジニアは、風工学を地震工学や防爆と密接に関連していると考えることがあります。

キャンドルスティック・パークやアーサー・アッシュ・スタジアムなどのスポーツスタジアムは、強い、時には渦巻く風で知られており、競技条件に影響を与えます。

歴史

風工学が独立した学問分野として始まったのは、1960年代の英国で、当時は国立物理学研究所、建築研究所などで非公式の会議が開催されていました。「風工学」という用語は1970年に初めて造られました。^[2] アラン・ガーネット・ダベンポートは、風工学の発展に最も大きく貢献した人物の一人です。^[3]彼は、構造物に計算された最終的な荷重にさまざまな要素がどのように寄与するかを説明する、アラン・ダベンポート風荷重連鎖、または略して「風荷重連鎖」を開発したことでよく知られています。^[4]

建物への風荷重

ボストン、ワン・ポストオフィス・スクエアの風洞模型

建物の​​設計では風荷重を考慮する必要があり、これらは風せん断の影響を受けます。工学的な目的では、べき乗法則の風速プロファイルは次のように定義できます。^{[5] [6]}

${\displaystyle \v_{z}=v_{g}\cdot \left({\frac {z}{z_{g}}}\right)^{\frac {1}{\alpha}},0<z<z_{g}}$

ここで、

${\displaystyle \v_{z}}$ = 高さにおける風速${\displaystyle \z}$

${\displaystyle \v_{g}}$ = 勾配高さにおける勾配風${\displaystyle \z_{g}}$

${\displaystyle \alpha}$ = 指数係数

一般的に、建物は50年以上など、非常に長い再現期間の強風に耐えられるように設計されています。設計風速は、将来の極端風速を予測するために極値理論を用いて過去の記録から決定されます。風速は通常、いくつかの地域の設計基準に基づいて計算されます。建物の風荷重に関する設計基準には、以下が含まれます。

• オーストラリア：AS 1170.2
• ヨーロッパ：EN 1991-1-4
• カナダ：NBC

風の快適性

英国リーズのブリッジウォーター・プレイス超高層ビルで、風の危険性を軽減するために設置されている防風板

アメリスター・チャーターズ9363便に損害を与えた格納庫の風下側の気流のコンピューターシミュレーション

高層タワーブロックの出現により、これらの建物が周辺の歩行者に与える風の迷惑に関する懸念が生じました。

1971年から、次のようなさまざまな歩行者の活動に基づいて、風の快適性と風の危険性に関する多くの基準が開発されました。^[7]

• 長時間の着席
• 短時間の座位
• 散歩
• 速足で歩く

その他の基準では、風環境は完全に許容できない、または危険であると分類されました。

1つまたは2つの長方形の建物で構成される建物の形状には、いくつかのよく知られた効果があります。^{[8] [9]}

• 建物の角の周りのコーナーストリーム（コーナージェットとも呼ばれる）
• 建物を通る通路、または2つの建物間の小さな隙間における圧力の短絡による貫通流（パッセージジェットとも呼ばれる）
• 建物の​​後流における渦放出

より複雑な形状の場合、歩行者の風の快適性に関する研究が必要です。境界層風洞で適切なスケールのモデルを使用することも、最近では数値流体力学 技術の使用が増加しています。^[10]特定の超過確率に対する歩行者レベルの風速は、地域の風速統計を可能にするために計算されます。^[11]

これらの研究で使用される垂直風プロファイルは、建物周辺の地形（風向によって異なる場合があります）によって異なり、多くの場合、次のようなカテゴリに分類されます。^[12]

• 障害物がほとんどまたは全くなく、使用可能な風速の水面がある露出した開けた地形
• 高さが一般的に1.5～10mの、障害物がほとんどなく、よく散在している水面、開けた地形、草地
• 郊外の住宅地など、高さ3～5mの障害物が多数密集している地形
• 大都市の中心部や発達した工業団地など、高さ10～30mの大きな障害物が多数密集している地形

風力タービン

風力タービンは風せん断の影響を受けます。垂直方向の風速プロファイルは、地表に最も近いブレードとブレード移動の頂点における風速に差をもたらし、これがタービンの運転に影響を与えます。^[13] 2枚羽根のタービンでは、ブレードが垂直の場合、風の勾配によってシャフトに大きな曲げモーメントが生じる可能性があります。^[14]水上での風の勾配が小さいため、浅瀬ではより短く安価な風力タービンタワーを使用できます。^[15]

風力タービン工学では、高度による風速の変化は、しばしばべき乗法則を用いて近似されます。^[13]

${\displaystyle \v_{w}(h)=v_{ref}\cdot \left({\frac {h}{h_{ref}}}\right)^{a}}$

ここで、

${\displaystyle \v_{w}(h)}$ ＝高度における風速[m/s]${\displaystyle h}$

${\displaystyle \v_{ref}}$ ＝ある基準高度における風速[m/s]${\displaystyle h_{ref}}$

${\displaystyle \a}$ ＝ヘルマン指数（別名：べき乗法則指数またはせん断指数）（中性流では約1/7ですが、1を超える場合もあります）

意義

風工学の知識は、あらゆる高層ビル、吊橋、斜張橋、送電塔、通信塔、その他あらゆる種類の塔や煙突の解析と設計に活用されています。多くの高層ビルの解析において、風荷重は支配的な荷重であるため、風工学はそれらの解析と設計に不可欠です。また、風荷重はすべての長スパンケーブル橋の解析と設計において支配的な荷重です。

参照

• ハリケーン工学
• ジョン・トワイデル
• 振動制御
• 風洞試験
• 世界風力エネルギー協会
• 減衰
• アラン・G・ダベンポート

参考文献

1. Hewitt, Sam; Margetts, Lee; Revell, Alistair (2017-04-18). 「デジタル風力発電所の構築」.工学計算手法アーカイブ. 25 (4): 879– 899. doi :10.1007/s11831-017-9222-7. ISSN  1134-3060. PMC 6209038.  PMID 30443152  .
2. Cochran, Leighton; Derickson, Russ (2011年4月). 「物理モデラーから見た計算風工学」. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics . 99 (4): 139– 153. Bibcode :2011JWEIA..99..139C. doi :10.1016/j.jweia.2011.01.015.
3. Solari, Giovanni (2019).風の科学と工学：起源、発展、基礎、そして進歩. Springer Tracts in Civil Engineering. Cham: Springer International Publishing. doi :10.1007/978-3-030-18815-3. ISBN 978-3-030-18814-6。
4. イシュモフ、ニコラス（2012年5月）「アラン・G・ダベンポートの風工学への足跡」『Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics』、104～ 106巻、12～ 24頁。書誌コード：2012JWEIA.104…12I。doi ： 10.1016/j.jweia.2012.02.007。
5. クローリー、スタンリー（1993年）『Steel Buildings』ニューヨーク：ワイリー、272ページ。ISBN 978-0-471-84298-9.
6. グプタ、アジャヤ・クマール、ピーター・ジェームズ・モス（1993年）『横力を受ける低層建築物の設計ガイドライン』、ボカラトン：CRCプレス、49頁。ISBN 978-0-8493-8969-6.
7. 建物周辺の歩行者の風の快適性：風の快適性基準の比較。表3
8. 風の快適性基準の比較。図6
9. ^歩行者への風の影響。図3
10. 建物周辺の歩行者の風環境へのCFD実用化のための日本建築学会ガイドライン
11. 建物周辺の歩行者の風環境。p112
12. AS/NZS 1170.2:2011 構造設計作用 パート2 – 風の作用。セクション4.2
13. Heier, Siegfried (2005).風力エネルギー変換システムのグリッド統合。チチェスター：John Wiley & Sons。p. 45. ISBN 978-0-470-86899-7.
14. ハリソン、ロバート（2001年）『大型風力タービン』、チチェスター：ジョン・ワイリー・アンド・サンズ、30ページ。ISBN   978-0-471-49456-0.
15. ルボスニー、ズビグニエフ（2003年）『電力システムにおける風力タービンの運用：高度なモデリング』、ベルリン：シュプリンガー、17ページ。ISBN   978-3-540-40340-1.

参考文献

• Blocken, Bert (2014). 「計算風工学の50年：過去、現在、そして未来」 . Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics . 129 : 69–102 . Bibcode :2014JWEIA.129…69B. doi :10.1016/j.jweia.2014.03.008.
• Baker, CJ (2007). 「風工学：過去、現在、そして未来」 . Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics . 95 ( 9–11 ): 843–870 . Bibcode :2007JWEIA..95..843B. doi :10.1016/j.jweia.2007.01.011.

外部リンク

• 「高層ビルが風を鎮める方法」。B1M 。 2018年9月12日。2021年12月15日にオリジナルからアーカイブ – YouTube経由。