構造 計算 風 荷重
構造物にかかる風荷重は、風圧力（N/㎡）に受圧面積を掛けて
各層の風圧力の合計を出します。
風圧力のかけ方は、地震力と同じで、横から各階の床部分にかけます。
風圧力×受圧面積を床にかけます。
図の場合、3階部分の受圧面積が小さいので、荷重も小さくなります。
風荷重を式で書くと？
各階の風荷重を式で書くと下記のようになります。
3階の風荷重 ＝ 風圧力 × A3（㎡）
2階の風荷重 ＝ 風圧力 × A2（㎡）
1階の風荷重 ＝ 風圧力 × A1（㎡）
そもそも 風圧力とは？
前述した、風荷重 ＝ 風圧力 × 受圧面積（㎡）の風圧力というのは、
そもそもどうやって出すのでしょうか?
風圧力とは、風によって建築物が受ける圧力の事です。
ですから当然、風のスピードが関係しますし、風のスピードが早ければ風圧力は上がります。
同じスピードでも手前に障害物が有れば、風圧力は低くなります。
こうした事を勘案し、風の速度と障害物の有無などを係数にした速度圧（q )と
風が当たる建物の部位や形状などを係数かした、風力係数（Cf )を掛けて
風圧力を出します。
式で書くとこうなります。
風圧力 ＝ 速度圧（q )×風力係数（Cf )
この式を、風荷重との関係で見ると、こうなります。
速度圧（q )について
速度圧は、読んで字のごとく、風の速度の事です。
風の速度に影響を及ぼすものを勘案し求められる数値です。
具体的には、樹木など障害物の有無や、建築物の高さにによって、
速度圧（q )を軽減したり、割り増ししたりします。
速度圧を求める式はこうなります。
この式を解読しますと下記のようになります。
風圧力は空気の運動エネルギーによって生じます。
質量をm、速度v とすると…
そして、これを、前述している風荷重、風圧力、速度圧の関係で見ますと…
となります。
高さと周辺環境で決まるＥについて
速度圧の式で出てくるＥは、建築物の屋根高さと周辺地形の状況によって、
掲げる係数です。
そして、風速の高さ方向の分布を示す係数をEr
風の流れによる建築物への影響を表す下のがガスト影響係数（Gf )と言います。
Ｅは、この2つの係数を1つにしたものです。
逆に言いますと、ＥはＥｒとＧｆから求められる訳です。
式にすると、下記のようになります。
Erとは
Er は地表粗度区分と建物高さによって決まる係数です。
地表面粗度区分とは、風圧力計算を行う際のパラメーターの一つです。
（平成12年建設省告示1454号）
これは、その名の通り、地表面の粗さの度合いを区分けしたものです。
「地表面粗度区分」はⅠ～Ⅳの4段階に区分けされており、
簡単にいえば、粗度区分の数字が上がるにつれ、
風を遮るような障害物の多い地域という事です。
ざっくり言うと・・・
区分Ⅰ：海岸に近い場所，及び海上
区分Ⅱ：高さが数ｍから１０ｍ程度の障害物が散在している地域
区分Ⅲ：高さが数ｍから１０ｍ程度の障害物が密集している、
あるいは中層建築物（４～９階）が散在している地域
※ほとんどの地域はこれに該当すると思います。
区分Ⅳ：中層建築物（４～９階）が主となる地域
Erの大きさはⅠ＞Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅳとなります。
そして地表面粗度の条件によって変化するＺb , Ｚg , αという係数があります。
これは数学的に近似解析したら必要になった、単なる係数です。
ですから深く考えず、区分の違いによって変わる係数と認識しましょう。
速度圧の高さ方向分布係数
Zb、Zg：地表面粗度区分に応じた高さ［m］
α：地表面粗度区分に応じた係数
H：建築物の最高高さと軒の高さとの平均
H≦Zb Er=1.7(Zb/Zg)^α
H＞Zb Er=1.7(H/Zg)^α
| Zb | Zg | α | |
|---|---|---|---|
| Ⅰ | 5 | 250 | 0.1 |
| Ⅱ | 5 | 350 | 0.15 |
| Ⅲ | 5 | 450 | 0.2 |
| Ⅳ | 10 | 550 | 0.27 |
ガスト影響係数Gｆとは
ガスト影響係数のガストとは、『突風』つまり『ビル風』の事です。
時よりふく最大の風（突風）が、平均風速の何倍かを表した値の事です。
瞬間的にふく風を考慮に入れ風荷重を考えるための係数です。
| H≦10m | 10m＜H＜40m | 40m≦H | |
|---|---|---|---|
Ⅰ |
2.0 |
左右の直線補間数値 |
1.8 |
Ⅱ |
2.2 |
左右の直線補間数値 |
2.0 |
Ⅲ |
2.5 |
左右の直線補間数値 |
2.1 |
Ⅳ |
3.1 |
左右の直線補間数値 |
2.3 |
ガスト影響係数は一般に、建築物の高さと軒の高さとの平均に比例して大きくなります。
ですから平坦で障害物がない区域に比べ、高層建築物の多い区域の方が、
大きくなります。
Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅲ＜Ⅳとなります。
構造計算風荷重まとめ
以上の事から構造計算で風荷重を計算するときは、
風速、表面粗度区分、ガスト影響係数から速度圧を出し
その速度圧に風力係数を掛けて風圧力を出します。
出てきた風圧力に受圧面積を掛けて風荷重を算定していきます。