鋼構造屋根システム: 設計、荷重、被覆材

一次構造フレーム構成

屋根システムは、主フレーム、通常は熱間圧延された幅広フランジ部分またはテーパー付き組立桁から始まります。 3 つの主要な類型はそれぞれ、屋根の外壁に異なる制約を課します。直線またはセグメント化された柱と垂木を備えた剛性フレームにより、最大までの明確なスパンが提供されます。 内部柱なしで 150 フィート 、倉庫や航空機格納庫の標準となっています。垂木の傾斜は排水要件と鋼材のトン数のバランスをとる必要があります。貫通固定された台形パネルの場合は 0.25:12 の勾配が絶対最小値ですが、スタンディングシームシステムでは液溜まりを防ぐために 0.5:12 が推奨されます。

オープンウェブ根太や城郭状の梁を使用したトラスフレームの屋根は、機械的なダクトやスプリンクラー ラインがウェブの開口部を通過できるようにし、建物全体の高さを低くします。 18～30インチ ソリッドウェブビームと比較して。その代償として、製造コストが増加し、パネル ポイントでの接続の詳細がより複雑になります。 200 フィートを超える長スパン用途の場合、管状中空構造セクション (HSS) で構築されたスペース フレームは、3 次元の節点と部材のネットワークを通じて荷重を分散しますが、交差角度が可変であるため、すべての弦節点で特注で製造された被覆材取り付けクリップが必要になります。

二次部材と母屋エンジニアリング

冷間成形された鋼製母屋、通常は深さ 8 ～ 12 インチの Z セクションまたは C セクションで、主フレーム間に次の間隔で架けられます。 4～6フィート 。 Z 母屋は、非対称の形状によりサポートでの重なりが可能になり、たわみを最大で 1 まで減らす連続的なビーム動作を生み出すため、一般に好まれます。 単純にサポートされているセクションと比較して 40% 。母屋の間隔は任意ではありません。これは、指定された風上げ圧力の下での被覆材プロファイルの許容スパンによって決まります。 24 ゲージの露出ファスナー パネルでは中心の 4 フィートの母屋が必要になる場合がありますが、より重い 22 ゲージの構造立縫いパネルは 5 フィートまたは 6 フィートまで伸ばすことができ、ベイごとに 1 本の母屋ラインが不要になります。

屋根の傾斜に対する母屋の向きにより、二軸の曲げ成分が導入されます。米国鉄鋼協会 (AISI S100) では、ルーフ ダイアフラムの偏心取り付けによるねじれと組み合わせた強軸と弱軸の両方の曲げをチェックすることが求められています。サグロッドまたはサグアングルは、母屋ウェブの中間スパンまたは 3 番目の点に垂直に取り付けられ、横方向のねじれ座屈に対して圧縮フランジを支え、屋根重量の重力成分を主フレームに伝達します。

クラッドプロファイルの選択と取り付け方法

鋼製の屋根被覆材は耐候性を備え、ダイヤフラムの外皮は横方向の荷重に耐えます。貫通縫い目パネルと直立縫い目パネルのどちらを選択するかによって、システムの防水性の寿命が決まります。

貫通固定システムは、パネルのクラウンに対して圧縮するネオプレンのワッシャー付きネジに依存しています。ワッシャーは紫外線や熱サイクルによって劣化し、耐用年数は 交換が必要になるまで 15 ～ 20 年 。コイルストックから現場で形成されるか、工場で形成されたパンとして納品されるスタンディングシームパネルは、クリップをカプセル化する 360 度のロックで機械的に縫い合わされます。クリップベースは母屋にしっかりとネジ止めされていますが、スライドタブによりパネルは独立して伸縮できます。軒の長さが 200 フィートを超える建物の場合、固定点エンジニアリングが不可欠になります。屋根は単一の尾根または軒のラインで固定され、他のすべてのクリップはスライド式で、貫通部に詳細な伸縮ジョイントが付いています。

ルーフダイアフラムの作用と横方向の荷重経路

鋼製屋根デッキは水平ダイヤフラムとして機能し、風力と地震力を端壁と中間フレームから垂直ブレースベイに伝達します。ダイヤフラムの容量は、パネルのプロファイルの深さ、鋼材の厚さ、およびファスナーのパターンの関数です。 22 ゲージの深さ 1.5 インチのタイプ B ワイドリブデッキ。ヒルティ X-HSN 24 粉体作動式ファスナーまたは #12-24 セルフドリルネジで取り付けられています。 パネル端の中心で 6 インチ、中間サポートの中心で 12 インチ 、Steel Deck Institute のダイヤフラム設計表に応じて、リニア フィートあたり約 300 ～ 500 ポンドの許容せん断容量を提供します。

エッジ条件が容量を支配します。荷重方向に平行な周囲フレームには、境界弦力を発生させるためにすべてのリブに構造ファスナーが必要です。軒の支柱にある留め具が欠落しているか、締めつけが不十分であると、ダイアフラムの剛性が局所的に低下し、荷重が隣接する接続部に移動します。これは、プレエンジニアリングされた金属製建物のハリケーン被害後の調査で記録されている連鎖的な破損モードです。

熱性能と結露の制御

鉄は熱をよく伝えます ミネラルウール断熱材の 400 倍の速度 、母屋とクリップに熱ブリッジが形成され、主な熱損失経路になります。 R-30 グラスファイバーブランケット断熱材を母屋に掛けた鋼製屋根の有効 R 値はわずか R-11 ～ R-14 ASHRAE 90.1 付録 A の計算方法に従って、熱ショートが考慮される場合。解決策は、熱スペーサー ブロックであり、通常は母屋フランジと被覆材の間に取り付けられる 1.5 インチの硬質ポリイソシアヌレート ストリップと、構造ラインごとに厚さゼロに圧縮されるのではなく、母屋上部に完全なロフトを実現する高密度ブランケット断熱材を組み合わせたものです。

結露の危険性は、アセンブリ内の露点交差点でピークに達します。寒冷地における通気のない鋼製屋根には、室内の暖かい側に継続的な空気バリアと防湿材が必要です。建築科学コンサルタントは通常、次のことを指定します。 10ミルポリエチレンシート または、母屋の下にスマート防湿膜を設置し、すべての周と貫通部を密閉して、室内の湿った空気が鋼製デッキの冷たい下面に到達するのを防ぎます。このバリアがないと、断熱空洞内に霜が蓄積し、熱サイクル中に溶けて天井タイルに滴り、屋根の雨漏りと間違われることがよくあります。

腐食防止と材料の適合性

使用環境によって、基材とコーティングの仕様が決まります。亜鉛メッキ G90 鋼 (1 平方フィートあたり 0.90 オンスの亜鉛) は、内陸の非工業用途には十分な保護を提供しますが、沿岸または重工業の暴露が必要な場合には十分な保護を提供します。 AZ55 アルミニウム - 亜鉛合金コーティング鋼 (ガルバリウム) またはステンレス鋼のファスナー 。ガルバリウムは、アルミニウムを豊富に含むマトリックスがせん断エッジで露出した鋼材を犠牲的に保護するため、亜鉛メッキコーティングの約 2 ～ 4 倍のカットエッジ保護を提供します。

ガルバニック腐食は、予防可能な故障メカニズムです。銅製の雨樋、鉛の雨樋、または銅系防腐剤を使用して加圧処理された木材が鋼製屋根に接触すると、電解槽が形成されます。より貴金属ではない亜鉛またはアルミニウムのコーティングが優先的に腐食します。 EPDM 膜または高密度ポリエチレン合紙の分離層は、異種金属を隔離する必要があります。ファスナーさえも影響を受けないわけではありません。ステンレス鋼パネルの炭素鋼ネジは、パネルが無傷でも数か月以内に錆びます。ファスナーの仕様は、パネルの耐食性と同等以上である必要があります。

建設中のテストと試運転

屋根システムの完全性は、一連のホールドポイント検査を通じて検証されます。外装材を取り付ける前に、母屋の位置がストリングラインまたはレーザーでチェックされます。を超える偏差 20フィートで±1/4インチ 完成したパネルを通して目に見えるうねりとして伝えられます。被覆材を固定した後、トリムを適用する前に、水スプレーラックテストをシミュレートします。 1時間あたり6インチの降雨量 屋根エリア全体にわたって、乾燥状態では見えない継ぎ目の隙間やファスナーのバイパス漏れを特定します。

ダイアフラムのせん断耐力は、非破壊剛性試験を使用して現場で検証できます。油圧ラムで軒に横荷重を加え、ダイヤルゲージで面内のたわみを測定します。測定された柔軟性を設計剛性と比較することで、建物が設計風イベントにさらされる前に、留め具パターンのギャップや母屋と垂木の接続部分での支持力が不十分であることが特定されます。

メンテナンストリガーとサービス終了インジケーター

鋼製屋根システムでは、目に見える劣化に関連付けられた文書化された検査スケジュールが必要です。次のチェックリストは、定期メンテナンスから資本交換への移行ポイントを特定します。

• ファスナーのガスケットに周方向の亀裂または 0.020 インチより深い圧縮永久歪みが見られる。
• 目に見える分離ギャップが 1/16 インチを超える直立した継ぎ目は、クリップの疲労または熱によるラチェットを示しています。
• 降雨後 48 時間以上屋根表面に溜まった水が残っており、不適切な傾斜または構造的なたわみを示しています。
• パネル総表面積の 3% を超えるコーティングの膨れまたは赤錆汚れが発生し、再コーティングまたはパネル交換の分析が開始されます。
• 母屋ウェブの座屈または接続ボルトの伸びが下側から見えるため、直ちに構造支保工を評価する必要があります。