特集

ステンレスシート防水・熱伸縮考
長〜いステンレス屋根は熱伸縮で問題ないのでしょうか??
ステンレス防水研究会メンバー

住友金属建材（株）

大八木 亮太郎

ステンレスシート防水工法が採用され始めたのは、昭和55年（1980）頃なので、ほぼ20数年の実績を積んできたことになります。とくに大型で三次元形状ともなるとステンレスシート防水の出番となります。大きな屋根では、材料も数十mを超えることがあり、連続した一本の材料で葺くケースも出てきます。しかしながら設計に際しては、「熱伸縮で問題を起こさないですか？」という質問をよく受けます。要するに創業以来熱伸縮問題は課題のままでした。何となく熱伸縮挙動に懸念を抱きながら20数年過ごしてきたのが実態のようです。この間、長くても問題が起こらなかったケースや長くはないのに問題が起こってしまったケースなどいくつか経験してきました。

8888888888888888888888888888888888888888888888888888「シートの最大長さはオーステナイト系ステンレスシ1．屋根長さの制約

ートで35m、フェライト系ステンレスシートで60m、チ現在、金属屋根の長さに関する制約はどのようになっタンシートで72mとする」ているのでしょうか？いくつか調べて見ました。となっています。
また、今年2004年に改定された、JASS12（1）日本建築学会

断熱勾配屋根防水（設計・施工）

技術指針・同解説

では、 目標性能

1993制定2節

この中の解説（p.155）の中で、と固定吊子屋根工事の目標性能

2.3.k.

・防水層の熱伸縮吸収機構の項ではスライド吊子屋根工事が新たに規定され、耐熱伸縮性能（p.8）（1）適用範囲に分けて、それぞれ下記のように書金属板葺、折板葺、銅板葺のうち、長尺屋根いてあります。に適用する．

スライド吊子：ステンレスシート成形材1本の最大流れ方向の長さ 30m
固定吊子：

〃

（2）目標性能の要件とレベル

25m

熱による膨張収縮の繰り返しなどに際して、固定吊子の方が、長さを小さくしている理由として不具合が発生しないこと．

「固定吊子はスライド吊子に比較して拘束力は大きいが動10節ける量が小さいためステンレスシート成形材1本の最大流れ方向の長さは25mまでに制約しておりそれ以上はスライド吊子を併用している」

金属板葺

10.2 e．対熱伸縮性能（p.163）で、「ただし、「2.3.k（2）」で対象とする熱膨張、収縮の繰り返しにより生ずる不具合は、葺材の防水上有害な変形とする。」と盛り込んでいます。

（2）日本建築学会
JASS8

防水工事

建築工事標準仕様書・同解説
2000改定2節

ステンレスシート防水工事

2.6

施工管理

a．（2）（平面図）（3）鋼板製屋根構法標準解説（p.290）

第Ⅱ編②防水層用材料の折板屋根の設計に「最大流れ寸法割付けの中でSSR 92

亜鉛鉄板会（p.18）

第一章

対象iii.（C）

折板屋根の最大流れ寸法は、水勾配、及び温度伸縮によってきまるものである。これま−2−

博之（東京工業大学）での実績では100m以上とした例があるが、通常の場合は50m程度以下としておくのが無難であると思われる。
防水性の観点からは流れ寸法を100m以上とすることは課題の一つである熱伸縮問題についてもデータを持ち寄り検討を行いました。

十分可能であるが、その場合温度伸縮の影響がきわめその成果を「ステンレスシート防水工法の熱挙動に関て大きくなり、これによる支障を生じないようにするする一考察」として建築学会2004年度大会へ報告しましには豊富な設計経験が必要である。温度伸縮が折板屋た。

根に与える障害には、流れ方向の折板の伸縮による水上及び水下部分の固定ボルトあるいはタイトフレーム

結論から言いますと「屋根が温度変化によって伸び縮みする量は、屋根の長さには比例しない」の破壊がある。流れ寸法が大きい場合は、これらの部ということです。

分の設計を入念に行うことが必要である。
」

以下、できるだけわかり易く解説してみたいと思います。となっています。

図−1

しかしながら、瓦棒ぶき、立平ぶきでは、長さにつ施工時の状態説明図いて何ら書かれていません。
なお、亜鉛鉄板会は、鉄鋼連盟に吸収合併しています。
（4）金属屋根の施工と管理
屋根協会−専門編−（社）日本金属

では、1.4 折板（p.117）に、「・・・折板の長さについても100m以上の実績もあるが、温度差による伸縮の影響等

ステンレスシート防水屋根も他の金属屋根と同様、下を考慮して50m以下とするのが無難である。・・・・」

地に固定した吊子により面材（屋根材）を支持するかたとしています。

ちになっています。吊子は風圧のように垂直方向（Z方瓦棒ぶき、立平ぶきについて記述がないのは、前述の鋼板製屋根構法標準SSR 92 と同様です。

向）の荷重を支えるのはもちろん、流れ方向（X方向）の荷重も支えます。この図では、のように表現して以上の様に熱伸縮（温度伸縮）に関する、規定や説います。下地はS造を想定しています。野地板を介して明はじつに曖昧です。実際には、ステンレスシート防母屋のCチャン（リップ溝形鋼）に吊子が固定されます。

水屋根でも100mを超える屋根が施工されています。

Cチャンの下には、H型鋼などの梁がありますが、ここでは省略しています。下地がコンクリートの場合は、コンクリート用ファスナー（例：オールアンカーなど）で、2．最近の考え方吊子を固定することになります。

さて話は変わりますが、昨年の11月から「ステンレス面材の熱伸縮が問題となるのは、あくまでも面材と下防水研究会」を始めました。ステンレス防水工法を行っ地との間に相対的な変位が生ずるからです。図−1は、ている主な会社のメンバーが集まり、 課題を整理し、対施工時のイメージで、面材と下地の位置関係が揃ってい策を検討し、良い仕事に繋がる仕様を確立しようる状態です。

というものです。権威の先生方にも加わっていただき、ご指導を仰いでおります。

例えば、冬の寒い日に施工した面材が、夏場に至り流れ方向に伸びたとします。下地もある程度伸びます。相「ステンレス防水研究会」

対的な変位が生じたことになります。図−2は、この状態

主査：田中 享二（東京工業大学教授・工博）

副主査：飛田 春雄（明治大学兼任講師・工博）

をイメージした図です。吊子も変形しているので、な形で表しています。端に行くほど変形が大きいこ

メンバー：井上 勝彦（日建板）、井上 雅司（日本冶とも表現してみました。

金工業）、大八木 亮太郎（住友金属建材）、柿島 孝

さて、相対変位が生ずれば、それに応じた力が働きま男（三晃金属工業）、武内 隆（淀川製鋼所）、宮内す。面材には、伸びたいところを吊子によって中央に引−3−

計算式をたてるために、各種の記号を下記のように決っ張られるため圧縮力が働き、吊子には、それを各位置めます。

で支えるための力が働き、ある位置で釣り合うことになります。

面材の温度変化：ΔTm（℃）
図−2

温度変化により熱伸び後の状態説明図

面材の熱膨張係数：ηm（℃-1）
下地構造の温度変化：ΔTb（℃）
下地の熱膨張係数：ηb（℃-1）
施工時の下地、面材の母屋ピッチ
および吊り子ピッチ：Lo（mm）
面材の剛性（力に有効な断面積あたり）：G（N）
吊り子のばね定数：K（N/mm）

さて、ここから面材に働く力と吊子位置の関係を求めて行きます。少しややこしくなるかも知れませんが、ご勘弁下さい。

変位後の面材側の吊子固定位置、X1、X2、X3、…Xmと力の釣り合い式は下記のように表すことができます。
図−3端部の変形と座標など・最端部の状態（吊り子の個数をnとして）｛Lo（ΔTm・ηm＋1）−（X1−X2）｝・G／Lo（ΔTm・ηm＋1）＝K・｛ X1−n・Lo・（ΔTb・ηb＋1）｝・端部から2番目の状態｛Lo（ΔTm・ηm＋1）−（X2−X3）｝・G／Lo（ΔTm・ηm＋1）＝K・｛ X1−n・Lo・（ΔTb・ηb＋1）｝＋K・｛ X2−（n‑1）・Lo・（ΔTb・ηb＋1）｝・端部からm番目の状態｛Lo（ΔTm・ηm＋1）−（Xm−Xm+1）｝・G／Lo（ΔTm・ηm＋1）＝K・｛ X1−n・Lo・（ΔTb・ηb＋1）｝＋K・｛ X2−（n‑1）・Lo・（ΔTb・ηb＋1）｝＋・・・・・・・・・・・・・・＋・・・・・・・・・・・・・・＋K・｛ Xm−（n‑（m‑1））・Lo・（ΔTb・ηb＋1）｝

以上の式をLo（ΔTm・ηm＋1）＝Lm

X1、X2、・・・Xm、Lo・（ΔTb・ηb＋1）＝Lbと略しての項 で整理すると（Lm・K＋G）・X1−G・X2＝

K・n・Lb・Lm ＋ G・Lm

Lm・K・X1＋（Lm・K＋G）・X2−G・X3＝

K・n・Lb・Lm＋K・（n‑1）・Lb・Lm ＋ G・LmLm・K・X1＋Lm・K・X2＋Lm・K・X3＋・ ・ ・＋（Lm・K＋G）・Xm−G・Xm‑1＝

K・n・Lb・Lm＋K・（n‑1）・Lb・Lm＋・・・・・・・＋・・・・・・・＋K・（n‑（m‑1））・Lb・Lm ＋ G・Lm

以上の計算式は夏期施工→冬期へ移行する場合（面材が縮むケース）も同じになります。
上の式は、吊子の数だけの連立方程式を解けばX1、X2、・・・

Xm の座標が求まります。

さて、次に各記号のうち、KとGについて説明します。まずKですが、吊子の流れ方向のバネ定数的なもので、下図のように荷重をかけ変位との関係から求めることができます。
−4−

図−4

K値の求め方次にGの値ですが、Gはヤング率 Eと面材の断面積の中で力に寄与する有効断面積Aeとの積を意味する係数と仮定しています。下図に示すようなイメージです。面材の板厚が、0.4mmと薄いため断面積のうち力に寄与してくる部分は、溶接ハゼ部の近傍わずかな範囲になります。
Ae（mm2）と、材料のヤング率E（N/mm2）をかけたものを、G（N）としています。
図−5

吊子の荷重と変位の関係（一例）

図−7

面材の剛性

G（N）のイメージ

3．いろいろな実験との対比
長年にわたり、各社は実験を繰り返し実施してきました。いくつかの結果と解析結果を対比してみたいと思います。表−1に実大試験体の種類と構成を示します。
この図からK値は、例えば標準吊子でおおよそ表−1100N/mm（1ケ当り）、拘束吊子でおおよそ1170N/mm

実大試験体の構成と読み取れます。
ここでの拘束吊子は、長さが200mmの結果です。
図−6に標準的な固定吊子と拘束吊子の一例を示します。

図−6

固定吊子

および

注１：シートは、すべて0.4mm厚
TR270CはJIS H4600 チタン帯 1種
注２：鋼下地とシート間には木毛板またはコンパネを装入
注３：TR270Cの20mは、10m試験体の片側を固定し中立軸として、倍尺効果を活かし実験した。

拘束吊子の一例−5−

3-1．実験142m実験 装置は下図に示します。

3-2．実験2表−3

表−4

面材の温度変化（℃）

面材の変位測定結果（mm）

温度変化の状況と各位置での変位測定結果を下の表に示します。
表−2

面材の温度変化（℃）
図−10

表−3

面材の変位測定結果（mm）

変位測定結果は下地鉄骨との相対変位を示しています。
この実験は、チタンが採用された川崎市民ミュージア
図−9ムの建設に際し、実証試験としてなされたものです。温度変化を大きくするために面材をドライアイスで冷却し、下地の角パイプに温水を通すなど変化を大きくした仮想条件で実施しております。実験状況を写真−１に示します。
写真−1

チタン20mの実験

上図は変化の最も大きい測定5につ いて測定値と計算値を図示しています。試験体のセンターとそこからほぼ10m辺りまでは、殆ど変位しないことがわかります。面材に生ずる軸力については、変位しないセンターとそこからほぼ10m辺りまでが最も大きく、約1600Nになっています。変位が生ずるにつれ面材の軸力は低下し、端部
この実験は、屋内で実施したもので、上記の通り、人で吊子の支持荷重、約200Nとつり合っています。

工条件であり、変位測定についてもダイヤルゲージを用いているなど精度の高い実験となっています。

−6−

面材の長さは、十分には確保できておりませんが、計は、まだ理論と結びついていなかったことによります。

算値との対比も傾向が良く一致していると言えます。
3-4．実験4
3-3．実験3

拘束吊子による30mの実験

100mの実験表−7

表−5 面材の温度変化

面材の温度変化と変位量

表−6 面材の変位測定結果

図−12
図−11

30m実験の装置

100m実験

コンクリートの下地に固定した標点に水糸を張りシートに設置した目盛りを目視で読み取っています。したがって、シートの変位量はコンクリートに対する相対変位量でありコンクリートの変位は標点間の変位量を測定しています。拘束吊子では、面材と下地の緊結が強固になるため、相対変位がほとんど生じないことがわかります。
写真−2100m実験の装置
写真−3

変位の測定は、標点を定め、トランシットで面材の変30m実験の装置標点位を読み取る方法となっています。
相対変位は1.7mmとごく僅かです。100mという長さであってもほとんど動かないといえます。

4．結果についての考察

ただし、この実験では、軒先に相当する両端部を標準以上の様に多くの実験が各社によって、長い期間にま的に溶接部を倒して掴むかたちとしています。これによたがって実施されているため、実験の条件もまちまちでって変位が多少拘束されております。この実験をした頃す。そして測定すべき変位量はとても小さい量ですので、−7−実験精度が十分でない部分もあります。例えば実験3、4量で飽和してしまう

では、軒先を倒して水切りを掴み込むという実際面に則がってある長さを超えれば、100mでも200mでも変位量した納まりをしたために変位を拘束してしまい正確な結は一定になるわけです。
さて、このイメージをわかり易くするために下記のよ果を得る妨げとなっています。しかしながら最初に紹介した解析結果と実験による測定結果は傾向がよく一致しということが言えそうです。したうな図を作ってみました。
夏期に施工された屋根が冬期に至り縮む量をいろいろていると言えます。
結論として、 屋根の材料がいくら長くなっても端部のな条件で想定し計算したものです。

変位量は、長さに比例して大きくなるのではなく、ある
図−13

温度条件

注、材質の違い：熱膨張係数
SUS304は、17.3×10−6/℃
SUS445 J2 は、10.1×10−6/℃
下地をコンクリートとして、10.0×10−6/℃

5．まとめ
断熱仕様と吊子の拘束度による違い：断熱仕様では、いろいろと説明してまいりましたが、肝心なのは設計用いる吊子の種類で最大縮み量は大きく変わります。なにおいて熱伸縮挙動を考慮しないと問題を起こす場合がお、当然のことですが、拘束度が大きければ、最大長さあるということです。一例を見てみましょう。

が飽和する面材長さも短かくなります。例えばSUS304で突出部がある納まりの例ですが、突出部で動きが抑え

緩拘束のとき飽和点は約44mですが、拘束吊子では9mられる面材とそのとなりで動く面材では、相対的に動き程度で飽和することになります。縦の点線がその位置をの差が生じ、繰り返しにより材料が割れてしまうことが示しています。

あります。

−8−スライド吊子では、この現象がより顕著に表れます。
下の写真がその一例ですが、トップライトの間を通っている連続した面材がこの部分で動きが不連続となり面材に歪が生じ、繰り返しによって割れに至ったケースです。
なお、スライド吊子の場合は変位が直線的に出ますので、屋根の形状や長さだけでなくさらなる注意を必要とするということになります。できることならスライド吊子の使用は避けることが望ましいと考えます「ステンレス防水研究会」の皆様に深く謝意を表し、この稿を閉じたいと思います。
材質がSUS304、SUS316、YUS270などの熱膨張の大きいオーステナイト系ステンレスで、断熱仕様の場合では、上記のような不連続な部分や弱い部分は拘束吊子を適宜用いて変位を拘束してやることが必要と考えます。

−9−