特 集MSRW2014 作成に際し実施した試験

その６

留め付けねじの端あき強度試験
一般社団法人 日本鋼構造協会

一般社団法人 日本金属屋根協会

当協会では、一般社団法人日本鋼構造協会と共同で、鋼板製屋根・外壁の設計・施工並びに維持保全や改修に関する手引き書『鋼板製屋根・外壁の設計・施工・保全の手引
き MSRW2014』（以下、MSRW2014）を作成し、独立行
政法人 ( 現・国立研究開発法人 ) 建築研究所の監修を受けて発行しました。
MSRW2014 の作成に際して各種の確認試験を実施しました。そこで今月はその中から、留め付けねじの端あき強度試験を掲載いたします。MSRW2014 の詳しい内容は、2014 年 5 月号を参照下さい。

１．MSRW2014 で実施した試験
各種平板ぶき屋根は、吊子や屋根ふき材本体を留め付けねじあるいは釘などの留め付け用部品にて躯体構造に留め付ける。これらの留め付け部分は風荷重を躯体構造へ伝達するための経路として重要な部分であるが、近年の風災害事例の中にはこの部分において吊子鋼板が端切れしているケースも確認されている ( 写真 1)。一般に、留め付け用部品の下地からの引き抜き強度に関しては、留め付け用部品メーカーによる引き抜き試験値などが広く散見されるが、特に平板ぶき屋根に特化した薄鋼板端切れ強度のデータは表１

各種試験と MSRW2014 との対応関係

各種試験名

MSRW2014

機関誌

折板屋根の軒出長さにおける耐力比較試験（耐風圧性試験）2.3 ～ 2.5 節

2014 年 12 月号

平板ぶき屋根の唐草つかみ込み耐力比較試験（線荷重載荷試験）

2.6 ～ 2.7 節

2014 年 6 月号

平板ぶき屋根の野地板直留め構法確認試験（温度伸縮繰り返し試験、引張試験）

2.6 ～ 2.7 節

2015 年 7・8 月号

鋼製下地への留め付け方法確認試験（ねじ引張試験）

2.3 ～ 2.8 節

2014 年 7・8 月号

留め付けねじの端あき強度試験（せん断方向、引き上げ方向引張試験）

2.3 ～ 2.8 節

本号

2.8 節

2016 年 4 月号

外壁材の飛来物耐衝撃性試験3

特集●留め付けねじの端あき強度試験

写真 1

端切れ災害事例

１

せん断方向

図2

図1

平板ぶき屋根の終局状態

２

引上げ方向

せん断方向および引上げ方向の概念少ないようであるため、今回の試験を実施した。試験実施

すべき点は、平板ぶき屋根の留め付け部分が引張力を受けにおいては、平板ぶき屋根の終局変形状況を想定した引張る方向はいずれの場合においても、完全な水平方向 ( せん方向のパラメータ、また留め付けねじの頭形状のパラメー

断方向 ) あるいは完全な垂直方向 ( 引上げ方向 ) ではなく、タを用意し、それらの終局時の破壊性状および破壊荷重かそれらの中間的な角度の方向に引張られると考えられるこら薄鋼板端切れ現象の全体的な傾向を把握することを本試とである。しかもこの角度、方向は荷重漸増の過程におい験の目的とした。本試験はまずは平板ぶき屋根を想定してて刻々と変化していくものとも考えられるため、試験実施

はいるが、結果データはより全般的な薄鋼板の端切れ現象

時に角度、方向を固定することができない。そこで本試験の理解、把握に資するものとして、折板のけらば包みなどにおいては最も極端な状況として、引張方向をせん断方向を留め付ける際にも参考になるようパラメータを考慮しおよび引上げ方向の 2 パラメータにて実施し、実際にはそた。

れらの中間的な挙動を示すものと考えることとした。せん

各種平板ぶき屋根の風荷重に対する終局状態は SSR2007

断方向および引上げ方向の概念図を図 2 に示す。に記載のあるように図 1 のような挙動を示す。ここで注目

4

２． 端あき距離に着目した試験ことが経験的に知られている。今回の試験においては挙動(1) 試験体仕様及び試験方法

試験体の形状寸法を図 3 に示す。留め付けねじはシンワッシャー M5、端切れ対象鋼板の板厚を t=0.35mm とし、端あき長さと端部ヘミングの有無、および加力方向をパラメータとした。試験パラメータを表 2 に、また端切れ対象鋼板端部のヘミングの形状寸法を図 4 に示す。
本試験のような薄鋼板を留め付けねじにて留め付けた部の全体的な傾向を把握することを目的とし、n=1 としているが、実際の設計に反映させる数値取得を目的とした場合においては、n 数を増やしバラツキも考慮したデータを基に設計用数値を設定すべきである。また、対象鋼板の機械的性質の影響による結果数値の変動も予想されるため、それらに対しても十分な配慮が必要である。

分の強度試験においては、結果のバラツキが比較的大きい
表2

試験パラメータ
シンワッシャー M5

端切れ対象鋼板

板厚：t=0.35

端あき長さ5,10,15,20,30

端部ヘミング加工なし、あり加力方向

せん断方向、引き上げ方向

図 .35ヘミング長さ
７[㎜ ]留め付けねじ図4

端切れ鋼板端部のヘミング形状寸法

試験体形状寸法（せん断方向と引き上げ方向）

特集●留め付けねじの端あき強度試験(2) 試験結果

局状況写真からわかる。最大耐力発現時の破壊モード概念a) せん断方向を図 7 に示す。

最大破壊荷重の数値を表 3、横軸に端あき距離をとる最ヘミングなしの場合の最大耐力は、端あき距離およそ大破壊荷重のグラフを図 5、またヘミングなしの場合にお10mm 以上でほぼ一定値に安定するが、5mm 以下では著ける荷重 - 変位例と終局状況を図 6 と写真 2 にそれぞれ示しく低下した。一方、ヘミングありの場合では、留め付けす。
せん断方向の端あき強度試験では、変位量 1 ～ 2mm 程度の載荷初期段階にて最大耐力を発現することが荷重−変位図から読み取れる。また最大耐力発現時の変位初期状態においては、端切れ対象鋼板に留め付けねじ軸径とほぼ同幅のせん断引き裂き破壊が発生する傾向にあることが、終図7

表3

最大耐力発現時の破壊モード

せん断方向の試験結果［単位：kN］

端あき距離（mm）

端部ヘミング加工

510152030なし

0.758

1.3261.384

1.4921.474あり

1.820

2.0421.4161.4061.478＊試験実施：日本パワーファスニング（株）

最大破壊荷重図5

図6

端あき距離と最大破壊荷重（せん断方向）

a. 5mmb. 10mm

写真 2c. 15mm

荷重 - 変位関係の例（ヘミングなし）

d. 20mme. 30mm

せん断方向の各端あき距離における終局状況（ヘミングなし）

6

ねじの頭部がヘミング加工部にかぶる場合とかぶらない場b) 引上げ方向合で破壊モードが異なった。留付けねじ頭かぶり有無によ

最大破壊荷重の数値を表 4、横軸に端あき距離をとる最る破壊モードの差異を図 8 に示す。かぶる場合 ( 本試験で大破壊荷重のグラフを図 9 に、またヘミングなしの場合は端あき距離が 5 ～ 10mm ) では最大耐力が上昇したが、の荷重−変位例と終局状況を図 10 と付写真 3 にそれぞれかぶらない場合 ( 本試験では端あき距離が 15 ～ 30mm) で示す。

は、ヘミングなしの最大耐力と大きな変化は見られなかっ端あき距離 [㎜ ]た。これは図 8 b のように留付けねじの頭部がヘミング部端切れ対象鋼板の下に潜り込み、ヘミングの効果がないためと考えられる。

端あき距離 [㎜ ]端切れ対象鋼板

a. ヘミング部にかぶる場合（端あき距離 10mm 以下）
図8b. ヘミング部にかぶらない場合（端あき距離 15mm 以下）

留め付けねじ頭部とヘミング部の位置関係による破壊モードの差異
表4

引上げ方向の試験結果［単位：kN］

端あき距離（mm）
端部ヘミング加工

510152030なし

1.402

1.406

1.468

1.466

1.478あり

1.550

1.550

1.514

1.370

1.434

＊試験実施：日本パワーファスニング（株）

最大破壊荷重図 10

端あき距離と最大破壊荷重（引上げ方向）

a. 5mmb. 10mm

写真 37

図 10c. 15mm

荷重 - 変位関係の例（ヘミングなし）

d. 20mm

引上げ方向の各端あき距離における終局状況（ヘミングなし）

e. 30mm特集●留め付けねじの端あき強度試験

引上げ方向の端あき強度試験では、変位量 6 ～ 8mm 程度の載荷段階にて最大耐力を発現することが荷重 - 変位図から読み取れる。これは載荷に伴い端切れ対象鋼板が変形し、留め付けねじの頭部がへりに押さえつけえられた状態において最大耐力が発現する傾向にあることを示している。この時の変形状態および破壊状況の推移と破壊モードの概念を図 11 に示す。

端あき距離 [㎜ ]端切れ対象鋼板

図 11

鋼板が留付けねじ頭 の ヘ リ に、 押 さえつけられた状態

変形状態および破壊状況の推移と破壊モード

このように今回の試験結果においては、せん断方向と引定値とした。留め付けねじには一般的に用いられる 6 種類、上げ方向ではそもそも破壊のメカニズムが異なることがわ

端切れ対象の鋼板板厚には t=0.35mm および t=0.5mm のかった。また引上げ方向においては、上記のメカニズムに2 種類、端部ヘミング加工の有無、及び加力方向をパラメーより最大破壊強度が決まるため、端あき距離の大小、ヘミタとした。試験パラメータの一覧を表 5 に示す。
本試験においても端あき長さに着目した試験と同様に、ングの有無にかかわらず、最大耐力はほぼ一定値となった。

挙動の全体的な傾向を把握することを目的とし、n=1 とした。実際の設計に反映させる数値取得を目的とした場合に３． 留め付けねじの径及び頭部形状に着目した試験

おいては、n 数を増やしバラツキも考慮したデータを基に(1) 試験体仕様及び試験方法

試験体の形状寸法及びヘミングの形状寸法は、端あき長さに着目した試験と同様とし、端あき長さは 15mm の一表5

設計用数値を設定すべきであることは、これも端あき長さに着目した試験と同様である。

試験パラメータ

端あき長さ15mm

留め付けねじなべ M4、なべ M4（平座金付）
シンワッシャー M5
六角 M5、六角 M6
六角 M5（座金・パッキン付）

端切れ対象鋼板

板厚：t=0.35、0.5

端部ヘミング加工なし、あり加力方向

せん断方向、引き上げ方向

8(2) 試験結果

め付け部分においては、荷重の方向が一定にならないこと

せん断方向、及び引上げ方向の最大破壊荷重一覧を表 5が予想されるため、実設計の検討において留付けねじの鋼～ 6 に、また最大破壊荷重のグラフを図 12 にそれぞれ示

板の端部端切れ強度を試験的に確認する場合、対象となるす。

留め付けビスおよび鋼板板厚についてせん断方向および引上げ方向の双方の試験を行い、小さいほうの値により設計

シンワッシャー M5 の対象鋼板板厚 t=0.35mm を除き、用耐力を決定すべきと考えられる。

いずれのパラメータにおいてもせん断方向より引上げ方向のほうが強度が低下する傾向にあった。しかし、せん断方向および引上げ方向のいずれの強度が大きいかについては、留め付けねじの径、頭の形状および対象鋼板の板厚によって変化しうることが確認された。平板ぶき屋根材の留表6４．まとめ
端あき距離に着目した試験においては、せん断方向に関してはヘミングなし試験体では端あき長さが 5mm 程度では耐力の低下が見られるが、10mm 以上ではほぼ一定値

せん断方向の試験結果［単位：kN］

鋼板板厚（mm）

t=0.35t=0.5

端部ヘミング
加工

留め付け用部品
なべ M4

なべ M4( 平座金付 )ｼﾝﾜｯｼｬｰ M5

六角 M5

六角 M6( 座金・ﾊﾟｯｷﾝ付)

六角 M6なし

1.340

2.058

1.384

1.802

2.168

2.428あり

1.282

1.908

1.416

2.018

2.970

2.314

なし

2.500

3.218

2.466

3.734

4.006

4.652あり

2.592

3.908

2.890

4.108

4.744

4.264

＊試験実施：日本パワーファスニング（株）

表7

鋼板板厚（mm）

t=0.35t=0.5

端部ヘミング
加工

引上げ方向の試験結果［単位：kN］

留め付け用部品
なべ M4

なべ M4( 平座金付 )ｼﾝﾜｯｼｬｰ M5

六角 M5

六角 M6( 座金・ﾊﾟｯｷﾝ付)

六角 M6なし

0.990

1.268

1.468

0.668

0.836

0.936あり

1.142

1.186

1.514

0.728

0.886

1.106なし

1.878

2.734

1.970

1.266

2.126

1.956あり

1.856

2.556

2.072

1.268

2.746

1.884

＊試験実施：日本パワーファスニング（株）

9

特集●留め付けねじの端あき強度試験

b. 引上げ方向a. せん断方向
図 12

最大破壊荷重のグラフに安定することが確認された。一方ヘミングあり試験体でt=0.35mm を除き、いずれのパラメータにおいてもせん断は特に留め付けねじ頭がヘミングにかぶる場合においての方向より引上げ方向のほうが強度が低下する傾向にあっ

み、ヘミング加工が強度アップに寄与するが、かぶらないた。しかし、せん断方向および引上げ方向のいずれの強度場合ではヘミング加工による強度アップは期待できないこが大きいかについては、留め付けねじの径、頭の形状およとに注意が必要である。

び対象鋼板の板厚によって変化しうることが確認された。

また、同じく引き上げ方向に関しては、留め付けねじ頭

平板ぶき屋根材の留め付け部分においては、荷重の方向がのへりに押さえつけえられた状態において最大耐力が発現一定にならないことが予想されるため、実設計の検討におする傾向にあるため、端あき距離の大小、ヘミングの有無

いて留め付けねじの鋼板の端部端切れ強度を試験的に確認にかかわらず、最大耐力はほぼ一定値となった。

する場合、対象となる留め付けビスおよび鋼板板厚につい最後に、留め付けねじの径および頭の形状に着目したてせん断方向および引上げ方向の双方の試験を行い、小さ試 験 に お い て は、 シ ン ワ ッ シ ャ ー M5 の 対 象 鋼 板 板 厚

いほうの値により設計用耐力を決定すべきと考えられる。

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