新型瓦の耐風性能の評価

新型瓦の耐風性能の評価

著者

立川 正夫, 松崎 浩司

雑誌名

鹿児島大学工学部研究報告

巻

30

ページ

103-111

別言語のタイトル

Estimation of the wind resisting property of a

new type roofing tile

新型瓦の耐風性能の評価

著者

立川 正夫, 松崎 浩司

雑誌名

鹿児島大学工学部研究報告

巻

30

ページ

103-111

別言語のタイトル

Estimation of the wind resisting property of a

new type roofing tile

新型瓦の耐風性能の評価

立 川 正 夫 ・ 松 崎 浩 司

(受理昭和63年５月31日） ＥＳＴＩＭＡＴＩＯＮＯＦＴＨＥＷＩＮＤＲＥＳＩＳＴＩＮＧＰＲＯＰＥＲＴＹＯＦＡＮＥＷＴＹＰＥＲＯＯＦＩＮＧＴＩＬＥ ＭａｓａｏＴＡＣＨＩＫＡＷＡａｎｄＫｏｕｓｈｉＭＡＴＳＵＳＡＫＩ Withthepurposeofestimatingthewindresistingpropertyofanewtyperoofingtilewhichhas

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followingtheconventionalroofingmethod． １ ． は じ め に 昭和60年８月31日に薩摩半島に上陸した台風１３号は， 鹿児島県本土の建築物に久々に強風による被害をもた らした。全半壊等，軸部の損傷は少なかったが，屋根 葺材，特に瓦の飛散が目だち，瓦の留め付け工法の改 善が，耐風設計上の無視できぬ緊急な問題であること

が，この台風の被害状況から明らかにされた')。

瓦の飛散については，著者は以前に実物瓦に強風を 吹き付ける実験を行い，屋根面上の気流が３５ｍ／ｓを

こえると飛散はさけられないことを示した2)。また，

最近行われた建築研究所の境界層風洞でのｌ／20の縮 尺の模型実験からも，軒高風速３０ｍ／ｓ前後で，飛散

の始まることが示されている3)。これらの結果から，

50∼６０ｍ／ｓ程度の風速が予想される場合の瓦の飛散 防止には，金物による留め付けが必要なことが明らか である。しかし，在来の瓦で瓦尻を留め付ける工法で は，仮に全数を留め付けたとしても，どの程度の強風 に耐えられるか疑問であり，まして，建設省告示109 号或は住宅金融公庫仕様書に示された部分留め付けで， 強風に対する保証を得ようとすることは無理といえよ う。新しいタイプの瓦，新しい留め付け工法の普及が 望まれる所以である。 本報は以上のような背景の下に行った瓦の加力実験 結果に関する報告である。屋根瓦に作用する風力は屋 根面に垂直で上向きと仮定し，最近市販されている耐 風瓦と称するものの中から，ｓ協業組合製の和風粘土 瓦を選び，同組合製の普通瓦とともに加力試験を行い， その結果から瓦の耐風'性能を検討した。 図，(a)に耐風瓦の形状を示すが，この瓦は斜め隅角 部にかみ合わせがあり，（b)に示したように下段の瓦を 留め付けることにより，左上段の瓦のめくり上げを押 さえるメカニズムになっている。留め付けは長さ50ｍｍ の亜鉛めっき釘，銅釘或はステンレス・スクリュー釘 が用いられる。瓦の単体の重量は2.8k9である。 全数を留め付ければ，かなり強い耐風性をもつこと が予想されるが，実際にはほとんど間隔をおいた部分 留め付けが行われている。その場合の耐力が普通瓦よ りどの程度優れているかを知ることも目的に含め，加 力実験を行った。 ２．実験方法 図２に示すような横５枚，登り７枚の瓦が敷ける広 さの屋根の部分をもつ木製骨組を製作した。屋根勾配 は４／10とし，野地板は厚さ１２mmの市販のコンパネを 用い，瓦の留め付けには長さ50mm，直径2.5mmの亜鉛

104 ︺一ＬＬ 「 − − Ｊ − − １ １２５ １−Ｉ めっき釘を使用した（図３参照)。加力は屋根面に垂 直な方向に瓦をつり上げるワイヤーを張り，中間に市 販のバネばかりをつけ，頂部のボルトを手動で徐々に ねじ上げて行った。なお，電動或は油圧による同時加 力装置を考えたが，予算や今後の利用価値の点で断念 せざるを得なかった。ここで用いた装置はきわめて原 始的であるが，変位量の大きい瓦を対象とした実験で は，必ずしも高い精度は必要でなく，一応目的は達成 できたと考えている。 加力点は図４(a)に示すように，瓦の重ねを除外した 面（働き面）の中心であるＡと，それより端部によ ったＢＣＤの合計４点とした。瓦に作用する風力が表 面気流によるものとすれば，その作用点は働き面の中 心よりも風の当たる瓦の縁の方向に移動するはず

で2).4)，実際の風力の作用点はこのＡＢＣＤの四角形の

中に含まれる可能性が強い。 瓦の屋根と垂直方向の変位の測定点は，瓦頭或は左

手が持ち上げられることが多いことを考慮し，図４(b）

に示す３点とした。 実験は(1)留め付けない単独瓦の安定性，(2)全数留め 付け時の耐力，(3)部分留め付けの効果，および(4)線状 に加力した場合の周辺の瓦の押え効果の４項目につい て行った。

なお，予備実験として，実験装置と同種の野地板，

瓦桟および釘を用い，釘の引き抜き耐力を測定した。 結果は表ｌに示す通りである。なお，＞50.0は荷重 50k9まで引き抜きを生じなかったことを示す。 劃 一一一−二』 600--』 2,000１

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−１︲ｌ︲’ ○つ①Ｃ一 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ３ ０ 号 （ 1 9 8 8 ） 図４加力点と変位測定点（単位mIn） 1,ｍコンバネ １６×１８

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加力試験方法（単位、） １１７０１ ３．実験結果 ３．１留め付けない単独瓦の安定性 まず，瓦桟に引っ掛けただけの単独の瓦の加力試験 を行い，単独の瓦がどの程度の安定性をもつかを調べ た。なお，瓦は普通瓦を用いたが，耐風瓦も重量およ び裏面形状に大差はなく，安定性はほぼ同様と考えて よい。 図５に，加力点をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとした場合のそれ ぞれの，荷重．変位曲線と支線（回転の軸となる線） の位置を示すが，加力位置によって瓦の安定性はいち じるしく異なることがわかる。すなわち，働き部分の

ほぼ中央のＡ点の加力では2.0k９，瓦頭によったＢ

点では1.4k9で不安定となり，瓦桟位置を支線として 瓦はめくり上がるのに対し，横方向の縁に近いＣ点， Ｄ点の加力では，支線は瓦桟と直角方向に生じ，加

力が0.2k9をこえると測定点２，３の変位が始まり，

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メッキ釘Ｎ5０（d二2.5） 加 力 方 向

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Ｃ同一 NO'97.51 壁 」 （a）加力点 1 ０ 図３野地坂への瓦の留め付け（単位､､）

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荷並 (￨(8) ２．０ １０５ 荷 亜 (k8） ２．０ ３．２全数留め付けた瓦の耐力 図６に示すような３種の状態の留め付けた瓦の加力 試験を行った。（a)は普通瓦１枚を釘留めし，その瓦を 加力したもので，全数留め付けた普通瓦を，全瓦同時 に同一の加力で引き上げた場合（瓦は互いに変位を拘 束するような動き方をしない）を代表している。 (b)は２枚の耐風瓦を斜めに留め付け，上の瓦を加力し たもので，右下瓦の留め付けの左上瓦に対する拘束効 果を調べることを目的とした。実際の全数留め付けた 耐風瓦は，このように斜め方向の列が１つのユニット になって効果を発揮する。（c)はその部分をとったもの で，４枚を留め付け，３枚を同時に同一荷重で加力し た。なお，この場合，変位は上から２枚目の瓦のみを 測定している。 加力試験は，ＡＢＣＤの４つの加力点について，そ れぞれ３回繰り返して行った。そのうち各１例の荷 重・変位曲線を図７に示す。 その後支線が横方向に移動し，ｌｋ９をこえると変位は いちじるしく増大する。同一加力点について３回づつ 試験を行い，３つの測定点のうちいずれか１点の変位 が５mmをこえた時の荷重の値を表２に示すが，Ｃ，Ｄ 点の荷重の値はＢ点の値の６割以下にすぎない。こ れらの値は当然瓦の形状，特に裏面の瓦桟に接する部 分の形状により変わるが，表２の結果から，一般に瓦 は下からよりも，横からのめくり上げに不安定である と判断して差し支えなかろう。 なお，この実験は単独の瓦について行ったが，敷き 並べられた瓦が同時に加力を受ける場合でも，普通瓦 の場合には変位を互いに拘束するような瓦のかみ合い は生じない。一方耐風瓦では，Ａ・Ｂ点の加力の際に だけ隅角部のかみ合いが生じることが予想される。 表１釘の引き抜き耐力（k9） 表２測定点のうち１点が変位５mmをこえる荷重(k9） 阿 聖 (￨､&） ２．０ ②一③ ①一一． 一

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測 定 点 １０６ (1)） （a)の場合には２k9前後の荷重で釘の引き抜けが始ま り変位が増大するが，加力点がＣの場合だけは３∼ ４k9で引き抜けが始まり，その後も比較的ねばりのあ る曲線をえがく。理由は支線が釘穴から比較的はなれ た位置に形成されるためで，普通瓦の瓦尻の留め付け は，下からよりは横からのめくり上げに効くことがわ かる。 （b)の場合には最大30k9までの荷重を加えたが,いず れも瓦は破壊せず（別に行ったセメント耐風瓦では， ほとんど釘穴を通る線で瓦が破壊した)，その前に釘 の引き抜けが生じた。 （c)の場合には最大12k9までの荷重を加えたが，一部’ 12k9以下で釘の引き抜けが生じた。 表３(a)に測定点のうち１点が変位５mmをこえる荷重， (b)に同じく10ｍをこえる荷重を示す。また表３(c)には 釘の引き抜けにより変位が増大し,加力を停止した荷 重の値を示す。ただし，表中で＊30.0,＊12.0は,最 大荷重まで釘の引き抜けを生じなかった場合である。 表３から，普通瓦の留め付けがＣ点の加力にのみ 大きな効果をもつのに対し，耐風瓦の留め付けは，す べての点の加力に有効であり，最大耐力で普通瓦と大 きな差があることがわかる。また，耐風瓦の２枚留め 付け１枚加力と４枚留め付け３枚加力との間にも差が あり，全数留め付けた耐風瓦の耐力を求めるには，連 続した瓦の加力試験が必要であることもわかる。

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2０ 同時加プ ２３ ， ● （ ｂ ） （ Ｃ ） 耐 風 瓦 ２ 枚 留 め 付 け 耐 風 瓦 ４ 枚 留 め 付 け １ 枚 加 力 ３ 枚 加 力 留め付けた瓦の加力試験 （ａ） 普通瓦1枚留め付け １枚加力 図６ ②① 荷重 (k8） 荷並 (k8） 荷亜 (￨､8） '０ ③ 3０ ②

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ノノ 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ３ ０ 号 （ 1 9 8 8 ） 図７留め付けた瓦の加力試験結果 ｃ点ﾉjIl力 誕位（'川､）

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表３(c）加力を停止した荷重（k9） １０７ 立川・松崎：新型瓦の耐風性能の評価 表３(a）測定点のうち１点が変位５ｍをこえる 荷重（k9） ３ ． ３ 部 分 留 め 付 け の 効 果 住宅等の屋根工事では，実際に瓦を全数釘或は銅線 で留め付けることはほとんどない。留め付けは周辺の みとするか，更に中間部を住宅金融公庫標準仕様書に 従って登り５枚おきに留め付けるかが常識的な工法と されている。このような部分留め付けがどの程度の効 果をもつかを知る目的で，３種の加力試験を行った。 図８に瓦の配置と釘の留め付け位置および同時に加 力した瓦（斜線たすきで表示）の位置を示す。（a)は耐 風瓦の留め付けの左上方への押え効果(b)は普通瓦の留 め付けの下方への押え効果(c)は耐風瓦を登り１枚おき に留め付けた場合の効果を調べるためのもので，斜線 で表示した瓦を同時に同一荷重になるように徐々に加 力し，各瓦３点（図４参照）の変位を測定した。図９ にＡ∼Ｄの加力点毎に荷重と変位の状況を示す。な お，図中の数字は３つの測定点のうちの最大の変位 (m､)，矢印はめくり上がりの方向を示す。 図９(a)はＡ点加力の場合で，下部留め付けの耐風 瓦（図上段)，上部留め付けの普通瓦（図中段）およ び１枚おきに留め付けた耐風瓦（図下段）のいずれの 場合も2.4k9でかなり浮き上がり，2.6k9では１枚おき 留め付け以外は配列が大きく乱れる。 図９(b)はＢ点加力の場合で，このような下からの めくり上げの荷重に対しては普通瓦の上部留め付けの， 効果はほとんどなく，耐風瓦の隅角部のかみ合いが或 程度有効なことがわかる。 図９(c)はＣ点加力の場合で，図９(b)とは逆に横か らのめくり上げには耐風瓦のかみ合いは効果がなく， 普通瓦の上部留め付け（耐風瓦の上部留め付けも同 様）は或程度の効果をもつ。 図９(d)はＤ点加力の場合で，耐風瓦のかみ合いも 普通瓦の上部留め付けもあまり大きな効果はない。 全体を通して，耐風瓦の１行おきの留め付けは或程 度有効といえるが，全数を留め付けた場合（たとえば 図７の(c)の場合で，２０mmの変位に対応する荷重はおお むね10k9をこえる）と比較すると，期待できる耐力は かなり低いといえる。 （ ( : ） ( 1 ) ） （ L ） 図８部分留め付けの効果を調べるための加力試験 表３(b）測定点のうち１点が変位10mmをこえる 荷重（k9） 留 付 け ３ ． ４ 線 状 に 加 力 し た 場 合 の 周 辺 の 瓦 の 押 え 効 果 今まで述べた加力試験は，屋根に葺かれた瓦には同 時に同一の風力（揚力）が作用するという前提で行っ た。しかし，瓦に作用する風力が瓦に付着した表面気 流によるものとすれば，各瓦に作用する風力が，気流 と直角方向に比較的均一に作用することはあっても，

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Ｄ １ ． ０ ｋ ｇ 立川・松崎：新型瓦の耐風性能の評価 Ｄ １ ． ８ ｋ ｇ Ｃ ２ ． ２ ｋ ｇ Ｃ １ ． ８ ｋ ｇ ｃ １ ． ４ ｋ ｇ Ｃ １ ． ０ ｋ ｇ 図９(d）Ｄ点加力の場合の変位と傾き方向（変位の単位、） 測 定 不 能 測 定 不 能 ｃ ２ ． ２ ｋ ｇ Ｃ １ ． ８ ｋ ｇ ｃ １ ． ４ ｋ ｇ Ｃ １ ． ０ ｋ ｇ 測 定 不 能 Ｃ ２ ． ２ ｋ ｇ Ｃ １ ． ８ ｋ ｇ Ｃ １ ． ０ ｋ ｇ ｃ １ ． ４ ｋ ｇ 図９(c）Ｃ点加力の場合の変位と傾き方向（変位の単位､､） Ｄ ２ ． ２ ｋ ｇ Ｄ １ ． ４ ｋ ｇ 109 測 定 不 能 Ｄ ２ ． ２ ｋ ｇ Ｄ １ ． ８ ｋ ｇ Ｄ １ ． ４ ｋ ｇ Ｄ １ ． ０ ｋ ｇ 測 定 不 能 Ｄ ２ ． ２ ｋ 芯 Ｄ １ ． ８ ｋ ｇ Ｄ １ ． ４ ｋ ｇ Ｄ １ ． ０ ｋ ｇ -シ１一＞２ ２ ＝” ２ ジヴ ３ ↑ １ ダウ ３ グヴ４ ゴウ２ ０ -＞３ -＞４ 一一１ ０ 〆▼ ４ -＞２ ↑３ ２ジワ ３ -＞４ → ５ ダア ３ ダウ ５ ＝＞５ 一＞４ ２ 一生３ -←７ 一崖３ 一一２ -＞５ 一＞６ ノウ １一＞１ → ２ ＝し４ 一 １ ↑２ ↑３ ‐＞４ → ２ １ １２ 一Ｐ２ダヴ ５ 一い’ ↑１一＞３ → ３ 三一３ -＞３ ● ↑４ -←３ 一一６ 一＞３ 一一５ → ６ 一＞６ 〆ワ ３一一５ 一＞７ 一二６一Ｐ３ ダウ ８ 一岳７ ↑1７〆２１ ↑1８ ↑1８ 〆4０〆3８ 「 一 ▲Ｕ▲■■﹄ 、Ｉ ＝．」〆 3６ メ5２ ﹃０１１Ｊ 一一 Ｆ１００﹄ ．●︷ロ﹃０００Ｊ ・ ｒｌ００Ｌ 「−−−１ ０ ０ ０ ０ Ｉ ０ Ｌ−−−」 １１０Ｊ 口 ● 一 一 一・ ｒ１００Ｌ ／5４ ｒ ー ‐ 写 Ｏ Ｌ一‐ ＴＩ ー」 ｒＩ １０ Ｉ Ｉ Ｌ−−−Ｊ ↑1２ ↑l（ ↑1２一宇 1 ５ -＞1９ →2０ 〆2４ 一彦2６ １ ３ ｒ・生 -←1７一彦2３ ->3１ 一一2２→1３→2６→3２

１１０ 気流方向に均一に作用することはあまりない，という 推定も成り立つ。その場合，かみ合のある耐風瓦では， 前後の瓦の押え効果が若干期待できるとも考えられる。 このような押え効果の有無を知る目的で，縦横４枚， 計16枚の瓦を留め付けなしに葺き，その１列を同時に 加力し，耐風瓦と普通瓦の差を調べてみた。 加力した列は棟方向，登り方向および45.方向の３ 種（表４中の図を参照）である。なお，瓦に作用する 風力の作用点は瓦の働き面の中心より風上側に移動す るという考えから，加力列とＡ∼Ｄの加力点の組合 せのうち，重要と思われないものは実験から省いた。 実験結果から，加力した４枚の瓦のうち中央の２枚の 瓦の最大変位（３個の測定点のうちの最大値）の平均 が５mmおよび10mmをこえる荷重を表４にまとめて示す。 表４から明らかなように，耐風瓦と普通瓦で明らか な差があるのは棟方向の列でＡ点，Ｂ点を加力した 場合（棟と直角方向の風をうけた場合)，および45.方 向の列でＡ点を加力した場合に限られる。登り方向 の列に加力した場合は，裏面およびかみ合い部のわず かな形状の差によるためか，全体に耐風瓦の方がむし ろ不安定で，棟と平行の風を受けた場合には留め付け のない耐風瓦の効果は期待できないことが明らかとい える。 とんどない。瓦の代表面積は重ね部分をさし引いた働 き面積とし，揚力係数をやや保守的であるが0.5と仮 定（抗力は無視）すると，６０ｍ／ｓの風速（速度圧は 225k9／㎡）により生じる風力は，今回実験で用いた 瓦では225×0.225×0.275×0.5＝７k9となる。実際の 風力は屋根の周辺部を除いてこれよりもかなり小さい としても，留め付け部に衝撃的な力がくり返し加わる ことを考えれば，留め付けには充分な安全率を見込む 必要があろう。今度の加力試験結果から，６０ｍ／ｓの 風速に耐えるためには耐風瓦を全数留め付ける以外に ないと考えられるが，表３(b)をみると，７k9の揚力で は瓦の重ね部に１cmをこえるすき間の生じることが予 想される。すき間を生じた状態での風力係数について も，あらためて検討する必要があるように思われる。 ２）普通瓦の瓦尻の釘留めは棟と直角な方向からの 風による下からのめくり上げにほとんど効果がないが， 棟と平行或は斜めの方向からのめくり上げに対してか なり効果のあることが今度の実験でわかった（表２と 表３(a)の普通瓦の加力点Ｃ，Ｄを比較)。実際に被害 の生じやすい風向は後者であるから，普通瓦でも全数 留め付ければ，それなりの耐風性能の増加は期待でき よう。 ３）図９に示した結果から一般に行われる部分留め 付けの効果は，耐風瓦にせよ普通瓦にせよ，あまり大 きな期待はできないと判断できる。耐風瓦を１行おき に留め付けた場合，ｃ点加力に対しては変位量はかな り押さえられる（図９(c)下段参照）が，これは上部瓦 尻の留め付けの効果と考えられる。 ４）隅部に逆の重ねのある耐風瓦は，互いに変位を ４ ． 考 察 １）瓦がどの程度の風速（この場合は瓦の表面気流 の速度）に耐えるかを推定するためには，まず瓦の風 力係数を知る必要があるが，これについては著者の実

験2)やHazelwoodの実験4)以外にたよるべき情報はほ

表４加力した瓦のうち中央の２枚の最大変位の平均が５ｍｍ 及び10mmをこえる荷重（k9） 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ３ ０ 号 （ 1 9 8 8 ） 同｜ １ｍ ( ． I-i-T了

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加力した瓦図

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立 川 ・ 松 崎 ： 新 型 瓦 の 耐 風 性 能 の 評 価 １１１ 拘束し合うため，全く留め付けない場合も普通瓦より 耐風性は高いという説明をきく。これに対しては表４ に記した実験結果から，耐風瓦の重ねは棟と直角な方 向からの風によるめくり上げに効果はある（表４上段， 加力点Ａ，Ｂ参照）が，棟と平行な方向からの風に ,対しては効果がない（表４中段，加力点Ａ，Ｃ参照） ということができる。 ５ ． む す び 強風時の屋根瓦には，動的な，しかも各瓦で必ずし も均一でない風力が作用すると推定できる。今度行っ た簡単な静的な加力試験結果から，耐風瓦の耐風性能 を正確に評価することはできないが，直観も交え結論 を要約すると次のようになる。 １）耐風瓦は全数留め付けることによってはじめて 大きな耐風性能を発揮する。野地板，瓦桟，釘の種類 および経年変化によって耐風性能は変化するが，一応 このような瓦を用いることにより，風速６０ｍ／ｓ程度 の表面気流を予想しなければならない強風地帯の屋根 を，瓦葺で設計することは可能と思われる。 ２）留め付けない耐風瓦の隅部の重ねは，棟に直角 方向の風によるめくり上げには有効であるが，棟に平 行方向の風によるめくり上げに効果がない。部分留め 付けをした耐風瓦の耐風性能には問題があり，効果を 上げるためには少なくとも１行おきの留め付けが望ま しい。 参 考 文 献 l）立川正夫，三谷勲：1985年の台風13号による建築 物の被害について，鹿児島大学工学部研究報告第 ２８号，1986 2）立川正夫：強風による屋根瓦の飛散について，日 本建築学会大会梗概集，1971 3）岡田恒：強風による屋根瓦の飛散に関する風洞実 験，日本風工学会誌第35号，１９８８ ４）ＲＡ・Hazelwood：Theinteractionofthetwoprin‐ cipalwindforcesonrooftiles，Ｊ・WindEng・Ind・ Aerodyn．，Vol､８，１９８１