AIA コース: 金属壁および屋根システムの設計戦略

多用途性、信頼性の高い性能、比較的低い設置コストにより、プレハブ金属パネルの壁および屋根システムは、洗練された建築用途にとって魅力的です。

数年前、プレハブ金属パネルの壁および屋根システムは、ハイエンドの商業用途では広く受け入れられませんでした。 これらのシステムは費用対効果に優れていましたが、美的認識により、大規模な保管ビル、製造施設、大型店舗に限定されていました。 しかし、多用途性、信頼性の高いパフォーマンス、比較的低い設置コストにより、これらのシステムはより高度なアプリケーションにおいて魅力的なものになっています。

現在、所有者と建築家は、これらの製品を特徴的で審美的に革新的なデザイン ソリューションに使用するために協力することがよくあります。 メーカーはチャンスを認識し、さまざまなタイプの建物で製品の使用を拡大することを目的として製品ラインを拡大しました。 もちろん、設計上の課題や考慮事項がまったくない建物エンクロージャ システムはありません。

このコースは次の支援を受けています。

構造や耐候性からエネルギー効率に至るまで、金属製の壁と屋根システムの寿命と性能は、材料特性、規格要件、ベスト プラクティスの理解に依存します。

ほとんどの金属壁および金属屋根システムは独自のものであり、各メーカーは独自のプロファイル、取り付け方法、および性能仕様を持っています。 ただし、これらのアセンブリには基本的な類似点があります。

金属システムにはさまざまな材料がありますが、比較的耐久性、耐食性、軽量であるアルミニウムが最も一般的です。 アルミニウム パネルは、平板（厚さ約 18 インチの固体板）、または発泡断熱材が 2 層の薄いアルミニウム シートの間に挟まれた複合パネルで入手できます。

スチールもよく使用される素材です。 強度があり、優れた耐衝撃性を備えている鋼は、交通量の多いエリアのファサードや、支柱間の距離が長くなければならない屋根によく選択されます。 ただし、スチールの強度は他の材料よりも重いことを意味し、荷重を支えるためにより多くの基礎構造が必要になります。 スチールには、腐食による劣化を防ぐための保護コーティングも必要です。

亜鉛パネルは、風化中に得られる表面の緑青によって独特の外観と耐久性がもたらされるため、人気も高まっています。 緑青の形成は、水分と二酸化炭素の存在下で自然に発生します。 屋根パネルの下側など、二酸化炭素が十分に存在せず湿気が存在する可能性がある場所では、結露やその他の偶発的な湿気が腐食を引き起こす可能性があるため、注意が必要です。 これは、側溝など、大量の水が溜まっている場所でも発生する可能性があります。 亜鉛パネルを使用する場合は、危険な表面に保護コーティングを施すことを考慮する必要があります。

銅は非常に耐久性のある材料オプションであり、通常は保護コーティングを必要としません。 ただし、亜鉛と同様、特定の条件下ではパネルの下側にこのようなコーティングを使用することをお勧めします。 また、コーティングされていない銅は、時間が経つと隣接する表面や材料が汚れる傾向があります。

ステンレス鋼は保護コーティングを必要とせず、明るい外観を提供します。 審美的な代替品は、99% 以上の錫の合金でコーティングされたステンレス鋼であるテルネ プレートです。 Terne プレートは亜鉛と同様の風化した外観を提供しますが、亜鉛と同様に、孔食や腐食を防ぐためにパネルの後ろに換気が必要です。

使用する材料に応じて、美観と性能の要件に基づいて、任意の数の仕上げとコーティングを選択できます。 フッ素ポリマーなどの塗料は、さまざまな色があり、退色しにくいため、金属壁の用途に広く使用されています。

ホーローコーティングは、粉末ガラスを高温で金属表面に融合させます。 フッ素ポリマーと同様に耐久性があり、デザイナーに多数の外観オプションを提供します。

多くの仕上げ材は、外観のオプションよりも保護特性を重視して開発されています。 たとえば、亜鉛メッキは、鋼鉄に適用される亜鉛の犠牲保護コーティングで、銀灰色の外観を持ち、下地の鋼鉄の腐食を防ぐために使用されます。 耐食性を高めるためにアルミニウムに使用される電解プロセスである陽極酸化処理は、限られた範囲の色 (通常は黒、ブロンズ、シルバー) でのみ利用できます。

すべての仕上げがすべての素材と互換性があるわけではないことに注意することが重要です。 適切なコーティングやペイントを選択した場合でも、塗布のタイミングが寿命に大きな影響を与える可能性があります。 通常、曲げ部分での材料のヘアライン切れを避けるために、金属の形成後にコーティングやペイントを適用するのが最善です。

一般に、利用可能な金属壁システムには「クローズド」と「オープン」の 2 つのタイプがあります。

密閉アセンブリ (「バリア」または「フェイスシール」システムとも呼ばれる) は、金属壁パネルを使用して、建物内への天候 (空気および水) の侵入を防ぎます。 金属壁パネル システムは、ファサードの空気と湿気を遮断します。 耐候性を実現するには、金属パネル間の接合部を密閉して包括的なバリアを形成する必要があります。

オープンシステムは、その名前が示すように、空気や湿気の侵入に対する主な保護を提供しません。 このような用途では、クラッドに浸透した湿気を外部に戻す方法を考慮して、パネルの背後に二次的な保護手段を組み込む必要があります。 レインスクリーンはオープン システムの一般的な形式で、過去 10 年間でますます人気が高まっています。

金属壁パネル システムがどのように設置され、下地 (最終的には建物構造) に取り付けられるかは、設計のもう 1 つの定義要素です。 パネルは、「Z」ガート、金属スタッド、または独自の構成で構成される金属サブフレーム システムに固定されるのが最も一般的です。 この固定は 2 つの方法で実現できます。「露出した」または「隠した」ファスナーを使用することです。

露出ファスナー システムでは、パネルにネジでねじ込まれたファスナーを使用してパネルが基板に取り付けられ、取り付けが容易になり、美的効果が得られるように露出したままになります。 水の浸入を制限するためにファスナーにはガスケットが付けられることがよくありますが、この方法はオープン パネル システムで最も一般的に使用されます。

隠しファスナーを使用するシステムでは、クリップを使用してパネルの端をボルトでサブフレーム システムに固定します。 この方法では、閉じたアセンブリでも開いたアセンブリでも、金属パネル システムにすっきりとした途切れのない外観を提供できます。

プレハブ金属屋根システムは、「流体動力学」または「静水力学」のいずれかとして広く定義されます。

流体動力学システムは必ずしも「防水」である必要はありません。 これらのアセンブリは、水をできるだけ早く表面全体に移動させ、屋根から取り除くことによって水をはじきます。 これには、水を効果的に移動させ、パネルの下への浸透を制限するために、流体力学的屋根に適切なピッチが必要です。 パネル接合部は耐候性ではないため、流体力学システムには、屋根表面の下に侵入する偶発的な湿気から建物の内部を保護するための基板/下敷きシステムが必要です。

一方、静水圧システムは、建物内への天候の侵入に対する屋根レベルでの主な保護を形成する水と空気のバリアです。

金属屋根システムは、構造部材間にまたがる能力によっても分類されます。 建築システムは長距離にまたがることができないため、支持のために連続した基板が必要です。 その結果、支持に必要な基材が下敷き保護システムの表面としても機能する可能性があるため、これらのアセンブリは流体力学的になることがよくあります。

構造システムは、連続基板の助けを借りずに構造部材間にまたがることができます。 これらのシステムのパネルは、より強力な金属の使用、より厚いパネル、盛り上がったパネル端、中間リブ、パネルプロファイルの波形など、さまざまな方法で強度を実現しています。 構造システムは基板を必要としないため、多くの場合静水圧式です。

選択したシステムに関係なく、金属製ルーフ パネルは通常、相互に連結または「縫い合わせ」られます。 インターロッキング方法の例には、フラットシーム、スタンディングシーム、バテンなどがあります。 静水圧用途では、耐候性を高めるためにシーラントまたははんだを使用して継ぎ目をシールすることもあります。

プレハブ金属壁システム、屋根システム、またはその両方を設計する場合、建築家またはエンジニアは、特定の基本的な設計上の考慮事項に対処する必要があります。 メーカーはこの取り組みに貢献できますが、多くの場合、建物のエンクロージャに関する知識を持つ設計専門家が不可欠です。 以下は、設計中に対処すべきいくつかの問題の簡単なリストです。

• 構造。エンクロージャ アセンブリを構築する際の主な考慮事項の 1 つは、その構造的完全性です。 ファサードおよび屋根の被覆システムは、重力、地震荷重、風荷重、たわみ、階間のドリフトなど、受ける可能性のあるさまざまな力に耐える能力を備えていなければなりません。 必要な構造要件を満たすクラッディングを設計する際には、基板から留め具、パネル自体に至るまで、システムのすべてのコンポーネントを考慮する必要があることを覚えておくことが重要です。

• 拡大。金属は温度の変化に応じてサイズが増加または減少します。 このように金属が影響を受ける傾向は、その熱膨張係数として定義されます。 係数が大きいほど、温度変化による材料の膨張または収縮が大きくなります。 たとえば、亜鉛とアルミニウムの係数は比較的高く (それぞれ 19.0 と 13.1)、鋼の係数は比較的低くなります (7.0)。 これは、亜鉛パネルは鋼鉄に比べてほぼ 3 倍、アルミニウムはほぼ 2 倍膨張することを意味します。

座屈、ファスナーの破損、システムの完全性の低下などの問題を回避するには、このような動きに対する対応を設計に組み込む必要があります。 移動許容度は、ファスナー開口部のスロット加工、パネルセクションの長さの制限、拡張継手の組み込みなど、さまざまな方法で実現できます。

• 気象の完全性—屋根とファサードのアセンブリが空気や湿気の浸入に抵抗する能力は不可欠です。 前に説明したように、これらのシステムは「閉じた」(静水圧) または「開いた」(流体力学) のいずれかにすることができます。 いずれの場合も、耐候性と湿気への対応を考慮することが必要な設計課題です。

プレハブ金属ファサードでは、「密閉」または面シールされたバリア システムは、耐候性を提供するために接合部間の一次シール (多くの場合シーム テープまたはエラストマー シーラント システム) に依存しています。 パネル間のこれらの一次シールはパネル自体よりも寿命が短いため、システムの最初の部分で故障します。 その結果、継続的なメンテナンス上の懸念が生じます。

「オープン」ファサード システムでは、パネルの背後にある基材 (多くの場合、金属スタッドの上に耐水性コーティングまたは被覆を施した外装グレードの外装) が、空気や水の侵入に対する主な保護として機能します。 このような場合、金属パネルの裏側に必然的に流れ込む水は、フラッシングとウィーピングのシステムを通じて建物の外側に送られる必要があります。 このような保護を行ったとしても、パネルの裏側に浸透する水の量は制限されるはずです。

静水圧屋根システムは、屋根の傾斜とパネルの継ぎ目の完全性 (多くの場合、シームテープ、シーラント、またははんだで補強されます) に依存して、建物への水の浸入を防ぎます。 流体力学システムは、屋根のピッチや継ぎ目の完全性からの水の浸入も制限しますが、排除することはできません。 このようなシステムでは、建物の内部を保護するために、たとえば #30 フェルト紙と合紙 (建築紙) からなる下敷きを基材に適用する必要があります。 特定の気候では、氷の悪影響を制限するために、建物まで少なくとも 24 インチにわたる屋根周囲の膜保護も考慮する必要があります。

急勾配の屋根には、表面または下地に溜まった水を除去するために、適切なサイズと構成の雨樋、リーダー、縦樋を含める必要があります。 雨樋は外部に設置することも、「内蔵」（隠蔽）することもできます。

最後に、「耐候性」には、湿気だけでなく空気に対する耐性も含まれます。 現在、ほとんどの管轄当局は、建物の筐体を通る空気の流れを制限する特定の要件を設けています。 湿気からの保護と同様に、密閉システムはそのような空気の流れに抵抗するために金属パネル システムに依存しますが、開放システムは空気の侵入を防ぐために基板バリアに依存します。

• 熱性能。建物の筐体は、エネルギーと熱性能に関するますます厳しくなる要件を満たす必要があります。 金属システムは熱質量が小さいことから恩恵を受けます。 ただし、絶縁体としてはあまり優れていません。 したがって、アセンブリ内での断熱材の使用は、設計時に考慮する必要があります。 通常、断熱材は金属パネルとその下にある基板の間に設置され、ミネラルウールまたは押出ポリスチレンやポリイソシアヌレートなどの発泡プラスチックで構成されます。

エネルギー性能要件は、気候帯と地域で採用されているモデル建築基準によって異なります。 たとえば、ニューヨーク市では、屋根アセンブリには少なくとも R-30 の熱抵抗を持つ断熱材を含める必要があります。 金属フレームの壁には、R-7.5 の連続断熱材に加えて、サブフレームのスタッド間に R-13 の追加の断熱材を含める必要があります。

プレハブ金属パネルの壁および屋根システムの多くは、定義上、金属の線透過率および点透過率 (建物の内部と外部の間でエネルギーを伝達する熱ショート) を考慮し、可能な限り排除する必要があります。 このような対策は、アセンブリ内の結露の可能性を減らすのにも役立ちます。

多くの場合金属ガートを使用してパネルを基板に取り付ける必要があるため、アセンブリ内の断熱が頻繁に中断され、熱ショートが発生し、壁や屋根の全体的な効率が低下します。 このような場合、通常はエアロゲルと呼ばれる軽量で多孔質のコーティングの形をしたアイソレーターをサブフレームシステムに適用して、その表面に沿ったエネルギーの伝達を減らすことができます。

• 結露。ファサードまたは屋根システム内で結露が発生する可能性を設計時に考慮し、そのような湿気の悪影響を制限するための措置を講じる必要があります。 パネルの背後または下に適切な換気を提供するだけで十分な場合もありますが、多くの場合、正しく設計され設置された防湿装置が必要です。

• 音の減衰。通常、金属パネル システムは音の伝達を軽減するのにあまり効果的ではありません。 設計中に、プロジェクトの STC (「音響伝送クラス」) または OITC (「屋外/屋内伝送クラス」) の評価を確立し、システムの音響減衰特性を特定する必要があります。 その後、追加の断熱材や空気キャビティを組み込むなど、アセンブリの特性を強化するための措置を講じることができます。

• 可燃性。プレハブ金属パネル筐体システム内で特定の建築材料（断熱材としての発泡プラスチックや複合金属パネルのコア材料など）を使用すると、可燃性の問題が発生する可能性があります。 設計の専門家は、そのようなアセンブリの可燃性を管理する要件について、該当するコードを参照する必要があります。 これらの要件に準拠する必要があるのはアセンブリ自体だけではないことに留意してください。 外壁全体にわたって必要な防火を実現するには、隣接する建物システム (床の間、壁と屋根の間など) への移行の詳細を考慮する必要があります。

• 外観。この記事では金属製の壁と屋根システムの技術的側面に焦点を当てていますが、それでも外観は設計上の重要な考慮事項です。 技術的な考慮事項は全体的な外観に影響を与える可能性があるため、美観に悪影響を与える可能性のある選択を避けるように注意する必要があります。

電信（下にある補強材や留め具の輪郭が金属パネルの表面に現れる）やオイル缶（パネルの表面に波打ちやくぼみが現れる）などの問題が発生する可能性については、メーカーに相談してください。

• 雪と氷の蓄積。特定の気候では、屋根に雪や氷が積もる可能性が懸念されます。 このような蓄積により、周囲のアセンブリが損傷したり、建物から落下したりする可能性があり、危険が生じます。

不適切な排水設計により、屋根の端にこのような蓄積が生じる可能性があります。 雨樋やリーダーが小さすぎるか、不適切に構成されていると、流出水が再凍結する前に適切に除去できず、その結果、雨樋や軒に大量の氷が蓄積し、周囲のアセンブリに損傷を与えたり、「アイスジャッキング」として知られるプロセスを通じて建物に侵入したりする可能性があります。 設計中に、屋根の排水システムが適切なサイズであること、および雨樋が板金および空調請負業者の全国協会建築板金マニュアルなどの認知された基準に従って構成されていることを確認するために計算を実行する必要があります。

適切に設計された排水システムがあっても、危険を伴うほどの量の雪や氷が蓄積する可能性は依然として存在します。 この可能性を制限するために、屋根の設計に適切な防雪システムを組み込むことを考慮する必要があります。 屋根の排水システムと同様に、システムが時間の経過とともに徐々に流出を促進し、屋根の 1 つの領域への蓄積を制限する方法で雪や氷を抑制していることを確認するために計算を実行する必要があります。 理想的には、このようなシステムは金属屋根パネルを貫通すべきではありません。

適切な屋根裏換気は、軒先での氷のダムの形成を防ぎ、防雪システムへの負担を軽減し、雨漏りの可能性を軽減します。

• 異種金属。アセンブリ内で異なる金属が互いに接触すると、ガルバニック作用により腐食が発生したり、水の流出により汚れが発生したりする可能性があります。 ガルバニック作用の可能性がある場合、異種金属は保護コーティングまたはその他の方法で分離する必要があります。

• 持続可能性。多くの既製金属パネル システムには 25% ～ 95% のリサイクル材料が含まれていることに注意することが重要です。 ほとんどの金属パネル システムは、耐用年数が経過した後、再びリサイクルできます。

一般にエンクロージャ システム、特にプレハブ金属パネル システムの複雑さとパフォーマンス要件により、モックアップとテストは検討する価値があります。 以下は、設計および建設のさまざまな段階で利用可能なオプションの概要です。

設計段階では、メーカーのテストデータと技術文書を提供する必要があります。 これにより、設計チームは、提案されたアセンブリがさまざまなプロジェクト要件を満たしていることを確認したり、不足している可能性のある重要な情報を特定したりすることができます。 メーカーからの技術文書が不完全である場合は、システムがアプリケーションに適していないこと、またはその使用を検証するために追加のテストが必要であることを示している可能性があります。

構築前に、ビジュアル モックアップ (VMU) を使用すると、すべての関係者が提案されたシステムの代表的なサンプルを観察し、美観と設計意図を承認することができます。 VMU を使用すると、チームは全体的な外観、プロポーション、色、質感だけでなく、「電信」や「オイル缶」などの望ましくない視覚的特徴を制限する試みの有効性を確認できるようになります。

VMU は、オンサイトまたはオフサイトで製造されたプロジェクト固有のモックアップである場合もあれば、設計チームやメーカーによって特定された、以前のプロジェクトにインストールされた同様のシステムである場合もあります。

パフォーマンス モックアップ (PMU) は、オフサイトのテスト施設に設置されたエンクロージャ アセンブリの代表的なサンプルであり、承認されたテスト方法により、システムが構造的完全性、熱抵抗、音響、空気などのパフォーマンス要件に適合していることを確認できます。耐水性。 PMU テストは通常​​、建設と同時に行われます。

つまり、メーカーが公開したデータは、壁または屋根アセンブリの性能の概要を提供しますが、独立した検証テストの代わりにはなりません。 建設前の VMU テストでは設計パラメータを確立し、建設中の現場での PMU テストでは空気抵抗や耐水性などの問題について、システムが性能要件を満たしているかどうかを検証します。

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