JP2010516926A - 熱と風に対する建築物の防護シールド - Google Patents

Abstract

家屋の屋根を熱及び強風から防護する。穴をあけられた板で屋根と壁を覆う。異なるタイプの穿孔付鋼板上に、異なる直径の穴が配置されて、目的に応じて使われる。

Description

本発明は、熱と風に対する建築物の防護シールドに関する。

適用分野：
建築物と土木工学。

技術分野：
エネルギー節約と制御、建築物屋根の対暴風防護。

技術的問題：
強い日射を受ける屋根は、熱の形で、建築物の内部へ大量に熱を発することによって、エネルギーを保存する。

強風にさらされる屋根には強い力学的な力がかかり、屋根が飛ばされることがある。

独国実用新案第２０３０３１５７（Ｕ１）号明細書 仏国特許出願公開第２２８７５５７（Ａ）号明細書 国際公開第２００３／１４７９１８号パンフレット 特開２００３−１４７９１８号公報

解決策提案：
穴をあけられた板で屋根と壁を覆う。異なるタイプの穿孔鋼板上に、異なる直径の穴が配置されて、目的に応じて使われる。（パラグラフ２−１「利用される物理的性質」参照）。

長所：
防護シールドは、非常に日当りのよい地域で居住の快適さを向上させる。
エアコン利用におけるエネルギー節減と、利用される資材の低コストにより、投資金額の低減化がもたらされる。
暴風時にも、より安全な居住空間を実現する。

熱と風に対する建築物の防護用シールドの構成の概略図である。 自然な冷却のメカニズムを図解する穿孔付鋼板の断面図である。 穿孔付鋼板の２つのタイプを示す。ａ）タイプＡ（直径：５ｍｍ ピッチ：１２．５ｍｍ）；ｂ）タイプＢ（直径：６ｍｍ ピッチ：１２ｍｍ）。 実験用家屋の写真である。 ３．５ｃｍ：１ｍのスケールのモデルの図である。 記録の点の位置と温度測定の指示を示す。 防護シールドを有するモデルと防護シールドを有しないモデルの写真である。 スペーサーの図を示す。 スペーサーの組立て例を示す。ａ）は平らな頂部起伏を持つ鋼板、ｂ）は丸い頂部起伏をもつ鋼板：「熱帯屋根鋼板」タイプ、ｃ）は「波状鋼板」タイプの鋼板を示す。 屋根用のスペーサーの抵抗の測定するための負荷設定を示す。 ２００ｍｍより大きいギャップδでの組立てが可能なスペーサーの例を示す。 スペーサー製造と固定の９段階を示す。 ａ）はスペーサーに埋め込まれた棚の、ｂ）は棚で固定された穿孔付鋼板の組立を示す。 暴風による空気の流れの線の概略図を示す。 屋根の風に面した側から、穿孔付鋼板へ向かう（空気の）流れの線を示す。 実験用家屋の防護シールドの詳細を示す。

記載事項のサマリー：
１．プレゼンテーション
２．パフォーマンス
２−１ 利用される物理的性質
２−２ モデルと実験用家屋に記録された測定値
３．スペーサーと防護シールドの組立例
３−１ スペーサー
３−２ 防護シールドの組立
４．防護シールドに対する空気の動き
４−１ 風上側
４−２ 風下側
５．結論

１．プレゼンテーション
防護シールドは、穴をあけられためっき鋼板と、塗装された既存の屋根とで二重にして、形成される（図１及び要約参照）。敷設する直前に、これらの鋼板は屋根ふき材と外装材パネル用のフル（穴の無い）鋼板と同じように、冷却圧延作業にかけられる。

鋼板を、例えば、屋根自体の重さ、組み立て工の体重、風力、最後に雪などの、異なる力学的なストレスに耐えうるような十分な強固さを提供するように形成する。

特に、当該組み立ては、すでに金属板でおおわれている屋根に好適である。というのは、この場合、スペーサーの助けを借りて、鋼板は古い屋根の備品のレベルに固定する必要があるからである。こうすると、余計な作業が不要となる。

そのような穿孔付鋼板はすでに市場に供給されており、現在は外装材パネルとして使われている。

以下に、２つのタイプの穿孔付鋼板の比較の概略を示す。しかし、任意の種類の穿孔付鋼板でも、熱と風に対する防護シールドの組立てに適し得る。

以下に、屋根用防護シールドの説明のための要素を詳述するが、これらの要素は壁用防護シールドとも同様に関連する（詳細については、パラグラフ３−２の最後を参照のこと）。

２．パフォーマンス
２−１ 利用される物理的性質：
天気が穏やかな間、または、屋根の風下の側で、穿孔付鋼板が日光（図２）によって照らされるとすぐに、照らされた側の上に鋼板と接触している空気層と、隣接した空気層との間に温度差が生じる。冷たい空気と比べて、重くない熱い空気は、アルキメデスの原理に従って上昇して、鋼板から離れた周囲の空気に溶け込む。

このメカニズムにより、鋼板下から穿孔を通って、それにより熱を帯びて、鋼板下に存在する空気の連続吸引が生じる。このように、空気は、その循環における鋼板との接触によって、熱エネルギーを鋼板と交換する冷却流体の働きをする。

その結果、周囲の気温の値に近い、鋼板の温度が維持される。しかし、穿孔付鋼板の温度は、実験用家屋の風下側では、周囲温度より最高８℃高くなる可能性があるとの記録がある。

穿孔付鋼板の下に位置する元の屋根は、穿孔付鋼板に由来する赤外線の形態で受けるエネルギーがほとんどない。とりわけ、元の屋根は、穴を通してもたらされる太陽放射線からのエネルギーを受ける。これらの放射線によって伝導される熱は、温度の非常に穏やかな上昇につながる全ての古い屋根ふきで広がる。古い屋根が暗い色であるとき、その温度は穿孔付鋼板の温度に近いままとなる。鋼板が明るい色の場合は、温度は２℃くらいまで下がり得る。

穏やかな風（風速１５ｍ／ｓ未満）が吹いている間、気流には風力勾配が観察される。この風力勾配は、屋根からその距離に比例して、低い値から非常に高い値にまで上昇する。したがって、風速は下面よりは、穿孔付鋼板の上面で、より高くなる。この風速勾配から、屋根と穿孔付鋼板の間で発生している空気の自然吸引は、穿孔を通して生じる。この現象は、「ベルヌーイの効果」によってよりよく説明される。亜音速の速度で流れている流体において、速度の増大は、圧力の縮小を伴う。

この現象は、穿孔付鋼板の冷却をさらに効果的にする。鋼板の２つのタイプがテストされて、図３の通り、１：１のスケールで表示される。

鋼板のタイプの選択は、以下のように好まれる望ましい防護に応じて行う必要がある。

ガイアナの場合のような、風からの保護が緊急でない場合は、より小さい穿孔の鋼板が選択される。理由は、これらは、より広くカバーして、熱からの保護のためにより良いパフォーマンスを防護シールドへ供給するからである。タイプＡ（図３ａ）の鋼板がその例である。おおわれる表面は全体の表面の８５％である。すなわち１４．５％の古い屋根面だけは、まだ太陽放射線を受ける。

タイプＢ（図３ｂ）の鋼板では、屋根の７７．３％のみが陰にある。すなわち、屋根ふき材の全体の表面の２２．７％が、太陽に照らされたままとなる。一方で、古い屋根は、より大きな穿孔の影響で、強風の間、より多くの熱を受ける。風力エネルギーの損失が大きくなればなるほど、屋根全体が外れるリスクが減る。

２−２ モデルと実験用家屋で記録された測定値
２種類の構造が、「熱と風に対する建築物の防護シールド」としてのパフォーマンスを試すために使われた。例として、図４の写真にある実験用家屋と図５、６、７により詳細に表示されるモデルがある。モデルの目的は、「熱と風に対する防護シールドとして建築物に寄与する」装置を置くことの有用性を確かめることにある。実際、それは熱からの保護に関しては、興味を引くパフォーマンスを示した。しかし、その小さなサイズに起因する限界も呈示された。実験用家屋に関しては、モデルを使った実験結果で確認することができた。さらに、少なくともモデルの上では確認可能な、鋼板に沿った温度勾配のような事象があることが明確となった。

図５：３．５ｃｍ：１ｍのスケールのモデルの図。
図６：記録の点の位置と温度測定の指示。
図７：防護シールドを有するモデルと防護シールドを有しないモデルの写真である。

モデルは、１２ｍｍの厚さの木の、コア合板で作られた。それに湿気と昆虫に対する耐性を持たせるべく、タールコートをかけた。ベース屋根ふきは、マリン・ブルーカラー色で塗装された鋼板で作られた。

これは、放射線の点で、このモデルを可能な限り最悪の状況にさらした。

上下の鋼板間の隙間は、図７ａに示される装置によれば、８０から３００ｍｍまでで変えられた。図６は、温度が上昇していた点を図式的に示し、これは３つの構成で観察された。
防護なし（図６ａ）
スカイブルー色のフルの（穿孔なしの）鋼板による防護（図６ｂ）
タイプＡの、穿孔付鋼板による防護（図６ｃ）。

表１は、「２００６年３月の短くて乾燥した夏」の期間中の記録活動の概要を示す。温度が大きく上昇し、平均的なレベルではなかった。

表の列は、朝１１時から１２：３０までの間の同じ日の気温上昇を示す。各々の日における日射と風の状態は、ほぼ同じである。平均風速は５−６ｍ／ｓであり、風速１０ｍ／ｓ程度の突風が約５−１０秒間あった。しかし、これは２−１０分おきに発生した。

温度が上昇した方角は、優勢な空気の流れと一致していた。モデルの場合は正確に東の方角で、実験用家屋の場合は東北の方角であった。

「増加」の行にあるＭｑは、モデルを意味し、ＭＥは実験用家屋を意味する。
「状態」の行は、防護の状態と読み変えてよい。
「裸」＝裸の（防護の無い）屋根である。
「フル」＝フル（穴の無い）鋼板の防護シールドである。
「穿孔」＝穿孔鋼板を備えた防護シールドであり、タイプＡがモデル用でタイプＢが実験用家屋用である。
ｄｍｍの行では、防護シールドと古い元の屋根との隙間はミリメートルで記録されている。

注意：図６と表ｌとの間にリンクを持たせるには、表１の文字ｄが、ギリシア文字デルタ（δ）に読み替える必要がある。同様に、ｑは、シータ（θ）と読み替える必要がある。

摂氏での温度表示は、文字ｑで行われる。

ｑ_ａの行は水銀温度計（精度０．１℃）で記録された周囲温度の上昇である。ｑ_ａの測定値は、日光がない、風を密封された区画で記録された。

インデックス（ｉ）は、温度がモデル（壁から２００ｍｍほど離れて）または実験用家屋（部屋の中央）内の水銀温度計で記録されたことを示す。

インデックス（ｓ）は、点の近くの記録の分散を考慮した精度０．５℃の赤外線温度計で記録された表面の温度を示す。

インデックス（ｂ）はモデルの場合は基幹部分、実験用家屋場合は地上階の部屋を示す。

インデックス（ｃ）はモデルまたは実験用家屋の屋上（鋼板のすぐ下に位置する容積部分）を示す。

表１では、異なる構成の防護シールドを、いかなる防護シールドもない屋根ふき材と比較する。モデルからは、サイズが小さな（防護シールドなし分も含めて）表面での、換気の効果が読み取れる。

実験用家屋に関しては、裸（防護なし）鋼板の最高気温は、風にさらされている側では６２℃を記録し、風から密封されている（西）側では７５℃を記録した。

古い屋根ふき材と防護シールドの鋼板との隙間も同様に重要な役割を演じるが、興味深いパフォーマンスは最も小さな隙間（８０ｍｍ）から得られる。一方、この隙間を無制限に拡大するのは無駄である。といいうのは、２００ｍｍを超えると、熱のパフォーマンスに改善がなくなるからである。もう一方では、隙間が大きくなればなるほど暴風からの保護が考慮されるからである。

実験用家屋に関しては、１７５ｍｍの隙間ｄ（デルタ）は、モデルで得られる結果を考慮して選ばれ。周囲温度と穿孔付鋼板（表の最後の列）温度との低い違いは、この構成での防護シールドの効果を示す。

３．スペーサーと防護シールドの組立例
３−１ スペーサー
図８の表示により、実験用家屋に使われたスペーサーが画定される。組立の都合上、スペーサーは、基幹部分に向けて開いた状態で設置することが望ましい。

スペーサーは、カバーされる屋根鋼板のタイプに従って採用する必要がある。したがって、共通の特徴（図８の中の固定された側）、共通の特性（以下に記す）、及び鋼板の一つのタイプの、他の面（図８の主にａ、ｂ、ｃ側）をカバーする多様な面が注目された。

すべてのスペーサーに共通の特性：
抵抗力を持たせるべく、カバーされるれる鋼板の起伏の頂点に、フラップ２及びフラップ３の双方が極力近づいた状態に位置させる必要がある。

平らな頂部（図８と９ａ）を持つ鋼板の場合は、この状態は、容易に作ることができる。それは（ａ）側が２つの連続的な起伏の外側折り目間の距離に対して等しいか、最大で１０ｍｍ以上離れていれば十分である（１０ｍｍは２つの端部間に配置される）。

丸い頂部（図９ｂと９ｃ）で起伏を持つ鋼板の場合は、（ａ）側は２つの連続する頂部の軸間の距離より１５から２０ｍｍ（スペーサーの２つの端部間にできる最大距離）を超過する必要がある。

もし、この条件が満たされない場合は、スペーサーの基幹部分の重さにより、鋼板が傾くリスクがある。理由は、締め付けねじがこれらの起伏のピークを必然的に通り抜けなければならないからである。また、これらのねじの締め付けのためのキーを導入するべく、スペーサー内にスペースを維持する必要があるからである。

しかし、「起伏のない鋼板」と呼ばれる鋼板に関しては、スペーサの端部に起伏の頂部を付加することができる（５ｍｍの超過が可能。図９ｃ）。

（ａ）側は、３００ｍｍ以上の長さを保持しながら、スペーサーが所定数の起伏をカバーするように選ばれた。スペーサーの各端部に対し、締め付けねじが、この端に最も近い起伏の頂部のレベルに配置された。

（ｂ）側は、第２の可変的な側である。これは、想定される保護のタイプに依存する。
表１からは、防護シールドがすでに、鋼板間８０ｍｍの隙間に対して効果的であることが読み取れる。対応するスペーサーは、はるかに大きな機械的強度がある。

実験用家屋に関しては、２５ｍｍの起伏の高さにおいてｂ側が１５０ｍｍとなる１７５ｍｍの隙間が得られた。

完了された詳細な計算により、力Ｆが図１０に示される設定を越えない場合は、ｂ＝１５０ｍｍとなるスペーサーが折り曲げ及び座屈に抵抗することが確証された。

当該計算によれば、この力の限界値は、力が屋根に平行に作用してベース（図ｌ０参照）の方向に向けられた場合、１８００ニュートンとなる。最も応力を受けるの区画はフラップ２及び３である。

負荷が、組立のために屋根の上に登っている組立工の体重によっても増加するかもしれない。さらに、組立工に対して、組み立て作業中は、スペーサーの頂部上にはいないように指示することが望ましい。

明らかに、（ｂ）側が増加するにつれて、負荷によりスペーサーが落ちるリスクが増加する。（ｂ）の値が１５０ｍｍを越える場合、スペーサーのベースから（ｃ）側を増加させて、第１のスペーサーには第２のリベットを付加することが望ましい（図１１）。

図１２の連続写真は、熟練組立工による現場でのスペーサーの組立のそれぞれの順番を表示する。ここで例示されている例により、モデル家屋のスペーサーの作り方がわかる。

（ａ）４３０ｍｍ長のＵ字型プロファイル（６０ｍｍ，１５０ｍｍ，３５ｍｍ）をカットする。
（ｂ）フラップ１、２、及び３をカットする。
（ｃ）Ｕプロファイルの外側にフラップ１を折り曲げる。
（ｄ）Ｕプロファイルの内側にフラップ２を折り曲げる。
（ｅ）フラップ２をカバーするようにフラップ３を折り曲げる。
（ｆ）フラップ２及び３とを組立てるべくリベットを配置する（締め付けねじの装着の余地を残すために、リベットのヘッド部分が、スペーサーの内部に収まること）。
（ｇ）スペーサーを屋根上に配置する。スペーサーは、屋根の鋼板が固定された梁の上に、正確に配置する必要がある。可能であれば、シールを確実にするべく既存の穴を利用して、ゴム製のワッシャーを鋼板とスペーサーとの間に設置する必要がある。
（ｈ）締め付けねじを配置する。スペーサーと鋼板との間に置かれるタールコート紙ボードを使って、スペーサーのシートを固めるが、強制的なものではない。
（ｉ）スペーサーは、３０×５０ｍｍの長方形断面の棚を受け入れることができる。実在する防護シールドの穿孔付鋼板がこれに固定される。

３−２ 防護シールドの組立
２つの連続するスペーサー間の距離は、図８の（ａ）側のおよそ１．５倍に等しい。３００ｍｍの長さを増やしてもよく、２倍まで増やしてもよい。暴風にさらされにくい地理的エリアでは、この組み立てに抵抗力をもたせる必要はない。したがって、２つのスペーサー間の距離が（ａ）側以下であってよい。一旦スペーサーが古い屋根に設置されると、スペーサーは棚を受け入れ、棚はスペーサーの上側に埋め込まれる（図１３ａ）。最初に、棚はかび防止剤の処置を受けて、タールコートのアルミニウム膜（屋根を修復するための不浸透性のフィルム）によって、完全におおわれた。このフィルムは、棚を昆虫と湿気から保護するために用意される。

単純にスペーサーを多用することで、組み立ての間に棚を支えることができる。しかし、図ｌ３ｂで見られる補助粘着フィルムによっても、棚の保持が補強される。

ねじのヘッド部分を設置する間に、穿孔付鋼板の下で有機コーティングがひっかかれるリスクがあるので、棚をスペーサー上に、スペーサーの頂部に配置されるねじを使って固定することは回避する価値がある。

その設置後、穿孔付鋼板は、屋根ふき材用の通常のショートヘッド（めっきされたアンカーボルトタイプ、直径６ｍｍ、先端部直下では４０ｍｍ）によって固定される。これらは、棚とスペーサーとの接続、穿孔付鋼板と棚との接続を確実にするねじである。

正しく設置されたねじは、棚に通される前に、穿孔付鋼板とスペーサーの頂部とを通り抜ける必要がある。

ねじの表面に、雨水が接しないようにするには、穿孔付鋼板（図１３ｂ）の起伏の底に、これらのねじを設置するのが好ましい。

組立の実施においては、油をさされたねじを使うことが好ましい（例：自動車潤滑油）。

壁に使う防護シールドには、スペーサーの組立と組み立ては、図１２及び１３に示されるものと類似する。複数のスペーサーとそれらの棚は、単に水平線上に１．２ｍの間隔で配置される。これらのスペーサーは、３００ｍｍの所で固定されたａ側（図８）を有し、２つの連続したスペーサー間には６００ｍｍの水平方向の間隔が維持される。穿孔付鋼板は、３００ｍｍ未満の隙間が鋼板のベースと地面との間に存在するように固定される。壁用の防護シールドに使われる限られたサイズの穿孔付鋼板を固定することについては、鋼板が届く高さは、組み立てられた状態でその頂部が、東側では朝９時、西側では１７時に屋根によって投影される暗い領域の内部に侵入するように制限される。このようにすると、装置の効果は影響を受けない。しかし、美感上の理由で、より大きな寸法のものが採用される可能性がある。しかし、少なくとも３００ｍｍの隙間が鋼板の頂部と屋根の底部との間で維持されて、壁と鋼板との間に良好な空気循環が実現される。

４．防護シールドに対する空気の動き
最も好ましくない風は、方角性の強い構成要素を持ち、屋根の下部のストッパに対して垂直に吹き込むものである。この場合、露出している屋根のほとんどが、２つの側に斜面を持つ。風が屋根に対して平行に吹く時は、屋根中に比較的均一な圧力を発生させる。穿孔付鋼板の存在のために、風による負荷の損失は、普通の屋根に比較すると、風の流れが減速して、建築内部と屋根の外部間での圧力差の縮小に至る。したがって、以下の２つのパラグラフでは、屋根の棟部分のストッパに垂直な風にさらされる２つの面で傾斜を有する屋根について論じる。

４−１ 風上側
機械的に最も強いのは屋根の面である。屋根の近くの風上においては、風の流線は、斜面の方向に傾斜する（図１４）。これは曲率の中心（ベルヌーイの理論から推論される関係）から離れていくに従って、すなわち屋根に近づくに従って、気圧勾配が増加することを意味する。同時に、風速は、反対方向に変化する勾配に応じて分布する。

この事実から言えることは、双方の現象が防護シールドの近くで共存するということである：
そのベースでは、空気は、穴、さらにスペーサー間を通して、穿孔付鋼板の下に押し寄せる。これが、風の負荷の大きな損失と、穿孔付鋼板下の大気速度の大幅な減少とをもたらす。なお、風速１０ｍ／ｓの下では、穿孔付鋼板下での空気の流れは３−４ｍ／ｓである。これは熱線風速計で測定された。

構造上高い所では、風速は、穿孔付鋼板の下面よりも、上面の方が高速である。これにより、下面の下で循環する空気ジェットの吸入と、鋼板の各々の穿孔のちょうど上に位置する減圧ゾーンが生じる（図１５）。

これらのメカニズムは、補償される傾向を有する効果がある。すなわち、防護シールドのベース上で風によりもたらされるコーティングの効果と、上部においてコーティングの効果を低減させる吸入効果とがある。

全体的に、防護シールドの存在は屋根上を流れる空気の速度を低減する。

防護シールドのない構造と比較すると、防護シールドは結果的に、家屋内と家屋外との差圧の低減をもたらす。

４−２ 風下側
上記と比べて比較的穏やかな風下の地域は、ほとんど均一に気圧の低い領域である。屋根の頂部を通り過ぎることにより発生する回転は、屋根の上で空気を下降させることによりコーティングの効果さえ持ち得る。この効果は、強い風であればなお一層顕著となる。

最も低い圧力は、穿孔付鋼板鋼板の下での空気循環によって、屋根の棟部分の近くに存在する。

まとめると、暴風に露出される場合には、ベースの圧力に最もさらされる空間は屋根の棟部分の近くに位置する。

したがって、これらの地域で防護シールドでの保護を補強するためには、できる限り、屋根の棟部分に最も近い梁に置かれるスペーサー同士の間隔を減らすことが必須となる。

さらに、換気用の棟瓦として働く穿孔付鋼板と、防護シールドの２つの屋上のスロープ間での接続を持たせる他の鋼板には、自由な端（図１６）を持つ必要がある（例：折り重ねがないこと）。

防護シールド本体の鋼板と、換気用の棟瓦との結合は、リベット（タイプＡに対しては直径５ｍｍ、タイプＢに対しては直径６ｍｍ）により行う必要がある。図１６の写真中で見られる実験用家屋の防護シールドの上でリベットの配置が示されているように、１端部につき少なくとも１本のリベットの割合にする必要がある。

５．結論
「熱と風に対する建築物の防護シールド」は屋根での温度低減と、各部屋間で均一な温度を得ることとを可能にすることで、防護シールドで覆われた建築物の内部での快適さの改善をもたらす。当然、これはエアコン利用に関係しての省エネルギーにつながる。

直接接触する風を減速させることで、防護シールドは、暴風の場合に備えて、建築物の抵抗を補強する。なお、換気用の棟瓦も、屋根の頂部レベルでの風によって屋根が外れるリスクの低減に重要な役割を演ずる。

Claims (1)

1. 穿孔付鋼板による建築物の屋根と垂直壁をカバーすること。カバーすることは、寸法、デザイン、及び古い屋根上又は壁上の配置が「熱と風に対する建築物の防護シールド」を特徴づけるスペーサにより行われる。「熱と風に対する建築物の防護シールド」の効果は、基本的にスペーサーと、その正しい組立に依存する。