木材での固定

ロバート・ライヒティ博士著小径の釘とネジ (つまり 6 mm [0.23 インチ] 未満) は、木造フレーム構造の性能に不可欠です。 これらの留め具 (図 1) は、以下の点で重要な役割を果たします。

カナダ国家建築基準 (NBC) は、典型的な木造フレーム構造の固定に関する規範的なガイダンスを提供しています。 同時に、カナダ規格協会 (CSA) O86-09「木材の工学設計」は、工学設計のための合理的な力学に基づく解析方法を提供しています。 これらのリソースはどちらも、小径駆動ファスナーの参照仕様として、CSA B111、ワイヤー ネイル、スパイク、およびステープルに依存しています。 この基準は 1974 年に初めて承認され、最近では 2003 年に再確認されましたが、更新されませんでした。 結果として、CSA B111 はドリブン ファスナーの有用なガイドとなりましたが、1970 年代初頭以降に起こった多くの変更を反映していませんでした。 これらには、パワーネイラーとそれに取り付けられるように設計された留め具の一般的な使用、化学木材処理の変更、それらの化学物質に関連する腐食状態、および耐食性コーティングが含まれます。 現在、CSA B111 は廃止され、NBC と CSA O86-09 には釘の参照規格がなくなりました。

CSA O86-09 では、木造建築用のねじは、米国機械学会 (ASME) B18.6.1、木ねじ (インチ シリーズ)、および ASME B18.2.1、四角、六角、重量六角、および斜頭ボルトに従って指定されています。六角、ヘビーヘックス、六角フランジ、ロブヘッド、ラグネジ（インチシリーズ）。 これらの基準は定期的に再確認されており、最新のものです。 現在、標準の木ネジやラグネジよりも効率的な独自の木ネジが数多く入手可能です。 ただし、独自のネジは必ずしも ASME 規格に準拠しているわけではありません。

ファスナーの規格や製品自体、腐食環境や木材の材質も変化しています。 構造複合材 (SCL)、木製構造パネル (WSP)、木製 I ジョイストなどの人工木材製品 (EWP) は、現代の軽量フレーム構造の典型です。 これらの材料の固定では、接続が設計どおりに機能するように基本に注意する必要があります。 重要な問題は、EWP との接続設計において正しい比重 (つまり、相対密度) を使用することです。

最後に、腐朽を防ぐための木材処理化学薬品の配合は、過去 10 年間で大きな変化を遂げました。 この変化は、特定の製剤の人体への毒性が認められていることと規制上の脅威によって引き起こされました。 新しい一般的な木材処理化学薬品は、以前の処理化学薬品よりも金属ファスナーの腐食環境を悪化させます。 重亜鉛めっき、バリアコーティングと組み合わせた亜鉛めっき、およびステンレス鋼は耐食性に対する解決策ですが、性能要件を満たすには正しいファスナー仕様が重要です。

この記事の目的は、廃止された CSA B111 に対する推奨事項を提供し、独自の木ねじを認識し、設計およびファスナーの仕様における相対密度と耐食性の重要性を高めることです。

小径接続設計小径締結に関するコードおよび参照規格である NBC および CSA O86-09 の概要を図 2 に示します。NBC の表は、規範的な締結要件に関するガイダンスを提供し、CSA O86-09 のセクションでは人工木材設計の分析の概要を説明します。

小径ファスナーの一般的な接続設計には、一部の釘やネジの引き抜き抵抗、横方向 (せん断) 抵抗、ヘッド抜けの解析が含まれます (図 3)。 NBC の規範的な締結スケジュールは、該当する CSA O86-09 セクションの詳細に記載されている明記されていない要件に基づいています (図 4)。 たとえば、計算されたプロパティと規範的な締結スケジュールは次のことを前提としています。

その他の要件については、NBC および CSA O86-09 の該当するセクションを参照してください。

横方向に荷重がかかる接続の工学解析では、設計専門家がさまざまな降伏メカニズムに関連する、一般に「降伏限界方程式」と呼ばれる一連の方程式を解く必要があります。 制御メカニズムは、木材の降伏、留め具の剛な回転、または木材の多少の押しつぶしによる留め具の曲がりである可能性があります。 方程式は工学力学に基づいており、変数には次のものが含まれます。

最小の数値結果を生み出す方程式は設計を制御し、期待される収率メカニズムを説明します。

爪仕様 NBC では、表 9.23.3.4 に典型的なフレーム接続と適切な釘を示します。 釘は CSA B111 で定義されていますが、前述したように現在は廃止されています。 CSA O86-09 は、やはり CSA B111 を参照して、附属書 A.10.9.5.2 で同じ釘を特定しています。 釘の仕様規格に対する解決策は、ASTM F1667「駆動ファスナーの標準仕様: 釘、スパイク、およびステープル」で入手できます。 この規格は 1998 年に導入され、ASTM 要件に従って 2011 年に更新され、ASTM 小委員会 F16.05 の管轄下にあります。

ASTM F1667 には、打ち込み釘、ステープル、スパイクに関する次のような仕様要件が規定されています。

標準範囲記述で明らかになったように、ASTM F1667 には動力またはハンマー駆動のファスナーが含まれています。 また、釘、ステープル、スパイクの表が 59 個含まれていますが、そのすべてが構造上の固定に使用されるわけではありません。 NBC および CSA O86-09 で使用する最も重要な ASTM F1667 表は、表 15「一般的な釘」および表 S1.1「低および中炭素釘およびスパイク」であり、釘の曲げ降伏強さを示します。

NBC で指定され、CSA O86-09 の付録にリストされている釘は、図 5 の最初の 3 列に示されています。これは、NBC フレーム表で呼び出された釘が CSA O86-09 で認識されることを示しています。 図 5 には、ASTM F1667 から選択された一般的な釘も示されています。 ASTM 表の釘を CSA O86-09 付属書に示されている釘と比較すると、一般的な ASTM 釘がカナダの標準釘と同じサイズ (直径および長さ) であることは明らかです。

釘の重要な特性は曲げ降伏強さです。これは横方向の荷重下での性能にとって重要であるためです。 ASTM F1667 では、釘の最小平均曲げ降伏強度が直径範囲ごとに指定されています。 図 6 に、直径範囲と指定された曲げ降伏強度を示します。 CSA O86-09 では、曲げ降伏強度は釘の直径の関数であり、直径が小さい釘の方が大きい釘よりも曲げ降伏強度が大きくなります。 CSA O86-09 式を使用して計算した曲げ降伏強度を、ASTM F1667 に規定されているネイル直径の範囲について図 6 に示します。 ASTM F1667 の曲げ降伏強さの仕様 (3 列目) と CSA O86-09 釘の計算された要件 (4 列目) を比較すると、ASTM F1667 の曲げ降伏強さの仕様が CSA O86-09 の要件を満たしていることがわかります。

釘の仕様には、寸法、公差、物理的特性、機械的特性、材料、コーティング、仕上がり、および梱包の測定に関連するいくつかの重要な考慮事項が含まれています。 CSA B111 は、基本的な寸法と公差に関する仕様を提供しましたが、材料とコーティングに関する情報はまばらでした。 ASTM F1667 には、寸法、公差、物理的特性、機械的特性、および材料に関する詳細が記載されています。 また、用途に応じて標準仕様を明示することでコーティングについても言及し、仕上がりや梱包についても言及します。

一部のネイル メーカーでは製品パッケージに ASTM F1667 準拠情報が記載されていますが、一部のネイル メーカーでは記載されていません。 ただし、建設業者または設計専門家は、この情報を釘製造業者に要求して、建設図書に含めることができます。

要約すると、NBC のフレーム表で長さによって呼び出される釘は、CSA O86-09 付属書で完全に定義されています。 これらの釘は、ASTM F1667、表 15 の共通釘として指定できます。

釘の取り付け建築書類や現場での議論では、釘は歴史的なペニーウェイトの命名法で呼ばれることがよくあります。 以前は、ペニーウェイトの命名法は、特定のサイズの釘 100 本のコストをセント (つまりペニー) で表していました。 爪のサイズのバリエーションが限られていたため、この用語は機能しました。 したがって、「16d」または「16ペニー」釘は明確に定義されました。

現代の留め具におけるこれの問題点は、長さに関する情報しか伝えないことです。 現在、直径、頭の形状、またはその両方が異なる、共通の長さの釘が多数あります。 この問題は図 7 に示されており、共通釘、箱釘、およびシンカー釘の寸法がペニーウェイトによって定義されています。 明らかに、10d の一般的なネイルは、直径と長さの両方において 10d シンカーよりも大幅に大きくなります。 釘を指定する場合、指定された釘の実際の寸法の誤解を防ぐために、直径と長さを指定することをお勧めします。 例を図 8 に示します。

図 8 は、引き出し特性と横方向抵抗特性に関する完全な仕様の結果を示しています。 10d 共通仕様は、10d シンカーよりも引き抜き抵抗が 19% 高く、せん断抵抗が 39% 高くなります。 ただし、懸念されるのは、直径が不明なため、引き抜き抵抗と横方向抵抗が不明な「10d」仕様です。 (「10d」仕様はユーザーにおおよその長さのみを示します。「コモン」、「シンカー」、または「ボックス」が伴わない限り、直径は識別されません。) 長さと直径による完全な仕様は、製品を構築するために必要です。設計されたパフォーマンス。

電動釘と手動釘 CSA B111 は手動釘のみを対象としていましたが、ASTM F1667 の範囲には手動および動力駆動の釘とステープルが含まれます。 動力釘（図 9）と手動釘はどちらも同じ鋼線から作られています。 その結果、同じ仕様の手動釘と動力釘は次の点で同等になります。

動力駆動釘と手動釘の類似性の例外は、金属コネクタ釘であり、通常、前者では硬化または先端硬化が行われますが、後者ではそうではありません。 これは、手動釘はパンチ穴に簡単に取り付けることができるのに対し、電動釘は、取り付け者がパンチ穴を見逃した場合に金属コネクタの表面に突き刺さることを目的としているためです。 照合や工具の要件により、手動式釘と電動式釘とでは、ヘッドの形状や公差に多少の違いが生じる場合があります。 それ以外の場合、同じサイズの手打ち釘と動力釘の主な違いは、前者はハンマーまたはパームネイラーによって打ち込まれ、後者は電動釘打ち機またはステープラーツールで使用するために揃えられることです。

ハンマーで釘を打つ場合、釘の打ち込みすぎは問題になりません。 パワーネイラーを使用すると、オーバードライブが問題になる可能性があります。 建築当局は、側面部材が鋼板であろうと木製外装パネルであろうと、釘の配置が不注意であったり、側面部材への釘の侵入が過度であったりする一部の建築物を正しく拒否しました。 釘の頭がサイドメンバーの表面に接触するように釘を打ち込む必要がありますが、釘の頭の上端がサイドメンバーの平面よりも下に深くならないようにする必要があります。 金属製ハードウェアの場合は、事前に作成した穴に釘を打ち込む必要があり、外装に釘を打つときは、フレームへの間隔と埋め込みに注意することが重要です。

木ネジとラグネジウッドスクリューとラグスクリューは、釘に使用されるワイヤーと同様の低炭素鋼ワイヤーで作られています。 木造建築用に入手可能なネジ製品のほとんどは、頭部を冷間成形し、ねじ山をロールフォーミングすることによって作られており、ほとんどのネジは表面硬化されているため、打ち込みに十分な耐久性があります。 表面硬化により曲げ降伏強度が向上し、ドライブ性能が向上しますが、ネジがより脆くなる可能性があります。 小径ネジの耐食性は、通常、不動態化トップコートおよび/またはバリアコーティングを施した機械的亜鉛めっきによって行われます。

ASME B18.6.1 および ASME B18.2.1 は、特定のねじパターン、ねじの長さ、ヘッドの形状、チップ、ドライブの凹部、および材料の寸法と公差を特定し、提供します。 一部のネジはこれらの特定の機能を満たし、規格に準拠しています。 多くの独自のネジは、設計上 ASME 規格の幾何学的基準を満たしていませんが、特定の用途での使用も意図されており、ASME 規格のネジよりも優れた容量と容易な駆動を実現する可能性があります。 ネジに関する ASME 規格は、ネジまたはラグ スクリューの物理的特性のみを定義していることに注意することが重要です。この規格は、引き抜き抵抗、横方向抵抗、または引き抜き抵抗に関して特定のエンジニアリング性能を提供するものではありません。

NBC では、木造フレーム建設における木ねじの使用を許可しています。 NBC 表 9.23.3.5 には、下地床を固定するための木ネジが含まれています。 ただし、NBC は、第 23 条「木造フレーム構造」のネジの使用に関するその他のガイダンスを提供していません。 もちろん、ネジは他の用途にも使用できるため、それらの用途に適したものである必要があります。

認定されたネジまたはシステムを必要とする用途には、次のようなものがあります。

認定された用途に使用される独自のネジは、テストと分析に基づいたエンジニアリング特性を備えています。

木ねじについては、CSA O86-09、セクション 10.11 で取り上げられています。 このセクションでは、4 つの典型的な標準木ねじのねじ付きシャンクの公称直径を示し、また、それらのサイズに必要な最小曲げ降伏強度も特定します。 表の情報は、ねじ山上で測定されたファスナーの外径と、横方向の抵抗の計算に必要な曲げ降伏強度のみを提供するという点で不完全です。 ただし、リード穴の要件を計算するには、他の寸法、ルート直径 (dR) およびシャンク直径 (dS) が必要になる場合があります。 図 10 は、CSA O86-09、表 10.11.1 のファスナーの直径と曲げ降伏強度に関する情報を再現しており、ASME 木ねじの根元とシャンクの直径も含まれています。

相対密度が 0.50 を超える木材に木ネジを取り付けるには、事前にドリルで穴を開ける必要があります。 事前に開けられた穴のサイズの要件は、CSA O86-09、表 10.11.2 に示されています。 穴のサイズは、相対密度に応じて、根元の直径またはシャンクの直径の関数です。

ラグネジも事前に開けられた穴に取り付ける必要があります。 ラグ スクリュー用の穴は 2 つのステップ (CSA O86-09、セクション 10.6.2.1) です。つまり、穴の最初の部分はねじなしシャンク用に開けられ、2 番目の部分はねじ付きシャンクの特定の比率にドリルで開けられます。木の種類にもよりますが。

セルフドリリングねじは、特定の幾何学的特徴のため、木ねじおよびラグねじに関する ASME 規格に準拠していない場合があります。 ただし、メーカーの指示に従って取り付けることで、特定の設計パフォーマンスを達成することができます。 セルフドリリングねじを使用する主な理由は、事前に穴あけする必要がなく、エンジニアリング性能がメーカーから入手できることです。

比重または相対密度比重は、等体積の水の密度と比較した材料の相対密度です。 そのため、比重は「相対密度」と呼ばれることもあります。 木質材料の体積は含水量に応じて収縮や膨張により変化するため、木質材料の相対密度は含水量の関数となります。 このため、CSA O86-09 では平均相対密度をオーブン乾燥水分基準 (水分ゼロ) に標準化しています。 視覚的に等級付けされたカナダの木材種の組み合わせの平均相対密度は、CSA O86-09、表 A.10.1 に示されています。

接続部材の相対密度はファスナーの性能に重要な役割を果たし、接続の耐荷重と荷重変形特性に影響を与えるため、これはファスナー工学にとって重要です。 計算された横方向の抵抗と引っ込みは相対密度に依存します。 製材の場合、計算に使用する相対密度は、CSA O86-09 に規定されている木材の種または種の組み合わせに割り当てられた平均相対密度です。 ただし、人工木材の場合は、物理的な相対密度ではなく、同等の値が必要な場合があります。

構造用複合木材や木製構造パネルなどの加工木材製品は、フレーム部材として、また木製 I ジョイストやリムボードのフランジとして使用されます。 これらの製品を含む接続を設計する場合は、割り当てられた等価相対密度を使用する必要があります。 実際の相対密度と割り当てられた等価相対密度は等しくない場合があります。 さらに、製材と同様に、EWP は方向性のある機械的特性を持ち、平均相対密度は方向性の特性ではありませんが、締結の等価相対密度は方向性があり、締結具の種類に依存する可能性があります。 同等の比重特性は、ASTM D5456、構造複合木材製品の評価のための標準仕様、附属書 A2 の手順に従って開発されます。この規格では、対象分野における標準ファスナーの性能に基づいて同等の特性を確立するための試験および分析方法の概要が説明されています。材料。

人工木材製品は独自の製品であり、その独自の工学特性を説明する工学レポートが付いています。 図 11 は、SCL 製品ラインの評価レポートの等価比重表の要素を示しています。 表は、これらの製品の等価比重が次の関数であることを示しています。

同等の比重特性は、加工木材製品の製品資料および評価レポートで入手できます。

ファスナーの耐食性 NBC および CSA O86-09 には、腐敗からの保護に関する要件があります。 これらは、NBC セクション 9.23.2.2 および CSA O86-09、セクション 4.3.4.2 に記載されています。 米国木材保護協会 (AWPA) は、さまざまな用途に対する処理化学物質と保持および浸透の要件に関するガイダンスを提供しています。 腐食防止の要件はありますが、NBC または CSA 086-09 設計ガイドラインには耐食性の仕様はありません。 米国の建築基準法では、化学処理された木材と接触して使用される釘や留め具のベンチマーク性能として、ASTM A153、鉄鋼ハードウェアの亜鉛コーティング (溶融) の標準仕様、クラス D に準拠した溶融亜鉛メッキを使用することで、この問題に対処しました。 。 溶融亜鉛めっきの代替として、これらの規格では母材金属による耐食メカニズムが認められています。

耐食性の卑金属の選択肢としては、銅、シリコン青銅、ステンレス鋼などがあります。 米国では、国際住宅法 (IRC) は、溶融亜鉛めっき要件の例外として、ネジについては ASTM B695、鉄および鋼に機械的に堆積された亜鉛のコーティングの標準仕様、クラス 55 に従って機械的亜鉛めっきを許可しています。

ファスナーの耐食性を評価するには、いくつかの方法を使用できます。 よく選択されるのは、ASTM B117 (塩水噴霧 (霧) 装置の操作に関する標準慣行) に従った塩水噴霧試験です。 このテストの結果は、特定の腐食状態が発生するまでの時間です。 塩水噴霧試験の問題は、自然環境との直接的な相関関係が保証されていないことです。

化学処理された木材と接触するファスナーの場合、ASTM G198 (処理木材と接触する駆動ファスナーの相対腐食性能を決定するための標準試験方法) を使用して、比較耐食性を確立できます。 この試験方法では、ファスナーを化学処理した木材に埋め込み、その後、所定の暴露時間だけ高湿度環境に置く必要があります。 暴露期間の後、留め具を木材部材から取り外し、ベンチマーク留め具と指定された留め具の相対的な腐食を比較します。

国際コード評議会評価サービス (ICC-ES) は、合格基準 (AC) 257 を使用して、化学処理された木材に埋め込まれたコーティングされたファスナーの耐食性を評価します。 ICC-ES AC257 の方法は、代替ファスナーと同じ材料に埋め込まれた溶融亜鉛メッキファスナーを使用した並列テスト戦略です。 ICC-ES AC257 評価レポートの場合、提案者は認識される 4 つの暴露条件の 1 つを決定し、指定されたプロトコルに従って代替ファスナーをテストさせます。 （このプロセスはカナダでは採用されていませんが、耐食性の認定は適切です。）

高湿度の処理木材で使用する一般用途カテゴリの場合、ファスナーは化学処理木材に埋め込まれ、連続的な非塩水霧および周期的な霧乾燥環境に 1500 時間暴露されます。 無制限使用カテゴリでは、塩霧を使用して同じテストが実施されます。 性能試験に合格するには、提案者のファスナーが基準となる溶融亜鉛メッキファスナーの耐食性以上の耐食性を示さなければなりません。

ステンレス鋼耐食性母材を使用したファスナーを使用することで耐食性を実現します。 CSA B111、CSA O86-09、および NBC はステンレス鋼を対象としていません。 国際建築基準 (IBC) と IRC は、化学処理された木材と接触する、または腐食環境での留め具にステンレス鋼を使用することを許可しています。 ASTM F1667 のセクション 6 では、釘とステープル用にタイプ 302、304、305、および 316 の 4 種類のステンレス鋼が特定されています。これらは基本合金含有量が異なり、すべてオーステナイトグレードであり、本質的に非磁性であり、熱処理により硬化させたものです。

同時に、合金配合の違いにより耐食性にも違いが生じます。 規格にリストされている 4 つのタイプのうち、タイプ 302 は炭素鋼よりも優れているものの、最も低いレベルの耐食性を備えています。一方、304 および 305 はタイプ 302 よりも優れた同様の耐食性を備えています。タイプ 316 は、特に耐食性が最高です。塩化物が存在する環境。

ネジはタイプ 410 ステンレス鋼で作られる場合があります。 これはマルテンサイト系磁性鋼であり、熱処理して硬度を高めることができます。 軽度の腐食性環境での使用には適していますが、中程度または重度の腐食性環境には適していません。

結論軽量フレーム構造のファスナーは、建築システムの性能において重要な役割を果たします。 利用可能な規格とライトフレームの固定に関する重要な考慮事項のこのレビューは、次の点に要約できます。

ノート 1 詳細については、CSA O86-09、図 10.9.2.2 を参照してください。 (トップに戻る)2 詳細については、CSA O86-09、セクション 10.11.2.3 を参照してください。 (トップに戻る)3 詳細については、CSA O86-09、セクション 10.6.3.3 を参照してください。 （トップに戻る）

Robert Leichti は、カリフォルニア州プレザントンにある Simpson Strong-Tie Company Inc. の締結システム エンジニアリング マネージャーです。 彼は、オレゴン州立大学の木材科学工学部で木材および繊維工学の教授を 19 年間務め、その後 12 年間、建築材料および手動工具業界の研究開発、コンプライアンスおよび製品エンジニアリングに従事してきました。 ライヒティは、ASTM および国際標準化機構 (ISO) を通じて規格開発に積極的に関与しており、代替建材の評価のための規格開発プロセスに定期的に参加しています。 電子メールで [email protected] に連絡できます。