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鋼材を変形させる水の働き ~背筋も凍り付くような怖い話~|長野市 外壁塗装・屋根塗装専門店トラスト

その他工事施工例豆知識鉄部

2020.12.22 (Tue) 更新

こんにちは、長野市の外壁塗装・屋根塗装専門店トラストの施工部です。

諸事情により鉄筋コンクリートを考えるシリーズはしばらく休刊とさせていただきます。

いよいよ積雪を観測するこの頃となりました。今回のテーマは、水です。

ペンキ屋さんがテーマに水を取り上げると言ったら、王道は鋼材の発錆触媒としての水ではないでしょうか?

ご安心ください。今回は発錆に着目した内容ではありません。

水には不思議な性質があります。温度を上げると膨張して冷めると体積は元に戻ります。ここまではあらゆる物質にみられる状態変化ですが、更に冷却して凍結すると再び膨張に転じるのです。つまり液体⇒気体(加熱)と液体⇒個体(冷却)に変化する際の2通りで水は膨張するということになります。

前者の性質を活用して19世紀に画期的な熱機関が開発されました。蒸気機関です。産業革命を水の膨張を無しには語ることができませんね。

一方、後者の性質はというと…私たちの生活に特筆するほどの恩恵をもたらすことはないように思います。むしろ良い側面はなくて、結露であったり重力や表面張力の力を借りてよからぬ所へ溜まってしまい(水からすれば)不本意にも建築物のへ悪さを働くことすらあるのです。

前置きはここまでにして、鉄骨部材内部へ不本意に溜まってしまった水の仕業シリーズを紹介しつつつ、水が溜まるメカニズムとその対策・対応について説明したいと思います。

Ⅰ.水の侵入とその弊害

建築物のうちベランダなどの柱で屋外にある鉄骨の部材のうち、鋼管と呼ばれる種類の鋼材には内部に空洞があります。この空洞へ水が溜まるプロセスには次の2つがあげられます。

1.屋根や外壁を伝わって流れる水(表面張力による運搬)または直接的な降雨(重力による落下)が何らかのルートを経て蓄積

2.大気中の水分による結露の蓄積

こうして内部の空洞へ溜まってしまった水分を、私たちがのぞき見ることは叶いませんが、空洞内部で発錆を促したり温度変化によって蒸発や凝結(結露)を繰り返すのです。そして冬、水分が凍結すると…いよいよ外側の私たちにも見える変化をもたらします。水は凍結する際にも膨張しその圧力は鋼管をも変形させることがあるのです。特に正円断面の水道管・ガス管などと比べて角型の鋼管は断面の特性から内部圧力による変形の影響を受けやすいのです。

上の画像(鉄骨階段手摺)では正方形断面の鋼管が、途中から膨らんで丸みがかった四角形に変形している様子がうかがえます。この断面形状の変形こそ(不本意にも溜まってしまった)水の弊害です。

Ⅱ.水抜き穴の限界・空洞のジレンマ

そこで溜まってしまった水を排水しましょうというのが水抜き穴です。はじめからこの水抜き穴ありきの設計・施工がされているのなら問題ありませんが、このように問題になっているということは、ありきの設計・施工ではないということです。しかし水抜き穴が設けられていない場合でも、内部の空洞へ水が溜まっているかは一概にはわかりません。先述の画像のように顕著な変形が認められれば水があるか否かに迷う事はありません。そうでなければ水抜き穴の掘削をしてみなればわかりません。

では水の侵入経路を断つべく上部の穴を塞いでいいのでしょうか。それは必ずしも良いアイデアとは言えません。気化した水分は空洞の自然と上部へ集まっていきます。この時、もし上部が開放されていたら気体となって水分は排出されます。上部の侵入経路を塞ぐことは、一方で排気経路を閉じる事にもなり得るのです。水の侵入口を塞いで下の方に水抜き穴を設ける一連の対策は本質的な問題を打開するものではありません。問題は空洞の存在そのものなのです。

 

Ⅲ.水抜きの様子

空洞に溜まった水問題に対して、水抜き穴が本質的な解決策でないことはご理解いただけたと思います。それでも不安定な気体で排気されることに期待し続けるよりも、永久的な重力を使って排水させる水抜き穴はとても効果的と言えます。

水抜き穴の有効性の説明はここまでにして、実際の水抜きの様子をご覧ください。

 

明らかな断面の変形(膨らみ)がない場合でも、水は溜まっている事があります。

 

施工内容:鋼管部材の最下部をボーリングして排水(掘削部分は地金が暴露するため防錆処理・塗装を行い仕上げます)

 

 

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