CFSフレーム【海外レポ】
*本ページでは米国Build Steel.orgが提供している記事を翻訳して紹介します。
CFS(Cold-Formed Steel)建築
CFS建築は、最も持続可能で、人気の高まっている現代の建築製品の一つと言っても過言ではありません。この素材は、現代社会の最も先進的な住宅やビルに見られます。しかし、私たちがこれほどまでに頼りにしているこの製品とは一体何なのでしょうか？そんな疑問にお答えするために、ここではCFS建築の総合ガイドをご紹介します。
CFS建築とは？
CFSは冷間成形鋼(Cold-Formed Steel)の略称で、メタルスタッドフレーミングとも呼ばれ、圧延、ロール、成形などの冷間加工を経て製造された鉄鋼製品を指す言葉です。冷間加工されたスチールスタッド製品は、様々な構造的な目的のために設計されていることが特徴です。頑丈で信頼性の高い建築材料として、現代のビルや住宅の基礎や骨組みに広く使用されています。
冷間成形鋼は、その名の通り常温で製造されているが、鉄を成形するときの温度よりもはるかに低い温度です。常温で製造された冷間成形鋼は、他の成形金属とは異なる化学組成を持つため、強度、耐久性、軽量性などの特性を持っています。そのため、冷間成形スチールスタッドは、現代の建築において理想的なフレームとなっているのです。
CFS建築の歴史
北米の産業界に冷間成形鋼（軽金属）が導入されたのは、1850年代初頭のことです。第一次産業革命後のアメリカでは、人口が急増していたこともあり、社会的な基盤である生産・製造業をさらに発展させる方法が模索されていました。しかし、他の身近な材料が普及していたことや、冷間成形鋼の設計方法や情報が標準化されていなかったことなどから、冷間成形鋼のスタッドフレームが一般的に建築に使用されるようになったのは1900年代に入ってからです。
建築業界では、安全で強固な構造物を求める声に応えて、標準的な建築材料として冷間成形鋼フレームを採用するようになっていました。この変化のきっかけとなったのは、1946年にコーネル大学から発表された最初の冷間成形鋼設計基準であるとよく言われています。基準や規制、成功事例が徐々に理解されるようになり、冷間成形鋼はより身近で効果的な建築材料となりました。また、第二次世界大戦が終わり、アメリカに戻ってきた兵士たちが、戦後の生活を立て直すために新しい家を求めていた時期でもありました。
冷間成形鋼が普及することで、アメリカの建築物は新たな構造的可能性を獲得し、多くの大都市で構造的水準が向上したのです。冷間成形鋼が普及したことで、建築工法や建物の種類が多様化し、冷間成形鋼は徐々に全国的に普及しました。現代社会において冷間成形鋼が広く使用されているのは、その耐久性と信頼性の高さによるものでした。
CFS建築：冷間成形鋼の骨組みは何が違うのか？| 熱間圧延鋼材と冷間圧延鋼材の違い
冷間成形されたスチール（または軽金属）に代わるものとして、熱間圧延されたスチールがあります。鋼材を再結晶温度以上に加熱すると（熱間成形鋼または熱間圧延鋼）、様々な産業の一般的なニーズに合わせて容易に成形することができます。しかし、このプロセスは、冷却過程で鋼の構造に収縮をもたらすため、鋼の組成に影響を与える可能性があります。
冷間成形鋼の製造工程は常温で完結するため、最終製品の予測がしやすくなります。また、製造前に加熱されないため、他の鉄鋼製品のように還元冷却されることもなく、建築・建設に最適な強度と耐久性を備えた素材となっています。
そのため、熱間成形鋼と冷間成形鋼では、使用頻度の高いパターンが大きく異なります。
- 熱間加工されたスチールは、冷間加工されたスチールの滑らかな仕上げに比べて、はるかに粗いことが多い。
- 冷間成形鋼は、熱間成形鋼に比べて最終製品の測定値や予測の信頼性が高いため、精度が重要な場合に使用されます。
熱間成型鋼と冷間成型鋼の主な違いは、結局のところ、その製造工程にあります。熱間成型鋼は、工程が早くて簡単ですが、冷間成型鋼に比べて素材の精度が落ちます。
CFSはどのように使われる？
上に述べたように、最高の安全性と強度が求められる現代の建築プロジェクトには、冷間成形鋼（または軽金属）が必要です。現代の住宅やビルの骨組みによく見られるピカピカの鉄の部品は、冷間成形鋼です。この鋼材は、建築物の構造的な基礎として使用されます。例えば、建築初期に見られる家の骨組みは、木材がすぐに腐ったり、シロアリが発生したりする地域では、年代物の木造の工程を冷間成形鋼に置き換えるケースが増えています。他にも、柱、デッキ、屋根、耐力支持など、様々な用途に使われています。
具体的には、脅威が迫っている環境で建てられる住宅など、安全性と安定性が特に重要な住宅や大型建築物には、冷間成形鋼スタッドの骨組みがよく使われます。しかし、冷間成形鋼は、必須ではない使用方法であっても、ほとんどすべての建設プロジェクトで有効な選択肢となります。例えば、リスクの低い環境にある小規模な住宅であっても、冷間成形鋼スタッドの骨組みを使用することでメリットが得られます。このように、冷間成形鋼はどんなプロジェクトにも対応できる多様な素材です。
CFSフレームの部材と種類
CFSF（Cold-Formed Steel Framing）と呼ばれることもある冷間成形鋼は、住宅の建築・設計プロセスのさまざまな場面で、冷間成形鋼をどのように取り入れることができるかを示しています。冷間成形鋼は、最大のスタッドから最小の連結部材まで製造することができます。大規模な建築物であれば、全体的に冷間成形鋼の構造フレームを使用することもありますし、小規模な建築物であれば、部分的に冷間成形鋼のフレームを使用するだけの場合もあります。
冷間成形鋼製部材は、ほとんどすべてのプロジェクトのニーズに対応しています。冷間成形鋼製ドリフト・コネクタ、垂直たわみコネクタ、リジッド・コネクタ、耐力部材、カーテンウォール部材、特殊コネクタ、ドリフト・コネクタ、ハイブリッド垂直コネクタ、固定コネクタ、冷間成形鋼製ブリッジング・コネクタおよび部材など、さまざまな製品があります。冷間成形鋼製品をほんの少し加えるだけで、プロジェクト全体の安全性が向上します。
CFS建築の建物のデザイン
冷間成形鋼を使って建築する場合、安全性、耐久性、構造的な安全性のすべてが重要な要素となるでしょう。しかし、冷間成形鋼を使ったプロジェクトは大規模なものが多いため、これを実現することは困難です。そのため、近年では構造解析ソフトウェアが冷間成形鋼を用いた建築物の設計プロセスの中心的な要素となっています。
構造解析ソフトウェアは、多くの場合、耐荷重を決定し、構造物が地震活動や圧力点、その他の構造上の問題にどのように対処するかをモデル化することができます。これにより、構造エンジニアは冷間成形鋼を使用した建物を安全かつ効果的に設計することができます。構造解析ソフトを使用しないと、大きなビルや住宅などの構造物の信頼性を判断することは困難です。
CFS建築の設計では、計算されたデータをもとに何度も案を作成し、修正することが多いです。これが、冷間圧造の建築物を今日のような大規模で成功させた大きな要因です。これにより、安全性が高まり、災害などによる不意な建物の倒壊が減りました。
CFS建築はどのような建物・プロジェクトに適するか？
建物のサイズや規模によっては、CFS建築が必要な場合があります。CFSが必要かどうかは、お住まいの地域の建築基準法とプロジェクトの種類を確認してください。必要でない場合でも、プロジェクトに使用することを検討してください。冷間成形鋼があなたに適しているかどうかを判断するために、あなたは以下のことも考慮する必要があります。
- プロジェクトの予算。CFS建築は、あなたの経済的なニーズに応えることができますか？プロジェクトに必要なすべての材料を余裕を持って購入できるかどうかを確認したいと思います。ありがたいことに、今日の市場には手頃な価格の冷間成形鋼フレーム製品がたくさんあります。CFSは、素材の耐久性や寿命を考慮すると、実際には多くの人が考えているよりも手頃な価格になります。見積もりを取って、この価格が予算内に収まるかどうか確認してみてください。
- プロジェクトの安全性のニーズ。そのプロジェクトには、高い耐久性と信頼性が必要ですか？もしそうであれば、CFSで部屋を作ることが重要かもしれません。
- 設計の意図。CFSは、そのプロジェクトのデザインに準拠しますか？CFS建築とその建築基準法が、あなたが考えているプロジェクトのデザインの要件を満たしているかどうかを確認したいと思います。
- 使用範囲。そのプロジェクトには、全部CFSを使用することを想定しているのか、それともCFSの部材を他の建築製品と併用することを検討しているのか。プロジェクトの特定の要素にCFSが必要な場合もあれば、他の材料でニーズを満たせる場合もあるでしょう。CFSは多様な材料であり、その多くの用途を考慮し、どのようなものがそのプロジェクト計画に適合するか検討する必要があります。
CFSがそのプロジェクトに適した材料かどうか、まだ迷っているのであれば、専門家に相談してみてください。専門家の意見は、プロジェクトを成功させるために必要な材料と知識を確保するための建築プロセスのガイドとなります。
使用規定・仕様
AISI（アメリカ鉄鋼協会）は、CFSに関する最新の文書や設計仕様書を発行しています。当然、建築基準法にも従わなければなりませんが、これは地域によって異なり、最新のAISIの出版物を参照することが多いようです。
これは、AISIのCFS関連の出版物が徹底しており、包括的であるためだと思われます。最近出版されたタイトルとして、「冷間圧造鋼製部材の設計に関する北米施行規則」「冷間成形鋼骨組の標準実施基準」、そして「北米における冷間圧造鋼システムの耐震設計基準」などがあります。AISIは、最新の研究成果をまとめ、業界の成功事例を示し、共通の課題に取り組み、CFS建設の強固な基盤を築いてきました。
CFS建築の環境配慮について
CFSの利点として重要性を増しているのが、環境面での持続可能性です。CFSは、持続可能性の3つの分野で認められています。それは、低メンテナンスの資源管理、低排出の輸送、そしてリサイクル性です。
まず、CFSの耐久性により、頻繁に修理やメンテナンス、解体、改築を行う必要がありません。他の素材では、寿命が短く、メンテナンスの必要性が高いため、建築や建て替えの際に廃棄物が多く発生し、二酸化炭素の排出量も多くなります。CFSは、何世紀にもわたってほとんどメンテナンスを必要としないため、当然ながら廃棄物が少なく、二酸化炭素の排出量も削減されます。
次に、CFSは他の多くの建築材料に比べて重量が軽いため、その使用はより持続可能な建築プロセスを生み出します。この素材の軽量性は、輸送時の排出量を削減します。また、他の製品に比べて軽量であるため、建築工程での吊り上げに必要な資源も削減できます。このように、CFSの持続可能性の向上は、素材そのものと建築プロセスの両方に及んでいます。
最後に、CFSの持続可能性は、この素材のリサイクル性に根ざしています。構造物が解体されても、CFSは簡単に再使用、再利用、リサイクルすることができるため、他の使い捨ての物質よりも環境に優しい建築材料と言えます。建設業界をはじめ、あらゆる業界で持続可能な材料の使用が求められている中、CFSは損なわれることのない建築物の選択肢の一つです。
CFS建築の耐性
住宅などの建築物は大切な投資であり、保存することが重要です。しかし、自然災害の多い地域では、その保存が難しくなります。しかし、CFSを使用することで、風雨に耐えることができます。
耐震性：CFSは地震の影響を受けにくいため、断層に沿った建築物の安全性を高めることができます。地震の多い地域では、CFSを使用することで安全性を確保し、自然災害による損害の全体的なコストを削減することができます。
耐火性：木造の建物や住宅では、火災が発生するとあっという間に延焼し、破壊されてしまうことがあります。しかし、CFSは完全に不燃であるという点で異なります。CFSの耐火性は、構造物の中で発生した火災で燃えることなく、助長することもありません。
耐水性：CFSは、水を貯めないため、水害の影響を受けません。木造の骨組みのような他の建築材料は、水にさらされると簡単に悲惨な状態になります。CFSは、洪水や豪雨による高価な損害から住宅を守ります。そのため、雨の多い地域や、ハリケーンなどの熱帯性暴風雨が発生しやすい海岸沿いの住宅には特に有効です。
耐腐食性：木造の骨組みやその他の伝統的な素材とは異なり、CFSはシロアリなどの害虫に脅かされることはありません。また、カビにも強いので、安全で衛生的な建物を作ることができます。
サビはどうする？亜鉛メッキによるCFS建築の保護
CFSが他の骨組みや建築材に比べて、一つのリスクとしては、錆びや腐食です。鉄骨製品が雨や湿気にさらされると、部材の化学成分が脅かされる可能性があります。これは、鉄が風雨にさらされて酸化することで起こります。酸化すると、金属製のスタッドフレームが錆びたり腐食したりして、強度や耐久性が損なわれてしまいます。しかし、このようなリスクに対処するため、古くから鋼製の亜鉛メッキが導入されてきました。
亜鉛メッキに馴染みのない方もいらっしゃるかもしれませんが、これは金属を液体の亜鉛で封止する工程です。この液体亜鉛は、鉄の化学組成を変えることも、素材の強度を損なうこともありません。これにより、CFSに保護層を追加するだけで、何百年もの耐久性があることが知られています。亜鉛メッキの効果は、亜鉛が鉄鋼製品のような酸化のリスクに直面することはありません。この方法は、信頼できるすべてのスチール販売会社で使用されており、CFS構造の錆と腐食のリスクを効果的に排除します。
低保険料とCFS建築
CFSを使用した建築物には、明らかなメリットに加えて、経済的なメリットがある可能性があります。それは、CFSを使用することで、保険料が安くなる可能性があるということです。
鉄鋼フレーミング産業協会によると、CFSの不燃性は構造物の保険責任を軽減し、低い保険料の対象となります。これにより、CFSを使用した建築物のコストを相殺することができ、それだけで採算が取れる可能性があります。このように、CFSは、保険料の削減を必要とする高リスクの構造物にとって、特に有益な選択肢となります。
CFS建築のその他の利点
- 頑丈さ：耐久性に優れたCFSは、長寿命の建築材料として知られています。これにより、建築物が時間経過とそれに伴うすべての課題に耐えることができ、建築プロジェクトに長寿命の重要な要素を提供します。
- 使いやすさ：耐久性と軽量性の理想的なバランスを実現することが、CFSを広く利用可能な建築材料にしている。軽量であるがゆえに、木材が持つ大きさやスケールの限界を超えた構造を構築することが可能です。
- 進歩性：CFSの卓越した強度により、倒壊の恐れのない、より高く、より軽い建物や、より頑丈な住宅の建設が可能となり、その進歩は、CFSの卓越した強度により、今もなお進化し続けています。
- 信頼性：海岸近くや断層の上に住んでいる人は、CFSを使うことで、安心して家の中にいることができます。CFSの信頼性の高さは、社会が美しい構造を実現することを可能にします。
CFS建築の入手先｜CFSメーカー
世界にはたくさんのCFSのメーカーや販売店があります。これらのメーカーや販売店が、あなたの建物やプロジェクトを左右するため、鉄鋼メーカーを選ぶ際には、亜鉛メッキが施されているか、価格が安いか、ソフトウェアとの提携があるか、効果的なカスタマーサポートがあるかなどをチェックすることが重要です。