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構造デザインの講義【トピック8：立体構造のデザインを科学する】第2講：テンション材の力学とフォルムの可能性

伊藤拓海研究室

テンション材の細さが、力学とデザインにもたらす影響力

東京理科大学・工学部建築学科、講義「建築構造デザイン」の教材（一部）です

力学と数学によって裏付けられるテンション材の魅力

ケーブルなどに代表されるテンション材は、引張を負担するうえで有効な構造材です。
今日の建築構造物では、鋼製のテンション材が使用されることがあります。
細身の断面を活かすことで、存在を消し、多様な空間表現を可能とします。

二見輿玉神社の夫婦岩
紐やケーブルなどを垂らした時の曲線は、自重と軸力（張力）のつり合いから求めることができる
懸垂曲線、またはカテナリー曲線と呼ばれ、この形状になれば、軸力のみ作用することになる

吊り橋やサスペンス・アーチによる橋梁は、テンション材を利用した長大スパン構造です。
構造体の膨大な鉄骨量を支え、車両などの激しい交通振動にも耐えることができます。

長大スパンの吊り橋は、ケーブル（テンション材）の形状と力学が重要
明石海峡大橋のケーブル
大きな引張力を無理なく負担するため、高強度で大断面のケーブルが用いられる

テンション材を、建物の骨組に、単一部材として利用することは簡単ではありません。
建物は、壁や床、天井などの面材によって空間が構成されるためです。
そこで、建築構造物では、様々な構造の工夫が見られます。

吊り橋の原理を生かし、唯一無二の空間とフォルムの国立代々木競技場第一体育館
屋根や設備などの鉛直荷重に対して安定したメインケーブル
地震荷重に対して、ダンパーを利用して応答低減が図られる
極限まで透明性を高めた東京国際フォーラム・ガラス棟の大空間は、サスペン・アーチ構造とすることで部材の存在を消す
風荷重を負担するマリオンは、透明な空間に配慮してテンション材による構造システムが採用されている
味の素スタジアムは、テンション材を利用した構造システムとすることで、軽量で明快な構造システムとなる
幕張メッセの大空間は、吊り橋の原理で支えられる
バックステイは、スラブにしっかりと固定されている
葛西臨海公園の東京水辺ライン発着場
水辺の空間に親和した軽快で軽量な構造体をテンション材で実現している

吊り橋などのケーブルは、鉛直荷重により懸垂曲線・カテナリー曲線となり、テンション材には引張力のみが作用します。
曲げの力から解放されることで、構造部材は高い強度を発揮することができます。

このカテナリー曲線を、ひっくり返すと、鉛直荷重に対して圧縮力のみが作用することになります。
アーチや曲がり部材と似ていますが、力学的には全く異なる構造となります。

錦帯橋は、橋げたの構造の工夫だけでなく、懸垂曲線の形状により、力学的合理性を持たせることで、安定した構造物となります。
広島平和記念公園の、原爆死没者慰霊碑は、RCによるHPシェルで、局面の中にカテナリー曲線が見られます。

アメリカ、セントルイスの公園には、高さ180mの巨大なアーチがあります。
このジェファーソン・メモリアル・アーチ（ゲートウェイ・アーチ）は、カテナリー曲線となっており、鉛直荷重に対して圧縮力のみが作用し、構造的に安定します。
なお、水平荷重への抵抗として、脚部は末広がりの断面として構造安定を図っています。
著名な構造家、エーロ・サーリネンによって構造がデザインされました。

カテナリー曲線によるジェファーソン・メモリアル・アーチ
（写真：archidaily, https://www.archdaily.com/）
自然と力学を完全に理解して支配したアントニ・ガウディ
カテナリー曲線を利用した、構造を理解した建築デザインが多々見られる
グエル公園の下部構造は、示力図で完全に解かれたフォルムとなっている
（写真：pixabay, https://pixabay.com/ja/）

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