建築の基本：引張力と圧縮力の役割とは？

「橋が、上を走っているときにどのように圧縮力や引張力に対処しているか、または屋根が荷重をどのように支え、私たちに快適な空間を提供しているか、考えたことはありますか？」

引張力とは何でしょうか？

「引張」とは、物体を「引き伸ばす」力を意味します。例えば、綱引きを思い浮かべてください。チームが両端から引っ張るとロープに引張力がかかり、引き伸ばされようとする力が発生します。橋のケーブルなどの構造物にも、このような引張応力が作用します。

日常生活における引張の例

• 吊り橋のケーブル（引張力により支える）

• ゴムバンドやギターの弦

• フェンスのワイヤー

• バネ

• エレベーターのワイヤー

• クライミング用ロープ

圧縮力とは何でしょうか？

圧縮力は、物体を短くしようとする力です。たとえば、バネを押し込んで縮めるとき、このバネには圧縮力が働いています。圧縮応力は引張応力とは逆の力です。

日常生活における圧縮の例

• 柱

• 壁のスタッド（縦の支柱）

• トラス構造の要素

引張力と圧縮力が同時に働く例

シーソーの両端に2人が座っているとき、中央の金属棒にはどのような力がかかっているでしょうか？実は、金属棒には引張応力と圧縮応力の両方が作用しており、曲げられた状態です。

視覚化の練習

ペーパーバックの本を手に取り、下向きに曲げてみましょう。上部は引張力がかかって引き伸ばされ、下部は圧縮力により押し縮められます。このように、曲げられた本はシーソーの金属棒と同様に、引張応力と圧縮応力を同時に受けているのです。

曲げ応力と中立軸

本の中央には「中立軸」があり、ここには応力が一切かかりません。この中立軸は建築で重要な実用性を持ちます。例えば、天井の梁に穴を開けるとき、応力がかからない中央部分を選ぶと構造に影響を与えずに済みます。

建築における引張力と圧縮力の概念をさらに深掘りしてみましょう。構造物は、これらの力を適切に制御することで安定性と耐久性を確保しています。ここでは、橋やビルなどの実際の建築物における応用や、どのような材料が適しているかについて、より専門的に解説します。

引張力とその詳細な役割

引張力は構造物を引き伸ばす方向に作用する力であり、構造物が外部からの力に耐えつつ形状を保つために重要です。特に、橋や高層ビルのケーブル、吊り構造において重要な役割を果たします。例えば、吊り橋における主ケーブルは、車両の重みによる荷重を分散しながら支える役割を持ち、このケーブルに引張応力が加わることで橋が安定しています。

使用される素材

引張応力に耐えるためには、高強度で軽量な素材が理想です。建築では以下の素材がよく用いられます。

• 高張力鋼（ハイテンションスチール）：ケーブルやテンションロッドに使用され、強い引張力に耐える特性を持つ

• 炭素繊維強化プラスチック（CFRP）：軽量で強度が高く、引張応力に優れた耐性があるため、現代の吊り構造において広く採用

• アルミニウム合金：腐食に強く、引張強度も高いため、建築や航空機構造でも用いられる

引張力が作用する構造の例

• 吊り橋：ケーブルにかかる引張応力で橋のデッキを支える

• テンセグリティ構造：引張材と圧縮材がバランスする構造で、引張応力により安定する

圧縮力と建築構造への応用

圧縮力は、物体を内側へ押し縮める力であり、主に柱や壁、アーチ構造などに作用します。例えば、ビルの柱や橋のアーチ部材に圧縮応力が加わることで、建物全体の荷重が支えられ、安定性が確保されます。

圧縮力に強い素材

圧縮力に耐えうる素材は、建物の荷重を下部へ効率的に伝える役割を担います。