構造工学の歴史

構造工学の歴史は、少なくとも紀元前2700年まで遡ります。このとき、歴史上初めて名前が知られている建築家であるイムホテプが、ファラオ・ジョセルのために階段ピラミッドを建てました。ピラミッドは、本質的に安定しており、ほぼ無限に拡大できる構造形式であるため、古代文明によって建てられた最も一般的な主要構造物でした（他のほとんどの構造形式は、負荷の増加に比例してサイズを直線的に増やすことはできません）。^[1]

現在でも使われている古代からのもう一つの注目すべき工学的偉業は、カナートの水管理システムです。 カナート技術は、ペルシャ帝国の前身であるメディア王国（現在のイラン^{[2] [3] [4]）}の時代に開発されました。イランには、最古かつ最長のカナート（3000年以上前、71km以上）^[5]があり、ペルシャ人と接触した他の文化にも広まりました。

古代および中世の歴史を通じて、ほとんどの建築設計と建設は、石工や大工などの職人によって行われ、棟梁の役割を担っていました。構造の理論は存在せず、構造がどのように構築されるかについての理解は非常に限られており、ほとんど完全に「以前に機能していたもの」の経験的証拠に基づいていました。知識はギルドによって保持され、進歩によって置き換えられることはめったにありませんでした。構造は反復的で、規模の拡大は段階的でした。^[1]

構造部材の強度や構造材料の挙動を初めて計算した記録は存在しませんが、構造エンジニアという職業が本格的に形を成したのは産業革命とコンクリートの再発明によってでした (コンクリートの歴史を参照)。構造工学の基礎となる物理科学はルネッサンス時代に理解され始め、それ以来ずっと発展を続けています。

構造工学の記録された歴史は古代エジプトから始まります。紀元前 27 世紀、イムホテプは名前が知られる最初の構造技術者となり、エジプトで最初の階段ピラミッドを建設しました。紀元前 26 世紀には、エジプトでギザの大ピラミッドが建設されました。これは数千年にわたって最大の人工構造物であり、19 世紀まで建築における比類のない偉業と考えられていました。 ^{[引用が必要]}

西洋世界の構造工学の基礎となる物理法則の理解は、アルキメデスが『平面の平衡について』を2 巻本で出版した紀元前 3 世紀にまで遡ります。この著書の中でアルキメデスは「てこの法則」を次のように説明しています。

等距離にある等重量は平衡状態にあり、等しくない距離にある等重量は平衡状態ではなく、より遠い距離にある重量の方に傾きます。

アルキメデスは、そこから導き出された原理を使って、三角形、放物面、半球など様々な幾何学的図形の面積と重心を計算しました。^[6]アルキメデスのこの研究と微積分と幾何学に関する研究は、ユークリッド幾何学とともに、現代の構造工学における数学と構造の理解の多くを支えています。

古代ローマ人は構造工学において大きな進歩を遂げ、石造建築やコンクリート造建築の先駆者となり、その多くが現在も残っています。水道橋、温泉、柱、灯台、防御壁、港などです。彼らの手法は、紀元前25年にウィトルウィウスが著した『建築について』に記録されています。これは土木および構造工学の教本で、建設に使用された材料や機械について多くの章があります。彼らの成功の理由の1つは、ジオプトラ、グローマ、コロバテスに基づく正確な測量技術でした。

中世盛期（11 世紀から 14 世紀）には、建築家たちは、ヴォールトの横方向の推力とフライング バットレスおよび側面ヴォールトの推力とのバランスをとることで、高く広々とした構造物を建てることができました。その一部は完全に石で造られ（鉄のピンは石の端のみを固定）、何世紀にもわたって存続しました。

15世紀と16世紀、梁理論や微積分学がなかったにもかかわらず、レオナルド・ダ・ヴィンチは科学的観察と厳密さに基づいた多くの工学設計を生み出しました。その中には、金角湾に架かる橋の設計も含まれています。当時は却下されましたが、その後、この設計は実現可能で構造的にも妥当であると判断されました^[7]

近代構造工学の基礎は、17世紀にガリレオ・ガリレイ、ロバート・フック、アイザック・ニュートンが3つの偉大な科学書を出版したことで築かれました。1638年にガリレオは『二つの新科学についての対話』 ^[8]を出版し、材料の強度と物体の運動（本質的には重力を一定の加速度を生じさせる力として定義）の科学を概説しました。これは構造工学に対する科学的アプローチの最初の確立であり、梁の理論を開発する最初の試みも含まれていました。これは構造解析、つまり建築構造の数学的表現と設計の始まりとも考えられています。

1676年にロバート・フックが初めてフックの法則を提唱し、材料の弾性と荷重下での挙動に関する科学的理解がもたらされました。^[9]

11年後の1687年、アイザック・ニュートン卿は『自然哲学の数学的原理』を出版し、運動の法則を解説し、初めて構造を支配する基本法則についての理解を提供した。^[10]

また17世紀には、アイザック・ニュートン卿とゴットフリート・ライプニッツがそれぞれ独立して微積分の基本定理を開発し、工学における最も重要な数学的ツールの一つを提供しました。^[11]

17世紀にガリレオ、フック、ニュートンの研究を通じて得られた構造に関する理解を構造エンジニアが応用するために必要な数学のさらなる進歩は、18世紀にレオンハルト・オイラーが構造エンジニアが構造をモデル化して分析できるようにする数学と方法の多くを開拓したときにもたらされました。具体的には、彼はダニエル・ベルヌーイ（1700-1782）と1750年頃にオイラー・ベルヌーイ梁方程式を開発しました。これはほとんどの構造工学設計の基礎となる基本理論です。^{[12] [13]}

ダニエル・ベルヌーイは、ヨハン（ジャン）・ベルヌーイ（1667-1748）とともに、力の均衡と幾何学の適合性を利用して構造上の問題を解決するツールを提供した仮想仕事理論を定式化した人物としても知られています。1717年にジャン・ベルヌーイはピエール・ヴァリニョンに仮想仕事の原理を説明する手紙を書き、1726年にはダニエル・ベルヌーイが「力の合成」について書いています。^[14]

1757年にレオンハルト・オイラーはオイラー座屈公式を導き出し、圧縮要素を設計する技術者の能力を大きく向上させました。^[13]

19 世紀後半から 20 世紀初頭にかけて、材料科学と構造解析は驚異的なスピードで発展しました。

弾性は19世紀よりかなり前から理論的には理解されていたが、1821年になってようやくクロード・ルイ・ナビエが弾性の一般理論を数学的に使える形で定式化した。 1826年の講義でナビエはさまざまな構造理論を幅広く探求し、構造エンジニアの役割は構造の最終的な破損状態を理解することではなく、そもそも破損を防ぐことであると初めて強調した。^[15] 1826年にナビエは弾性係数を断面二次モーメントとは独立した材料特性として確立し、エンジニアが初めて構造挙動と構造材料の両方を理解できるようにした。^[16]

19世紀末の1873年、カルロ・アルベルト・カスティリアーノは、歪みエネルギーの偏微分として変位を計算する定理を含む論文「弾性体の内部」を発表しました。^[17]

1824年、ポートランドセメントは技術者ジョセフ・アスプディンによって「ポートランド石に似た優れたセメント」として特許を取得しました（英国特許番号5022）。当時すでにさまざまな形態のセメントが存在し（ポゾランセメントは紀元前100年頃にはローマ人によって、さらに古くは古代ギリシャや中国文明によって使用されていました）、1750年代からヨーロッパで一般的に使用されていましたが、アスプディンの発見により、一般的に入手可能な安価な材料が使用されるようになり、コンクリート建設が経済的に可能になりました。^[18]

コンクリートの発展は、1848年にジョセフ・ルイ・ランボットが現代の鉄筋コンクリートの先駆けとなる鉄セメントで作られた手漕ぎボートを建造したことで続きました。彼は1855年にメッシュ補強とコンクリートのシステムの特許を取得しましたが、その1年後にはWBウィルキンソンも同様のシステムの特許を取得していました。^[19]これに続いて1867年に、パリでジョセフ・モニエがランボットとウィルキンソンが使用したのと同様のスチールメッシュ補強を使用した鉄筋コンクリートの植木鉢の特許を取得しました。モニエはこのアイデアを発展させ、鉢、スラブ、梁に関するいくつかの特許を申請し、最終的に構造の張力のかかる部分にスチール補強バーを初めて使用したモニエの補強構造システムにつながりました。^[20]

鉄鋼建築は、ヘンリー・ベッセマーが鋼鉄を生産するベッセマー法を開発した1850年代に初めて可能になりました。彼は1855年と1856年にこの方法の特許を取得し、1858年には鋳鉄から鋳鋼への変換に成功しました。 ^[21]最終的に、軟鋼は錬鉄と鋳鉄の両方に取って代わり、建築用の好ましい金属となりました。

19世紀後半には鋳鉄の使用が大きく進歩し、錬鉄に代わって徐々に好まれる材料となった。チャールズ・ベイジが設計したシュルーズベリーのディザリントン・フラックス・ミルは、内部に鉄骨を使用した世界初の建物である。1797年に建設された。1792年、ウィリアム・ストラットは、床を形成するレンガ造りのアーチの奥に鋳鉄の柱と木製の梁を使用した、ダービーのベルパーに耐火工場（ベルパー・ウェスト・ミル）を建設しようとした。露出した梁の軒裏は、漆喰で防火された。ベルパーのこの工場は、耐火建物を建設する世界初の試みであり、防火工学の最初の例である。これは後に、ストラットとベイジの共同作業によるベルパー・ノース・ミルの建設で改善され、完全な鋳鉄フレームを使用することで、世界初の「耐火」建物となった。^{[22] [23]}

フォース橋は、トーマス・バウチによる当初の橋の設計がテイ鉄道橋の崩壊により却下された後、1889年にベンジャミン・ベイカー、サー・ジョン・ファウラー、ウィリアム・アロルによって鋼鉄を使用して建設されました。フォース橋は鋼鉄が初めて使用された橋の1つであり、橋の設計におけるランドマークです。また、1889年には、ギュスターヴ・エッフェルとモーリス・ケクランによって錬鉄製のエッフェル塔が建設され、他の場所では既に鋼鉄構造が使用されていたにもかかわらず、鉄を使用した建設の可能性を示しました。

19世紀後半、ロシアの構造技術者ウラジミール・シュホフは、引張構造、薄殻構造、格子殻構造、双曲面構造などの新しい構造形状の解析方法を開発しました。パイプライン輸送は、19世紀後半に ウラジミール・シュホフとブラノベル社によって開拓されました。

鉄筋コンクリートの設計は再び前進し、1892年以降、フランソワ・ヘンネビックの会社は特許を取得した鉄筋コンクリートシステムを使用して、ヨーロッパ全土で何千もの構造物を建設しました。米国のタデウス・ハイアットとドイツのウェイス＆フライターグもシステムの特許を取得しました。AG für Monierbauten社は、1890年から1897年の間にドイツで200の鉄筋コンクリート橋を建設しました^[24] 。鉄筋コンクリートの偉大な先駆的使用は、20世紀の最初の3分の1の間に、ロバート・マイラールと他の人々がその動作の理解を深めたことで生まれました。マイラールは、多くのコンクリート橋構造物に大きなひび割れがあることに気付き、その結果、次の橋の設計ではひび割れた領域を除外しました。コンクリートにひび割れがあると強度に寄与しないと正しく考えていたためです。これが、革命的なザルギナトーベル橋の設計につながりました。ヴィルヘルム・リッターは1899年に鉄筋コンクリート梁のせん断設計のためのトラス理論を定式化し、エミール・モルシュは1902年にこれを改良した。彼はさらに、圧縮されたコンクリートを線形弾性材料として扱うことがその挙動の保守的な近似であることを実証した。^[25]コンクリートの設計と解析はそれ以来進歩しており、コンクリートの塑性解析（線形弾性とは対照的）に基づく降伏線理論などの解析手法や、圧縮されたコンクリートの応力分布モデルのさまざまなバリエーションが開発されている^{[26] [27]}

1928年にウジェーヌ・フレシネが特許を取得したプレストレストコンクリートは、コンクリート構造物の引張強度の弱点を克服する斬新なアプローチをもたらした。フレシネは1908年に実験的なプレストレストアーチを建設し、その後1930年にフランスのプルガステル橋に限定的にこの技術を使用した。彼はその後マルヌ川に6つのプレストレストコンクリート橋を建設し、この技術を確固たるものにした。^[28]

1930年にハーディ・クロス教授がモーメント分布法を開発し、多くの複雑な構造物の実際の応力を迅速かつ正確に近似できるようになり、構造工学理論は再び進歩しました。^[29]

20 世紀半ば、ジョン・フリートウッド・ベイカーは構造の塑性理論を開発し、鋼構造の安全な設計に強力なツールを提供しました。手計算による分析を超えた複雑な形状の構造を作成する可能性は、1941 年にアレクサンダー・レンニコフがMITにラティス フレームワークを使用した平面弾性問題の離散化に関する D.Sc 論文を提出したときに初めて生まれました。これは有限要素解析の開発の先駆けでした。1942 年、リチャード・クーラントは有限要素解析の数学的基礎を開発しました。これは 1956 年に J. ターナー、RW クラフ、HC マーティン、LJ トップによる「複雑な構造の剛性とたわみ」に関する論文の出版につながりました。この論文は「有限要素法」という名前を導入し、今日知られている方法でこの方法を初めて包括的に扱ったものとして広く認識されています。^[30]

高層建築は 19 世紀後半から可能でしたが、20 世紀後半に大きく進歩しました。ファズラー カーンは、多くの現代の高層建築の基礎となっている構造システムを設計し、 1969 年のジョン ハンコック センターや1973 年のシアーズ タワーの構造設計に採用しました。^{[31]カーンの}超高層ビルの設計と建設における中心的な革新は、高層ビル用の「チューブ」および「バンドル チューブ」構造システムのアイデアでした。^{[32] [33]}彼は、フレーム チューブ構造を「3 つ、4 つ、またはそれ以上のフレーム、ブレース フレーム、またはせん断壁で構成され、その端または端の近くで結合されて垂直のチューブのような構造システムを形成し、基礎から片持ち梁であらゆる方向の横方向の力に耐えることができる 3 次元空間構造」と定義しました。^[34]チューブは、間隔が狭く相互接続された外部柱によって形成されます。風などの水平荷重は、構造全体で支えられます。外部表面の約半分は窓として使用できます。フレームチューブは内部の柱の数が少なくて済むため、床面積を広く使えます。ガレージのドアのような大きな開口部が必要な場合は、チューブフレームを中断し、トランスファーガーダーを使用して構造の完全性を維持する必要があります。チューブフレーム構造を採用した最初の建物は、シカゴでカーンが設計したデウィット・チェスナット・アパートメントビルです。これが、ワールドトレードセンターの建設を含む、その後のほとんどの超高層ビル建設で使用されたチューブ構造の基礎となりました。

ファズルール・カーンが開発したもう一つのイノベーションは、Xブレースの概念で、これは建物にかかる横方向の荷重を外部の柱に移すことで軽減するものです。これにより内部の柱の必要性が減り、床面積が広くなりました。これはジョン・ハンコック・センターに見ることができます。最初のスカイロビーもカーンが1969年にジョン・ハンコック・センターのために設計しました。その後、スカイロビーを備えた建物には、ワールドトレードセンター、ペトロナスツインタワー、台北101などがあります。

1987年、イェルク・シュライヒとクルト・シェーファーは、コンクリート解析のためのストラットとタイ法に関する約10年にわたる研究の集大成を発表しました。これは、コーナーやジョイントなどの不連続性を持つ構造物を設計するためのツールであり、複雑なコンクリート形状の解析のための強力なツールを提供しました。^[35]

20世紀後半から21世紀初頭にかけて、高性能コンピュータの開発により、有限要素解析は構造解析と設計の重要なツールとなりました。有限要素プログラムの開発により、複雑な構造物の応力を正確に予測できるようになり、構造工学設計と建築の大きな進歩がもたらされました。1960年代から70年代にかけて、シドニーオペラハウスの屋根の設計に初めて計算解析が重要な形で使用されました。多くの現代構造物は、計算解析を使用せずには理解も設計もできませんでした。^[36]

20 世紀後半には、材料と構造挙動に関する理解が大きく進展し、破壊力学、地震工学、複合材料、材料に対する温度の影響、動力学と振動制御、疲労、クリープなどのテーマについて詳細な理解が深まりました。現在、構造工学で得られる知識の深さと幅広さ、さまざまな構造物の範囲の拡大、それらの構造物の複雑さの増大により、構造エンジニアの専門化が進んでいます。

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• 「世界博覧会。建築物の歴史」。アイザック・ロペス・セザール。過去 150 年間の建築物の歴史。^{[永久リンク切れ]}