張力のある石

張力石は、張力要素によって圧縮された石材で構成された高性能な複合建築材料です。張力要素は石材の外側に接続することもできますが、通常は、ドリルで穴を開けたダクトを通して内部に張力が通されます。

張力石は単一の石ブロックで構成することもできますが、ドリルの制限やその他の考慮事項により、通常はブロック間にグラウトを充填した複数のブロックの集合体になります。^[1]張力石は、垂直の柱（支柱）と水平の梁（まぐさ）の両方に使用されています。また、アーチの安定化、歩道橋、花崗岩の旗柱、片持ち彫刻、スペースフレーム、階段 など、より珍しい石工用途にも使用されています。

張力石は、現代の耐荷重石工の中心的な技術である大量のプレカット石と関連があります。また、マスティンバーやわら構造断熱パネル（SSIP）とも関連しており、これらはすべて、プレファブリケーションを伴う現代の建築用に伝統的な材料を再構成したものです。^{[2] [3]}

張力は、石材内部のダクトに通されるか、石材の外部に取り付けられた鋼製の腱またはロッドによって実現されます。^[4]内部張力の場合、石材に穴を開けてダクトを形成し、張力用の腱をダクトに通します。^[5]

最も一般的な張力石はポストテンション石であり、これも最も長い歴史を持っています。^[6] 2020年代初頭に開発された2番目の方法は、プレテンション石です。^[7]

プレストレストコンクリートと同様に、プレテンション法とポストテンション法は異なる状況で使用することができます。プレテンション石はプレファブリケーションに適しているかもしれませんが、ポストテンション法は現場での組み立てに適しているかもしれません。^[8]

ポストテンション方式では、石材が所定の位置に設置されると、油圧ジャッキを使用してテンドンが張られ、テンドンの端にあるアンカー（通常はプレートと組み合わせて）を介して力が石に伝達されます。^[9]張力をかけることで石に圧縮力が加わり、ひび割れや破損の原因となる引張応力に対する抵抗力が向上します。^[10]

プレテンションストーンでは、テンドン（鋼棒）がジャッキで張力をかけられ、ダクト内の残りの空洞がエポキシグラウトで満たされます。^[7]エポキシが固まった後、ロッドの端がジャッキから解放され、石が圧縮されます。^[7]プレテンションストーンとポストテンションストーンの構造上の違いは、前者では張力要素が石の長さに沿って接着されているため、ダクトの長さに沿って石に圧縮が適用されますが、ポストテンションストーンでは、圧力がエンドプレートを通じて適用されます。^[7]

石は圧縮強度に優れているため、石造りのアーチのような圧縮構造物に最適です。 ^[11]しかし、曲げ強度は鋼鉄や木材に比べて比較的弱いため、単独では張力のかかる広いスパンで安全に使用することはできません。^[11]

「ポストテンション加工を施した石材は、曲げ加工時の石材の破損荷重を増加させるだけでなく、接合部のひび割れを減らすことで構造物の剛性も高めます。この工法はコンクリート構造物に広く​​使用されていますが、同様の技術を石材に使用することの利点は、ようやく認識され始めたところです。」^[4]

コンクリートの場合、この問題はずっと前から解決されています。従来の引張補強に加えて、技術者は1888年頃からプレストレストコンクリート法を開発しました。このような張力補強コンクリートの応用では、圧縮強度とプレストレスト引張圧縮を組み合わせることで、個々のコンポーネントのどちらよりもはるかに大きな強度が得られ、何十年にもわたって広く使用されてきました。初期のコンクリート技術者の1人であるウジェーヌ・フレシネは、コンクリートのプレストレスト工法を改良し、ポストテンションコンクリート工法を石にも適用したと言われています。^[8]コンクリートに関しては、ポストテンションにより石を圧縮状態に維持し、強度を高めます。

石は「天然プレキャストコンクリート」なので、建設に使用する前に切断（および強度テスト）して張力をかけるだけで済みます。コンクリートや鉄鋼と比較すると、ポストテンション石の生産はエネルギーコストが大幅に削減され、同時に炭素排出量も削減されます。^[12]

ポストテンション石は、状況によっては鉄筋コンクリートに代わる可能性を秘めています。構造エンジニアのスティーブ・ウェッブによると、「ポストテンション石の梁は鋼鉄と同じくらい強い」そうです。 ^[13]「ポストテンションは、構造材料としての石積みの復活に新たな可能性をもたらします。」^[14]ポストテンション石は、さまざまなデザインで 大量のプレカット石と組み合わせて使用​​される可能性があります。

2020年、ザ・ビルディング・センターで開催された展覧会「新石器時代」では、ポストテンションストーンが大きな注目を集めました。^[15]

建築家のジェームズ・シンプソンはこう書いています。

「『人工木材』という言葉は建築業界ではすでに一般的に使われているが、構造用の『人工石』はなぜ使われないのか？…石材業界にとって最もエキサイティングな可能性は…フレーム構造、または部分的にフレーム構造の人工石システムの作成の可能性である。これはコンクリートよりも強い石の圧縮強度とステンレス鋼の棒による後張りを組み合わせることで実現する。壁、柱、梁、スラブはすべて工場で製材された石の小片から作られ、標準部品の設計に合わせて切断され、事前に穴が開けられる。」^[16]

1. 強度。標準的なコンクリートと比較して、多くの種類の石は圧縮強度と引張強度が向上しており、この特性によりプレストレスト石の強度が向上します（コンクリートと比較して）。^[11]
2. 細身。コンクリートに比べて石の圧縮強度が高いため、梁がかさばりません。^[11]
3. 石の耐候性により耐久性が向上し、メンテナンスコストが削減されます。
4. 美観。コンクリートを石で覆うのではなく、荷重を支える石が石のような外観をしています。^[17]
5. 埋め込まれた炭素の削減。ポストテンションストーンはコンクリートに比べて二酸化炭素の温室効果ガスの排出量が1/3未満です。^{[11] [18]}
6. 低コスト。30階建てのオフィスビルの調査では、PT石の床パネルを使用するとコンクリートの床よりも安価であることがわかりました。^[12] Groupworkによるその後の研究では、ほとんどの建築プロジェクト（箱桁橋を除く）で石の方がコンクリートよりも安価であることがわかりましたが、これらの研究は公表されていません。^[19]

1. 材料使用量の削減。ポストテンション工法は石材の構造性能を高めることで、より薄い石板や壁材の使用を可能にし、全体的な材料使用量と関連コストを削減します。^{[11] [20]}
2. デザインの選択肢が広がる。張力をかけることでデザインの選択肢が広がり、建築家、エンジニア、彫刻家は、従来の石造建築法では実現が難しい、より革新的で複雑な構造物を作ることができるようになる。^[11]
3. 耐震性。従来の石造建築物と比較して、PT石造建築物は圧縮力によって地震動時の構造物の健全性を維持することができるため、耐震性能が向上します。^[21]

従来の石工法と比較して、ポストテンション石工法は構造面と重量面で大きな利点がある。^[22]さらに、標準的な石工法と比較して、ポストテンション石工法には少なくとも3つの運用上の利点がある^[23]。

1. 部品の事前組み立ては地上レベルで行うことができるため、コストが削減され、安全性が向上します。^[24]
2. モルタルの強度や防水性のテストを含む組み立ての検査が容易になります。^[25]
3. プレハブのポストテンション石材は使用前に保管できるため、作業スケジュールを立てやすくなります。^[26]

ポストテンションストーンの幅広い採用は現在、次のような多くの課題に直面しています。

1. 耐荷重石と伝統的な建築との文化的つながり。
2. 高級建築物に化粧石を使用することで生じる混乱と、高コストであるという認識。
3. アラップグループ、ビューロ・ハッポルド、ウェブ・イェイツなどの一流企業を除けば、ほとんどの構造エンジニアの知識は限られている。構造工学のトレーニングには石材は含まれていない。これは、構造エンジニア協会からの注目が高まるにつれて変化しつつある^[4]
4. 石材を使った工学技術に関する国際基準が存在しない。
5. 緊張石工法の知識を持つ石工が不足しています。また、プレストレスの知識を持ち、石材を扱うコンクリート作業員も不足しています。
6. プレハブPT石材の大規模産業が存在しない。
7. プレキャストコンクリートの場合と同様に、製造されたモジュール式 PT 石材コンポーネントが不足しています。
8. 初期の注目度の高いポストテンション石造建築プロジェクト、特にポートカリス・ハウスのコストが高かった。
9. 定期的な強度試験を実施し、石材の強度証明書を発行できる規格石材採石場が不足しています。
10. 正確な形状の自動CNC石材切断用に、より優れた CAD-CAM ソフトウェアとハ​​ードウェアを開発する必要性。

2020 年代初頭、ほとんどの国で石材業界はほぼ完全にタイルと外装材向けに構成されていました。

1. コンクリートを使用した既存のワークフローは、石のような新しい材料のような規模の経済性を持たない新しい材料への参入障壁を作り出します。^[27]
2. 石材の設計強度とコンクリートのような均質化された材料の強度をどのように決定するかは不明である。^[28]

ポストテンションストーンは、さまざまな用途に使用されています。1990 年代に試験的に使用された後、コンクリートに関連する高い炭素排出量への認識もあって、2020 年代初頭にその使用が増加しました。

最大スパン40mのポストテンション式石造歩道橋は、日本、スイス、ドイツ、スペインで建設されており^[14]、Kusser Granitwerke社によって最大スパン20mのものが市販されている。

ポストテンション石は1990年代から新しい建築用途に使われるようになったが、ポストテンション石積みは一般的には少なくとも1800年代初頭にまで遡る。「1825年、イギリスでテムズ川の下のトンネル工事にポストテンション工法が採用された。このプロジェクトでは、直径15メートル、高さ21メートルの垂直チューブケーソンを建設した。厚さ0.75メートルのレンガ壁は、直径25mmの錬鉄棒で補強され、ポストテンションがかけられた。」^[29]

耐震補強として、レンガや石の組積造建物に鋼製ボルトでポストテンションを施す手法は、遅くとも 19 世紀には、1883 年のチャールストン地震の後や、イタリアの地震多発地域の建物にも採用されていました。組積造建物の耐震補強は、プレストレスト コンクリートや現代の張力石よりもかなり低い張力で行われます。

20世紀半ば、シドニーオペラハウスの外壁はプレキャストコンクリートの石積み梁で作られ、ポストテンション工法で尖頭アーチ型天井に組み立てられました。1982年までに、ポストテンション石積みは土木技術者協会が出版した本に載るほど普及しましたが、その本はレンガとプレキャストコンクリートの石積みに関するものでした。^[30] 1985年と1986年には、構造技術者のレモ・ペドレスキらがポストテンションレンガに関する研究を発表しました。^[31]

1. 1947年、コンパニオン・デュ・デヴォワールはポストテンションストーンの概念をテストし、8メートルのスパンで7トンの荷重を支えることができることを発見しました。^[32]
2. 1960年代から80年代にかけて、クルースナーエンジニアリングは外部パネルとして使用するためのポストテンションストーンを開発しました。^[33]

   「ポストテンション加工を施したインディアナ石灰岩ユニットの初期の実験は、1967 年に建築石材協会、1970 年にインディアナ石灰岩協会によって後援されました。これらのプログラムでは、ポストテンション加工を施した梁やスラブがいくつか製造され、テストされました。ポストテンション加工を施した石の利点は、コンクリートの場合とほぼ同じです。従来のユニットよりも長いスパンで大きな荷重を支えることができます。石材ユニットは、建物の柱から柱までをカバーするために、工場ではるかに大きなユニットとして製造できます。柱廊などの建物の特徴に梁を使用して、いくつかの構造アプリケーションが構築されましたが、その場合の活荷重は屋根荷重と風荷重に限定されていました。」[ ^33]

3. 1980 年代、Rock of Ages Corporation は製紙業界での使用を目的とした Accu-Tensioned Granite Press Rolls を開発しました。花崗岩の柱を旋盤で加工し、その長さに沿って穴を開けてから、鋼棒を配置して張力をかけました。
4. 1980年代、シドニー郵便局は砂岩の時計塔をポストテンションで補強する修復工事を実施した。この耐震補強の結果、シドニー郵便局は世界初のポストテンション石造建築物とされている。構造工学はマクビーン・アンド・クリスプ社のコリン・クリスプが指揮した。「既存の建物にポストテンションをかけるこの技術は世界初であり、国際的な関心を集めている。」^[34]以前から耐震補強ボルトが使用されていたため、郵便局の優先権主張は、構造計算によってテンドンの配置と張力の増​​加が導かれた方法に関係している可能性が高い。

   「100年以上の歴史を持つ砂岩の石造建築物であるGPOタワーは、床レベルで直径0.5インチのストランド19本からなる4本の垂直ポストテンションテンドンと、直径35mmの水平プレストレスバーで補強されます。…特殊なスチールチェアを使用してテンドンを固定し、1,771kN（400キップ）の固定力を分散します。非結合テンドンの固定により、必要に応じて砂岩の体積変化を補正するためにテンドンの力を監視および調整できます。」^[29]

1. ポストテンション石材が新しい建物に実際に使用されたことが記録されている最初の例は、1992年の万国博覧会のためにセビリアで建設された未来館で、オーヴ・アラップ・アンド・パートナーズの構造エンジニアであるピーター・ライスとトリストラム・カーフレーが設計しました。^[14]ライスはシドニー・オペラハウスの設計にも携わっていましたが、この建物はプレキャストコンクリートの石材梁を使用し、ポストテンション法で尖頭アーチの上部構造に組み立てた点で大きな技術的進歩でした。このポストテンション石材の事前使用が、数十年後にライスがポストテンション石材を使用するきっかけになった可能性があります。
2. 1991年から2004年にかけて、建築家レンゾ・ピアノが設計・建設した6000平方メートルの聖ピオ・ディ・ピエトレルチーナ聖堂のアーチと、ファヴェロ＆ミランエンジニアズのマウリツィオ・ミラン^[35]とアラップグループ^[36]が構造工学を担当した。
3. 1994年に建設された、日本の大分県にある34メートルスパンのイナコス歩道橋は、エンジニアの川口守氏が設計したポストテンション石を使用しています。^[14]「この橋は、アーチ型の上部弦材と吊り下げられた下部弦材を備えたレンズ状の形状をしており、逆ピラミッドを形成するように配置された鋼管からなるウェブ部材によって互いに接続されています。」
4. 1995年に完成した^[37]ケンブリッジ大学エマニュエル・カレッジのクイーンズ・ビルディング^[14]は、ホプキンス・アーキテクツとビューロ・ハッポルド^[8]がオーヴ・アラップ・アンド・パートナーズと共同で設計した。^[38]「柱は建物の横方向の安定性を確保するためにも使用され、基礎に直接取り付けられたステンレス鋼の棒を使用してポストテンションがかけられた。」^[39]
5. 1999年に完成したスイスのプント・ダ・スランスンス橋は、土木技術者のユルグ・コンツェットとジャンフランコ・ブロンツィーニが設計した40メートルの歩道橋^[40]である。

   「プント・ダ・スランスンス橋は、長さ40メートルの応力リボン橋です。長方形の鋼棒の上にプレストレスをかけたアンデール花崗岩のスラブで構築されています。橋を渡ると垂直方向の振動が感じられますが、歩行者は橋が見た目ほど柔軟ではないとコメントしています。」^[41]

6. 1999年にエリック・パリーによって建てられたサザーク・ゲートウェイ・ニードルは、ポストテンション方式で高さ16メートルに支えられたポートランド石のブロック25個でできています。^{[42] [39] [43]}

1. 2001年に完成したポートカリス・ハウスは、ホプキンス・アーキテクツが設計した英国国会議事堂である。^[8]この建物は、建物全体の予算を超過したため、PTストーンのコスト面での評判に打撃を与えた。
2. 2002年に完成したフィンズベリースクエア30番地は、エリック・パリー・アーキテクツ^{[44] [45]}とウィットビーバードのエンジニアによって完成しました。「柱は従来の方法で建設され、ポストテンションをかける前に7日間放置されました。」^[39]
3. 2004年、クッサー・グラナイトワークスはポストテンション式の花崗岩・閃緑岩の旗竿の製造を開始しました。^[46]
4. 2005年、最初のポストテンション式螺旋石階段のプロトタイプが作られました。「エスカリエ・リドルフィ」と呼ばれ、クラウディオ・ダマートとジュゼッペ・ファラカーラによって設計されました。^{[47] 2006年、}ヴェネツィア・ビエンナーレ建築展で、アトリエ・ロメオの石工によって建設された実物大のエスカリエ・リドルフィ階段が発表されました^[48]
5. 2007年、クッサー・グラニトヴェルケはローゼンハイムに最初の張力石歩道橋を建設した。^[49]
6. 2009年に完成したサウサンプトン・ロウの建物^[8]は、シェパード・ロブソン建築家によって設計され、ポストテンション石が使用されていました。

1. 2011年から、石工ピエール・ビドーと構造エンジニアのスティーブ・ウェッブの協力により、高級住宅向けの受賞歴のある高張力石階段が建設されました。 ^{[50] [32] [51]}
2. 2013年、ジュゼッペ・ファラカーラとマルコ・スティリアーノは、石と鋼棒とケーブルを組み合わせてテンセグリティ構造にした「テンセグリリシック」のプロトタイプを披露した。^[52]
3. 2019年から、ウェブ・イェーツのエンジニアは住宅建設に拡張された水平方向の石のまぐさ石を使用し、^[53]原理実証の石の床パネルを使用しました。^{[54] [11]}
4. 330度の螺旋階段。2019年に完成したトルコのドルナイヴィラのためにフォスターアンドパートナーズが設計し^[55]、ストーンメイソンリーカンパニーとウェッブイェイツが施工した。^[56]

1. 2020年、IABSEは、木材や張力石などの構造工学における低炭素材料を使用した革新に対して、スティーブ・ウェッブにミルンメダルを授与しました。^[57]
2. 2022年、ユルグ・コンツェットとジャンフランコ・ブロンズィーニは、プント・ダ・スランスンス（1999年）、トゥルット・ディル・フレム・トレイル沿いの滝橋、オッリド・ディ・カヴァリア（2021年）など、数々の張力石の歩道橋を含む作品群を認められ、スイス建築芸術大賞を受賞した。^[58]彼らの張力石プロジェクトの多くは、スイスで広く採掘される片麻岩を使用している。 ^[59]
3. 2024年、ロイヤル・アカデミー・オブ・アーツの夏季展覧会では、石灰岩の芯材と張力のある円筒と鋼鉄のジョイントで作られた石鋼立体フレーム（3Dトラス）が展示されました。

   「クレーンのマスト、橋、エデンセンターやスタジアムオーストラリアのようなスペースフレームが、鋼鉄ではなく石材で作られているところを想像してみてください。世界を救う75パーセントの炭素削減、固有の耐久性と耐火性により、廃石を利用して本当に美しい構造物を作ることができます。」 -スティーブ・ウェッブ^[60]

4. 2026年に完成予定のバルセロナのサグラダ・ファミリア大聖堂は、アラップ・グループと提携して建設中で、ポストテンション方式の石積み構造を採用している。^[23]「バルセロナのサグラダ・ファミリアの設計責任者であるジョルディ・ファウリ氏は、大聖堂の中央塔の一部を形成する800枚のパネルにこの技術を採用すると述べている。実際、プレストレス方式により、より軽量で風に対する抵抗力を高めることができる。」ポストテンション方式を採用することで、石張りコンクリートの使用を避け、建設をスピードアップできる。^[61]アラップの構造エンジニアであるトリストラム・カーフレー氏がエンジニアリング作業を主導している。^[62]

• 「スティーブ・ウェッブ、ピエール・ビドー、アミン・タハによる新石器時代展」
• 構造材料としての石材。第3部：ポストテンション式石材構造
• ポストテンション橋