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構造工学は土木工学の下位分野であり、構造技術者は、人工構造物の形状や構造を作り出す「骨組みと接合部」を設計する訓練を受けます。構造技術者はまた、建物[ 1 ]および非建築構造物の安定性、強度、剛性、耐震性を理解し、計算する必要があります。構造設計は、建築家や建築設備技術者などの他の設計者の設計と統合され、多くの場合、現場で請負業者によるプロジェクトの建設を監督します[ 2 ] 。構造技術者は、構造的完全性が機能と安全性に影響を与える機械、医療機器、車両の設計にも関与することがあります。構造工学の用語集を参照してください。
構造工学理論は、応用物理法則と、さまざまな材料や形状の構造性能に関する経験的知識に基づいています。構造工学設計では、比較的単純な構造概念を多数用いて複雑な構造システムを構築します。構造エンジニアは、これらの目標を達成するために、資金、構造要素、材料を創造的かつ効率的に使用する責任があります。[ 2 ]
構造工学は紀元前2700年に遡り、ファラオ・ジョセルの階段ピラミッドが、歴史上初めて名前が知られているエンジニアであるイムホテプによって建設された。ピラミッドは古代文明によって建設された最も一般的な主要建造物であった。なぜなら、ピラミッドの構造形式は本質的に安定しており、ほぼ無限に拡大できるからである（荷重の増加に比例して線形的にサイズを大きくすることができない他のほとんどの構造形式とは対照的である）。[ 3 ]
ピラミッドの構造的安定性は、主にその形状から得られますが、建設に使用された石の強度と、その上にある石の重量を支える能力にも依存しています。[ 4 ]石灰岩のブロックは、建設現場近くの採石場から運ばれることが多く、圧縮強度は 30 ～ 250 MPa (MPa = Pa × 10 6 ) です。[ 5 ]したがって、ピラミッドの構造的強度は、ピラミッドの形状ではなく、建設に使用された石の材料特性に由来します。
古代から中世にかけて、建築設計と建設のほとんどは、石工や大工などの職人によって行われ、彼らは建築主としての役割を担うようになりました。構造に関する理論は存在せず、構造物がどのように立っているかについての理解は極めて限られており、「過去にうまくいったこと」の経験的証拠と直感にほぼ完全に依存していました。知識はギルドによって保持され、進歩によって取って代わられることはめったにありませんでした。構造物は反復的で、規模の拡大は漸進的でした。[ 3 ]
構造部材の強度や構造材料の挙動に関する最初の計算の記録は残っていないが、構造技術者という職業が本格的に形作られたのは産業革命とコンクリートの再発明によってである（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サンス期に理解され始め、その後1970年代に開拓されたコンピュータベースのアプリケーションへと発展した。[ 6 ]
構造工学の歴史には、数多くの崩壊や失敗の事例がある。時には、明らかな過失が原因となることもある。例えば、ペティオンヴィルの学校崩壊事故では、フォルタン・オーギュスタン神父が「自分は建築に関する知識が豊富なので、エンジニアは必要ない」と言い、 3階建ての校舎の一部が崩壊して近隣住民が避難した後、建物を一人で建てた。最終的な崩壊では、主に子供を含む94人が死亡した。
構造物の破損事例の中には、綿密な調査が必要なものもあり、こうした調査の結果、施工方法の改善や構造工学の理解の深化につながっている。こうした調査の中には、法廷工学調査の結果得られたものもあり、元の技術者が業界の基準や許容される慣行に従ってあらゆることを行ったにもかかわらず、破損が発生したケースなどが挙げられる。このようにして構造に関する知識と実践が進歩した有名な事例としては、 1970年代にオーストラリアで発生した箱桁構造の崩落事故が挙げられる。
構造工学は、構造物が自重や外力にどのように耐え、抵抗するかを理解し予測するために、応用力学、材料科学、応用数学に関する詳細な知識を必要とします。構造エンジニアがこの知識をうまく応用するには、一般的に、関連する経験的および理論的な設計基準、構造解析の手法、そして特に外部環境にさらされる構造物の材料や構造物の耐食性に関する詳細な知識が必要です。1990年代以降、構造物の設計を支援する専門ソフトウェアが登場し、構造物の作図、解析、設計を最大限の精度で支援する機能を備えています。例としては、AutoCAD、StaadPro、ETABS、Prokon、Revit Structure、Inducta RCBなどが挙げられます。このようなソフトウェアは、地震や風などの環境荷重も考慮に入れることができます。
構造エンジニアは、構造設計と構造解析を担当します。初級レベルの構造エンジニアは、建物の梁や柱など、構造物の個々の構造要素を設計することがあります。より経験豊富なエンジニアは、建物などのシステム全体の構造設計と健全性に責任を負うことがあります。
構造技術者は、建物、橋梁、パイプライン、工業施設、トンネル、車両、船舶、航空機、宇宙船など、特定の種類の構造物に特化することが多い。建物を専門とする構造技術者は、コンクリート、鋼材、木材、石材、合金、複合材料といった特定の建築材料に特化することもある。
構造工学は、人類が建造物を建設し始めた頃から存在していました。19世紀後半の産業革命期に建築が工学とは別の専門職として確立されたことで、構造工学はより明確で体系化された職業となりました。それまでは、建築家と構造エンジニアは通常、同一の存在、つまり建築主でした。19世紀から20世紀初頭にかけて構造理論に関する専門知識が発展して初めて、専門の構造エンジニアという職業が誕生したのです。
今日の構造エンジニアの役割には、静的荷重と動的荷重の両方と、それらに抵抗するために利用できる構造に関する深い理解が含まれます。現代の構造の複雑さにより、構造物が受ける荷重を支え、抵抗できるようにするために、エンジニアにはしばしば多大な創造性が求められます。構造エンジニアは通常、4年または5年の学部課程を修了し、その後最低3年間の実務経験を積んでから、完全に資格があるとみなされます。構造エンジニアは、世界中のさまざまな学会や規制機関（たとえば、英国の構造技術者協会）によって免許または認定されています。履修した学位コースや免許取得を希望する管轄区域によっては、構造エンジニアのみ、土木エンジニアのみ、または土木エンジニアと構造エンジニアの両方として認定（または免許）される場合があります。もう1つの国際組織は、IABSE（国際橋梁構造工学協会）です。[ 7 ]この協会の目的は、知識を交換し、専門職と社会のために構造工学の実践を世界的に発展させることです。
構造建築工学は、主に材料と形状の創造的な操作、そしてその根底にある数学的・科学的な概念に基づいて、機能的な要件を満たし、想定されるあらゆる荷重に対して構造的に安全な構造を実現することを目的としています。これは、材料と形状、質量、空間、容積、質感、光などを創造的に操作することで、美的、機能的、そしてしばしば芸術的な目的を達成する建築設計とは微妙に異なります。
建物の構造設計は、建物が安全に建ち、構造部材の疲労、備品や間仕切りのひび割れや破損、居住者の不快感などを引き起こすような過度のたわみや動きがなく、正常に機能することを保証しなければなりません。温度変化、クリープ、ひび割れ、および外力による動きや力も考慮する必要があります。また、設計が材料の許容製造公差内で実際に建設可能であることも保証しなければなりません。建築デザインが機能し、建物設備（空調、換気、排煙、電気、照明など）が建物内に収まり、機能するように設計する必要があります。現代の建物の構造設計は非常に複雑になる場合があり、多くの場合、大規模なチームが必要となります。
建物の構造工学における専門分野には、以下のようなものがあります。
耐震構造物とは、地震に耐えられるように設計された構造物のことである。
地震工学の主な目的は、構造物と揺れる地盤との相互作用を理解すること、起こりうる地震の影響を予測すること、そして地震発生時に機能する構造物を設計・建設することである。
耐震構造物とは、必ずしも上に示したチチェン・イッツァのエル・カスティージョ・ピラミッドのように極めて頑丈な構造物を指すわけではない。
土木構造工学は、建築環境に関連するすべての構造工学を含みます。これには以下が含まれます。
構造エンジニアはこれらの構造物の設計責任者であり、多くの場合、唯一の設計者です。このような構造物の設計においては、構造上の安全性が最重要事項となります（英国では、ダム、原子力発電所、橋梁の設計は、公認技術者による承認が必要です）。
土木構造物は、温度の大きな変化、波や交通などの動的荷重、水や圧縮ガスによる高圧など、非常に過酷な力にさらされることが多い。また、海上、工業施設、地下など、腐食性の高い環境に建設されることも多い。
機械の各部品にかかる力は大きく変動し、その変動速度も非常に速い。船舶や航空機にかかる力は極めて大きく変動し、構造物の寿命期間中に何千回も変化する。構造設計においては、こうした構造物が設計寿命全体にわたって破損することなく、そのような負荷に耐えられるようにしなければならない。
これらの作業には、機械構造工学の知識が必要となる場合があります。
航空宇宙構造物の種類には、打ち上げロケット（アトラス、デルタ、タイタン）、ミサイル（ALCM、ハープーン）、極超音速機（スペースシャトル）、軍用機（F-16、F-18）、民間航空機（ボーイング777、MD-11）などがあります。航空宇宙構造物は通常、薄い板材で構成され、外面には補強材、隔壁、形状を支えるフレーム、そして溶接、リベット、ネジ、ボルトなどの締結具によって部品が固定されています。
ナノ構造とは、分子構造とミクロ（マイクロメートルサイズ）構造の中間のサイズを持つ物体です。ナノ構造を説明する際には、ナノスケールにおける次元の数を区別する必要があります。ナノテクスチャ表面はナノスケールで1次元を持ち、つまり、物体の表面の厚さのみが0.1～100 nmです。ナノチューブはナノスケールで2次元を持ち、つまり、チューブの直径は0.1 ～100 nmですが、長さははるかに長くなる可能性があります。最後に、球状ナノ粒子はナノスケールで3次元を持ち、つまり、粒子は 各空間次元で0.1～100 nmです。ナノ粒子と超微粒子（UFP）という用語は、UFPがマイクロメートル範囲に達することもあるにもかかわらず、しばしば同義語として使用されます。「ナノ構造」という用語は、磁気技術に関して言及する際によく使用されます。
医療機器（別名：医療器具）は、病状の診断、モニタリング、または治療を支援するために設計されています。基本的な種類はいくつかあります。診断機器には、診断を支援するために使用される医用画像診断装置が含まれます。機器には、輸液ポンプ、医療用レーザー、LASIK手術機器が含まれます。医療モニターを使用すると、医療スタッフは患者の健康状態を測定できます。モニターは、患者のバイタルサインや、ECG、EEG、血圧、血液中の溶存ガスなどの他のパラメータを測定できます。診断用医療機器は、糖尿病の管理など、特定の目的で家庭でも使用できます。生体医療機器技術者（BMET）は、医療提供システムの重要な構成要素です。主に病院に雇用されているBMETは、施設の医療機器の保守を担当する人々です。
あらゆる構造物は、基本的に少数の異なる種類の要素から構成されている。
これらの要素の多くは、形状（直線、平面／曲線）と次元性（一次元／二次元）に基づいて分類することができる。
柱は、軸方向力（圧縮力）のみを負担する部材、または軸方向力と曲げ力の両方を負担する部材（技術的には梁柱と呼ばれますが、実際には単なる柱です）です。柱の設計においては、部材の軸方向耐力と座屈耐力を確認する必要があります。
座屈耐力とは、部材が座屈する傾向に耐える能力のことです。その耐力は、部材の形状、材質、および柱の有効長さに依存し、有効長さは柱の上部と下部の拘束条件に依存します。有効長さはどこは柱の実際の長さであり、Kは拘束条件に依存する係数である。
柱が軸方向荷重を支える能力は、柱が受ける曲げの程度に依存し、またその逆も成り立ちます。これは相互作用図で表され、複雑な非線形関係を示します。
梁とは、ある寸法が他の2つの寸法よりもはるかに大きく、作用する荷重が通常、その要素の主軸に垂直な要素と定義できます。梁や柱は線要素と呼ばれ、構造モデリングでは単純な線で表されることがよくあります。
梁は、純粋な曲げのみを受ける部材です。曲げによって、梁の断面（長手方向に分割された部分）の一方は圧縮状態になり、もう一方は引張状態になります。圧縮部分は座屈や圧壊に耐えるように設計する必要があり、引張部分は引張力に十分耐えられるように設計する必要があります。
トラスとは、部材と接続点（節点）から構成される構造物です。部材が節点で接続され、節点に力が加わると、部材は引張または圧縮の作用を及ぼします。圧縮作用を及ぼす部材は圧縮部材または支柱と呼ばれ、引張作用を及ぼす部材は引張部材またはタイと呼ばれます。ほとんどのトラスでは、交差する部材を接続するためにガセットプレートが使用されます。ガセットプレートは比較的柔軟性があり、曲げモーメントを伝達することはできません。接続部は通常、部材内の力の線が接合部で一致するように配置され、これによりトラス部材は純粋な引張または圧縮の作用を及ぼすことができます。
トラス構造は通常、大きなスパンを持つ構造物で使用され、そのような場合、ソリッドビームを使用すると経済的ではない。
板は2方向の曲げ応力を伝達します。コンクリート製の平板は板の一例です。板の挙動は連続体力学に基づいています。その複雑さから、多くの場合、有限要素解析を用いて解析されます。
また、想定される崩壊メカニズムを解析して崩壊荷重の上限を与える降伏線理論を用いて設計することもできます。この手法は実際に使用されていますが[ 8 ]、この方法は不適切な崩壊メカニズムに対して上限（つまり、崩壊荷重の安全でない予測）を与えるため、想定される崩壊メカニズムが現実的であることを保証するために細心の注意が必要です[ 9 ] 。
シェル構造は、その形状から強度を得ており、圧縮力を2方向から伝達します。ドームはシェル構造の一例です。シェル構造は、吊り下げ鎖モデルを作成し、純粋な引張力に対して懸垂線として機能させ、形状を反転させることで純粋な圧縮力を実現することによって設計できます。
アーチは一方向のみに圧縮力を伝達するため、石造で構築するのが適しています。アーチは、力の推力線がアーチの深さ内に収まるように設計されます。主に構造物の強度を高めるために用いられます。
懸垂線はその形状から強度を得ており、たわみによって横方向の力を純粋な張力として伝達します（綱渡りの上を人が歩くと、綱がたわむのと同じです）。懸垂線はほとんどの場合、ケーブルまたは布製の構造物です。布製の構造物は、2つの方向で懸垂線として機能します。
構造工学は、異なる材料がどのように荷重を支え、抵抗するかを理解するために、材料とその特性に関する知識に依存しています。また、例えば異種材料間のガルバニック腐食を防ぐために、腐食工学の知識も必要となります。
一般的な構造材料は以下のとおりです。
