構造の健全性と故障

構造の完全性と破損は、構造が破損することなく設計された構造荷重(重量、力など) を支える能力を扱うエンジニアリングの側面であり、将来の設計での破損を防ぐために過去の構造破損の研究も含まれます。

構造的完全性とは、構造部品または多くの部品で構成される構造のいずれかが、荷重（自重を含む）を受けても破損したり過度に変形したりすることなく保持される能力です。これにより、構造が適切な使用中、意図された耐用年数の間、設計された機能を果たすことが保証されます。物品は、負傷、重大な損害、死亡、および/または金銭的損失につながる可能性のある 壊滅的な故障を防ぐために、構造的完全性を備えて構築されます。

構造破壊とは、構造的完全性の喪失、または構造部品または構造自体の荷重支持構造能力の喪失を指します。構造破壊は、材料が強度限界を超えて応力を受け、破損または過度の変形を引き起こしたときに発生します。構造設計で考慮する必要がある限界状態の1 つは、極限破壊強度です。適切に設計されたシステムでは、局所的な破壊によって構造全体が即座に崩壊したり、徐々に崩壊したりすることはありません。

構造的完全性とは、破損、変形、疲労による破損がなく、意図した負荷に耐える構造の能力です。これは、設計目的を果たし、望ましい耐用年数の間機能し続けるアイテムを生産するためにエンジニアリングでよく使用される概念です。

構造的に完全なものを作るために、技術者はまず材料の機械的特性、例えば靭性、強度、重量、硬度、弾性を考慮し、次に材料が長期間にわたって所望の負荷に耐えるのに必要なサイズと形状を決定する必要があります。部材は破損することも過度に曲がることもできないため、剛性と靭性の両方を備えている必要があります。非常に硬い材料は曲がりにくいかもしれませんが、十分な靭性がなければ、破損せずに負荷を支えるには非常に大きな材料が必要になる場合があります。一方、弾性の高い材料は、靭性が高いために破損が防げるとしても、負荷がかかると曲がってしまいます。

さらに、各コンポーネントの完全性は、あらゆる耐荷重構造における個々の用途に対応していなければなりません。橋の支柱には高い降伏強度が必要ですが、それを支えるボルトには優れたせん断強度と引張強度が必要です。バネには優れた弾性が必要ですが、旋盤工具には高い剛性が必要です。さらに、構造全体が、最も弱い部分が破損することなく荷重を支えられなければなりません。そうしないと、他の構造要素にさらにストレスがかかり、連鎖的な破損につながる可能性があります。^{[1] [2]}

建物を健全に建てる必要性は、歴史の記録に残る時代まで遡ります。家は、家自体の重量に加えて、住人の重量も支えられる必要がありました。城は、侵入者の攻撃に耐えられるように強化する必要がありました。道具は、その役割を果たせるほどに強く頑丈である必要がありました。

古代には、構造物の健全性を予測する数式は存在しませんでした。建築業者、鍛冶屋、大工、石工は、安全で頑丈な構造物を作るために、試行錯誤（過去の失敗から学ぶ）、経験、徒弟制度に頼っていました。歴史的には、安全性と耐久性は、例えば10トンで済むところに20トンのコンクリートを使用するなど、過剰に補うことで確保されていました。ガリレオは、1638年に論文『二つの新科学についての対話』で材料の強度を考慮に入れた最初の一人でした。しかし、そのような材料特性を計算する数学的方法は、19世紀まで発展し始めませんでした。^{[3]今日存在する}破壊力学の科学は、アラン・アーノルド・グリフィスがガラスの 脆性破壊を研究した1920年代まで発展しませんでした。

1940 年代以降、いくつかの新技術の悪名高い失敗により、構造的破損を分析するためのより科学的な方法が必要になった。第二次世界大戦中、溶接工程で生じた応力、温度変化、隔壁の四角い角の応力集中によって生じた脆性破壊により、200 隻以上の溶接鋼船が真っ二つに折れた。1950 年代には、四角い窓の角の応力集中により、デ・ハビランド コメット機が飛行中に爆発し、ひび割れが生じて加圧キャビンが爆発した。 加圧ボイラー タンクの故障によるボイラー爆発も、この時代によく見られた問題で、深刻な被害をもたらした。橋や建物の大型化により、さらに大きな災害と人命損失が発生した。構造的完全性を備えた建造物を建設する必要性から、材料科学と破壊力学の分野で大きな進歩がもたらされた。^{[4] [5]}

構造上の欠陥は、さまざまなタイプの問題によって発生する可能性がありますが、そのほとんどは、さまざまな業界や構造タイプに固有のものです。ただし、そのほとんどは、5 つの主な原因のいずれかに起因します。

• 1 つ目は、構造のサイズ、形状、または材料の選択が原因で、荷重を支えるのに十分な強度と強度がないことです。構造またはコンポーネントの強度が十分でない場合、構造に臨界応力レベルを超える応力がかかったときに壊滅的な破損が発生する可能性があります。
• 2 つ目のタイプの破損は、構造の形状、設計、または材料特性の不安定性によって引き起こされる疲労または腐食によるものです。これらの破損は通常、角張った角や材料の端に近すぎるボルト穴などの応力点に亀裂が生じたときに始まります。これらの亀裂は、材料が繰り返し応力を受け、荷重が解放される (周期的荷重) につれて大きくなり、最終的に臨界長さに達し、通常の荷重条件下で構造が突然破損する原因となります。
• 3 番目のタイプの故障は、材料の不適切な選択、サイズの誤り、不適切な熱処理、設計の遵守の失敗、粗雑な仕上がりなど、製造上の誤りによって引き起こされます。このタイプの故障はいつでも発生する可能性があり、通常は予測できません。
• 4 番目のタイプの故障は、欠陥のある材料の使用によるものです。このタイプの故障も、材料が不適切に製造されていたり、以前の使用により損傷していたり​​する可能性があるため、予測できません。
• 5番目の失敗の原因は、予期せぬ問題を考慮していないことです。このタイプの失敗は、破壊行為、妨害行為、自然災害などの出来事によって引き起こされる可能性があります。また、構造物を使用および維持する人が適切な訓練を受けておらず、構造物に過度のストレスをかけた場合にも発生する可能性があります。^{[4] [5]}

ディー橋はロバート・スティーブンソンによって設計され、鋳鉄の桁を錬鉄の支柱で補強した構造であった。1847年5月24日、列車が橋の上を通過した際に橋が崩落し、5人が死亡した。この崩落は、構造上の欠陥に関する最初の正式な調査の対象となった。この調査では、錬鉄が鋳鉄を補強しておらず、繰り返し曲げられたために鋳造が破損したため、構造設計に根本的な欠陥があったという結論が下された。^[6]

ディー橋の惨事の後には、1879年12月28日に最初のテイ鉄道橋が崩落するなど、鋳鉄橋の崩落が何度も起きた。ディー橋と同様に、テイ鉄道橋も列車が通過中に崩落し、75人が死亡した。この橋が崩落したのは、粗悪な鋳鉄で作られていたことと、設計者のトーマス・バウチが風荷重を考慮しなかったためである。この崩落により、鋳鉄は鋼鉄製に置き換えられ、1890年にフォース鉄道橋は完全に再設計され、世界初の完全に鋼鉄製の橋となった。^[7]

1940 年に起きたタコマナローズ橋の崩落は、物理学の教科書では共振の典型的な例として説明されることがあるが、この説明は誤解を招くものである。橋を破壊した壊滅的な振動は単純な機械的共振によるものではなく、橋とそこを通過する風との間のより複雑な振動、いわゆる空力弾性フラッターによるものであった。橋の空気力学の理解に大きく貢献したロバート H. スキャンランは、この誤解について記事を書いている。^[8]この崩落とその後の研究により、風と構造物の相互作用に関する理解が深まった。同様の事故が再び起こらないようにするため、崩落後にいくつかの橋が改修された。唯一の犠牲者は犬 1 匹であった。^[7]

I-35Wミシシッピ川橋（正式には橋9340として知られている）は、アメリカ合衆国ミネソタ州ミネアポリスでミシシッピ川を渡る州間高速道路35Wを通す8車線の鋼製トラスアーチ橋であった。この橋は1967年に完成し、ミネソタ州運輸局によって保守が行われた。この橋はミネソタ州で5番目に交通量の多い橋で、^{[9] [10]} 1日あたり14万台の車両が通行していた。^[11] 2007年8月1日の夕方のラッシュアワー時に橋が壊滅的な崩壊を起こし、川と川岸に崩落した。13人が死亡、145人が負傷した。この崩落事故の後、連邦道路局は、トラス構造の桁を連結するために使われていたガセットプレートと呼ばれる大きな鋼板に関連した設計上の欠陥が橋に見つかったため、同様の構造を持つ米国の橋700橋を各州に検査するよう勧告した。^{[12 ] [13] [14]}当局は、米国の他の多くの橋が同じ設計を共有していることに懸念を表明し、40年以上の検査でなぜこのような欠陥が発見されなかったのか疑問を呈した。^[14]

2013年4月4日、インドのマハラシュトラ州ターネー郊外のムンブラにある部族の土地で建物が倒壊した。 ^{[15] [16]}この事故は、この地域で最悪の建物倒壊と呼ばれている。 ^{[17] [注 1]} 18人の子供、23人の女性、33人の男性を含む74人が死亡し、100人以上が生き残った。^{[20] [21] [22]}

この建物は建設中であり、100～150人の低所得者から中所得者の居住者に対する居住許可証がなかった^[23]。居住者は現場の建設労働者とその家族のみであった。この建物は、安全で合法的な建設、土地の取得、居住者の居住に関する標準的な慣行が遵守されなかったため、 違法に建設されたと報告されている。

4月11日までに、建築業者、エンジニア、市当局者、その他の責任者を含む合計15人の容疑者が逮捕された。政府の記録によると、この地域の違法建築物の数を管理する命令は2つあった。2005年のマハラシュトラ州によるリモートセンシングの使用命令と、2010年のボンベイ高等裁判所の命令である。州および市当局者にも苦情が申し立てられた。

4月9日、ターネー市当局は、この地域の違法建築物、特に「危険な」建築物を取り壊すキャンペーンを開始し、違法建築物に関する苦情を受け付け、解決状況を追跡するコールセンターを設置した。一方、森林局はターネー地区の森林地の不法占拠に対処することを約束した。

2013年4月24日、バングラデシュの首都ダッカ圏のサブディストリクトであるサバールにある8階建ての商業ビル、ラナプラザが倒壊した。死者の捜索は5月13日に終了し、死者数は1,134人となった。^[24]負傷者約2,515人がビルから生きたまま救出された。^{[25] [26]}

これは、歴史上最悪の死者を出した衣料品工場の事故であると同時に、近代人類史上最悪の偶発的な構造的崩壊であると考えられている。^{[23] [27]}

建物には衣料品工場、銀行、アパート、その他数軒の店舗が入っていた。建物に亀裂が見つかった後、下層階の店舗と銀行は直ちに閉店した。^{[28] [29] [30]}前日に亀裂が見つかった後、建物の使用を避けるようにとの警告は無視されていた。翌日、衣料品労働者は戻るよう命じられ、朝のラッシュアワー中に建物は倒壊した。^[31]

1995年6月29日、韓国ソウル市瑞草区にある5階建ての三豊百貨店が崩壊し、502人が死亡、1,445人が閉じ込められた。

1995 年 4 月、建物の脆弱な屋根の上にエアコンが設置されていたため、店舗南棟 5 階の天井にひび割れが生じ始めた。6 月 29 日の朝、天井のひび割れが急増したため、店舗のマネージャーは最上階を閉鎖し、エアコンを止めたが、幹部自身が予防措置として建物から退去したため、建物を閉鎖したり正式な避難命令を出したりすることはできなかった。

崩壊の5時間前、エアコンの振動で床板の亀裂がさらに広がり、最上階から数回の大きな爆発音の最初の音が聞こえた。建物内での振動を顧客が報告する中、エアコンは止められたが、床の亀裂はすでに10センチの幅にまで広がっていた。現地時間午後5時頃、5階の天井が沈み始め、午後5時57分、屋根が崩れ、すでに過負荷状態だった5階にエアコンユニットが落下した。

1968 年 5 月 16 日、ニューハム ロンドン特別区の 22 階建ての住宅タワー、ロナン ポイントが倒壊した。18 階で比較的小規模なガス爆発が起こり、構造壁パネルが建物から吹き飛ばされたためである。タワーはプレキャストコンクリートで建設されており、1 枚のパネルが破損したために建物の 1 隅全体が倒壊した。パネルが吹き飛ばされたのは、パネル間を通す補強鋼が不十分だったためである。また、パネルが支える荷重を他の隣接するパネルに再分配できなかったことも意味している。力が通る経路がなかったためである。倒壊の結果、不均衡な倒壊を防ぐための建築規制が全面的に見直され、プレキャスト コンクリートの詳細に関する理解が大きく進んだ。倒壊の結果、同様の建物の多くが改造または取り壊された。^[32]

1995 年 4 月 19 日、オクラホマ州にある9 階建てのコンクリート フレームのアルフレッド P. マラー連邦ビルがトラック爆弾の直撃を受け、部分的に崩壊し、168 人が死亡した。爆弾は大型であったが、建物の崩壊は著しく不均衡であった。爆弾はビルの正面のガラスをすべて吹き飛ばし、1 階の鉄筋コンクリート柱を完全に粉砕した( brisance を参照)。2 階レベルでは柱の間隔が広く、上層階の柱からの荷重は 2 階レベルの桁によって下のより少ない柱に伝達された。下層階の柱の 1 本が取り外されたため、余分な荷重により隣接する柱が破損し、最終的にビルの中央部分が完全に崩壊した。この爆破事件は、テロによる爆風荷重が建物に及ぼす極端な力を浮き彫りにした最初の事件の 1 つであり、建物の構造設計においてテロリズムを考慮することが増えた。^[33]

エルサレムのタルピオットにあるヴェルサイユ宮殿の結婚式場（ヘブライ語：אולמי ורסאי）は、イスラエル史上最悪の内乱災害の現場となった。2001年5月24日木曜日の夜22時43分、ケレンとアサフ・ドロルの結婚式中に、4階建ての建物の3階の大部分が崩壊し、23人が死亡した。新郎新婦は生き残った。

9月11日の攻撃では、2機の民間航空機がニューヨーク市の世界貿易センターのツインタワーに故意に衝突しました。衝撃、爆発、そして火災によって、2つのタワーは2時間も経たないうちに倒壊しました。衝撃によって外側の柱が切断され、中心の柱が損傷したため、これらの柱が受けていた荷重が再分配されました。この荷重の再分配は、各ビルの最上部にあるハットトラスによって大きく左右されました。 ^[34]衝撃によって鋼鉄から耐火材の一部が剥がれ、火災の熱にさらされる可能性が高まりました。温度が十分に高くなったため、中心の柱は上層階の重みでクリープや塑性変形を起こすほど弱くなりました。火災の熱によって周囲の柱と床も弱くなり、床がたわんでビルの外壁に内側に向かう力が加わりました。WTC第7ビルもその日遅くに倒壊しました。 47階建ての超高層ビルは、建物内部の大規模な火災とノースタワーの崩壊による大きな構造的損傷の組み合わせにより、数秒以内に崩壊した。^{[35] [36]}

2021年6月24日、フロリダ州サーフサイドにある12階建てのマンション「シャンプレーンタワーズサウス」が部分的に倒壊し、数十人が負傷、98人が死亡した。^[37]倒壊の様子はビデオに記録されている。^[38]瓦礫の中から1人が救出され、^[39] 6月24日には倒壊していない部分から約35人が救出された。地下駐車場の鉄筋コンクリート支持構造物の長期的な劣化は、鉄筋への水の浸入と腐食によるもので、倒壊の要因、あるいは原因と考えられている。この問題は2018年に報告され、2021年4月に「はるかに悪化している」と指摘された。倒壊当時、1,500万ドルの修復工事プログラムが承認されていた。

2024年1月24日、このゴシックリバイバル様式の石造りの教会の尖塔が崩壊し、屋根が落ちて建物に回復不能な損傷を与えました。^[40]

同じタイプの航空機で構造上の破損が繰り返し発生したのは、1954年にデ・ハビランド コメット C1 ジェット旅客機2 機が金属疲労による減圧で墜落し、1963 年から 1964 年にかけてはボーイング B-52 爆撃機4 機の垂直尾翼が空中で破損した時であった。

1991年8月8日16:00 UTC、ブルジュ・ハリファが建設される以前に建てられた最も高い人工物であったワルシャワの無線塔が、最も高い支柱の支線ワイヤーの交換ミスが原因で倒壊した。支線ワイヤーは最初に曲がり、高さの約半分のところで折れた。この倒壊により、モストスタル・ザブジェの小型移動式クレーンが破壊された。交換作業前に作業員全員が支線を離れたため、1997年の WLBTタワーの同様の倒壊とは対照的に、死者は出なかった。

1981年7月17日、ミズーリ州カンザスシティのハイアットリージェンシーのロビーにある2本の吊り橋が崩落し、ティーダンスパーティーで114人が死亡、200人以上が負傷した^[41]。この崩落は、後になって設計が変更され、橋を支える棒の接続方法が変わり、接続部にかかる力が誤って2倍になったことによるものだった。この事故は、設計技術者と請負業者の間の良好なコミュニケーションと、設計、特に請負業者が提案した設計変更に対する厳格なチェックの必要性を浮き彫りにした。この事故は、世界中の工学コースの標準的なケーススタディであり、工学における倫理の重要性を教えるために使用されている。^{[42] [43]}

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• 豆腐かすプロジェクト
• 都市の捜索救助
• 構造的欠陥と崩壊のリスト

注記

引用

文献

• フェルド、ジェイコブ、カーパー、ケネス L. ( 1997)。建設工事の失敗。ジョン ワイリー アンド サンズ。ISBN 0-471-57477-5。 
• ルイス、ピーター R. (2007)。ディー川の災害。テンプス。
• ペトロスキー、ヘンリー（1994）。 『設計パラダイム：エンジニアリングにおける誤りと判断の事例』ケンブリッジ大学出版局。ISBN 0-521-46649-0。 
• スコット、リチャード (2001)。『タコマのあとに：吊り橋と空気力学的安定性の探求』ASCE 出版。ISBN 0-7844-0542-5。