チューブ（構造）

構造工学において、チューブとは、横方向の荷重（風、地震、衝撃）に耐えるために、建物が地面に対して垂直に片持ち梁された中空円筒のように機能するように設計されたシステムである。このシステムは、ファズル・ラーマン・カーンが建築事務所スキッドモア・オーウィングズ・アンド・メリル（SOM）のシカゴ事務所に在籍していたときに導入した。^{[ 1 ]}チューブの使用例の最初のものは、カーンが設計した43階建てのデウィット・チェスナット・アパートメント・ビル（後にプラザ・オン・デウィットと改名）で、イリノイ州シカゴにあり、1966年に完成した。^{[ 2 ]}

このシステムは、鉄骨、コンクリート、または複合構造（鉄骨とコンクリートをそれぞれ個別に用いる）で構築できます。オフィスビル、集合住宅、複合用途ビルなどに使用可能です。1960年代以降に建設された40階建て以上の建物のほとんどは、この構造タイプを採用しています。

チューブシステムコンセプトは、建物を地面に垂直な中空の片持ち梁として設計することで、横方向の荷重に耐えられるようにできるという考えに基づいています。チューブの最も単純な形態では、外周は間隔の狭い柱で構成され、深いスパンドレル梁によってモーメント接続で連結されています。この柱と梁の集合体は、建物の外側に沿って密で強固な構造壁となる剛性フレームを形成します。^{[ 3 ]}

外装フレームは、建物にかかるあらゆる横荷重に耐えられるよう十分な強度で設計されています。これにより、内部は重力荷重のみを支えるシンプルな構造にすることができます。内部の柱は比較的少なく、コア部分に配置されています。外装フレームとコアフレーム間の距離は梁またはトラスで支えられており、柱のない構造にすることも可能です。これにより、構造内部の重力荷重の一部を外周チューブに伝達することで、外周チューブの有効性が最大限に高まり、横荷重による転倒に対する抵抗力も向上します。

1963年までに、フレームチューブという新しい構造システムが超高層ビルの設計と建設に登場しました。スキッドモア・オーウィングズ・アンド・メリルで働いていたバングラデシュ（当時は東パキスタンと呼ばれていました）出身の構造エンジニア、ファズル・ラーマン・カーンは、フレームチューブ構造を「3つ、4つ、あるい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、その端またはその近くで接合されて、基礎から片持ち梁であらゆる方向の横方向の力に抵抗できる垂直なチューブ状の構造システムを形成する3次元空間構造」と定義しました。 ^{[ 4 ]}密接に配置された相互接続された外側の柱がチューブを形成します。横方向または水平方向の荷重（風、地震、衝撃）は、構造全体で支えられます。外表面の約半分が窓として利用できます。フレームチューブは内部の柱が少なくて済むため、使用可能な床面積が増えます。ガレージ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。

カーン氏のチューブのコンセプトは、バングラデシュのダッカにある彼の故郷から着想を得たものです。彼の故郷には3階建て以上の建物はありませんでした。また、彼は21歳になるまで初めて超高層ビルを実際に見たことがなく、大学院進学のためにアメリカに移住するまで中層ビルの中に入ったこともありませんでした。それにもかかわらず、ダッカの周囲に生えている竹から着想を得た彼のチューブ建築のコンセプトは、故郷ダッカの環境から後に影響を受けました。彼は、ダッカの竹のように中空のチューブが、高層建築に垂直方向の耐久性をもたらすことを発見しました。^{[ 5 ]}

チューブフレーム構造を最初に採用した建物は、カーンが設計し、 1963年にシカゴで完成したデウィット・チェスナット・アパートメント・ビルである。^{[ 6 ]}これは、彼自身のジョン・ハンコック・センターやシアーズ・タワー、ワールド・トレード・センター、ペトロナスツインタワー、金茂ビルなど、後の多くの超高層ビルのチューブ構造設計の基礎を築いた。これは、 2020年時点で世界で最も高いビルを含む、1960年代以降の他のほとんどの高層ビルにも当てはまる。ブルジュ・ハリファ。^{[ 7 ]}

チューブは、その構想段階から、さまざまな構造上のニーズに合わせて改良されてきた。

額装済み

これはチューブ構造の最もシンプルな形態です。平面形状は正方形、長方形、円形、自由形状など、多岐にわたります。このデザインは、カーンが設計し1965年に完成したシカゴのデウィット・チェスナット・アパートメント・ビルディングで初めて採用されましたが、最も有名な例としては、Aonセンターと旧ワールドトレードセンターのツインタワーが挙げられます。

バンドル

単一のチューブではなく、複数のチューブを連結して横方向の力に抵抗する構造の建物。このような建物では、チューブが建物の外壁内に収まる場合、チューブの周囲に沿って内部柱が設けられる。代表的な例としては、ウィリス・タワー、ワン・マグニフィセント・マイル、ニューポート・タワーなどが挙げられる。

束ねたチューブは、構造的にも経済的にも効率的であるだけでなく、「建築空間の多様な構成の可能性において革新的であった。効率的なタワーはもはや箱型である必要はなく、チューブユニットはさまざまな形状をとることができ、さまざまなグループに束ねることができる。」^{[ 9 ]}束ねたチューブ構造は、「建物が彫刻になる」ことを意味した。^{[ 10 ]}

格子状の塔の中には、ワルシャワ無線塔のように支線で支えられているものや、自立式の3803 KM塔のように、鋼管の要素を持つものもある。

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