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を特徴とする高性能複合建築材料です。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、掘削されたダクトを通して内部に張力要素が通されます。
張石は単一の石ブロックから構成されますが、掘削の制限やその他の考慮事項により、通常は複数の石ブロックをグラウトで接合して組み立てられます。[ 1 ]張石は、垂直の柱（支柱）と水平の梁（まぐさ）の両方に使用されてきました。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 、より特殊な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プレカットされた塊石と関連があります。また、マスティンバーや藁構造断熱パネル（SSIP）とも関連があり、これらはすべて、プレファブリケーションを伴う現代建築向けに伝統的な材料を再構成したものです。[ 2 ] [ 3 ]
張力石工法
張力は、石材内部のダクトに通された鋼製のテンドンまたはロッド、または石材の外部に取り付けられた鋼製のテンドンまたはロッドによって実現されます。[ 4 ]内部張力調整の場合、石材に穴を開けてダクトを形成し、そのダクトに張力調整用のテンドンを通します。[ 5 ]
最も一般的な張力石はポストテンション石であり、最も長い歴史を持っています。[ 1 ] 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。[ 6 ]
プレストレストコンクリートと同様に、プレテンション工法とポストテンション工法は異なる状況で使用することができます。プレテンション石材はプレファブリケーションに適しており、ポストテンション工法は現場での組み立てに適している可能性があります。[ 7 ]
ポストテンションストーン
ポストテンション工法では、石材が所定の位置に配置された後、油圧ジャッキを使用してテンドンに張力がかけられ、テンドンの端部にあるアンカー（通常はプレートと組み合わせて）を介して石材に力が伝達されます。[ 5 ]張力をかけることで石材に圧縮力が与えられ、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。[ 8 ]
プレテンションストーン
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た状態で、ダクト内の残りの空洞にエポキシグラウトが充填されます。[ 6 ]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。[ 6 ]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加えられるのに対し、ポストテンションストーンでは端板を通して圧力が加えられることです。[ 6 ]
根拠
筋力の向上
石は圧縮強度に優れているため、石造アーチのような圧縮構造物に最適です。 [ 1 ]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。[ 1 ]
ポストテンションストーンは、曲げ時の石材の破壊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向上させます。この工法はコンクリート構造物に広く用いられていますが、同様の技術を石材に適用することの利点は、ようやく認識され始めたばかりです。[ 4 ]
コンクリートの場合、この問題はとっくの昔に解決されています。従来の引張補強に加え、技術者たちは1888年頃からプレストレストコンクリート工法を開発しました。このような張力補強コンクリートは、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、それぞれの要素よりもはるかに大きな強度を実現し、数十年に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一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材にも適用したと言われています。[ 7 ]コンクリートに関しては、ポストテンションにより石材を圧縮状態に保ち、強度を高めます。
エネルギー使用と炭素排出量
石材は「天然プレキャストコンクリート」であるため、建設に使用する前に切断（および強度試験）と張力調整を行うだけで済みます。コンクリートや鉄鋼と比較して、ポストテンション方式の石材製造はエネルギーコストを大幅に削減し、同時に炭素排出量も削減します。[ 9 ]
アプリケーション
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ポストテンションストーンは、状況によっては鉄筋コンクリートの代替となる可能性を秘めています。構造エンジニアのスティーブ・ウェッブ氏によると、「ポストテンションストーンの梁は鋼鉄と同じくらい強い」とのことです。 [ 10 ]「ポストテンションは、石積みを構造材料として復活させる新たな可能性を秘めています」。[ 11 ]ポストテンションストーンは、様々なデザインにおいて、 あらかじめカットされた巨大な石と組み合わせて使用される可能性があります。
2020年、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く取り上げられました。[ 12 ]
建築家のジェームズ・シンプソンは次のように書いています。
「『エンジニアード・ティンバー』という言葉は建築業界で既に広く使われているが、構造用の『エンジニアード・ストーン』という言葉はなぜ使われないのだろうか？…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、あるいは部分的にフレーム構造を組み込んだ構造物にエンジニアード・ストーンを用いたシステムを構築することだ。これは、コンクリートよりも高い圧縮強度を持つ石材の特性と、ステンレス鋼棒によるポストテンションを組み合わせることで実現する。壁、柱、梁、スラブはすべて、工場で製材された小片の石材を標準設計に合わせて切断・下穴加工することで作ることができる。」[ 13 ]
利点
構造上の利点
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鉄筋コンクリートと比較した張力石の利点
- 強度。標準的なコンクリートと比較して、多くの種類の石材は圧縮強度と引張強度が向上しており、この特性がプレストレストストーンアセンブリの強度向上に貢献しています（コンクリートと比較して）。[ 1 ]
- 細身。石はコンクリートに比べて圧縮強度が高いため、梁がかさばりません。[ 1 ]
- 石材の耐候性により耐久性が向上し、メンテナンスコストを削減します。
- 美観。コンクリートを石で覆うのではなく、耐力石を石のような外観に仕上げています。[ 14 ]
- 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温室効果ガスの排出量が3分の1未満です。[ 1 ] [ 15 ]
- コストの低減。30階建てのオフィスビルを対象とした調査では、PT石材の床パネルの使用はコンクリート床よりも安価であることが判明しました。[ 9 ]グループワークによるその後の調査では、ほとんどの建築プロジェクト（箱桁橋を除く）において石材はコンクリートよりも安価であることが判明しましたが、これらの調査は公表されていません。[ 16 ] [ 11 ] [ 1 ]
張力のない石と比較した張力のある石の利点
- 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向上させるため、より薄い石板や石壁の使用を可能にし、全体的な材料使用量と関連コストを削減します。[ 1 ] [ 5 ]
- 設計オプションの拡大。張力構造は設計オプションを拡大し、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困難な、より革新的で複雑な構造物を創造できるようになります。[ 1 ]
- 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。[ 17 ] [ 11 ] [ 1 ]
運用上の利点
従来の石工と比較して、ポストテンションストーンは構造上および重量上の大きな利点があります。[ 18 ]さらに、標準的な石工と比較して、ポストテンションストーンのプレアセンブリには少なくとも3つの運用上の利点があります[ 19 ]
- 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。[ 18 ]
- モルタルの強度や防水性の試験を含む組み立ての容易なレビュー[ 18 ]
- プレハブのポストテンションストーンアセンブリは使用前に保管できるため、作業スケジュールが立てやすくなります[ 18 ]
導入に直面する課題
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。
- 耐荷重石と伝統建築の文化的つながり
- 高級建築における化粧石の使用に関する混乱と高コストの認識
- Arup Group、Buro Happold 、Webb Yatesといった一流企業を除けば、ほとんどの構造エンジニアは石材に関する知識が限られています。構造工学の研修には石材は含まれていません。しかし、構造エンジニア協会の関心が高まるにつれて、この状況は変わりつつあります。[ 4 ]
- 石材工学に関する国際基準の欠如
- 緊張石工法の知識を持つ石工の不足。石材を扱うコンクリート工で、プレストレスト工法の知識を持つ者も不足。
- プレハブPT石材の大規模産業の不在
- プレキャストコンクリートと同様に、製造されたモジュール式PT石材部品の不足
- 初期の注目度の高いポストテンションストーンプロジェクト、特にポートカリスハウスのコストが高かった。
- 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の不足
- 精密な形状のCNC石材切断を自動化するための、より優れたCAD-CAMソフトウェアとハードウェアの開発の必要性。2020年代初頭、ほとんどの国では、石材加工業界はタイルと外装材の加工にほぼ特化していました。
- コンクリートを用い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ている[ 20 ]
- 石材の設計強度をコンクリートのような均質化された材料と比較してどのように決定するかは不明である[ 20 ]
歴史
張力石は古代から様々な用途に使用されてきました。近代においては、1990年代にいくつかの構造物に高張力石が使用され、2010年代にはコンクリートに伴う高い炭素排出量への認識もあって、その用途が拡大しました。
最大スパン40mの張石歩道橋は日本、スイス、ドイツ、スペインで建設されており[ 11 ]、クッサーグラニトヴェルケ社では最大スパン20mのものを市販している。
ポストテンション石積みの初期の使用
石積みの接合部に金属クランプを使用して張力をかける方法は、古代から石造建築に使用されてきたと考えられています[ 21 ]。
構造安定性のためのクランプ技術の応用は、歴史的建造物において広く用いられてきました。モルタルが存在しない古代の石材を扱う建築家たちは、木製または金属製のクランプを用いてブロックの位置と安定性を確認しました。これは古くからある技術で、エジプト古王国時代に初めて知られていました。その後、エーゲ海青銅器時代の建築、小アジア、シリア、メソポタミアでも用いられました。エジプト、古代ギリシャ、そして同時代のアケメネス朝ペルシアは、クランプを初めて大規模に使用した時代でした。クランプは二重の蟻継ぎの形をしていました…溶融金属を切削部に流し込み、得られたクランプは、金属が冷却する際にプレストレスとして作用する2本以上の垂直の釘によって強化されました…これらは主に地震などの横方向の力に抵抗するために使用されました。[ 22 ]
1800年代初頭には、石積みの張力調整が既に行われていました。「1825年、イギリスではテムズ川のトンネル工事にポストテンション工法が採用されました。このプロジェクトでは、直径15メートル、高さ21メートルの垂直管ケーソンが建設されました。厚さ0.75メートルのレンガ壁は、直径25ミリメートルの錬鉄製の棒で補強され、ポストテンションがかけられました。」[ 23 ]
鉄製ボルトを用いたレンガ造りや石造建築物の耐震ポストテンション工法は、遅くとも19世紀には、1883年のチャールストン地震後やイタリアの地震地帯の建物などにも適用されていました。石造建築物の耐震ポストテンション工法は、プレストレストコンクリートや現代の緊張石工法よりもかなり低い張力で施工されます。
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組積梁をポストテンション工法で尖頭アーチ型ヴォールトに組み立てて建設されました。1982年までに、ポストテンション組積造は広く普及し、土木学会が発行した書籍1冊分に収まりました。ただし、その書籍はレンガとプレキャストコンクリート組積造に関するものでした。[ 24 ] 1985年と1986年には、構造技術者のレモ・ペドレスキ[ 25 ]らがポストテンションレンガに関する研究論文を発表しました。[ 26 ]
1940年代～1980年代
高張力ジャッキとポストテンションコンクリートの開発後、石材にプレストレスをかけた状態で高張力を受ける試験が行われました。1947年、コンパニオン・デュ・ドゥヴォワール（Compagnons du Devoir）はポストテンション石材の概念を試験し、8メートルのスパンで7トンの荷重を支えられることを発見しました。[ 27 ]
1960年代から80年代にかけて、クルーズ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。[ 28 ]
ポストテンション加工を施したインディアナ産石灰岩ユニットの初期実験は、1967年に建築石材協会、1970年にはインディアナ産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複数製作され、試験が行われました。…ポストテンション加工を施した石材の利点はコンクリートの場合とほぼ同じです。従来のユニットでは不可能だった、より長いスパンでより大きな荷重を支えることができます。石材ユニットは、工場で製造し、建物の柱から柱へと渡る、はるかに大きなユニットにすることも可能です。…柱廊などの建築構造物に梁を用いた構造用途もいくつかありますが、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す。[ 28 ]
1980年代、ロック・オブ・エイジズ社は製紙業界向けにアキュテンショングラナイトプレスロールを開発しました。花崗岩の柱を旋盤加工し、その長さに沿って穴を開けた後、鋼棒を配置して張力をかけます。
1980年代、シドニー郵便局は砂岩の時計塔にポストテンション工法を用いた補強工事を行い、修復工事を行いました。この耐震補強工事の結果、シドニー郵便局は世界初のポストテンション工法を採用した石造建築物とされています。構造設計は、マクビーン・アンド・クリスプ社のコリン・クリスプ氏が主導しました。「既存の建物にポストテンション工法を採用するこの技術は世界初であり、国際的な関心を集めています。」[ 17 ]耐震補強ボルトは既に後付けで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ダーの配置と張力の増加が導かれた点に関係していると考えられます。
100年以上の歴史を持つ砂岩造りの建物であるGPOタワーは、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、床面レベルに直径35mmの水平プレストレスバーで補強されます。…特殊な鋼製チェアを使用してテンドンを固定し、1,771 kN（400 kips）のアンカー力を分散させます。非接着テンドンのアンカーにより、必要に応じてテンドン力を監視・調整し、砂岩の体積変化を補正することができます。[ 23 ]
1990年代
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実際に新しい建物にポストテンション石が使用された最初の記録は、 1992年の万国博覧会のためにセビリアで建設された未来のパビリオン[ 29 ]であり、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・カーフレーによって設計されました。[ 11 ]ライスはシドニー・オペラハウスに携わっていましたが、これはプレキャストコンクリートの石積み梁を使用し、ポストテンションを使用して尖頭アーチの上部構造に組み立てられたため、大きな技術的進歩でした。このポストテンション石積みの事前の使用は、数十年後にライスがポストテンション石を使用するきっかけになった可能性があります。
1991年から2004年にかけて設計・建設された、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。建築家レンゾ・ピアノが担当し、構造エンジニアリングはファヴェロ＆ミラン・エンジニアズのマウリツィオ・ミラン[ 30 ]とアラップ・グループ[ 31 ]が担当した。
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、技術者の川口守氏が設計したポストテンションストーンを使用しています。[ 11 ]「この橋はレンズ状の形状をしており、アーチ状の上弦材と吊り下げられた下弦材が、逆ピラミッド型に配置された鋼管のウェブ部材によって互いに接続されています。」
1995年に完成した[ 32 ]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[ 11 ]は、ホプキンス・アーキテクツとビューロ・ハッポルド[ 7 ]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。[ 33 ]「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ロッドを使用してポストテンションがかけられた。」[ 34 ]
1999年に完成したスイスのプント・ダ・スランスンス橋[ 35 ]は、土木技術者のユルグ・コンツェットとジャンフランコ・ブロンツィーニによって設計された40メートルの歩道橋[ 36 ]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。アンデール花崗岩のスラブが長方形の鋼棒の上にプレストレスを与えて建設されています。橋を渡ると上下の揺れが感じられますが、歩行者からは橋は見た目ほど柔軟ではないというコメントがありました。[ 37 ]
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16メートルの高さに支えられたポートランド石のブロック25個で構成されています。[ 38 ] [ 34 ] [ 39 ]
2000年代
英国国会議事堂であるポートカリス・ハウスは2001年に完成した。設計はホプキンス・アーキテクツが担当した。[ 7 ]この建物は全体の予算が超過したため、PTストーンのコスト面での評判に打撃を与えた。
2002年、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[ 40 ] [ 41 ]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。」[ 34 ]
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。[ 42 ]
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「エスカリエ・リドルフィ」が製作されました。これはクラウディオ・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。[ 43 ]
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た[ 44 ]。
2007年、クッサー・グラニトヴェルケ社はローゼンハイムに最初の張力石歩道橋を建設した。[ 45 ]
2009年に完成したサウサンプトン・ロウの建物[ 7 ]は、シェパード・ロブソン建築家によって設計され、ポストテンションストーンを使用しました。
2010年代
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。 [ 46 ] [ 27 ] [ 47 ]
2013年、ジュゼッペ・ファラカラとマルコ・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を作り上げた「テンセグリリシック」のプロトタイプを披露した。[ 48 ]
2019年から、Webb Yates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[ 49 ]と原理実証の石の床パネルを使用しました。[ 50 ] [ 1 ]
330度の螺旋階段は、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によって設計されました。 [ 51 ]そして、ウェッブイェイツとストーンメイソンリーカンパニーによって建設されました。[ 52 ]
2020年代
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。[ 53 ]
2022年、ユルグ・コンツェットとジャンフランコ・ブロンツィーニは、プント・ダ・スランスンス（1999年）、トゥルット・ディル・フレム[ 54 ]トレイル沿いの滝橋、オッリド・ディ・カヴァリア[ 55 ] （2021年） [ 56 ]など、数々の張力石歩道橋を含む作品群が認められ、スイス・グランド・アワード（建築部門）を受賞した。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。[ 57 ]
2024 年、ロイヤル・アカデミー・オブ・アーツの夏季展覧会では、石灰岩の芯材を入れ張力のかかった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、あるいはエデンセンターやスタジアム・オーストラリアのような立体骨組みが、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。75%の炭素排出量削減、そして固有の耐久性と耐火性を備え、廃石を活用し、実に美しい建造物を作ることができるのです。」—スティーブ・ウェッブ[ 58 ]
バルセロナで建設中のサグラダ・ファミリア大聖堂は、2026年の完成を目指し、アラップ・グループと提携してポストテンション方式の石積み構造を採用している。[ 19 ]「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ます。実際、プレストレス方式は軽量で耐風性を高めることができます。」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、建設期間を短縮することができます。[ 59 ]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業務を主導しています。[ 60 ]
参照
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外部リンク
