The Arch Bridge
After more than 2,000 years of architectural use, the Arch continues to features prominent in bridge designs and with good reason: その半円形の構造は、形状全体に圧縮を優雅に分散し、重量を直接圧力を受ける橋の部品である 2 つの橋台に転換させます。 アーチの自然な曲線と力を外側に放散する能力により、アーチの下側への張力の影響が大幅に減少します。
しかし、梁やトラスと同様に、強力なアーチでも物理から永遠に逃げ切れるわけではありません。 曲率が大きくなればなるほど（アーチの半円が大きくなればなるほど）、橋の下側にかかる張力の影響は大きくなります。 十分に大きなアーチを作れば、張力はやがて支持構造の自然な強さに打ち勝つだろう。
アーチ橋の構造にはかなり多くの外観上の変化があるが、基本的な構造は変わらない。 たとえば、ローマ、バロック、ルネッサンスのアーチがあるが、どれも建築的には違うが構造的には同じである。
その名の通り橋に強度を与えているのはアーチそのものである。 実際、石でできたアーチにはモルタルも必要ない。 古代ローマ人はアーチ型の橋や水道橋を作り、現在も残っている。 しかし、アーチを作るのは大変なことで、2つの部分が合流するまで構造的な強度が保てない。 そのため、通常、追加の足場や支持システムが必要です。
鋼やプレストレスト・コンクリートなどの現代の材料は、古代ローマ人が行ったよりもはるかに大きなアーチを造ることを可能にしています。 現代のアーチは通常 200 ～ 800 フィート（61 ～ 244 メートル）ですが、ウェスト バージニアのニュー リバー ゴージ ブリッジは 1,700 フィート（518 メートル）と印象的です。
The Suspension Bridge
その名が示すように、ゴールデンゲートブリッジやブルックリン橋のように、つり橋は2つの高い塔からケーブル、ロープ、チェーンで車道をつり下げています。 吊り橋のデッキを押し下げ、ケーブル、ロープ、またはチェーンを伝ってタワーに圧縮を加えることで、これらのタワーが重量の大部分を支えています。 一方、支持ケーブルは橋の張力を受ける。 これらのケーブルは、遠く離れた2つのアンカー間の水平方向に走っている。 橋のアンカーは、基本的に岩盤や巨大なコンクリートブロックで、橋はその中で接地している。 5398>
ケーブルのほかに、ほとんどすべての吊り橋は、橋梁デッキの下にデッキトラスと呼ばれる支持トラスシステムを備えている。 5398>
吊り橋は 2,000 ～ 7,000 フィート (610 ～ 2,134 メートル) の距離を簡単に渡ることができるので、他の橋の設計範囲を超える距離を渡ることができます。 しかし、設計の複雑さと建設に必要な材料を考えると、最も費用のかかる橋の選択肢であることがよくあります。
しかし、すべての吊り橋が現代の鋼鉄の工学的驚異というわけではありません。 実際、最も初期のものは、ねじれた草でできていました。 1532 年にスペインの征服者がペルーに入ったとき、インカ帝国は何百もの吊り橋で結ばれており、深い山の渓谷を越えて 46 メートル以上のスパンを実現していることを発見しました。 一方、ヨーロッパで最初の吊り橋が見られるのは、それから300年近く後のことでした
もちろん、草でできた吊橋はそんなに長持ちせず、安全に渡るために絶えず交換が必要です。 今日、このような橋はアンデス山脈にある 90 フィート（27 メートル）のものしか残っていません。
斜張橋
一見すると、斜張橋は単なるつり橋の変種のように見えますが、似た塔とぶら下がった道路に惑わされないでください。 斜張橋が吊り橋と違うのは、アンカーを必要としないこと、塔を2本必要としないことです。
斜張橋の支柱は、圧縮力を吸収して対処する役割を担っている。 ケーブルはさまざまな方法で車道に取り付けられる。 例えば、放射状に延びている場合は、1本の竿に多数の釣り糸を取り付けるように、道路の数カ所から塔の1カ所までケーブルが延びている。 5398>
エンジニアは、第二次世界大戦後にヨーロッパで最初の斜張橋を建設しましたが、基本設計は16世紀、クロアチアの発明家ファウスト・ヴランチックにさかのぼりました。 天文学者ティコ ブラキやヨハネス ケプラーと同時代のヴランチッチは、著書「Machinae Novae」の中で、斜張橋の最初のスケッチを描きました。
すべての橋が巨大な鋼鉄とコンクリートを必要とするわけではありませんが、斜張橋は、より少ない鋼鉄ケーブルで、より速く建設でき、より多くのプレキャストコンクリート部分を組み込んでいます。
The Living Bridges
最初の橋は、おそらく小川に倒された丸太に他ならなかったでしょうが、人類の橋づくりの遺産の大部分は、要素から作り出した人工構造物の話です。
モンスーンの季節になると、この地域の人々は地球上で最も湿潤な条件に耐え、上昇する洪水が土地を断片的に切り刻みます。 蔓で編んだり、切り出した板で橋を作れば、熱帯雨林の湿気がそれを堆肥に変えてしまうのは必然です。 写真にあるように、地元の人々はこの問題を解決するために、自然の草木で橋を作るという優雅な方法を開発しました。 そうすることで、橋のメンテナンスの大部分を、橋そのものに任せることができるのです。 地元の村人たちは10年以上も前から建設計画を立てている。 例えば、ワー・ハシス族は、古いキンマの木の幹をくりぬいて、絞め殺しのイチジクの根を目的の方向に導く根の誘導装置を作る。 小川や川をまたいで根を張り、対岸の土に潜らせるだけである。 大きな生きた橋は、長さ 100 フィート (30 メートル) を誇り、50 人の体重に耐えることができ、500 年以上も存続できます
これまで、橋の設計で最も重要な 2 つの力、圧縮と張力について触れてきました。 しかし、何十もの付加的な力も橋の動作に影響を与えます。 たとえば、ねじりは、吊り橋を設計するエンジニアにとって特別な懸念事項です。 これは、強風によって吊り下げられた車道が回転し、波打つようにねじれるときに発生します。 次のページで紹介するように、ワシントン州のタコマ・ナローズ橋はねじれによって損傷しましたが、このねじれは別の強力な物理的な力によって引き起こされたものでした。 一方、吊り橋のエンジニアは、梁橋の場合と同様に、デッキ補強トラスを採用し、効果的にねじれの影響を排除しています。 しかし、長大な吊り橋では、デッキトラスだけでは十分な効果が得られません。エンジニアは模型を使った風洞実験を行い、橋のねじれに対する抵抗力を調べます。 このデータをもとに、エンジニアは空気力学的トラス構造と斜めの吊りケーブルを採用して、ねじれの影響を軽減します。 2つの固定された構造物（または1つの構造物の2つの部分）が反対方向に力を受けると、せん断応力が発生する。 放置すると、せん断力によって橋梁材料が文字通り真っ二つになることがあります。 せん断力の簡単な例は、長い杭を地面に半分まで打ち込み、杭の上部の側面に対して横方向の力を加えることである。 十分な圧力があれば、杭を真っ二つに折ることができるだろう。 5398>
その他の橋の力。 共振は、雪玉が丘を転がり落ちて雪崩になるのと同じような振動だと考えることができます。 風による橋の揺れのような、機械系の比較的小さな周期的な刺激から始まります。 しかし、この振動は、橋の固有振動と多かれ少なかれ調和している。
共振の最も顕著な例は、1940年にワシントン州のタコマナローズ橋を共振振動が破壊したことです。 時速 120 マイル (193 キロメートル) の風に耐えられるように設計された構造物が、わずか 40 マイル (64 キロメートル) の風で倒壊したというこの事件は、当時特に衝撃的でした。
状況を詳しく調べてみると、橋のデッキスティフニングトラスがスパンに対して不十分であることがわかりましたが、これだけでこのような構造を崩壊させられるわけがありません。 その日の風は、ちょうどよい速さで、ちょうどよい角度で橋に当たり、致命的な振動を発生させたのである。 さらに風は振動を増し、波は大きく激しくなり、橋はバラバラになった。 その効果は、歌手が声でガラスを砕くのに似ています。
しかし、潜在的な脅威は風だけではありません。 軍隊が橋を渡って行進するとき、兵士たちはしばしば「歩調を崩し」、彼らのリズミカルな行進が橋全体に響き渡らないようにします。
橋の共振効果を完全に緩和するために、エンジニアは橋の設計にダンパーを組み込んで、共振波を中断し、それが大きくならないようにします。 もし橋が頑丈な車道を誇っているならば、共振波は簡単に橋の長さを移動して大惨事を引き起こすことができます。 しかし、橋の車道が板を重ねた構造になっていると、ある部分の動きが板を介して別の部分に伝わり、摩擦が発生するだけである。 この摩擦を利用して、共振波の周波数を変化させるのがコツです。 周波数を変更すると、波が構築されるのを防ぎます。
Weather, Destroyer of Bridges
風は確かに破壊的な共振波を誘発しますが、全体としての天気は私たちが建設した橋に多くの破壊的な攻撃を放ちます。 実際、雨、氷、風、塩の絶え間ない作用は、人間が架けるどんな橋でも必ず崩壊させる。
橋の設計者は、過去の失敗を研究して技術を習得してきた。 木に代わって鉄が、鉄に代わって鋼が使われるようになった。 プレストレスト・コンクリートは、現在、高速道路の橋梁の建設に重要な役割を果たしている。 新しい材料や設計技術が生まれるたびに、過去の教訓が生かされている。 ねじれ、共振、空気力学的設計の不備などが橋の失敗につながりましたが、エンジニアは常に設計上の問題を解決するための革新的な技術で立ち直り続けています。 天候に起因する橋の不具合は、設計に起因する不具合よりも多い傾向にある。 この傾向は、有効な解決策がまだ見つかっていないことを示唆しているとしか言いようがない。 現在でも、特定の建設資材や橋の設計によって、これらの力を排除したり、軽減したりすることはできないのである。 これは、山脈を崩し、大地に深い溝を作るのと同じ力なのです。 それに比べれば、人工の橋などたいしたことはありません。
古代インカのつり橋のように、唯一の抑止力は継続的な予防保守です。
このページから次のページにかけて、橋についてさらに多くのことを見つけてください。 “Bridges” Oxford University Press. 2010.