アーチ構造とは？仕組みと力の流れをわかりやすく解説

この記事の要点

アーチ構造は上からの荷重を圧縮力として伝達する構造形式で、水平の梁に比べて曲げモーメントが小さくなる代わりに、支持点に水平力（スラスト）が発生します。

スラストの処理がアーチ設計の重要な課題で、圧縮に強い石・レンガ・コンクリートに適した構造形式です。

この記事では、アーチ構造とは何か、力はどう流れるのか、スラストとはどう処理するのかを整理します。

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建物の構造形式の１つに「アーチ」があります。アーチ構造は、欧州で多く見られる構造形式です。では、アーチ構造とはなにか、その構造と仕組みについて説明します。

※その他の構造形式は下記が参考になります。

アーチ構造ってなに？

アーチとは建築、土木構造物に利用されている構造形式の一つです。下図を見てください。スペインの円形アーチの橋です。このようにアーチは曲線を描く特徴的な形状をしています。この形状がアーチ構造で最も重要なポイントです。

(ローマ橋の半円アーチ（スペインアルカンタラ），Wikipediaから引用)

この特徴的な形は、単に見た目の問題ではありません。

この形状は水平の梁に比べて曲げモーメントが小さく、代わり圧縮力が作用します。

圧縮力に対しては、石やレンガ、コンクリートなどの材料が適しています。

よって、アーチ構造は良い石が多く産出される欧州で多いのです。

西洋の石積みで造られたアーチ橋が印象的ですよね。

※構造形式の意味は下記が参考になります。

皆さんは、カテナリ―という曲線を知っていますか？カテナリ―は懸垂曲線とも呼ばれ、文字通り鎖を垂らしたときに出来る形状です。このとき、鎖の両端を持つことで、鎖自体の自重が作用し曲線ができるわけですが、他に力を作用させていませんので、当然、この鎖には引張力しか働いていないことになります。

(Wikipediaから引用)

このカテナリ―をひっくり返してみるとどうなるでしょう？気づきましたか？アーチの形になりますよね。引張力しか作用しないカテナリ―を逆さにしているのだから、このときのアーチには圧縮力しか働いていないことになります。

また、アーチは支持点に大きなスラスト（水平力）と呼ばれる、広がろうとする力が発生します（プラスチックの定規とかをアーチの形に曲げようとすると、なかなか維持できませんよね）。アーチを上手く創るためには、このスラストをどうやって処理するのか？ということが最も重要な問題といえます。

(セントルイスのゲートウェイ・アーチ，Wikipediaから引用)

アーチ構造は、上からの荷重に対して矢印方向の力が作用します。

これは部材を押す力、つまり圧縮力です。

どんな材料でも、曲げモーメントやせん断力に比べて、引張力、圧縮力には比較的強い傾向があります（但し圧縮力は座屈に注意する）。

よって、大きな曲げモーメントが作用する水平の梁より、長いスパンに耐えることができます。

圧縮力が作用するので、部材は圧縮に強い部材を使います。

※圧縮力、曲げモーメントは下記が参考になります。

混同しやすい用語

カテナリー

鎖を垂らしたときに生じる懸垂曲線のことです。

アーチはカテナリーを逆にした形で、カテナリーには引張力のみが作用するのに対して、アーチには圧縮力が作用します。

スラスト

アーチ構造の支持点に発生する水平力（広がろうとする力）のことです。

圧縮力と方向が異なり、支持点の設計で特に重要になります。

アーチ設計ではスラストをどう処理するかが最大の課題です。

アーチ構造を整理した表を示します。