アーチの構造と仕組み

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。

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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。

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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。

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カテナリーとアーチの関係

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)

アーチと力の流れ

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。

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曲げ応力とは？1分でわかる意味、公式と演習問題、単位、曲げ応力度との違い

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。

試験での問われ方｜管理人の一言

アーチ構造は「曲げモーメントが小さく圧縮力が卓越する」という特徴が試験でよく問われます。

スラスト（水平力）の発生とその処理が設計上の課題であることも押さえておきましょう。

アーチが石・レンガ・コンクリートのような圧縮に強い材料に適している理由も理解しておくと得点につながります。

アーチ構造を整理した表を示します。

項目	内容	備考
作用する力	主に圧縮力	曲げモーメントが小さい
適した材料	石・レンガ・コンクリート	圧縮に強い材料が有効
設計上の課題	スラスト（水平力）の処理	支持点に大きな水平力が生じる