トラス構造

割り箸4本で四角い枠を作って角を軽く押してみると、釘をしっかり打っても、すぐに平行四辺形にぐにゃりと傾いてしまいます。角の角度が簡単に変わってしまうからです。ところが割り箸3本で三角形を作ると、頂点をどれだけ押したり潰したりしても、3辺の長さが変わらない限り絶対に形が崩れません。

数学的にも、三角形は3辺の長さが決まれば角度までただ1つの形に固定される、唯一の多角形です。この性質のおかげで、角を頑丈に溶接で固めなくても、ピンでゆるくつないだだけで全体の形が保たれます。

建築家たちはこの性質を利用して、大きな橋や高いタワーを造るときに、丈夫な三角形をびっしりと組み合わせる方法を思いつきました。四角形の構造物よりずっと少ない材料で、揺るぎない頑丈な骨組みを完成させることができるのです。

重い橋の上を列車が通ると、橋の床板は下に沈み込もうとする力を受けます。ふつうの板なら真ん中がたわんで、ぽきっと折れてしまうでしょう。しかしトラス構造では、この曲げようとする力を単純な「引く力」と「押す力」に分解して分散させます。

三角形の頂点を上から押すと、両側の斜めの辺は外側へ押されながらつぶされる力(圧縮力)を受けます。同時に、底にある底辺は左右にぴんと引っ張られる力(引張力)に耐えることになります。

荷重が頂点(接合部)に伝わるように作ってあげると、それぞれの部材は主に自分の分の押す力と引く力だけを受け持てばよくなります。そのため、比較的細い鋼管や角材でも、大きな重さを分担して支えられるのです。ただし、押される部材は細すぎると横にたわんで折れ曲がる「座屈」が起こることがあるので、十分な太さと剛性が必要です。

もう少し正確にいうと、実際の建物や橋のトラスは、頂点が完全に回転できるピンだけでできているわけではなく、しっかり溶接されているため、曲げの力がわずかに生じることもあります。それでも技術者は計算を単純にするために、まず軸方向の力だけを受ける理想的な接合として計算し、接合部のせいで生じる追加の力は別途確認します。

中身が詰まった巨大なコンクリートや鉄板の代わりにトラス構造を使えば、資材を大幅に減らせます。資材が減ると構造物自体の重さが軽くなるので、より遠くまで柱なしで橋を架けられるようになります。

さらに、外側が開いた格子状のタワーなら、骨組みのすきまを風が通り抜けるため、強い台風が来ても風の抵抗を減らせます。エッフェル塔や送電鉄塔が強風の中でもびくともせず立っていられる秘訣の1つが、ここにあります。ただし、屋根材で覆われたスタジアムの屋根トラスのように、風が通り抜けないものもあります。