ブロックを使った建築

石造アーチは、迫石（「ヴー・スワール」と発音します）と呼ばれる、くさび形のブロックでできています。迫石は、各石を正しい位置に保つ、支保工（または仮設の支持枠）と呼ばれる木製の仮枠の上に並べられます。頂部に置かれる最後の石が要石です。要石が置かれ、支保工が取り外されて初めて、アーチは荷重を受け持つようになります。それまでは、枠がなくなれば崩れてしまう、ただの石の山です。

要石には有名なイメージがありますが、人々が考えるような特別なものではありません。すべての迫石が推力を受け持ちます。 要石は輪を閉じ、圧縮力が働き始めるようにしますが、それだけでアーチを支えているわけではありません。多くのアーチでは、要石は実際には荷重が最も小さい石の一つです。

接着剤のない石が、どうして立っていられるの？ 石は引っ張られるのが苦手で、乾式目地はまったく引っ張ることができません。だから、アーチはどこでも圧縮状態を保たなければなりません。技術者が使う道具が圧力線です。石の中を力が通る道筋を想像してみましょう。頂部から、それぞれの目地を通り、基礎まで続く道筋です。それぞれの目地では、力は1点に作用します。

• 圧力線が目地の中心にあれば、石は均等に押し縮められます。
• 圧力線が端へ移動すると、その端に圧力が集中し、もう一方の端では圧力が抜けます。
• 圧力線が石の厚さの中央3分の1の中にとどまっているかぎり、目地全体は押し縮められたままです。つまり、どこにも引張力が生じません。厚さが t の長方形断面で、中心から距離 e の位置に圧縮力 N が作用すると、端部の圧力は (N ÷ t) · (1 ± 6e ÷ t) になります。圧力の小さい側の端がちょうど零になるのは e = t ÷ 6 のときで、これは中央3分の1の端にあたります。
• 圧力線が石の外へ出ると、目地が開き、石はてこのように動き始めます。

石積みアーチは通常、押しつぶされて壊れるのではなく、機構に変わって壊れます。目地で圧力線が石の端に触れると、その目地はちょうつがいのように働きます。適切な場所に4つのちょうつがいができると、半円アーチは動くリンク機構に変わり、折れ曲がります。これが4ヒンジ機構です。

イギリスの技術者ジャック・ヘイマンは、1960年代にこれをとてもシンプルなルールにまとめました（著書 『石の骨格』）。石はすべらず、押しつぶされず、引き離されることもないと仮定します。すると、荷重に対してアーチの内部に収まる圧力線を1本でも見つけられれば、そのアーチは立ち続けます。 アーチが実際にどう動くかを知る必要はありません。安全な道筋が存在することを示せばよいのです。厚いアーチほど圧力線が通れる余地が大きいので、より安全です。自重だけを支える、厚さが一様な半円アーチでは、厚さが半径の少なくともおよそ10分の1必要です。重い集中荷重や支点の沈下がある場合は、さらに厚くする必要があります。

だから石のアーチは、小さなひび割れや動きがあっても耐えられます。別の圧力線を見つけられるからです。また、古い橋の上に大型トラックが乗るように、重い荷重が間違った場所にかかると、通常の荷重では起こらないようなちょうつがいができ始めることもあります。