建築・土木における「テンション」の基礎と実務：張力設計・施工・維持管理の完全ガイド
エバープレイ編集部はじめに：テンションとは何か
建築・土木分野で使われる「テンション」は、一般に英語の tension（張力、引張力）を指します。部材が引っ張られることで生じる力やその状態を示し、ケーブル、ワイヤーロープ、鉄筋、プレストレストコンクリートのプレストレス、膜構造の張力など、多様な場面で重要な役割を持ちます。本コラムでは、力学的基礎、設計上の留意点、施工と検査、維持管理、代表的な応用例までを詳しく解説します。
力学的基礎：張力の定義と基本式
張力（T）は、単純には部材に作用する引張力の大きさを表します。断面積 A をもつ棒材に張力 T が作用する場合の応力 σ は、σ = T / A（単位：N/m2 = Pa）となります。線形弾性範囲では、フックの法則によりひずみ ε = σ / E（E はヤング率）となり、部材長 L の伸び ΔL は ΔL = ε・L = (T L) / (A E) で与えられます。
引張強さと許容応力
材料には引張強さ（極限強さ）と降伏強さがあり、設計ではこれらの材料特性に安全率を掛けた許容応力を用います。金属構造やコンクリートにおける設計は各国の規格や基準（日本では土木学会基準、建築基準法関連の仕様）に従います。プレストレス鋼材やワイヤーの場合は緩和やクリープ、応力緩和（relaxation）も考慮する必要があります。
テンションを用いる代表的な構造形式
- ケーブル構造：吊橋、ケーブル屋根、吊り梁など。ケーブルは曲げ剛性が小さく、主に張力で応力を担います。
- テンションメンブレン（膜構造）：膜材は張力により形状と剛性を得ます。
- プレストレストコンクリート：鋼材を張力で予め引張り、コンクリートに圧縮力を導入して引張を抑制する技術（プレテンション、ポストテンション）。
- タイロッド・テンションロッド：建築で水平力や地震力に対してテンション部材として配置される棒材。
プレストレスト工法の基礎：プレテンションとポストテンション
プレストレストコンクリートはテンション制御が中心の技術です。プレテンションは工場で鋼材を引張り、コンクリートが硬化した後に張力を解放してコンクリートに圧縮力を与えます。ポストテンションは現場でダクトにケーブルを通し、定着装置でジャッキアップして張力を与え、アンカーで定着します。
重要な設計・施工課題として、張力導入直後の応力、経時的な損失（弾性短縮、クリープ、乾燥収縮、鋼材の応力緩和）、定着部の耐久性と腐食対策などがあります。損失は設計で見積もり、初期張力を決定します。
張力の測定と品質管理
施工中の張力管理は安全性に直結します。一般的手法は以下の通りです。
- 油圧ジャッキの荷重計：直接的に張力を印加・計測できる。
- ロードセル：定着部や試験体に使用して張力を正確に測定。
- ひずみゲージ：鋼材に貼り付けて応力・ひずみをリアルタイムで監視。
- 音速法（ワイヤーロープのテンション測定）：振動数から張力を逆算する非破壊法。
設計上の考慮点と安全対策
テンション部材の設計では、静的荷重と動的荷重（風・地震・荷役など）を合わせて評価します。疲労耐久性が重要で、繰返し張力変動による疲労破壊を防ぐため、適切な材料選定、接合部の形状、丸みのある曲げ取り回し、応力集中の低減が求められます。また、腐食対策（亜鉛めっき、被覆、グラウト充填、陰極防食）と排水計画を組み合わせることで長寿命化が期待できます。
テンションの損失機構（プレストレス損失）
プレストレス鋼材における張力損失は主に次の要因で生じます。
- 弾性短縮：コンクリートの圧縮により鋼にかかる張力が低下する。
- クリープ：コンクリートが長期荷重で徐々に変形し、圧縮力が増すが鋼の張力は減少する。
- 乾燥収縮：コンクリートの体積収縮により張力が変動する。
- 鋼材応力緩和：高強度鋼の内部応力が時間経過で低下する現象。
設計ではこれらを見積もり、初期張力を補正して必要な残留圧縮を確保します（設計基準に従う）。
施工上の実務ポイント
現場では以下を徹底することが重要です。
- ジャッキやロードセルの校正・点検を実施する。
- 定着装置やアンカーの取扱いをマニュアル化し、作業手順を厳守する。
- 測定データの記録とトレースを行い、設計値と照合する。
- 錆や汚れの除去、グラウト充填の密実性確保、養生の徹底。
- テンショニングの順序や段階的な荷重導入により局部的過負荷を避ける。
点検・維持管理と劣化診断
テンション部材は不可視部での劣化が進むことがあるため、定期点検を計画的に実施します。主な点検項目は腐食、緩み、摩耗、被覆の劣化、伸びや常時張力低下、定着部の亀裂などです。非破壊検査（超音波、磁気、赤外線、ボアホールカメラ）やひずみ観測データの解析によって劣化進行を評価します。必要に応じて再張力、補強、交換、腐食防止措置を行います。
実例と用途別の留意点
ケーブルステイ橋や吊橋ではケーブルの疲労と防食が最大の課題です。メンテナンスでケーブル被覆の交換や定期的な電気化学的試験が行われます。プレストレスト床版や橋梁では、デッキクラックの発生抑制と長期的な残留応力の管理が設計上重要です。膜構造では初期形状（双曲面など）とテンション配分が構造安定に直結します。
規範・基準と学術情報
設計・施工は各種の規範や基準に従います。日本では土木学会コンクリート標準示方書、建築基準法に基づく各種告示、JIS 規格などが関連します。国際的には ACI 規準、Eurocode、ISO 規格も重要です。詳細な数値や手順は各規格で定義されているため、必ず最新の基準を参照してください。
まとめ：安全で持続可能なテンション設計のために
テンションは多くの構造で核となる概念です。基礎的な力学、材料特性、損失要因、施工管理、維持管理を総合的に考慮することで、安全で長寿命な構造を実現できます。特にプレストレスト技術やケーブル構造では初期張力の管理と経時的損失の予測、腐食対策が成否を分けます。現場でのデータ収集と定期点検を通じて、設計と実際の状態を照合し、適切な保全計画を立てることが重要です。
参考文献
American Concrete Institute（ACI）
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