広大な水域をまたぎ、コミュニティを結ぶ工学的な驚異である吊り橋は、その構造的完全性のために、しばしば見過ごされがちなコンポーネントであるメインケーブルに依存しています。何千本もの個々の鋼線で構成されたこれらの巨大なアセンブリは、橋のデッキと交通荷重全体の重量を支え、これらの力を橋の塔とアンカーポイントに伝達します。多くの場合、数十万トンを超えることがあります。

ロスアラモス国立研究所が主導した最近の研究は、これらのケーブルが内部でどのように応力を分散させるかを理解する上で大きな進歩を遂げました。中性子回折技術を使用して、科学者たちは、応力伝達におけるワイヤ間の摩擦の重要な役割を明らかにしました。これは、従来の工学的な仮定に異議を唱える発見です。

メインケーブルは、単純なワイヤバンドルではなく、洗練された複合構造を表しています。そのコアは、最適な圧縮のために六角形のパターンに配置された、しっかりと詰め込まれた亜鉛メッキワイヤストランドで構成されています。連続した、予張力のかかったワイヤの外層がこのコアを包み込み、構造的完全性を維持し、破損したワイヤへの応力伝達を強化するラジアルクランプによって定期的に固定されています。

参考までに、マンハッタン橋の直径50cmのケーブルには約8,500〜9,000本のワイヤが含まれており、ゴールデンゲートブリッジのようなより大きな構造物には、直径がほぼ1メートルのケーブルがあり、28,000本以上の個々のワイヤが使用されています。これらのケーブルは、恒久的な荷重（橋の重量）、活荷重（交通）、および風や地震活動などの環境要因からの莫大な引張力に耐えます。

ケーブル内の荷重分布を分析することは、独自の理論的および実験的な困難を提示します。従来の有限要素解析では、数千本のワイヤ間の複雑な相互作用を正確にモデル化することに苦労しており、特に摩擦係数、局所的な変形、および接触面積を測定または推定することが困難な接触点においてそうです。

研究チームは、中性子回折を使用することでこれらの制限を克服しました。中性子回折は、原子格子間隔の変化を検出することにより、材料の弾性ひずみを測定する非破壊技術です。X線とは異なり、中性子は材料を損傷することなく深く浸透し、運用規模のケーブルサンプル内の内部応力の前例のない検査を可能にします。

実験では、個々のワイヤのひずみが、クランプポイントとラジアル圧縮力における境界条件に大きく依存することが示されました。特に、ワイヤ間の摩擦は、以前に想定されていたよりもはるかに大きかったことが証明されました。これは、従来のケーブル応力モデルの再評価を必要とする発見です。

この発見は、橋の安全性に重大な影響を与えます。摩擦の影響を応力分析に組み込むことで、エンジニアは荷重分布をより正確に予測し、ケーブルの耐用年数を延長し、壊滅的な故障を防ぐことができます。この方法論はまた、構造的完全性を損なう破損したワイヤと局所的な欠陥の検出を可能にします。

Experimental Mechanics誌に掲載が承認されたこの研究は、橋梁工学の新たな道を開きます。今後の作業では、摩擦の影響を考慮した高度な有限要素モデルの開発と、次世代のケーブル材料の調査に焦点を当てます。チームはまた、橋のメンテナンス慣行に革命を起こす可能性のあるリアルタイムの構造健全性監視システムに中性子回折を適用する予定です。

この技術的ブレークスルーは、学術的な進歩以上のものを表しています。世界中のインフラの安全性に具体的なメリットをもたらします。吊り橋が老朽化し、交通荷重が増加するにつれて、ケーブルの状態を正確に評価することがますます重要になります。中性子回折アプローチは、エンジニアにこれらの重要な輸送リンクを保護するための強力な新しいツールを提供し、将来の世代にわたって継続的なサービスを保証します。