損傷した鉄骨フレーム充填壁の面外挙動に対する建設用柱の有限要素解析

なぜこれらの壁が地震で重要なのか

地震が発生すると、建物の骨組みの内部を満たすレンガやブロックの壁（充填壁）が真っ先に被害を受けることが多いです。これらの「充填」壁はしばしば非構造の間仕切りとして扱われますが、実際には建物を支えるのに無声の役割を果たしています。本研究は、こうした壁に埋め込まれる小さな垂直の柱（建設用柱）をより簡便に作る新しい方法を検討し、重要な問いを立てます：簡素化した構築法でも、片方向からの揺れで壁が面外に倒れる（本が棚から落ちるように）ときに、壁や内部にいる人々を守れるのか？

地盤が動くとき、普通の壁はどう振る舞うか

多くの現代建築では、鋼やコンクリートの骨組みがマソニリー（石造り）壁で充填されています。地震時、これらの壁はフレームと複雑に相互作用します。全体の剛性を高めエネルギーを吸収する一方で、亀裂や破壊を起こすこともあります。重要な弱点の一つが面外破壊で、壁が横方向に曲がって膨らみ外側に崩壊する現象です。過去の地震観察では、壁内に狭い垂直の「建設用柱」を入れることで安定性が大きく向上することが示されています。しかし通常の施工法――現場で型枠を組んでコンクリートを打設・振動締固めするやり方――は数日を要し、型枠や振動工程が必要で品質問題が生じやすいという欠点があります。

壁内におけるより簡易な柱のアイデア

こうした実務上の障害に対処するため、著者らは壁と一体に短時間で施工できる「製作（プレファブ）建設用柱」を検討しました。型枠を組んで別にコンクリートを流し込んで振動する代わりに、施工者はレンガを積みながらあらかじめ作られたブロックと配筋を挿入し、隙間をグラウトで充填します。この方法により、1つの壁の施工期間が従来の約3日から1日に短縮され、直接コストは約30％削減されます。以前の試験では、これらの製作柱は現場打ちの柱より柔軟性が高く、主フレームが強く壁はやや弱めに設計するという望ましい考え方――主フレームは無事で、損傷は交換可能な充填材に集中する――に合致することが示されていました。

詳細な数値モデルによる仮想揺動試験

先行する実大実験を参照として、研究チームは煉瓦充填壁を持つ単層鋼フレームの高忠実度コンピュータモデルを3種類作成しました：内部柱なし、従来の現場打ち建設用柱あり、新しい製作柱ありの各モデルです。レンガ、モルタル、鋼フレーム、鉄筋、接触面を精緻にモデル化し、まず面内の周期的な横方向変形（側方変位）を与え、続いて壁面に垂直な面外荷重を加えるシミュレーションを行いました。これらのシミュレーションは、実験で観察された対角亀裂の形成、部分的なせん断破壊や剥離、フレームと壁の荷重分担などの主要な特徴を再現し、モデルが実挙動を捉えているという信頼を与えました。

壁が面外に押されると何が起きるか

結果は、建設用柱が面外荷重下での壁の曲がり方や亀裂進展を大きく変えることを示しています。柱がない壁では、中央領域が強く外側に押され、X字状に亀裂が広がり、側部の柱間で一本のアーチが形成されます。現場打ち柱がある場合、壁は実質的に二つの短いパネルに分割され、それぞれが独自のアーチを形成します。これにより中央の側方膨らみが抑えられ、亀裂は柱の縁寄りに移動します。製作柱も同様の二アーチ挙動を示しますが、損傷はプレキャストブロック間の目地に集中しやすく、そこでのモルタルが脆弱になります。総じて、両者とも壁中央部の最大面外変位を抑制します。

どれだけ強さが増すか、あるいは失われるか

シミュレーションの数値はトレードオフを浮き彫りにします。内部柱のない壁と比べ、現場打ち柱は面外荷重に対する負荷能力を2倍以上に高め、製作柱もほぼ2倍にします。両者とも壁の延性を高め、強度喪失前により大きく変形できるようにし、面内での損傷が面外性能を劣化させる度合いを低減します。しかし非常に剛性の高い現場打ち柱は面内揺れ時に大きな力を引き寄せ、後に面外荷重が加わった際に局所的な損傷を招きやすいという欠点があります。より柔軟な製作柱は数値上の強化効果はやや小さいものの、面内で既に亀裂が入った後の面外変位と損傷をよりよく抑制します。

より安全で速い施工に向けての意味

非専門家向けの要点は明瞭です：煉瓦の充填壁内に細い垂直柱を追加することで、地震時やその後に壁がフレームから膨らんで落下する可能性が大幅に低くなり、巧みに設計された製作柱はより簡便で安価な施工でその保護効果の多くを達成できるということです。現場打ち柱は依然として最も大きな素朴な強度を提供しますが、新しい製作柱は安全性、延性、施工速度、コストのバランスが有望です。本研究は単層フレームと一種類の壁を対象としているため、高層建築や他のマソニリー材料に適用する前にはさらに検討が必要です。それでも、本研究は地震時に日常の壁が実際に人命を守る働きを静かに果たすための実用的で施工可能な詳細を示唆しています。

引用: Wang, Z., Luo, H., Lin, H. et al. Finite element analysis of a constructional column on the out-of-plane performance of the damaged steel frame-infilled wall. Sci Rep 16, 11177 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39054-w

キーワード: マasonry充填壁, 地震工学, 建設用柱, 有限要素解析, 面外挙動