プレハブ耐震壁構造における溶接水平継手の荷重支持と破壊挙動

なぜ安全なプレハブ建築が重要か

近年、大型の工場製コンクリートパネルを現場で素早く組み立てる建築方式が増えています。この方法は工期短縮、廃棄物削減、品質管理の向上に寄与します。しかし地震の多い地域では重要な疑問が残ります：こうした重いコンクリート部材をつなぐ金属継手は、地震時にどの程度信頼できるのか。本研究は、プレハブ建物の壁と床をつなぐ代表的な溶接接合の強さと損傷許容性を詳しく検証します。

現代の建物はどう組み立てられるか

従来の一体打ちコンクリート建築では、壁やスラブがほぼ連続した塊として打設され、構造は一体で振る舞います。これに対しプレハブ建物では、壁や床スラブを工場で製作し現場で接合します。接合部が地震時の安全性や補修費用を左右する“弱点”になります。設計者は現場でコンクリートを打設して一体化する湿式継手を使うか、ボルトや溶接で接続する乾式継手を使うかを選びます。湿式継手は一体打ちに近い挙動を示しますが工期が長くなります。乾式継手は迅速でクリーンですが、特に壁と床が水平に接する溶接継手の強震時挙動は十分に解明されていません。

壁と床をつなぐ新しい溶接接合

著者らは実務に適した溶接継手システムを設計しました。工場で鋼板を壁パネルや床スラブの端部に埋め込み、現場でこれらの埋め込み鋼板を接続板で溶接します。鋼棒がこれらの板をコンクリート内部の見えない梁や柱に結び付け、壁上部・床・壁下部の間で力を伝達する隠れた鋼の“橋”を形成します。実物大の試験体を2体製作しました：一つは片側に床が接する外壁を想定したもの、もう一つは両側に床を持つ内壁を想定したものです。両試験体を試験枠に取り付け、強い地震で生じるゆっくりと繰り返す変位を模して左右方向に載荷しました。

揺れを模擬したときの挙動

試験では、継手はおよそ330キロニュートンの横方向力を負担し、その後に荷重低下が始まりました―これは小型トラック数台分に相当します。上部の変位は約40〜44ミリメートルに達しても荷重の大部分を保ち、良好な延性（急激に破断せず変形して耐える能力）を示しました。ひび割れはまず溶接鋼板付近の下側の壁に発生し、斜めに広がり、最終的には圧縮側のコンクリートがつぶれ、継手付近の鋼板や鋼筋が降伏しました。破壊パターンは、継手付近のせん断と壁の曲げが混在するもので、脆性的に急に破断する様子ではありませんでした。両側に床がある内壁を模した試験体は、外壁モデルに比べて剛性と強度がやや高く、力の流れがより均衡していることを反映していました。

仮想試験で内部を覗く

実験を補完するため、チームはABAQUSを用いて詳細な3次元数値モデルを構築しました。繰り返し載荷下でのひび割れ、破砕、剛性低下を再現できる高度なコンクリートモデルと、簡略化しつつも現実的な鋼材挙動を組み合わせています。モデルを較正した結果、シミュレーションの荷重―変位曲線、応力集中箇所、ひび割れパターンは実験と概ね良好に一致しました：ピーク荷重や降伏荷重は実測値の約10〜20％以内に収まることが多かったです。この検証済みツールを使い、壁の鉛直荷重（軸圧）や壁の形状（せん断スパン比）を変えた仮想実験を行いました。軸圧が高いとピーク強度は増しますが、ある点を越えると変形能力が低下します。また高く細い壁は、せん断支配の損傷から曲げ支配の損傷と低強度へと挙動が変わることが示されました。

耐震設計への示唆

非専門家向けに言えば、プレハブ壁と床の間を丁寧に詳細化した溶接継手は、地震時の負荷下で堅牢に挙動できるということが主要な結論です。これらの継手は脆い継ぎ目として振る舞うのではなく、大きな力を伝達し、制御されたひび割れと鋼の降伏を通じてエネルギーを消費し、段階的で観察可能な破壊を示しました。また設計者は、鉛直荷重と壁の比率を調整して、過度に剛な圧壊的破壊を避け、延性を保持する必要があることが示されました。最後に、検証済みの数値モデルは継手の詳細を詰めたり、より極端なシナリオを検討したりするための強力な道具となり、迅速に建てられるだけでなく地震時により安全なプレハブ建築の設計に寄与します。

引用: Xu, B., Xu, Y. & Zhang, Y. Load-bearing and failure behavior of welded horizontal joints in prefabricated shear wall structures. Sci Rep 16, 10262 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40936-2

キーワード: プレキャストコンクリート, 耐震継手, 溶接接合, せん断壁, 地震工学