Cyclic Shear Response of Polyurea-Strengthened Dry-Joint Stone Masonry Walls

建築安全の世界を、巨大で見えないジェンガのゲームだと想像してみてください。このゲームでは、ブロックは古代の石壁であり、揺れるテーブルは地震です。何世紀もの間、人類は、ブロック同士を繋ぎ止めるための接着剤やモルタルを使わずに積み上げた「空積み（ドライストーン）」を用いて、美しい構造物を築き上げてきました。これらの壁は、上から押し付ける力には強いのですが、地面が左右に揺れ始めると、まるでトランプの城のように脆くなります。接着となる「糊」がないため、壁が滑ったり、崩れたり、あるいはバラバラに飛び散ったりしてしまうのです。これは、歴史を保存し、人々を守る上で非常に大きな問題です。

これを解決するために、エンジニアはしばしば、これらの壊れやすい壁を保護用のスーツで包む方法を探ります。これは、騎士にスーパーヒーローのケープを着せるようなものです。この仕事において、素材として好まれているものの一つが「ポリウレア」です。これは、ゴムのように伸びる性質を持ちながら、爆発による破片さえも食い止めるほど強力な、超強靭でゴムのようなスプレー塗布型のコーティング材です。科学者たちが投げかけている大きな疑問は、「この伸縮性のあるゴム状の鎧を空積みの石壁にスプレーした場合、地面が揺れたときに実際に壁が崩壊するのを防げるのか？」という点です。この研究は、強力なコンピュータ・シミュレーションを用いて、この「ゴムのケープ」が、崩れゆく石壁を、弾力性に富みエネルギーを吸収する盾へと変えられるかどうかを探ることで、この問いに切り込んでいます。

デジタル実験室とゴムの盾

この研究において、研究者たちは単にガレージで壁を作って揺らしたわけではありません。彼らは、スーパーコンピュータの中に壁の「デジタルツイン」を構築しました。彼らは「有限要素法（FEM）」と呼ばれる手法を用いました。これは、複雑な物体を数百万個の小さなレゴブロックのように分解し、それぞれのブロックがどのように動き、相互作用するかを見る手法です。彼らは「空積み石造（ドライジョイント・ストーン・メイソナリー）」、つまり石の間にモルタルがない石壁に焦点を当てました。これらは、石が滑ったり、擦れ合ったり、あるいは衝撃を受けた際に破片が欠けたりするため、シミュレーションが非常に難しい対象です。

チームは、45個の石ブロック（各サイズは約200 mm × 200 mm × 100 mm、大型のピザボックス程度の大きさ）で作られた仮想の壁を作成しました。そして、上部にかかる荷重（30 kNから250 kNまで）を変えながら、壁を横方向に押すシミュレーションを行い、揺れに対してどのように反応するかをテストしました。まず、彼らは「裸の」壁をテストしました。予想通り、助けがない状態では、特に上部の荷重が軽い場合に、壁は滑り出し、浮き上がり、最終的に形状を失いました。石は離れ、壁は扇風機の風に吹かれたトランプの束のように散らばりました。

次に、彼らは壁に「ゴムのケープ」を着せました。壁全体に、ポリウレアの薄い層（厚さわずか1 mm、鉛筆の芯ほどの幅）をスプレーすることをシミュレートしました。この素材は「粘弾性」を持つという点で特別です。つまり、引っ張る速度が速くなるほど硬くなるゴムバンドのように振る舞います。研究者たちは、複雑な数学的レシピである「ムーニー・リブリン・モデル」を使用して、このゴムがどのように伸び、どのように時間とともに跳ね返るかをコンピュータに正確に教え込みました。このモデルは、材料の伸びと復元を考慮に入れたものです。

「剥離層」のマジック

この論文における最も巧妙なテクニックの一つは、石とゴムの接続をどのように扱ったかという点です。現実の世界では、ゴムのシートを石に貼り付けた状態で強く引っ張りすぎると、石自体が壊れるのではなく、石の表面のごく薄い層が剥がれ落ち、接着剤を道連れにしてしまうことがあります。コンピュータをクラッシュさせずにこれをシミュレートするために、研究者たちは賢明な「剥離層（スパッド・レイヤー）」法を用いました。彼らは、ゴムのコーティングのすぐ下に、仮想の石の超薄いスキン（皮）を作成しました。もし結合が強くなりすぎた場合、この薄いスキンが壊れるように設定することで、実際の石の欠けを模倣しました。これにより、石のあらゆる亀裂をモデル化することなく、ゴムがいかに壁を保持しているかを正確に観察することができたのです。

壁が揺れたとき、何が起きたのか？

ポリウレアのコーティングを用いたシミュレーションを実行したところ、結果は劇的なものでした。「裸の」壁、特に荷重が軽いものはすぐに崩壊しました。しかし、「ゴムのケープ」を着た壁は持ちこたえました。

• 保持力： ポリウレアはセーフティネットとして機能しました。内部の石が滑ったり、ひび割れたりし始めても、ゴムのスキンがそれらが飛び散るのを防ぎました。これにより、構造がバラバラになるのを防ぎ、激しい揺れの後でも構造を維持することができました。
• エネルギーの吸収： 最も重要な発見は、エネルギーに関するものでした。地震が発生すると、壁は膨大な量のエネルギーを吸収しなければなりません。通常の壁はこのエネルギーを「破壊」することによって吸収します（これは望ましくない状態です）。しかし、コーティングされた壁は、伸びや摩擦を通じてエネルギーを吸収しました。シミュレーションによれば、コーティングされた壁は、石を破壊することなく、摩擦と伸縮を通じてより多くのエネルギーを消散（除去）させることができました。
• 数値データ： シミュレーションにおいて、コーティングされた壁は著しく多くのエネルギーを吸収しました。例えば、最も重いテストシナリオ（250 kNの荷重）では、コーティングされた壁は摩擦と非弾性変形を通じて約 6,550.57 単位のエネルギーを吸収しましたが、これは通常の壁と比較して非常に高い数値でした。コーティングされた壁に加えられた総仕事量は、通常の壁よりも 2倍から6倍高く、これはゴムのコーティングによって、壁が屈服する前にはるかに強い衝撃を受け止めることができるようになったことを意味しています。

細かな考察：コンピュータが示したこと

研究者たちは、モデルが正しいことを確認するために、いくつかの「もしも」のシナリオもテストしました。彼らは、揺れの速度が重要になるのではないかと考えました。ポリウレアは速く引っ張られるほど強くなるため、地震が素早く起こった場合、壁の挙動が変わるのではないかと推測したのです。しかし、シミュレーションの結果、揺れの速度は壁の挙動に大きな影響を与えないことが示されました。なぜなら、壁を保持する主な力は石同士の摩擦であり、その摩擦は壁が動く速度には左右されないからです。ゴムは強力でしたが、石同士が擦れ合う力が真のヒーローでした。

また、彼らは「圧縮剛性回復係数」（石が押しつぶされた後にどれだけ跳ね返るかを示す指標）という設定も検証しました。彼らは、石が全く跳ね返らないと仮定した場合（値が0の場合）、シミュレーションが現実世界の実験と完璧に一致することを発見しました。もし石が完全に跳ね返ると仮定すると、壁は強くなりすぎてしまい、本来のように壊れることがありませんでした。このことは、一度石に亀裂が入ると、石は自ら修復することはないということを示しています。

結論

この論文は、空積みの石壁に薄いポリウレアの層をスプレーすることは、地震に対する安全性を高める非常に効果的な方法であることを示唆しています。コンピュータ・シミュレーションによれば、この「ゴムのケープ」は、壁が崩壊するのを防ぎ、地震の衝撃を吸収するのを助け、石が飛び散るのを阻止します。これは、脆弱で崩れやすい壁を、強靭でエネルギー吸収能力の高い盾へと変える、シンプルかつ実用的な解決策です。これはすべてコンピュータ・シミュレーション上での出来事であり、実際の地震を用いたものではありませんが、その結果は有望であり、歴史的な石造建築物を守るためのゲームチェンジャーになり得ることを示しています。研究者たちは、これが魔法のような万能薬であると主張しているわけではありませんが、壁の回復力を大幅に向上させ、潜在的な災害を制御可能な「揺れ」へと変えることができることを証明したのです。