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いつやあいしま
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1 科学技術動向概要本文は p.21 へ地震動の周期に依存した建物被害と新たな課題東日本大震災を起こした 2011 年東北地方太平洋沖地震と阪神淡路大震災を起こした 1995 年兵庫県南部地震はともに多くの人命を奪い甚大な被害を及ぼしたしかしその被害の様相は全く異なる東北地方太平洋沖地震は大規模な津波被害を起こしたが揺れによる建物被害は兵庫県南部地震の時ほど大きくはなかったこれは東北地方太平洋沖地震が建物への影響が少ない周期 1 秒以下の地震動が顕著であったためである一方兵庫県南部地震は建物に大きな被害を及ぼす周期 1~2 秒の地震動が顕著であった ( 図表参照 ) 東北地方太平洋沖地震では周期 2 秒以上の長周期地震動が首都圏で観測され超高層ビルが大きく揺れたしかし既にダンパーや積層ゴムなどの制震や免震などの耐震対策がなされており深刻な被害は報告されなかったただし長周期地震動が長時間継続した場合や繰り返し起きた場合超高層建物や免震建物が受ける影響については良く分かっておらず今後の研究が必要である周期 1 2 秒のやや短周期地震動および周期 2 秒を超える長周期地震動は現在使われている気象庁震度階という一指標だけでは表しきれない被害の様相をもたらす可能性があるまた地震動の周期は震源だけではなく地盤構造や地震波の伝搬経路にも大きく影響され同じ地震でも場所によって異なる木造家屋や中低層ビルに大きな影響を及ぼすやや短周期地震動に対してこれに特化した評価も重要である今後起きうる地震から被害を軽減するためには地震学地盤工学土木建築工学といったそれぞれの学問技術領域での個別の対応ではなく領域間の相互連携や知識の共有と融合が必要である図表東北地方太平洋沖地震と兵庫県南部地震の地震動の比較提供 : 境有紀氏科学技術動向 2012 年 5 6 月号 3

2 地震動の周期に依存した建物被害と新たな課題科学技術動向研究地震動の周期に依存した建物被害と新たな課題市口恒雄安全システムユニット松村正三客員研究官 1 はじめに 2011 年の東北地方太平洋沖地震は約 2 万人の死者行方不明者を出す東日本大震災を引き起こし 1923 年の関東大震災以降最大の自然災害となったただしほとんどが津波による犠牲者であったため地震動による被害はあまり注視されていない現実には地震動による被害も多様であった地震災害の研究は実際に起きた事跡を検証することが全てであり私たちは未曾有の大震災で明らかとなった事実に目を向けそれらから得られる教訓を謙虚に学ぶ必要がある科学技術政策研究所では地震動による直接の建物被害に注目して 2012 年 2 月 7 日に東日本大震災の被害と防災の在り方と題する講演会を行った講演者および講演題目は以下の通りである 1 揺れによる建物被害と防災システムの問題境有紀 ( 筑波大学 ) 2 事業活動への影響と免震制震の効果境茂樹 (( 株 ) 間組 ) 本報告では両氏の講演内容に沿って東北地方太平洋沖地震による建物被害の特徴を紹介する阪神淡路大震災を引き起こした 1995 年兵庫県南部地震に比べて東北地方太平洋沖地震では一般住宅の全壊や大破といった構造部の損傷は少なく被害は瓦屋根や壁などの非構造部分に集中しているという特徴が見られた甚大な津波被害を出しかつ地震の震度も大きかった東日本大震災で何故揺れによる建物崩壊が少なかったのかを明らかにし今後の被害軽減に役立てたいということがこの講演会の主なテーマであった東北地方太平洋沖地震は震源近くの東北地方では主に短周期の地震動であったが首都圏では長周期成分も見られ超高層ビルが長時間にわたって大きく揺れた最初の事例ともなったここ数年の間に高い確率で起きるとされる首都圏直下型地震では最大震度 7 の可能性も想定されており兵庫県南部地震を上回る大きな建物被害も予想される超高層建築を含め首都圏の建物は本当に大丈夫なのかもし可能な対策があるとすればどういう対策があるのかそういった問題も含め少しでもその被害を少なくする方法を探ってみたい以上のように両氏の講演内容の一部を紹介するとともに将来の大震災に備えて揺れによる建物被害についての教訓を汲み取ることが本稿の目的である 2 地震動による建物被害の調査方法と調査結果被害を受けた建物は事後の安全性を確保するためにも精密な調査が望まれるしかし被害を受けた建物を全て調査しても被害総数は算出されるが被害率といった数字は出てこない被害率あるいは全壊率という数字は被害の有無に拘わらず地域全体を万遍なく調査して初めて得られるものである現実には広範囲の全ての建物を調査することは不可能でありむやみに調査しても震度や揺れ方との関係は明らかにできないこの関係を明らかにするためには信頼できる地震計が設科学技術動向 2012 年 5 6 月号 21

科学技術動向 2012 年 5 6 月号置されている場所を選びその地点を中心に半径何百メートルといったエリアを調査することが有効であるこのように建物被害の調査方法には被害建物だけを調査して被害総数を算出する方法と特定エリアの全棟調査により被害率を算出する方法がある日本には ( 独 ) 防災科学技術研究所が全国に約 20 km の間隔で設置しているK NET および KiK net

は地中に設けた地震計と地表の強震計とがセットになったものである K NET および KiK net で得られた地震波形などの記録はインターネットで公開配信されている 2) 東北地方太平洋沖地震では震度 6 弱以上を記録した強震観測点は 200 地点以上であった境有紀氏らの研究グループは 2011 年 3 月 16 日から 4 月 10 日までの期間に周辺の建物が多い個所などを考慮して

3 科学技術動向 2012 年 5 6 月号置されている場所を選びその地点を中心に半径何百メートルといったエリアを調査することが有効であるこのように建物被害の調査方法には被害建物だけを調査して被害総数を算出する方法と特定エリアの全棟調査により被害率を算出する方法がある日本には ( 独 ) 防災科学技術研究所が全国に約 20 km の間隔で設置しているK NET および KiK net と呼ばれる強震観測施設が 1,381 箇所ある ( 図表 1 参照 ) そのほかに気象庁と自治体の強震観測設備がそれぞれ 608 箇所と 2,839 箇所存在するそれらの観測施設には強い揺れでも針が振り切れない強震計やデータの送信装置などが装備され地上に置かれた丈夫なケースに収納されている ( 図表 1 の写真参照 ) KiK net は地中に設けた地震計と地表の強震計とがセットになったものである K NET および KiK net で得られた地震波形などの記録はインターネットで公開配信されている 2) 東北地方太平洋沖地震では震度 6 弱以上を記録した強震観測点は 200 地点以上であった境有紀氏らの研究グループは 2011 年 3 月 16 日から 4 月 10 日までの期間に周辺の建物が多い個所などを考慮して 200 地点の中から 35 地点を選んで調査を行った ( 図表 2 参照 ) 宮城県 16 地点福島県 7 地点栃木県 6 地点茨城県 6 地点である震度でいえば震度 7 が 2 地点震度 6 強が 26 地点震度 6 弱が 7 地点となった現地調査の方法は強震計が設置された観測点を中心に半径 200 m 以内の建物全棟の被害チェックであるただし倉庫や車庫および地滑りなどによる建物被害は対象外としている半径 200 m 以内と限定する理由はこの範囲内であれば地震動が観測 22 点とほぼ同じと見なせるからであるただし宅地の造成方法などによっては家屋に伝わる地震動が大きく異なる場合もある現地では建物の外観から全壊や大破を判定し屋根瓦被害の有無を含めて木造 RC 造 ( 鉄筋コンクリート構造 ) 鉄骨造など構造種別や階数などを区別して地図上にプロットする図表 3 の左側は K NET 塩竈の観測点 ( 印 ) を右側は宮城県涌谷町にある気象庁の観測点 ( 印 ) を中心に半径 200 m の範囲内の建物を全棟調査した例であるこれらの例では建物の全壊大破はなく若干の瓦被害で済んでいたほかの地域の調査結果でも被害状況は概ね同様であった研究グループによる建物被害調査の全体結果を図表 4 に示す震度 6 弱の地点を一部含むが概ね震度 6 強以上の地点での調査建物数の合計は 2,954 棟で全壊大破率は 0.47% であった日本ではこれまで全壊率 30 % 以上の発生状況を以て揺れの大きさを震度 7 と定義してきた 1996 年以降の計測震度への改訂後も図表 1 K NET および KiK net の強震観測地点と観測設備の写真出典 : 参考文献 1 図表 2 東日本大震災による建物被害の調査地点提供 : 境有紀氏

範囲外に全壊した建物があってもその建物は調査対象にはならないこれと平行して被害が大きかった建物を重点的に調査しどの部分がどういう風に壊れたかを調べる従来の方法による調査もほかのグループによって実施された国土交通省国土技術

4 地震動の周期に依存した建物被害と新たな課題震度 6 強での全壊率は 8 30 震度 7 での全壊率は 30 以上と評価されてきたしかし東北地方太平洋沖地震ではほぼ震度 6 強以上での全壊大破率が 0.47 という極めて低い数値になっている強震観測点を中心に半径 200 m の範囲で全棟調査する方法は全図表 3 壊大破率などの被害率を算出できそれを地震動と比較できるただし恣意的に調査範囲を拡げることは統計学的信頼性を失わせるので範囲外に全壊した建物があってもその建物は調査対象にはならないこれと平行して被害が大きかった建物を重点的に調査しどの部分がどういう風に壊れたかを調べる従来の方法による調査もほかのグループによって実施された国土交通省国土技術政策総合研究所と独建築研究所の合同グループは福島県内三春町二本松市郡山市福島市や福島県宮城県内白河東日本大震災による建物被害の調査例提供境有紀氏図表 4 東北地方太平洋沖地震による建物被害の調査結果提供境有紀氏メニューへ戻る科学技術動向 2012 年 5 6 月号 23

5 科学技術動向 2012 年 5 6 月号市須賀川市仙台市 ) などの鉄筋コンクリート造や鉄骨造の建物の被害調査を行った 3 4) この調査結果でも重大な被害は確認されたものの限定的であること観測された震度の割には建物被害は大きくなく外装材の被害はあっても構造的な被害は顕著でないことなどが報告されているまた大きな被害を受けた建物には 1978 年の宮城県沖地震以前に建てられたものが多いことも報告されているさらには以前は水田であった地域での被害が大きいといった地盤条件の影響も指摘しているこのように 2 つの独立した調査により東北地方太平洋沖地震では震度の割には揺れによる建物被害は大きくなかったことが明らかになったこれは建物の耐震性が向上している効果なのだろうかあるいは東北地方太平洋沖地震の揺れに何か特徴があったのだろうかそれを解き明かすために次章では建物被害の著しかった兵庫県南部地震 ( 阪神淡路大震災 ) の地震動との比較を試みる 3 兵庫県南部地震と東北地方太平洋沖地震との比較 3-1 揺れの特徴の比較図表 5 は東北地方太平洋沖地震と兵庫県南部地震の地震動の比較例であるそれぞれの測定地点は宮城県の K NET 築館と JR 西日本の鷹取駅構内である築館では震度 7 で全壊率 0% であるのに対して鷹取では震度 6 強に対して全壊率 59.4% であり両者には極めて大きな違いがある両者の揺れの特徴を見ると大きな違いがあることがわかる東北地方太平洋沖地震では短い周期の強い揺れが長時間続いたのに対して兵庫県南部地震では比較的周期の長い揺れが観測されていた地震動の縦軸の単位 cm/s 2 は加速度を示しており通常はガルと呼ばれる単位である 980 cm/s 2 を 1 G( 重力加速度 ) として G で表すこともある東北地方太平洋沖地震のグラフでは最大値が 1,000 ガルを超えていたが 1,000 ガル以上の部分を省略して図示しているこの地震動のグラフから振動強度 ( 弾性加速度応図表 5 東北地方太平洋沖地震と兵庫県南部地震の地震動の比較提供 : 境有紀氏 24

5 秒以下の周期で大きく建物被害に結びつく 1~2 秒周期では小さかった ( 図表 6 参照 ) 東日本大震災では建物に影響する地震動が大きくなかったから建物被害がさほど生じなかったのである建物の耐震性が兵庫県南部地震以来向上したというわけではない従って東北地方太平洋沖地震という超巨大地震でも大丈夫だったからといって今後の大地震で建物は大丈夫だろうと即断するわけにはいかないただし

6 地震動の周期に依存した建物被害と新たな課題答 ) と周期との関係を表すグラフを描けば 2 つの地震動の特徴の違いは一目瞭然である東北地方太平洋沖地震では周期が 0.5 秒以下の振動強度が大きいが周期が 1~2 秒の領域では兵庫県南部地震の方が振動強度は大きい建物被害に関しては周期が 1~2 秒の地震動の影響が大きく被害率との相関も指摘されている一方周期が 1 秒以下の振動は人体感覚と合致しており瓦屋根や壁などの非構造部材や室内被害との相関が見られる東北地方のほかの測定地点でも弾性加速度応答は 0.5 秒以下の周期で大きく建物被害に結びつく 1~2 秒周期では小さかった ( 図表 6 参照 ) 東日本大震災では建物に影響する地震動が大きくなかったから建物被害がさほど生じなかったのである建物の耐震性が兵庫県南部地震以来向上したというわけではない従って東北地方太平洋沖地震という超巨大地震でも大丈夫だったからといって今後の大地震で建物は大丈夫だろうと即断するわけにはいかないただしほとんどの木造家屋や中低層建物は 0.3~0.4 秒の固有周期を持つことがわかっておりそれよりも長い周期 1~2 秒の地震動で大きな建物被害が起きるというのは奇妙な現象に思えるこの固有周期 0.3~0.4 秒というのは弾性限界内での周期であり弾性限界を超えて塑性変形が起き始めると共振する振動の周期は長くなると考えられる建物の被害は塑性化するときの等価周期で決まり非線形モデルによるシミュレーションや模型実験の結果 ( 図表 7 参照 ) によっても確かめられている周期が 1~2 秒の地震動はたとえ一回の振動であっても建物の塑性化を引き起こして大きな被害を与えることがある従って周期が 1~2 秒の地震動はキラーパルスという呼称図表 6 複数の測定地点での地震動のスペクトル提供 : 境有紀氏図表 7 模型実験による結果提供 : 境有紀氏で報道されることもある芦屋市 ( 人口約 9 万人 ) では 3-2 建物被害の比較兵庫県南部地震は全半壊の住宅が合わせて約 25 万棟という大きな建物被害を起こした死者 6,432 名のうちの約 80% が住宅倒壊による圧死と言われている木造住宅の場合 1 階の柱が折れて 2 階部分が下に落ちることにより 1 階で就寝中の人が圧死するケースが多く見られた建物の全棟調査により芦屋市 / 建築物の被害と復旧 5) として詳細な記録を残している芦屋市域全建築物 15,421 棟のうち全壊は 4,722 棟半壊は 4,062 棟となり全半壊率は 57% に達した建物数としては木造住宅が圧倒的に多く 10,514 棟のうち約 70% が全壊または半壊の被害にあった木造住宅に次いで多い鉄筋コンクリート造の建物も 2,577 棟のうち 20% 強が全半壊している地震被害を受けた建物は建築基準法が改正された 1981 年 ( 昭科学技術動向 2012 年 5 6 月号 25

科学技術動向 2012 年 5 6 月号図表 8 芦屋市における建築物の築年代別の被害状況出典 : 参考文献 6 和 56 年 )6 月以前に建てられた住宅が多くしかも築年数が古いものほど全半壊が多くなっている ( 図表 8 参照 ) 市域のほぼ中央を東西に縦断した震度 7 の帯上に位置する地域では全半壊率が 90% を超えた地域も存在するこの地域では人的被害も多く発生した

境有紀氏たちの調査によれば東北地方太平洋沖地震の揺れによる建物の全壊大破率はわずか 0.

7 科学技術動向 2012 年 5 6 月号図表 8 芦屋市における建築物の築年代別の被害状況出典 : 参考文献 6 和 56 年 )6 月以前に建てられた住宅が多くしかも築年数が古いものほど全半壊が多くなっている ( 図表 8 参照 ) 市域のほぼ中央を東西に縦断した震度 7 の帯上に位置する地域では全半壊率が 90% を超えた地域も存在するこの地域では人的被害も多く発生した柱が折れて上層階が落下する現象は層崩壊と呼ばれる層崩壊は木造住宅だけではなく鉄骨造や鉄筋コンクリートのビルでも起きた ( 図表 9 参照 ) 兵庫県南部地震の発生時刻が午前 5 時 46 分と早朝であったためビルの層崩壊による死傷者は少なかったと考えられるもし地震が昼に発生し百貨店などの人の集まる商業ビルで層崩壊が起きれば多数の死傷者が出たことは想像に難くない境有紀氏たちの調査によれば東北地方太平洋沖地震の揺れによる建物の全壊大破率はわずか 0.47% であるしかし国土交通省国土技術政策総合研究所と ( 独 ) 建築研究所の合同チームの報 3 4) 告によれば層崩壊した建物も存在し建物によっては大きな被害を受けた図表 10(a) および (b) は交差点に面した鉄筋コンクリート造の建物であるいずれも 1 階部分は店舗であり耐力壁の少ないピロティ構造となっていた両者とも交差点に面した隅柱のせん断破壊が原因で 1 階部分が層崩壊を起こしたただし 1 階が柱だけのピロティ住宅は地震に耐えさえすれば流水圧を受けにくく津波の被害からはのがれた例も報告されている図表 10(c) は大学の校舎で以前から耐震強度の不足が指摘されており補強を計画している段階での被災となった敷地内のすぐ隣の建物では外見上の被害は全く観測されなかった図表 10(d) は一部損壊として最も多く観測された壁被害の例である前述のように東北地方太平洋沖地震では 0.5 秒以下の周期の地震動が顕著であり壁などの非構造部材や室内被害が多く発生したまた天井材や照明器具の落下立体駐車場のスロープの落下などで首都圏でも死傷者が出た住宅では瓦がずれるなどの被害が発生し地盤の液状化による被害も発生した図表 9 兵庫県南部地震によるビルの層崩壊提供 : 境有紀氏工場でも天井材の脱落や内けた一社の工場被害がサプラ装材などの被害が生じた電子イチェーンを通じて産業界にも大部品工場のクリーンルームのきな影響を与えた例えばルネエクスパンションジョイント部サスエレクトロニクス ( 株 ) の半導がはずれて気密性の確保が維持体工場の操業停止は世界の自動できなくなった例も報告されてい車生産に大きな影響を与えたこる工場では建物だけでなく製うした経済的な意味の被害まで防造装置の転倒など生産設備の損傷ぐためには産業界としては災によっても大きな経済的被害を受害発生時にも事業活動を低下さ 26

地震動の周期に依存した建物被害と新たな課題図表 10 せないハード面の災害抵抗力と事業活動を継続しつつ復旧を早めるソフト面の災害対応力を兼ね備えることが重要である事業者はこの 2 点を意識した事業継続計画 BCP Business Continuity Plan を予め作り実地訓練することが必要である東北地方太平洋沖地震による建物被害

8 地震動の周期に依存した建物被害と新たな課題図表 10 せないハード面の災害抵抗力と事業活動を継続しつつ復旧を早めるソフト面の災害対応力を兼ね備えることが重要である事業者はこの 2 点を意識した事業継続計画 BCP Business Continuity Plan を予め作り実地訓練することが必要である東北地方太平洋沖地震による建物被害出典参考文献 3 および 4 4 過去の地震における建物被害周期 1 秒以下の振動が顕著な地震動は短周期地震動と呼ばれ周期 1 2 秒の振動が顕著な地震動はやや短周期地震動と呼ばれる関東平野濃尾平野大阪平野などの厚い堆積層地盤では周期が 2 秒以上の長周期地震動が観測される場合もある長周期地震動に関しては周期が 2 5 秒の場合をやや長周期地震動周期が 5 秒以上の場合を長周期地震動として区別することもある図表 11 は過去の震度 6 弱以上の地震による被害状況を文献 7 より抜粋し周期が 1 2 秒の地震動が多くの地点で観測された地震を印で一部の地域で観測された地震を印で記してある 2003 年の宮城県北部を震源とした地震では消失した波形もあり周期が 1 2 秒の地震動があったかどうかは不明図表 11 の印と印は建物の被害数と強い相関があることがわかる東北地方太平洋沖地震では膨大な建物被害を出したがそのほとんどは津波によるもので地震動によるものは少ないまた東北地方太平洋沖地震の翌朝に発生した長野県新潟県県境付近を震源とする地震では長野県栄村や新潟県十日町市を中心に住宅に被害を及ぼした図表 11 では周期が 1 2 秒の地震動が観測された地震に印を付けたが地震動の周期は地震の震源過程だけで決まらず観測点での地盤の状況や地震波の伝搬経路に大きく左右される図表 12 は新潟県中越沖地震の時に長岡市小国町と柏崎市で観測された弾性加速度応答である小国町では周期が 1 秒以下の地震動が顕著であるが柏崎市では周期 2 秒あるいはそれ以上の周期の地震動が顕著になっているこの様に同じ地震であっても場所によって地震動は異なる従って地震による建物被害の軽減研究においてメニューへ戻るは単に地震の研究だけではなく地震地下構造地盤建築物を含む総合的な研究が必要である 2008 年岩手宮城内陸地震や 2009 年の駿河湾を震源とする地震では観測地点のほとんどでは短周期地震動であったが K NET 古川や K NET 鳴子などの特定の観測地点では周期が 1 2 秒のやや短期地震動や周期 2 秒以上の長期地震動が観測されている図表 13 この 2 つの地震による建物被害調査の結果をまとめたのが図表 14 であるいずれの地震でも瓦屋根の被害を除き調査域内では全壊や大破といった大きな建物被害はなかったただし岩手宮城内陸地震は全体として 176 棟の全半壊被害と 23 名の死者行方不明者を出し一関西観測点岩手県一関市厳美町では 4,022 ガルというそれまでの観測史上最大の地震加速度が記録された科学技術動向 2012 年 5 6 月号 27

科学技術動向 2012 年 5 6 月号図表 11 過去の震度 6 弱以上の地震による被害状況印および印はそれぞれ周期 1~2 秒の地震動が顕著に観測された地震と一部の地域で観測された地震出典 : 参考文献 7,8 および境有紀氏講演図表 12 新潟県中越沖地震のスペクトル提供 : 境有紀氏

9 科学技術動向 2012 年 5 6 月号図表 11 過去の震度 6 弱以上の地震による被害状況印および印はそれぞれ周期 1~2 秒の地震動が顕著に観測された地震と一部の地域で観測された地震出典 : 参考文献 7,8 および境有紀氏講演図表 12 新潟県中越沖地震のスペクトル提供 : 境有紀氏建物に全壊や半壊の被害を与えるとされてきた最大震度 6 弱以上の地震は年に 1.3 回程度の頻度で起きているしかし被害率という観点から見ればほとんどの地震では明らかに想定より被害は小さいむしろ兵庫県南部地震は例外的な存在と言えようこのことは震度という単一の指標では地震による建物被害を語れないことを如実に物語っているものと思える 28

10 地震動の周期に依存した建物被害と新たな課題図表 13 岩手宮城内陸地震と駿河湾を震源とする地震のスペクトル提供境有紀氏メニューへ戻る科学技術動向 2012 年 5 6 月号 29

科学技術動向 2012 年 5 6 月号図表 14 2 つの地震での建物被害の調査結果提供 : 境有紀氏 5 震度と建物被害との関係現行の日本の気象庁震度階は 0 から 4 までと 5 弱 5 強 6 弱 6 強そして震度 7 と合計 10 段階で与えられる 1996 年までは 0 から 7 までの 8 段階であったが兵庫県南部地震の時に震度 5 および震度 6

11 科学技術動向 2012 年 5 6 月号図表 14 2 つの地震での建物被害の調査結果提供 : 境有紀氏 5 震度と建物被害との関係現行の日本の気象庁震度階は 0 から 4 までと 5 弱 5 強 6 弱 6 強そして震度 7 と合計 10 段階で与えられる 1996 年までは 0 から 7 までの 8 段階であったが兵庫県南部地震の時に震度 5 および震度 6 の地域での被害状況の幅が広かったことからその後それぞれに強弱の震度階が新たに設けられた震度とは加速度や 30 振幅といった明確な物理量ではなく揺れの振幅や周期あるいは継続時間といった要素が複雑に絡み合う量であり 1995 年以前は被害状況や体感によって決められていた近年になって地震計の記録波形に数値処理を施すことによって自動的に機械判定することが可能となり 1996 年以降はこの計測震度が用いられている例えば震度 4 とは計測震度が 3.5 以上 4.5 未満震度 5 弱とは計測震度が 4.5 以上 5.0 未満震度 5 強とは計測震度が 5.0 以上 5.5 未満を意味している計測震度によって震度が自動判定できるようになり現在では地震発生から 1~2 分程度で各地の震度がテレビやラジオで報道されるようになった現時点では日

地震動の周期に依存した建物被害と新たな課題本だけが持つ画期的な速報システムであるその一方で人体感覚に依拠してきた旧震度と現行の計測震度との間の連続性に対しての疑問も出ている気象庁資料によると 1988~1994 年に起きた実際の地震に対して旧震度と計測震度とが少なくとも旧震度 6 の範囲までよく一致することが示されているしかし 1995 年以降については震度 6

12 地震動の周期に依存した建物被害と新たな課題本だけが持つ画期的な速報システムであるその一方で人体感覚に依拠してきた旧震度と現行の計測震度との間の連続性に対しての疑問も出ている気象庁資料によると 1988~1994 年に起きた実際の地震に対して旧震度と計測震度とが少なくとも旧震度 6 の範囲までよく一致することが示されているしかし 1995 年以降については震度 6 強を超える強震動の範囲で旧震度と計測震度との一致は保証されておらずその不一致がその後の震度と建物被害率との乖離の 1 つの原因となっている可能性がある気象庁が計測震度を取り入れた 1996 年以降計測震度 6 弱以上の出現頻度が旧震度 6 以上に比べて飛躍的に増加した 9 10) 図表 15 から地震の発生頻度自体は大きく変化していないが震度 6 弱以上を記録した地震の回数が 1996 年頃を境に発生率にしておよそ 15 倍と大きく増加している様子がわかるこの理由は旧震度評価が行なわれていた観測拠点数に比べて計測震度計の設置点数がはるかに増加しそれによって最大震度の観測漏れがほぼ無くなったせいであろうと説明されてきたこれは一見合理的な解釈にも思えるが 15 倍にも及ぶ発生率の違いを説明図表 15 震度 6 以上の地震の積算回数しきれるかどうかは不確かであるこの発生率の違いの一部は計測震度と旧震度との間に生じたずれに起因している可能性は否定できない境有紀氏は計測震度とは別に震度に応じてフィルターの周波数帯域を変えた別の指標を提案している 11) 震度 6 弱以上の地出典 : 参考文献 10 震に関して被害率との乖離が度々生じるとなればなかったという経験により多く指標としての震度の意義が問われの人がその程度の地震では自かねない現行の計測震度を変え宅は倒壊しないと思い込むかもることに慎重であるべきとするな知れないしかしそれは誤りでらば建物の構造体被害に焦点をありそういった思い込みは危険あてた別指標を用意することも考である震度が大きくかつ周期 1 慮すべき案と言えよう ~2 秒の地震動を伴う地震の場合地震動の多くは周期が 1 秒以には阪神淡路大震災の時のよ下の短周期であり 1~2 秒の周うな大きい建物被害が発生する可期が観測されるやや短周期地震能性があることを忘れてはならな動は必ずしも多く発生するわけい特に住宅などの中低層建ではないしかも地震動の周期物に対しては周期 1~2 秒の地は地盤構造や伝搬経路に依存す震動を想定した耐震対策が重要でる今回の東北地方太平洋沖地震あることを指摘したいで震度 6 強や震度 7 となったにも拘わらずほとんどの住宅が倒壊し 6 超高層建物と免震制震方法東北地方太平洋沖地震では震源から遠い東京でも震度 5 弱を観測し都心の超高層ビルも長時間にわたって大きく揺れた建築基準法には超高層建物という言葉はないが同法第 20 条第 1 号に規定する 60 m を超える建物のことを超高層建物と呼ぶことが多い高さ 60 m を超える建物については決められた地震波形を用いて動的に解析 ( 時刻歴応答解析 ) し耐震基準を満たすことが義務づけられている建物の耐震構造は大きく分けて次の 3 種類が存在する (a) 構造体の強度を増して地震に耐える力を与える狭義の耐震構造 (b) エネルギーの吸収機構によって振動を抑制する制震構造 (c) 積層ゴムやすべり支承などを用いて上階への地震力を受けにくくする免震構造一般家屋では構造壁や筋交いなどを用いて耐震性能を高めることが多いが超高層建物では変形を抑制または制御する制震構造や免震構造が用いられる低層建物の固有周期は 0.5 秒以下だが高層建物の固有周期は 1 ~2 秒超高層建物になると固有周期は 2~6 秒程度となる一般的には高層であればあるほど建科学技術動向 2012 年 5 6 月号 31

科学技術動向図表 16 2012 年 5 6 月号建物に加わる力と変形提供境茂樹氏物の固有周期は長くなって地震動の卓越周期との差が大きくなりその結果建物に伝わる力や加速度は小さくなる図表 16 左図ところが建物の揺れの振幅即ち変形は

ことによって建物に伝わる力を小さくすることができる制震構造にはいくつかの種類があり典型的には次の 3 種類に分類される a 層間ダンパー型制震構造建物の上層の床と下層の天井または床とをダンパーを用いて連結しダンパーにエネルギーを吸収させて建

もりと建物とをダンパーで連結しエネルギーを吸収させる場合によりアクチュエータなどで連結し建物が揺れる方向と逆方向に力を図表 18 免震建物用の構造部材加えてアクティブ制御することもある c 連結型制震構造建物の構造を複数に分割した

13 科学技術動向図表年 5 6 月号建物に加わる力と変形提供境茂樹氏物の固有周期は長くなって地震動の卓越周期との差が大きくなりその結果建物に伝わる力や加速度は小さくなる図表 16 左図ところが建物の揺れの振幅即ち変形は超高層建物になれば逆に大きくなる図表 16 右図制震構造では地震のエネルギーをダンパーに吸収させることによって建物に加わる力を小さくして同時に建物の変形を抑えることができる一方免震構造では積層ゴムなどを用いて等価的に建物の共振周期を長くすることによって建物に伝わる力を小さくすることができる制震構造にはいくつかの種類があり典型的には次の 3 種類に分類される a 層間ダンパー型制震構造建物の上層の床と下層の天井または床とをダンパーを用いて連結しダンパーにエネルギーを吸収させて建物の損傷を防ぐダンパーには図表 17 に示したオイルダンパーや金属の塑性化を利用した低降伏点鋼ダンパーなどがある b マスダンパー型制震構造建物の最上部におもりを設置し建物の上層部を揺 32 れにくくする図表 17 層間ダンパーの種類この場合もおもりと建物とをダンパーで連結しエネルギーを吸収させる場合によりアクチュエータなどで連結し建物が揺れる方向と逆方向に力を図表 18 免震建物用の構造部材加えてアクティブ制御することもある c 連結型制震構造建物の構造を複数に分割した上でダンパーで連結して揺れを抑える連結制震ブリッジで複数の棟をつなぐ晴海アイランドトリトンスクェアや中心部に心柱構造を設けて本体とダンパーでつなぐ東京スカイツリーがある一方免震構造は建物の基礎の部分にメニューへ戻る提供境茂樹氏提供境茂樹氏

地震動の周期に依存した建物被害と新たな課題図表 19 免震構造の超高層建物で観測された東日本太平洋沖地震の地震動提供 : 境茂樹氏図表 18 のような積層ゴムや鋼材ダンパーを入れて地震動が建物に直接伝わらないようにした構造である免震構造部分を含む建物の固有周期を長くすることによって地震動は建物に入り難くなる ( 図表 16 参照 ) 固有周期が長くなると

は免震構造の超高層建物で観測された東北地方太平洋沖地震の地震動を示している基礎上 1 階 21 階の 3 箇所で観測しておりそれぞれ 3 種類の波形は上 2 つが水平方向下 1 つが垂直方向の地震動である基礎上と 1 階の水平方向の地震動には大きな違いが見られる 1 階で観測された加速度は基礎上で観測された加速度の約 1/3 になっており免震機構が有効に働いていることが図表

14 地震動の周期に依存した建物被害と新たな課題図表 19 免震構造の超高層建物で観測された東日本太平洋沖地震の地震動提供 : 境茂樹氏図表 18 のような積層ゴムや鋼材ダンパーを入れて地震動が建物に直接伝わらないようにした構造である免震構造部分を含む建物の固有周期を長くすることによって地震動は建物に入り難くなる ( 図表 16 参照 ) 固有周期が長くなると建物内部に掛かる力は小さくなるが逆に変形は大きくなるこの変形を積層ゴムや鋼材ダンパーなどに集中させて建物上部に被害が出ないようにしているただ風圧の影響が大きい超高層建物では風による建物の揺れが大きくなる可能性があるので免震機構の設置には十分な注意が必要であるまた床や建物が地面と異なる動きをするので出入り口や建物周囲で地面とのジョイント部に十分配慮を払う必要がある図表 19 は免震構造の超高層建物で観測された東北地方太平洋沖地震の地震動を示している基礎上 1 階 21 階の 3 箇所で観測しておりそれぞれ 3 種類の波形は上 2 つが水平方向下 1 つが垂直方向の地震動である基礎上と 1 階の水平方向の地震動には大きな違いが見られる 1 階で観測された加速度は基礎上で観測された加速度の約 1/3 になっており免震機構が有効に働いていることが図表 20 東北地方太平洋沖地震余震の新宿における地震動わかるしかし垂直の地震動は減衰しておらず一般的な免震構造は垂直方向には働かない免震機構が無い場合のこの建物の揺出典 : 参考文献 2 れは測定できないのでシミュレーションに頼震力や変形を集中させて建物全るしかないが下層階の揺れは約体を守っている従ってダンパー 320 cm/s 2 から約 100 cm/s 2 にや積層ゴムの強度や繰り返し耐力上層階の揺れは約 280 cm/s 2 からが問題となる東北地方太平洋沖約 160 cm/s 2 に低減されていると地震後には残留変位が生じていいう結果が得られたまた層間る鋼材系ダンパーや亀裂の入った変形角 ( 各層での変形を柱の長さ鉛ダンパーそしてボルトの緩みで割った値 ) は免震構造でないなどが確認できたこのような状場合には中層階では 1/200 近くに況では制震や免震の効果は以前達するが免震構造の場合にはどより低下している恐れがあり早の階でも 1/1000 以下に抑えられ急な修理や交換が必要な場合もあていることもわかった層間変形る特に強い余震を伴う地震の角が 1/200 以上になると壁に亀場合には致命的ともなりかねない裂が生じ始めると言われておりことから地震直後の応急点検は免震構造では層間変形角を抑える重要である現時点では繰り返効果がはっきりと確認された実し振動による健全性評価や地震後際にこの建物では壁や柱面のひの残余耐力の評価基準や評価方法びなどの被害や家具の転倒などのが明確になっておらず今後の重被害も報告されていない要な課題である制震建物や免震建物はどちらまた東北地方太平洋沖地震の場合もダンパーや積層ゴムに地は首都圏の超高層ビルが長時間科学技術動向 2012 年 5 6 月号 33

15 科学技術動向 2012 年 5 6 月号にわたって大きく揺れた初めての事例となった新宿の超高層ビル群は約 13 分間にわたり最大で 108 cm の振幅で揺れたこの様子はビデオに撮影され動画投稿サイトで見ることができる首都圏では長周期地震動を伴う余震も観測され図表 20 は 3 月 12 日の午前 3 時 59 分に起きた余震の新宿における地震動であるこの余震では地震動加速度自体はあまり大きくはなかったが図表 20 の 65 秒から 110 秒までの時間で約 5.6 秒周期の長周期地震動が明確に観測されている日本で長周期地震動が注目されるようになったきっかけは 2003 年十勝沖地震の時に苫小牧市のコンビナートでスロッシング ( タンク内で石油が共振する現象 ) で溢れた石油による火災であった 2004 年新潟県中越地震や 2007 年新潟県中越沖地震では首都圏での長周期地震動によって超高層ビルのエレベーターの損傷やトラブルが発生したまた 1964 年の新潟地震の時の新潟市での石油タンク火災も当初は地盤の液状化によるスロッシングが原因と考えられていたが現在では長周期地震動が原因と考えられている 1967 年完成の霞ヶ関ビルを嚆矢とした日本の超高層建物は今回の大地震に遭遇するまで大きな震災に見舞われる経験を持っていなかったしかもこうした超高層建物は東京 ( 首都圏 ) 大阪名古屋に多く存在し長周期地震動が起きやすい堆積層地盤上にある長周期地震動と超高層建物の組み合わせは地震災害研究にとっても未知の領域と言えよう今回の経験を踏まえた上で将来の被災軽減を図ることは今後の研究課題の中でも重要な位置づけにある 7 まとめ本稿では東日本大震災 ( 東北地方太平洋沖地震 ) の被害の様相を阪神淡路大震災 ( 兵庫県南部地震 ) と比較しその違いを明らかにすることにより今後の地震防災への教訓を読み取る事を目的とした東北地方太平洋沖地震はマグニチュードも大きく震度 6 弱以上の地域も広範囲に及ぶ巨大地震であったがそれにも拘わらず兵庫県南部地震に比べて揺れによる建物の被害率は小さかったこの理由は地震動の振動周期の違いによって説明できる東北地方太平洋沖地震では周期 1 秒以下の短周期地震動が顕著であり周期 1~2 秒のやや短周期地震動の割合が低かった短周期地震動は人体には大きく感じられ建物の壁材や天井材などに被害をもたらすものの建物の全壊や半壊といった構造被害への影響は少ない一方兵庫県南部地震ではやや短周期地震動が卓越し多くの建物倒壊の原因となったまた東北地方太平洋沖地震およびその余震では首都圏で長周期地震動が観測され超高層ビルが大きく揺れた今回の地震では免震制震装置に一定の効果は見られたが長周期地震動に対する安全性は未知の領域であり今後検討すべき課題は多い周期 1~2 秒のやや短周期地震動そして周期 2 秒を超える長周期地震動これらがもたらす被害の対象や様相はそれぞれに全く異なるこうした周波数帯に依存する影響の相違は被害の様相をますます多様化させることになる東日本大震災で地震動による建物被害が小さかったことはある意味の僥倖であり将来同程度の震度に見舞われた時必ずしも今回と同様の被害様相となるわけではないことを考慮すべきである予測震度に基づく地震防災計画はあくまでもひとつの目安であり気象庁震度階という一指標だけでは全ての被災状況が把握しきれない場面をも想定しなければならない最後に講演や資料提供をして頂いた境有紀氏と境茂樹氏に感謝を申し上げます参考文献 1)( 独 ) 防災科学技術研究所ホームページ : 2)( 独 ) 防災科学技術研究所 K NET: 3) 平成 23 年東北地方太平洋沖地震による建築物被害第一次調査 ( 速報 ): 二本松市郡山市福島市における RC 造鉄骨造及び非構造部材を中心とした被害 : 34

地震動の周期に依存した建物被害と新たな課題 4) 平成 23 年東北地方太平洋沖地震による建築物被害第一次調査 : 白河市須賀川市仙台市における RC 造 S 造非構造部材を中心とした建築物被害調査 ( 速報 ):http://www.nilim.go.jp/lab/bbg/saigai/h23tohoku/110324kentiku3.

seisvol.kishou.go.jp/eq/higai/higai1996-new.html 8) 阪神淡路大震災について ( 確定報 ) 平成 18 年 5 月 19 日消防庁 : http://www.fdma.go.jp/data/010604191452374961.pdf 9) 岡田義光震度 6 が一日に 3 回をめぐって地震ジャーナル 36 2003.

16 地震動の周期に依存した建物被害と新たな課題 4) 平成 23 年東北地方太平洋沖地震による建築物被害第一次調査 : 白河市須賀川市仙台市における RC 造 S 造非構造部材を中心とした建築物被害調査 ( 速報 ): 5) 芦屋市 / 建築物の被害と復旧 ( 芦屋市ホームベージ ): 6) 阪神淡路大震災芦屋市の記録,95~,96( 芦屋市発行 ) 7) 日本付近で発生した主な被害地震 ( 平成 8 年 ~ 平成 23 年 12 月 ) 気象庁ホームページ: 8) 阪神淡路大震災について ( 確定報 ) 平成 18 年 5 月 19 日消防庁 : 9) 岡田義光震度 6 が一日に 3 回をめぐって地震ジャーナル ) 震度で見た地震回数とMで見た地震回数 ( 独 ) 防災科学技術研究所ホームページ : 11) 境有紀地震動の性質と建物被害の関係日本地震工学誌 2009 年 9 号 p 執筆者プロフィール市口恒雄安全システムユニットリーダー科学技術動向研究センター客員研究官理学博士専門は半導体超伝導磁性体の物理サブミリ波やマイクロ波を用いた物性測定を中心に米国の大学や日本の電機メーカーで研究に従事現在は当研究センター常勤として科学技術予測や科学技術動向研究に従事松村正三科学技術動向研究センター客員研究官専門は地震学微小地震観測を通じて大地震の前兆現象検知を目指している特に東海地震を対象にして地震活動パタンの変化からスロースリップや準静的滑りにともなう応力再配分の状況を把握したいと考えている地震調査研究推進本部専門委員理学博士科学技術動向 2012 年 5 6 月号 35

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<4D F736F F D208C46967B926E906B82CC96C6906B8C9A95A8899E939A89F090CD> 平成 29 年 9 月 1 日観測記録に基づく免震住宅の地震応答解析 - 216 年熊本地震 - 1. はじめに 216 年 4 月 16 日 1 時 25 分に発生した熊本地震はマグニチュード 7.3 最大震度 7 と発表されています防災科学技術研究所では強震観測網 (K-NET KiK-net) により観測されたデータを公開データしていますこの観測地震動を用いて免震住宅の地震応答解析を実施しました