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  • 第6回:地震荷重から見た耐震基準の矛盾点
福和 伸夫

(ふくわ のぶお
/ Nobuo Fukuwa)

名古屋大学 減災連携研究センター 教授

 

Yahooニュース個人のホームページ:
https://news.yahoo.co.jp/byline/fukuwanobuo/

論座のホームページ:
https://webronza.asahi.com/authors/2017083100005.html

福和伸夫のホームページ:
http://www.sharaku.nuac.nagoya-u.ac.jp/~fukuwa/

減災連携研究センターのホームページ:
http://www.gensai.nagoya-u.ac.jp/

 

1981年に名古屋大学大学院を修了後、清水建設にて原子力発電施設等の耐震研究に従事し、1991年に名古屋大学に異動、工学部助教授、1997年先端技術共同研究センター教授、2001年環境学研究科教授を経て、2012年より現職。建築耐震工学、地震工学、地域防災に関わる教育・研究に携わりつつ、防災・減災活動を実践。防災功労者内閣総理大臣表彰、文部科学大臣表彰科学技術賞、日本建築学会賞、同教育賞、同著作賞、グッドデザイン賞などを受賞。近著に「次の震災について本当のことを話してみよう」(時事通信社)、「必ずくる震災で日本を終わらせないために」(時事通信社)、「耐震工学-教養から基礎・応用へ」(講談社)。

地震荷重から見た耐震基準の矛盾点

地震から命と生活を守るために何よりも大切なことは、建物が強い揺れで壊れたり液状化で傾いたりせず、家の中の家具・什器が倒れないように対策することです。けがさえしなければ、初期消火ができ、津波からの早期避難も可能です。命を守ることに加え、生活を守ることも大切です。室内が無被害で、ライフラインや設備が無傷なら、普段通りの生活を続けられます。企業の事業所や工場も事業継続しなければ倒産します。一方で、日本の耐震基準は、最低基準の建築基準法に準拠しています。敷地の地震危険度や建物の規模によって要求される安全性は大きく変わりません。人間の生存権を守る基準で、地震後の継続使用までは保証していません。最も使われている許容応力度等計算と保有水平耐力計算は、導入されてすでに40年が経ちます。その間に、多くの地震で被害を受け、地震観測記録も充実し、耐震設計で想定している地震の揺れの矛盾点も明らかになってきました。また、国民の生活レベルや価値観も変わってきました。連載の最後に、建築耐震設計のあり方について考えてみます。

彼を知り己を知れば百戦殆うからず

ローマの建築家・ウィトルウィウスは、「強なくして用なし、用なくして美なし、美なくして建築ではない」と言いました。そもそも建築物は自然界から弱い人間を守るために作られたので、「強」が尊ばれるのは当然だと思います。建物には、地震、風、雨、雪、噴石など様々な自然の外力が作用しますが、日本では、地震が最も怖いと考えられ、耐震設計が重視されています。耐震設計の基本は、孫子の格言「彼を知り己を知れば百戦殆うからず」そのものです。地震の怖さと、建物の強さのことをよく知って、建物が地震に負けないようにするのが耐震設計です。

設計実務では、地震によって建物に作用する力に対して建物の耐力が下回らないことを確認しますが、多くの場合、地震荷重は法基準に基づいて設定されます。ですが、建築基準法は、第1条に、「第一条 この法律は、建築物の敷地、構造、設備及び用途に関する最低の基準を定めて、国民の生命、健康及び財産の保護を図り、もつて公共の福祉の増進に資することを目的とする。」とあるように、国民の最低限の生存権を保障する(憲法25条)範囲で、財産権(憲法29条)を制約した最低基準です。このため、よく使われる「耐震」という言葉は、最低の耐震基準を満足しているにすぎません。

「耐震」と言われる建物は、法適合性はありますが、全体に安全というわけではありません。災害被害は、ハザード(Hazard)、脆弱度(Vulnerability)、暴露量(Exposure)で決まります。軟弱な地盤に多くの建物が建設される大都市は、ハザードと暴露量が大きいので、本来は他地域よりも耐震性を上げるべきです。孫子の格言に従えば、将来懸念される地震の揺れと比べて、設計で想定している地震荷重が不足しているなら、建物の構造耐力に余裕を持たせるべきです。南海トラフ地震や首都直下地震が切迫していると言われているのですから、コスト重視の過度なバリューエンジニアリングは避けたいものです。

地震時の現象と設計手続き

地震時の地盤の揺れは、地震の規模、発生場所、破壊の仕方、地盤の条件によって異なります。このため、揺れの強さや長さ、周期などの特性は、地震や場所によって変化します。地盤の揺れは時間と共に変動し、建物を揺さぶり大きく振動応答させます。建物の揺れ方は、建物の構造や階数によって変わります。建物に生じた応答加速度と建物質量との積が慣性力で、この力が地震力として建物に作用します。地震力が構造部材の弾性耐力を上回れば部材が損傷し、剛性が低下して構造特性が変化します。万一、構造部材が大きく損壊し、空間の保持ができなくなると崩壊することになります。

【図6-1】建物構造物の地震時挙動

【図6-2】地震応答解析に基づく耐震設計

本来は、これを計算機上で時々刻々再現して、構造物の健全性を確認することが望ましいのですが、様々な地震を想定して地震動を予測し、建築物をありのままにモデル化して地震応答計算することは容易ではありません。このため、便宜上、設計では簡略化した手続きの解析が行われます。一般には、建物の構造躯体をフレームモデルなどに置換し、仮定した地震荷重をこの構造解析モデルに静的に加力して部材応力を算定し、それが耐力以下であることを確認します。

【図6-3】耐震設計のための解析の範囲

許容応力度等計算、保有水平耐力計算と限界耐力計算

耐震設計に用いられる計算法には、許容応力度等計算と保有水平耐力計算、限界耐力計算があります。実は最初の2つと限界耐力計算では、想定している建物の揺れは全く異なります。

許容応力度等計算などでは、標準せん断力係数C0を規定します。これに、地域による地震危険度の低減係数の地震地域係数Zと、建物の固有周期と表層地盤の硬軟による揺れの低減係数の振動特性係数Rtの積を乗じることでベースシア係数を求めます。ベースシア係数は、建物基礎部に生じるせん断力・ベースシアを建物重量で除したもので、建物の平均的な加速度応答と重力加速度の比に相当します。ですから、許容応力度等計算と保有水平耐力計算は建物の応答加速度を規定した計算法と言えます。

一方、限界耐力計算では、杭を支持できる程度の固さの基盤を工学的基盤と定義し、この基盤が露頭した解放工学的基盤での揺れを減衰定数5%の加速度地震応答スペクトルSa0で規定します。これに、地震地域係数Zと表層地盤による加速度の増幅率GSの積を乗じた値を、建物に入力する加速度地震応答スペクトルとして求めます。非減衰速度応答スペクトルと加速度フーリエスペクトルは相似形ですから、限界耐力計算は、工学的基盤への入力地震動を規定した計算法と言えます。

本来、建物の応答は、基盤への入力地震動に表層地盤の増幅度と建物の応答増幅度を乗じたものですから、表層地盤や建物によって変動するものです。したがって、揺れやすい地盤や揺れやすい建物では、限界耐力計算で求められる地震力は許容応力度等計算と保有水平耐力計算の地震力に比べ大きくなります。その結果、限界耐力計算を用いると、大都市に多い軟弱地盤上の中層ラーメン構造の建物では、許容応力度計算などより、地震力が大きくなり、構造躯体がコストアップすることになりがちです。本来は、限界耐力計算の方が、実現象に忠実なのですが、コスト重視の現代社会では、使われることが少ないのが現状です。ただし、限界耐力計算も、GSなどの計算に任意性があり、設計者の判断力が問われることに注意が必要です。

【図6-4】建物・地盤条件と地震力

標準せん断力係数C0の不思議

標準せん断力係数C0は、中規模の地震動でほとんど損傷しないことを検証する1次設計では0.2、大規模の地震動で倒壊・崩壊しないことを検証する2次設計では1.0と規定されています。比較的多くの構造設計者がC0を地盤や基礎の揺れと勘違いしています。建物の揺れだと理解している設計者も、地盤の揺れを2.5倍した値と思っている人がいます。上述したように、C0はベースシア係数に相当し、基礎に生じるベースシアを建物総重量で除したものです。ベースシアは上部構造の各階に生じた慣性力の和ですから、総重量で除すと、建物の平均応答加速度と重力加速度の比になります。従って、平均的な建物の弾性応答として200ガルや1000ガルを想定したことになります。

一般に、建物が堅ければ応答増幅は小さく、柔ければ大きくなります。ですから、本来は、低層壁式構造ではC0は小さく、中層ラーメン構造では大きくするべきです。また、堅い地盤に比べて軟弱地盤の方が強く揺れやすいので、C0は表層が軟弱な地盤で大きくするべきです。限界耐力計算では、両者を考慮しています。最近、構造スリットが多用されますが、構造スリットは建物を柔らかくして建物応答を増加させるので、結果として設計で考えている地動を小さくしていることになり、耐震的実力が低下する懸念があります。

構造形式や設計式による耐震的実力の差

鉄筋コンクリート造を例にすると、ルート1とルート3とで「耐震」の意味は全く異なります。低層で壁の多い壁式構造の場合によく用いられるルート1の設計では、2次設計レベルの地震力に対して、概ね無損傷とするような設計式が用いられています。壁式構造は建物内での揺れの増幅がほとんどないので、震度7に相当する1000ガル程度の地震動が繰り返し作用しても無損傷を保障していることになります。実際には、こういった建物は固有周期が短周期で、構造物と地盤との動的相互作用による地下逸散減衰や入力損失効果なども期待できるので、さらに余力があると思います。このことが過去の被害地震で壁式構造の被害報告がないことや、絶対の安全性が必要とされる原子炉建屋で壁式構造が採用されている理由でもあります。

一方で、中層のラーメン構造で用いられることの多いルート3の設計では、構造部材の損傷は許容し、空間の保持を保証しています。構造物の損傷によるエネルギー吸収に期待することで地震力を低減するので、靭性能の大きいラーメン構造では300ガル程度の建物応答しか考えていません。ペンシルビルのようなラーメン構造物では建物内での揺れの増幅が大きいので、地表の揺れに換算すると100ガル程度ということになり、震度5の揺れでしかありません。

このように同じ耐震基準に基づいた「耐震」と言われる建物も、低層壁式構造と中層ラーメン構造では、耐震的実力は1オーダー異なっている可能性があります。

【図6-5】建築物の応答増幅と地震荷重

地震地域係数Zを防災拠点に適用する問題

地震地域係数Zの取り扱いについても課題があります。Zは、過去千年程度の地震統計資料に基づいて評価された地震危険度です。統計期間が千年しかないので、繰り返し発生する海溝型の地震が重視され、発生間隔が千年を超える活断層地震は十分に考慮されていません。結果として、プレート境界に近い太平洋岸のZはおおむね1.0なのに対し、活断層が多く存在する内陸部や日本海側のZは小さな値になっています。また、南海地震の震源域に近い四国や九州の太平洋岸も1.0を下回っており、地震調査研究推進本部による地震動予測地図とは印象が異なります。

【図6-6】地震地域係数

最低基準の考え方に則れば、住宅や民間建築物は、頻度の高い地震に対して安全性を確保すればよいのでしょう。ですが、大地震発生後も機能すべき防災拠点にも、同じZを用いることには違和感があります。防災拠点に関しては、極めて強い揺れとなる活断層集中地域では、Zを大きく設定するべきだと思います。ちなみに、2016年熊本地震で市役所が大きな被害を受けた熊本県宇土市のZは0.8です。

また、東京のように建物が密集する大都市では、多くの建物が同時に被害を受け、火災延焼危険度も高いので、他地域に与える影響も甚大です。大都市用の地震地域係数も検討すべき時期だと思います。すでに、静岡県では東海地震対策として、Zの数値に1.2を乗じる静岡県独自の基準Zsを義務化する条例を定めました。福岡市も、2005年福岡県西方沖地震を受けて警固断層周辺に建設する高さ20m以上の建物の一部についてZを0.8から1.0に上乗せする条例を定めています。

振動特性係数Rtの矛盾

振動特性係数Rtにも問題を感じます。この係数は、多くの地震観測記録の加速度地震応答スペクトルに基づいて規定された地震動の周期特性を定めた係数です。このスペクトルは、富士山型をしているので、スペクトルの最大値を基準化して平均化して作られました。ただし、簡単のために短周期側はスペクトルの最大値をそのまま使っています。すなわち短周期では地震動を過大評価しています。このため、Rtは、短周期を1.0とし長周期で低減する関数になっています。

問題は、長周期の低減度合いを表層地盤の固さによって変えていることです。本来、長周期の揺れは波長が長いので、表層地盤ではほとんど増幅せず、硬軟による差はありません。表層で揺れが増幅するのは卓越周期近傍です。限界耐力計算の表層地盤による加速度の増幅率GSの考え方そのものです。ですから、Rtは、軟弱地盤の揺れを短周期側で増幅させる関数にするべきです。これは、軟弱地盤のC0を大きくするべきということと共通します。

また、Rtを算定するときに使う建物の固有周期Tは、構造材料と建物高さで一律に決められます。ここにも問題があります。本来は、ラーメン構造に比べて壁式構造の方が短周期になります。また、幅広の建物に比べ縦長の建物の方が長周期になります。もともと、Rtは短周期で過大評価しているので短周期の壁式構造は入力を過大評価していることになります。ここでも構造形式による安全性の差が生じます。

【図6-7(a)】固有周期で規定する地震荷重

層せん断力の高さ方向の分布係数Aiから逆算した基礎応答

層せん断力の高さ方向の分布係数Aiをモード形と勘違いしている人が多いようです。各層に生じる層せん断力は、ベースシア係数(C0 Z Rt)に、Aiとその層より上の層の総重量を乗じることで求められます。層せん断力は内力ですから、Aiはモード形ではありません。モード形に戻すには、層せん断力から各階の慣性力を逆算し、さらに各階重量で除して、水平震度を求める必要があります。これは、限界耐力計算における加速度の分布係数Biに相当しますが、基礎位置の大きさが異なります。

Aiは基礎位置が1.0で、上層に行くに従って増加し、その増加度合いは固有周期Tで定められます。Tが長周期なほど上部での増幅度が大きくなります。高い建物の方が柔らかく上層が振られることを意味します。この結果、水平震度分布は、重心位置が1.0で、上部が大きく下部が小さい形になります。Tが短周期の場合は基礎から上層まで概ね1で剛体的に動くのに対し、Tが長周期だと基礎の揺れはとても小さくなります。すなわち、建物が高層化するにしたがって、基礎位置での入力が減ります。建物が高くなると入力を減らすということは、結果として耐震的実力を下げていることにならないでしょうか。

【図6-7(b)】層せん断力で規定する地震荷重

構造物と地盤との動的相互作用

座布団の上に箱を置いて横に押してみると、箱は変形せず、座布団が変形します。その結果、箱は横に移動しつつ回転します。これをスウェイ動、ロッキング動と呼びます。一方で、皿の上にこんにゃくを縦かけて横に押すと、こんにゃくだけが変形します。これが弾性変形です。硬い地盤に建つ柔らかい中層ラーメン構造は弾性変形が卓越します。一方で軟らかい地盤に建つ固い低層壁式構造はスウェイ・ロッキング動が卓越します。ただし、杭を打設した場合にはロッキング動は抑制されます。スウェイ動やロッキング動が卓越する建物では、建物に比べて地盤が変形するため、地盤の中に多くの振動エネルギーが逃げていきます。これを地下逸散減衰と呼びます。

一方、大きな船や飛行機は揺れにくいのと同様、大きく固い建物も揺れにくいです。地盤の揺れの波長に比べて構造物が大きくて固いので、揺れを平均化してくれるからです。地盤の揺れの波長は短周期で地盤が軟弱なほど短いので、短周期の固い大きな建物では、入力が低減されやすくなります。これを入力損失効果と言います。

【図6-8】入力と慣性の相互作用

【図6-9】動的相互作用と応答解析モデル

地下逸散減衰効果や入力損失効果は、規模の大きな低層の壁式構造物で期待できます。この効果は許容応力度等計算などでは考慮していませんので、余力になっています。一方で、限界耐力計算では、表層地盤の増幅に加え、これらの相互作用効果を考慮できます。

強い揺れを受けると、建物と地盤との間に剥離が生じます。直接基礎で支えられた地下室のない壁式構造の建物では、地盤と基礎の間で滑りや浮き上がりが生じます。構造物の耐力が大きいと、ベースシア係数が基礎―地盤間の摩擦係数を上回ると滑り始めます。また、建物の転倒モーメントが大きくなると基礎が浮き上がります。滑りや浮き上がりが生じると、建物への入力が減じられ、自然の免震効果になります。過去の被害地震でも、滑りや浮き上がりが生じた建物は、上部構造が無被害でした。

必要保有水平耐力

建物や地盤は大きな揺れを受けると損傷し剛性が低下します。これを非線形と言います。様々な非線形性を考慮して設計することが望ましいのですが、計算が煩雑になるので、必要保有水平耐力の中に構造特性係数DSとして考慮しています。非線形化によるエネルギー吸収を期待して、地震力を低減する考え方です。ラーメン構造のように靭性能が高い構造形式では、小さなDSを採用できます。ただし、現在使われているDSは、40年も前に決められたもので、その後の研究成果に基づいて見直す時期にあると思います。

また、必要保有水平耐力の計算では、建物の構造的バランスが悪い場合に、形状特性係数Fesで必要耐力の割り増しを行っています。この評価には弾性状態の剛性を用いています。本来は、地震時には弱い部分が損傷して、剛性率や偏心率が弾性状態よりも悪化するはずですから、非線形性を反映した評価が望まれます。これも今後の課題と言えます。

ちなみに、限界耐力計算では、等価線形の形で非線形性を考慮しています。

耐震性に大きな幅のある「耐震」建築

以上のように、ルート1の設計法、建物の応答増幅、動的相互作用、固有周期評価、地盤の応答増幅、短周期のスペクトル形状などを考えると、硬質地盤上の低層壁式構造は、軟弱地盤上の中高層ラーメン構造に比べ、相当に安全性が高いと推察されます。過去の地震で低層壁式構造の地震被害がなかったことや、阪神・淡路大震災での建物被害の階数依存なども納得できます。同じ「耐震」と言っても、建物の耐震的実力が大きく異なることを、社会に分かりやすく伝える必要があります。大都市には、細長い中層ラーメン構造の建物が数多く存在しています。大都市を強い揺れはまだ直撃していませんが、目の前に三大都市が強く揺れる首都直下地震や南海トラフ地震が迫っています。建築構造界挙げて、現行の耐震基準を見直し、より安全な社会を作っていくべきだと思います。

【図6-10】壁構造とラーメン構造

【図6-11】左:西原村役場  右:被害を受けた宇土市役所

長周期地震動について

2003年十勝沖地震や2011年東北地方太平洋沖地震で、長周期長周期地震動の問題が注目を浴びました。前者では苫小牧での石油タンクのスロッシングが、後者では震源から遠く離れた高層ビルの強い揺れが話題になりました。また、2016年熊本地震では、西原村で長周期が卓越したパルス的な揺れが観測されています。活断層直近では断層ずれが永久変位となるような大変位の揺れが生じます。こういった揺れに対し、高層ビルの減衰性能の改善や、免震建物の免震層変位の抑制が喫緊の課題となっています。長周期地震動は、短周期の揺れに比べて理解が進んでいるとはいえ、未だ不明な点も多く残されています。人工物である建物に比べ、地震や地盤のことについては分かっていないことが多すぎます。

南海トラフ地震については、長周期地震動を配慮する設計が義務化されるなど特別な対応が行われています。ですが、そろそろ告示で定められたスペクトルの見直しも必要かもしれません。このスペクトルを算出するときに、第2種地盤の振動特性係数を基準として長周期では1/2に低減しています。先にも述べたように、長周期では表層内で増幅しないと思われるので、根拠がよくわかりません。許容応力度等計算などで使うせん断力係数も含め、現在の知見で再点検することが望まれます。

おわりに

「彼を知り己を知れば百戦殆うからず」という格言を肝に銘じ、自然に対して謙虚な気持ちを忘れずに日々研鑽を積み重ね、建物、地盤、地震についての知見を深めていきたいと思います。危険を避ければ、「君子危うきに近寄らず」、建物の耐震性を向上すれば「転ばぬ先の杖」、これにより「備えあれば憂いなし」と、来る地震を乗り越えたいと思います。上杉鷹山は「為せば成る、為さねば成らぬ何事も、成らぬは人の為さぬなりけり」と、鷹山の師匠の細井平洲は「勇なるかな勇なるかな、勇にあらずして何をもって行なわんや」と言いました。さらに、「学思行相須つ」と、学び、考え、実行することができて、初めて学んだことになると述べています。本音を語り、本質を考え、本気で実践することで、「災い転じて福となす」ことを目指したいと思います。皆で一緒に一歩踏み出しましょう。

2020年6月