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ホーム   大振幅地震動に備える/林康裕    第6回:大振幅地震動の対策
  • 第1回:意識を変えた地震観測記録
  • 第2回:地震荷重を考える
  • 第3回:大振幅地震動に対する応答特性
  • 第4回:大阪の事例(パルス性地震動)
  • 第5回:大阪の事例(長周期長時間地震動)
  • 第6回:大振幅地震動の対策
林 康裕

(はやし やすひろ
/ Yasuhiro Hayashi)

京都大学工学研究科 建築学専攻・教授

 

京都大学 工学部 建築系学科・卒業 1982.3

京都大学 大学院 工学研究科 建築学専攻 修士課程修了 1984.3

清水建設株式会社 1984.4~2000.3

京都大学 工学博士(論工博) 1991.6

京都大学防災研究所 総合防災研究部門・助教授 2000.4

京都大学工学研究科 建築学専攻・教授 2004.12

現在に至る

■受賞歴

・1999年 日本建築学会奨励賞受賞

・2007年 日本建築学会賞(論文)

■専門

・地震工学

・建築耐震工学

近年は

・大振幅パルス性地震動に対する建物の安全性

・伝統木造建物の耐震安全性

に精力的に取り組む

URL

http://www.archi.kyoto-u.ac.jp/~hayashi/index.html

6. 大振幅地震動の対策

大阪府域に建つ超高層建物(ここでは、高さ50m以上)は、2018年時点で約470棟あります【図6.1】5.3)。そのうち、免震建物は約100棟で、全体の2割以上を占めます。また、免震建物のうち8割以上はマンションで、2006年以降に建てられた超高層マンションの半数強にのぼります。

【図6.1】大阪に建つ超高層建物(青印:非免震、黄印:免震、黄線:上町断層の変形ゾーン6.1)

1995年以前に建てられた超高層建物の主な用途はオフィスが主でしたが、それ以降の伸びは停滞しています。一方、1980年代前半からはマンションが増加しており、全棟数に占める共同住宅の割合も最も大きくなっています【図6.2】。このうち、大阪市内に建つマンションは約180棟にのぼり、総戸数は40万戸を超えています。つまり、超高層マンション、特に、超高層免震マンションの安全性は、大阪にとって極めて重要な課題と考えられます。ひとたび起こったときに、共同住宅の世帯数ですけど、150mクラスの超高層の住宅が倒壊すると、400世帯の人々の命がかかっているのです【図6.3】。また、パルス周期3秒の大振幅地震動が襲い、超高層建物が倒壊してしまうと、その影響は居住者のみならず、周辺の建物や通行人も巻き添えにしていきます。

その一方で、梅田、難波、天王寺といった古くから開発されてきた地域は、上町断層の変形ゾーン6.1)を、しっかりと避けている点は非常に興味深いのですが、近年では、免震も含めて超高層建物が変形ゾーンに建築されています。強い揺れに加えて、断層変位による超高層建物の傾斜が心配です【図6.4】。強い揺れによって大きく損傷した超高層建物が、断層変位による傾斜が付加され、自分の重みで倒壊に至る(P-Δ効果)可能性があります。

【図6.2】大阪府域に建つ超高層建物の用途や高さ

【図6.3】マンションの高さと総戸数の関係

【図6.4】断層変位による建物の傾斜(台湾集集地震)

では、耐震対策の話をしましょう。南海トラフ沿いの巨大地震による長周期長時間地震動に対しては、変形性能の向上、耐力上昇やダンパーに高減衰化、いずれの対策も有効と考えられます。五重塔に例えられる心柱効果を発揮させるような構造形式として、変形集中の抑止を促すことも効果的かもしれません。しかも、共振現象を生じそうな建物規模はあらかじめ予測がつきますので、特に注意をすればよいと思います。しかし、パルス性地震動に対する対策は、容易ではありません。$\small T/T_p \gt 1$となる建物すべてに対して、対策が必要となります。特に、$\small T_p$が大きくなると、最大応答速度$\small _pS_v$が最大となる固有周期は増大するし、最大応答変位$\small S_d$も増大する。つまり、第3回の議論からも明らかなように、超高層建物の最大応答は、非免震建物でも免震建物でも増大することとなります。

また、パルス性地震動の場合、非木造の中低層建物については、耐力上昇は効果的と思います。それは、兵庫県南部地震で被災した学校校舎建物の耐震診断結果によれば、第2次診断による桁行方向の構造耐震指標が0.6以上でも、強度指標$\small C_T \cdot S_D$が0.4程度以下と比較的小さい建物では、柱に曲げ圧縮破壊等が生じて大破や中破以上の被害となった例があった。また、$\small C_T \cdot S_D$が0.5以上の建物では、靭性指標が小さい建物も含めて大部分が小破以下であったとしています6.2)。また、北村ら6.3) は、兵庫県南部地震の被災建物の分析を行い、被害程度と保有耐震性能の関係について分析を行っています。そして、兵庫県南部地震では、必要保有水平耐力の0.8~1.2倍の保有水平耐力なら中破程度で、1.5倍ないと無被害にはなっていなかったとしています。すなわち、中低層建物の被害を減らすには、耐力を増加することが重要であったことが明らかとなっています。

【表6.1】大振幅地震動のタイプ別地震対策

地震の種類 南海トラフの巨大地震 上町断層帯地震
地震動特性 継続時間
振幅 超大
耐震補強 エネルギー吸収性能上昇
耐力上昇 ×~△(中低層は〇)
変形性能向上
+BCP +フェールセーフ

ただし、耐力を高くした事だけが建物の被害を小さくしたのかというと違うと思います。兵庫県南部地震ではパルス周期$\small T_p \fallingdotseq 1s$で、$\small T/T_p$が大きくなかったことも1つの要因と考えています。しかし、超高層建物の場合には、$\small T/T_p$は大きくなるので、少々耐力が大きくしても建物には地動変位$\small D_p$と同等以上の変形が生じることは避けられないからです。また、ダンパーによる制振効果も期待できません。継続時間の短いパルス性地震動の場合には、継続時間が短いため、最大変形が生ずるまでにダンパーによる減衰力が作用できる時間が短くなります。従って、吸収できる振動エネルギー量は限定的です。もちろん、全く応答低減が無いとは言いません。しかし、ダンパーによる応答低減量は、地震動のばらつきにうずもれる程度です。従って、超高層建物にとっては、パルス性地震動による地動変形$\small D_p$と同じ変形が生じることを念頭に、大きな変形が生じても被害を可能な限り抑制するしかないのです。

なお、免震建物や制振建物の設計において、限界耐力計算を適用する場合、告示における加速度低減率$\small F_h$はパルス性地震動に対して過大な低減となっています(【図3.5】参照)。ダンパーの効きを期待しすぎる設計となっていることにも十分に注意する必要があります。つまり、建築基準法で想定している程度の地震動には有効でしょうが、建築基準法の想定を大きく超えるパルス性地震動に対しては、地震対策の考え方をフェールセーフへと変えるべきであると考えます。

地震動特性(長周期長時間地震動かパルス性地震動か)によって地震対策が異なることを述べてきました。これは、地震環境によって地震対策が異なることを意味しています。例えば、日本列島の太平洋に近い地域では、南海トラフ沿いの海溝型巨大地震(地震カテゴリーⅠ)の発生が懸念されているわけですから、その対策は不可欠です(【図6.5】参照6.4,6.5))。しかし、日本海に近い地域では、地盤条件の悪い地域を除けば、直接的な建物被害はそれほど深刻ではないでしょう。むしろ、海溝型巨大地震の前後に頻発するとされる内陸地震(地震カテゴリーⅢ)による影響の方が心配です。しかし、京都や滋賀なども含めた日本海側に近い地域で、オイルダンパーを用いた制振補強が行われていたりします。南海トラフ沿いの巨大地震時に事業継続性を高めることは重要かもしれません。しかし、京都や滋賀で本当に懸念されるのは、内陸地震によるパルス性地震動です。大部分は低層建物でしょうから、安全性向上を目指した地震対策は、兵庫県南部地震の経験を活かして耐力上昇を目指すべきです。

【図6.5】地震のカテゴリーと影響度(震度6強以上、2019年(NIED作成版)6.4,6.5)

(地震カテゴリーⅠ:海溝型巨大地震、地震カテゴリーⅡ:海溝型震源不特定地震、地震カテゴリーⅢ:陸域浅発地震)

一方、京都市第3次地震被害想定(2003年)6.6)で、花折断層地震の予測地震動でも最大地動変位$\small D_p$が40cm程度以下と見積もられている京都市域では、免震化も有効と考えます。ある程度の最大地動変位までのパルス性地震動に対して、免震化は絶大な効果を果たします。これは、パルス周期が1秒程度だからです。しかし、上町断層帯地震のように、パルス周期が3秒以上になって、最大地動変位$\small D_p$が3mを超えてもおかしくない地域で、果たして免震建物は有効でしょうか?少なくとも、十分な議論が必要です。

2016年熊本地震の西原村小森地点で2メートルの永久変位が問題になりました。これが上限でしょうか?過去にも、大きな変形量を経験した事例があります。1992年ランダース地震では3m弱、1999年台湾集集地震では8m近い永久変位を記録しています1.2)。また、1891年濃尾地震では、本巣市根尾・水鳥で、最大6mの上下変位、水平変位4mの断層ズレが根尾川を横断して出現しました。観測記録が得られていないだけです。そこに、免震建物が建っていなくて良かったと思っています。これからも、M8クラスの直下型の地震が起きれば、告示波をはるかに超えるような影響を持つということは確かだと思います。

十分に知られていないように思いますが、1582年の本能寺の変の直後に1586年天正地震が起きています6.7)。その10年後に起きた1596年慶長伏見地震の前後数日の間に、中央構造線で慶長豊後地震・慶長伊予地震と間を置かずに二つ地震が起きています。1605年に南海トラフ沿いの地震ともされる慶長地震が起きています。1662年には寛文地震が、滋賀の琵琶湖湖西で起こっており、この時期には大きな地震が続いています。これらの中でも、天正地震は、三つのM8地震が連動した内陸地震でありながら、若狭湾と伊勢湾の両方で津波が起こっています。白川郷のやや南にある帰雲城が山体崩壊によって埋没し、内ヶ島氏一族が滅亡しています。その他にも、大垣城、木舟城、清州城、蟹江城、長島城、近江長浜城など広域の城郭建築が大きな被害を受けた大地震です。1891年濃尾地震は1586年天正地震と、1995年兵庫県南部地震は1596年慶長伏見地震と、活断層の位置が近いとの説もあります。300~400年前に大地震が起きた場所でも、これまで観測されていないような大振幅地震動が得られるかもしれないと考えて設計する必要があります。

高々、兵庫県南部地震後、強震観測網が整備されて25年足らずの間に、大振幅の観測地震動記録が少なからず得られました。現在も使われている新耐震設計法6.8)が施行された当時は、最大地動速度が50cm/sに達する観測記録は皆無だったのです。標準3波の原記録も達してないのです。大振幅地震動の特性が十分に明らかとなっていないときに定められた、30年前の設計用地震動を延々と使われています。もちろん、法律はコロコロと変えられません。であればこそ、将来起こりうる大振幅地震動と慣用されている設計用地震動(告示波や標準3波など)との特性の違いと、それぞれの地震対策の違いを、設計者が十分に理解して設計しなければならないと考えています。

建築基準法というルールは、一度定めてしまうと束縛されて、困ることもあります。法には、本当に大事な必要最低限のルールだけは決めて、簡素化すべきと思っています。設計法を整備すれば、耐震化が進むと考えがちですが、必ずしもそうではありません。細かくルールを定めたり、頻繁に変更したりすると、十分に理解されず、誤りを生みやすくなります。何が重要なルールなのかも分かりにくくなります。目標としている耐震性能が高ければ良いのですが、経済原理から、最低限のギリギリを狙っていくのが通例です。ルールを守ることにとらわれ、本来実施すべき安全対策がおろそかになりがちです。

では、実施すべき対策がすべて分かっているかというと、そうではありません。前述のように、地震動を科学し始めてからの経験知は、明らかに不足しています。兵庫県南部地震で被害が大きかった中高層建物に対して、地震対策は十分に実施されていません。この経験不足の耐震工学に対して、経験の範囲で設計していくAIを安易に利用するのは、私はやめた方が良いと思います。大振幅地震動に対して、人命を守るためにはAIを使ってはいけないと思います。大阪のように地震環境が極めて過酷な大都市ではもってのほかです。これからも、AIなどに頼らず、研究者、設計者、そして、消費者も、地震対策について考えていく必要があります。そして、貴重な地震観測記録から可能な限り多くの事を学び取り、大振幅地震動による深刻な被害を未然に回避する努力を行っていくべきです。

マンションの安全性については、消費者の関心が重要です。何故なら、消費者が望めば、デベロッパーをはじめとして、本気で対応する動機付けになるからです。例えば、モデルルームに行って、超高層免震建物の安全性について、皆で質問してみましょう。あるいは、自治体の都市計画や防災担当者に、尋ねてみましょう。「上町断層帯の地震について、大阪府・市の地震被害想定によれば、($\small D_p=$)3m以上の地動変位が生じるかもしれないと聞いています。この免震建物はどうなりますか?」「免震装置は壊れませんか?建物は倒れませんか?」と、聞いてみませんか。マンションを購入される人だけではありません。巻き添えになるかもしれない人も、聞いてみては如何でしょうか?

私の答えは、「何が起きても不思議がありません」です。その大きな原因は、大振幅地震動の特性(揺れの強さやパルス周期など)には不確定性があります。また、大振幅地震動が作用したときの建物の挙動も、十分には明らかとなっていません。このような状況の下、研究者や設計者は、大振幅地震動に対する建物の安全性向上に対して、これからも真摯に取り組んでいく必要があります。その際に、$\small S_a-S_d$スペクトル(【図1.2】、【図1.5】参照)や、パルス性地震動を特性化(簡略化)6.9)した特性化パルスは、大きな役割を果たすと考えています。何故なら、大振幅地震動が建物へ及ぼす影響を明確化し、定量的に評価可能にするとともに、地震対策のあるべき姿を議論しやすくなるからです。

参考文献

6.1)
文部科学省研究開発局, 国立大学法人京都大学防災研究所:上町断層帯における重点的な調査観測 平成22~24年度 成果報告書, 2013.
6.2)
阪神・淡路大震災調査報告編集委員会編:阪神・淡路大震災調査報告, 建築編-1 鉄筋コンクリート造建築物, 1997.
6.3)
北村春幸, 寺本隆幸, 鵜飼邦夫, 村上勝英, 秋山宏, 和田章:兵庫県南部地震における建築物の被害研究, 建築被害に基づく新耐震設計法・耐震診断法の評価, 日本建築学会構造系論文集, 第504号, pp.127-132, 1998.
6.4)
J-SHIS 地震ハザードステーション(http://www.j-shis.bosai.go.jp/
6.5)
石川 裕・藤原広行・能島暢呂・奥村俊彦・宮腰淳一:地震カテゴリー別の確率論的地震動予測地図, 日本地震工学会大会-2008梗概集, pp.220-221, 2008.
6.6)
京都市第3次地震被害想定(https://www.city.kyoto.lg.jp/gyozai/page/0000015600.html
6.7)
宇佐美龍夫他:日本被害地震総覧 599-2012, 東京大学出版会, 2013.
6.8)
日本建築学会:地震荷重-性能設計への展望―, 第1章 1981年新耐震設計法, 2008.
6.9)
杉野未奈, 田中和樹, 林康裕:パルス性地震動の簡易特性化法の改良提案, 日本建築学会大会学術講演梗概集, 構造Ⅱ, pp.991-992, 2019.
あとがき

本原稿を執筆するにあたり、筆者の信頼する研究者・設計者の方々から、貴重なご指摘、ご感想やご教示をいただきました。記して、感謝の意を表します。本稿が、大振幅地震動に対する安全性に対する理解の一助となれば幸いです。また、本稿に対して、忌憚ないご意見を賜れば幸いです。