第1回 強震動の地震防災・減災
はじめに
今回は構造から少し離れて、【図1】に示すように、その入口(強震動)と出口(防災・減災)の話を6回に分けて話をさせて頂きます。
まず構造の入口では、活断層や海溝型巨大地震などを対象として、注意すべき地震動特性やその策定法などを紹介します。
一方、出口では、新宿駅西口地域とその超高層建築を例として、利用する人の安全や、速やかな業務復旧を実現するための建物内と地域連携による様々な震災対策の取組を紹介したいと思います。
地震震動・強震動研究
・第2回 強震動計算法
・第3回 震源近傍の強震動
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入口
(入力)
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建築構造による地震対策
ハード対策
(耐震・免震・制震など)
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出口
(出力)
→
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地震防災・減災
・第4回 超高層建築の震災対策
・第5回 地域連携による震災対策
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【図1】「耐震の入口と出口の話 -強震動と地震防災-(全6回)」の概要
(第1回は概要、第6回はまとめ)
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入口の話:地盤震動・強震動研究について
私が地盤震動・強震動研究を志したきっかけは、1985年メキシコ(Michoacan)地震によるメキシコ市における強震動と中高層建物の地震被害です。
メキシコ市は太平洋沿岸の震源域から約350kmも離れているにもかかわらず、軟弱な堆積盆地である周期2~4秒の長周期地震動(やや長周期地震動)が卓越し、多数の中高層建築に倒壊に至る大被害により1万名近い死者を生じました。
同じ時期(1980年代)には、日本でも関東平野や大阪盆地などで数多くの長周期地震動が観測されており、これが関東堆積盆地などの盆地地盤に起因する堆積層表面波であることが明らかになりつつありました。
従って、海溝型巨大地震が発生した場合、超高層建築や免震建築などの長周期地震動に大きな影響が出る可能性も既に指摘されていました。
それまでは観測データによる研究が多かったのですが、ちょうど断層震源モデルの理論が建築・土木分野でも適用が始まりつつある状況でした。
当時、私は博士論文の研究テーマを模索していた時期でもあり、理論的に地盤震動と強震動研究を行うという研究に大いに興味を持ち、この分野の研究に取り組みはじめました。
断層震源モデルや理論的な強震動の作成法に関しては本連載の第2回で、震源近傍など注意すべき強震動特性の解釈や策定法は第3回で紹介します。
ここでは概要として、耐震設計上、特に注意すべき強震動特性として、ランダムな特性とコヒーレントな特性を紹介したいと思います。
ここでコヒーレント性とは、ランダム性の対語として、複数の波が重なり合う際に、ある規則性をもって重なり合う性質としてします。
地震動の場合、断層面の各部から発生する様々な波が規則性を持って重なり合うことによって、パルス状の波形となったり、調和振動のような明瞭な卓越周期を示す波形になるなど、ランダム波とは大きく異なる特徴ある波形となります。
建物への影響に関しては、建物を倒壊させるほどの破壊力はランダム波形よりも、コヒーレントな波形の方が大きいと言えます。
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(a)ランダム波の例
(ランダム位相の告示波)
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(b)長周期地震動の例
(2003年十勝沖地震・K-Net苫小牧EW成分)
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(c)指向性パルスの例
(1995年兵庫県南部地震・JR鷹取駅N38W成分)
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(d)フリングステップの例
(1999年台湾・集集地震・石岡N45W成分)
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【図2】告示波と様々な特性を持つ強震動の例(加速度と変位波形)
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【図2】から【図4】に様々な特性を持つ地震動の加速度・変位波形とその応答スペクトル、および建物の被害の例を示します。
まず【図2(a)】は、典型的なランダム波形の例として、ランダム位相の告示波です。
【図3】の応答スペクトルにも示されるように短周期成分が卓越し、建物をがたがたと小刻みに揺すりますが、倒壊させるほどの破壊力には乏しい波形です。
一方、コヒーレントな特性を示す波形の例を、【図2(b)】から【図3(d)】に示します。
まず【図2(b)】は、長周期地震動である2003年十勝沖地震・K-Net苫小牧波です。
【図3】にも示されるように長周期成分が卓越し、継続時間は数分以上と非常に長くなります。
この波形の卓越周期と苫小牧市の石油タンクのスロッシング周期と共振して、大規模な火災が発生し、長周期地震動が改めて大きく注目されるようになりました。
次に【図2(c)】は指向性パルスの例として、1995年兵庫県南部地震・JR鷹取波を示します。
指向性パルスとは、神戸市のように震源断層での破壊伝播が向かってくる側の観測点において、断層面に直交する成分に発生する大振幅のパルス状の波形です。
【図3】に示すように周期数秒のやや短周期成分が大きく卓越し、【図4(a)】のように耐震性に劣る建物をなぎ倒すような、大きな破壊力を示しました。
最後に、【図2(d)】はフリングステップの例として、1999年台湾集集地震・石岡波を示します。
フリングステップとは、地表断層のすべりに起因して、その直上近くで現れるステップ関数状の大振幅の永久変位を示す波形です。
【図3】に示すように短周期は小さいですが、長周期成分が大きく卓越し、【図4(b)】に示すように直上の建物は大きく傾斜したり、ちぎれるような特徴的な被害が発生します。
断層すべりは数m以上になる場合があり、地盤の傾斜や長周期成分の卓越など、免震建築にとって非常に厳しい地震動となります。
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【図3】[図2]の波形の加速度応答スペクトル(左)と速度応答スペクトル(右)
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(a)1995年兵庫県南部地震による建物の傾斜
(矢印は指向性パルスの作用の向き)
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(b)1999年台湾集集地震による建物の傾斜
(点線は地表断層の出現位置)
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【図4】指向性パルスとフリングステップによる建物の被害例
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出口の話:地震防災・減災について
一方、著者らはここ数年、構造の出口となる地震防災・減災研究、なかでも私の所属する大学のある新宿駅西口の超高層ビル街を中心とした様々な取り組みを行っています。
建築を専門としない自治体や建物の防災担当者を対象とした地震防災セミナーなども実施しています。
その結果、一般にこのような方々は建物に関連する震災対策に関してあまり知識が無く、建築構造技術者のような専門家に大きな期待を持っていることが分かりました。
本連載の第4回と第5回にて超高層建築や駅周辺地域の震災対策を中心に現状の問題点や取り組みを紹介したいと思います。
さて、ここでは概要に代えて、建築を専門としない一般の防災担当者は、超高層建築や駅周辺地域の震災対策に関して、おおよそ下記のような考えを持っていることを紹介したいと思います。
皆さんは専門家として問い合わせを受けた場合、どのような返答をするでしょうか?
(1)
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超高層建築は、地震に対して柔構造だから安全である(ただし、長周期地震動は少し心配)
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(2)
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よって超高層建築において、最優先すべき災害対策は震災より火災である
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(3)
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震災の対策や地震時の対応は、防災センターに専門職員が常駐しているので、任せておけば良い
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(4)
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一般の在館者が行うべき主な防災訓練は、火災を対象とした初期消火と避難訓練である
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(5)
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もし負傷者が出た場合、近くに病院があるので、そこに連れて行けば良い
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(6)
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駅周辺地域の防災計画や震災対策は自治体が行ってくれるので、任せておけば良い
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【図5】想定首都直下地震による28階建てビルの揺れと仮想オフィスの被害実験
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上記の項目に関して簡単に私見を紹介したいと思います。
まず(1)に関して、確かに震災時に超高層建築は仮に1m揺れても倒壊せず、建物は安全と言えるかもしれません。
但し、建物内の安全は全く保障されておらず、何もしなければ家具の転倒や落下物による負傷者が発生し、エレベータや間仕切り壁の変形などによる閉じ込め事故も生じる可能性は非常に高いはずです。
例として【図5】は、想定首都直下地震による28階建て鉄骨造建築ビルの揺れの応答計算のスナップショットと、長周期振動台による1階および28階の仮想オフィスの被害実験の様子を示します。
低層階では震度6弱であり、1階では什器類が少し移動した程度であるのに対し、最上階では震度7となり、転倒防止対策を行っていなため、什器類は大きく移動・転倒し、ダミー人形の頭上にロッカーが転倒し、コピー機が壁に激突するなど、非常に危険な状況になることが確認されました。
最近はe-defenseの実大実験などでも、生々しい室内の被害状況が再現されていますが、一般の防災担当者には衝撃的な映像になるようです。
上記の項目(2)と(3)に関して、従来の超高層建築の防災システムや防災計画は火災対策が中心であったため、地震によりエレベータが停止し、通信手段も失う場合は殆ど対応できないはずです。
例えば、防災センターは火災であれば、火災・煙探知機による状況は把握でき、非常用エレベータによる駆けつけ対応と、119番通報による消防機関の助けを期待できます。
一方、震災では被害が同時多発で発生し、防災センターにはその状況を把握する手段は殆ど何もありません。
大多数の防災センターの職員にとって建築は専門外ですので、地震の際、【図5】のような防災センターのある地上階や地階に比べて、上層階は大きく揺れ、被害を出す可能性が高いことも理解していないと思います。
2009年に改正消防法が施行され、大規模建築はこれまでの火災中心の対策から、震災をも含む防災対策に移行するように求められています。
しかしながら、これまで長年行ってきた火災中心の防災体制・システムを変えることはなかなか困難なのが現状です。
最後に、項目(5)と(6)に関して、震災時には病院も大混乱するため、負傷してもよほどの重症でない限り、殆ど何もしてくれないと考えた方が無難です。
さらに自治体が行う地域防災計画は住民(夜間人口)を主対象としており、都心部の大規模ターミナル駅のような圧倒的に昼間人口が密集する地域の対策は殆ど行われていないのが現状です。
単純に言うと、公的機関による対策は「寝る場所」が中心であり、昼間の「働く・学ぶ・遊ぶ場所」の対策は殆ど何も無いのです。
私自身、このような防災・減災の分野には従来はあまり関心を持っていませんでしたが、現状を知れば知るほど非常に大きな問題が山積していることが分かってきました。
おわりに
本連載は直接の建築構造の話題ではありませんが、その入口と出口に関連する話をこれから5回に分けて紹介いたします。
できるだけ建築構造技術者の方々にも興味を持っていただけるよう話をさせて頂きますので、どうぞよろしくお願いいたします。
謝辞
強震記録に関して、防災科学技術研究所、JR総合技術研究所、及び台湾中央気象台のデータを使わせて頂きました。
また長周期振動台での実験はNHKと独立行政法人建築研究所の協力を頂きました。
また本内容は、工学院大学・都市減災研究センターによる著者らの研究成果を一部利用しました。