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ホーム   耐震の入口と出口の話 / 久田 嘉章    第3回「震源近傍の強震動」
耐震の入口と出口の話
第1回 強震動の地震防災・減災 第2回 強震動計算法 第3回 震源近傍の強震動 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 第6回 まとめ
久田 嘉章

(ひさだ よしあき
    / Yoshiaki Hisada)
工学院大学
建築学部
まちづくり学科 教授

<略歴>

1984  早稲田大学理工学部建築学科 卒業
1986  早稲田大学大学院理工学研究科建設工学専攻 修了
1989  早稲田大学工学部建築学科 研究助手(3年間)
1991  工学博士 早稲田大学
1993  南カリフォルニア大学地球科学科 研究助手(2年間)
1995  工学院大学建築学科 講師・助教授を経て現在に至る

第3回 震源近傍の強震動

はじめに

今回は耐震の入口の最後の話として、1995年兵庫県南部地震を契機に大きな注目を集めた震源近傍の強震動を紹介します。

本連載の第1回で紹介しましたように、主な内容は最も特徴的な強震動であるランダム波や指向性パルス、フリングステップの実例と成因を説明し、最後に建物の耐震対策などにも触れたいと思います。

ランダム波と指向性パルス

第1回で説明しましたように、活断層などによる震源近傍の強震動には、エルセントロ波に代表されるランダム波や、1995年兵庫県南部地震の神戸市のように破壊力のある指向性パルス波が観測される場合があります。

結論から言いますと、一般に指向性パルスは震源の断層面を伝播するすべり破壊が観測点に向かって近づく場合、断層面に直交する成分に現れ、それ以外ではランダム波が現れやすくなります。

ここでは、ランダム波や指向性パルスの実例を紹介し、その成因を説明します。


ランダム波の典型例として、有名なエルセントロ波を紹介します。

【図1】に示されるように、この地震動は、米国カリフォルニアのインペリアル・バレー断層で生じた1940年インペリアル・バレー地震(Mw 6.9)の際、断層の近くのエルセントロで観測されました。

図に示すように断層破壊は震源(破壊開始点)である断層の北から南に伝播しましたが、エルセントロは震源に近いため、断層での破壊伝播は観測点から遠ざかりました。

このため【図1】の速度波形に見られるようなランダム波に近い強震動となりました。

図のFNは断層直交成分(Fault Normal)、FPは断層平行成分(Fault Parallel)を意味します。

良く知られているように、この記録の加速度応答スペクトルは短周期が卓越し、改正基準法の応答スペクトルにもほぼ対応しています。

すなわち、この強震動はガタガタと小刻みに建物を揺らして大きな加速度を生じますが、建物に大変形を与えてなぎ倒すような破壊力には乏しいと言えます。

【図1】ランダム波の例(エルセントロ波、図中、FNは断層直交、FPは断層平行成分)

一方、指向性パルスの典型例として、【図2】に1979年インペリアル・バレー地震(Mw 6.4)を紹介します。

この地震は1940年の地震と同じインペリアル・バレー断層で発生しましたが、破壊の伝播は逆に南から北に伝播しました。

従って断層の北側に位置する断層近傍の観測点(Meloland)の速度波形のFN成分には、【図2】に示されるような明瞭な指向性パルスが記録されています。

応答スペクトルではFN成分は周期2~3秒で改正基準法のレベルを凌駕しています。

従って、もしこの周期で共振するような長周期の建物があった場合は非常に破壊力のある波形であったと思われます。

幸いなことにこの地域は砂漠地帯で、周辺には大きな建物は無く、殆ど被害は生じませんでした。

【図2】指向性パルスの例(Meloland波、図中、FNは断層直交、FPは断層平行成分)

もう一つの指向性パルスの代表例として1995年兵庫県南部地震(Mw 6.9)を紹介します。

【図3】に神戸側の震源断層と観測点である神戸大学(KBU)の位置、および観測された強震波形・応答スペクトルを示します。

この地震は明石海峡を震源とし、断層破壊は断層面上を神戸市に向かって北東向きに伝播しました。

このため断層近傍の神戸大の速度波形のFN成分には指向性パルスが見られ、岩盤サイトであるにもかかわらず応答スペクトルは周期1~2秒で改正基準法レベルを凌駕しています。

震源断層の南側に位置する神戸市中心部は大阪堆積盆地の中になるため、この地震動は盆地内でさらに破壊力を増して市内に大きな被害を発生させました。

一方、【図3】のFN成分に見られる指向性パルスは、【図2】の波形は比べる複雑な性状になっていますが、これはより複雑な震源過程によると考えられています。

すなわち、神戸の震源断層には2~3個のアスペリティー(強い地震動を生成する場所)があり、これらに対応して指向性パルスが次々に生じたと解釈されています。


神戸市内の地震の特徴的な被害として、【図4】は神戸市における震源断層と震災の帯、および、被災した2,790棟の木造家屋から求めた建物の主要な倒壊方向を示します。

指向性パルスにより建物は断層の直交方向である北北西-南南東から北西-南東の方向に強い指向性を持ち、なぎ倒すように建物を倒壊させたと考えられています。

第1回では特徴的な建物の被害写真も紹介していますので、併せて参照してください。

【図3】指向性パルスの例(KBU波、図中、FNは断層直交、FPは断層平行成分)
【図4】兵庫県南部地震の神戸市における木造建物の主要な倒壊方向(久田・南、1998)

指向性パルスの存在は、活断層近くの硬質地盤上で多くの強震記録が得られているカルフォルニアでは古くから知られていましたが、日本では兵庫県南部地震までは殆ど知られていませんでした。

そこで日本で指向性パルスが知られるようになった経緯を少し紹介したいと思います。

兵庫県南部地震が発生したとき、私はロサンゼルスの南カリフォルニア大学に留学中でしたが、お世話になっていた故・安芸敬一先生から、指向性パルスにより断層面の直交方向に構造物が倒壊しやすい、という話を聞いていました。

例えば、後に紹介する1992年ランダース地震の際は、断層周辺をまわり構造物の倒壊方向を調べましたが、数が少なくてよく分からなかった、とおっしゃっていました。

当時、私の研究テーマは堆積盆地の長周期地震動だったのですが、この地震を契機に震源特性やその影響について関心を持つようになりました。

そこで、その年の秋に開催された日本建築学会・地盤震動シンポジウムにて、兵庫県南部地震と前年にロサンゼルスでの地震である1994年ノースリッジ地震に関連させて、指向性パルスを紹介しました(当時は長周期パルスと呼んでいました;久田・山本, 1995)。

恐らくこれが日本で指向性パルスを説明した初めてのケースだと思います。

その後、指向性パルスは神戸市で大被害を生じた主な原因のひとつとして説明されるようになり(例えば、纐纈, 1996)、さらに、現在では最も重要な震源近傍の強震動特性として、指向性パルスを組み込んだ経験的な強震動予測モデル(特性化震源モデル)が実用化されています(例えば地震調査研究推進本部, 2008)。

ちなみに、【図4】で紹介したように神戸市における建物の倒壊方向も調べてみましたが、確かに断層面に直交する方向で多くの建物が倒壊していることも確認できました。


次に指向性パルスやランダム波の成因を説明したいと思います。

簡単な例として、【図5】は横ずれ断層を上から見た模式図です。

水平の太い線が断層ですが、第2回の震源モデルで説明したようにこれをいくつかの小断層に分けて、断層面を破壊が伝播する影響を調べます。

すなわち、小断層1(SP1)から破壊が始まり、小断層2(SP2)、小断層3(SP3)と次々と短い間隔で破壊が左から右に伝播するものとします。

図には破壊伝播が遠ざかる左側の観測点をOP1、破壊が近づく右側の観測点をOP2とし、SP1SP2を挟んで両者は対称の位置にあるとします。

また小断層の間隔をΔLとし、SP1SP2からOP1までの距離をそれぞれRSRL、同様にOP2までの距離をそれぞれRLRSとします。

さらにΔLに比べてRLRSは十分大きく、かつ観測点は断層面の延長上に近い位置にあるとして、RL-RS≒ΔLと仮定します。 また破壊伝播の速度をVr、地震波の速度をVsとします。


では、SP1SP2が破壊する時、観測点に到達するそれぞれの地震波の時間間隔を計算してみます。

まずOP1において、SP1SP2の破壊が観測される時間をそれぞれt11t12としますと、

t11=RS/Vst12=ΔL/Vr+RL/Vsと求まります。

従って両者の時間差Δt1は、Δt1=t12-t11≒ΔL(1/Vr+1/Vs)と求まります。

同様にOP2において、SP1SP2の破壊が観測される時間をt21t22とすると、t21=RL/Vst22=ΔL/Vr+RS/Vsとなり、その時間差は、Δt2=t22-t21≒ΔL(1/Vr-1/Vs)と求まります。

例えば、ΔL=1,000mVr=2,500m/sVs=3,500m/sとすると、Δt1≒0.69秒、Δt2≒0.11秒となります。

すなわち、破壊が遠ざかる観測点(OP1)では小断層の破壊間隔は見かけ上、約0.7秒と長いのですが、破壊が近づく観測点(OP2)では約0.1秒と非常に短く観測されます。

これは音波や光のドップラー効果によく似た現象です。

【図5】移動する震源によるランダム波形と指向性パルス波の成因の説明図

次に、この見かけ上の時間差によって、なぜランダム波や指向性パルスが観測されるのかを簡単な計算例で説明します。

まず震源のS波の放射特性(Radiation Pattern)により、OP1OP2のように断層線上に近い観測点では、断層平行成分より断層直交成分の方がはるかに大きな振幅となります。

そこで以下の説明は全て断層直交成分とします。 【図6】には小断層からの地震動の例として、本連載の第2回で紹介した震源モデル(ω2モデル)を用いて計算した加速度・速度・変位波形を示します。

ここで震源のすべり関数を設定する際、震源の振幅スペクトルはω2モデルとしますが、位相スペクトルに関して、加速度波形に影響する短周期にはランダム位相を、変位波形に影響する長周期にはコヒーレント位相(値を0とする)を与えています(Hisada, 2008)。

従って、【図6】に見られるように加速度波形はランダム性が、速度や変位波形はパルス状のコヒーレント性が現れています(ちなみに震源パラメータや観測点位置は適当に与えていますので、振幅にはあまり意味がないことに注意ください)。

さて、まずSP1からSP5で発生する地震動として、【図6】のような波形を、ランダム数を変えて5セット用意します。 次に【図7】に示すように、OP1の強震動は0.7秒間隔で、一方、OP2では0.1秒間隔で、それぞれ5セットの速度波形を重ね合わせてみます。

図よりOP1では各波形が時間的にずれるため、継続時間が長く振幅の小さな波形になっています。

一方、OP2では各波形が同位相で建設的に重ね合わさるため、継続時間は短く振幅が非常に大きなパルス波となっています。

実際の地震動では、OP1に見られる0.7秒間隔という規則性は無いので、極めてランダム性の強い波となるはずですが、OP2における強い指向性のパルスはそのまま観測されるはずです。

すなわち前者の条件ではランダム波が、後者では指向性パルスが観測されるわけです。

【図6】小断層から発生させた計算波形の例(断層直交成分)
【図7】ランダム波形と指向性パルス波の成因説明図(速度波形)

次に逆断層における指向性パルスを説明します。

この場合も上で述べた指向性パルスの発生条件は全く同じなのですが、【図8】に示すように断層の傾斜角によって地表に現れる強震動特性は大きく変わります。

すなわち、【図8(a)】に示すように高角な傾斜角で、かつ破壊伝播が下から上に向かうとき、断層面の延長に向かって指向性パルスが生じ、地表では断層面の直交方向に破壊力のある強震動が観測されやすくなります。

また震央近くや断層面の延長より外側では一般に指向性パルスは生じにくく、ランダム波に近くなると考えられます。

一方、【図8(b)】に示すように低角の逆断層や、破壊伝播が上端から下端に向かう場合には、一般に指向性パルスは地表で観測されにくくなります。

但し、後に示す1999年台湾・集集地震のように低角の逆断層が地表近くまで達した場合は、その近くでは指向性パルスが現れる可能性が高いので注意が必要です。


高角な逆断層による指向性パルスの観測例として1994年ノースリッジ地震の強震記録や、2004年新潟県中越地震の川口波が、低角逆断層の例ではプレート境界地震である1985年メキシコ・ミチョアカン地震の震源域での強震記録などが知られています。

ちなみに首都圏で危険性が指摘されている首都圏直下地震は、傾斜角が30度以下という低角のフィリピン海プレート上面に断層面が想定されています。

従って例え首都圏が断層面の直上であっても指向性パルスは生じにくく、幸いなことにその破壊力は神戸市ほど大きくはならないと考えられます。


震源近傍で観測される破壊力あるパルス波が、全て指向性パルスで説明できれば良いのですが、残念ながら近年の強震記録からそれだけではない例も報告されています。

例えば、2007年新潟県中越沖地震の際に柏崎刈羽原子力発電所では破壊力あるパルス波が観測されました。

震源断層は高角の逆断層と推定されていますが、発電所との位置関係は【図8(a)】の震央よりさらに右側にあるため、これは指向性パルスではないと考えられています。

このため、小さいアスペリティーから非常に強い強震動が発生し、例えば【図6】のように小断層からパルス波が発生したと解釈されています。

さらに、ごく最近(2011年2月22日)、ニュージーランド・クライストチャーチの地震の際、被害地域で非常に破壊力あるパルス波が観測されていますが、これもどうも指向性パルスではないようです。

この記録の解析は今後行われますので、何か別な機会があれば紹介したいと思います。

【図8】逆断層による指向性パルスの成因の説明図

地表断層近傍のフリングステップ

活断層の規模が大きくなると地表に断層が出現します。

この場合、地表断層のごく近傍では断層すべりに起因してステップ関数状の大きな永久変位が生じます。

これがフリングステップ(Fling Step)と呼ばれています。


横ずれ断層によるフリングステップの観測例として1992年ランダース地震(Mw 7.3)の例を【図9】に示します。

図には1992年ランダース地震の震源断層と、地表断層のごく近傍にあるLUC(Lucerne Valley)におけるFN成分(N50E)、FP 成分(N40W)の速度・変位波形、および速度応答スペクトルを示しています。

震源は断層の南側にあり、観測点は北側ですので、断層破壊は観測点に向かって南から近づいてきました。

このため、FN成分には約150 cm/sの最大振幅を持つ指向性パルスが見られます。

一方、FP成分には地表断層のすべりに起因する3m弱の変位振幅を持つフリングステップが現れています。

このため速度応答スペクトルでは周期2~3秒以上の長周期領域で、FN成分だけでなく、FP成分も改正基準法の安全限界レベルを大きく凌駕しています。

【図9】1992年ランダース地震の震源断層と地表断層近傍の観測波、及び速度応答スペクトル

一方、逆断層によるフリングステップの例として、【図10】に1999年台湾・集集地震(Mw 7.6)の断層震源と、地表断層のほぼ直上で観測された石岡における強震観測記録と速度応答スペクトルを示します。

この場合、断層すべり方向であるFN成分は指向性パルスが卓越する方向とも一致するため、上盤(断層面より上側の地盤)の地表断層の近くは、強震動の震源特性としては最悪に近い条件になります。

実際、図に示すようにFN成分で400 cm/sにも及ぶ最大速度と、約10mのステップ関数状の変位が観測されています。

応答スペクトルでは周期2秒程度以下の短周期では告示レベルよりも小さいですが、長周期では告示レベルを凌駕しています。

【図10】1999年集集地震の震源断層と地表断層近傍の観測波・速度応答スペクトル(断層直交成分)

最後に、フリングステップによる地震被害の特徴と対策について述べたいと思います。

まず地表断層近くの被害に関しては集集地震では詳細な調査が行われています(日本建築学会、2000)。

これによると地表断層の近くの強震動にはあまり短周期成分がありませんでしたので、揺れによる被害はあまり見られませんでした。

一方、断層すべりによって特に上盤側の地盤は大きく変形しましたので、断層の直上では建物の傾斜や引きちぎれるような被害は多数見られました(第1回の写真を参照ください)。

この対策として、断層直上での建物を禁止する活断層法などの導入も提案されていますが、人口稠密な都市部にも活断層がある日本ではあまり現実的ではないと思います。

それよりも活断層の場所とすべりの大きさが予測できれば様々な対策が行えるはずです。

実際、土木構造物では地盤の変形を構造物内で吸収する様々な対策が行われています。

例えば断層すべりをフレキシブルな配管で対応するアラスカのパイプラインや、スリップ・ジョイントで断層のずれを吸収するニュージーランドのダム、地盤変形に対応可能なサンフランシスコの新ベイブリッジなどが既に実現化しています。

では、土木構造物に比べると規模の小さい建築物はどうしたら良いのでしょうか?

フリングステップは一般に短周期成分に乏しく、長周期地震動が卓越し、さらには片側に数mにもなる大きな変位が生じますので、原則として免震よりも耐震の方が望ましいと思います。

さらに相手が横ずれ断層であれば丈夫なべた基礎とし、断層のずれを基礎版の下で滑らせたり、地盤を塑性化することでその影響を遮断できるのではないでしょうか?

一方、逆断層の場合は厳しいですが、やはり様々な対策が可能だと思います。

実際、最大で10 m近いすべりが観測された集集地震でも、平野部の柔らかい堆積地盤上では断層すべりが様々な場所に分散されますので、一か所当たりのすべり量は最大でも2 ~3 m程度以内でした。

従って、かなり丈夫な耐震建築であれば、建物が傾斜してもジャッキなどで戻せば復旧は可能だと思います。

また複雑な平面形状をした建物の場合は、エキスパンション・ジョイントなどで構造的に分割し、個々で独立した耐震建築とすれば、やはりそれぞれ傾斜を戻せば対応は可能だと思います。

地震の際に傾斜すれば室内は大変な状況になりますので、家具の固定やドアの変形防止など様々な対策は必須になるでしょう。

また傾斜を戻しても出入口や廊下に大きな段差が残るため、事前に綿密な復旧計画も必要です。

相手が例えフリングステップであっても、日本の高い技術力があれば建築分野でも様々な減災対策が世界に先駆けて実現できると思うのですが、いかがでしょうか?

おわりに

今回は耐震の入り口の最終回として、震源近傍の強震動であるランダム波や指向性パルス、フリングステップの説明を行いました。

現在、全国の詳細な活断層情報が様々な機関から入手可能ですので、もし建設サイト近くで活断層がありましたら、ぜひよく調べ、十分な対策を行って頂きたいと思います。

さらに詳細な解説を希望される場合、参考文献(例えば、西川ほか、2008)を参照ください。

次回からは話がガラリと変わって、耐震の出口の話であるソフト的な地震防災・減災の話を行いたいと思います。


謝辞
気象庁、関西地震動観測研究協議会、台湾中央気象局、およびPEER(Pacific Earthquake Research Center)による強震記録を使用させて頂きました。

参考文献

地震調査研究推進本部、震源断層を特定した地震の強震動予測手法(「レシピ」)、2008、
http://www.jishin.go.jp/main/kyoshindo/08apr_kego/recipe.pdf
久田嘉章・山本俊六, 1995, ノースリッジ地震の地震動-類似点と相違点, 第23回地盤震動シンポジウム、日本建築学会, 93-100
http://kouzou.cc.kogakuin.ac.jp/Member/Boss/Paper/95North/north.html
久田嘉章, 1998, 1995年兵庫県南部地震における木造家屋の倒壊方向データの数値化、及び強震記録との関係, 日本建築学会構造系論文報告集, No.512, 105-110
Hisada, Y., Broadband strong motion simulation in layered half-space using stochastic Green's function technique, Journal of Seismology, Vol.12, No.2, pp.265-279、2008
纐纈一起, 1996, カルフォルニアの地震被害と兵庫県南部地震、科学、66, No.2, 93-97
西川孝夫 ・荒川利治 ・久田嘉章 ・曽田五月也 ・藤堂正喜 ・山村一繁、建築の振動:応用編、6章 地震と地震動(久田分担)、pp.80-140、朝倉書店、2008
日本建築学会, 2000, 1999年台湾・集集地震、第Ⅰ編 災害調査報告書、第1章 地震及び地震動、1-11