北村 春幸
(きたむら はるゆき
/ Kitamura Haruyuki)
東京理科大学 理工学部 建築学科 教授
<略歴>
1976
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神戸大学大学院工学研究科建築学専攻修士課程終了
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1976
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(株)日建設計に入社
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1994
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博士(工学) 東京大学
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2001
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(株)日建設計を退職
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2001
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東京理科大学 理工学部 建築学科 教授
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現在に至る
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1.「長周期地震動と建築物の耐震性」研究の契機
超高層建物の耐震設計
建築物の耐震設計は、一般の建物では2段階の地震荷重に対して、許容応力度設計法や終局強度設計法が適用され、無損傷に留める検討と倒壊・崩壊を防ぐ安全性の検討が行われきた。
一方、超高層建物でも2段階の地震動レベルに対して、過去の被害地震の観測波の中から選定した標準波と目標スペクトルに一致するように作成した告示波を用いた時刻歴応答解析を行っている。
稀に作用する地震動に対しては構造体が損傷を受けず、極めて稀な地震動に対しては引き続き使用することを設計目標として、層間変形角や塑性率などの最大値に着目して判断してきた。
2003年十勝沖地震と長周期地震動
2003年十勝沖地震の際に、震源から160km以上離れた苫小牧で、液体のスロッシング振動により巨大な石油タンクに火災が発生したことを契機に、長周期地震動が一般に知られるようになった。
苫小牧は深い地盤構造が盆地形状を示す堆積盆地の縁にあり、長周期の表面波が盆地形状により増幅され、数分間に渡ってゆっくりとした大きなゆれが続く長周期地震動に襲われた。
図1 直下型地震と長周期地震動の加速度波形
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図1に長周期地震動への対応の契機となった2003年十勝沖地震の苫小牧での観測記録(TOMAKOMAI 2003 NS) と直下地震である1995年兵庫県南部地震(阪神淡路大震災)の神戸海洋気象台での観測記録(JMA
KOBE 1995 NS)の時刻歴波形を比較する。
神戸波は、地震動の継続時間は数十秒と短いが最大加速度値が818cm/s2と大きいこと、苫小牧波は最大加速度が87cm/s2と小さいが、継続時間が5分間と長いことに特徴がある。
直下地震に襲われた阪神淡路大震災では断層に直交する南北方向に強烈な一ゆれが起こり、多くの木造住宅が倒壊するとともに10階前後の高層ビルの中間階が崩壊する被害が発生した。
長周期地震動の特徴である加速度振幅は小さいが継続時間が長いことが建物の耐震性能にどのような影響を与えるかを検討する必要がある。
NHKスペシャル「地震波が巨大構造物を襲う」
この被害を受け、2004年1月18日(日)夜9時にNHKスペシャル「地震波が巨大構造物を襲う」が放送された。
この番組のなかで、入倉孝次郎京都大学名誉教授により堆積盆地にある東京、大阪、名古屋などの大都市圏が東海・東南海・南海地震等の巨大地震に襲われると、数秒から十秒に卓越周期を持つ長周期地震動が発生し、数分から十分近くゆれ続けることが指摘された。
また、濱田政則早稲田大学教授により石油タンクのシミュレーション解析が行われ、東京湾岸に沿って建設されている石油タンクに多くの被害が出ることが指摘された。
長周期地震動に対して被害が想定される超高層建物については、日建設計時代の超高層建物の豊富な設計経験を買われて、東京理科大学北村研究室で担当することになった。
まずは、古村孝志東京大学教授の地球シミュレータを使った東海地震における東京の予測波を用いて地震応答解析を行った。
このような理論的な計算により求まる地震波は、3、4秒以上の長周期成分のみが計算され、短周期成分が含まれていない場合が多く、結果として建物らしい応答性状を示さなかった。
そこで、短周期から長周期成分までを含む入倉先生らが作成した想定南海地震による大阪管区気象台の模擬波(KK-OSA-NS)を用いることにし、その地震動の卓越周期と1次固有周期が一致する40階建て超高層架構モデルを作成し、地震応答解析を行った。
図2 40階建て超高層建物のゆれのシミュレーション解析結果の比較
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図2(a)は入力した地震動の加速度波形を、図2(b)は40階建物の地震応答解析から求めた建物頂部における1階床からの相対変位の時刻歴波形を示す。
左図は長周期地震動の予測波KK-OSA-NSを、右図は直下地震の観測波JMA KOBE 1995 NSを入力した場合である。
地震波の最大加速度は、OSA NS波が68.3cm/sec2に対し、JMA KOBE NS波は818.0cm/sec2であり、JMA
KOBE NS波が桁違いに大きい。
一方、頂部相対変位は、KK-OSA-NSは最大値が105.4cmであるのに対し、JMA KOBE 1995 NSは60.0cmとなり、KK-OSA-NSの方が大きい値を示す。
また、JMA KOBE 1995 NSは80秒程度でゆれが納まるが、KK-OSA-NSはその5倍上の400秒間以上もゆれが続き、そのうち300秒間はJMA KOBE
1995 NSの最大変位を上回るゆれが続く。
これらの検討の中で、東京、名古屋、大阪などの大都市圏で想定される長周期地震動は、長周期の周期帯で大きなピークを示し、その周期帯と固有周期が一致する超高層建物では、これまで設計で想定してきた応答値を上回る恐れがあること。
さらに、層間変形などの最大値が一般的な超高層建物の設計目標値を概ね満足する場合においても、地震動継続時間が長いことから、構造体のエネルギー吸収能力など累積値に対する新たな検討が必要なことが明らかになった。
この番組は大きな反響を呼び、2004年度の科学技術映像祭で内閣総理大臣賞を受賞した1)。
日本建築学会「東海地震等巨大災害への対応特別調査委員会(秋山宏委員長)」
このような状況下で、2004年4月に土木学会と日本建築学会は「巨大地震対応共同研究連絡会」を設立し、巨大地震による地震動の予測および既存構造物の耐震対策に関する共同調査研究を始めた。
これに対応するために、建築学会では、「東海地震等巨大災害への対応特別調査委員会(秋山宏委員長)」を設置し、地震動・建築構造物・避難計画の3つの小委員会とそれらの下に設けた9つのWGによる調査研究が2年間の予定で始まった。
特別調査委員会は、当時の学会長の秋山宏委員長と構造委員長の西川孝夫構造物小委員会主査を中心に150名余りの委員が集められた。
特別調査委員会は当初の予定通り2006年3月に終了し、その後は長周期地震動編集委員会に引き継がれた。
これらの成果は、建築学会大会研究協議会で2005年9月に中間報告2)が、2006年9月に最終報告
3)が公表された。
なお、同年11月20日には、土木学会・日本建築学会共同提言「海溝型巨大地震による長周期地震動と土木・建築構造物の耐震性に関する共同提言」4)を公表し、建築会館で記者会見が行われた。
さらに、2007年12月には「長周期地震動と建築物の耐震性」を刊行し、東京と大阪で講習会が開催され、特別調査委員会の活動が終了した。
本シリーズでは、「長周期地震動と建築物の耐震性」研究における、長周期地震動ならではのトピックを整理して、数回にわたって、紹介する予定である。
参考文献
- 1)
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NHKスペシャル地震波プロジェクト:NHKスペシャル 地震波が巨大構造物を襲う 大地震が起きた時,あなたは大丈夫か,近代映画社,2004.9.10
- 2)
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日本建築学会東海地震等巨大災害への対応特別調査委員会:巨大地震時に予測される長周期地震動とその耐震問題,2005年度日本建築学会大会研究協議会,2005.9
- 3)
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日本建築学会東海地震等巨大災害への対応特別調査委員会:巨大地震による長周期地震動の予測と既存建築物の耐震性と今後の課題,2006年度日本建築学会大会研究協議会,2006.9
- 4)
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土木学会・日本建築学会巨大地震対応共同研究連絡会:海溝型巨大地震による長周期地震動と土木・建築構造物の耐震性に関する共同提言,2006.11