ホーム   大振幅地震動に備える/林康裕    第1回:意識を変えた地震観測記録
  • 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

大振幅地震動は、建築基準法で想定している地震荷重レベルを大きく超える地面の揺れです。建築基準法は、最低水準の性能を規定するもので、日本全国一律に適用されています。想定される大振幅地震動は、日本の中でも地域によって大きくレベルに差があります。ですから、地域の地震環境、都市化の度合い、建物の重要度、社会の関心度などによって、設計で考慮されるか否かが変わります。建築基準法と違って、国が計算法や設計クライテリアも決めていませんし、対策も開発途上であると認識しています。しかし、大阪は、南海トラフの巨大地震による長周期長時間地震動と上町断層帯地震によるパルス性地震動といった、2種類の大振幅地震動が超高層建物群を襲うという、日本で最も過酷な地震環境・地域環境にあります。大振幅地震動に対する対策も、全国で最も進んだ地域であると思っています。そこで、関西、特に、大阪を例に大振幅地震動について、20年近く考えてきたことを、6回に分けてお話をしたいと思います。

大阪市中心部の風景

1. 意識を変えた地震観測記録

意識を変えた地震観測記録とは、「私の」意識を変えた地震観測記録という意味です。私にとって、最初に衝撃だった地震は、甚大な人的被害と建物被害をもたらした1995年兵庫県南部地震です。被害原因は、パルス周期(第3回で述べるように、筆者らは、擬似速度応答スペクトルがピークとなる周期と定義しています。)1秒のパルス性地震動(大振幅地震動)でした。1986年以降、超高層建物の耐震設計では、最大速度50cm/sのレベル2地震動を用いて、時刻歴非線形応答解析が行われてきました。ただし、経済原理が優先されたのか、関西では最大速度40cm/sに減じて耐震設計が行われていました。

【図1.1】は、神戸市中央区三宮駅を通る南北断面の最大地動速度分布1.1)です。地震基盤上では約50cm/sと推定され、堆積地盤での増幅によって、断層から離れると工学的基盤上では100cm/sになっています(誤解していただきたくないのは、共振による増幅効果ではありません)。これに、盆地端部の「エッジ効果」で50%増しの150cm/sになって震災の帯が形成されたのですが、エッジ効果がなくても100cm/s程度の最大速度レベルは、工学的基盤で考えないといけないと感じました。

【図1.1】兵庫県南部地震における神戸市中央区・三宮を通る南北断面の強震動シミュレーション結果

兵庫県南部地震は、地震工学史上の極めて重要な地震で、いろいろな取り組みが、国を挙げて行われていきました。私が注目したいのは、地震観測網の整備です。その結果、国内外で、大振幅の地震観測記録が得られました。その説明をする前に、パルス性地震動の$\small S_a-S_d$スペクトル(減衰定数$\small h$=0.1:加速度応答スペクトル$\small S_a$と変位応答スペクトル$\small S_d$の関係)の話をしましょう。

【図1.2】には、兵庫県南部地震で得られたJMA神戸波の$\small S_a-S_d$スペクトルを示します。固有周期$\small T$が1秒ぐらいまでですと、1Gを大きく超える最大応答加速度($\small S_a$)が働き、耐力の低い短周期建物は損傷を免れません。固有周期がJMA神戸波のパルス周期$\small T_p$=1秒を超えてしまうと、固有周期$\small T$に関わらず最大応答変形($\small S_d$)が30~40cmくらいでほぼ一定になっているのがわかります。つまり、パルス性地震動に対する建物の応答には、変位一定則がなりたつのです。世間でよく言われる変位一定則とはやや異なると思いますが、パルス周期$\small T_p$よりも長い固有周期$\small T$の建物に対して成り立ちます(第3回、【図3.2】参照)。従って、この地震動に耐えるためには、耐力によらず$\small T>T_p$(≒1秒)の建物であれば30~40cm以上の変形能力がないといけないということになります。この最大応答変形量は何に関係するかというと、継続時間の短いパルス性地震動では、地面がどれだけ動いたかを表す最大地動変位$\small D_p$で決まります。これは、パルス周期より固有周期が長い柔らかい建物では、地面の動きについて行けず、地面が動いただけ建物の変形となります。パルス周期が長いと、固有周期が比較的長くてもついて行きやすくなりますが、最大地動変位が大きくなって、建物の最大応答変形量も大きくなるのです。私は、柔道の技を例に、「出足払い効果」と呼んでいます。

【図1.2】1995年兵庫県南部地震におけるJMA神戸(NS成分)の$\small S_a-S_d$スペクトル

本題に入ります。【図1.3】には、代表的な観測記録の速度波形を同じスケールで描いています。超高層建物の耐震設計で標準3波といわれる、エルセントロ、タフト、八戸の50cm/s(レベル2)の波形も示しています。【図1.4】には各観測記録の$\small S_a-S_d$スペクトルを示します。1995年兵庫県南部地震やその1年前に起こった1994年ノースリッジ地震では、中低層建物に甚大な被害が生じたわけですが、超高層建物の被害はそれほどではありませんでした。例えば、鷹取波の最大応答加速度は1Gを超え、最大応答変形は70cm程度になっていることからも大凡理解できます。しかし、観測記録を設計で用いることには、それまで用いてきた解析モデルや設計クライテリアはそのまま適用できず、設計実務で用いることには困難がありました。

その後、1999年台湾集集地震では台中の石岡(TCU068)で、非常に長いパルス周期のパルス性地震動が観測されました。台湾集集地震のTCU068の最大応答変位は約6mとなっています。救いは、周期3秒以上で0.2~0.3Gで、短周期でも0.6G程度と応答加速度が比較的小さいことです。これは、観測点近くの低層RC造建物に目立った被害がなかったことと対応しています。つまり、建物の固有周期が3秒以上になれば、変形は極めて大きくなるのですが、ある程度の耐力さえ持っていれば、応答加速度は大きくなってしまうものの、何とか変形を抑えることができるというふうに理解できるわけです。ですので、まだこの段階ではよかったわけです。実は、アメリカのカリフォルニア州ルサーン渓谷で起きた、1992年のランダース地震で、長周期パルスが得られておりました1.2)。ただ、砂漠の中で起きた地震であったことから、建物被害も殆ど報告されず、失念しておりました。不明を恥じるばかりです。

2004年新潟県中越地震の川口で得られた記録の最大応答変位は60cm~70cmで、兵庫県南部地震の鷹取波とほぼ同程度です。マグニチュード7.3程度の地震が起これば、鷹取波と同程度の地震動の発生を覚悟しないといけないと感じました。そして、2007年新潟県中越沖地震の刈羽村でも特徴的な観測記録が得られています。刈羽村の記録は、周期3秒で3波ぐらい繰り返しています。このため、若干共振的な色彩があって、周期3秒で2m近いとても大きな最大応答変位がでています。しかし、共振的な影響によって固有周期によって最大応答変位が変わっていますし、【図1.5(左)】に示すように、観測点近傍の地盤には強非線形性の影響が見られ、観測記録の信頼性にも議論がありました。

【図1.3】標準3波と近年の代表的観測記録の速度波形

このような状況が続いた中で、ある意味、もう一度衝撃を受けたのは2015年ネパールで起きたゴルカ地震でした。周期5秒ぐらいにはピークはありますけれども、2mを超えるような最大応答変位が出てしまったということで、免震建物にとって都合が悪い地震動だと思いました。それでも、海外で起こった地震であるという変な安心感がありました。

ところが、2016年熊本地震の西原村小森で得られた長周期パルスの観測記録を見て、大変なことになったと思いました。兵庫県南部地震のJMA神戸波や鷹取波に比べても、2倍以上の変形が生じてしまいます。超高層の耐震設計でも用いられているEl Centro波(50cm/s)の5倍よりもインパクトは大きいのです(【図1.6】参照)。参考のために、西原村小森の観測地点の状況を【図1.5(右)】に示します。西原村小森の観測点では、長周期に影響が生じるような異変はありませんでした。

【図1.4】近年の代表的観測記録の$\small S_a-S_d$スペクトル

【図1.5】強震観測点(左:刈羽村、右:西原村小森)

【図1.6】熊本地震における観測記録(西原村小森)とEl Centro波(50kine)との比較

以上より、兵庫県南部地震以降に得られた大振幅地観測記録は、地震観測開始後20年あまりしか経過していないにも関わらず、超高層建物の設計用地震動を数倍のオーダーで大きく超えてきています。周期3秒以上で2m以上の応答変位が生じる地震動が得られています。地震の再現期間や観測点の密度を考えると、今後もさらに大きな観測記録が得られることは間違いないでしょう。また、大振幅地震動の特性は、慣用されている設計用地震動の特性と異なっていることが明らかとなりつつあります(第3回参照)。そして、観測された大振幅地震動の特徴を、設計用地震動に反映可能な状況となりつつあります。

参考文献

1.1)
林康裕, 川瀬博 : 1995年兵庫県南部地震における神戸市中央区の地震動評価, 日本建築学会構造系論文集, No.481, pp.37-46, 1996.
1.2)
久田嘉章:震源近傍の地震動 -改正基準法の設計用入力地震動は妥当か?-, 第29回地盤震動シンポジウム, pp.99-110, 2001.