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ホーム   東日本大震災を経験して / 源栄 正人    第2回:観測された地震動と建物の耐震設計へのインパクト
  • 第1回:大地震を振り返る~震災当日、初動調査、地震動と被害の情報発信
  • 第2回:観測された地震動と建物の耐震設計へのインパクト
  • 第3回:衝撃的な「学び舎」の被害
  • 第4回:特徴的な建物被害
  • 第5回:求められる都市・建築の総合的地震対策
  • 第6回:リアルタイム地震観測と地震防災対策
源栄 正人

(もとさか まさと
/ Masato Motosaka)
東北大学教授

 

東北大学/災害科学国際研究所

(東北大学大学院工学研究科、都市・建築学専攻 兼担)

 

< 略 歴 >

1952年茨城県生まれ。工学博士。東北大学大学院工学研究科建築学専攻修了。鹿島建設株式会社での研究と実務、東北大学大学院工学研究科助教授、教授を経て、現在、東北大学災害科学国際研究所教授(地震工学・地震防災)。

 

< 著 書 >

緊急地震速報―揺れる前にできること

宮城県沖地震の再来に備えよ

大地震と都市災害 (都市・建築防災シリーズ)

第2回
観測された地震動と建物の耐震設計へのインパクト

多くの観測記録が得られた初めての巨大地震

2011年3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震から5年が経過した。この地震は、わが国で初めてのM9クラスの地震(Mw=9.0)で、多くの地震観測記録が得られた初めての巨大地震である。防災科学技術研究所の観測網や気象庁の観測網など国の観測網の他に、仙台地域などでは、地域の高密度観測網で地盤構造の違いを反映した貴重な強震観測記録が得られている。これらの観測記録は、断層面上の複数の強震動生成域との位置関係により観測地域ごとに異なるきわめて多様な様相をしている。建物の強震観測と記録については、超高層建物や免震建物等において多数の記録が得られ、これらの観測結果の報告がなされたことは、これまでの震災とは異なる東日本大震災の特徴である。観測された建物の多様性が増し、超高層や免震建物以外の建物における観測結果も報告されている。観測データの分析としては、建物の地震時応答、固有振動数や減衰定数とその変動、構造物と地盤の動的相互作用の評価などである。

観測データを有効に活用した学術貢献・社会貢献が求められている。筆者は、この巨大地震を経験して地震動と建物被害に関する教訓1)と耐震設計へのインパクトに関する情報を国内外に向けて発信してきている。

観測された大加速度記録と建物被害

地震動と被害の関係を論じる場合、地震動のどのような性質が建物や地盤のどのような被害に結びついているのかを分析する必要がある。東日本大震災で観測された多くの地震観測記録と被害の関係をこの視点から視る必要があり、既存指標の独り歩きは極めて危険であると言わざるを得ない。少なくとも「加速度による被害」と「変形による被害」の区別をする必要がある。

K-NET築館で観測された最大加速度2,700ガルを超える地震動、地元メディアにより「震度7、犠牲者ゼロ」と報道された。この地震記録に対する調査検討として、アンケートによる揺れの実態調査も行っている。この調査によるアンケート震度は、計測震度より1小さいことがわかった。また、地震計設置の問題によると思われる挙動を示していることを指摘してきている。ともあれ、過日、NHKのMEGAQUAKE IIIの取材の関係で、この揺れによるNTTファシリティーズの3次元振動台を用いた実大の室内模型の加振に立ち会った。マネキン人形の首は「ぶるるん、ぶるるん」と揺れるが、留めてない本棚を倒せないのである。震度7の揺れは、本棚の本は落とすことはできても固定していない本棚を倒すことができなかったのである。地震動の指標の問題は指摘せざるを得ない。

同一観測点での過去の地震における観測記録比較

筆者らが観測を行っている仙台駅前のSビル(地下2階)における観測記録は、1978年宮城県沖地震における貴重な観測記録を得た観測点の記録であり、仙台地域における工学基盤の地震動として位置づけられる。この観測点における今回の地震の地震動特性を1978年宮城県沖地震や2005年宮城県沖地震の地震動特性との比較について報告する。

【図1】は今回の東北地方太平洋沖地震(M9.0)、1978年宮城県沖地震(M7.4)、2005年宮城県沖地震(M7.2)における南北報告の波形を比較して示す。

巨大地震による地震動の継続時間がM7クラスの地震に比べて以下に長いかが一目瞭然である。

【図1】同一観測点における地震規模の違いによる観測記録の比較
(仙台駅前のビルにおける南北方向の加速度記録)

仙台市域の強震観測記録にもとづく地盤構造による地震動特性の違い

地震動特性は、地震基盤から工学的基盤までの深部地盤構造、工学的基盤から表層地質構造、これらの地盤構造は大きな構造体であることを認識する必要がある。

筆者らは地盤構造の違いによる地震動特性を検討するために、仙台市内の公共建築物を中心に建物の1階(幾つかは最上階との同時観測)で強震観測を行っている。東日本大震災で貴重な記録が得られている。本震時の最大加速度は300ガル~840ガルの範囲、最大速度は30cm/s~80cm/s程度と地盤条件による差が観測された。仙台市北部の固い岩盤に表層地質が観測点で大きな加速度値を示している。

【図2】には、仙台市東部の沖積平野にある若林区卸町地区や太白区長町地区における南北方向の観測記録の速度応答スペクトルを前述の仙台駅前と比較して示す。図中には、告示スペクトル(安全限界)も併せて示してある。地震動特性の違いによるスペクトル特性は顕著であり、これは地盤条件の違いによるものである。

卸町地区では、1秒以下の0.4秒~0.7秒の周期成分が2倍以上増幅していること、長町地区では1秒の周期成分が仙台駅前の4倍近く増幅し、5%の速度応答スペクトルで300cm/sにも達する揺れであったことが分かる。また、3秒の周期成分も卓越しており、深部地盤構造の影響で仙台駅前に比べて2倍以上のスペクトル値となっている。

【図2】地盤条件の違いによる速度応答スペクトルの比較

地盤構造による地震動特性の違いについて、筆者らは、仙台市内に面的に展開された地震観測網の記録を分析している。建物の非線形性を考慮した必要耐力の地盤による差は、6~10階程度の建物で2~3倍、15~20階の高層ビルでも2倍程度の差があることを示した。サイスミック・マイクロゾーニングの必要性と地盤増幅特性に関する法的規制を強化する必要がある。また、東日本大震災では、特定の周期帯ではあるが告示スペクトル(安全限界)の3~4倍の地震動が観測データとして得られており、被害に結びついている。地盤との共振に耐える耐震設計や共振を避ける免制震設計の推進が求められる。

長い継続時間の地震動と構造物の累積応答

巨大地震は長い継続時間をもたらし、本震だけでなく数多くの余震に伴う繰り返し回数が構造物の累積応答として損傷に及ぼす影響を把握することの重要性が指摘された。巨大地震がもたらす地震動の長い継続時間と繰り返し回数は構造物の累積応答に影響を及ぼす。累積応答変位や累積エネルギーと累積損傷の関係を把握することの重要性が指摘される。また、巨大地震が多くの余震を伴うことは、被害評価における残存耐震性能の観点からも大切であり、耐震診断においても要配慮である。

免震構造でも鉛ダンパー装置の被害例が報告されている。宮城県大崎市の免震建物が代表的であり、大崎平野の堆積盆地の影響を受けた長い継続時間の地震動が被害に結びついている。3月11日の本震の長い揺ればかりでなく、4月7日の余震の影響が蓄積されている。過去の地震として2003年5月の宮城県沖地震、同年7月の宮城県北部地震、そして、2008年6月14日の岩手・宮城内陸地震とその余震を経験しておりこれらの影響を累積変位として評価したところ、3.11大震災における本震の揺れによる累積変位より大きい値であったことを示した。

関東平野や大阪平野は大きな堆積盆地をなしており、これによる地震動の増幅は考慮しなければならない、振幅の増大ばかりでなく、継続時間の面からの考慮も必要である。東日本大震災では、10分以上にわたり超高層建築を揺すった長周期地震動、関東平野の深部地盤構造に基づく表面波の伝播速度分布を配慮しながらK-NETの観測点の地震動の違いを比較検討した結果を論文で発表している2)

相模トラフの地震や東海・東南海地震では関東盆地の外から表面波が入った場合などには関東盆地の底にあたる千葉付近を中心に東京湾沿岸部で地震動の増幅が予測される。長周期地震動の伝播は、単なる距離減衰ではなく、地震の道「地震道」があり、盆地の底に向かって伝播することを念頭におく必要がある。

参考文献

1)
Masato Motosaka : LESSONS OF THE 2011 GREAT EAST JAPAN EARTHQUAKE FOCUSED ON CHARACTERISTICS OF GROUND MOTIONS AND BUILDING DAMAGE, Proc. International Symposium on the 2011 Great East Japan Earthquake, 2012, pp.166-185
2)
源栄正人、堆積盆地におけるやや長周期地震動に着目した構造物の累積応答と累積損傷、第14回日本地震工学シンポジウム、2014年12月

>> 「第3回:衝撃的な『学び舎』の被害」