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特集 建物の揺れとその記録

 

このたびの東日本大震災で被災された皆様に心からお見舞い申し上げます。大林組は、一日も早い復興に向けて全力で取り組んでまいります。

 

東日本大震災では、マグニチュード9.0という日本史上最大規模の地震が発生し、その被害は甚大なものでしたが、同時に多くの観測記録が残されました。また、今まで記録されてこなかった超高層建物の揺れも観測し、その結果をもとにこれからの地震対策に役立てていきます。今回は、地震や建物の揺れの特徴とその考察についてご紹介します。

 

 

長くゆっくりとした揺れ

今回の地震は、東北地方と関東地方に、大きくかつ長時間の揺れをもたらしました。都市部に大きな被害を発生させた地震として、1995年の阪神・淡路大震災が思い出されますが、今回の東日本大震災の東京都心部の揺れは、それとは大きく異なっていました。

 

 東日本大震災と阪神・淡路大震災の揺れの加速度を比較するグラフ

 

図1  東日本大震災と阪神・淡路大震災の揺れの加速度を比較

 

グラフは横軸が時間、縦軸が揺れの激しさ(加速度)を示しています。東日本大震災では阪神・淡路大震災と比べると、揺れは激しくはなかったのですが、非常に長く続いています。また、比較的ゆったりと揺れる地震でしたので、もともとゆっくりと揺れやすい超高層建物が、今回はよく揺れたことも報告されています。

 

 

超高層建物で記録された始めての揺れ

日本の多くの超高層建物は、これほど大きな揺れを受けたことはありませんでした。今回の地震が起こり、以前から地震観測を行っていた超高層建物が地震で大きく揺れた記録が初めて残されました。この結果は今後の耐震設計にとって貴重なデータとなることが期待されています。例えば、この地震観測記録から地震を受けた建物の健全性を容易に判断できることも分かりました。

 

 

地震と建物の揺れの関係

一つの地震の揺れの中にはゆっくりとした揺れ、細かい揺れなど、さまざまな揺れが含まれています。ゆっくりとした揺れを「周期の長い(長周期)揺れ」、細かい揺れを「周期の短い(短周期)揺れ」と言います。地面の揺れに長短どちらの周期の揺れが多く含まれているかは、地盤の状況や地震の規模など、さまざまな要因があるといわれています。

 

 

一方、建物は、地面の揺れに応じて揺れますが、ある建物が「一往復揺れるのにかかる時間」は決まっており、この時間のことをその建物の「固有周期(※1)」と言います。固有周期は理論的に求めることができますが、おおむね高さで決まります 。また、一般的には、建物に損傷があると、その程度に応じて固有周期は長くなります。

 

地震の揺れの中に、建物の固有周期に近い周期の揺れが多いと建物の揺れが非常に大きくなります。つまり「周期の長い揺れ」が多いと高さの高い建物の揺れが大きくなり、「周期の短い揺れ」が多いと低い建物の揺れが大きくなります。
 

※1 建物の固有周期

 

 

揺れは「極稀(ごくまれ)」の約半分

さて、東日本大震災での地震の揺れの強さは、多くの超高層建物が建ち並ぶ東京都心部においては建築基準法で規定される「極稀(ごくまれ)」(※2)地震の2分の1強でした(図2 参照)。ただし、地盤などによる影響でさらに大きくなった地域もありますが、100m級以上の超高層建物の固有周期2~3秒以上の範囲での揺れの強さは、どの地点でもあまり差がありませんでした。
 

図2 新宿で観測された東日本大震災による地震力(速度応答スペクトル)と設計用地震力

図2  新宿で観測された東日本大震災による地震力(速度応答スペクトル)と設計用地震力(極稀)

 

このグラフは速度応答スペクトルと呼ばれ、地震の揺れによって建物(高層~超高層建物)に加わる力の程度を表しており、スペクトルの線がグラフの上になるほど地震力が大きいことを示します。また、グラフの横軸には建物が揺れる周期を取っています。建物周期は主に建物高さで決まりますので、例えばグラフの2~3秒以上の範囲は100m級以上の超高層建物が該当します。

 

 

制振装置の有無

一方、同じような超高層建物でも揺れの幅が違うという報告もあります。この要因の1つとして考えられるのが建物の揺れを抑える制振装置の有無です。オイルダンパーのような耐久性の高い制振装置は今回のような長時間続く地震に対しては建物の揺れを低減するのに非常に有効だということが分かっています。制振装置は、設計の際に設定する地震の規模があり、その設定と実際の揺れが異なれば効果が出ない場合もあります。
 

※2 極稀(ごくまれ)地震とは

 

 

揺れの観測から分かること

大林組では、地震で建物がどの程度、どのように揺れたのかを確認し、科学的に分析することで今後の設計に役立てるために、建物の地震観測を行っています。
今回の地震でも仙台・東京をはじめとする全国で観測記録が取れました。例えば、地震の揺れを伝えにくくした免震建物ではその効果が発揮され、設計で想定したとおりに免震装置が作動したことが分かりました。
大林組の地震観測網

 

 

観測結果の活用

超高層建物での観測も収録でき、本震の前に発生した3月9日の前震、3月11日の本震、それ以降の余震での記録を分析すると、固有周期は本震の前後であまり変わらないことが、グラフから読み取れます。

このことから建物を支えている骨組(柱や梁)には被害がないことが推定できます。建物の健全性の判断は固有周期の変化だけではとらえられない部分もありますが、継続的な地震観測により、被災後の建物の健全性の判定に大いに役立つことが実証できました。
本震前の固有周期を1としたときの本震および本震後の固有周期の振動本震前の固有周期を1としたときの本震および本震後の固有周期の変化

大林組は、安全・安心な暮らしを提供するため、観測、分析、研究を続け、今後の設計や技術開発に役立てていきます。


 

地震の観測から生まれた大林組の技術

構造ヘルスモニタリングシステム

大林組では地震観測の有用性を早くから認識し、建物に取り付けたセンサーの情報から建物構造の健全性を判断するシステム「構造ヘルスモニタリングシステム」の開発に取り組んできました。

 

健全度合いを精度よく確認するため、ひび割れを検知するセンサーや地震の揺れを測定する簡易なセンサーなどを多く設置し、かつ既存システムに比べて安価な方式を共同開発しました。

 

関東地方の2棟の鉄筋コンクリート造建物で試験的に適用しておりました。今回の地震の記録では建物にはひび割れも入っておらず、建物構造が健全であることを地震直後に判断することができました。

 

 

構造ヘルスモニタリングシステム

 

 

上記グラフは、3月11日~3月15日にかけて発生した3回の地震について「構造ヘルスモニタリングシステム」の揺れを感知するSVAセンサーの記録です。グラフの横軸は揺れの大きさ(エネルギー)、縦軸は揺れの周期を意味します。グラフの右下にいくほど、大きな揺れで建物が長周期化したことを示し、損傷の可能性が大きくなります。

 

今回の測定結果を見ると、対象とした建物は3月11日の本震時に、(1)損傷の有無を確認しておいた方がよいが、まずは健全。(2)その他の地震には損傷の可能性はない。という結果が見て取れます。

 

※加速度絶対値和:100分の1秒刻みで計測した加速度振幅の値を1秒毎に足し合わせた指数

※ゼロクロス回数:100分の1秒刻みで計測した加速度値列が1秒間にゼロ軸を横切る回数

 

(注)
兵庫県南部地震・東北地方太平洋沖地震は地震の名称であり、阪神淡路大震災・東日本大震災は災害の名称です。学術書ではこれらを区別していますが、このホームページでは災害名に統一して用いました。
 

(謝辞)
調査の実施および分析にあたり(独)防災科学技術研究所のK-Net、気象庁の地震観測記録を使用させていただきました。記して感謝の意を表します。
 

 

 

 


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