長周期地震動による高層ビル被害と対策
久田嘉章
（工学院大学建築学部）
工学院 大学棟 オフィス棟新宿ならでは防災
新宿駅周辺防災対策協議会 2017年11月6日（月） 16：00～18：00 工学院大学新宿校舎６階A0611概要
・長周期地震動とは？
長周期・長時間地震動と長周期パルス？
耐震基準と超高層建築
・長周期・長時間地震動
1923年関東大震災から2011年東日本大震災まで
・長周期パルス
指向性パルス（1995年阪神淡路大震災など）
フリングパルス/ステップ（2016年熊本地震など）
・超高層建築とレジリエント対策
地震被害想定と想定外の被害
万が一の大災害に備える
2長周期地震動と長周期パルス？
ＮＨＫスペシャル ＭＥＧＡ ＣＲＩＳＩＳ 巨大危機Ⅱ
第１集「都市直下地震」 （2017年9月2日放送）
3・建物のモード（揺れやすい形）
と固有周期
⇒「建物の周期」とは通常、最も揺れやすい 「１次固有周期」を指す。短周期・長周期地震動と建物の固有周期
4 日本地震学会「強震動地震学基礎講座 ： 第3回 強震動予測で対象となる周期範囲」 ⇒短周期と長周期の境は周期 １～２秒程度 短周期 長周期 1次・２次モード 1次モード ２次モード ３次モード １次固有周期 ２次固有周期 ３次固有周期 工学院大学新宿校舎の場合 約３秒 約１秒 約0.5秒 モード 分解 建物・構造物の固有周期の分布長周期地震動に関する観測情報
と長周期地震動階級（気象庁）
・震度は、長周期地震動による体感・建物等への影響の対応が悪い。 ・長周期地震動階級は、高層ビル内における地震時の人の行動困難さや、家具 や什器の移動・転倒などの被害程度から４つの段階に区分した揺れの大きさの 指標（2013年から試行中）。観測地震波より1質点系振動モデル（5％減衰）の振 動を計算し、絶対速度応答値（振動モデル＋地面の揺れの最大振幅値：SVA）か ら周期1.6～7.8秒間の最大応答値で階級１～４を決定。 周期（T） 絶対速度応答スペクトル（左）と長周期地震動階級の解説（右） 5 cm/s 15 cm/s 50 cm/s 100 cm/s様々な強震動特性と建物への影響
（ランダム特性とコヒーレント特性）
•短周期地震動の時空間のランダム特性（短周期側）
標準的入力地震動（エルセントロ波、タフト波、告示波・・・）
→ 耐震設計建物を大変形させ、倒壊させる破壊力は大きくない
告示波の例（加速度波形と応答スペクトル） ：短周期ランダム波の卓越） ガタガタ揺らすが 倒壊させにくい 短周期 長周期 大きい！ 小さい！ 免震・超高層にメリット！活断層や海溝型巨大地震による特徴的な
観測地震動（長周期・長時間地震動、断層近傍強震動）
震源断層近傍の強震動 （指向性パルス） 長周期・長時間地震動（堆積層表面波） ⇒地震動・卓越周期との共振 地表断層近傍の強震動 （フリングステップ） 2003年十勝沖地震 の苫小牧市にお けるナフサタン クの全面火災 →卓越周期・長い 継続時間 1995年兵庫県南部 地震における神 戸市の木造家屋 の倒壊 1999年台湾・集集 地震による地表 断層上のRC建物 の傾斜 →震度７、なぎ倒す →移動・傾斜 ⇒ 周期１秒程度以上のコヒーレント性 より建物に大きな変形を生じさせる特徴的な長周期地震動の分類（例）
活断層や海溝型巨大地震の強震動特性
名称 特徴 代表例 長 周 期 地 震 動 長周期・長時間地震動 （やや長周期地震動） 海溝型巨大地震など浅い大 地震で発生し、関東平野な どの平野・盆地内で発達す る。継続時間が非常に長い。 ・1923年関東大 震災の本郷波 ・2003年十勝沖 地震の苫小牧波 長周期 パルス 指向性パルス （キラー パルス） 活断層など浅い大地震の断 層近傍で、断層破壊が伝播 する進行方向で発達する破 壊力あるパルス状の地震動。 ・1995年阪神・淡 路大震災の神戸 波 フリングパルス （フリング ステップ） 大規模な活断層帯の地震で 出現する地表地震断層のご く近傍で生じ、断層すべりに 起因する速度パルス（変位 はステップ関数状の永久変 位を生じる） ・1999年台湾・集 集地震の石岡波 ・2016年熊本地 震の西原波長周期・長時間地震動とは
• 海溝型巨大地震など大規模な浅い震源で効率的に発生する地震波（主に表面波 ）が、関東・大阪平野などの厚い堆積層を持つ盆地内で大きく増幅する地震動 • 通常の地震動と異なり、周期は２～３秒程度以上と非常にゆっくりとした揺れであ り、継続時間が非常に長い（数分～１０分以上）。地盤特性により卓越周期が存在 • 低層建物には殆んど影響しないが、超高層建築・免震建築・大規模タンクなど長 周期構造物と共振した場合、大きな揺れとなる。 内閣府：南海トラフ沿いの巨大地震による長周期地震動に関する報告（2015）過去の巨大地震による東京の長周期地震動
1923年関東地震(M7.9)、1944年東南海地震(M7.9）
1923年関東地震による東京市・本郷における変位記録（横田ほか） 10 1944年東南海地震による東京市大手町における復元変位記録（古村・中村） ⇒長周期地震動の存在は、昭和初期の柔剛論争でも柔構造が否定された根拠のひとつ 法隆寺の五重塔 （７世紀末、世界 最古の木造の塔） Wikipediaより1923年関東大震災と
建物の耐震設計
1924年市街地建築物法の改正
• 高さ制限：100尺規制(約30m, 1919年)
• 設計震度：設計震度（建物に作用する
水平力を建物重量で基準化）を導入
• 筋交い・耐震壁：水平力に耐えるための
基本となる構造材・構造壁
佐々木茂建築設計事務所 http://blog.livedoor.jp/shyougaiitisekkeisi2581/archives/51452369.html• 日本初の耐震構造ビル：（旧）日本興業銀行本
店（東京・丸の内、
1923年竣工）。内藤多仲博士
による耐震壁をとりいれた７階建て鉄骨鉄筋コ
ンクリート造の建物で、完成３ヶ月後の関東大震
災で軽微な被害（設計震度は）。近隣の鉄骨と
カーテンウォールによる内外ビルは倒壊した。
⇒ 筋交い･耐震壁による剛構造で水平力対策
（旧）日本興業銀行本店1948年福井地震と建築基準法の制定
•1948年福井地震(M7.1)：福井市直下の活断層により、福井市は
壊滅的な被害。気象庁は震度７を追加。
•1950年建築基準法の制定：全国に適用。長期荷重（自重）と短期
荷重（地震・風）を導入。水平震度は
0.2としたが、許応力度も２倍に
した。高さ制限は３１ｍのまま継続。⇒ 時代背景（終戦直後の多数
のバラック建築等）：基準法は最低限の基準(死者を出さない)
小林啓美 氏撮影 http://kanazawa.typepad.jp/weblog/2010/03/post-551f-1.html 早稲田大学 よく分かる！ http://www.waseda.jp/student/weekly/cont ents/2006b/109e.html 東京のバラック家屋（昭和22年） 1948年福井地震による大和デパートの倒壊地震被害と建築基準法・耐震規定改正
1968年十勝沖地震(M7.9)
（RC造短柱被害ほか）
（ピロティ-・偏心などバランス悪い建物）
1978年宮城県沖地震(M7.4)
1971年建築基準法改定
1981年建築基準法改定
（新耐震設計法の導入）
鹿島建設：「地震による教訓」（http://www.kajima.co.jp/tech/seismic/higai/030604.html）超高層建物の耐震設計（柔構造）
• 1950年建築基準法
：高さ規制（３１ｍ）の継続
• 1940年代：強震計開発（主として米国）
• 1960年代：動的設計法（柔構造の可能性）
• 1963年建築基準法改正
：
容積率導入・高さ制限撤廃
• 1981年建築基準法改正
：新耐震設計法
• 主な超高層建物・構造物
1958年 東京タワー（333ｍ：S造）
1968年 霞が関ビル（36階 156m ：S造）
1978年 サンシャイン60 （60階 240m：S造）
1993年 横浜ランドマークタワー （70階 296m：S造）
2009年 The Kitahama（54階 209m ：RCマンション）
2012年東京スカイツリー（634m ：S造）
注：S造（鉄骨造）、RC造（鉄筋コンクリート造）→ 超高層建築は柔構造（しなやかに揺れて力を流す）
長周期地震動等で、大きな変形を生じる可能性あり
霞が関ビル（1968） （36階、高さ156ｍ） 東京スカイツリー （29階、高さ634ｍ） 超高層ビル のゆれ 森 保宏氏（名古 屋大学大学院 ） 資料に加筆構造計算のルート（現在の耐震規定）
中小地震動で構造が無被害（約0.2gの加速度） → 剛構造が基本（大きく変形しない） 大地震動で構造が倒壊せず（約1gの加速度） 2000年導入 超高層建築（柔構造） ４５ｍを超える建築物 は、構造評定が必要 構造計算不要 構造計算必要 免震・制震建築など特殊建築も超高層と同様 → 剛構造 1981年 評定による外 部評価など高 い耐震性能2003年十勝沖地震による石油タンク被害
2004年NHKスペシャル「地震波が巨大構造物を襲う」
で取り上げられ、「長周期地震動」として全国的に注目
• 2003年十勝沖地震
速度応答スペクトル（ h=1%, ７秒EW成分） http://www.fri.go.jp/bosai/tokachi_lpgm.html勇払平野
（苫小牧）
震源
⇒国として長周期・長時間地震動対策を推進（2016年国交省の対策へ）
（畑山・座間, 2004）2011年東日本大震災
震度分布と建物・人的被害
地震調査研究推進本部資料より 「東日本大震災での震度分布」 （2011年4月12日更新） 消防庁発表（2014/9/10） 人的被害 死者: 19,074 (約9割は溺死) 行方不明: 2,633 負傷: 6,219、重傷：697 避難者：70,077 建物被害 全壊: 127,361 半壊: 272,277 一部破損: 762,277 火災：330 建物被害と死者数（内閣府） 約1万9千人の死者・行方 不明者のうち、内陸での死 者・行方不明数は、125人 （総務省消防庁発表被害報 平成24年3月11日現在、死 者・行方不明者の0.6%） （http://www.bousai.go.jp/jishin/nanka i/taisaku/pdf/2_2.pdf） 震源 と断層域大阪府咲洲庁舎（５５階 高さ256 m）と長周期地震動
• 建物の固有周期と地盤の卓越周期が一致（約７秒で共振）
• スプリンクラー破損による漏水、階段壁面のパネル落下、100 カ
所以上のひび割れ、エレベータによる閉じ込めなど多数の被害
• 震災直後、上層階の被害を防災センターで全く理解できなかった
小山（２０１１）：第３９回地盤震動シンポジウム資料（2011/11/15（火）） 1F SW-NE (max 9.1 cm) 1F NW-SE (max 7.8 cm) 52F SW-NE (max 137.1 cm) 52F NW-SE (max 83.7 cm) 2000年告示（損傷限界） 2000年告示（安全限界） 変位波形 擬似速度応 答スペクトル首都圏湾岸地域における長周期地震動の増幅
日本建築学会「永野他、長周期地震動対策に関する公開研究集会(2012)」 速度応答スペクトル ⇒ 湾岸地域での長周期地震動の増幅は堆積層に加え、厚い沖積層も寄与 但し、波の到来方向により地震動特性（卓越周期・増幅）は大きく変化する 2000年告示（損傷限界） 2000年告示（安全限界）2011年東日本大震災における
工学院大学新宿キャンパスでの揺れ
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 0 100 200 300 400 階 cm/s2 最大加速度 NS EW 計測震度 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 最大変位 NS EW cm ３Ｄ揺れ - 1 0 - 5 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 .0 3 .5 4.0 4 .5 5 .0 5 .5 6 .0 6 .5 オフィス棟 大学棟 階 階 大学棟 南北方向の揺れ：加速度（短周期地震動） 大学棟 １階： 最大 97.0 gal 29階： 最大 291 gal （震度5.9） 22階： 最大 154 gal 16階： 最大 232 gal 8階： （ノイズあり） B6階： 最大 78.4 gal（震度4.4） -100m：最大 50.0 gal（震度4.1） 600 秒 0 工学院大学新宿（２８階Ｓ造）建物構造は無被害
ALC版
鉄骨造・高層の建物断面
構造部材（柱・はり）と非構造部材
梁 柱 非耐力壁 棚 床スラブ 天井材 配管２０１１年東日本大震災における
工学院大学の被害状況と対応（新宿：震度５弱）
28F(天井パネルの落下) 24F(本棚の転倒、間仕切り壁の大変形) エレベータケーブルの絡まり 駅周辺の大混乱 帰宅困難者の受入（約700名） (本学の写真ではありません)東日本大震災における都内高層建物の室内被害
（オフィス家具の被害：東京消防庁）
23東京消防庁「家具類の転倒・落下・移動防止対策ハンドブック」
http://www.tfd.metro.tokyo.jp/hp-bousaika/kaguten/handbook/all.pdf 什器転倒東日本大震災で東京消防庁管内で発生した火災事例
（東京消防庁、消防科学防災センター）
主な出火原因（全火災３２件、６月８日現在） 電気ストーブから出火 鑑賞魚用水槽から出火 ガステーブルから出火25
東京都帰宅困難者対策条例（2013年３月施行）
→ 首都圏で515万人（幹線道路麻痺・大群衆が危険因子に）
○ 一斉帰宅の抑制
• 都民の取組 むやみに移動しない
、
家族との連絡手段を複数確保するなど事前準備（１７１、携帯伝言・・・）
• 事業者の取組 従業員の一斉帰宅の抑制
施設の安全確保、３日分の水・食糧など、従業員との連絡手段の確保な
ど事前準備、駅などにおける利用者の保護、生徒・児童等の安全確保
○ 安否確認と情報提供のための体制整備
○ 一時滞在施設の確保（国や自治体、民間施設）
○ 状況安定後の帰宅支援
（帰宅支援ステーション、代替輸送手段など）
→ 住宅・マンションも同様に、避難民にならない・自宅に留まる対策を
最大340万人(含:ライフライン停止)。本来、避難所は家を失った人へ！
→ 大震災時に家族との連絡は困難、家庭･職場･学校で万全な対策を
耐震性能の向上、家具類の落下・転倒防止、最低３日分の備蓄、普段か
ら地域での共助体制、171などに加えて被害外への共通の連絡先など
2011年東北地方 太平洋沖地震東日本大震災以前
東日本大震災以後
地震調査研究推進本部：「南海トラフの地震の長期評価について（2001、2013）」 海溝型巨大地震は固有地震説に より予測しやすいはず、だった・・・ 全くの想定外だった超巨大地震（M9地震） を受け、防災目的より最大級地震も考慮南海トラフ巨大地震の長期評価の場合
「固有地震」
から防災上の
最大級地震を含む
「多様性ある地震」
の評価へ→地震ハザード評価値の増大
超高層建築物の構造躯体への影響に関する実証的研究
文部科学省「都市の脆弱性が引き起こす激甚災害の軽減化プロジェクト」
～ 鉄骨造高層建物の崩壊余裕度の定量化～
南海トラフ３連動地
震（M8.7）による３大
都市圏の平均的特
性の計算波形を入力
・入力レベル（pSv）
420 cm/s（告示5倍）
の３回目、層間変形
角1/28で倒壊
１８階建てＳ造の1/3縮尺
モデル対象とした長周期地
震動による振動台実験
（1×3スパン、平面5×6m、
高さ25.3m、重量約420トン）
鉄骨造高層建物のE-ディフェンス振動台実験結果にゆいて（京都大学、2014年2月25日） →単純な縮尺モデルではあるが、倒壊に至るまで想定よりも高い余裕度を確認国土交通省：超高層建築等における南海トラフ沿いの巨大
地震による長周期地震動への対策（平成28年6月24日）
（建設省通知） ・対象地震：南海トラフ沿いで約100～150年間隔で発生しているＭ８～９クラスの地震 ・対象地域：静岡・中京・大阪・関東の各地域 ・対象建物：平成29年4月1日以降、大臣認定による新築の超高層建築・免震建築など ・主な対策：耐震設計、家具の転倒・移動防止、長時間繰返し累積変形の影響（500秒以上） 3大都市圏と静岡地域のゾーン別の設計用疑似速度応答スペクトル（黒線は告示レベル２） →相模トラフ巨大地震の想定と対策を内閣府で検討中。元基準法より余裕をみた設計が必要 告示L2 静岡・中京・大阪では最大で現行基準の２倍！ 揺れの 比較29
長周期パルスと建物被害：1995年阪神・淡路大震災
同時多発火災（２８５件） 建物被害：５１２,８８２棟
多くの病院も被災 建物倒壊と火災発生が震災の帯の集中活断層地震，震度７
約20秒の揺れ 周期約１秒のキラーパルス1995年兵庫県南部地震
（M7.3、1月17日 5時46分） 死者：6,434名 負傷者： 43,792名 直接死 5,520名 約8割：建物倒壊による圧死 約1割：家具類等の転倒による圧死 約1割：焼死 関連死 914名 仮設住宅孤独死者数：233名 災害復興住宅孤独死者数：396名 被害 医療 http://dil.bosai.go.jp/workshop/01kouza_kiso/kasai/f5.ht m震源断層近傍の強震動特性
ー震源特性（点震源の放射特性）ー
振幅0 振幅0 振幅0 振幅0 振幅最大 振幅最大 振幅最大 振幅最大 P 波 振幅0 振幅0 振幅0 振幅0 振幅最大 振幅最大 振幅最大 S 波震源断層近傍の強震動：
ランダム波と指向性パルス波の成因
破壊の伝播速度 ≒S波の伝播速度 破壊が 近づく サイト 破壊が 遠ざかる サイト ランダムな重ね合わせ コヒーレントな重ね合わせ （エルセントロ波など） （神戸波など） ランダムな重ね合わせ （2016年熊本地震の複雑な震源・伝播特性？） 震源 （破壊開始点） 観測点 （破壊伝播が近づく側） 地表面 SMGA/ アスペリティー 断層面 直交成分 破壊 伝播 要素地震波の重ね合わせ 益城？ 益城？要素地震
振幅１
１９９５年兵庫県南部地震
アスペリティー・強震動生成域（SMGA）と
指向性パルスの例
松島・ 川瀬（AIJ、2000） -155 0 155 0 5 10 15 20 25 Time(sec) V el (k ine) JMA-simu(FN) JMA-obs -155 0 155 0 5 10 15 20 25 Time(sec) V e l( ki ne) MOT-simu(FN) MOT-obs -220 155 0 5 10 15 20 25 Time(sec) V e l( ki ne) TKT-simu(FN) ( )No.5の寄与
⇒神戸市内多数の建物は断層直交
方向に倒壊・傾斜（久田、
1998）
⇒強震動予測レシピ
（地震調査推進本部など）へ
・非常に単純な人工的パルス波を出
すことに要注意（正確な予測は困難）
地表地震断層とフリングパルス/ステップ
観測点 A 観測点 B 地表面 観測点 C 観測点 D 上盤 下盤 (a) 横ずれ断層の場合 (b) 逆断層の場合 1999年台湾・集集地震における地表断層直上の建物の被害例（逆断層） ⇒M7程度以上で、震源断層より浅い厚さ数ｋｍの表層を切断する地表地震断層 が出現。地表地震断層の近傍では短周期地震動は大きくないが、大速度・変 位や地盤傾斜が生じ、超高層・免震建築は要注意地表断層出現とフリングステップ
1999 台湾・集集地震
（逆断層・上盤側）
石岡
活断層と地表地震断層（地質調査総合センター）2016年熊本地震の地表地震断層と建物被害調査
高木 参加機関（延べ17名）： 工学院大・安藤ハザマ 東京電機大・土木研 鱒沢工学研究所 減災アトリエ 期間： 2016年5月7～8日 2016年5月25日 調査法： 外観目視（岡田・高井 チェックシートなど） 一部、ヒアリング 調査建物（全224棟） 地表断層近傍 うち、断層直上36棟 木造・82％ １・２階・95％ 非常に古い・50％ 倒壊・14％（殆どが 非常に古い倉庫） 全壊・11% 地表地震断層（堂園） 死者（2017/9） 直接死：50名 関連死：200名以上 （豪雨：5名） 上盤（沈下） 下盤（隆起） 益城町役場 西原村役場建物被害調査（高木）
③非常に古い準伝統木造住宅（束基礎）、Ｄ４（大破） ①古い在来木造（RCブロック基礎）、Ｄ４（大破） ②新しい住宅（軽量Ｓ？、べた基礎）、Ｄ１（軽微） 無被害 軽微 小破 中破 大破 倒壊 39棟中 大破7棟(18%) 倒壊１棟(3%)西原村役場の加速度・速度・変位波形
・指向性パルスよりもフリングステップが明瞭（NHKスペシャルでは長周期パルス） ⇒ 破壊過程・グリーン関数の複雑さ？ 免震・超高層建築には非常に厳しい 加速度 速度（基線補正） 変位 速度応答スペクトル(5%) 速度波形の平面内軌跡 ‐1000 ‐500 0 500 1000 0 20 40 60 acceler atio n (g al ) time (s) 西原村役場 加速度NS ‐1000 ‐500 0 500 1000 0 20 40 60 acceler ation (g al ) time (s) 西原村役場 加速度EW ‐1000 ‐500 0 500 1000 0 20 40 60 acceler ation (g al ) time (s) 西原村役場 加速度UD ‐150 ‐100 ‐50 0 50 100 150 0 20 40 60 di spl acemen t (cm ) time (s) 西原村役場 変位NS ‐50 0 50 100 150 200 0 20 40 60 displac e men t (cm ) time (s) 西原村役場 変位EW ‐200 ‐150 ‐100 ‐50 0 50 0 20 40 60 di spl acemen t (c m) time (s) 西原村役場 変位UD ‐200 ‐100 0 100 200 0 20 40 60 ve lo ci ty (c m /s ) time (s) 西原村役場 速度NS ‐150 ‐50 50 150 250 0 20 40 60 ve lo ci ty (cm /s ) time (s) 西原村役場 速度EW ‐200 ‐100 0 100 200 0 20 40 60 velocity (cm /s) time (s) 西原村役場 速度UD ‐300 ‐200 ‐100 0 100 200 300 ‐300 ‐200 ‐100 0 100 200 300 S ‐ N (cm /s ) W ‐ E (cm/s) 西原村役場 0 200 400 0 2 4 6 ve lo ci ty (cv m /s ) period (s) 西原村役場 NS EW UD 建物の揺れ 2000年告示（安全限界）震災対策：首都直下地震の想定被害（
2013年内閣府
）
首都圏の大半６弱 区部は６強以上 都心南部直下地震の震度分布 都心南部直下地震焼失棟数
冬・夕 風速8ｍ m/s 最悪条件（冬・夕方・風速8 m/s） ・全壊・焼失棟数 61万棟、 ・死者2.3万人、負傷者12.3万人 （重傷：2.4万人）、要救助者5.8万人 ⇒フィリピンプレート内の地震。比較的浅い 地震だが、地表地震断層は現れない問題は活断層：都心直下に存在し、活動する？
出典 http://gendai.ismedia.jp/articles/-/33416 研究グループ：豊蔵勇氏（元日本活断層学会副会長） 立川断層 首都圏の活断層帯 首都圏の厚い堆積層 (m)Building Near Faults (by J.D. Bray, 2012) 断層変位に対するリスク評価と工学 的な対応（日本原子力学会、2017） 熊本地震による南阿蘇の地表地震 断層（国土交通省・国土地理院）
