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長周期パルス

2017年9月に放送されたNHKスペシャルで、2016年4月16日に発生した熊本地震の際に西原村で観測された「長周期パルス」と呼ばれる地震動記録とそれを用いた高層ビルの揺れのシミュレーション結果が紹介されました。
 ここでは、長周期パルスとはどのようなものなのか、どのような場合に発生するのか、また建物にどのような影響を与えるのかについて解説します。

1.長周期パルスとはどんな揺れなのでしょうか?

 長周期パルスには フリングステップ と 指向性パルスの2種類の揺れがあります。番組で取り上げられた揺れは、このうちのフリングステップに当たります。

 フリングステップは、一般的な地震のように小刻みにがたがた続く揺れではなく、大きく一方向へ一度揺れる現象です。ゆっくり繰り返し揺れる長周期地震動とも異なります。
 図-1はフリングステップでおきる地面の動きを上から観下した模式図で、地面の片側が一方向に動く様子を表しています。図-2は、その動きの速さとずれの量が時間の経過と共にどう変わるかを示しています。この図は実際には複雑な挙動を単純化して書いていますが、地表面はずれたままもと(ゼロ)に戻らず、すれの量が階段のステップのような大きな段差となっていることからフリングステップと呼ばれています。

図-1 フリングステップのイメージ

図-2 フリングステップの速度と変位

 もう一つの 指向性パルス とは、フリングステップと直交する方向の揺れで、一方向のみではなく、1回大きく往復して揺れることが最大の特徴です。地面の中の各部で発生した揺れが重なりあって大きな揺れとなって表れる(揺れの合成による)もので、1995年兵庫県南部地震の際にも観測されています。 フリングステップ指向性パルスの大小関係は一概には言えません。
 
 図-3と図-4に熊本地震の際の西原村の地面の動きを示します。西原村近傍の地中では、主として3か所(図のA1,A2,B)で地盤がずれた領域=断層があり、そのうち、A1の部分の動きが最大でした。この断層A1の動きには典型的なフリングステップ指向性パルスの両方の揺れが観測されています。このように長周期パルスに対しては、二つの揺れへの対策が必要です。

図-3 熊本地震本震の断層モデル
出典: 国土地理院時報 2016 No. 128 図-6「本震の矩形断層モデル/(c)矩形断層モデルの概念図)に青字・青線で加筆
http://www.gsi.go.jp/common/000150946.pdf

図-4 熊本地震本震の際の西原村の揺れ
出典: 気象庁HP 強震波形(熊本県熊本地方の地震) 地方公共団体震度計のデータ 西原村小森
http://www.data.jma.go.jp/svd/eqev/data/kyoshin/jishin/1604160125_kumamoto/index2.html

2.長周期パルスはどんな条件で発生するのでしょうか?

フリングステップは以下のような条件が重なったときに発生しやすいと考えられています。
 1)断層が直下にある、あるいは断層が近い
 2)断層の動きの大きな領域が地表から浅い位置にある
 3)地表に断層の動きが現れる

図-5 西原村直下の断層位置とその断層内で地盤が動いた量
出典:国土地理院時報 2016 No. 128 図-7(b)に青字・青線で加筆
http://www.gsi.go.jp/common/000150946.pdf

 西原村の場合も、図-5のように、地表から0.6km程度の地中に断層があり、比較的地表から浅い位置にあったため、地表に断層の動きがそのまま現れるような地割れが生じ、フリングステップが発生しました。
 
 なお、フリングステップが観測されたのは熊本地震における多くの観測点のうち西原村のみでした。これまで国内で観測された唯一の事例と言われています。1999年の台湾集集地震においても一地点のみで観測されており、世界的に見ても観測例は限られています。

 一方、指向性パルスは、揺れの強さは様々ですが、兵庫県南部地震の例も含め、内陸直下型の地震の場合、断層面の破壊に伴ってほとんどの場合に発生していると考えられます。

3.長周期パルスは建物にどんな影響を及ぼしますか?

 図-6に、西原村で観測された長周期パルスの揺れを用いたモデル建物(鉄骨造30階建て、高さ120m)のシミュレーション結果を示します。モデル建物最上部の揺れは、1階の床に対して、フリングステップの場合に2.2mと建物高さの1/55、指向性パルスの場合は1.4mで1/86と、いずれも大地震時の目安としている1/100よりも大きくなっています。
 
 図-7には、フリングステップを受けた建物の動きをコマ送りイメージで示してみました。地面が一方向に大きく急速に動くので、上の階は一時的に取り残されて建物全体に大きな変形が生じ、それが元に戻る際の勢いで反対側にも更に大きく変形しているのがわかります。 

 最大の変形を生じた後は、フリングステップ指向性パルス共に自然と揺れは小さくなっておさまりますが、最初の一撃によって、設計で想定した以上の被害が建物に生じる可能性があります。

図-6 時間の経過に伴う地面とモデル建物の動き

図-7 モデル建物の変形(変形は25倍に強調)

4.長周期パルスに対してどのような対策があるのでしょうか?

 長周期パルスを想定した地震動を用いて建物の揺れを検討すれば、対策を講じることができます。

 具体的には、個別のプロジェクトごとに長周期パルスの発生条件を確認し、必要に応じて揺れを想定した地震動を用いたシミュレーションを行い、設計に反映します。

 地震動の強さは、建物の重要度や許容できる被害の程度も含めて総合的に決定します。まだ法律では定められていないこのような特殊な地震動も考慮して、より安心な設計を目指しています。