地震と長周期地震動が関係しているのは、地震が地盤を揺らすとさまざまな周期の地震波が生まれ、その中に「ゆっくり大きく揺れる長い周期の成分」が含まれるためです。とくに規模の大きな地震では長い周期の揺れが強くなりやすく、その成分が遠くまで伝わったり、高層ビルなどの固有周期と重なって共振したりすると、大きく長く揺れることがあります。
つまり、長周期地震動は地震とは別の現象ではなく、地震によって生じる地震動の一種です。ただし、すべての地震で同じように強い長周期地震動が起こるわけではありません。地震の規模や震源の深さ、地震波が通る地盤、建物側の性質などが関係します。
長周期地震動とは何か
地震が起きると、地面は一種類のリズムだけで揺れるわけではありません。短く細かな揺れから、ゆっくりした大きな揺れまで、さまざまな周期の地震動が同時に含まれます。
ここでいう「周期」とは、揺れが一往復するのにかかる時間のことです。周期が短ければ素早く細かい揺れになり、周期が長ければゆっくりした揺れになります。
気象庁は、規模の大きな地震で生じる周期の長い大きな揺れを長周期地震動と呼んでいます。長周期地震動は、高層ビルを大きく、しかも長時間揺らすことがあり、震源から数百km離れた地域にまで影響する場合があります。
なぜ大きな地震ほど長周期地震動が生じやすいのか
地震は、地下の断層が急激にずれて岩盤にたまっていたひずみエネルギーが解放されることで起こります。そのとき、断層のずれによってさまざまな周波数・周期の地震波が発生します。
規模が大きな地震ほど、一般に断層の破壊領域が広く、破壊が続く時間も長くなります。そのため、短周期の揺れだけでなく、より長い周期の成分も強く含まれやすくなります。
気象庁も、マグニチュードが大きい地震ほど長い周期の揺れが大きくなると説明しています。また、長周期地震動の主成分となる表面波は、震源が浅い地震ほど卓越しやすいため、浅くて規模の大きな地震ほど長周期地震動が発生しやすいとされています。
なぜ長周期の揺れは遠くまで伝わるのか
地震波は地中や地表を伝わる途中で少しずつ弱まります。ただし、すべての周期成分が同じ速さで減衰するわけではありません。
長周期の波は、短周期の波に比べて伝わる途中で減衰しにくい性質があります。そのため、震源から遠く離れた場所まで比較的強い揺れが届くことがあります。
さらに、地震波が通る経路や到達先に厚い堆積層があると、長周期成分が増幅されることがあります。大都市の中には、厚い堆積層の上に形成されている地域もあります。このため、震源から遠い都市部でも、長周期地震動の影響が大きくなる場合があります。
2011年の東北地方太平洋沖地震では、震源から遠く離れた東京や大阪の高層建物でも長周期地震動による大きな揺れが観測されました。USGSが紹介する研究では、震源から約770km離れた高層建物でも長時間にわたる応答が記録され、長周期の揺れが遠方の高層建物に影響しうることが示されています。
なぜ高層ビルは長周期地震動で大きく揺れやすいのか
建物には、それぞれ「揺れやすい周期」があります。これを固有周期といいます。
一般に、低い建物は固有周期が短く、高層建物ほど固有周期が長くなる傾向があります。高層ビルは背が高く、全体がしなるようにゆっくり揺れるためです。
地震動の周期と建物の固有周期が近づくと、建物の揺れが次第に大きくなることがあります。これが共振です。長周期地震動には数秒程度の周期成分が多く含まれるため、それと固有周期が近い高層建物では大きな応答が生じやすくなります。
ブランコを想像するとわかりやすいでしょう。ブランコが戻ってくるタイミングに合わせて繰り返し力を加えると、少しの力でも揺れが次第に大きくなります。高層ビルと長周期地震動の関係も、基本的にはこれと同じ考え方です。
日本の研究でも、2011年東北地方太平洋沖地震の際、震源から遠い大阪の超高層建物で長周期地震動による大きな応答が観測され、建物の固有周期や減衰特性が揺れ方に強く関係することが報告されています。
「長く揺れる」のはなぜか
長周期地震動では、一回一回の揺れがゆっくりしているだけでなく、建物の揺れが長く続くことがあります。
その理由の一つは、長周期の地震波そのものが比較的減衰しにくく、遠方まで伝わることです。さらに、地盤や建物が共振すると、一度大きくなった揺れがすぐには収まりません。
建物には揺れを少しずつ減らす「減衰」という性質がありますが、減衰が小さい建物では振動エネルギーが長く残ります。そのため、地上では揺れが弱まってきたように感じても、高層階ではゆっくりした揺れが続くことがあります。
震度が小さくても高層階が大きく揺れることがあるのはなぜか
長周期地震動を理解するときに重要なのは、震度と高層建物の揺れは同じものではないという点です。
震度は地表付近の地震計で観測された揺れをもとに、その地点の揺れの強さを表す指標です。一方、長周期地震動では、高層ビル内部でどの程度大きく揺れるかが重要になります。
そのため、地上の震度がそれほど大きくなくても、長周期成分が強く、建物の固有周期と合えば、高層階では大きな揺れになることがあります。
気象庁では、こうした高層ビル内での揺れの大きさを震度だけでは十分に表せないため、別に「長周期地震動階級」を設けています。長周期地震動階級は、固有周期がおおむね1～2秒から7～8秒程度の高層建物を対象に、人がどれだけ動きにくくなるか、家具や什器がどの程度移動・転倒するかなどを考慮して4段階で表します。
長周期地震動でどのような被害が起こるのか
長周期地震動で問題になるのは、建物そのものの構造被害だけではありません。高層階では揺れ幅が大きくなり、室内の家具や設備が大きく移動することがあります。
- 家具や什器が転倒・移動する
- 人が立っていることや歩くことが難しくなる
- エレベーターが停止する
- 天井や内装材、設備機器が損傷する
- 長時間の繰り返し変形で構造部材に負担が蓄積する
長周期地震動を受ける高層建物については、地震応答解析や振動台実験も数多く行われています。研究では、入力される長周期地震動が大きい場合に建物の応答や部材損傷が大きくなることが示されており、ダンパーなどによる制振対策の有効性も検討されています。
すべての大地震で同じ長周期地震動になるわけではない
長周期地震動の強さは、マグニチュードだけで決まりません。
震源の深さ、断層がどの方向へ破壊したか、地震波がどの地盤を通ったか、観測地点の地下構造、建物の固有周期など、さまざまな条件が重なって決まります。
そのため、同じ規模の地震でも地域によって長周期地震動の強さは異なります。また、同じ地域に建っていても、建物の高さや構造が違えば揺れ方も変わります。
「大地震だから必ず高層ビルが大きく揺れる」「震源から遠いから安全」と単純には言えないのが、長周期地震動の特徴です。
長周期地震動への備えで大切なこと
高層建物で長周期地震動に備える場合、まず重要なのは室内の安全対策です。
- 家具や棚を固定する
- キャスター付き家具や機器を固定する
- 落下しやすい物を高い場所に置かない
- 揺れている最中に無理に移動しない
- エレベーター停止を想定して備蓄や連絡手段を用意する
建物側では、制振装置や耐震補強、設備機器の固定などによって被害を抑える対策が取られます。気象庁の長周期地震動に関する情報や、建物管理者からの案内を確認しておくことも重要です。
まとめ
地震と長周期地震動が関係しているのは、地震によって発生するさまざまな周期の地震波の中に、ゆっくりした長い周期の成分が含まれるためです。とくに大規模で浅い地震では長周期成分が強くなりやすく、しかも減衰しにくいため遠くまで伝わります。
その長周期成分が高層ビルの固有周期と近くなると共振が起こり、震源から遠い場所や地上の震度が比較的小さい場所でも、高層階が大きく長く揺れることがあります。
したがって、地震は長周期地震動を生み出す原因であり、地盤や伝播経路、建物の固有周期が、その影響の大きさを決めるという関係にあります。
参考資料
- 気象庁「長周期地震動について」
- 気象庁「長周期地震動の特徴」
- U.S. Geological Survey「Response of a tall building far from the epicenter of the 11 March 2011 M 9.0 Great East Japan earthquake and aftershocks」
- 竹平匠吾・山崎文雄「長周期地震動記録を用いた超高層建物の振動特性の時系列評価」
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