収震は、地震に対する構造物の現実の反応です

 地震力に壁、制震装置などが抵抗することで得られるという耐震性は現実の性質ではなく、机上の性質です。ドライブレコーダー、防犯カメラなどの映像で地震のときの建物や人、物の動きを思い出してください。揺れが小さい内は、地上の物は足元の地面や床の動きを自身の変形の中に収めています。これを、震動を収めるという意味で、収震と呼びます。また、地面の動きが極めて大きくなると、物は全体として地面に対して、傾いたり、ずれたり、ときには、跳躍する運動を生じて過大な変形を回避します。これも含めて、広義の収震といいます。

 損傷と破壊は、構造物のある部分が元の状態に戻れなくなること、つまり、その部分の変形が弾性限界を超えること、言い換えれば、変形が弾性変形からずれることです。従って、いびつな変形でなく、均整の取れた変形をすれば、同じ地面の動きを受けても、損傷を受ける可能性が小さくなります。また、同じ変形でも、弾性限界に達しなければ、つまり、弾性限界の大きな材料で造られていれば、損傷は受けません。収震性を数値化し、これを高めることが、構造的な機能の維持回復能力を高める現実的な方法です。

 耐震補強に用いられる壁や筋交い、免震・制震装置は、いびつな変形を強制して、周りに損傷を起こす危険性があること、特に、耐震補強工事で、後からくっ付けると危険性が高まることは、被災事例、実験結果の分析で明らかになっています。

地震が発生すると慣性力が物を揺らす架空の世界

耐震工学の教科書や耐震基準の解説書は、地震が発生すると構造物には慣性力と称する外力が作用するということを、恰も、物理の法則であるかのように謳い、これに基づいた細かい計算で構造物の安全性が評価されています。これは、慣性力と地震の作用に対する誤解と誤用です。慣性力は、実在する力ではなく、動くところから見ると、止まっているものでも動いて見えるという現象を数式で表したときに生ずる項に過ぎません。英語は、fictitious force(架空の力)です。

現実の世界では、図の左上に描いたように、地震が発生すると震源から伝わってきたエネルギーEによって、地盤も、地盤上の物も動き、変形します。ところが、図の右下に描いた耐震設計の架空の世界では、地震が発生すると、全ての物の全ての部分に、慣性力qが発生し、これらを一斉に動かします。太陽も雲も、物の位置を測定する絶対座標系の原点Oも動き出す奇妙な世界です。全ての物を1つの点で表す1質点系と呼ばれる世界であれば、地震の作用を慣性力で表すことができますが、現実の世界では無理です。耐震設計が描く構造物は、1質点系を見かけ上3次元に拡張した架空の世界のものであると考えられます。

現実の世界の建物の揺れと架空の世界の揺れ

  • 耐震設計用のソフトの揺れ
  • 実際の揺れ

左のアニメーションは、耐震設計用のソフトで描いた6階建のマンションの地震による揺れです。建物を点と線でモデル化して、各点に慣性力を掛けて計算されています。一番下の点(面)は全く動いていません。各階はほとんど傾かずに動いているだけです。右のアニメーションは、このマンションに一階おきに計測器を置いて、実際の揺れを計って映像化したものです。一番下の一階の床面がまず動いて、この揺れが上に伝わっていき、屋上で反射して、戻ってきた揺れと重なって、各層が傾きを伴いながら、複雑な動きをしていることが分ります。これが現実の現象です。一番下が動かないのに上に載っているものが勝手に動くのは架空の力である慣性力による計算の結果で、現実にはあり得ない映像です。

耐震設計の結果1 応力集中、増大、及び大きな揺れ

図の左に描いたように、耐震設計の架空の世界では、地震が起っても地盤は変形しないし動きません。慣性力あるいは地震力と呼ばれる外力が構造物を揺らし、変形させます。地震力は、耐震基準の計算式に従うので、必要な抵抗力を得る為に、鉄骨ブレースや壁、あるいは、免震・制震装置を入れることで、倒壊を防止できます。ところが、現実の世界では、右の図のように、これらは、応力の増大、集中をまねき、周囲を破壊するか自分が破壊する危険性が生じます。構造物の内部と上部には、大きな加速度を生じるので設備機器が損壊する危険性も増します。耐震設計は、架空の力に対して現実の物で抵抗しようとするので、このような不合理を生じてしまいます。実際に建物にどのような力が生ずるかは、建物の周囲の地盤がどのように揺れるか、建物がどのように造られているかで全く違ってきます。この事実を無視した結果です。

応力集中、増大、及び大きな揺れの被災事例

写真は、2010年までに、鉄骨ブレースによる耐震補強が完了していた校舎です。翌年の東日本大震災で、被災しました。専門家の調査では、修繕で対応できるということでしたが、町は建て替えを表明し、取り壊され、町費で2階建てに建て替えられました。架空の世界で慣性力に対して改修設計された構造物は、現実の世界の地震に遭遇すると、変形を抑えきれずに破壊する。内部は大きな加速度を受けて損傷するということを、この事例は、大きな精神的苦痛と経済損失とともに示しています。

耐震設計の結果2 不自由な足元

耐震設計の専門家は、図の左のように、慣性力は、空中から作用し、壁が受けとめて、上階から下階へ流れて基礎から地盤に伝わると教えられています。従って、基礎と土台、柱は地面と離れないように緊結します。架空の世界では、慣性力つまり地震は設計基準や告示に従うので、緊結が切れたり、柱が折れたりすることはありません。現実は、逆様で、地面が動き、1階から上層階へ、地震波が伝わっていきます。足元が適度に浮き上がったり、動いたりして、構造物が全体として自然に運動することが地震の作用を和らげることになります。現実の地震では地面は傾きをともない上下左右に激しく動くので、免震装置は、この動きで、自身が破壊するか、取り付け部が破壊する危険が生じます。基礎と構造体の緊結に関する不合理な考え方は、本末転倒した現代の耐震計算の帰結であり、この技術は大地震には適用できないことを示すものであると考えられます。

収震性の実大実験による確認

Eディフェンス

写真は、2009年10月に、E―ディフェンスを使って行われた3階建ての木造住宅2棟を並べて震度6強の揺れを加える公開震動台実験です。向かって左は、旧基準で、耐震診断で現行基準並みでないと判定されるもの、右が、現行基準を1.5倍上回る耐震性があるように補強してあり、長期優良住宅としてお墨付きが与えられ、様々な優遇が受けられるというものです。

  • Eディフェンス
  • Eディフェンス

実験動画が公開されていますが、右がひっくり返り、旧基準の方は電燈も消えていません。柱が浮き上がって、構造全体で生き物のように自然に運動し変形して震動台の動きに対してバランスを取ってました。これが収震です。一方、右は、足元が震動台に縛り付けられたように不自由な動きしかできずに、1階と2階の間で折れる不自然な変形を強いられて結局倒壊していることが見て取れます。耐震補強が収震性を殺してしまった結果であると考えられます。

収震性の高い収震構造

収震性は、物の基本的な性質ですので、連続体力学で表現できます。地震は、図に矢印で描いたように震源から放出された震動エネルギーEが、周辺の地盤から構造物へ流入することにより、構造物が震動する現象であると考えられます。構造物の損傷は震動エネルギーが内部で非弾性力に変わることにより生ずる。倒壊は、重力に対する支持力を失うことによって起こると捉えることができます。収震性が高く、大地震の作用を受けても使い続けられる構造は、次のような構造であると考えられます。

  • 震動エネルギーの構造物への入射量を減らし、構造物からの放出量を増やす
  • 内部で非弾性応力と非弾性ひずみに変わる量を減らす
  • 構造物内でのエネルギーの集中を避ける
  • 重力に対する支持力を失わない

以上の性質を備えた構造を、震動エネルギーを収める構造という意味で、収震構造Seismic Restoring Structure)と呼びます。

現実の性質に注目する収震設計

地上の物は、元の運動と形を保とうとする慣性と弾性と呼ばれる性質を持っています。地面の動き、即ち、震動を、自身の変形に収める性質である収震性はこの現れであると考えられます。この性質を高めて、地盤が大きく動いても、構造物が元の形に戻り、重力に対して自身と内容物を支持し続けられるようにすることが収震設計であり、これを可能にする補強が収震補強です。
収震性は、構造物の弾性変形の中にある性質です。弾性変形の形状は幾つかの固有の変形形状(モード)の重ね合わせになることが連続体力学から導かれています。損傷と破壊は、弾性変形からずれた変形、即ち、非弾性変形が強制されることによって生ずると考えられます。収震設計は、対象とする構造物の固有変形を計測し、多様な指標値により、収震性を数値化し、これを、収震性の高い形に整え、弾性限界を大きくすることで、大地震でも使い続けられる構造物を造ることを目指す方法です。構造物の変形は図のように立体的なものですので、計測と数値化は、構造解析モデルあるいは実物に対して、上下前後左右の3方向の移動とそれぞれの方向の回転の6自由度で行います。現実の変形は、耐震設計のように、何分の1というように単純に表すことはできません。また、現実の性質である収震性は、耐震性のように、各方向一つずつの数字で表せるようなものでもありません。