ＢＲＩ－Ｈ２９講演会テキスト

建築研究所の強震観測の 60 年
国際地震工学センター

目
I

はじめに

II

建築研究所の強震観測の歴史

1)

強震計の開発と建築研究所の役割

2)

日本で最初の強震観測網の構築

3)1964 年新潟地震の強震記録

4)

現在に至る強震計の改良・開発

III

建築研究所の強震観測網

IV

主な地震の観測記録とその影響
1993 年釧路地震

2)1994 年三陸はるか沖地震

3)1995 年兵庫県南部地震

4)2003 年十勝沖地震

5)2004 年新潟県中越地震と 2007 年新潟県中越沖地震

6)2011 年東北地方太平洋沖地震
強震記録が明らかにした建物の地震応答

1)

長周期長時間地震動と長周期構造物

2)

建物被害と建物の応答

3)

変化する建物の動特性

VI

強震観測の最近の話題

1)

建築研究所の強震記録の公開と利活用

2)構造ヘルスモニタリングと強震観測

3)

簡便な建物の応答予測

VII

I

鹿嶋俊英

次

1)

V

主任研究員

おわりに

はじめに

が始まった。開発された強震計を使って、建築研究所が強震観

強い地震時の建物や地盤の揺れを計測しようとするのが、強測網の整備を始めたのが 1957 年であり、建築研究所の強震観測

震観測である。実際の地震時に建物を支える地盤がどのようにの歴史は 60 年を数えた。建築研究所の強震観測の歴史は日本の揺れ、その上に建つ建物がどのように応答するかを知ることは、

強震観測の歴史とも重なる。講演では、建築研究所の強震観測

建物の耐震安全性を考える上で欠かせない。

の歴史を振り返り、
1990 年代以降に強震観測で得られた成果と、日本では、1948 年の福井地震を契機に、独自の強震計の開発

強震記録の分析から得られた知見を紹介する。更に、現在の強－ 47 －

震観測を取り巻く現状と将来に向けた課題を考えたい。なお、

震を感知するとロール紙が自走するので、加速度の変化は波形

強震観測の対象は地盤や各種構造物と幅広いが、ここでは主ととしてロール紙上に描かれる仕組みとなっている。

して建物を対象とした強震観測を取り上げる。
2) 日本で最初の強震観測網の構築
II

建築研究所の強震観測の歴史

強震計の開発が成功し、その関係者の熱心な働きかけから強本章では、1950 年代に始まった強震計の開発から 1990 年代

震観測の重要性が認められ、総理府資源調査会は 1955 年に「強後半に至る強震観測と強震計の開発の歴史を、主な記録の紹介

震測定計画に関する勧告」を行う。この勧告は気象官署、建築土
木構造物を対象に 116 箇所 413 台の強震計の設置を求めているを交えて振り返る。

3)。
これを受けて 1956~1957 年に建設省で予算措置がなされて 25

1) 強震計の開発と建築研究所の役割

台の強震計が設置され、その強震計の移管を受けて建築研究所

1948 年福井地震を契機に、大地震時の地盤や建物の揺れを測

が建物を対象とした全国的な観測網を展開して行くこととなっ定することの必要性が痛感され、1951 年に東京大学地震研究所、た。強震観測台帳 4) によれば、1958 年 1 月から 2 月にかけて、

東京大学建築学教室、建築研究所、明石製作所の研究者と技術東北大学建築学科本館、新潟県庁舎、広島県庁舎、秋田県庁舎に者によって標準強震計試作試験研究委員会が組織された 1)。こ強震計が設置されている。以来、現在まで途絶えることなく、建の委員会はいかなる大地震にも耐え得る実用的な強震計の開発

築研究所は強震観測網の維持管理と充実を図ってきた。

を目指し、強震計の設計、試作、試験を行なった。1951 年 9 月には試作機の公開実験が、当時新宿区百人町にあった建築研究

3) 1964 年新潟地震の強震記録所で行われている 2)。1953 年 3 月には標準型強震計の 1 号機が強震観測が、最初にその威力を見せたのは、1964 年の新潟地完成し、委員会の名称(Strong Motion Accelerometer Committee)か震である。新潟市川岸町にあった県営アパートは、地盤の液状

1)。SMAC 型強震計を写真 1化によって、転倒や傾斜する被害を受けた(写真 2)。傾斜したアに示す。SMAC 型強震計は、水平 2 成分、鉛直 1 成分の計 3 成

パートのひとつに建築研究所の強震計が設置してあり、見事にら SMAC 型強震計と名付けられた分の振り子式の加速度センサーを有している。振り子式の加速度センサーは重さ 6 kg の錘に板バネと空気減衰器を持たせたもので、錘の動きを梃子で拡大し、ロール紙上のペンを動かす。地写真 2 1964 年新潟地震・川岸町アパートの被害状況 5)
Acc. (cm/s²)

250

Acceleration
B1F-NS (peak: -132.2cm/s²)0Acc. (cm/s²)

-250
250

B1F-EW (peak: 208.4cm/s²)0Acc. (cm/s²)

-250
250

-250

写真 1 SMAC 型強震計

B1F-UD (peak: -50.65cm/s²)

0

0

10

20

30
Time (s)

40

50

60

図 1 1964 年新潟地震・川岸町アパート地下階の強震記録 6) 7)－ 48 －

強震記録を採取することができた。この記録については、そのドなどに書き込む。デジタル化のメリットは数多いが、従来の後も再数値化され、長周期地震動の検討に用いられたりしていロール紙の上に描かれた記録やカセットテープ上の電気記録でる 6)。再数値化されたアパート地下階で得られた 1964 年新潟地はデジタル化処理をしなくては強震記録をコンピュータで扱え

震の強震記録を図 1 に示す。この強震記録によって、強震観測なかったが、この手間がなくなったことが最も大きい。またデの有用性が実証され、その後の各機関の強震観測網の構築や増ジタル記録であれば遠隔であっても、何らかの通信手段を使っ強を推進することになった。

て容易に記録の転送が可能となる。つまり、デジタル化によって多大な省力化が実現され、データ処理の迅速化が図られた。

4) 現在に至る強震計の改良・開発

写真 4 は、SMAC-MD 型と呼ばれる初期のデジタル強震計であ最初に開発された SMAC 型強震計は、頑強で信頼性の高い機る。16 ビットの AD 変換器を採用し、自動校正可能な時計、メ器であった。一方で、幅 84 cm、奥行き 74 cm、高さ 56 cm、重モリカード記録、遅延記録、通信機能、任意の条件での起動停止

さ 300 kg と大きく重く、また高価であった。本格的な強震計の設定など、現代の強震計が有する標準的な機能はすべて備えて普及のために、引き続き改良が加えられ、多くの後継モデルをいた。また、複数の測定点を測りたい時は外部加速度計を増設生み出した。その過程で強震計の小型化、軽量化が図られてきできるなど、拡張性にも優れている。

たが、1960 年代までは、基本的には SMAC のシステムを踏襲す

その後も、分解能の向上やインターネットなど新しい通信技

る振り子式のセンサーを用いた機械式の強震計が主流であった。

術への対応など、強震計は進化を続けている。現在、建築研究所

1970 年代に入ると、強震計も「電化」が図られる。1973 年ご

では、複数の種類のデジタル強震計を使い分けている。

ろから導入が始まった SMAC-M 型強震計は、サーボ型の加速度センサーを有し、加速度記録は終始電気的に処理され、フィリ

III 建築研究所の強震観測網

ップス型のコンパクトカセットテープに収録される。サーボ型

1957 年に始まった建築研究所の強震観測網の構築は、全国のの加速度センサーは、従来の機械式のセンサーに比べ、極めて主要な都市に建つ、国や地方自治体の庁舎などに設置する形で小型軽量であるにも関わらず、観測記録の大幅な質の向上を実構築されてきた。いつ、どこで発生するかわからない地震に備現した。また、機械的な機構の排除とカセットテープの採用は、えるため、広く網を張る考え方であり、現在でもベースとなっ強震計本体の小型化を図り、強震計や観測記録の取り扱いを容ている。
一方で、建築研究所は 1983 年より仙台高密度強震観測を開始

易にした (写真 3)。
1980 年代に入ると、強震計にもデジタル化の波が来る。加速度する。これは、特に表層地盤が地震動に与える影響を解明する

センサーの信号を早い段階でデジタル化して、以降の処理はデために、地中と地表に加速度計を有する強震観測装置を、仙台

ジタル信号として扱う。収録もデジタル記録としてメモリカー

写真 3 SMAC-M 型強震計

写真 4 SMAC-MD 型強震計

－ 49 －

市とその周辺に高密度に配置したものである。当初、建築研究となっている。図 2 に建築研究所の観測地点の位置を示す。仙

所単独のプロジェクトであったが、1987 年からは官民共同研究

台市とその周辺には、仙台高密度強震観測で整備した観測地点として観測地点の整備が進められ、1989 年に計 11 観測地点のが一部残っている。また、東京を中心とした関東地域には、首都観測網が完成した。各観測地点の強震観測装置は 3 台の加速度

圏地震動観測網として整備した観測地点があり、一段と観測密センサーを有しており、それぞれ地表、工学的基盤上、及びその度が高くなっている。ほとんどの強震計は、アナログ電話回線

中間深度に埋設された。官民共同研究としての観測は 1999 年まやインターネットを通じて建築研究所と結ばれており、観測パ

で続き、得られた強震記録は地盤増幅の定量的な評価手法の開ラメータの変更や記録の回収は遠隔で行える。
各観測地点の観測対象による分類を図 3 に示す。観測対象が発に利用された。
また、1995 年兵庫県南部地震を受け、大都市圏の地震防災対「地盤」は純粋に地盤上や地中にセンサーが配置されている観策に資することを目的に、首都圏地震動観測網を構築した。こ測地点である。観測対象が「建物基部のみ」の観測地点では、低れは東京を中心とした首都圏に 20 か所の観測地点を新たに設

層建物の地下階や 1 階に 1 台のセンサーを有している。併せてけたものである。観測の対象は建物であり、可能であれば建物

19 地点では観測対象が「地盤」あるいは「建物基部のみ」となと敷地地盤の同時観測を行っている。

っており、その地域の地震動の特性を知るための観測となる。

更に 2013 年には、2010 年から 2012 年にかけて実施された国

観測対象が「建物」は、少なくとも建物の頂部と基部に加速度セ

土交通省の建築基準整備促進事業で整備された 6 つの観測地点

ンサーを有し、建物によっては更にセンサーが追加されているを買い取り、建築研究所の強震観測網に加えた。これらの観測観測地点である。半数近くの観測地点ではこのような観測体制

地点は、長周期地震動に対する鉄筋コンクリート造建築物、鉄となっており、その強震記録からは地震時の対象建物の動的な骨造建築物、及び免震建築物の安全性検証方法に関する検討の挙動が検討できる。観測対象が「建物と地表」は、建物内の複数ために設けられたもので、東京、名古屋及び大阪に建つ超高層のセンサーに加え、地盤上にもセンサーを有する観測地点であ

鉄筋コンクリート造 2 棟、超高層鉄骨造 2 棟、免震構造 2 棟とる。地盤と建物の相互作用によって、地表で観測される地震動なっている。

と建物に入力する地震動は異なるので、そのような現象を解明

このような経緯があり、また従来からの観測網も随時見直し

するための観測体制となっている。更に、観測対象が「建物と地と改廃を行っており、現在の建築研究所の観測地点は計 87 か所盤」となっている観測地点では、「建物と地表」に加えて、地中にもセンサーを配している。地盤増幅、地盤と建物の相互作用、及び建物の地震応答を総合的に捉えることができる。
観測対象が「建物」、「建物と地表」、「建物と地盤」となっている観測地点の建物数の合計は、68 棟となる(2 棟の建物を有する
観測地点がひとつある)。それらの建物の階数による分類を図 4に示す。低層建物から、超高層建物までバランスよく含まれている。68 棟の建物の構造による分類を図 5 に示す。概して、低層建物は RC 造、中層建物は SRC 造、高層建物は S 造が多くなっている。また、観測対象建物には、9 棟の免震建物と、11 棟の高さ60 m 超の超高層建物(内5 棟は制振装置付)が含まれている。

図 2 建築研究所の強震観測地点－ 50 －

建物と地盤, 5IV 主な地震の観測記録とその影響
前述のように、1990 年前後からデジタル強震計の導入が始ま

地盤, 10

り、センサーと計測技術の進歩は強震記録の質の向上をもたら
建物基部の
み, 9

建物と地表,
22した。また、小地震の強震記録も分析が可能となったため収録
する強震記録の量も大幅に増加した。本章では、デジタル強震計導入以降の主な地震によって得られた強震記録と、強震観測に与えた影響を振り返る。

建物, 401) 1993 年釧路地震
1993 年 1 月 15 日に発生した釧路沖地震 (M7.5、深さ 101 km)
は、デジタル強震計の威力を見せつける最初の地震となった。
建築研究所が釧路地方気象台に設置していた強震計は、1990 年

図 3 建築研究所の強震観測地点の観測対象による分類に SMAC-M 型からデジタル式の SMAC-MD 型に置き換えられていた。当時の釧路地方気象台敷地内の地盤上に設置されてい20階超, 11

た SMAC-MD 型強震計は、最大加速度が 711 gal (ガル、cm/s2)
1~5階, 1416~20階, 3に達する大加速度の強震記録を採取した (図 6)。
また、
当時気象庁は87型強震計と呼ばれるデジタル強震計を、全国の主要な気象台や測候所に配備していた。釧路地方気象台の 87 型強震計の記録は、さらに大振幅で、最大加速度は 919 gal

11~15階, 7であった 8)。
気象台の周辺の建物には目立った被害がなかったことから、6~10階, 33

大加速度地震動の生成要因と、地震動特性と周辺被害との関係に大きな関心が集まり、産学官連携した大掛かりな調査が行われた例えば 9)。またこの地震を契機に、補正予算を得て、建築研究
所の強震観測網の強震計のデジタル化が進んだ。
図 4 建築研究所の強震観測建物の階数による分類
Acc. (cm/s²)

1000

その他, 1

Acceleration
063-GL (peak: -711.4cm/s²)

0

鉄筋コンク
リート(RC)造,26

153-GL (peak: -637.2cm/s²)

0
-1000
1000

Acc. (cm/s²)

鉄骨(S)造,13

Acc. (cm/s²)

-1000
1000

UP-GL (peak: 363.4cm/s²)

0
-1000

鉄骨鉄筋コン
クリート(SRC)造, 28

0

10

20

30

40
Time (s)

50

60

70

80

図 6 1993 年釧路沖地震・釧路地方気象台地表の強震記録
2) 1994 年三陸はるか沖地震
1994 年 12 月 28 日に発生した三陸はるか沖地震は、青森県八図 5 建築研究所の強震観測建物の構造による分類

戸市の東方約 180 km で発生した M7.6 の地震である。更に 10 日

－ 51 －

後の 1995 年 1 月 7 日は、より陸に近い岩手県沖で M7.2 の余震

免震構造の採用が急増しており、国や自治体の庁舎も例外ではが発生している。この地震により、八戸市を中心に被害が発生なかった。2000 年に新築された釧路地方合同庁舎も、地下階にし、八戸市庁舎旧館も大きく被災した 10)。被災した市庁舎旧館

免震装置を有する 9 階建ての建物である。1993 年釧路沖地震でに隣接していたSRC造5階建ての新館には建築研究所のSMAC-

大加速度記録が得られた釧路地方気象台も釧路地方合同庁舎に

MD 型強震計が設置されており、三陸はるか沖地震の激しい地

移転することとなっていたため、建築研究所は竣工前から合同

震動と建物の大きな揺れを着実に捉えた。建物地下階での最大

庁舎敷地地盤の強震観測を開始し、竣工後は建物内に加速度計

加速度は 416 gal、屋上階での最大加速度は 963 gal に達した。観を増設した。2003 年十勝沖地震の強震記録には、免震装置によ測記録の詳細な分析では、被害によって建物の剛性が低下してる加速度の低減効果が明瞭に表れていた (図 7)。

いることが確認できた

11)。

Sensors

40
20 m

09F

0

Peak Acceleration (cm/s 2)
100
200
300
09F

30
Height (m)3) 1995 年兵庫県南部地震
1995 年 1 月 17 日に発生した兵庫県南部地震は、日本の強震観測にとってエポックメーキングな地震であった。建築研究所

N167E
20

N257E

10

の強震観測網では、大阪や松阪、舞鶴など周辺の観測地点で良01F

Base isolation devices

GL0

好な強震記録が得られたが、神戸市内などの被災地には建築研

01F

GL
B1F

B1F
G10

G10

-10

究所の強震観測地点はなかった。また、神戸市内でも、場所によ-20って被害の様相が大きく異なり、都市域の地盤状況に応じた密な観測の必要性が再認識された。この経験が前述の首都圏地震

G34

G34

動観測網の構築に繋がった。また、情報収集の確度と速度の改善も課題として浮上し、ほぼすべての観測地点を電話回線で結

-30

-40

図 7 2003 年十勝沖地震・釧路地方合同庁舎の最大加速度分布

ぶテレメータ化を実現した。
日本の強震観測の世界では、防災科学技術研究所の K-NET や

5) 2004 年新潟県中越地震と 2007 年新潟県中越沖地震

KiK-net、各都道府県の震度情報ネットワークが新たに構築され、新潟県上中越地方は、
2004 年 10 月 23 日の中越地震(M6.8)と、気象庁の震度観測網も大幅に増強された。これらの観測網は、

2007 年 7 月 16 日の中越沖地震(M6.8)と、立て続けに被害地震に

基本的には地表の地震動を観測するものであり、総計で 5,000 を見舞われた。中越地震の時は、建築研究所の強震観測地点は上超える観測地点が日本全国を覆うこととなった。ちなみに、気越市と新潟市にあり、それぞれ震央から 57 km、71 km 離れてい象庁震度階級は、それまでの体感によるものから、強震計で得るが、震度 5 弱及び震度 4 に相当する強震動の記録を収録してられた加速度記録を処理して算出する方式に改められた。

いる。また中越地震の調査の一環として、小千谷市内の 2 棟の建物で余震観測を行い、建物の地震被害要因の解明に役立てた。

4) 2003 年十勝沖地震

このうち、小千谷小学校では、その後も断続的に余震観測を継21 世紀を迎えるころには、日本の強震観測体制は非常に充実続しており、2007 年新潟県中越沖地震の強震記録を得ることがしたものとなっていた。建築研究所の強震観測網も、それなりできた 12)。建築研究所の強震観測では、恒常的な観測網に加え、に、増強されていた。

余震観測や臨時観測などにも機動的に取り組んでいる 13), 14)など。

2003 年十勝沖地震は、9 月 26 日に北海道襟裳岬東南東約 80
km の沖合で発生した M8.0 の巨大地震であった。北海道から関6) 2011 年東北地方太平洋沖地震

東北部まで、広範囲で揺れが観測され、北海道を中心に被害が2011 年 3 月 11 日 14 時 46 分に発生した東北地方太平洋沖地発生した。この地震で特に注目されたのは、苫小牧市で観測さ震の強烈な地震動とその未曽有の地震と津波の被害は、未だれた長周期・長時間地震動であり、苫小牧市の石油タンクの火

生々しい記憶である。牡鹿半島の東南東沖、約 130 km で発しし災の要因となった。

た M9.0 の巨大地震は、北は北海道から、南は九州のいくつかの

兵庫県南部地震以降、その有用性が認められたこともあり、地点に至るまで、日本列島のほとんどの地域を揺らした。

－ 52 －

建築研究所の強震観測網では、当時稼働中であった 79 の観測地点のうち 61 の観測地点で強震記録が得られた 15)。図 8 及び図な新たな知見が得られた。その一部については、次章で紹介したい。

9 に、強震記録が得られた観測地点の位置を示す。観測地点の位置を示す○の色は、計測震度によって色分けされており、濃いV 強震記録が明らかにした建物の地震応答

赤の地点は大きな震度を記録した。建築研究所の強震観測地点

2011 年東北地方太平洋沖地震やその余震では、多くの建物のでは、震度 6 弱が 1 地点、震度 5 強が 17 地点、震度 5 弱が 18

強震記録が得られ、その分析が進んだ。ここでは、以降に明らか地点であった。多くの観測地点では、観測開始以来最強の地震にされた特徴的な建物の地震応答を整理する。

動を経験したことになり、これらの強震記録の分析により様々
44˚

134˚ 135˚ 136˚ 137˚ 138˚˚
139˚ 140˚ 141˚ 142˚ 143˚ 144˚ 145˚ 146

IJMA

43˚
42˚
41˚

HKU

7
6
5
4
3
2
1
0

HKD

東北地方太平洋沖地震では、東京や大阪の長周期構造物が長周42˚

期地震動を実際に体験することになる。建築研究所の強震観測

39˚

圏の超高層建物は 5 分以上大きな揺れが継続したことがわかる
40˚

THU,
SND TAMA2,
MIYA2

NIG

37˚

2011/03/11
14:46(JST)h=24 km, M9.0

38˚
37˚

IWK
NGN

ISK

35˚

KSO
YMN
NGY
SMZ

OSK,
SKS
MTS
135˚

136˚

km

SMS

137˚

138˚

139˚

特筆すべきは、震央から 770 km も離れた大阪湾岸に建つ 55

39˚

TRO

38˚

15)。

MYK

AKT

MIZ

記録の分析からは、仙台市に建つ超高層建物は 3 分以上、首都

HCN2, HCN

HRH

36˚

2003 年十勝沖地震で注目を浴びた長周期地震動だが、2011 年

43˚

41˚

40˚

34˚
134˚

KGC
HRO

1) 長周期長時間地震動と長周期構造物

44˚

0
141˚

140˚

142˚

143˚

100
144˚

38 階、及び 52 階の変位波形(強震記録を積分したもの)を図 10に示す。建物の上層部程、揺れが大きく増幅しているのが分か

36˚る。1 階の最大加速度は 30 gal 強、最大変位は 11 cm 程度であっ35˚

たが、52 階の最大加速度は 130 gal を超え、変位は 130 cm 以上

200
145˚

階建ての超高層建物の地震応答である。
この建物の 1 階、
18 階、

34˚
146˚

に達し、また大きな揺れが 10 分以上続いた。建物の固有周期と地震動の卓越周期が一致した共振現象と、建物自体の減衰が小

図 8 2011 年東北地方太平洋沖地震で強震記録が得られた観測

さかったことが大きな揺れの原因だが、長周期地震動対策の重地点要性を再認識させるものであった。この建物はその後、制振耐

139˚20'36˚20'

139˚40'140˚40'36˚20'

140˚20'140˚00'

震改修が行われている。
150

52階の変位 (最大: 134 cm)

100

ANX, BRI, NCTD

50

NIT

36˚00'

UTK,
NMW,
SMD
KDI

35˚40'MTK

36˚00'

-100

MST

TDS
AKB
ADC
EDG
TKD

ICK

-150
100

FNB

YCY

IJMA

CHB

km

YKH

35˚20'
139˚20'0

139˚40'

0

-50

TUS

SITA, SIT2NKN
YYG
CGC, CG2,
TUF
CG3, NDLG,
NDLM, NDLA
KWS

変位 (cm)TKC

140˚00'35˚40'

7
6
5
4
3
2
1
0

0

-100
30

18階の変位 (最大: 30 cm)

0
-30

50

140˚20'38階の変位 (最大: 85 cm)

10
0
-10

35˚20'
140˚40'1階の変位 (最大: 11 cm)
0

100

200

300

400
500
時間 (秒)

600

700

800

900

図 9 2011 年東北地方太平洋沖地震で強震記録が得られた関東図 10 2011 年東北地方太平洋沖地震・大阪湾岸に建つ超高層

地方の観測地点

建物の地震応答変位－ 53 －

2) 建物被害と建物の応答
建築研究所の強震観測網の中には、2011 年東北地方太平洋沖地震によって、構造的な被害を受けた建物が複数存在した。このような建物で得られた強震記録は、被災の過程を検証するうえで貴重なものである。建築研究所が強震観測を行っている建物の中で、最も甚大な被害を受けたのは、東北大学の青葉山キ
ャンパスにある SRC 造 9 階建ての人間環境系研究棟である(写真 5)。写真 6 に示すように、セットバックしている 3 階の妻壁が曲げ破壊し、壁両端の柱が圧壊した。
この建物の 1 階と 9 階で得られた加速度記録を図 11 の上段ふたつの図に、9 階の変位から 1 階の変位を引いて求めた建物の相対変位を図 11 の中段ふたつの図に示す。加速度波形の濃い太

写真 5 被災前の東北大学人間環境系研究棟

線は 1 階の、薄い細線は 9 階の波形である。また、加速度波形、変位波形の赤い方は建物の短辺方向、青い方は長辺方向に対応する。更に、図 11 の下段には、10 秒ごとの建物の固有周期を強震記録から求めてプロットしている。これらの図からは、地震
動には 30 秒過ぎと 80 秒過ぎに到来するふたつの振幅の大きな波群があったこと、最初の波群で建物はいくらか損傷し固有周期が若干伸びたこと、二番目の波群で更に損傷が進行し、建物の変形は 30 cm を超えていることがわかる。1 階から 9 階床までの高さは 29.6 m なので平均的な層間変形角は 1/100 を超えている。この建物は大破と判定され、2012 年に取り壊された。
この建物では、1978 年宮城県沖地震で、当時設置されていた
SMAC-M 型強震計が 9 階で 1 G (980 gal)を超える記録を採取したのをはじめ、長きに渡って強震観測を行ってきた。この間に間にわたる観測が、容易には得がたい知見を与えてくれた代表例と言えるであろう。

1000
Acc (gal)

幾度も大きな地震動を経験し、耐震補強もされている

写真 6 東北大学人間環境系研究棟の被災状況

16)。長期

Acc (gal)

−1000
1000

な振幅の強震記録が利用可能となった。また、これまでに強震記録が蓄積されてきた建物も、大振幅の強震記録が加わること
によって、分析の幅が広がった。この結果、建物の地震時応答に関する研究が盛んとなった。
建築研究所の地震防災研究センター棟(新館と称する)を例に、振動特性が、経年や振幅によっての変化する様子を見てみる。

−1000
40

Disp (cm)

大な数の強震記録を蓄積することができた。様々な建物の様々

09F(N192E)
01F(N192E)(b) Acc. in N282E

09F(N282E)
01F(N282E)0(c) Rel.Disp. in N192E

0

−40
40

Disp (cm)2011 年東北地方太平洋沖地震とその余震、誘発地震では、膨(d) Rel.Disp. in N282E

0

−40
2.0

T (s)

3) 変化する建物の動特性(a) Acc. in N192E0(e) Natural period

1.5
1.0
0.5

N192E
0

50

100
Time (s)

150

N282E

200

この建物では 1998 年の竣工時から現在まで、建物内や周辺地盤

図 11 2011 年東北地方太平洋沖地震・東北大学人間環境系研

上に高密度にセンサーを配置した観測を行っている。図 12 は、究棟の強震記録、建物変位、及び固有周期の変化－ 54 －

新館の 1 次固有周期と減衰定数の経年変化を示している。上段

東北地方太平洋沖地震前の地震記録から得られた値を と 、以が固有周期、下段が減衰定数を表し、 と はそれぞれ南北方向

降の地震記録から得られた値を と で示している。固有周期をと東西方向に対応する。竣工直後には 0.5 秒強であった固有周

見ると、最大変形角が大きくなると固有周期が長くなる傾向が期は、その後徐々に延びてゆき、2006 年には 0.7 秒程になって明瞭に認められる。東北地方太平洋沖地震の前後いずれでも同いる。その後しばらくは固有周期の延びは収まったように見え様の傾向となっているが、東北地方太平洋沖地震の前の値の方るが、2011 年東北地方太平洋沖地震(緑の破線の時)を受けて固がばらつく。これは、図 12 に表れた経年変化の影響であろう。

有周期が 1 秒前後に延びてそのまま現在に至っている。減衰定

近年、同様の研究はさまざまな規模や構造の建物について行

数に関しては、ばらつきが大きく、経年による傾向は見出し難われており、竣工後 10 年程度の間の固有周期の延びや、振幅がい。

増大すると固有周期が延びる振幅依存性は共通の認識となって次に、振動特性の振幅依存性を見てみる。応答振幅を表す値
として、最大変形角(建物の最大水平変形を 1 階から測定点までいると言える。今後このような知見をどのように耐震安全性の評価に繋げてゆくかが課題となっている。

の高さで割った値)を採用する。最大変形角と、固有周期及び減衰定数の関係を図 13 に示す。上段が固有周期、下段が減衰定数

VI 強震観測の最近の話題
近年の強震観測を取り巻く話題をいくつか取り上げ、建築研

で、それぞれ左が南北方向、右が東西方向を表す。また、記号は究所の強震観測の役割を考えてみたい。
1) 建築研究所の強震記録の公開と利活用
建築研究所の強震観測網で得られた強震記録はウェブサーバ
に登録され、その波形や応答スペクトルを閲覧することができる 17)。また、地盤上や建物の基部で得られた強震記録は、誰でもダウンロードして利用できるようになっている。2017 年末時
点で、ウェブサーバのデータベースに登録されている地震数は
5,288、強震記録の数は 17,266 となっている。ちなみに、東北地
方太平洋沖地震の強震記録で最も早く公開されたものは、建築図 12 建築研究所新館の基本固有周期と減衰定数の経年変化

Natural period (s)

1.5

1.0

0.5

0.0
10

Before 311
After 311NS

8

Damping ratio (%)

EWNSBefore 311
After 311

Before 311
After 311
EW

Before 311
After 311

6
4
2
0
0.02

0.05 0.1 0.2
0.5 12Max. displacement angle (10-3)

5

10 0.020.05 0.1 0.2
0.5 12Max. displacement angle (10-3)510

図 13 建築研究所新館の最大変形角と図 14 建築研究所の強震観測のウェブサイト

固有周期及び減衰定数の関係(http://smo.kenken.go.jp/)－ 55 －

研究所の観測網で得られたものであり、翌々日にウェブ上に掲

ら、現在は防災センターで即時に観測された加速度波形のモニ載された。

タができるようにしている。他にもいくつかの観測地点で、観加えて、建物の上部で得られた強震記録も含めたほとんどの強震記録は、書面による利用申請を行うことで誰でも入手でき

測波形を表示するシステムを導入しており、建物の管理者にとって地震後対応の一助になるものと考えている。

る 18)。2014 年の提供開始以来 50 余件の申請があり、4,000 近い
強震記録を提供している。強震記録の利用目的は、主に研究的

3) 簡便な建物の応答予測なものであり、建物の地震応答の詳細な分析や耐震技術の検証

気象庁が試行的に発表している長周期地震動に関する観測情に、振動実験の入力地震動としても用いられている。日本で強報は、「高層ビル等における地震後の防災対応等の支援を図るた

震観測が行われている建物の数は 500 棟ほどと推計されている

め、長周期地震動による高層ビル内での被害の発生可能性等に19)。観測事例は少なくはないが、数値データを入手して利用でき

ついて」地震発生直後に知らせるもので 21)、いわば応答予測でる建物の数は限られている。その中で建築研究所のデータ公開

ある。気象庁の情報では長周期地震動階級と呼ばれる 1~4 の 4の取り組みは画期的であり、この分野の研究開発の進展に寄与段階の数値で評価しているが、今後研究が進めば、応答変位やするものと信じている。

加速度などより詳細な応答予測も可能となってくるであろう。
地震動の到来に先立って建物の揺れの大きさが予測できれば、

2) 構造ヘルスモニタリングと強震観測

その揺れに備えることができ、地震被害の軽減につながる。将

近年脚光を浴びている技術が、構造ヘルスモニタリングであ来の発展が期待される分野である。強震観測で蓄積された建物

る。Structural Health Monitoring の頭文字を取って SHM とも呼ばの地震応答の資料は、そのような研究開発の基礎となり得る。

れる。以下では単にモニタリングと呼ぶ。モニタリングは、建物など構造物の状態を常時監視し、その健全性に異常が発生した

VII おわりに場合検知する技術やシステムのことである。地震が対象の場合

本稿では、建築研究所の 60 年の強震観測を振り返り、近年明は、構造物の揺れを常時監視し、損傷が検知あるいは想定されらかになった研究成果や、関連する話題を紹介した。建物の強た場合、即座に知らせてくれるシステムとして実装されること

震観測の将来について考えてみて、まとめとしたい。
ここで見てきたように、強震観測は地震工学や耐震工学の発が多い。
建築分野のモニタリング技術は、
1980 年代から議論され、2000

展に少なからぬ貢献をしてきた。いったん大地震が発生すれば、年ごろから研究開発が盛んとなったが、2011 年東北地方太平洋

何が起きたかを教えてくれるのは強震記録である。地震防災分

沖地震の経験を経て注目され、急激に実用化が進んだ

20)。一般野での強震観測の重要性は揺るぎない。

的には、強震観測のように加速度センサーで建物の揺れを計測

一方で、強震観測は地震の発生をひたすら待ち、いざというし、建物の変形量で構造的な被害の有無を判定する。また、設備時に確実に強震記録を採取しなければならない。このため、非機器や非構造部材の被害は、加速度の大きさから判断する。モ

常に長い時間スパンで観測と取り組まなければならない。これ

ニタリング分野の技術開発には、強震観測で得られた知見や経が従来の強震観測像である。言い換えれば長期に渡って大きな験が生かされているといえるであろう。

地震が発生せず、目立った成果を挙げられなければ、強震観測

一方で、モニタリングでは、廉価で小型の半導体技術を使っが衰退してゆく可能性を否定できない。

た MEMS センサーやデジタル通信技術など、最新の技術をうま

この状況を打破し、将来渡って安定した観測網を維持し、更く取り入れている。また、収録された波形やその振幅、建物の健に発展させて行くには、社会のニーズをうまく取り入れて行け

全性の評価結果を迅速かつわかり易く知らせる技術も必要とな

る、柔軟な観測システムと観測体制が必要となってくる。これる。このような技術は、強震観測でも積極的に取り入れてゆくまでに述べてきたように、近年得られた膨大な強震記録は、建必要がある。実際、前述の東北地方太平洋沖地震の際の大阪湾物の地震応答に関する豊富な知見を与えてくれた。この知見を岸の超高層建物の場合、防災センターは 1 階にあり 1 階の震度

建物の耐震安全性の向上に繋げられるように研究開発が続けら

は 3 相当であったので、建物の上層階がこれほど大きく揺れてれるべきであり、そのために更に積極的な情報発信を続ける必

いたとは直ぐには把握できなかったと聞いている。その教訓か要がある。

－ 56 －

また、モニタリング技術を取り込むことも一つの方向性であ10) 萩尾堅治, 梅野岳, 吉崎征二: 三陸はるか沖地震による八戸ろう。従来の強震観測では、建物の耐震安全性や健全性を評価

市庁舎旧館の被害調査, 日本建築学会学術講演梗概集(北海するにも、記録を回収して分析する手間が必要であった。時間道), B-2, pp.31-32, 1995 年 8 月を要すれば地震後対応に効果が薄い。モニタリングではこれを

11) 飛田潤, 杉村義広: 八戸市庁舎新館の地震時動特性の推定即時に行う。建物に何が起きたかを即座に示せれば、建物管理(近畿), 日本建築学会学術講演梗概集, B-2, pp.599-600, 1996

者や利用者にメリットがあり、強震観測の価値の創造にもつな

年9月12) 国土交通省国土技術政策総合研究所, 独立行政法人建築研がる。

究所: 平成 19 年(2007 年)新潟県中越沖地震建築物被害調査

また、モニタリングでよく用いられる廉価で小型のセンサー

報告, 2007 年 12 月の積極的な導入にも取り組む必要がある。実際に比較観測などを行っているが、センサー単体で見れば中地震以上では標準的

13) 国土交通省国土技術政策総合研究所, 独立行政法人建築研

な強震計に遜色のない性能を発揮するものも現れている。観測究所: 能登半島地震建築物被害調査報, 2007 年 10 月

システムの低コスト化は強震観測の一層の普及に欠かせない。

14) 国土交通省国土技術政策総合研究所, 独立行政法人建築研安定した強震観測網の維持と更なる発展には、課題も少なく究所: 平成 20 年(2008 年)岩手・宮城内陸地震建築物被害調

ないが、強震観測の必要性と重要性に対する社会の理解を得て、査報告・平成 20 年 7 月 24 日岩手県沿岸北部の地震建築物

前進してゆきたいと考えている。

被害調査報告, 2008 年 10 月
15) 鹿嶋俊英, 小山信, 大川出: 平成 23 年(2011 年)東北地方太参考文献

平洋沖地震における建物の強震観測記録, 建築研究報告,

1) 高橋龍太郎: SMAC 型強震計, 地震第 2 輯, 第 6 巻第 3 號,

No.135, 独立行政法人建築研究所, 2012 年 3 月
16) Masato MOTOSAKA, et al.: Long-term Monitoring of Amplitudepp.1-5, 地震学会, 1953 年

Dependent Dynamic Characteristics of a Damaged Building2) 中川恭次: 強震計の試作について, 建築技術 No.7, pp.12-13,

during the 2011 Tohoku Earthquake, Journal of Association for

1951 年 10 月

Earthquake Engineering, Vol.15, No.3, pp.1-16, 20153) 田中貞二: 日本における強震計の開発と初期の強震観測,

17) BRI Strong Motion Observation: http://smo.kenken.go.jp/, 2018

ORI 研究報告 94-02, 大崎総合研究所, 1994 年 10 月
4) 強震観測事業推進連絡会議: 全国強震観測地点台帳, 防災科

年 1 月閲覧18) BRI Strong Motion Observation 数値データの利用について:学研究センター5) Wikimedia Commons:

http://smo.kenken.go.jp/ja/useofdata, 2018 年 1 月閲覧

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Liquefaction_at_Niigata.

19) 飛田潤, 鹿嶋俊英, 中村充, 植竹富一, 山村一繁, 栗田勝実,

JPG, 2018 年 1 月閲覧

神原浩: 国内の強震観測建物台帳の作成, 日本建築学会技術

6) Kazuyoshi Kudo, et al.:Re-evaluation of Nonlinear Site Response
During the 1964 Niigata Earthquake using the Strong Motion

報告集, 第 20 巻, 第 46 号, pp.901-904,2014 年 10 月
20) シンポジウム建物の構造・機能評価に関するモニタリング

Records at Kawagishi-cho, Niigata City, Proceedings of the 12th

技術の現状, 日本建築学会, 2017 年 2 月

World Conference on Earthquake Engineering (12WCEE), Paper21) 気象庁: 長周期地震動に関する観測情報(試行),
http://www.data.jma.go.jp/svd/eew/data/ltpgm_explain/kaisetsu.ht

No.0969, 20007) http://smsd.eri.u-tokyo.ac.jp/smad/?action_1964niigata=true, 2018
年 1 月閲覧
8) 気象庁: 強震波形(平成 5 年(1993 年)釧路沖地震),
http://www.data.jma.go.jp/svd/eqev/data/kyoshin/jishin/kusirooki/index.html, 2018 年 1 月閲覧
9) 坂上実: 釧路市における共同強震動観測, 東京大学地震研究
所技術報告集, No.1, pp.30-49, 1996 年－ 57 －

ml, 2018 年 1 月閲覧