テーマ解説

設計用入力地震動の現状と課題
Reviews and perspective of input ground motions for design

中野富夫 *1

1．はじめに地震に分類される。

主に超高層・免制震建築物等の構造性能評価に使用すサイト波は、これらの地震動以外で、建設地周辺におる設計用入力地震動の概要を紹介し、あわせて大阪盆地ける活断層・地盤構造等の状況から必要に応じて作成すにおける地震動の特徴を観測記録から説明する。設計用る地震動である。サイト波は極めて稀に発生する地震に地震動は、「時刻歴応答解析建築物構造安全性能評価業務分類されるが、再現期間が長い地震動については参考扱方法書」 で規定しており、表-1 の 4 種類に分類できる。

いとする事も多い。

1）

告示波は建築基準法（以下、建基法）の地震動レベルと同等となる様に定めた地震動であり、中小地震に対応

2．告示波および標準波

する稀に発生する地震と、大地震に対応する極めて稀に告示波は平 12 年建告第 1461 号で定義した加速度応発生する地震の 2 種類がある。標準波は告示波の登場以答スペクトル 2）に対応する地震波で、地盤のせん断波速前に使用していた設計用地震波を継続性保持のため残し度が 400 m/s 以上となる工学的基盤上で定義している。

たものである。

これを建築物の設計に使用するには、工学的基盤以浅の基整促波は、近年の大地震で建築物被害への影響の大表層地盤による増幅特性を、地盤の非線形特性を考慮しきさが認識された長周期成分に着目して、国土交通省がた波動伝播解析により付加する必要がある。この解析に建築基準整備促進事業（以下、基整促）で作成した地震は、一次元地盤について非線形特性を等価線形で考慮す波である。基整促波は、告示波が一般的な大地震を表わる Shake と呼ばれるプログラムを使用する事が多い。

すのに対し、地震・地盤特性を反映した上で主に長周期告示波の加速度応答スペクトルは、建基法施行令第成分について補完するものであり、極めて稀に発生する
表-1

性能評価に使用する設計用地震動

図-1 告示波と建基法の地震力との関係*1

NAKANO Tomio：構造判定センター 構造計算判定部 審査課（兼）試験研究センター 数値解析室 上席調査役
53

GBRC Vol.48 No.1 2023.1

図-2

告示波の作成過程の例（位相特性：JMA-Kobe NS）

図-3

告示波の作成過程の例（位相特性：Hachinohe NS）

88 条に建築物の応答（最大応答せん断力）として規定しいるが、n=3 程度で漸近し更に n が増えるにしたがってた地震力を、応答解析に使用するため工学的基盤まで引少しずつ目標との差が小さくなる。加速度時刻歴波形のき戻して、入力動（加速度応答スペクトル）に変換した概略形状（経時特性）は、収束判定基準を満たすまで繰ものである。図-1 に、告示波の加速度応答スペクトルり返し計算を行ってスペクトルがほぼ目標に一致しても、と建基法の地震力の関係を示す。ここで、表層地盤の増原波のそれと大きく変化しない。

幅率は、建基法の第一種～第三種地盤を想定した地盤モ

標準波は、告示波の制定以前から使用していた地震波

デルの応答解析結果から算出している。告示波は建基法を 継続性保持 の た め 残 し た も の で、El Centro NS、の地震力と同等の強さを持つ地震動であり、過去の観測Taft EW、Hachinohe NS を使用する事が多い。これ地震である標準波と比較して位置づけが明確である。

らの地震波形データは、建築性能基準推進協会の HP か

告示波の作成は参考文献 3）に記載された方法によりらダウンロードできる。

繰り返し計算で行い、計算で必要な位相特性は観測地震
波の位相特性もしくは乱数＋包絡線関数を用いる事が多3．基整促波い。図-2 お よ び図-3 に、 位相特性 と し て JMA-Kobe

基整促波は、告示波でカバーしていない長周期地震動

NS および Hachinohe NS を使用した告示波の作成過程による建築物被害の影響を考慮するため、2015 年 12 月の 1 例を示す。告示波は、稀に発生する地震および極めに国交省が「超高層建築物等における南海トラフ沿いのて稀に発生する地震の 2 種類が有るが、以降は断りのな巨大地震による長周期地震動への対策案」（以下、対策い限り後者を提示する。いずれの地震波も繰り返し回数案）として、地震波データおよび作成方法を公表した地

n=1 では加速度応答スペクトルは目標と大きく乖離して震波である 4）。基整促波は、影響の大きい関東・静岡・54

GBRC Vol.48 No.1 2023.1

図-4

基整促波の対象区域 4）

図-5 基整促波の疑似速度応答スペクトルと加速度・速度時刻歴波形

図-6

基整促波における地震動作成の考え方

図-7

群遅延時間と加速度時刻歴波形

中京・ 近畿圏 を 主 な 対象 と し て お り、 建築研究所 の加速度・速度応答波形では主要動の長さは約 200 s と、HP で配布する地震波をそのまま使用する。図-4 に基告示波・標準波と比較してかなり長い。

5）

整促波の対象区域を示す。

対策案では、地震動の作成方法も示しており（参考文

基整促波は、地震動の長周期成分が大きく影響した

献 5）における別紙 3 の方法）、対象区域が隣接する場合

2003 年十勝沖地震における苫小牧の石油タンク大規模に限り、建築物の一次固有周期付近でスペクトルがいず火災を契機として、地域特性を考慮して作成した地震波れかの区域の小さい方を下回らない条件で、独自に地震である。図-5 に疑似速度応答スペクトルと加速度・速動を作成できる。この方法では、加速度応答スペクトル度時刻歴波形を示す。疑似速度応答スペクトル pSv のSa および群遅延時間 Tgr を、観測波の分析結果から定め卓越周期は 3～8 s と長周期成分が強調されている。また、た係数データおよび地震動のマグニチュード等をパラメー
55

GBRC Vol.48 No.1 2023.1

タとした簡易式で計算して、これらを元に繰り返し計算

鋼構造建築物の接合部等の、長時間の繰り返し回数によで地震波を作成する。以下に加速度応答スペクトル Sa、る性能低下や破断の恐れが有る部位では、対策案に示すおよび群遅延時間 Tgr の計算式を示す。後者は正規乱数方法で累積損傷による影響を検討する必要が有る。

列として計算に使用するため、その平均値 および標準4．サイト波（大震研波）偏差 を記している。

サイト波は、当該サイトにおける過去の地震発生履歴や周辺の活断層や地盤性状など固有の地震・地盤環境に基づいて個別に決められる地震動である。
大阪盆地のほぼ中央に位置する上町断層では、建基法のレベルを大きく上回る地震動が発生する可能性が有るが、発生頻度が数千年に一度と極端に長いため、'90 年

Mw はモーメントマグニチュード、M0 は地震モーメ

代以前にはサイト波としてほとんど考慮していなかった。

ント、R は断層最短距離、X は震源距離、T は周期、f はそこで、上町断層の地震を対象とした設計用地震動を、周波数を示す。a1（ ）, a2（ ）や A1（ ）, B1（ ）等は係数

民間団体である日本建築構造技術者協会関西支部（以下、である。Mw, M0 等は断層毎に定まる値であり、対策案

JSCA 関西）を中心に 2009 年に発足した「大阪府域内陸に示す参考値等を使用する。

直下型地震に対する建築設計用地震動および設計法に関式（1）は、地震動を①震源および伝播経路、②深部地する研究会」（以下、大震研）で作成して公開し、これを盤の増幅特性（サイト増幅特性）に分離した上で、多数大震研波と呼んでいる6）。実際の設計では、大震研が配の観測記録を基に Mw や R をパラメータとして関数化布する地震波データをそのまま使用する。

（回帰）している。式（1）の 1～2 行目が震源および伝播

大震研波は、最新の知見を踏まえた上で設計用に作成

経路、3 行目がサイト増幅特性を表しており、加速度応した地震動であり、上町断層の地震による影響が強い地

答スペクトル Sa はこれらの単純積となる。図-6 に、基域では標準的に使われている。また、大震研では生駒断整促波における地震動作成の考え方を示す。この時、地層等の大阪近傍の大きな活断層についても設計用地震動

盤を図-6 に示す様にせん断波速度 Vs が 3,000 m/s 程度を作成しており、建設地点においてその影響が無視でき以上の地震基盤、および 400～3,000 m/s 程度の深部地ない場合は使用を推奨している。

盤に分離してモデル化している。この様なモデル化は、

大震研が 2015 年に作成した耐震設計指針では、レベ断層モデルによる地震動作成で一般的に用いられている。

ルの異なる 3 種類の地震動を用意しており、レベル 3 A地震動の作成には、式（1）の加速度応答スペクトルでが想定する地震動の平均的なレベル、レベル 3 B が平均表される振幅特性の他に位相特性が必要であり、基整促＋0.5 ×標準偏差、レベル 3 C が平均＋標準偏差を意味

波では式（2）に示す群遅延時間 Tgr の平均値 および標準偏差 から設定する。図-7 に群遅延時間と加速度時刻歴波形の関係を示す。群遅延時間 Tgr は、図-7 に示す様に周期毎に異なる時刻歴波形の重心を意味しており、地震波形のフーリエ位相スペクトルから計算できる。この
群遅延時間の平均値 および標準偏差 を、多数の観測記録を基に M0 や X をパラメータとして関数化したのが式（2）であり、この式から計算した ,にしたがう正規乱数を発生し、更にこれを位相特性に変換して地震動作成に使用する。
上式は地表面における地震波を表しており、必要に応じて工学的基盤に引き戻した上で、あらためて表層地盤の影響を付加する。これには対策案に示す方法を用いる
が、周期 1 s 以上では表層地盤の影響が十分小さいと考えられるので考慮していない。また、免制震デバイスや
56

図-8

大震研波のエリア区分 6）

GBRC Vol.48 No.1 2023.1

図-9

疑似速度応答スペクトルおよび加速度・速度時刻歴波形（フラットタイプ、A3 エリア）

図-10

疑似速度応答スペクトルおよび加速度・速度時刻歴波形（パルスタイプ、A3 エリア）

し、レベル 3 B は 3 A より 2～3 割大きくなる。この平ピークが見られるものを直接選定している。更に、この均・標準偏差は、断層パラメータや破壊開始点および地地震動を模擬した正弦波も参考波として作成し、選定波盤諸元のばらつきを考慮して作成した、複数の地震波かの妥当性を検証している。なお、大震研波は地震動レベら計算している。

ルが大きく、表層地盤の増幅特性が大きなばらつきを含

大震研波は、1997 年に大阪市、2007 年に大阪府が上町断層を対象として断層モデルにより作成した地震動む恐れが有るため、これをあらかじめ評価した地表面波となっている。

を基にしており、このうち大阪府の地震動は差分法と統図-8 に大震研波のエリア区分、図-9 および図-10 に計的グリーン関数法により作成している。差分法は、大フラットタイプおよびパルスタイプの地震波に関する、阪盆地の複雑な構造を三次元メッシュでモデル化して地疑似速度応答スペクトルと加速度および速度時刻歴波形震動を計算する方法であり、盆地特有の複雑な揺れを表を示す。フラットタイプの疑似速度応答スペクトルでは、現できる。ただし、短周期成分が十分に表現できないたほぼ全周期帯で大震研波が告示波を上回っている。最大

め、統計的グリーン関数法で補っている。

加速度は 5.944 m/s2、最大速度は 1.033 m/s で、加速度大震研波にはフラットタイプと、パルスタイプの 2 種で概ね 3.8 m/s2、速度で 0.5 m/s 程度となる告示波と比類の地震動が有る。フラットタイプのスペクトルは、較して、各々 1.6, 2 倍程度となる。パルスタイプでは、

1997 年に大阪市、2007 年に大阪府が作成した地震動

スペクトルのピークは周期 3～4 s、速度振幅は告示波ののうち、パルス状のピークが見られるもの以外について、2 倍以上となっている。図中には阪神大震災における複数の折れ点を有する直線および曲線でモデル化していJMA-Kobe NS のスペクトルもあわせて示しているが、る。パルスタイプは、上記の地震動のうち、パルス状のスペクトルの速度振幅は大震研波のそれと近くなってい57

GBRC Vol.48 No.1 2023.1

る。最大加速度は 3.349 m/s2、最大速度は 0.709 m/s と表-2

性能評価での実績（2019～ 2021 年）

フラットタイプよりやや小さく、告示波と比較して各々0.9, 1.4 倍程度となっている。

5．性能評価での実績
これらの地震波の作成方法・使用波数には、設計者の考え方や建設地の地震・地盤環境によりばらつきがあり、当所が評価した案件における実績を調査した結果を以下に紹介する。調査は 2019～2021 年の 3 年間に性能評価を実施した高層建築物および免震建築物 62 件について行い、表-2 にその結果を示す。告示波の位相特性は、観測波（JMA-Kobe NS、Hachinohe NS）と 一様乱数を 使用 す る も の が 51 件、 観測波 の み（ 前者 に 加 え てTohoku NS）を使用するものが 10 件と両者で全体の 9割以上を占める。
基整促波は、対象区域内の 40 件は OS1～ OS3 等の配布波をそのまま使用しており、別紙 3 の方法で地震波を作成したものはなかった。なお、対象区域外だが参考として別紙 3 の方法により、地震波を作成したものが 6 件

敷地がやや遠く地震動レベルも小さいと推測する場合、有る。これらは南海トラフからやや離れるがその影響が簡易的に SGF のみを用いるケースも見られた。

懸念される地域であり、断層モデルの作成を要しない簡易法として別紙 3 の方法を用いている。

6．設計用地震動の課題

大震研波は、対象区域内の 34 件のうち 29 件で利用さ以上に述べた様に、2015 年に国交省により導入されれている。これらは全て上町断層の地震を対象としておた基整促波、および上町断層・生駒断層を対象に JSCAり、大震研で検討している生駒断層等を対象としたもの

関西が提案した大震研波は、従来の告示波・標準波で十はなかった。大震研波に加えてサイト波も検討している分に表現出来なかった、海洋型地震による長周期・長時ものが 4 件有り、これらは 1997 年に大阪市が公開した間の振動や、直下型地震におけるパルス状の振動といっ地震波を極めて稀に発生する地震、大震研波を参考波とた地震動の長周期成分を補完する役目を果たしている。

して検討している。大震研波を使用しないものが 3 件有

その背景には、近年、免震構造物やタワーマンション等り、これらは J-SHIS の公開波を使用したものと、サイの長周期建築物の増加で、長周期地震動によるこれらのト波として断層モデルにより独自に敷地位置における地建築物への被害が懸念されている事が上げられる。

震動を作成したものである。

長周期地震を久田は表-3 の 4 種類に分類している 8）。

サイト波は、大震研が対象とした上町断層・生駒断層

これらのうち長周期・長時間地震動が基整促波、指向性以外の断層が敷地近傍にある場合に使用するもので、パルスが大震研波に相当する。フリングパルスは、敷地21 件が該当する。断層モデルを作成せず J-SHIS の公が断層の直下に有る場合に問題となるが、現状では有効開波を使用したものが 2 件、その他の公開波を使用したな対策方法が見当たらない。複合型パルスは、2018 年

ものが 3 件有る。その他の公開波は、南海トラフについ熊本地震の KiK-NET 益城および熊本県益城町役場・西て内閣府が公開したもの のほかに、敷地近傍で観測し原村役場の観測記録で周期 2～3 s 付近の大振幅パルスた近年の大地震の記録を調整して用いたものが有る。断が認められた事で注目を集めた。阪神大震災の観測波で層モデルにより作成する予測波は、統計的グリーン関数

は周期 1 s 付近にピークが認められたが、この観測記録法（以下 SGF）が多いが堆積盆地の影響を考慮しないとは条件によっては更に長周期で大振幅のパルス波が発生長周期成分が不足するので、これを深部地盤について一する可能性がある事を示している。今後、この様な地震次元でモデル化した波数積分法、もしくは三次元で詳細動がどの様な断層・条件で発生するか検討を進め、必要にモデル化した差分法で補う事が多い。ただし、震源とに応じて新しい検討用地震動を追加する事が望まれる。

7）58

GBRC Vol.48 No.1 2023.1

7．大阪盆地の長周期地震動

用し、加速度時刻歴について周波数フィルターにより以上で、業務方法書 に関連した設計用地震動の説明

4 s 付近の成分を抽出した後、平滑化して NS,EW の二は終わるが、大阪盆地では主要動のあとに「あとゆれ」乗和平方根値を計算し、更にこれを時刻毎に地図上に並と呼ばれる継続時間の長い長周期波が連続する特徴が有べてコンタ図を作成した。地震動は震源である東北方向るので 、その概要について説明する。

から到来するが減衰の程度は一様でなく、大阪盆地付近

1）

9）

図-11 に、2011 年東北地方太平洋沖地震における長では地震動はすぐに減衰しない。特に大阪湾沿いでは、周期地震動の伝播状況を示す。観測記録は K-NET を使

時間 t=345 s となる最後の図でも十分に減衰していない。

表-3

長周期地震動の分類（文献 8 から抜粋）

図-11 長周期地震動の伝播状況（2011 年東北地方太平洋沖地震、周期 4 s 付近）
59

GBRC Vol.48 No.1 2023.1

図-12OSK008 および OSKH02 の加速度時刻歴波形（2011 年東北地方太平洋沖地震）

図-12 に、OSK008 および OSKH02 の加速度時刻歴波形を同時刻となる様にして示す。これらの観測点の位置を図-11 中に示すが、両者の直線距離は 25 km 程度であ る。OSK008 で は 加速度時刻歴波形 は 160 s 付近 でピークに達して緩やかに減衰するが、OSKH02 ではピークに達した後も約 50 s にわたって定常的に振動し続ける。
最大加速度も OSKH02 の方が OSK008 の 3 倍程度大きい。この様に地点によって地震動に大きな差が生じるのは、深部地盤の不整形性が原因の一つと推測される 10）。
現状の設計用地震動では、この様な局所性を考慮するのは難しく、更に高精度な地震波を作成するには、地点毎の深部地盤構造を出来る限り正確に把握する必要がある。

8．おわりに
主に超高層・免制震建築物等の構造性能評価で使用する 設計用入力地震動 に つ い て そ の 概要 を 説明 し た。

2015 年頃に導入された基整促波および大震研波により、従来の告示波が反映していない、大振幅や長周期の地震動をカバー出来る様になり建築物の耐震安全性は大きく向上したと考えられる。

2018 年熊本地震では周期 2～3 s 付近の大振幅パルスが認められ、十分な検証が必要だが今後設計用地震動へ【参考文献】

1）日本建築総合試験所：時刻歴応答解析建築物構造安全性能評価業務方法書，2021.
2）建築行政情報センター・日本建築防災協会：2020 年版 建
築物の構造関係技術基準解説書，8.1 超高層建築物等の構造計算，pp.487-492，2020.
3）国土交通省住宅局建築指導課ほか：2001 年版 限界耐力計算法の計算例とその解説 付録 10 設計用地震動時刻
歴作成手法，pp.270-2276，2001.
4）国土交通省：超高層建築物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 に つ い て，https://www.mlit.go.jp/jutakukentiku/build/jutakukentiku_
house_fr_000080.html（2022 年 12 月）
5）建築研究所：長周期地震動対策に関わる技術資料・データ
公開特設 ペ ー ジ，https://www.kenken.go.jp/japanese /contents/topics/lpe/（2022 年 12 月）
6）大阪府域内陸直下型地震に対する建築設計用地震動および設計法に関する研究会：大阪府域内陸直下型地震に対する建築設計用地震動および耐震設計指針，2015.

7）G 空間情報センター：内閣府 中央防災会議 東海地震，東南海・ 南海地震等 に 関 す る 専門調査会，https://www.
geospatial.jp/ckan/organization/naikakufu-004（2022年 12 月）
8）久田嘉章・田中真也：2016 年熊本地震の地表地震断層近傍の強震動特性と建物被害調査，日本建築学会，第 45 回地盤震動シンポジウム，pp.8-23，2017.の反映が必要となる可能性もある。また、敷地が断層の

9）鳥海勲：平野の地震動特性について，第 4 回日本地震工学シンポジウム，129-136，1975.

直上に有る場合、建築物に影響を与える大きな地表変位

10）天藤潤一・永野正行・上林宏敏：大阪湾沿岸部における長については、現時点で有効な対策方法が見当らない。地盤調査を精密に行って基礎直下を横断していないことを確認する必要がある。

1995 年兵庫県南部地震や 2011 年東北地方太平洋沖地震の観測記録からは、深部地盤の不整形性により局所周期地震動の地盤増幅特性および地震波入射方向と上町断層帯の地盤構造の影響，日本地震工学会論文集，第 15 巻，第 7 号，pp.131-140，2015.

11）地盤震動小委員会：最新の地盤震動研究を活かした強震波形の算定法，日本建築学会，2009.
【執筆者】

的な地震動増幅が認められ、また断層近傍では断層面上の滑りの不均質性がそのまま地震動に現れるので、今後発生が予想される大地震では、基整促波・大震研波を超える可能性もある。詳細な深部地盤構造の把握や、それを反映した高精度な設計用地震動の策定が望まれる。その際には建築学会が取りまとめた「最新の地盤震動研究を活かした強震波形の算定法」 が参考になる。
11）

60

*1

中野 富夫

（NAKANO Tomio）