東日本大震災での被災建物の地域性とその耐震補強効果
豊橋技術科学大学・大学院教授 山田 聖志
１．序論（地震入力の地域性に関する概説）
日本は地震国であり，歴史的にも日本のほぼ全域で大きな地震被害を経験してきた。
東北地方や東海地方など，日本国内で居住地を移動した経験のある人は必ず，有感地震の頻度がかなり異なると感じる。つまり，地震入力の地域性は小さくないことを実感することになる。日本列島は海側のプレートが陸側のプレートに潜り込む境界に位置し，さらに海側のプレートは移動速度の異なる太平洋プレートとフィリピンプレート，陸側のプレートも西日本のユーラシアプレートと東日本のオホーツクプレートという合計４つのプレートが接し，相互作用的に地震が生起してきた。プレート運動によって年間数センチの変形がプレート間に生じてそれが歪として蓄積し，閾値に達すると巨大地震というエネルギ解放現象を発生させるが，その移動速度がプレートによって異なることや，蓄積できる歪量も異なるため，巨大地震の周期性や地震の規模も地域性を有することになる。また，巨大地震が生じた後のプレートの解放状態によっては，その次の巨大地震発生までのインターバル並びにそのエネルギ（マグニチュード）の大きさは影響を受ける非線形性が考えられるので，政府の地震調査研究推進本部が発表する地震発生確率の情報は，気象庁の「明日に雨が降る確率」情報ほどの信頼性はない。とはいえ，地域毎の過去 1000 年程度の地震の記録を利用すると，その地域の地震活動状況は概略把握できる。
そこで，おおよそ県単位の広さの地域をまとめ，その地震入力の相対的な大きさを推定し，1.0~0.7 のグレードに識別して規定したのが，「地域別地震係数 Z」（昭和 55 年 11 月 27 日建設省告示第 1793 号）である。今回の東日本大震災での被災地は，福島県の一部を除いて，いずれも Z の最大値（最も地震が派生しやすい所）の 1.0 に相当する地域であった。ちなみに Z=0.9 の地域は，北海道のうち札幌市，函館市，小樽市，室蘭市など，青森県のうち青森市や弘前市など，秋田県，山形県，福島県のうち会津若松市や郡山市など，新潟県，富山県のうち 魚津市や滑川市など，石川県のうち輪島市など，鳥取県のうち米子市など，島根県，岡山県，広島県，徳島県のうち 美馬郡や三好郡など 香川県のうち高松市，丸亀市など，愛媛県，高知県，熊本県の一部，大分県の一部，宮崎県 である。また，Z=0.8 の地域は，北海道のうち旭川市など，山口県，福岡県，佐賀県，長崎県，熊本県のうち八代市などで，Z=0.7 の地域は沖縄県であり，その他の日本の多く地域は Z=1.0 としている。
本論文では，こうした比較的広い地域性ではなく，校区レベルの地震被害の地域特性について，特に基盤からの地震入力はほぼ同一とみなせても建物の立つ局地性（地域性）によって地震被害が異なる要因を整理し，特に1978 年にも大きな地震被害を受けている仙台市域について，東日本大震災での被害に言及する。仙台市は 1978年の地震被害を受けて全国に先駆けて耐震補強を実施してきた防災都市であるので，その補強効果についても分析することで，近い将来に生ずると予想されている東海・東南海地震での減災対策の参考になる資料を提示することを，本論文では目的としている。
２．仙台市における東日本大震災での地震入力と 1978 年の大地震による被害の概要
平成 23 年 3 月 11 日 14 時 46 分に発生した 2011 年東北地方太平洋沖地震（東日本大震災）は，三陸沖深さ 24kmを震源とする M9.0 の地震であり，仙台市では震度６強と報道されている。この東日本大震災の地震被害としば
しば比較にあげられる 33 年前の 1978 宮城県沖地震は，昭和 53 年 6 月 12 日 17 時 14 分に仙台市東方約 130km 深
さ 30km を震源とする M7.4 の地震であり，当時の旧気象庁震度階で，仙台市は震度５とされた。文献 1 の志賀敏男博士がまとめた被害状況によると，仙台市中心市街地は広瀬川段丘上に位置し全般的に被害は軽微であり，長町，卸町，苦竹を連ねる国道４号バイパス沿いは沖積地で RC（鉄筋コンクリート構造建物），S（鉄骨構造建物），木造家屋に顕著な被害が生じたとある。また，鶴ケ谷，南光台，旭ヶ丘，黒松，将監の各住宅団地では，家屋の一部損壊とブロック塀の倒壊がみられ，とくにブロック塀の倒壊による人的被害が大きく報道され，仙台市ではその後植栽による垣根に換えることを推奨してきた。
また，緑ヶ丘など広瀬川西岸の急斜面丘陵の住宅団地では，大規模な地盤変動によって多くの家屋が損壊した。更に長町東方の沖野，六郷などの古い木造家屋が地盤の液状化による基礎の破壊なども伴いながら多数が倒壊したが，これらの地区の多くは，今回の震災では津波による浸水にも見舞われている。更に，当時建設され始めた SRC(鉄骨鉄筋コンクリート構造)高層マンションの玄関まわりの RC 非構造壁（雑壁）のせん断破壊によりドアの開閉不能となったものがあった。この地震では，1969 年に竣工の A 大学 SRC９階建校舎の９階南北（梁間）方向の加速度計が 980 ガルという当時の世界記録を計測して有名になった。この建物の３階の耐震壁にせん断ひび割れが入ったものの RC 増打ち補強で復旧できたとしている。

３．丘陵地での被害
今回の地震では，仙台市街地の西部の青葉山地区では，前章で紹介した A 大学 SRC９階建校舎は図１のように３階部分の４つの隅柱がすべて柱脚位置でコンクリートが曲げ破壊し，中にあったアングル材の組立柱の鉄骨が大きく座屈し外に孕みだした被害を被った。この建物は，1978 年の地震で梁間方向の耐震壁を補強しただけでな
く，2000~2001 年に桁行方向にも鉄骨ブレースで耐震補強がなされている。結果として改修後の構造耐震性能指標 Is は一般的な建物が必要とする構造耐震判定指標である Iso＝0.6 の 1.4 倍程度となったようであるが，丘陵地で，特にこの建物が立地しているような平地から急に 20 階の建物に相当するような高さまで起伏しているような地形では，地形と建物の相乗作用で，建物に入る入力は大きく増幅される。現行の耐震診断基準（例えば文献 2）
では，Iso=0.6×Z×G×U と与えられている。ここで Z（≦1）は第 1 章で述べた地域係数で，G（≧1）が地盤や地形と建物の相乗作用による増幅係数であるが，現状ではこれを割り増して診断することはほとんど行われていない。
一方，建物の用途係数 U については，小中学校校舎で 1.15，市役所庁舎等の防災管理施設などでは U=1.25 とするなどが行われている。A 大学のような斜面の急な丘陵地域では G を大きく割り増して考えるべきである。図１の建物の北隣の８階建て RC 校舎では全層で梁間方向大梁のせん断破壊や付着割裂破壊で大破するなど，比較的高層のものに甚大な被害が生じた。こうした丘陵地で５階を超える規模の建物を建設する際には地形状況を踏まえ，必要耐震性能を割り増しして検討する必要があると考えられる。
図２のように，北部丘陵地域の鶴ケ谷，南光台，旭ヶ丘等の地域でも，RC を中心に大破の建物がみられた。
外階段室の脚部のコンクリートが大きく曲げ破壊し，鉄筋がむき出しになり，全体に傾斜した。脚部鉄筋の定着が基礎梁内になっていないなど，施工に配慮が欠けていることがうかがえる。

図１ A 大学校舎の崩壊事例

図２ B アパートの状況

４．比較的地盤の良好な旧市街地区での被害
仙台市青葉区の旧市街地は広瀬川段丘上で地盤の良好な地域であり，1978 年の地震の際にも構造被害は軽微であったが，ガラスの破損落下が生じて大きな問題となった。その後，ガラスの取り付け方法に工夫がなされ，今回の地震では図３のように，多くのビルのタイル外装に損傷・落下が生じ，中には図３の商業施設のように被災後の使用が著しく制限されたものも少なくない。図４の RC のせん断破壊は典型的な雑壁の破壊であり，躯体に何ら損傷がなくてもこれだけ非構造部材が破壊すると住民は退避を強いられることになるので大いに問題である。

図３ C ビルの外壁損傷

図４ D 市営住宅（SRC 造 11 階建)の雑壁の破壊状況

５．厚い沖積層の上に立地した低地での被害
仙台市街地の東部の卸町や苦竹を連ねる国道４号線沿いは沖積地層の厚い軟弱地盤地域であり，1978 年の地震でも RC や S 造の事務所・倉庫などが大きな被害を受けた。よって，当時の耐震性の低い建物は建て替えられているはずであったが，被災を免れた旧基準（1981 年に建築基準法の耐震規定が大幅に改定）以前に設計されたものが，今回，図５から７のように大破した。RC 柱の短柱型せん断破壊（図５），鉛直・水平ブレースの破断に伴う大変形振動で外装材が追従できずに落下（図６），鉛直ブレースの破断と柱の曲げ崩壊で層間変形角 1/80 もの残留傾斜（図７）など，1978 年の地震の際にも広く見受けられた典型的な崩壊形である。図８の高層マンション
は，杭基礎の損傷と考えられる大きな傾斜(層間変形角 1/66)を生じ，また，11 階全層でドア開口部の RC 雑壁の破壊や１階雑壁にも大きなせん断破壊がみられた。

図５ RC３階建て E 事務所の２階部分の層崩壊

図６ S 造平屋の F 倉庫のブレースの破断と外装材の全面的な崩落

図７ S 造２階建ての G 事務所の大破状況
この地域では地盤の液状化も見られ，図６，７の建物でも地震動のみならず地盤変状による強制力が被害を増す要因となった。類似の地層構造は，東海地方の河川・沿岸部に少なくないので，基礎構造や地盤改良などを再検討すべきである。特に古い木造家屋の布基礎は地盤変状には弱い構造になっており，今回の震災でも，1983 年の日本海中部地震おける秋田平野ほどの広範囲ではなかったが，各地で液状化や地滑りが木造家屋の被害を助長したことを，東北地方全域を調査した板垣直行博士が指摘している（文献 3）

図８ S マンション（SRC11 階建）の 1/66 の傾斜と破壊状況
６．海岸に近い津波浸水地域での建物被害
仙台市東部沿岸の名取川と七北田川の両河口に挟まれた一帯は，海から連続した低地が広く連なる農業地域であり，今回，大津波によって人的被害並びに建物流失被害に見舞われた。図８は海岸にたつ荒浜小学校校舎と体育館である。２階床の上 30 センチ程度まで浸水した跡が観察でき，4~5m の浸水高さであったと推定できる。この規模の浸水高では，RC 造や S 造を除くと，木造家屋のほとんどが津波で流失している。一方，海岸から 2 kmの二木集落の建物の悉皆調査をした筆者の調べでは，この地域の浸水高さは 2 m 前後であり，図９のように，住宅家屋の流失はほとんどない。津波高さが 2 m 前後までなら木造家屋も流失を免れ，自宅の 2 階に避難して津波をさけたとの話を住民から聞くことができた。しかし，当然のことながら図９のように 1 階部分の津波被害は甚大である。一方で図９には玄関周りの開口角の壁の破損，屋根の瓦の落下などは，津波によるものではなく，地震動による被害の跡であり，地震動入力も非常に大きかったことがわかる。

図８ 荒浜小学校とその周辺の被災状況

図９ 仙台市若林区二木地域の事例

７．耐震補強効果と耐震補強部位並びに制震部位の損傷
仙台市は 1978 年の地震被害もあり，耐震診断と改修がいろいろな建物に適用されている。そのほとんどに有効性が確認され，健全に大地震に対応しているといえる。ただ，中には詳細な検討が不十分で被災した事例がみられる。先に図１として紹介した A 大学 SRC 校舎もその一つで，1978 年に梁間方向の耐震性能を上げ，2000~2001
年には桁行方向方向に鉄骨ブレース補強してきたが，今回は柱の曲げ破壊によって崩壊した。
一方で補強部位の損傷も観察できた。図 10 の鉄骨ブレース補強部位においては，ブレースの軸線と枠フレームの軸線が，経済性を重視したのか水平スチフナを少なくできる偏心接合としていたため，補強鋼板が板要素の局部座屈を伴いながら塑性崩壊している。
図 11 の I 大学は，A 大学校舎に位置する青葉山地域とは渓谷を挟んだ丘陵山地に位置している。図 11 に紹介している地下 3 階地上 5 階の RC 造（一部 SRC 造）校舎は，1978 年の地震で柱のせん断破壊という致命的な被害を受けたが，その後，外付けの鉄骨ブレースや制震ダンパも設置し耐震補強を重ねた。今回は補強ブレースの交差ガセットの降伏，偏心継手位置での降伏，更にはブレースが取りつく大梁が大きく損傷した。

図 10 RC 造の A 大学６階建て研究棟の耐震補強部位の損傷

(a)

(b)

(c)

(d)
(e)
図 11 I 大学の地下 3 階地上 5 階の RC 造（一部 SRC 造）校舎の耐震補強部位の損傷

図 12 は新築する際にオイルダンパを全層（１階から８階）に取り付けた建物で，躯体には損傷はなかったが，オイルダンパを取り付けているガセントプレートが破壊し，高力ボルトが滑るなどの顕著な被害がみられた。つ
まりオイルダンパとして寄与したのではなく，それがとりつく鋼ガセットが履歴ダンパ，ボルト接合部が摩擦ダンパとして働いたと推測できる。

図 12 I 大学の 8 階の S 造校舎のオイル制震ダンパ取付け部位の破断(a)(b)
図 13 SRC 造の H 市営住宅の耐震補強と被害状況(c)

図 13 は昭和 54 年竣工の市営住宅で，６階までが SRC で，その上階は全て RC 造である。補強設計を担当した
技術者によると，平成 16 年の耐震診断で立体骨組時刻歴応答解析を実施し SRC 部分で層間変形角 1/125, RC 部分で 1/150 を上限とした耐力から構造耐震判定指標を算定している。当初は外フレーム（500mm の角パイプ）を設置することとしたが，それだけでは 6～10F の層間変形を抑えられなかったのでトグル型制震装置を導入したようである。被災後オイルダンパカバーを外して計測した結果，6F で 14～20mm の移動確認が確認でき，7F 以上は平均で 8, 7, 3, 2 mm の移動量であった。玄関まわりの方立壁の損傷は 5F, 6F で最も大きく，その下階や上階は順次小さく，時刻歴応答解析の傾向に一致したとしており，この種の制震工法が合理的に大地震に対応したと評価できる。
８．結語
本論文は，東日本大震災における建物被害調査をもとに，今後の大地震への備えに有用な以下の点を指摘した。
１）継続時間の非常に長い，かつ，加速度の大きい強震動であったにもかかわらず，地震による建物の被害は比較的小さい。２）耐震改修していた建物の構造部位の被害は相対的に非常に小さい。一方，1978 年では被害がなかった建物で，耐震改修しなかった RC や S 造建物には大きな被害を受けているものがある。３）耐震補強工法や制震工法は有効に機能していると認められる。一部に，ディテールへの配慮不足で，損傷したものがある。４）
これまでの構造設計・改修設計では，通常，雑壁扱いとしてきた方立壁などが大きく損傷して，構造部位が健全であっても被災後に使用できないものが見られた。天井の落下で人災事故になった報道もあり，こうした非構造部材の設計・診断をいかに標準化するかは，今後の大きな課題である。５）津波浸水高の大きい地区での建物の流出は甚大であったが，浸水高が 2m 程度までなら木造家屋の流出は顕著ではないと言える。
参考文献
1) 志賀敏男：JSSC, Vol.17, No.187, 1981.12.
2) 日本建築防災協会：既存鉄筋コンクリート造建築物の耐震診断基準・同解説，2001.
3) 板垣直行：木造建築物の被害状況，建築技術，No.9, pp.132-139, 2011.