高層ビルの揺れと想定される被害
新宿駅周辺防災対策協議会・2014年度第１回セミナー
2014年7月3日（木） 工学院大学３階アーバンテックホール

大学棟

オフィス棟

久田嘉章
（工学院大学建築学部）

オフィス棟 大学棟

1

概要
・首都圏で想定すべき地震と地震動
・首都直下地震と海溝型巨大地震
・長周期地震動と被害事例
・2011年東日本大震災による工学院大学の揺れと被害・想定南海トラフ巨大地震の揺れと被害・即時被災度判定と構造ヘルスモニタリング
システム
2首都圏で想定すべき地震と被害想定（内閣府）

震源域の強い地震動（震度６弱・６強）
都心南部直下地震（中央防災会議、２０１３）長周期地震動（高層建築の大きな揺れ）
南海トラフによる海溝型巨大地震

首都直下地震（都心南部直下地震）の最悪想定では、死者２万以上、負傷者約１２万人、（うち重傷者約2.4万人）、要救護者７万人以上
全壊・焼失家屋約61万棟、帰宅困難者800万人（東京で500万人）→ あくまでのひとつの想定結果、次の首都直下地震とは限らない地震動特性と高層建物の揺れ
標準的な地震動では高層建物の耐震性は高い・・ ランダム特性（短周期側）：標準的入力地震動→ガタガタと揺れる短周期強震動が卓越、建物への破壊力は特に大きくなく、高層建物は「風に柳」で力を受け流す 課題：長周期地震動では？ 館内の安全性・使用継続性は？
大きい！

小さい！

短周期
告示波の例（加速度波形と応答スペクトル）：短周期ランダム波の卓越）

長周期
超高層応答
（大成建設）

ガタガタ揺らすが倒壊させにくい

地震動特性：震源・伝播・サイト
大きな長周期地震動の生成には
震源：浅く、規模が大きい震源（海溝型巨大地震）
伝播：効果的な表面波の伝播（ゆっくりと伝播）
サイト：厚く柔らかい堆積層（関東・大阪平野など）
長周期地震動は遠方までにも伝わる
沖積層・埋立地盤(10～50 m)

洪積層(2～3 km)｢ジオテクノート - 地震動｣より

日本列島周辺のプレート運動
山地と堆積盆地の生成
陸のプレートフォッサマグナ
活断層
相模トラフ
駿河トラフ

フィリピン海プレート

日本周辺のプレート構造

関東平野のプレート構造（｢日本の地震活動｣）

プレート運動により関東平野は約２００万年で２～３ｋｍ沈降し、広大で厚い関6
東堆積盆地を造成、逆に周辺の山地は隆起し、境界では活断層を形成

過去の巨大地震による首都圏の地震動（長周期地震動：長周期の継続時間の長い揺れ）

1923年関東地震による東京市・本郷における変位記録（横田ほか）

1944年東南海地震による東京市大手町における復元変位記録（古村・中村）

7

1985年メキシコ地震とメキシコ市における中高層建築の倒壊

1985年に発生（M8.1）
震源から400 km以上離れたメキシコ市で周期２～３秒の長周期地震動が卓越し、多数の中高層アパートが倒壊、8000名以上の死者が発生

約400km長周期地震動による石油タンクの火災
2004年NHKスペシャル「地震波が巨大構造物を襲う」
で長周期地震動が取り上げられ、全国的に大きな注目• 2003年十勝沖地震

勇払平野
（苫小牧）

震源

速度応答スペクトル（ h=1%, ７秒
EW成分：畑山・座間, 2004）
http://www.fri.go.jp/bosai/tokachi_lpgm.html

2011年東日本大震災での長周期地震動と大阪府咲洲庁舎（５５階）の被害•••

設計周期は約5.5秒、今回の卓越周期は約6.5秒（深い杭基礎？）
スプリンクラー破損による漏水、階段壁面のパネル落下、100 カ所以上のひび割れ、エレベータによる閉じ込めなど多数の被害
震災直後、上層階の被害を防災センターで全く理解できず・・

小山（２０１１）：第３９回地盤震動シンポジウム資料（2011/11/15（火））工学院大学新宿校舎概要
建物名称 大学棟（工学院大学高層棟）
建築場所 東京都新宿区西新宿
竣工念 1989年
基準階面積 1170㎡
階数
地上29階、地下6階、塔屋１階
アスペクト比 NS：5.59、EW：3.73
地上：鉄骨造（ブレース付ラーメン架構）
構造種別 地下1～2階：鉄骨鉄筋コンクリート造
地下3～6階：鉄筋コンクリート造

・東西コアを結ぶ２５．６ｍの大スパン梁・ EW方向１６階、２１階にスーパーフレーム

固有周期（秒）
１次２次微動
ＮＳ ＥＷ
2.8
2.60.83 0.87

NS

構造計算書
ＮＳ ＥＷ
3.3
3.1
1.08 1.08

29階

EW

24階
22階
16階

8階
Y14X2

太線はブレース位置

基準階伏図

1階

軸組図（左Y１４、右X２通り）

EW方向立面図
地震計設置階２０１１年東日本大震災（本震）による揺れ
ー工学院大学・新宿校舎の加速度と変位波形ー
29階：

最大 291 gal （震度5.9）

最大 37.3 cm

22階：

最大 154 gal

最大 31.3 cm

16階：

最大 232 gal

最大 24.4 cm

8階：（ノイズあり）（ノイズあり）

１階：

最大 97.0 gal

最大 8.2 cm

B6階： 最大 78.4 gal（震度4.4）

最大 11.3cm-100m：最大 50.0 gal（震度4.1）

最大 11.0cm

0600 秒南北方向の揺れ：加速度（短周期地震動）

0600 秒変位（長周期地震動）

1212工学院大学新宿キャンパスでの揺れについて(最大加速度、最大速度、最大変位、計測震度)
階

最大加速度

最大変位

最大速度

大学棟

30303025252520202015151510101055NSEW

030

100200300

400

階

20-100cm/s2

25-5-100NS
EW

0-5-10

計測震度
30

5NSEW

0-5３Ｄ揺れ204060800cm/s

102030405015cm

10

オフィス棟

30

30

25252552020200151515101010555000NS
EW-5NS
EW-5-10100

200

300

400cm/s2-10
3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5

オフィス棟
大学棟

NSEW-5-10-100-5020406080cm/s

010

2030

4050cm２０１１年東日本大震災
工学院大学・新宿校舎の被害（高層階）

28F (天井パネルの落下)

25F (コピー機の移動、室内の散乱)

24F(固定していないかった本棚の転倒、間仕切り壁の大変形)

21F (天井パネルの落下)

２０１１年東日本大震災
工学院大学・新宿校舎の被害（中・低層階）

14F (天井パネルの落下)

12F (事務室階：コピー機移動、室内散乱など)

2F (図書館：蔵書の散乱) 1F (アトリウム：EPJパネルの被害) エレベータケーブルの絡まり(本学の写真ではありません)南海トラフ地震の長周期地震動は首都圏でより大きい：2004年紀伊半島沖地震と2005年宮城県沖地震での揺れの違い

2005/8/16
宮城県沖地震（M7.2）
深さ42 km

2004/9/5
紀伊半島沖地震（M7.4）
深さ44 km16

南海トラフで発生する地震の長周期地震動
は首都圏でより大きくなる：2004年紀伊半島沖地震と宮城県沖地震での揺れの違い

v e lo c it y r e s p o n s e (c m / s )20
15

2005/8/16/宮城県沖地震(NS)
2005/8/16/宮城県沖地震(EW)
2004/9/5/紀伊半島沖(NS)2004/9/5/紀伊半島沖(EW)

1050
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
period (s)加速度波形（短周期の揺れ） 変位波形（長周期の揺れ）

速度応答スペクトル
17

３次元地盤モデル
大成建設・吉村ほか(2008)
A

A’

B

B’

関東平野（堆積盆地）

付加体

Video

A‐A’断面B‐B’断面超高層建物内での震度と被害は？
工学院大学新宿校舎の地震応答解析と振動台実験
改正基準法
東海-東南海連動地震(NS)
東北地方太平洋沖地震(NS)140v e lo c it y r e s p o n s e (c m / s )120

首都直下地震（100波平均NS）
東海-東南海連動地震(EW)
東北地方太平洋沖地震(EW)

Building
Response

10080Video

注１：この波形は工学的基盤上で、かつ短周期地震動は含まれていません

Building
Response

首都直下地震（東京湾北部地震、M7.3）
地表震度：６弱（注２）
28階震度：７ （注２）Video

注２：この波形は工学的基盤上

60
40
20
00

1

2

3

4

東海・東南海連動型地震（M8.4）
基盤震度：４（注１）
28階震度：６弱（注１）

5 6 7 8 9 10time (s)大変位振動台（工学院大学八王子
東北地方太平洋沖地震と想定東海・東南 校舎）による最上階（２８階）の揺れの再現（転倒防止対策なし）
海地震による速度応答スペクトル19
協力：テレビ朝日、山下研究室、大成建設

最大級の南海トラフ超巨大地震での超高層建築の耐震性
第３回セミナーで報告（2014年9月4日）• 超高層建築は、応答速度80 cm/s（レベル２）で最大層間変形角が1/100程度以下で耐震設計• レベル２を超える地震動では？ 高い不静定次数・余力などで一般に高い耐震性能（E-ディフェンスなど→今後、要検討事項）• 最も倒壊する可能性があるのは１次モード共振による大変形 → 長周期・長時間＋共振• 首都直下地震（M７クラス）は主として短周期地震動→高次モードが励起、大変形は生じにくい• 海溝型巨大地震の長周期地震動→地盤との共振は要注意、それ以外は大変形が生じにくい
E-ディフェンス実験（2013/12/11）
防災科学技術研究所/京都大学
計14回加振、応答速度300 cm/s
で層間変形角1/28、420 cm/sの３回目で倒壊（写真：産経ニュース）
南海トラフ３連動地震（M8.7）による３大都市圏の平均的波形（応答速度約110 cm/s）•最大級南海トラフ地震（M9.2：
防災科学技術研究所、2013）
による最悪条件の新宿波 （現行基準の３倍以上の速度応答比）における地震応答解析→多数のはり・筋交いが塑性化、大破だが倒壊せず（高い不静定次数・余力）
・最悪シナリオでは火災と併せて、大破・全館避難に至る可能性の検討 → ハード（制振補強など耐震性能の向上、室内被害対策）、ソフト対策（建物の継続使用性の即時判定、全館速度応答（cm/s）

工学院大学新宿校舎での最大級南海トラフ地震の検討
600

NAN_NS_VEL
NAN_EW_VEL

500400300

設計レベル

200
100
001234590SHU78

9 10

最大塑性率-梁26212116161111661

最大塑性率-トラス

31

2606

防災科研（2013） 周期（秒）31

避難のシナリオ準備）などが必要
M9.2

南海地震応答スペクトル（5%）

700

1
1/400

1/200

層間変形角

0510

最大塑性率

工学院大学の建物被災度判定モニタリング●東日本大震災による建物被災度判定モニタリング結果
簡易震度：
最大加速度と最大速度から計算→中層以上で室内被害の可能性有り
層間変形角：
センサー設置階の変位とセンサー間の階高から算出→構造躯体には被害無・避難不要※資料提供：工学院大学 久保智弘氏

22

ＪＳＴプログラム「高層ビル耐震診断に基づく帰宅困難者行動支援システムの社会実装」（2013-2016年度、代表：三田彰・慶応大学教授）●新宿西口の複数の超高層ビルに構造を試験実装●平常時はクラウド
サーバにデータ蓄積、詳細診断●地震時は、建物内のサーバで簡易診断

協力：富士電機三菱総研