地震が起きたら、私たちの家は本当に安全でしょうか？

地震といえば、誰もがよく知っていると思いますが、地震がどのように起こるかご存知ですか？家や橋などの構造物はどのようにして損傷を受けるのでしょうか?この問題について一緒に議論しましょう。

簡単に言えば、地震とは地殻の変化によって振動源が生じ、その振動が地震波の形で周囲の家屋に伝わり、家屋に被害を与えることです。この振動源の原因としては、プレート間の活動、火山の噴火、岩石の崩壊などが考えられます。

下の図1に示すように、地震波は縦波（P波）、横波（S波）、表面波（L波）の3種類に分けられます。波源が発生すると、これら 3 つの波は写真の 3 台の車のように走り始めますが、走行時の形や速度はそれぞれ異なります。

図1 地震波伝播の図

P波は写真の緑色の車のようなものです。地震は伝播する方向と同じ方向に振動し、速度が最も速く、最初に地面に到達するため、地面が上下に振動しますが、破壊力は低くなります。それに続いて赤い車で表される S 波は、伝播方向に対して振動方向が垂直で、地面を左右や前後に揺らす可能性があり、非常に破壊的です。最後に、青い車で表される表面波（L 波）があります。地表のP波とS波によって発生する新たな地震波です。地震は地表に沿ってのみ伝播し、建物に深刻な被害をもたらす主な要因となります。

図2 地震発生と住宅への影響の模式図

地震は怖いですが、すべてが破壊的なわけではありません。関連統計によると、世界では毎年平均約 500 万回の地震が発生していますが、実際に感じることができる地震は約 5 万回で、被害が発生する可能性があるのはそのうちの 100 回だけです。

次に、残りの100の破壊的な地震が住宅に与えた影響を見てみましょう。下の写真は、2008 年の汶川地震の際の北川県の 2 つの石造建築物を示しています。二つの建物は50メートルも離れていないのに、被害の差は驚くべきものだったのでしょうか？

観察してみると、両者の最大の違いはリングビーム構造柱であることがわかります。図3はリングビームと構造柱がなく、崩壊が深刻です。図4にはリングビームと構造柱があり、壁の一部にのみX字型の亀裂がありますが、主な構造は損傷しておらず、基本的に人への危害は発生しません。

図3

リングビーム構造柱のない組積造

図4

リングビームと構造柱を備えた石造構造

誰もが人生の中で荷物を梱包した経験があると思います。荷物が梱包用テープで巻かれていない場合、荷物は非常に緩んだ状態になります。同様に、リングビーム柱は石造建築物において結束テープとして機能し、緩んだ床スラブと石造壁を一体化して、耐震性を向上させます。

地震現場では、石造建築物の被害に加え、骨組み構造物の被害も多数発生しています。図5と図6に示すように、どちらも地震現場のフレーム構造の損傷を示しています。図5では、下枠中央の石積み充填壁がせん断されてX字型の亀裂が発生しており、図6では、隅の柱が損傷しています。

図5

フレーム構造内の石積み充填壁の損傷

図6

フレーム構造のフレーム柱が損傷している

では、なぜこのような破壊が起こったのでしょうか?ここで「硬直」という言葉が出てきます。剛性とは、変形に抵抗する能力を指します。剛性が高ければ高いほど変形に抵抗する能力は強くなりますが、地震の影響も大きくなります。図 5 の石積み充填壁であれ、図 6 の半分の高さの窓枠が付いた柱であれ、それらは自身の剛性を増加させ、結果として剛性が不均一になります。このように、剛性の高い部品は地震の際により深刻な被害を受けることになります。 「能力のある人はもっと仕事をすべきだ」というのはよく言われることです。あなたはより頑固なので、より多くの責任を負うことになりますが、結局、最も苦しむのはあなた自身です。

マグニチュード9.5の鹿頂地震でも、上記のような被害が程度の差はあれ再現された。下の図は、鹿頂地震による被害状況を示したものです。

図7

内部の石積み充填壁のせん断破壊

図8

フレーム構造のフレーム柱が損傷している

図9

壁のX字型の亀裂を埋める

図10

フレーム構造の最下階が崩壊した

ここまで、地震による住宅被害の具体的な形態を見てきましたが、地震による被害を軽減するにはどうすればいいのでしょうか。現在最も人気のある技術は免震技術です。今日はこの不思議な秘密について簡単に見てみましょう。

免震技術とは、免震装置によって建物の構造を地面から分離し、免震層の変形によって地面の振動を​​吸収し、それによって上部構造を地震による被害から守ることを指します。下の図は免震原理の簡単な模式図です。

また、エネルギー散逸および衝撃軽減技術とは、構造物の一部の非荷重支持部材（支持部、せん断壁、コネクタなど）を変形能力の強いエネルギー散逸部材にしたり、構造物の特定部分（層間、節点など）にエネルギー散逸装置を設置したりすることです。その核心は地震エネルギーを消費することです。

図12 ショックアブソーバー

上述の免震対策は中国で広く採用されている。代表的な免震建築物としては、「強靭ビル」として知られる廬山県人民病院、北京大興空港プロジェクト、雲南省昆明空港プロジェクトなどがあげられる。

エネルギー消散および衝撃軽減の代表的なプロジェクトには、北京英台センター、天津世界貿易センター、昆明スプリングアイなどの構造物が含まれます。もちろん、中国ではこの2つの技術を組み合わせて使用​​しているケースもあります。たとえば、唐山母子保健病院プロジェクト、湛城職業技術学校、四川省西昌盤渓国際貿易城では、いずれも免震技術と衝撃吸収技術の両方が使用されています。

最後に、本当に地震が起きたとき、私たちの家は本当に安全なのでしょうか?私たちの家は、合理的な敷地計画、適切な設計理論、標準的な建築技術を備えている限り、中程度の地震には耐えられると思います。これを基に、地震の軽減や免震技術を合理的に取り入れれば、間違いなく安全な家となるでしょう。

終わり

著者: 郭宇 (浙江理工大学土木工学水利学院)

編集者: グル