長周期地震動

長周期地震動とは

長周期地震動とは、地震の際に発生する周期が約2秒から20秒と長い揺れのことを指します。この揺れは、低周波領域で発生するため、低周波地震動とも呼ばれます。地震計の技術が進歩するにつれて、その存在と特性が明らかになってきました。特に近年、高層建築物が増加したことで、防災の観点からも対策が不可欠となっています。

長周期地震動の概要

地震波には様々な周期の波が含まれていますが、地震の規模が大きいほど、周期が長く（低周波）なります。このうち、特に長周期の揺れを長周期地震動と呼びます。大規模な地震では、周期が数百秒を超える超長周期地震動や地球自由振動も観測されます。現在、気象庁では防災のために、周期が1.6秒から7.8秒の長周期地震動を観測対象としています。

長周期地震動の発生メカニズム

長周期地震動の主な原因は、以下の2つが考えられます。

1. 地震の規模と周期の関係: 地震の規模が大きくなるにつれて、短周期の波の振幅は頭打ちになる一方で、長周期の波の振幅は増大し続けます。
2. 地盤構造の影響: 地震波が堆積盆地などの柔らかい地盤を通過する際に、波の性質が変化し、長周期の揺れが増幅されます。

大規模地震では、断層の滑り量に応じて地震波の波長が長くなり、大きな振幅を持つ長周期の地震波が発生します。また、長周期の波は減衰しにくい性質を持つため、震源から遠く離れた場所でも到達することがあります。

軟弱地盤における増幅

堆積盆地や付加体などの柔らかい地盤では、長周期の表面波（レイリー波、ラブ波）が増幅します。これは、波動の干渉や反射、変換によって起こります。柔らかい地盤は地震波の伝わる速度が遅いため、固い地盤との境界で地震波が干渉し、長周期化します。

関東平野では、周期8秒前後の表面波が卓越することが知られており、これは基盤岩と堆積層の速度差が大きいことが原因と考えられています。

地盤構造境界における表面波の発生

堆積盆地を通過する実体波（P波、S波）が、盆地の境界面で表面波に変換され、長周期化することがあります。特に、堆積層と基盤岩の境界付近を震源とする地震では、境界面に強い表面波が発生し、長周期地震動が強まる可能性があります。また、基盤岩と堆積層のS波速度の差が大きいほど、特定の周期の表面波が卓越することが知られています。

長周期地震動が建物に及ぼす影響

長周期地震動による被害は、地震動の周期と建物の固有振動数が一致する（共振する）ことで、構造物の揺れが増幅し発生します。長周期地震動は減衰しにくいため、共振が長く続き、揺れが大きくなりやすいです。

高層建築物への影響

高層建築物は、長周期地震動によって大きく揺れると、窓枠や外壁の破損、内部の設備や家具の転倒、エレベーターの故障などの被害が発生する可能性があります。また、人が立っていられないほどの揺れが生じ、避難が困難になることもあります。高層建築物では、高層階ほど揺れが大きくなる傾向があります。

建造物の固有振動数

建物の固有振動数は、その形状、構造、材質などによって決まりますが、高層建築物では周期が長くなるのが一般的です。鉄筋コンクリート造では「0.02×建物の高さ（m）」、鉄骨造では「0.03×建物の高さ（m）」で概算できます。例えば、大阪管区気象台が想定する南海地震の卓越周期（約4.8秒）を基に計算すると、鉄骨造のオフィスビルで約35階、鉄筋コンクリート造のマンションで約70階が共振しやすい高さとなります。ただし、地震動には様々な周期が含まれるため、共振の影響は単純ではありません。

長周期地震動の研究史

1970年代に高密度な地震計が設置されるようになってから、堆積盆地で長周期地震動が卓越する現象が発見され始めました。1985年のメキシコ地震では、メキシコシティの高層建築物が大きな被害を受け、長周期地震動が注目されるきっかけとなりました。日本では、新潟地震や日本海中部地震で発生した石油タンクのスロッシングが、長周期地震動によるものと解明されました。

現在、日本では気象庁や防災科学技術研究所などが高密度な地震計ネットワークを運用し、長周期地震動の観測データを収集しています。また、地震計の改良も進められており、より広い周期帯の地震波を観測できるようになっています。

長周期地震動に対応した設計

長周期地震動に対する対策として、建物の耐震性を高めるだけでなく、免震や制振といった柔構造の技術が用いられています。これらの技術は、高層建築物だけでなく、橋梁やタンクなどの構造物にも適用されています。

日本では、建築基準法や関連法規によって、特定の建物に対して構造計算を行い、地震動に対する強度を確保することが義務付けられています。また、高さ60mを超える建築物では、過去の大地震の地震波を数値化した設計地震動を用いた時刻歴応答解析を行うことが定められています。

設計地震動の基準

設計地震動には、過去の地震の波形を参考に作成されたものや、建設地近辺で観測された小地震の波形をもとに作られた模擬地震動波形が使用されます。

代表的な波形として、以下のようなものが挙げられます。

エルセントロ波：1940年のエルセントロ地震の波形
タフト波：1952年のカーン・カントリー地震の波形
八戸波：1968年の十勝沖地震における八戸市の波形
仙台波：1978年の宮城県沖地震における仙台市の波形
* 神戸波：1995年の兵庫県南部地震における神戸市（神戸海洋気象台）の波形

日本国内の観測事例

2000年鳥取県西部地震

この地震では、大分県で周期5秒から10秒の長周期地震動が観測されました。

2003年十勝沖地震

この地震では、苫小牧市の石油コンビナートで、スロッシングによる火災が発生しました。

2004年新潟県中越地震

この地震では、東京の六本木ヒルズで、エレベーターのワイヤーが共鳴して損傷するなどの被害が発生しました。

2007年新潟県中越沖地震

この地震では、震源から離れた関東平野で、約3分間も周期7秒程度の揺れが継続しました。

2011年東北地方太平洋沖地震（東日本大震災）

東日本大震災では、東京の超高層ビルが最長13分間も揺れるなど、広範囲で長周期地震動が観測されました。大阪府でもエレベーターの閉じ込め事故や内装材の破損などの被害が発生しました。特に首都圏では、東京湾沿岸部で長周期地震動が大きかったとされています。

2024年能登半島地震、豊後水道地震

2024年に発生したこれらの地震でも、長周期地震動が観測されています。豊後水道地震では高知県宿毛市で長周期地震動階級2が観測されています。

長周期地震動階級

長周期地震動による被害を分かりやすく伝えるために、気象庁は2013年に「長周期地震動階級」を設けました。これは、震度とは別に4段階で長周期地震動の大きさを表す指標です。2019年からは本運用を開始し、現在では緊急地震速報の発表基準にも長周期地震動が加えられています。

最大の「階級4」は、過去に数回観測されており、2016年の熊本地震や2018年の北海道胆振東部地震、2021年の福島県沖地震などで確認されています。また、過去の解析では、2004年の新潟県中越地震や2011年の東日本大震災でも「階級4」相当の揺れが発生していたことが分かっています。

今後の課題

長周期地震動は、大都市における高層建築物の安全確保において、重要な課題となっています。今後の研究や技術開発によって、長周期地震動に対する対策がさらに強化されることが期待されます。

もう一度検索