建設資材データベーストップ > 特集記事資料館 > 積算資料 > 巨大地震の揺れを再現するE−ディフェンス〜強靭な社会の実現を目指して〜

 

巨大地震から社会を守るために

わが国は,これまでに幾度もの巨大地震によって甚大な人的・物的な損害を被ってきました。平成7年兵庫県南部地震が引き起こした阪神・淡路大震災においても,多くの構造物などに予想をはるかに超えるさまざまな被害が生じ,社会や経済活動に甚大な影響が及びました。この震災を契機に,想定する巨大地震による被害を大幅に軽減するため,構造物の破壊に至るまでのメカニズムの解明や耐震技術の検証に資する実証的な研究の重要性が認識されました。しかし,当時の研究開発において地震の揺れ(地震動)を実規模で再現することは不可能であったため,現象の完全な再現が困難であるという大きな制約がありました。
 
そこで,地震減災に関する研究開発において,実大規模の構造物が実際の地震動により破壊するプロセスを把握するため,当時の既存施設では実施が困難であった実大構造物に対し,地震の三次元震動を再現する破壊実験が可能な性能を有する施設が必要になりました。この実験施設が,国立研究開発法人防災科学技術研究所(防災科研)が平成17年より運用する実大三次元震動破壊施設「E−ディフェンス」です。
 
 

地震を再現する世界最大の実験施設

E−ディフェンスは,構造物が地震の際にどう壊れるのか,どこまで壊れるのか,なぜ壊れるのかを明らかにするため,実大の構造物を三次元の地震動で揺すり,損傷し崩壊に至る破壊プロセスを詳細に検討できる世界最大規模の実験施設であり,E−ディフェンスでの実験は地震減災に関する研究開発において構造物の耐震性を評価する究極の検証手段です。
 
E−ディフェンスは,地震動を再現する「震動台」(写真− 1)とそれを動かす設備,実験データを収録する設備,実験を準備する施設で構成されています。
 

【写真−1 E−ディフェンスの震動台】




 
広さ300m2の震動台は,最大質量1,200tの構造物を載せて,実際の地震のように揺らすことが可能です(写真− 2)。
 

【写真−2 木造建物2棟の震動実験後の状況】




 
震動台は,水平方向10台,鉛直方向14台の加振機に作動油が流出入することによって動きます(図)。
 

【図 震動台と加振機】




 
これらの加振機により,1,200tの構造物が載った震動台に水平方向・鉛直方向それぞれ最大加速度900cm/s2・1,500cm/s2,最大速度200cm/s・70cm/s,最大変位±100cm・±50cmの動きを実現します(表)。
 

【表 E−ディフェンスの仕様】




 
このような仕組みにより,震動台に平成7年兵庫県南部地震や平成23年東北地方太平洋沖地震の際に観測した地震動のような巨大地震の揺れを作り出します。震動台上の構造物の破壊に至るプロセスを捉えるため,構造物に設置した計測機器960チャネル分のデータを集録する装置と,32台分のカメラ映像を収録する装置を設けています。震動実験に供する構造物は,広さ4,800m2 と3,500m2の屋外ヤード2カ所と広さ2,000m2の実験準備棟内で製作し,震動台へ大型キャリアなどを利用して設置します。
 
防災科研はE−ディフェンスを共用利用施設として運用しており,防災科研自体の研究や外部機関との共同研究,委託を受けた研究での実験に加え,外部機関へ施設を貸与し,外部機関が主体となる実験も行っています。E−ディフェンスの運用開始から平成27年度末までに,あわせて80課題の震動実験を実施しました。E−ディフェンスの利用は,例年12〜1月頃にウェブサイト(http://www.bosai.go.jp/hyogo/)を通して公募しています。公募への申し込みの後,有識者で構成する利用委員会にて審議を行い,施設利用の可否を決定しています。
 
E−ディフェンスでは,木造戸建住宅,鉄筋コンクリート造や鉄骨造の建築物などさまざまな構造物の震動実験を実施しています。このような多種・多様な実験結果を地震減災に関する研究開発の振興と防災意識の啓発に活用し貢献するため,40課題以上の震動実験の計測データと映像をウェブサイト上で公開するとともに,これまでに9万人以上の方々に実験や施設を見学いただいています。
 
E−ディフェンスでは現在,震動台を制御するシステムの更新作業を実施中です。作業完了の後,平成29年2月より新たな震動実験を再開します。
 
 

地震被害を軽減するための実験研究

防災科研ではE−ディフェンスを活用して,各種建築物やその機能,室内,地盤・基礎・地中構造物などの被災過程解明と対策技術に関する実験研究に取り組んでいます。実験研究で実施した震動実験事例を次に紹介します。
 
 

鉄筋コンクリート造建物の震動実験

鉄筋コンクリート造建物の地震時の挙動を把握するため,高さ約27mの10層建物(写真− 3)の震動実験を平成27年に実施しました 1)。
 

【写真−3 震動台上の10層鉄筋コンクリート造建物】




 
この実験では,現行基準の耐震構造の建物骨組が崩壊に至る過程を捉え,その耐震性能の確認を行いました。また,巨大地震により生じると想定される建物骨組の大きな変形を抑制する基礎すべり技術の性能確認も行いました。
 

大規模空間建物の震動実験

平成23年東日本大震災などで脱落被害が見られた吊り天井について,被害に至るメカニズムの解明と脱落防止技術の向上のため,小中学校の体育館を模した広さ約560m2の大規模空間建物(写真− 4)の震動実験を平成26年に実施しました 2)。
 

【写真−4 震動台上の大規模空間建物】




 
この実験では,吊り天井の脱落被害を再現する(写真−5)とともに,新しい技術基準に従った吊り天井の性能を確認しました。
 

【写真−5 大規模空間建物内の吊り天井が脱落した様子】




 
実験成果の一部は,文部科学省の学校管理者向け『屋内運動場等の天井等落下防止対策事例集』に掲載されています。
 
 
 
これら10層鉄筋コンクリート造建物と大規模空間建物は,これまでのE−ディフェンス実験の中でそれぞれ最大の高さと広さを有しており,世界最大規模の実験施設だからこそ実現可能な,実際の地震時の現象を再現した実験といえます。
 
 
 

免震建物の震動実験

免震構造について,設計想定以上の地震時に免震建物が大きく動くことによって起こり得る建物周囲の擁壁へ衝突する現象と,その際建物の機能維持に及ぼす影響を評価するため,平成25年に4層鉄筋コンクリート造免震建物(写真− 6)の震動実験を実施しました 3)。
 

【写真−6 震動台上の4層鉄筋コンクリート造免震建物】




 
この実験は世界初の免震建物の衝突実験であり,建物が擁壁に衝突しても建物の構造部材に被害を生じない一方,擁壁が損傷し,衝突の衝撃により建物室内の什器類が動き転倒する被害などが発生することが分かりました。
 
実験成果の一部は,日本建築構造技術者協会関西支部が設置した「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」がとりまとめた設計指針に活用されています。
 


 
さらに,E−ディフェンス実験で取得したデータを活用して,実験時の構造物の挙動を高精度に解析する数値シミュレーション技術「数値震動台(E−Simulator)」の構築と,その耐震性評価への活用を目指した研究開発にも取り組んでいます。
 
また,文部科学省が推進する「都市の脆弱性が引き起こす激甚災害の軽減化プロジェクト」の一環として実施した鉄骨造建物や鉄筋コンクリート造建物の崩壊余裕度の定量化に関する実験,国土交通省の事業の一環として実施した実大免震ダンパーの特性評価に関する実験やCLTによる建築物の構造性能実験,兵庫県と共同で実施した鉄骨建築物の耐震安全対策に関する実験やため池堤体の耐震安全性に関する実験など,国や自治体,民間企業の研究開発の共同研究においてもE−ディフェンスを活用しています。
 
 

巨大地震に対する社会の強靭性向上を目指して

防災科研は巨大地震から社会を守るため,地震減災につながるE−ディフェンスを活用した実験研究プロジェクトを推進するとともに,地震減災に関する研究開発を振興するためにE−ディフェンスを企業や大学,公的機関等と共用し,実験データを提供することにより,巨大地震に対する社会の強靭性向上を目指します。
 
私たち防災科研は,社会のニーズを捉えた研究開発に取り組むとともに成果を速やかに社会へ還元する実戦的な研究を,関係機関にご協力をいただきながら進めてまいります。皆様方には,引き続きの温かいご指導・ご支援をお願い申し上げます。
 
 

参考文献

1) 梶原浩一,土佐内優介,佐藤栄児,福山國夫,井上貴仁,塩原等,壁谷澤寿海,長江拓也,福山洋,壁谷澤寿一,向井智久:E−ディフェンスを用いた10階建て鉄筋コンクリート造建物(2015)の三次元振動台実験 その1 基礎すべりおよび基礎固定実験の概要.日本建築学会大会学術講演梗概集,863-864,2016.
 
2) 佐々木智大,青井淳,田川浩之,梶原浩一,荒井智一,金井貴浩,?岡昌史,岩下裕樹,吉澤睦博,壁谷澤寿海,清家剛,山田哲,福山洋,太田勤,江口亨,伊山潤,石原直,磯部大吾郎:大規模空間吊り天井の脱落被害メカニズム解明のためのE−ディフェンス加振実験 報告書 −大規模空間吊り天井の脱落被害再現実験および耐震吊り天井の耐震余裕度検証実験−. 防災科学技術研究所研究資料,No.391,140p.,2015.
 
3) 佐藤栄児,佐々木智大,福山國夫,田原健一,梶原浩一:
E−ディフェンスを用いた実大実験による免震技術の高度化 その1 研究プロジェクトの概要:日本建築学会大会学術講演梗概集,751-752,2013.
 
 

国立研究開発法人 防災科学技術研究所         
地震減災実験研究部門 主任研究員 田端 憲太郎

 
 
 
【出典】


建築施工単価2017冬号




 

 

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