地震による建物の崩壊の原因と予防方法

概要

本記事では、地震による建物の崩壊の原因と、エンジニアや建築家がその予防に取り組む方法について探究します。一般的に考えられているように、地震は建物を直接崩壊させるわけではありません。代わりに、地盤の動きが基礎や下層を変位させ、それが建物全体に衝撃波を送り、振動を引き起こします。振動の強度は、建物の質量と剛性によって決まります。これらは、主に高さ、材料の種類、柱の形状によって決定されます。エンジニアは、土壌の種類、断層の種類、以前の地震データなどの要因を考慮して、建物の地震応答を予測するためのモデルを使用しています。また、基礎分離や調整質量ダンパーシステムなどの革新的なシステムを開発して、衝撃を吸収し変形を制限しています。

地震による建物の崩壊

地震による建物の崩壊は、特に人口の多い都市では重大なリスクです。しかし、建物が直接崩壊するわけではありません。災害映画で描かれているように、地盤が揺れたり割れたりするわけでもありません。ほとんどの建物は断層上に位置しておらず、地球のプレートの動きは建物の基礎よりも深いためです。代わりに、地盤が建物の下を動くと、基礎や下層を変位させ、それが建物全体に衝撃波を送り、振動を引き起こします。

建物の崩壊における質量と剛性の役割

地震時の振動の強度は、建物の質量（下部に集中）と剛性（ある量の変位を引き起こすために必要な力）の2つの主要な要因によって決まります。建物の材料の種類や柱の形状も剛性に影響を与えますが、主要な決定要因は高さです。短い建物はより剛性があり、移動量が少なくなりますが、高い建物はより柔軟です。しかし、短い建物を建てることが常に解決策となるわけではありません。1985年のメキシコシティ地震がそのことを示しています。

自然振動数が建物の崩壊に与える影響

建物の自然振動数は、その質量と剛性によって決まる、振動が振幅を持つ周波数の集まりです。建物の質量を増やすと、自然振動数が遅くなります。一方、剛性を増やすと、自然振動数が速くなります。共振と呼ばれる効果により、地震の地震波の周波数が建物の自然振動数と一致すると、各追加の地震波が建物の振動を現在の方向に増幅させます。この効果により、建物はさらに大きく揺れ、最終的には初期の変位よりもはるかに大きく揺れることがあります。

地震による建物の崩壊を予防する方法

共振による崩壊を防ぐために、エンジニアは地質学者や地震学者と協力して、建物の場所での地震動の周波数を予測し、土壌の種類、断層の種類、以前の地震データなどの要因を考慮します。低周波数の動きは、より高い建物により多くの損害を与え、高周波数の動きは、より短くより剛性のある構造物により大きな脅威を与えます。エンジニアは、基礎分離などの革新的なシステムを開発して、基礎の変位を建物の残りの部分から分離する柔軟な層を使用します。また、調整質量ダンパーシステムは、自然振動数と逆位相で振動して振動を減少させることで共振をキャンセルします。