バッコ博士の構造塾

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地震の加速度を表すガルとは?建物の揺れと計測震度との関係

地震が発生すると、日本各地で観測された地震のデータはすぐに解析されます。震央やマグニチュード、震度の分布状況が速報で流れることで、地震の概要がわかります。

 

しばらくすると負傷者や倒壊家屋の数が報道され始め、地震による被害の状況も知ることが可能となります。

 

地震の大きさを表す指標として「震度」「マグニチュード」は広く認知されており、特に説明もなく使われることが多いです。しかしニュースなどを見ていると、「ガル(gal)」「カイン(kine)」といった一般にはあまり馴染みのない指標が使われることもあります。

 

どの指標も地震のある一側面を表しているに過ぎず、それだけで地震の全体像をとらえることはできません。また、地震が建物に及ぼす影響については、さらに複雑になります。

 

しかし、ある1つの指標の値が一人歩きして、誤解を招くことがあります。特にこの4つの指標の中で、ガルが最も間違った認識をされているような気がします。

 

今回はこのガルについて説明していきます。

 

 

ガル(gal)とは加速度の単位

地面がガタガタと揺れるのが地震です。地震の特性を知るうえで、このガタガタと揺れるときの地面の「加速度」が非常に重要になります。

 

なぜなら、建物に生じる地震の力とは加速度に他ならないからです。加速度に重さを乗じたものが地震の力になります。

 

そして、この地震の加速度を表す単位がガルです。加速度の単位なので、距離を時間の二乗で割った次元を持ちます。

 

1ガル=1gal =1cm/s2

 

重力加速度1G≒980galなので、ガル(gal)は重力加速度(G)の概ね1/1000の単位になります。

 

過去に観測された地震の最大加速度

地震による揺れは当然一定ではありません。そのため、加速度の値も刻々と変化していきます。

 

しかし、基本的に地震の加速度と言えば、最大加速度を指します。端的にその地震の特徴を捉えるには、最大値が一番わかりやすい指標でしょう。

 

過去の震度7を記録した地震の最大加速度を挙げておきます。なお、地震には東西、南北、上下と3つの成分がありますが、それらの足し合わせの数値です。

 

兵庫県南部地震   (1995): 848gal

新潟県中越地震   (2004):2515gal

東北地方太平洋沖地震(2011):2933gal

熊本地震前震    (2016):1580gal

熊本地震本震    (2016):1362gal

北海道胆振東部地震 (2018):1505gal

 

また、2008年の岩手・宮城内陸地震では最大震度6強ながら、4022galを記録しています。

 

地震の最大加速度と計測震度の関係

震度7を記録するような地震では、最大加速度が重力加速度(980gal)を大幅に超える場合がほとんどです。場合によっては重力加速度の4倍以上の非常に大きな値を示します。

 

しかし、なぜ同じ震度7でもこれだけ最大加速度に差があるのでしょうか。また、最大加速度が非常に大きい岩手・宮城内陸地震の震度はなぜ6強止まりなのでしょうか。

 

それは、建物の地震被害は地震の最大加速度だけできまるほど単純ではないからです。建物に被害を出しやすい揺れ方、出しにくい揺れ方が存在します。

 

兵庫県南部地震では、戸建住宅に大きな被害を及ぼす「キラーパルス」と呼ばれる成分が多く含まれていました。そのため他の地震に比べて最大加速度は小さいものの、甚大な被害が生じました。

 

「震度」とは、元々は「観測員の体感」と「実際の被害状況」に応じて決められていました。そのためデジタル処理によって震度を決定する現代においても、建物の被害状況を表せるような工夫がされています。

 

得られた地震の加速度記録を用いて複雑な処理を行って算出するのですが、被害に直結しない成分は小さめに、被害に直結する成分は大きめに評価されます。

震度とは何か?よくわかる計測震度の算出方法と震度階級

 

加速度が大きくなれば震度も大きくなる傾向にはありますが、必ずしも加速度だけで決まるわけではありません。

 

地震の最大加速度と建物の揺れの関係

震度の算出においては、地震の加速度だけではなく揺れ方も影響することを書きました。では実際のところ、「最大加速度が大きいのに建物があまり揺れない」とはどういう状況なのでしょうか。

 

一般的には「固有周期」「応答スペクトル」といった難しい用語で説明されていることが多いと思います。ですが、ここではできるだけ平易に説明してみたいと思います。

 

まず、なんとなく「建物は硬い」というようなイメージがあるかもしれませんが、実際にはそうでもありません。手で押しても目に見えて変形させることはできませんが、建物自身の重さを考えると意外に柔らかいのです。

 

そして、建物が柔らかいということは、ゆっくりとしか動けないということです。地面が素早く動いてもその動きについていけず、後から少し遅れて付いていくことしかできません。

 

例えば、地面が大きな加速度を伴って右側に動いた場合、建物の1階の床は地面とともに動きます。しかし、2階より上の部分はまだ元の位置、つまり動いた地面から見れば左側に留まっているように見えます。

 

元の位置からほとんど動いていないということは、生じる加速度も小さいということです。地面に生じた加速度がそのまま建物に生じる加速度になるわけではないのです。

 

もちろん、地面が動いた分だけ1階の柱には変形が生じるので力は発生します。しかし、加速度が一瞬しか作用しない場合は変形量も微々たるものなので、大した力は生じません。

 

地面の揺れが一般的な建物の動きに比べて十分に速ければ、最大加速度が大きかろうと被害は小さくなります。そして、最大加速度が大きい地震ほど素早い揺れの成分が多い傾向にあります。

 

最大加速度は重要な指標ではありますが、その値だけに捕らわれると大きな勘違いをしてしまうことになります。最大加速度=地震の力ではないことに気を付けましょう。

 

それがわかっていれば、上下方向に1G以上の加速度が生じると建物が浮かんでしまうという勘違いもしなくて済みます。

免震構造と縦揺れの関係