Why do buildings fall in earthquakes? - Vicki V. May

地震でビルが崩壊する理由 ― ヴィッキ V. メイ

翻訳: Misaki Sato 校正: Tomoyuki Suzuki

Earthquakes have always been a terrifying phenomenon,

地震はいつの世も 恐ろしい現象でしたが

and they've become more deadly as our cities have grown,

都市が発達して ビル崩壊の危険性が増すと

with collapsing buildings posing one of the largest risks.

ますます命にかかわるようになりました

Why do buildings collapse in an earthquake,

なぜ 地震でビルは崩壊するのでしょうか

and how can it be prevented?

またそれを防ぐにはどうしたら いいのでしょうか？

If you've watched a lot of disaster films,

パニック映画を見たことがあれば

you might have the idea

ビルの崩壊は

that building collapse is caused directly by the ground beneath them

その足元の地面が 激しく揺れたり ひび割れたりすることで

shaking violently, or even splitting apart.

起こるのだと考えるでしょう

But that's not really how it works.

でも 実はそうではありません

For one thing, most buildings are not located right on a fault line,

まず ビルの多くは断層線上に あるわけではなく

and the shifting tectonic plates go much deeper than building foundations.

移動する構造プレートはビルの基盤より さらに深いところにあります

So what's actually going on?

では 本当は何が起きているのでしょうか？

In fact, the reality of earthquakes and their effect on buildings

地震の実態や ビルにもたらされる影響は

is a bit more complicated.

もう少し複雑なのです

To make sense of it, architects and engineers use models,

建築家やエンジニアは

like a two-dimensional array of lines representing columns and beams,

柱と梁の代わりに 平面上に配列されたラインや

or a single line lollipop with circles representing the building's mass.

ビルの質量を表す球がついた 棒付キャンディ型のモデルを使います

Even when simplified to this degree, these models can be quite useful,

ここまで単純化しても こういったモデルはとても役立ちます

as predicting a building's response to an earthquake

それは地震に対して 建物がどう反応するかは

is primarily a matter of physics.

基本的に物理学の問題だからです

Most collapses that occur during earthquakes

地震によって引き起こされる ビルの崩壊は

aren't actually caused by the earthquake itself.

実は地震そのものが 原因なのではありません

Instead, when the ground moves beneath a building,

そうではなく ビルの下にある地面が動くと

it displaces the foundation and lower levels,

ビルの基盤と 低い階にずれが生じて

sending shock waves through the rest of the structure

残りの構造に衝撃波を送るので

and causing it to vibrate back and forth.

ビル全体が左右に揺れ動くのです

The strength of this oscillation depends on two main factors:

この振動の強さは 主に２つの要素に依存しています

the building's mass, which is concentrated at the bottom,

底部に集中したビルの質量と

and its stiffness,

ビルの剛性

which is the force required to cause a certain amount of displacement.

つまり 一定の変位を生じさせるのに 必要な力です

Along with the building's material type and the shape of its columns,

ビルの剛性は材質や 柱の形にも左右されますが

stiffness is largely a matter of height.

主に高さが関わってきます

Shorter buildings tend to be stiffer and shift less,

比較的低いビルは固くて しなりませんが

while taller buildings are more flexible.

高層ビルは もっと曲がりやすくなっています

You might think that the solution is to build shorter buildlings

それなら なるべく しなることがないように

so that they shift as little as possible.

低いビルを建てればいいと思うかもしれませんね

But the 1985 Mexico City earthquake is a good example of why that's not the case.

しかし 1985年のメキシコシティの地震は そうではない事を教えてくれます

During the quake,

地震の最中に崩壊したのは

many buildings between six and fifteen stories tall collapsed.

６階から15階の高さのビルが 多かったのです

What's strange is that while shorter buildings nearby did keep standing,

ここで不思議なことは 周囲の低い建物は崩壊せず

buildings taller than fifteen stories were also less damaged,

また15階より高い建物も 比較的被害は小さく

and the midsized buildings that collapsed

中間の高さの建物が

were observed shaking far more violently than the earthquake itself.

地震そのものよりも もっと激しく振れて 崩壊したことです

How is that possible?

なぜそんなことが 起こったのでしょうか？

The answer has to do with something known as natural frequency.

答えは固有振動数として知られる 特性に関係しています

In an oscillating system,

周期的に振動するシステムにおいて

the frequency is how many back and forth movement cycles occur within a second.

周波数とは１秒間における往復運動の 回数を意味します

This is the inverse of the period,

これは周期 つまり１回のサイクルにかかる

which is how many seconds it takes to complete one cycle.

秒数の逆数になります

And a building's natural frequency, determined by its mass and stiffness,

ビルの質量と剛性によって 固有振動数が決まり

is the frequency that its vibrations will tend to cluster around.

その振動数付近に 振動が集中しがちなのです

Increasing a building's mass slows down the rate at which it naturally vibrates,

ビルの質量が増すと 固有振動の振動数が低下しますが

while increasing stiffness makes it vibrate faster.

一方で 剛性が増すと 振動が速くなります

So in the equation representing their relationship,

ですから 次の方程式は 双方の関係を表しています

stiffness and natural frequency are proportional to one another,

剛性と固有振動数は お互いに比例し

while mass and natural frequency are inversely proportional.

反対に質量と固有振動数は 反比例します

What happened in Mexico City was an effect called resonance,

メキシコシティで起こったのは 共振と呼ばれる現象で

where the frequency of the earthquake's seismic waves

地震波の持つ振動数が

happen to match the natural frequency of the midsized buildings.

中高層ビルの固有振動数と たまたま一致したのです

Like a well-timed push on a swingset,

すると振り子のタイミングあわせて 揺らした時のように

each additional seismic wave amplified the building's vibration

１回ごとの地震の波が 現在の揺れている方向に向かって

in its current direction,

ビルの振動を増幅するため

causing it to swing even further back, and so on,

振れがさらに大きくなり

eventually reaching a far greater extent than the initial displacement.

最初のずれよりも 遥かに大きくなってしまいます

Today, engineers work with geologists and seismologists

現在 エンジニアは 地質学者や地震学者と共に

to predict the frequency of earthquake motions at building sites

共振によるビルの崩壊を防ぐために

in order to prevent resonance-induced collapses,

ビルを建てる場所の

taking into account factors such as soil type and fault type,

土質や断層タイプといった 要因を考慮し

as well as data from previous quakes.

過去の地震データを基に 地震の振動数を予測します

Low frequencies of motion will cause more damage to taller

低周波の揺れだと

and more flexible buildings,

高層で柔軟性の高いビルの方が ダメージを受け

while high frequencies of motion pose more threat

反対に高周波の揺れは

to structures that are shorter and stiffer.

低く より固いビルにとっての 脅威となります

Engineers have also devised ways to abosrb shocks

エンジニアは衝撃を吸収する 方法も考案し

and limit deformation using innovative systems.

画期的なシステムで 変形を防ぎます

Base isolation uses flexible layers

基礎免震は 柔軟なレイヤーを採用する事で

to isolate the foundation's displacement from the rest of the building,

基礎がずれても 他の部分に影響することを防ぎます

while tuned mass damper systems cancel out resonance

同調質量ダンパシステムは 位相をずらして

by oscillating out of phase with the natural frequency

固有振動数の振動を与えることで 振動を相殺させることで

to reduce vibrations.

共振を防ぐのです

In the end, it's not the sturdiest buildings that will remain standing

つまり 倒れないのは 一番頑丈な建物ではなく

but the smartest ones.

よく考えて設計されたビルなのです