地盤条件の変化を考慮した土構造相互作用下における二重RCフレーム–せん断壁構造の地震挙動と倒壊能力の評価

建物の下の地盤が重要な理由

耐震建物を想像するとき、私たちはしばしば柱、梁、壁の強さに注目します。しかし物語の重要な部分は目に見えないところ、すなわち構造を支える地盤と基礎にあります。本研究は一見単純だが安全性に大きな意味を持つ問いを投げかけます：地盤自体の柔軟性は強い地震時に鉄筋コンクリート建物の挙動をどれほど変え、特に軟弱地盤上では現行の設計規定が倒壊リスクを過小評価している可能性があるのか？

現代のコンクリート建物は揺れにどう耐えるか

中高層の多くのコンクリート建物は地震に対して「二重（デュアル）」システムを採用しています。垂直のコンクリート壁であるせん断壁が、梁・柱からなる周囲のフレームと協働します。剛性の高い壁が側方震動の大部分を担い、フレームは補助的な強さを提供して損傷を制御します。建築基準は通常、構造の底部が地盤に固定されている、つまり基礎は回転や滑りをしないと仮定します。しかし実際には、特に軟弱地盤では構造、基礎、地盤が一体的に動き変形します。この土–基礎–構造の相互作用により建物の固有周期が長くなり、力の流れがフレームや壁を通して変化し、地震時の損傷が集中する位置も変わり得ます。

建物と地盤を試験にかける

研究チームは、設計コードに基づく三つの鉄筋コンクリート建物（5階、10階、15階）の詳細な数値モデルを作成し、二つの代表的な地盤タイプ、より剛性の高い地盤（Type C）とより軟らかい地盤（Type D）を想定しました。各階数・地盤について、理想化した固定基礎モデルと、基礎が地盤の挙動を表すばねで回転・沈下する柔構造基礎モデルを比較しました。次に、設計レベルの地震やはるかに強い揺れを含む実際の地震記録を用いて何千ものシミュレーションを実行しました。これらのシミュレーションでは、階ごとの全体ひずみ（各階の横変位）だけでなく、梁や柱が降伏して永久損傷を蓄積する“塑性ヒンジ”領域、そして最終的に建物が倒壊するかどうかまで捉えました。

軟らかい地盤と硬い地盤で何が起きるか

結果は、柔らかい基礎が建物を柔らかくする一方で危険性も高めうることを示しており、影響は特に低層建物と軟弱地盤で顕著でした。建物を揺らすことを許すことで固有周期は延び、基底部の最大力は低下しましたが、階間ひずみや梁の損傷は増加しました。軟弱地盤では、5階モデルの階間ひずみが固定基礎の場合と比べ最大で約100％増加しました。10階および15階モデルでも軟弱地盤でそれぞれ約58％、18％のひずみ増加が見られました。地盤が軟らかくなるにつれて、せん断壁が負担する震動の割合は減り、より多くの荷重が周辺フレームに移ることになりました。その再配分により梁端の回転が大きくなり、特に軟弱地盤で最大65％、より剛性のある地盤でも最大36％増加しました。これらの増加は最低階や外側ベイにおいて顕著で、そこが損傷から倒壊へ進展しやすい箇所です。

増加した揺れから高まる倒壊リスクへ

個々のシミュレーションを超えて評価するために、研究チームは増分動的解析という手法を使い、地震動の強さと倒壊確率の統計的関係を示す脆弱性曲線を作成しました。これらの曲線は、柔構造基礎が倒壊の可能性を一貫して高めること、特に軟弱地盤上で顕著であることを明らかにしました。軟弱地盤上の建物では、設計レベルの揺れと倒壊との余裕が地盤の柔軟性を含めることで最大35％も縮小しました。最大想定地震レベルでは、軟弱地盤上の構造の倒壊確率は9〜12％の範囲に跳ね上がり、基礎が完全に固定されていると仮定した場合の数パーセントに比べ著しく高くなりました。注目すべきは、高層建物では設計レベルの揺れでは余分な揺れは控えめに見えても、非常に強い揺れでは横方向のひずみとP–Delta効果（傾くことによって重力荷重が構造をさらに不安定にする効果）が増幅される点です。

より安全な都市のために意味するところ

非専門家向けの主要なメッセージは、地盤の“たわみ”が現代のコンクリート建物、特に二重壁–フレームシステムに組み込まれた安全余裕を静かに蝕む可能性があるということです。基礎を剛体と扱うと堅牢に見える設計でも、地盤が大きな回転や沈下を許す場合は実際には倒壊に近い可能性があります。著者らは、土–基礎–構造相互作用を常に有利であると仮定するのではなく、建築基準や設計実務がこの相互作用をより明示的に考慮すべきだと結論しています。そうすることで地震時荷重の推定がより信頼でき、異なる現場間で安全性が一貫し、次の大地震の際に軟弱地盤上の建物が隠れた不利な状況に置かれることを防げるでしょう。

引用: Yousefi, A., Tehrani, P. Evaluation of seismic behavior and collapse capacity of dual RC frame–shear wall structures considering soil-structure interaction under varying soil conditions. Sci Rep 16, 6211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36577-0

キーワード: 土構造相互作用, 地震工学, 鉄筋コンクリート建物, 地震時倒壊リスク, 軟弱地盤の影響