建物に組み込む被害防止策
9月20日、マグニチュード7.1の大地震がメキシコの首都を襲った。約230人の死者の大半は、地面が最初に揺れたことによるものではなかった。しかしこの地震でも、ほかの多くの地震と同様に、主な死因となったのは建物の倒壊だった。
地震が起きると、地殻の巨大な部分が動くことで放出されたエネルギーが、数百キロメートルにわたって広がる強大な力を生み出す。地震の力で建物の基礎が揺れたり、急激に動いたりすると、建物の上部と下部の動きの差によって、構造を支える材料に新たな応力やひずみが生じ、破断することがある。
ここ数十年、新たな設計や材料の登場により、メキシコシティなどの建物は地震の力に耐えられるよう、より優れた工学設計が施されてきた。しかし、決して万全ではない。研究者たちは、将来の建造物が倒壊をさらに確実に防げるよう、新しい技術の開発を進めている。実際、地震の発生を予測したり、起きる前に防いだりできるようになるかもしれない。そこに至る前に、まず現在の建造物がどのように機能し、どこに問題があるのかを理解する必要がある。
アンドリュー・ウィテカーバッファロー大学の土木工学教授は、地震時の建物は、ローラーで支えられた板の上に立つ人のようなものだと指摘する。誰かがローラーを動かすと、土台は上部の重さを支えられなくなり、人が転ぶおそれがある。一般に、建物が高いほど、下部と上部にかかる力の差が大きくなり、材料が破損する可能性も高まる。
そのため、地震地帯にある多くの都市では、建物の階数に制限が設けられていたと、トーマス・ヒートンカリフォルニア工科大学の地球物理学・土木工学教授は説明する。
もちろん、こうした変動するエネルギーへの対処に向いた材料もあれば、そうでないものもある。木材は意外なほど優れている。「木材は、構造上の剛性や強度に比べて非常に軽いため、ある意味で理想的です」と、ヒートンはFuturismに語る。コンクリートは一般に脆い材料だが、鉄筋で補強すると、横揺れに対する弾力性が大きく増す。はるかに弱いものもある。日干しれんが造りの建物（その数百万棟が2015年のネパール地震で倒壊した）や、れんがや石をモルタルで固めた組積造の建物だ。
建物の設計も、地震のエネルギーを集中させたり、逃がしたりする要因となる。積層木材などの構造用木材が住宅の骨組みを構成する。梁は、地震の圧力で倒れるよう設計された耐震壁で支えられ、揺れの際に緩む金属製の筋交いで接合されている。地震で建物が基礎から滑り落ちないよう、住宅全体が基礎にしっかり固定される。強風の力に耐えるため柔軟な構造に設計されていることから、多くの近代的な超高層ビルは地震にも驚くほど強い。古い建物にも、現在のより安全な技術を取り入れて耐震改修できるが、新築するより費用がかかる場合もある。
地震に最も強い建物は、窓のないコンクリートの塊だろう。多くの建築家が醜いと考えるような建物だ。「人々が美しいと思う、開放的で窓の多い建造物を見ると、押しつぶされた人々の姿が目に浮かびます」とヒートンは言う。
新しく、より高度な建物の中には、免震と呼ばれる技術で建てられたものがある。建物の基礎付近にゴム状の装置を設置し、地震のエネルギーを吸収して、建物の骨組み全体に伝わるのを防ぐ。「自動車のショックアブソーバーを建物の規模に拡大したようなものと考えられます」とウィテカーは言う。免震には依然として費用がかかるため、主に多くの人が利用する建物や、緊急時に重要となる建物、たとえば病院や空港などに採用されている。
アップル・パーク2は、テクノロジー企業の新キャンパスで、最近、世界最大の免震建築物となった。
揺れる都市
この1世紀で、技術者や建築家は、地震に強い建造物をつくる方法について多くを学んできた。
しかし、知識が増えても被害を確実に防げるわけではない。メキシコシティを襲った直近の地震は、残念ながらそれを思い起こさせた。
メキシコシティの地震が教訓となったのは、今回が初めてではない。悪名高い1985年の地震では、1万人が死亡し、3万人が負傷した。メキシコは2つのプレートの間に位置しており、世界でも特に地震活動が活発な国の一つだ。都市そのものは古代の湖底に築かれており、今も沈み続けている。ある地質学者が最近BuzzFeedに語ったように、軟弱な地盤はプリンのようで、地震の際には硬い岩盤より大きく揺れるため、倒壊する建物が増えるおそれがある。
危険の一因は、この地域に多い建物の構造にある。「メキシコシティの建物の多くは、変形性能の低い構造です。（被害の）写真を見ると、梁や柱、接合部がばらばらになっているのが分かります」と、ドムニキ・アシマキカリフォルニア工科大学の機械工学・土木工学教授はFuturismに語る。
メキシコには優れた技術者がおり、建築基準も適切だとウィテカーは指摘する。しかし、メキシコシティの建物の大半は古く、現在では危険となりうる別の仕様で建てられている。「現代の建築物や建築基準は、地震の荷重にかなりよく耐えられます。問題なのは、古い基準や想定に基づいて建てられ、同じ力を受けることを必ずしも想定していなかった古い建物です」と、ジェイソン・マコーミックミシガン大学の土木・環境工学准教授はFuturismに語る。
今回の地震でも、耐震性が不十分な建物があまりに多かった。地震の規模がもっと大きくなかったのは、メキシコシティにとって幸運だったにすぎないと、ニューヨーク・タイムズは伝えている。
より備えた未来へ
今日、建物を建てる人々は、これまでにないほど高度な地震対策技術を利用できる。それでも技術者たちは、未来をさらに良くしようと取り組んでいる。
新素材は、将来の地震に建物がよりよく備える助けとなるかもしれない。マコーミックは、現在航空宇宙産業で使われているポリマーや金属の発泡材を開発している。これらを大型化して構造部材の接合部に組み込み、エネルギーを吸収して大きな損傷を防ぐことができる可能性がある。また、形状記憶合金にも取り組んでいる。これはエネルギーを吸収するだけでなく、地震で傾いた建物を元の位置に戻し、修理の必要性を減らせるという。別の研究者たちは自己修復材料を開発している。コンクリートに埋め込んだカプセルが、地震で建物の骨組みや基礎に生じたひび割れを修復する仕組みだ。
さらに、加わる力に応じて剛性を変えられる材料の開発も進んでいる。電気回路で制御され、骨組みの部材同士の接合部に使われるこうした材料は、地震の際に柔らかくなり、建物に伝わるエネルギーを吸収して構造の損傷を防ぐことができると、アシマキは言う。基礎から上部までセンサーを備えた建物も、同様に地震のエネルギーを逃がす機能を持ちうる。
ただし、課題もある。ウィテカーによれば、建設業界は変化が非常に遅いことで知られている。今日開発された材料は、建築当局の審査を受け、建築基準に盛り込まれなければならない。そのため、新素材が実際に使われるまで数十年かかる可能性がある。地震の危険が最も高い地域の一部では、現状に甘んじる傾向もあり、変化の遅さに拍車をかけている。たとえばカリフォルニアでは、ロサンゼルスの1994年ノースリッジ地震以来、大きな地震は起きていない。あるいは、1906年に強い地震がサンフランシスコをほぼ壊滅させて以来と言えるかもしれない。「カリフォルニアでさえ、私の世代は大地震を経験していません。両親もそうです。こうした地震の記憶がないのです」とアシマキは言う。
そのため、住民はより優れた技術を求めたり、迫り来る脅威に備えて住宅の耐震性を高めるよう求めたりする代わりに、地震への備えを最低限にとどめているかもしれない。強い地震については、特にそうだ。「最も激しい地震の揺れにも耐えられる建造物をつくる方法は分かっていると確信しています。しかし、現状ではそれを実行していません」とヒートンは言う。「あまりに長く平穏が続いています。人々は忙しく金を稼ぎ、過去20～30年で学んだことを踏まえて必要な投資をする余裕がありません。」
今後数十年のうちに、研究者たちは長年取り組んできた工学上の偉業、すなわち地震の予測を実現できるかもしれない。すでに早期警報システムはカリフォルニアや日本などにあるが、安全な場所を探す時間は最大でも1分ほどしかない。将来のシステムは性能が向上し、人々にさらに時間を与えられる可能性がある。地震の性質や、地震に伴う混沌とした力を真に理解するには、地震学者はさらに多くのデータを必要とする。地面のわずかな動きを捉える衛星データから、地中深くのセンサーで集めた情報まで、単独の研究チームには資金や資源の負担が大きすぎる実験が必要だと、アシマキは指摘する。
アシマキは、次の世紀には地震の危険を考慮した都市設計が進むと見ている。地震が襲う前に、電気や電話回線、信号機、交通機関が自動的に停止するようになるだろう。電線やガス管の破損は、地震後に都市で火災が相次ぐ主な原因の一つであり、停止によってさらなる被害を防げる可能性がある。
さらに遠い未来には、破壊的な断層破壊が起きる前に、地震のエネルギーを分散できる可能性もある。液体の圧力を使って小規模な地震を制御して起こすことができるかもしれない。これは、現在、水圧破砕法の過程で私たちがすでに意図せず行っていることであり、イエローストーンの巨大火山を鎮静化するために、NASAも実施を提案している。 「実現はずっと先でしょう。でも、不可能ではありません」とアシマキは言う。
メキシコで起きた直近の地震について、技術者や地震学者はそこから学ぶだろう。何を教訓とすべきかを見極めるには時間がかかる。それにしても、地震が今なおこれほど謎に包まれているのは驚きだ。「世界の物理学における最大級の未解決問題の一つは、そもそも地震がどのように起きるのかということです」とヒートンは言う。破壊的な地震であっても、新たな地震が起きるたびに、人類はその理解へ少しずつ近づいている。
