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1 長周期地震動と建物応答 構造研究グループ大川出 1 長周期地震動と建物応答 ここでは 周期 2 秒程度以上の繰り返しの多い地震動を指す ( 内陸直下地震でよく見られるパルス的なものを除く ) 発表内容 超高層等における設計用地震動の現状と問題点 東日本大震災における長周期地震動 地域別 ( 被災地 首都圏や大都市圏 ) に見た長周期地震動の特徴 建築物の地震応答事例 長周期地震動の予測手法 今後への課題

2 24 年 9 月紀伊半島沖地震における大阪此花観測点記録の周期特性の時間変化 周期 時間 加速度 時間 ( 秒 ) マグニチュードとスペクトル特性の概略的関係 (Boore, 23)

3 耐震解析における設計用地震動 超高層 免震建築物における時刻歴を用いた応答解析 観測波形の利用( 適切な観測記録が不足 ) と速度振幅によるスケーリング (25, 5cm/s) 長周期で振幅レベルを確保した 2 年告示スペクトル継続時間 (6 秒以上 ) サイト波の作成( 妥当性の評価方法が課題 ) 内陸直下地震記録は増加 長周期地震動サイト波が検討課題 層間変形角 塑性率など建物応答の制限 サイトと震源に応じて長周期地震動時刻歴を評価 作成する手法の開発と提案 ( 後述 ) 超高層建築物等における長周期地震動への対策試案 への適用とパブリックコメントの実施 東北地方太平洋沖地震の発生 設計用地震動スペクトル 2 種地盤 15 八戸 NS 5kine h=.5 擬似速度 (cm/s) 5 地表面 ( 太実線 : 工学的基盤入力 ) 工学的基盤 ( 点線 ) 1 種地盤 タフト EW 5kine エルセントロ NS 5kine 周期 (s) 8 1

4 東北地方太平洋沖地震における現象の把握 1) 地震動特性 ( 東北 ~ 関西 周期 2~1 秒 ) 2) 地域の地震動レベル ( 被災地域 首都圏 その他大都市圏 ) 3) 建物応答記録 ( 超高層建築物 ) 4) 長周期地震動に関する提案手法の検証 本震と M7 以上の余震の震源位置

5 I JMA /3/11 14:46 (h=24km, M9.) km 比較に用いた主要強震観測地点 (K-NET)

6 擬似速度応答 (cm/s s) h=.5 IWT1( 一関 ) MYG1( 石巻 ) MYG6( 古川 ) MYG13( 仙台 ) MYG15( 岩沼 ) FKS17( 須賀川 ) FKS18( 郡山 ) IBR3( 日立 ) 告示 ( 工学的基盤 ) 同 ( 一種地盤 ) 同 ( 二種地盤 ) 同 ( 三種地盤 ) 周期 (s) 被災地のK-NET 観測点での擬似速度スペクトル ( 周期毎に大きい成分をとった ) 筑波山宮代つくば上尾水海道野田戸田三郷八千代小平千葉川崎横浜 弘前 札幌 函館 八戸 広尾 釧路 関東地域 km 宮古秋田 2 4 鶴岡 新潟 福岡 浜田 大分 延岡 宮崎都城 広島 米子 高松 高知 金沢舞鶴 大阪 松阪 新宮 木曽甲府 名古屋 長野 静岡 下田 km いわき 折立小 2 4 仙台宮城野小 東北大 仙台地域 玉川中 鶴巻小中野野小 km 1 2 建築研究所の強震観測地点

7 擬似速度応答 (cm/s) 秋田県庁 B1F 八戸市役所 GL いわき市役所 B1F 宮古市役所 GL 新潟市役所 B1F 仙台合同庁舎 B2F 告示基盤スペクトル 23 年十勝沖地震苫小牧 (K-NET)EW 減衰 5% 周期 (s) 被災地の建築研究所観測地点での擬似速度応答スペクトル (cm/s) エネルギースペクトル h=.1 秋田県庁 B1F 八戸市役所 GL いわき市役所 B1F 宮古市役所 GL 新潟市役所 B1F 仙台合同庁舎 B2F 基盤告示波 (1 波平均 ) 23 年十勝沖苫小牧観測点 EW 周期 (s) 8 1 被災地の建築研究所観測地点でのエネルギースペクトル

8 15 23 年十勝沖地震 K-NET 苫小牧 速度 (cm/s s) 年宮城県沖地震東北大学 1995 年兵庫県南部地震神戸海洋気象台 211 年東北地方太平洋沖地震東北大学 5 15 時間 (s) 主要観測記録の時刻歴の時間長さの比較 擬似速度応答 (cm/s) エネルギーススペクトル (cm/s) 減衰 5% 足立地方合同庁舎 _1F 日本工業大学 _GL さいたま合同庁舎 2 号館 _1F 三郷市庁舎 _GL 東京理科大学 7 号館 _1F 基盤告示スペクトル 周期 (s) 8 1 擬似速度応答 (cm/s) エネルギーススペクトル (cm/s) 減衰 5% 2 船橋市総合教育センター GL 市川市行徳図書館 1F 中央合同庁舎 6 号館 1F 墨田区役所 B1F 中央区 37 階建超高層住宅 1F 東京海洋大学品川国際交流会館 GL 基盤告示スペクトル 4 6 周期 (s) 足立地方合同庁舎 1F 日本工業大学 GL さいたま新都心合同庁舎 2 号館 1F 三郷市庁舎 GL 東京理科大 7 号館 1F 告示波エネルギースペクトル (1 波平均 ) 十勝沖地震苫小牧 (K-NET)EW 周期 (s) 周期 (s) 首都圏および東京 千葉湾岸の地震動特性 8 1 船橋市総合教育センター _GL 市川市行徳図書館 _1F 中央合同庁舎 6 号館 _1F 墨田区役所 _B1F 江東区 37 階建超高層住宅 1F 東京海洋大学品川国際交流会館 _GL 告示波エネルギースペクトル (1 波平均 ) 23 年十勝沖地震苫小牧 (K-NET)EW

9 速度応答 (c cm/s) K-NET 築館 ( 震度 7) 栗原市減衰 5% 1995 年兵庫県南部地震神戸海洋気象台東北大学人間環境系校舎 (1F) 仙台市 K-NET 古川 ( 震度 6 強 ) 大崎市 23 年十勝沖地震 K-NET 苫小牧仙台第 2 合同庁舎 (B2F) 工学的基盤 ( 基準法 ) 周期 ( 秒 ) 東北地方太平洋沖地震での地震動特性 8 1 比較に用いた主要強震観測地点 (K-NET)

10 擬似速度応答 (cm/s) 減衰 5%, 水平最大 HKD129( 苫小牧 ) OSK5( 大阪柴島 ) NIG1( 新潟 ) TKY16( 東京東雲 ) MIE3( 四日市 ) OSKH2( 大阪此花 ) KNG2( 横浜 ) SIT3( 埼玉久喜 ) 周期 (s) 8 1 被災地を除く全国的な地震動特性の比較 44 建築研究所の強震観測点 HKD HKU KGC HRO SKS MIZ OSK, SKS MTS KSO NGY AKT TRO NIG NGN YMN SMZ SMS HRH THU, SND IWK HCN2, HCN MYK 211/3/11 14:46(JST) h=24 km, M9. km

11 55 Story Office Building (SKS)in Osaka Osaka Sakishima office building 52 fl. 38 fl. Y 256m 18 fl. Sensor locations on the plan accelerometer 1 fl. 大阪湾岸 (SKS) 観測地点 52F ACC(cm/s 2 ) - 52F Max.126 gal ( 秒 ) 38F ACC(cm m/s 2 ) - 38F Max. 86 gal X ( 秒 ) 18F ACC(cm/s 2 ) - 18F Max. 41 gal 1F ACC(cm/s 2 ) - 1F ( 秒 ) Max. 34 gal 地震計 ( 秒 )

12 SKS1 階の記録の擬似速度応答スペクトル ( 左 ) と 1 階に対する 52 階のスペクトル比 東北地方太平洋沖地震の本震 (Mw9.) と最大余震 (Mw7.7)

13 4 3 SKS 52F-Y Displacement (c cm) 2 Main shock(mw=9.) Aftershock (Mw=7.7) 52F-X time (s) 頂部変位 ( 上 :Y 方向 下 :X 方向 ) 擬似速度応答スペクトトル (cm/s) h=.5 SKS X 1F SKS Y 1F OSKH2 NS OSKH2 EW 2 4 周期 (s) 東北地方太平洋沖地震における大阪湾岸 SKS 観測地点 1 階と KiK-net 此花 (OSKH2) 観測地点での地表記録の擬似速度応答スペクトルの比較

14 大阪湾岸の増幅特性の推定 大阪府震度計の本震記録 OSKH2 本震時の周期 6.4 秒擬似速度応答スペクトルの分布 ( 単位 :cm/s) SKS 此花地点 (OSKH2) の地盤増幅 振幅倍率 応答 ( 減衰 1%) 応答 ( 減衰 5%) 入力 T=5 sec 時間 ( 秒 ) 8 低減衰系構造物の共振における過渡応答

15 観測地震動特性のまとめ 東北地方太平洋沖地震における強震観測データを用いて本地震が作用した各地域の長周期地震動特性について整理した 1) 大きなマグニチュードにもかかわらず被災地や首都圏での長周期地震動のスペクトルレベルは現行設計レベルを上回るものではなかった 2) 長周期地震動が卓越する地域がある 3) 震源から遠く離れた超高層建物で大きな頂部変形が観測された 長周期地震動レベルが大きく卓越した地点があった 4) 入力地震動と固有周期の長い建物との低減衰における共振現象が見られた 5) 震源破壊に要した長い時間を反映して 継続時間が長い記録が多数得られた 長周期地震動の評価方法に関する検討 観測データに基づいて 長周期地震動のスペクトル特性と群遅延時間特性 ( 位相特性 ) を求め さらに時刻歴を作成する手法を提案 ( 建築研究資料, 21) 今回の地震の記録でその手法の適用性を検証している 太平洋プレートの地震への適用性 Mw=9.の超巨大地震へどのように適用することが可能か ( 連動型などへの活用 ) 地震動特性の予測誤差 作成波のばらつき 超高層建築物や免震建築物の応答特性 3

16 長周期地震動の評価 提案手法 震源 断層最短距離 (R) 震源距離 (X) サイト係数 加速度応答スペクトル ( 減衰定数 5%) log S ( T ) = a ( T ) M + b ( T ) R 1 a 1 w pt ( ).5Mw ( ) - log R + dt ( )1 + ct ( ) + c( T) j 群遅延時間の平均値と分散 m ( f ) = A( f) M + B ( f) X + C ( f) tgr 1/ j s ( f ) = A ( f) M + B ( f) X + C ( f) 2 1/3 tgr j 31 減衰定数 5% の加速度応答スペクトル 経験式に基づく時刻歴波形作成方法 予測地点入力パラメータ M ( またはMw) 断層最短距離 震源距離 ( 複数断層の場合は破壊伝播時間差 ) S A (5%) の経験式 フーリエ振幅スペクトルの仮定 周波数依存の経時特性 群遅延時間の平均値 μ tgr と標準偏差 σ tgr の経験式 フーリエ位相スペクトル フーリエ振幅スペクトルの修正 No 加速度波形 目標 S A (5%) への適合性 Fin. Yes

17 想定海溝型地震と予測地点 地震 Mw 大阪平野 濃尾平野 関東平野 その他 南海地震 8.5 南海 東南海地震 東南海地震 8.2 及び8.1 東南海 東海地震 8.3 宮城県沖地震 7.6 関東地震 7.9 各平野での主な予測地点は以下の通り大阪平野 : 此花 (OSKH2) 大阪(OSK5) 濃尾平野 : 津島 (AIC3) 名古屋(AIC4) 関東平野 : 新宿 工学院大 JMA 大手町 東雲 (TKY16) JMA 横浜 関東地震は参考波 ( 震源距離が経験式の適用範囲外のため ) サイト係数 S A (5%) の地盤増幅率 μ tgr σ tgr のサイト係数 ( 海溝型地震 : 水平成分 ) 34

18 35 単独 連動地震 南海地震 東南海 東海地震

19 3 連動地震 本検討 (3 連動 ) 地震モーメント dyne cm(mw) 参考文献参考文献中での引用 南海東南海 東断層東断層 (8.2) (7.9) 鶴来 他 (25) 鶴来 他 (25) 中央防災会議中央防災会議西断層西断層 (8.4) (8.) 鶴来 他 (25) 鶴来 他 (25) 中央防災会議中央防災会議 東海 (8.) 地震本部 (29) 全体 (8.6) 3 連動地震の破壊ケースによる応答スペクトルの比較

20 東北地方太平洋沖地震における観測値 ( 左 ) と予測値 ( 右 ) の比較 IWTH2( 花巻南 ) MYG15( 岩沼 ) 東北地方太平洋沖地震における観測値と予測値の比較 4

21 東北地方太平洋沖地震における観測値の提案予測式による検証 提案予測式はMw=9.は適用範囲外となるので 広い震源域を適切に分離して連動型として 提案式を適用した 東北地方では 周期 3 秒程度以下の長周期地震動をほぼ再現できている 関東平野では やや過大評価となった この原因は 関東平野の観測点では サイト係数 地盤増幅率の計算に用いた記録として 長周期が卓越する24 年紀伊半島沖の地震や前震 余震の記録の重みが大きいためと考えられる 周期 5 秒以上では 全体として予測式は観測値を上回った これは Mwを外挿して経験式を用いていることが一因と考えられる 41 前記検証結果に基づき検討中の事項 太平洋プレートと南海トラフの地震による伝播経路による差について検討する 本震を連動地震と考えて その適切な構成震源モデルを求め 予測式を無理なく適用させる 予測式をMw=9.まで適用できるように Mw が大きくなると地震動が頭打ちする効果等を導入するなどして 予測式の改良を試みる 現在検討中であり 結果は別機会に紹介する 42

22 南海トラフの巨大地震モデル検討会 ( 内閣府中間とりまとめ案 ) 昭和南海地震の長周期地震動予測地図 ( 地震調査研究推進本部 212.1) 43

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