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まともやたけ
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1 建物被害と相関を持つ地震動の強さ指標を用いた地震被害早期予測プログラムの開発 DEVELOPMENT OF EARTHQUAKE DAMAGE EARLY PREDICTION PROGRAM USING INDEX OF STRONG GROUND MOTION CORRELATED WITH DAMAGE TO BUILDINGS 大月俊典 1 2, 境有紀 Toshinori OTSUKI 1, Yuki SAKAI 2 1 筑波大学大学院システム情報工学研究科大学院生 Graduate Student, Graduate School of Systems and Information Eng., Univ. of Tsukuba 2 筑波大学大学院システム情報工学研究科助教授工学博士 Assoc. Prof., Graduate School of Systems and Information Eng., Univ. of Tsukuba, Dr. Eng. SUMMARY: We developed an earthquake damage early prediction program using seismic intensity indices of 1-2sec. seismic intensity scale based on 1-2sec. average response velocity which was proposed by one of the authors to correspond actual structural damage. We also developed the program using JMA seismic intensity scale to compare the validity of our program. We predicted earthquake damage of past six large earthquakes in Japan, using the developed program. Comparing the results by the JMA and 1-2sec. seismic intensity, we confirmed that the 1-2sec. seismic intensity scale is appropriate for damage prediction rather than the JMA seismic intensity. 1 序論地震による人的被害を一人でも減らすには建物の耐震化とともに, 地震発生直後に被害を迅速かつ正確に予測し, すばやく的確に対応することが重要である. 現在, 地震発生直後の対応にはが用いられることが多いが, は被害の率と対応しているものであり, そこに存在する建物数や人口によって被害の量は違ってくる. 被害の量を予測するシステムとしては, 既に内閣府の地震被害早期予測システム (EES: Early Estimation System) があるが, その予測は 2 年鳥取県西部地震,21 年芸予地震で実被害と大きく異なる値を算出してしまい, 見直しが進められている.EES が実被害と大きく異なる値を算出した原因として, 同システムが地震動の強さ指標として建物被害とあまり相関が無い 1 秒以下の周期帯に重きを置いた [1] 気象庁計測 ( 以下, 計測 ) を使用していることが考えられる. そこで, 実際の被害と相関がある 1~2 秒の周期帯を基にした [1] ( 以下,1-2 秒 ) を地震動の強さ指標として地震被害早期予測プログラムの開発を行い, 過去の地震での被害予測を計算し, 計測を指標にした場合の予測結果とも比較してプログラムの有効性を検証した. 2 被害予測プログラムの開発まず, 地震被害早期予測プログラムの手順について説明する. プログラムのフローチャートを Fig. 1 に示す. はじめに,1 強震波形データからを計算し,2 補間を行って 1km 四方メッシュごとのを決定する. そして,3 全壊率関係 4 全壊率死亡率関係を介して全壊率死亡率を算出し,5 メッシュごとの人口建物数データとあわせてメッシュごとの被害数を求める. そして最後に 6 全メッシュの被害数を合計し, 総被害数を求める. 強震波形データ補間全壊率関係建物全壊率 1km メッシュごとに全壊率 - 死亡率関係死亡率人口建物数データ全壊数死者数合計総全壊数死者数 Fig. 1 Flowchart of the program 予測プログラムで求める建物被害は人命の損失につながる全壊大破 ( 以下, 全壊 ), 被害率は全壊大破の割合 ( 以下, 全壊率 ) とした. 2.1 の算定強震波形データは, 防災科学技術研究所の強震ネット (K-NET), 基盤強震観測網 (KiK-net) のデータを用いて, 1-2 秒 [1] を求めた.1-2 秒とは, 建物の塑性化による周期の伸びを考慮した等価周期に基づいた指標で式 (1) で与えられる. I 1-2 =2.171*log(V 1-2 )+1.2 (1) ここで,I 1-2 : 1-2 秒,V 1-2 : 1~2 秒の平均弾性速度応答 ( 減衰定数 5%, 水平 2 成分ベクトル和,cm/s) である

2 この 1-2 秒は 1995 年兵庫県南部地震などの過去に日本で発生した地震の強震記録と被害データ (Table 1) により大きな建物被害と相関が高いことが示されている [1]. また, 比較のため計測による被害予測も行う. Table 1 Strong ground motion records and building damage data in surrounding areas [1] 発生年地震名地点 I j I 1-2 d(%) s 軸 (d) 1995 兵庫県南部葺合 6.49* 兵庫県南部 JR 鷹取 6.48* 兵庫県南部神戸 JMA 兵庫県南部 JR 宝塚兵庫県南部本山第一小鳥取県西部境港測候所兵庫県南部関電総合技研兵庫県南部 NTT 神戸三陸はるか沖八戸市庁舎兵庫県南部尼崎竹谷小兵庫県南部尼崎高架橋兵庫県南部尼崎港兵庫県南部六甲アイランド兵庫県南部 JR 新大阪兵庫県南部大阪 JMA 鳥取県西部 K-NET 米子釧路沖釧路 JMA 5.95* 北海道南西沖余震乙部小芸予 K-NET 大野芸予 K-NET 東予芸予 K-NET 三原鹿児島県北西部 3/26 K-NET 宮之城鹿児島県北西部 5/13 K-NET 宮之城 I j : 現行の計測 (* がついているものは水平 2 成分による値 ) I 1-2 :1-2 秒, d: 観測地点周辺における大破全壊以上の建物の割合 2.2 補間方法強震観測点のみでは密度が十分ではないので, 地震データから求まったを平面補間し, メッシュデータにする必要がある. メッシュ間隔は人口建物データのメッシュ間隔と同じ 1km 四方とした. 補間方法は, 三角線形補間法 [2] を用いた. 2.3 全壊率関係メッシュごとの全壊率を求めるために, 各と全壊率の関係が必要になる. そこで,Table 1 のデータを用いて全壊率関係の定式化を行った. なお,Table 1 内の被害率は観測点周辺における大破全壊以上の建物の割合を示す. Table 1 の 23 記録の中から全壊率 % を除いた 11 点のデータを基に全壊率関係 ( 被害関数 ) を求めた被害関数は, 計測は地動最大加速度, は 1-2 秒平均速度応答に対して対数の関係があるので標準正規分布の累積確率 ( 以下, 正規分布 ) を用いた. 求めた各と全壊率の関係を Fig. 2 に, 計測と全壊率の関係式を式 (4), 1-2 秒と全壊率の関係を式 (5) に示す. D j =Φ( *Ij) (4) D 1-2 =Φ( *I 1-2 ) (5) ここで,D j : 計測による全壊率 (%),D 1-2 : 1-2 秒による全壊率 (%),I j : 計測,I 1-2 : 1-2 秒,Φ(x): 標準正規分布の累積確率である. なお, 5 強以下 (5.5 未満 ) では大きな建物被害は発生しないと考え, 全壊率は % とした. 求めた被害関数と Table 1 の 23 記録の関係を Fig. 3 に示す. 計測は実際の被害と相関が低いのに対して 1-2 秒は被害とよく対応していることがわかる. 建物全壊率 (s 軸 ) 計測 1-2 秒 -3 y = x R=.6678 y = x R= Fig. 2 Relationship between seismic intensity scale and the ratio of heavily damaged buildings 建物全壊率 (%) 建物全壊率 (%) 被害関数実際のデータ相関係数.667 計測 (a) JMA seismic intensity 被害関数実際のデータ相関係数秒 (b) 1-2sec. seismic intensity Fig. 3 Comparison of correlation between fragility curve and actual damage to buildings for JMA and 1-2sec. seismic intensity scale 2.4 全壊率死亡率関係死亡率は建物全壊率と関係があると考え, 建物全壊率と死亡率の関係を糸井川 [3] による兵庫県南部地震の市区別建物全壊率死亡率関係 (Fig. 4) から式 (6) のように求めた. F=.175 D Fig. 4 Relationship between ratios of heavily damaged buildings and dead rates [3]

3 F=.175*D (6) ここで,F: 死亡率 (%),D: 全壊率 (%) である. 2.5 人口建物数データ人口建物数データとしては, 平成 12 年国勢調査地域メッシュ統計第 1 次地域区画別人口及び一般世帯数 ( 財団法人統計情報研究開発センター ) の 3 次メッシュデータ ( 約 1km 四方 ) [4] を使用した. 人口はそのまま使用し, 建物棟数は世帯数と同じであると仮定して求めた. メッシュごとに求めた全壊率死亡率を建物棟数人口とかけあわせて被害数を算出し, 全メッシュの被害を合計して被害予測値とした. なお, 本研究では全建物を対象としているので, まだ構造種別, 建設年代などのきめ細かい推定には至っていないこと, また, 人口データを用いているので, 死者数については在宅率を 1% とした場合での予測であることに注意する必要がある. これらは今後の検討課題としたい. 3 過去の地震における被害予測開発したプログラムを使用して過去に起こった地震で 1-2 秒計測を用いた場合の被害予測を行い両者を実際の値と比較して 1-2 秒を地震動の強さ指標とした地震被害早期予測プログラムの妥当性を検証する 3.1 対象地震対象としたのは,1995 年兵庫県南部地震,2 年鳥取県西部地震,21 年芸予地震,23 年三陸南地震,23 年十勝沖地震,24 年新潟県中越地震である. 強震記録は K-NET,KiK-net のものを使用した. ただし,1995 年兵庫県南部地震は公開された強震波形データを使用した. 3.2 被害予測結果各地震での被害予測結果と実被害を Table 2 に, 予測値と実被害値の対応関係を Fig. 5 に示す 2 年鳥取県西部地震を例として等分布図を Fig. 6 に示す. 実際の被害は, 全壊棟数については兵庫県南部鳥取県西部十勝沖地震は消防庁の被害報告 [5][6][7], 芸予三陸南地震はそれぞれ参考文献 [8][9] のデータに基づいている. 新潟県中越地震は, 全壊建物の中には地盤の崩壊, 雪の重み, 余震による全壊数も含まれており, 本研究では地震の揺れによる建物全壊を対象としているため,24 年 11 月 1 日時点での全壊数 88 棟 [1] を用いた. 死者数について, 兵庫県南部地震では 6433 人である [6] が, そのうちの約 9% が建物倒壊による被害であり [11], 本研究では建物倒壊による被害を対象としているので, 実死者数を 579 人とした. 十勝沖地震では津波によると思われる行方不明者が 2 人いる [7] が, 建物被害による死者ではないため除いた. 新潟県中越地震の死者 4 人の中にも心的要因エコノミークラス症候群による死者 24 人が含まれている [1] ので死者数を 16 人とした. 他の地震の死者数については全壊棟数と同じ参考文献に基づいている. まず, 全壊棟数の予測値と実際の値の比較から, 兵庫県南部地震以外は計測による予測よりも 1-2 秒による予測の方が実際の被害に近い結果となっていることがわかる. 死者数についても同様のことがいえ,1-2 秒と実際の被害の相関性が確認された. しかし, 兵庫県南部地震では計測,1-2 秒ともに予測値が実際の値と比べて小さい. この原因を探るため, 藤本らによる推定分布 [12] (Fig. 7) と, 被害予測に用いた強震波形データからの分布 (Fig. 8) とを比較した. その結果, 強震波形データを基にした分布では両とも 7 の震災の帯が再現されておらず, 特に計測では 7 のメッシュは一点もない. 6 強 6 弱の範囲は計測では実際よりも広く,1-2 秒では実際よりも狭くなっていた. 兵庫県南部地震では強い地震動が局所的に発生したため, 得られた強震波形データの分布密度では分布を正確に再現できず, 被害予測の値が実際の被害と合わなかったと考えられる. 7 の震災の帯は南北 1km 程度であり, 正確な分布を推定するには 1km ごとの強震観測点が必要になるため, 現在の強震観測点の密度ではこのように局所的に大きな被害が生じる場合には正確な被害予測は難しい. 4 結論大きな建物被害と相関があるとされる, 建物の塑性化による周期の伸びを考慮した等価周期である 1~2 秒の弾性速度応答の平均から求めた 1-2 秒を地震動の強さ指標とした地震被害早期予測プログラムの開発を行った. このプログラムを使用して過去の地震での被害予測を行った結果, 計測を用いた場合に比べ, 実被害に近い予測を出すことができた. このことは,1-2 秒によって実際の被害を的確に予測できることを示している. しかしながら, 兵庫県南部地震では観測点の密度が低く, 分布を正確に再現できなかったために, 両とも被害を的確に予測できなかった. 謝辞強震記録は, 防災科学技術研究所, 震災予防協会,JR 総合技術研究所, 大阪ガス,NTT ファシリティーズ, 積水ハウス, 関西地震観測研究協議会, 地域地盤環境研究所, 気象庁, 竹中工務店技術研究所, 建築研究所, 港湾航空技術研究所より提供して頂きました. 気象庁計測を求めるプログラムは, 参考文献 [13] の巻末のリストを基に早稲田大学山田真氏, 中村操氏らがコーディングし, 東京電力植村富一氏が修正したものに手を加えて使わせていただきました. 分布図作成には埼玉大学教育学部谷謙二先生が開発された地理情報分析支援システム MANDARA を使用させて頂きました. 参考文献 [1] 境有紀, 神野達夫, 纐纈一起 : の高低によって地震動の周期帯を変化させた算定法の提案, 日本建築学会構造系論文集, 第 585 号, 71-76, 24. [2] 川名清三, 今北統夫, 柴山明寛, 佐久間景子, 久田嘉章 : 広域な面的情報を対象とした関東におけるリアルタイム地震情報システムに関する研究 ( その1) 理論 ( その 2) 解析結果, 日本建築学会大会学術講演梗概集 ( 東北 ),pp65-68 [3] 糸井川栄一 : 建物被害状況からみた人的被害のマクロ分析, 東濃地震化学研究所報告,Sep.No2 地震時の人的被害に関する総合研究,( 財 ) 地震予知総合研究振興会, 1999 [4] 平成 12 年国勢調査地域メッシュ統計第 1 次地域区画人口及び一般世帯数, 財団法人統計情報研究センター [5] 消防庁 HP 災害情報詳報阪神淡路大震災について ( 第 17 報 ), in17.pdf [6] 消防庁 HP 災害情報詳報平成 12(2 年 ) 鳥取県西部地

震 ( 確定報 ), http://www.fdma.go.jp/html/infor/1216tb essi.pdf [7] 消防庁 HP 災害情報詳報平成 15(23 年 ) 十勝沖地震 ( 確定報 ), http://www.fdma.go.jp/data/h16331tokachi Jishin.

[1] 新潟県 : 新潟県中越大震災に関する情報, http://sai gai.pref.niigata.jp/content/jishin/rireki_higai.html [11] 清野純史, 古川愛子 : リスク認識のための木造骨組建物の地震時挙動とその人的被害について, 社会技術研究論文集 Vol2,425-434, Oct.

5 年兵庫県南部地震の分布, 日本建築学会構造系論文集, 第 523 号, 71-78, 199

4 震 ( 確定報 ), essi.pdf [7] 消防庁 HP 災害情報詳報平成 15(23 年 ) 十勝沖地震 ( 確定報 ), Jishin.pdf [8] 境有紀, 藤井賢志 : 21 年芸予地震による建物被害と強震記録の性質, 建築防災, No.284, 24-36, 21 [9] 境有紀, 纐纈一起, 神野達夫, 中村友紀子 : 23 年宮城県沖宮城県北部の地震による建物被害と強震記録の性質, 日本地震工学会大会 -23 梗概集, 特 , 23. [1] 新潟県 : 新潟県中越大震災に関する情報, gai.pref.niigata.jp/content/jishin/rireki_higai.html [11] 清野純史, 古川愛子 : リスク認識のための木造骨組建物の地震時挙動とその人的被害について, 社会技術研究論文集 Vol2, , Oct.24 [12] 藤本一雄, 翠川三郎 : 被害分布から推定した 1995 年兵庫県南部地震の分布, 日本建築学会構造系論文集, 第 523 号, 71-78, [13] 気象庁 : を知る基礎知識とその活用, ぎょうせい, 1996 Table 2 Comparison of predicted and actual damage 計測 1-2 秒実被害全壊数 ( 棟 ) 死者数 ( 人 ) 全壊数 ( 棟 ) 死者数 ( 人 ) 全壊数 ( 棟 ) 死者数 ( 人 ) 兵庫県南部地震鳥取県西部地震芸予地震三陸南地震十勝沖地震新潟県中越地震計測予測 1-2 秒予測予測値 ( 棟 ) 実被害 ( 棟 ) (a) Heavily damaged buildings 15 計測予測 1-2 秒予測 (a) JMA seismic intensity (b) 1-2sec. seismic intensity 予測値 ( 人 ) 1 5 (c) Heavily damaged buildings(jma) (d) Heavily damaged buildings (1-2sec.) 実被害 ( 人 ) (b) Dead Fig. 5 Relationship between actual and predicted damage (except for the 1995 Hyogo-ken Nanbu earthquake) (e) Dead(JMA) (f) Dead(1-2sec.) Fig. 6 Distribution map of seismic intensity, heavily damaged buildings, and dead (The 2 Tottori-ken Seibu earthquake) Fig. 7 Seismic intensity distribution map of the 1995 Hyogo-ken Nanbu earthquake estimated from actual structural damage 5) (a) 1-2sec. seismic intensity (b) JMA seismic intensity Fig. 8 Seismic intensity distribution map from strong motion records

5 建物被害と相関を持つ地震動の強さ指標を用いた地震被害早期予測プログラムの開発大月俊典 * ( 筑波大 ), 境有紀 ( 筑波大 ) DEVELOPMENT OF EARTHQUAKE DAMAGE EARLY PREDICTION PROGRAM USING INDEX OF STRONG GROUND MOTION CORRELATED WITH DAMAGE TO BUILDINGS Toshinori OTSUKI * (Univ. of Tsukuba), Yuki SAKAI(Univ. of Tsukuba) 強震波形データ地震防災上, 大地震発生直後に被害を迅速かつ正確に予測することは非常に重要である. 被害予測システムとしては内閣府が発表して補間 1kmメッシュごとにいる地震被害早期予測システム (EES) があるが,EES は過去の地震で実被害と大きく異な全壊率関係る予測値を算出してしまっている. その原因建物全壊率として,EES が地震動の強さ指標として気象庁計測を使用していることが考えられる. 全壊率 - 死亡率関係そこで, 被害と相関がある 1~2 秒の周期帯を死亡率基にした 1-2 秒を用いて地震被害早期予人口建物数データ測プログラムを開発し, 過去の地震での被害全壊数死者数予測を行って, その有効性を検証した. 合計プログラムの流れを Fig. 1 に示す. 強震波形データからを求め, ごとの全総全壊数死者数壊率関係や全壊率死亡率関係の式を用いて Fig. 1 Flowchart of the program 1km メッシュごとに被害予測値を求める. プログラムを用いて過去に日本で発生した 6 つの地震について計測,1-2 秒のそれぞれの指標を用いて被害を予測した. 各による予測値と実被害値を全壊数と死者数について Table 1 に示す. このうち, 大きな被害が局所的であった兵庫県南部地震については, 波形データを使用した観測点の密度が不十分であったため正確な分布を再現できず, 各での被害予測が実被害とは大きく異なる値になってしまったが, それ以外の地震については, 計測よりも 1-2 秒の方が実際の被害に近い予測結果が得られた. Table 1 Comparison of predicted and actual damage 計測 1-2 秒実被害全壊数 ( 棟 ) 死者数 ( 人 ) 全壊数 ( 棟 ) 死者数 ( 人 ) 全壊数 ( 棟 ) 死者数 ( 人 ) 兵庫県南部地震鳥取県西部地震芸予地震三陸南地震十勝沖地震新潟県中越地震

8km M km M M8.4 1M M M 東北地方太平洋沖で想定されていた地震 Fig % 8 9% M8. 6 3m M % Fig.1 Distribution of

8km M km M M8.4 1M M M 東北地方太平洋沖で想定されていた地震 Fig % 8 9% M8. 6 3m M % Fig.1 Distribution of 東日本大震災 A Catastrophic Earthquake in Tohoku, Japan 1) 東北地方太平洋沖地震の地震地震動について 1) Earthquake and Strong Ground Motion of the 211 off the Pacific Coast of Tohoku Earthquake 小林喜久二 Kikuji Kobayashi *1 211 3 11