JP2010164325A - 地震動の予測システム - Google Patents

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【課題】負荷の小さい簡易なシステムによって、地震時に構造物に作用するS波による揺れの大きさを、地震発生時の初期段階において予測することが可能になる地震動の予測システムを提供する。
【解決手段】地震動レベルを検出するとともに、地震動レベルが予め複数段階に設定されたレベルを超えた際に接点出力を出力する地震計と、上記レベルおよびその前段階におけるレベルの差と、上記レベルの出力時の時刻およびその前段階における時刻との差から地震動レベルの勾配を算出し、当該勾配がP波による勾配の範囲内と判断された場合にP波による予測式を用いて当該レベルから地震の揺れの大きさを予測するとともに、S波による勾配の範囲内と判断された場合にS波による予測式を用いて当該レベルから地震の揺れの大きさを予測する解析装置とを備えてなる。
【選択図】図3

Description

本発明は、地震発生時の初期段階において、主要動が到達する前に、当該地震による特定の建物等の揺れの大きさ等を予測するための地震動の予測システムに関するものである。
近年、気象庁の緊急地震速報等の、地震発生時に震源の近くで検知されたP波に基づいて、当該地震に関するリアルタイム地震情報を即時的に得る各種のシステムが開発されており、当該システムを用いれば、地震発生後数秒程度で、発生した地震のマグニチュードや震源位置等に関する情報を受け取ることができるようになっている。
そして、震源から数十Km以上離れた地点においては、S波に起因する地震動の主要動が到達するまでに数秒から数十秒の余裕があるため、上記余裕時間を利用して、上記リアルタイム地震情報により、地震被害の発生を防止する、いわゆるリアルタイム地震防災の研究が活発に行われている。
ところが、このようなリアルタイム地震情報を利用した地震動の予測にあっては、上述したように震源から離れた地点の建物に対しては、相応の防災対策を採ることが可能であるものの、建物から比較的短距離の地点で発生した地震や、当該建物に近い地点において発生した直下地震に対しては情報が間に合わず、所望とする防災効果を奏することができないという問題点がある。
一方、例えば下記特許文献1においては、建物に設置した地震計が計測した地震動の初期微動(P波到達から2〜3秒)のデータから計測震度を予測するシステムとして、上記地震計からの情報を取込み、ディジタル波形データとして取得する制御処理装置内のメモリと、前記制御処理装置内において、P波初動振幅の時間変化の程度を表す係数Bと初期微動の最大振幅Amax、統計的に得られる係数α1〜α4をそれぞれ求めるパラメータ演算部と、前記制御処理装置内において、計測震度Is =α1 log(Amax )+α2 B-0.5+α3 logB+α4 を演算する計測震度予測部と、前記制御処理装置内において、前記早期計測震度予測情報の送信を行う情報文送出部とを具備することを特徴とする早期計測震度予測装置が提案されている。
また、下記特許文献2においては、地動を常時観測し、観測した地動の水平動と上下動を使い、観測した地動の応答加速度ベクトルと応答速度ベクトルの内積として示される地震動の危険度判定指標値を算出し、また一方で観測した地動の水平動のみを使い、観測した地動の応答加速度ベクトルと応答速度ベクトルの内積として示される地震動の危険度判定指標値を算出し、両地震動の危険度判定指標値の差が一定以上となった場合に観測している地動を地震動のP波とし、算出された地震動の危険度判定指標値のいずれかまたは一方が警報レベルをこえた場合に警報を発令するP波検知方法に基づいた警報発令方法が提案されている。
特許第4160033号公報 特許第3793787号公報
ところが、P波の大きさからS波の大きさを予測する上記従来の地震動の予測技術においては、いずれも地震が発生していない平時から、地震計等から出力される加速度波形等を1秒間に100回程度の高速でサンプリングを行い、その時刻歴データを解析することによって地震発生の判定を行うものであるため、常時システムに高い負荷が掛かるという問題点がある。
加えて、地震発生時においても、同様に高速サンプリングした膨大な時刻歴波形データを分析することが必要となるために、システムに高い負荷が掛かるという問題点がある。
この結果、システム全体として、高性能かつ複雑な機器類が必要となり、その構築に多大なコストを要するという欠点がある。
また、特に特許文献1に見られる早期計測震度予測装置にあっては、P波が到達した後2〜3秒後に、はじめてS波の大きさを予測することができるために、敷地の近くや、あるいは直下で発生したP波による初期微動の継続時間が非常に短い地震に対しては、十分な予測を行うことが難しいという問題点がある。
しかも、予測の対象が地震の震度であるために、例えば半導体製造工場等の多くの嫌振機器類が設置された構造物のように、地震による揺れの速度や加速度を予測して、上記機器類の運転を制御しようとする要請には、そのままでは対応することができないという問題点もある。
この発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、負荷の小さい簡易なシステムによって、地震時に構造物に作用するS波による揺れの大きさを、地震発生時の初期段階において予測することが可能になる地震動の予測システムを提供することを課題とするものである。
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、地震動レベルを検出するとともに、検出された上記地震動レベルが予め複数段階に設定されたレベルを超えた際に、各々の上記段階において上記レベルを出力する地震計と、各々の上記段階における上記レベルが入力されるとともに、当該レベルおよびその前段階における上記レベルの差と、当該レベルの出力時の時刻およびその前段階における上記レベルの出力時の時刻の差から上記地震動レベルの勾配を算出し、当該勾配を予め設定されたP波による勾配の範囲およびS波による勾配の範囲と比較して、該当するP波またはS波における上記レベルから、当該地震のマグニチュード、震源までの距離、または地面の揺れの大きさ若しくは構造物の応答を予測する解析装置とを備えてなることを特徴とするものである。
ここで、上記地震動のレベルとは、当該地震動の加速度、速度、変位量、SI値もしくは計測震度である。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、上記地震計の接点出力に、上記複数段階の上記レベルが設定されていることを特徴とするものである。
また、請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明において、上記解析装置は、予め統計的もしくは解析的に求めておいたP波の地震動レベルに基づく予測式およびS波の地震動レベルに基づく予測式が設定されているとともに、P波による勾配の範囲内と判断された場合に上記P波の予測式を用いて、S波による勾配の範囲内と判断された場合に上記S波の予測式を用いて、上記接点レベルから、当該地震のマグニチュード、震源までの距離、または地面の揺れの大きさ若しくは構造物の応答を予測することを特徴とするものである。
さらに、請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれかに記載の発明において、上記解析装置は、上記構造物に設置された機器類の振動許容値が設定されているとともに、上記予測された上記構造物の応答が上記振動許容値を超えた際に、警報信号または上記機器類の作動を停止させる信号を出力することを特徴とするものである。
請求項1〜4のいずれかに記載の発明においては、予め地震計に複数段階の地震動のレベルを設定しておき、解析装置によって、地震発生時に各々の段階を超えた際のレベルおよびそれらの時刻から、各々の段階における地震動レベルの勾配を算出する。そして、上記勾配を予め設定されたP波による勾配の範囲およびS波による勾配の範囲と比較して、該当するP波またはS波における上記レベルから、当該地震のマグニチュード、震源までの距離、または地面の揺れの大きさ若しくは構造物の応答を予測する。
この際に、請求項2に記載の発明においては、一般的な地震計に備えられている地震動の接点出力を利用し、当該接点出力における接点レベルを上記複数段階に設定しておくことにより、上記地震計から上記接点レベル(=上記レベル)を出力する。
さらに、請求項3に記載の発明においては、上記解析装置に、予め統計的もしくは解析的に求めておいたP波の地震動レベルに基づく予測式およびS波の地震動レベルに基づく予測式が設定されており、算出された上記地震動レベルの勾配が、予め設定されたP波による勾配の範囲であると判断された場合には、上記P波による予測式を用いて当該レベルから当該地震の揺れの大きさを予測する。また、上記勾配が、上記予め設定されたS波による勾配の範囲内と判断された場合に、上記S波による予測式を用いて当該レベルから当該地震の揺れの大きさを予測する。
したがって、請求項1〜4のいずれかに記載の発明によれば、汎用の地震計と、負荷の小さい解析装置といった簡易なシステムによって、地震時に構造物に作用するS波による揺れの大きさを、地震発生時の初期段階において予測することができる。
また、特に請求項2に記載の発明によれば、汎用の地震計の接点出力を、地震動レベルの検出に用いているために、より一層負荷の小さい解析装置による簡易なシステムによって、地震時に構造物に作用するS波による揺れの大きさを、地震発生時の初期段階において予測することができる。
ここで、解析装置において、算出された勾配から最終的なS波による地震の揺れの大きさを解析するための予測式としては、過去の多数の地震から統計的に得られている予測式を用いることができる。
また、解析による予測式を用いる場合には、P波から揺れの大きさを予測する予測式として、例えば、Wu,Y.-M. and Kanamori, H. (2005):Rapid Assessment of Damage Potential of Earthquakes in Taiwan from the Beginning of P Waves,Bulletin of the Seismological Society of America, Volume 95, Number 3,pp. 1181-1185に開示されている予測式を応用することができる。また、P波からマグニチュードや震源までの距離を予測する予測式として、例えば特許文献416033の予測手法を応用することができる。
他方、S波から揺れの大きさを予測する予測式としては、例えば、童華南・山崎文雄(1996):地震動強さ指標と新しい気象庁震度との対応関係,生産研究,48巻11号,pp.547-550に開示されている予測式を応用することができる。また、S波からマグニチュードや震源までの距離を予測する予測式としては、例えば気象庁地震火山部(2008):緊急地震速報の概要や処理手法に関する技術的参考資料、平成20年7月29日、の予測手法を応用することができる。
さらに、本発明において予測に用いる地震動のレベルとしては、地震動の加速度、速度、変位量、SI値もしくは計測震度のいずれか、あるいはこれらの組合せを用いることが可能である。
また、請求項4に記載の発明のように、解析装置に、予め構造物に設置された機器類の振動許容値を設定しておき、当該解析装置によって予測された地震の揺れの大きさが上記振動許容値を超えた際に、警報信号を出力したり、あるいは上記機器類の作動を停止させる信号を出力したりするように構成すれば、半導体製造工場などの多数の振動を嫌う製造機器類が設置された構造物に対しても、地震に対して安定的な操業を確保することができて好適である。
本発明に係る地震動の予測システムの一実施形態を示す概略構成図である。 図1の地震計および解析装置を示す概略構成図である。 図1のシステムを用いた地震動の予測ステップを示すフローチャートである。 図3の地震動発生からの地震動レベルの変化と予測の変化を時間の結果とともに示すグラフである。 地震動を予測するための予測式を示すグラフである。
図1〜図5は、本発明に係る地震動の予測システムの一実施形態を示すものである。
図1において、図中符号1は、このシステムが設置されている半導体製造工場等の建物(構造物)であり、この建物1内には、振動を嫌う多くの設備機器(図では、そのうちの1機のみを示している。)2が設置されている。
そして、この建物1に近接した敷地上もしくは建物1内には、各々当該箇所における地震動のレベルを検知するための地震計3が取り付けられている。これらの地震計3には、予め数〜10段階の接点レベル(a、b、c、…)が設定されており、各々の接点レベルを超えた際に、超えたレベルの接点を出力するようになっている。
なお、地震計3によって検出および出力される地震動のレベルとしては、地震動の加速度、速度、変位量、SI値もしくは計測震度、またはこれらの組合せを適用することが可能であるが、本実施形態においては、その一例として、地震動による揺れの3成分合成加速度を用いて、当該地震動による建物1の位置Pにおける揺れの速度を予測する場合について説明する。
そして、この建物1内には、地震計3からの出力信号が入力される解析装置4が設置されている。
この解析装置4は、図2に示すように、地震計3からの接点出力および検出時刻が入力される接点入力部5と、この接点入力部5に入力された上記接点出力および検出時刻から、到来するS波による最終的な建物1の揺れの大きさを演算して予測する演算部6と、この演算部6において算出された予測値により、必要に応じて警報信号および上記設備機器2の作動を停止させる信号を出力するデータ送信部7とから概略構成されたものである。
そして、地震計3と接点入力部5とが、接点用配線8によって接続されるとともに、データ送信部7と設備機器2とが、設備機器制御用配線9によって接続されている。
ここで、地震計3には、予め最も小さな接点出力レベルとして、地震動の開始と判断される加速度a(数cm/s)が設定されており、当該加速度aを検出した際に、この加速度aを接点入力部5へと出力するようになっている。なお、地震計3に設定されている数〜10段階の接点出力の加速度(a、b、c、…)のうち、上記加速度a以降の1以上の次段階における接点出力の加速度(b、c、…)は、P波において検出される加速度の値に設定されている。
また、解析装置4の接点入力部5には、上記加速度aが出力された後に、地震動のレベルがさらに高くなって次段階の接点レベルを超えると、地震計3から順次当該レベルの加速度(b、c、…)の接点出力が入力されるようになっている。
これに対して、解析装置4の演算部6には、接点入力部5に入力された各々の接点レベルの加速度(a、b、c、…)、および地震計3において各々の接点出力がなされた際の検出時刻(ta、tb、tc、…)から、下式に基づいて、各々の時間差Δijおよび加速度の勾配gijを算出する演算回路が組まれている。
Δij=tj−ti
ij=(j−i)/(tj−ti)、(i、j=a、b、c、…)
さらに、演算部6には、予め過去の地震における観測記録に基づいて、地震動がP波によるものである時の加速度の勾配の範囲(1)、およびS波によるものである時の加速度の勾配の範囲(2)が設定されている。加えて、この演算部6には、図5(a)に示すように、過去の地震の観測記録に基づいて統計的に求めておいた、P波時の加速度xによって最終的な地震による揺れの大きさ(速度)ymaxを算出する予測式f(x)と、S波時の加速度xによって最終的な地震による揺れの大きさ(速度)ymaxを算出する予測式g(x)が組み込まれている。
そして、この演算部6においては、算出された加速度の勾配gijを予め設定されたP波による勾配の範囲およびS波による勾配の範囲と比較し、P波による勾配の範囲内と判断された場合に、上記予測式f(x)を用いてその時の接点レベル(=加速度x)から建物1における地震の揺れの大きさ(速度)ymaxを予測し、S波による勾配の範囲内と判断された場合に、上記予測式g(x)を用いてその時の接点レベル(=加速度x)から建物1地震の揺れの大きさ(速度)ymaxを予測するようになっている。
さらに、この解析装置4においては、演算部6またはデータ送信部7には、設備機器2における振動許容値(許容速度)が入力されており、上記予測式f(x)、g(x)によって算出された揺れの大きさymaxが、上記振動許容値を超えた際に、警報信号および設備機器2の停止信号が、設備機器制御用配線9を介して出力されるようになっている。
次に、図3に基づいて、上記構成からなる地震動の予測システムの作用について説明する。
先ず、地震が発生して、建物1内またはその敷地上の地震計3が、予め設定された地震動の開始と判断される加速度aを検知すると、当該加速度aが解析装置4の接点入力部5へと出力される。
次いで、地震動のレベルがさらに高くなって次段階の接点レベルを超えると、当該接点レベルの加速度bが、上記接点入力部5に入力されるとともに、さらに演算部6において、地震計3が上記加速度aを出力した地震の開始時刻taおよび次段階の加速度bを出力した時刻tbが参照されて、その時間差Δab=tb−taおよび上記加速度の勾配gab=(b−a)/(tb−ta)が算出される。
そして、この演算部6において、上記勾配gabがP波による範囲(1)内であるかが判断され、当該範囲(1)内である場合には、予測式ymax=f(x)によって、P波時の加速度bによって最終的な地震による揺れの大きさ(速度)ymaxが算出される。
そして、以上の判断が、以降の接点レベル(c、…)を超えた場合にも、同様に各々の接点出力時の加速度およびその前段階における接点出力時の加速度の差(j−i)と、その時刻およびその前段階における時刻との差(tj−ti)から地震動レベルの勾配gijが算出され、同様に上記勾配gijがP波による範囲(1)内である場合には、予測式ymax=f(x)によって、P波時の加速度jによって最終的な地震による揺れの大きさ(速度)ymaxが算出される。
次いで、地震動のレベルが一層高くなって、上記勾配gijが上記範囲(1)を超えてS波による範囲(2)内であると判断された場合には、予測式ymax=g(x)によって、S波時の加速度jに基づき、最終的な地震による揺れの大きさ(速度)ymaxが算出される。
そして、上記算出によって予測される最終的な地震による揺れの大きさ(速度)ymaxが、設備機器2における振動許容値(許容速度)を超えた場合には、データ送信部7から設備機器制御用配線9を介して警報信号および設備機器2の停止信号が出力される。
これに対して、上記勾配gijがP波による範囲(1)内にもS波による範囲(2)内にも該当しない場合には、地震が終息したものとして、以降の演算部6における判断が終了する。
以上説明したように、上記地震動の予測システムにおいては、図4に示すように、P波による地震動の開始初期aからS波による地震動へと変化した時cにまたがる時間帯bの範囲において、最終的な地震動の揺れの大きさの予測eを順次更新しつつ得ることができるために、汎用の地震計3と、負荷の小さい解析装置4といった簡易なシステムによって、敷地のごく直下で発生する地震に対しても、S波が到達する前に、建物1に作用するS波による揺れの大きさを予測して警報信号等を発することができる。
なお、上記実施の形態においては、地震計3において検知する地震動のレベルとして、加速度を用い、最終的な建物1の揺れの速度を予測する場合についてのみ説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、上記地震動のレベルとして、当該地震動の速度、変位量、SI値もしくは計測震度を用い、建物1に作用する揺れの加速度や変位量等を予測する場合にも、同様に適用することが可能である。
また、上記実施の形態においては、地震計3の接点出力を利用して、当該接点出力に予め数〜10段階の接点レベル(a、b、c、…)を設定し、各々の接点レベルを超えた際に、超えたレベルの接点を出力する場合についてのみ例示したが、これに限るものではなく、RS232やRS422によるシリアル通信やBCD出力もしくはLANによるネットワーク伝送等を用いて、地震計3が予め設定された複数段階のレベルの地震動を検出した際に、各々のレベルを出力するように構成することも可能である。
地震発生時の初期段階において、主要動が到達する前に、当該地震による特定の建物等の揺れの大きさ等を予測するために利用することができる。
1 建物
2 設備機器
3 地震計
4 解析装置
6 演算部

Claims (4)

  1. 地震動レベルを検出するとともに、検出された上記地震動レベルが予め複数段階に設定されたレベルを超えた際に、各々の上記段階において上記レベルを出力する地震計と、
    各々の上記段階における上記レベルが入力されるとともに、当該レベルおよびその前段階における上記レベルの差と、当該レベルの出力時の時刻およびその前段階における上記レベルの出力時の時刻の差から上記地震動レベルの勾配を算出し、当該勾配を予め設定されたP波による勾配の範囲およびS波による勾配の範囲と比較して、該当するP波またはS波における上記レベルから、当該地震のマグニチュード、震源までの距離、または地面の揺れの大きさ若しくは構造物の応答を予測する解析装置とを備えてなることを特徴とする地震の予測システム。
  2. 上記地震計の接点出力に、上記複数段階の上記レベルが設定されていることを特徴とする請求項1に記載の地震の予測システム。
  3. 上記解析装置は、予め統計的もしくは解析的に求めておいたP波の地震動レベルに基づく予測式およびS波の地震動レベルに基づく予測式が設定されているとともに、P波による勾配の範囲内と判断された場合に上記P波の予測式を用いて、S波による勾配の範囲内と判断された場合に上記S波の予測式を用いて、上記レベルから、当該地震のマグニチュード、震源までの距離、または地面の揺れの大きさ若しくは構造物の応答を予測することを特徴とする請求項1または2に記載の地震の予測システム。
  4. 上記解析装置は、上記構造物に設置された機器類の振動許容値が設定されているとともに、上記予測された上記構造物の応答が上記振動許容値を超えた際に、警報信号または上記機器類の作動を停止させる信号を出力することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の地震の予測システム。
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