JP2023012586A - Method and system for estimating size of earthquake vibrations - Google Patents

Method and system for estimating size of earthquake vibrations Download PDF

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Abstract

To provide a method and a system for estimating the size of earthquake vibrations that can accurately estimate the size of the earthquake vibrations entering a building.SOLUTION: A method for estimating the size of earthquake vibrations entering a building comprises: obtaining waveforms that are obtained as earthquake observation records at adjacent locations; calculating an average waveform component of amplitudes of the waveforms and variation waveform components that indicate residual errors between the amplitudes of the waveforms and the average waveform component; calculating a variation level indicator between the waveforms; calculating a horizontal correlation distance and a vertical correlation distance of an S wave velocity in a surface ground, which are non-homogeneous parameters of a three-dimensional model of the surface ground, based on the variation level indicator, a coefficient of variation of non-homogeneity in the S wave velocity in the surface ground, a wavenumber in a non-homogeneous medium, a wavenumber of earthquake waves, a diffusion angle of the earthquake waves, and a distance by which the earthquake waves travel; building the three-dimensional model of the surface ground that reflects the non-homogeneity based on the horizontal correlation distance and the vertical correlation distance; and estimating the size of the earthquake vibrations.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、地震動の評価方法及び評価システムに関する。 The present invention relates to an evaluation method and an evaluation system for earthquake motion.

従来から、例えば下記特許文献1に見られるように、地震時に、地表に設置した地震計等から得られた地震観測記録に基づいて、建物の揺れの大きさを推定するための各種の建物の地震応答評価手法が開発されている。
このような従来の建物の地震応答評価手法においては、一般的に、建物を1質点系または多質点系でモデル化し、基礎底面に相当する質点に、地表に設置した地震計等によって観測された地震動をそのまま入力して建物の応答を評価している。
Conventionally, as seen in Patent Literature 1 below, for example, various types of building swaying methods for estimating the magnitude of building shaking based on seismic observation records obtained from seismographs or the like installed on the ground surface during an earthquake. Seismic response evaluation methods have been developed.
In such conventional seismic response evaluation methods for buildings, generally, the building is modeled as a one-mass point system or a multi-mass point system. The response of the building is evaluated by inputting the seismic motion as it is.

特許文献2には、地盤調査に基づき物性値の平均及び標準偏差を計算し、地盤モデルの物性値に反映する構成が開示されている。このような構成により、地盤の物性値のばらつきが地盤の安定性解析に与える影響を考慮しながら、地盤振動の解析を行うものとしている。
また、特許文献3には、振動計により観測した地表の水平成分及び垂直成分の微動のスペクトルを求め、周波数応答関数の近似値を算出し、既知のデータから設定される表層地盤プロファイルとの対比により、周波数応答関数を決定する構成が開示されている。
Patent Literature 2 discloses a configuration in which the average and standard deviation of physical property values are calculated based on a ground investigation and reflected in the physical property values of a ground model. With such a configuration, the analysis of ground vibration is performed while taking into consideration the influence of variation in physical property values of the ground on the stability analysis of the ground.
In addition, in Patent Document 3, the spectrum of microtremors of the horizontal and vertical components of the ground surface observed by a vibration meter is obtained, the approximate value of the frequency response function is calculated, and the surface layer ground profile set from known data is compared. discloses an arrangement for determining a frequency response function.

実際の地盤の物性は不均質である。このため、地盤の物性の不均質により、地震動のばらつきが生じ、特に高振動領域における地震応答に影響が及ぶことがある。
より高い精度で地震動を評価することが望まれている。
Physical properties of actual ground are heterogeneous. Therefore, nonuniform physical properties of the ground cause variations in seismic motion, which may affect the seismic response, especially in high-vibration regions.
It is desired to evaluate seismic motion with higher accuracy.

特開2013-120139号公報JP 2013-120139 A 特開2005-336914号公報JP 2005-336914 A 特開平7-146373号公報JP-A-7-146373

本発明が解決しようとする課題は、建物への入力地震動を高い精度で評価する、地震動の評価方法及び評価システムを提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a seismic motion evaluation method and a system for evaluating input seismic motion to a building with high accuracy.

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の地震動の評価方法は、建物へ入力される地震動の大きさを評価する方法であって、隣接する地点の各々において地震観測記録として得られた波形に対し、これら波形間での振幅の平均波形成分<u>と、各波形の振幅と前記平均波形成分との間の残差を表すばらつき波形成分uを算出して、前記波形間のばらつき度合い指標εを下記の第1計算式

Figure 2023012586000002
によって計算し、前記ばらつき度合い指標ε、表層地盤におけるS波速度の不均質性の変動係数μ、不均質媒質の波数k、地震波の波数k、地震波の散乱角ψ、地震波の伝播距離hを、下記の第2計算式
Figure 2023012586000003
に適用して、3次元表層地盤モデルの不均質パラメータである、前記表層地盤中のS波速度における水平方向の相関距離aと鉛直方向の相関距離aとを算出し、前記水平方向の相関距離aと前記鉛直方向の相関距離aを基に、不均質性が反映された前記3次元表層地盤モデルを構築し、前記地震動の大きさを評価することを特徴とする。
このような構成によれば、3次元表層地盤モデルの不均質パラメータである、表層地盤中のS波速度における水平方向の相関距離aと鉛直方向の相関距離aとを基に、不均質性が反映された3次元表層地盤モデルを構築することができる。
ここで、実際の地盤においては、水平方向よりも鉛直方向が、短い間隔で、速度構造が変化する。これに対応して、特に、上記のような構成においては、水平方向の相関距離aと、鉛直方向の相関距離aとが、それぞれ別のパラメータとして式中にあらわれて、それぞれが別の値として求まっている。これにより、水平方向と鉛直方向で相関距離を同じ値として、等方的となるような場合に比べて、実際の地盤の特性を忠実かつ正確に、3次元表層地盤モデルに反映させることができる。
このようにして構築された3次元表層地盤モデルは、地盤の不均質性を、正確に評価したものとなる。このような地盤モデルを用いて地震動の大きさを評価することにより、建物への入力地震動を高い精度で評価することが可能となる。 In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
That is, the method for evaluating seismic motion of the present invention is a method for evaluating the magnitude of seismic motion input to a building. The average waveform component <u> of the amplitude and the variation waveform component u f representing the residual between the amplitude of each waveform and the average waveform component are calculated, and the variation degree index ε between the waveforms is calculated as the following first a formula
Figure 2023012586000002
Calculate the degree of dispersion index ε, coefficient of variation μ of inhomogeneity of S-wave velocity in surface ground, wavenumber k s of inhomogeneous medium, wavenumber k of seismic wave, scattering angle ψ of seismic wave, propagation distance h of seismic wave , the second formula below
Figure 2023012586000003
is applied to calculate the horizontal correlation distance a 1 and the vertical correlation distance a 3 in the S wave velocity in the surface ground, which are inhomogeneous parameters of the three-dimensional surface ground model, Based on the correlation distance a1 and the vertical correlation distance a3, the three -dimensional surface ground model reflecting heterogeneity is constructed to evaluate the magnitude of the seismic motion.
According to such a configuration, based on the horizontal correlation distance a 1 and the vertical correlation distance a 3 in the S wave velocity in the surface ground, which are inhomogeneous parameters of the three-dimensional surface ground model, inhomogeneity It is possible to construct a three-dimensional surface ground model that reflects the nature of the soil.
Here, in the actual ground, the velocity structure changes at shorter intervals in the vertical direction than in the horizontal direction. Correspondingly, especially in the configuration as described above, the horizontal correlation distance a1 and the vertical correlation distance a3 appear in the equation as separate parameters , and each is a separate parameter. sought as a value. As a result, the characteristics of the actual ground can be faithfully and accurately reflected in the 3D surface ground model compared to isotropic cases where the correlation distance is set to the same value in the horizontal and vertical directions. .
The three-dimensional surface ground model constructed in this way is an accurate evaluation of the heterogeneity of the ground. By evaluating the magnitude of seismic motion using such a ground model, it becomes possible to evaluate the input seismic motion to a building with high accuracy.

本発明の地震動の評価システムは、建物へ入力される地震動の大きさを評価する、地震動の評価システムであって、隣接する地点の各々における地震観測記録として得られた波形に対し、これら波形間のばらつき度合い指標を計算する、ばらつき度合い指標の計算部と、表層地盤のボーリング調査記録を使用して、前記表層地盤のS波速度、及び前記S波速度の不均質性の変動係数を推定する、S波速度の特性推定部と、前記ばらつき度合い指標と、前記S波速度の不均質性の変動係数を基に、3次元表層地盤モデルの不均質パラメータである、前記表層地盤中のS波速度における水平方向の相関距離と鉛直方向の相関距離を推定する、表層地盤の不均質パラメータの推定部と、前記水平方向の相関距離と前記鉛直方向の相関距離を基に、FEM解析のための前記3次元表層地盤モデルを構築する、3次元表層地盤モデル構築部と、前記3次元表層地盤モデルの最下端に地震動を入射し、前記表層地盤中で伝播させて、前記表層地盤の最上端点に到達する入力地震動を推定することで、前記建物へ入力される地震動の大きさを評価する、入力地震動の評価部と、を備えることを特徴とする。
このような構成によれば、地震観測記録として得られた波形間のばらつき度合い指標と、表層地盤のボーリング調査記録を使用して推定されるS波速度の不均質性の変動係数を基に、3次元表層地盤モデルの不均質パラメータである、表層地盤中のS波速度における水平方向の相関距離と鉛直方向の相関距離を推定して、3次元表層地盤モデルを構築する。
ここで、実際の地盤においては、水平方向よりも鉛直方向が、短い間隔で、速度構造が変化する。これに対応して、特に、上記のような構成においては、水平方向の相関距離と、鉛直方向の相関距離とが、それぞれ別のパラメータとして式中にあらわれて、それぞれが別の値として求まっている。これにより、水平方向と鉛直方向で相関距離を同じ値として、等方的となるような場合に比べて、実際の地盤の特性を忠実かつ正確に、3次元表層地盤モデルに反映させることができる。
このようにして構築された3次元表層地盤モデルは、地盤の不均質性を、正確に評価したものとなる。このような地盤モデルを用いて地震動の大きさを評価することにより、建物への入力地震動を高い精度で評価することが可能となる。
The seismic motion evaluation system of the present invention is a seismic motion evaluation system that evaluates the magnitude of seismic motion input to a building. Estimate the S-wave velocity of the subsurface ground and the coefficient of variation of the inhomogeneity of the S-wave velocity using the subsurface ground boring survey records , S-wave velocity characteristic estimator, S-wave velocity in the surface ground, which is an inhomogeneous parameter of the three-dimensional surface ground model, based on the variation index and the coefficient of variation of the inhomogeneity of the S-wave velocity An estimating unit for inhomogeneous parameters of surface ground that estimates the horizontal correlation distance and the vertical correlation distance in the velocity, and based on the horizontal correlation distance and the vertical correlation distance, for FEM analysis a three-dimensional surface ground model construction unit for constructing the three-dimensional surface ground model; an input seismic motion evaluation unit for evaluating the magnitude of the seismic motion input to the building by estimating the arriving input seismic motion.
According to such a configuration, based on the degree of variation index between waveforms obtained as seismic observation records and the variation coefficient of inhomogeneity of S-wave velocities estimated using surface ground boring survey records, A three-dimensional surface ground model is constructed by estimating the horizontal and vertical correlation distances of the S-wave velocity in the surface layer, which are inhomogeneous parameters of the three-dimensional surface layer model.
Here, in the actual ground, the velocity structure changes at shorter intervals in the vertical direction than in the horizontal direction. Correspondingly, especially in the configuration as described above, the horizontal correlation distance and the vertical correlation distance appear as separate parameters in the formula, and are obtained as separate values. there is As a result, the characteristics of the actual ground can be faithfully and accurately reflected in the 3D surface ground model compared to isotropic cases where the correlation distance is set to the same value in the horizontal and vertical directions. .
The three-dimensional surface ground model constructed in this way is an accurate evaluation of the heterogeneity of the ground. By evaluating the magnitude of seismic motion using such a ground model, it becomes possible to evaluate the input seismic motion to a building with high accuracy.

本発明によれば、建物への入力地震動を高い精度で評価する、地震動の評価方法及び評価システムを提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a seismic motion evaluation method and a system for evaluating input seismic motion to a building with high accuracy.

本発明の実施形態に係る地震動の評価システムの構成を示す図である。1 is a diagram showing the configuration of a seismic motion evaluation system according to an embodiment of the present invention; FIG. 本実施形態に係る地震動の評価方法を示すフローチャートである。4 is a flow chart showing a method for evaluating earthquake motion according to the present embodiment. 不均質媒質に入射した波動場が、不均質媒質内の基準点から観測点に到達する成分、及びこの成分に含まれる散乱場の成分を模式的に示した図である。FIG. 4 is a diagram schematically showing a component of a wave field incident on a heterogeneous medium reaching an observation point from a reference point in the heterogeneous medium, and a scattered field component included in this component. 検証例において、検証に用いた3次元不均質地盤モデルの形状を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the shape of a three-dimensional inhomogeneous ground model used for verification in a verification example; 検証例における、不均質地盤モデルの側面および地表面のS波速度の分布を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing distributions of S-wave velocities on the side surface and the ground surface of the heterogeneous ground model in the verification example; 検証例における、応答波の時刻歴波形を示す図である。It is a figure which shows the time-history waveform of a response wave in a verification example. 検証例における、応答波形のコヒーレントな成分<u>およびばらつき波形成分uを計算した結果を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing results of calculating a coherent component <u> and a variation waveform component u f of a response waveform in a verification example; 図7に示す応答波形のコヒーレントな成分<u>およびばらつき波形成分uのパワースペクトルを示す図である。8 is a diagram showing power spectra of the coherent component <u> and the variation waveform component uf of the response waveform shown in FIG. 7; FIG. 検証例における、周波数fとln(<ε>+1)との関係を整理した結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a result of sorting out the relationship between frequency f and ln (<ε 2 >+1) in a verification example; 検証例における、観測点間の離間距離との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship with the separation distance between observation points in a verification example. 検証例における、相関距離の推定結果を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing estimation results of correlation distances in a verification example;

以下、添付図面を参照して、本発明による地震動の評価方法及び評価システムを実施するための形態について、図面に基づいて説明する。
本発明の実施形態に係る地震動の評価システムの構成を図1に示す。
図1に示されるように、地震動の評価システム10は、データ記憶部11と、ばらつき度合い指標の計算部12と、S波速度の特性推定部13と、表層地盤の不均質パラメータの推定部14と、3次元表層地盤モデル構築部15と、入力地震動の評価部16と、表層地盤の解析結果の表示部17と、を備える。この地震動の評価システム10は、地盤上に構築された建物に対する入力地震動を評価する。
EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, with reference to an accompanying drawing, the form for implementing the evaluation method and evaluation system of the earthquake motion by this invention is demonstrated based on drawing.
FIG. 1 shows the configuration of a seismic motion evaluation system according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the seismic motion evaluation system 10 includes a data storage unit 11, a variation index calculator 12, an S-wave velocity characteristic estimator 13, and a surface ground inhomogeneous parameter estimator 14. , a three-dimensional surface ground model constructing unit 15, an input seismic motion evaluation unit 16, and a surface ground analysis result display unit 17. This seismic motion evaluation system 10 evaluates the input seismic motion for a building constructed on the ground.

データ記憶部11は、外部から入力された表層地盤のボーリング調査記録と、地震観測記録のデータを記憶する。表層地盤のボーリング調査記録は、建物の施工に先立ち、建物を施工する敷地、または建物の敷地を含む一定のエリアを調査対象エリアとして表層地盤のボーリング調査を行うことで得られる。ボーリング調査は、調査対象エリア内で1箇所、または複数個所で行う。また、地震観測記録は、建物を施工する敷地、またはこの敷地を含むエリア内で、建物の施工に先立って地震観測を実施することで得られる。地震観測記録は、例えば、地表に設置した地震計等から得られる地震動の波形である。地震観測記録は、敷地内の複数地点に地震計等を設置して地震観測を実施することで得る。 The data storage unit 11 stores externally input data of surface ground boring survey records and seismic observation records. Surface ground boring survey records are obtained by conducting surface ground boring surveys prior to building construction, with the site where the building is to be constructed or a certain area including the building site being the survey target area. Boring surveys are conducted at one or more locations within the survey area. In addition, the seismic observation record is obtained by conducting seismic observation prior to the construction of the building on the site where the building is to be constructed or within the area including this site. A seismic observation record is, for example, a seismic motion waveform obtained from a seismometer installed on the ground surface. The seismic observation record is obtained by installing seismometers etc. at multiple points on the site and conducting seismic observation.

ばらつき度合い指標の計算部12は、敷地内の地震計等が設置された複数地点のなかで、隣接する地点の各々における地震観測記録として得られた波形に対し、これら波形間のばらつき度合い指標を計算する。
S波速度の特性推定部13は、表層地盤のボーリング調査記録を使用して、表層地盤のS波速度と、S波速度の平均、及び不均質性の変動係数を推定する。
表層地盤の不均質パラメータの推定部14は、ばらつき度合い指標と、推定されたS波速度の不均質性の変動係数を基に、3次元表層地盤モデルの不均質パラメータである、表層地盤中のS波速度における水平方向の相関距離と鉛直方向の相関距離とを推定する。
3次元表層地盤モデル構築部15は、推定された水平方向の相関距離と鉛直方向の相関距離とを基に、FEM解析のための3次元表層地盤モデルを構築する。
入力地震動の評価部16は、構築された3次元表層地盤をFEM解析することで、建物へ入力される地震動の大きさを評価する。具体的には、入力地震動の評価部16は、3次元表層地盤モデルの最下端に地震動を入射し、表層地盤中で伝播させて、表層地盤の最上端点に到達する入力地震動を推定することで、建物へ入力される地震動の大きさを評価する。
解析結果の表示部17は、入力地震動の評価部16におけるFEM解析の結果として、建物へ入力される地震動の大きさの評価結果を表示する。
The variation degree index calculator 12 calculates the variation degree index between waveforms obtained as seismic observation records at each of adjacent points among multiple points where seismometers and the like are installed on the premises. calculate.
The S-wave velocity characteristic estimator 13 estimates the S-wave velocity of the surface ground, the average of the S-wave velocities, and the coefficient of variation of heterogeneity using the drilling survey records of the surface ground.
The estimator 14 for the inhomogeneous parameter of the surface ground is an inhomogeneous parameter of the three-dimensional surface ground model, based on the variation degree index and the coefficient of variation of the estimated inhomogeneity of the S-wave velocity. Estimate the horizontal and vertical correlation distances at the S-wave velocity.
The three-dimensional surface ground model construction unit 15 constructs a three-dimensional surface ground model for FEM analysis based on the estimated horizontal correlation distance and vertical correlation distance.
The input seismic motion evaluation unit 16 evaluates the magnitude of the seismic motion input to the building by FEM-analyzing the constructed three-dimensional surface ground. Specifically, the input seismic motion evaluation unit 16 estimates the input seismic motion that enters the lowest end of the three-dimensional surface layer ground model, propagates it in the surface layer ground, and reaches the top end point of the surface layer ground. , to evaluate the magnitude of the seismic motion input to the building.
The analysis result display unit 17 displays the evaluation result of the magnitude of the seismic motion input to the building as the result of the FEM analysis in the input seismic motion evaluation unit 16 .

図2は、本実施形態に係る地震動の評価方法を示すフローチャートである。
本実施形態に係る地震動の評価方法は、地震動の評価システム10で、予め設定されたコンピュータプログラムに基づいた処理を行うことで実施される。図2に示すように、地震動の評価方法では、地震観測記録を取得するステップS11と、地震記録として得られた波形の振幅の平均及び残差を計算するステップS12と、地震記録として得られた波形の振幅のばらつき度合いを計算するステップS13と、地盤調査データを取得するステップS14と、3次元表層地盤モデルの不均質パラメータを算出するステップS15と、3次元表層地盤モデルを構築するステップS16と、建物へ入力される地震動の大きさを評価するステップS17と、を含む。
地震動の評価システム10で地震動の評価を行うには、予め、表層地盤のボーリング調査を行うことで得られた表層地盤のボーリング調査記録と、地震観測を実施することで得られた地震観測記録のデータを、データ記憶部11に記憶させておく。
FIG. 2 is a flow chart showing a method for evaluating seismic motion according to this embodiment.
The earthquake motion evaluation method according to the present embodiment is implemented by performing processing based on a preset computer program in the earthquake motion evaluation system 10 . As shown in FIG. 2, the earthquake motion evaluation method comprises step S11 of acquiring seismic observation records, step S12 of calculating the average and residual of the amplitude of the waveform obtained as the seismic record, and Step S13 of calculating the degree of variation in waveform amplitude, Step S14 of acquiring ground survey data, Step S15 of calculating heterogeneous parameters of the three-dimensional surface ground model, and Step S16 of constructing the three-dimensional surface ground model. , and a step S17 of evaluating the magnitude of the seismic motion input to the building.
In order to evaluate the seismic motion by the seismic motion evaluation system 10, in advance, the boring survey record of the surface layer obtained by conducting the boring survey of the surface layer and the seismic observation record obtained by conducting the seismic observation. Data is stored in the data storage unit 11 .

地震観測記録を取得するステップS11では、データ記憶部11に記憶された地震観測記録のデータから、隣接する任意の2点より地震観測記録の波形u、uを抽出して取得する。 In step S11 for acquiring the seismic observation record, waveforms u 1 and u 2 of the seismic observation record are extracted from any two adjacent points from the data of the seismic observation record stored in the data storage unit 11 and acquired.

地震記録として得られた波形の振幅の平均及び残差を計算するステップS12では、ステップS11で取得した2点の波形u、uに対し、下記の式(1)、式(2)により、各波形のコヒーレントな、波形間での振幅の平均波形成分<u>、および各波形の振幅と平均波形成分<u>との間の残差を表すばらつき波形成分(残差)uを算出する。

Figure 2023012586000004
地震記録として得られた波形の振幅のばらつき度合いを計算するステップS13では、ばらつき度合い指標の計算部12において、地震動のばらつき度合い指標εを、次に式(3)として示される第1計算式により計算する。
Figure 2023012586000005
地盤調査データを取得するステップS14では、建物の施工に先立ち、建物を施工する敷地、または建物の近傍を調査対象エリアとして表層地盤のボーリング調査等を行うことで得た、地盤調査データを、データ記憶部11から取得する。ステップS14では、S波速度の特性推定部13において、表層地盤のボーリング調査記録を使用し、表層地盤における各層のS波の(平均)伝播速度vおよびS波速度の不均質性の変動係数μを求める。 In step S12 of calculating the average and residual of the amplitudes of the waveforms obtained as seismic records, the two waveforms u 1 and u 2 obtained in step S11 are calculated using the following equations (1) and (2): , the mean waveform component <u> of coherent amplitudes between waveforms of each waveform, and the variation waveform component (residual) u f representing the residual between the amplitude of each waveform and the mean waveform component <u> calculate.
Figure 2023012586000004
In step S13 for calculating the degree of variation in the amplitude of the waveform obtained as an earthquake record, in the variation degree index calculator 12, the variation degree index ε of the seismic motion is calculated by the first formula shown as Equation (3). calculate.
Figure 2023012586000005
In step S14 for acquiring ground survey data, ground survey data obtained by conducting a surface ground boring survey or the like with the site where the building is to be constructed or the vicinity of the building as the survey target area prior to construction of the building, is collected as data. Acquired from the storage unit 11 . In step S14, the S-wave velocity characteristic estimating unit 13 uses the boring survey records of the surface layer, and the (average) propagation velocity v i of the S-wave in each layer in the surface layer and the coefficient of variation of the inhomogeneity of the S-wave velocity Find μ.

3次元表層地盤モデルの不均質パラメータを算出するステップS15では、表層地盤の不均質パラメータの推定部14により、ばらつき度合い指標εと、S波速度の不均質性の変動係数μを基に、次に式(4)として示される第2計算式に基づき、3次元表層地盤モデルの不均質パラメータを算出する。式(4)は、地盤の不均質パラメータと、隣接地点間の地震動のばらつき度合い指標εとの関係を示す。ステップS15では、式(4)の第2計算式に基づき、3次元表層地盤モデルの不均質パラメータである、表層地盤中のS波速度における水平方向の相関距離aと、鉛直方向の相関距離aとを算出し、推定する。

Figure 2023012586000006
ここで、kは不均質媒質の波数、kは地震波の波数、ψは地震波の散乱角である。
また、上式(4)におけるhは、地震波の伝播距離、すなわち、隣接地点間の地震動のばらつきに影響を与える地震深さである。本実施形態においては、地震波の伝播距離hを、2点間の水平方向の離間距離ξにより、下記の式(5)のように表現している。
Figure 2023012586000007
表層地盤の不均質パラメータの推定部14は、例えば、上式(4)の左辺と右辺の差を目的関数として、これが0に近づくような最適化問題を解くことにより、水平方向の相関距離aと、鉛直方向の相関距離aとを算出するように構成することができる。 In step S15 for calculating the inhomogeneous parameters of the three-dimensional surface ground model, the estimating unit 14 of the inhomogeneous parameters of the surface ground performs the following calculations based on the degree of variation index ε and the variation coefficient μ of the inhomogeneity of the S-wave velocity. The inhomogeneous parameters of the three-dimensional surface ground model are calculated based on the second calculation formula shown as formula (4) in . Equation (4) shows the relationship between the ground inhomogeneity parameter and the degree of variation index ε of seismic motions between adjacent points. In step S15, based on the second calculation formula of formula (4), the horizontal correlation distance a 1 and the vertical correlation distance in the S-wave velocity in the surface ground, which are inhomogeneous parameters of the three-dimensional surface ground model Calculate and estimate a3 .
Figure 2023012586000006
Here, ks is the wave number of the inhomogeneous medium, k is the wave number of the seismic wave, and ψ is the scattering angle of the seismic wave.
Also, h in the above equation (4) is the seismic wave propagation distance, that is, the seismic depth that affects variations in seismic motion between adjacent points. In this embodiment, the propagation distance h of seismic waves is expressed by the horizontal separation distance ξ between two points as shown in Equation (5) below.
Figure 2023012586000007
The estimating unit 14 for the heterogeneous parameter of the surface layer, for example, uses the difference between the left side and the right side of the above equation (4) as the objective function, solves the optimization problem such that this approaches 0, and obtains the horizontal correlation distance a 1 and a vertical correlation distance a3 .

3次元表層地盤モデルを構築するステップS16では、ステップS15で算出された、水平方向の相関距離aと鉛直方向の相関距離aを基に、不均質性が反映された3次元表層地盤モデルを構築する。
より具体的には、3次元表層地盤モデルを構築する際に、地盤要素の物性値の各々に、水平方向の相関距離aと鉛直方向の相関距離aを満足するようにランダム性を付与することにより、3次元表層地盤モデルに水平方向の相関距離aと鉛直方向の相関距離aの値を反映させる。
建物へ入力される地震動の大きさを評価するステップS17では、ステップS16で構築された、不均質性が反映された3次元表層地盤モデルに対してFEM解析を実施することで、表層地盤上の建物へ入力される地震動の大きさを評価する。このときのFEM解析では、3次元表層地盤モデルの最下端に地震動を入射し、表層地盤中で伝播させて、表層地盤の最上端点に到達する入力地震動を推定する。入力地震動の評価部16におけるFEM解析の推定結果は、解析結果の表示部17において、建物へ入力される地震動の大きさの評価結果として表示される。
In step S16 for constructing a three-dimensional surface ground model, a three -dimensional surface ground model reflecting inhomogeneity is constructed based on the horizontal correlation distance a1 and the vertical correlation distance a3 calculated in step S15. to build.
More specifically, when building a three -dimensional surface ground model, randomness is given to each of the physical property values of the ground elements so as to satisfy the horizontal correlation distance a1 and the vertical correlation distance a3. By doing so , the values of the horizontal correlation distance a1 and the vertical correlation distance a3 are reflected in the three -dimensional surface ground model.
In step S17 for evaluating the magnitude of seismic motion input to the building, FEM analysis is performed on the three-dimensional surface ground model in which heterogeneity is reflected, constructed in step S16. Evaluate the magnitude of seismic motion input to the building. In the FEM analysis at this time, the seismic motion is incident on the lowest end of the three-dimensional surface layer model, propagated in the surface layer ground, and the input seismic motion reaching the uppermost point of the surface layer ground is estimated. The estimation result of the FEM analysis in the input earthquake motion evaluation unit 16 is displayed in the analysis result display unit 17 as the evaluation result of the magnitude of the earthquake motion input to the building.

上式(4)として示される第2計算式は、次に説明されるように立式される。
まず、波形全体の振幅の大きさIは、コヒーレントな波形の振幅の大きさIおよび散乱に伴う波形の振幅の大きさIを用いて、次の式(6)のように表現できる。

Figure 2023012586000008
これにより、εは、上式(3)を用いて、次の式(7)のように表現できる。
Figure 2023012586000009
対象とする地盤内における波動場のエネルギーが一定の場合(内部減衰がない場合)、(7)式のI/Iは、次の式(8)のように、距離の指数関数で表現できる。
Figure 2023012586000010
ここで、αは散乱係数である。 The second calculation formula, shown as formula (4) above, is formulated as described below.
First, the amplitude I t of the entire waveform can be expressed by the following equation (6) using the amplitude I c of the coherent waveform and the amplitude I f of the waveform accompanying scattering. .
Figure 2023012586000008
Thus, ε2 can be expressed as in the following equation (7) using the above equation ( 3 ).
Figure 2023012586000009
When the energy of the wave field in the target ground is constant (when there is no internal attenuation), I t /I c in Equation (7) is expressed as an exponential function of distance as shown in Equation (8) below. can.
Figure 2023012586000010
where α is the scattering coefficient.

次に、式(8)における散乱係数αを求める。散乱理論に基づき、不均質媒質に入射する地震波の散乱係数αを不均質媒質の相関距離および変動係数で表現する。
図3に示すように、単位ベクトルsの方向で不均質媒質Vに入射した波動場が、不均質媒質V内の基準点Oからベクトルrに位置する観測点Pに到達する成分をU(r)とし、さらにU(r)に含まれる散乱場の成分をU(r)とすると、U(r)は、次の式(9)のように表現できる。

Figure 2023012586000011
ここで、r´は不均質媒質V内の基準点から不均質媒質V内の点Qまでの位置ベクトル、iは虚数単位である。
式(9)中のF(r´)は、不均質媒質Vにおける散乱ポテンシャルで、次の式(10)のように表現できる。
Figure 2023012586000012
ここで、n1(r´)は伝播速度の変動分である。
n1(r´)≪1の場合、式(10)は、次の式(11)のように近似できる。
Figure 2023012586000013
rがr´に比べて十分に大きい場合、式(9)中の|r-r´|は、次の式(12)のように近似できる。
Figure 2023012586000014
ここで、oは不均質媒質V内の基準点Oから観測点Pまでの単位ベクトルである。 Next, the scattering coefficient α in Equation (8) is obtained. Based on scattering theory, the scattering coefficient α of seismic waves incident on a heterogeneous medium is expressed by the correlation length and variation coefficient of the heterogeneous medium.
As shown in FIG. 3, the component of the wave field incident on the inhomogeneous medium V in the direction of the unit vector s that reaches the observation point P located on the vector r from the reference point O in the inhomogeneous medium V is U(r ) and the component of the scattered field included in U(r) is U s (r), U s (r) can be expressed by the following equation (9).
Figure 2023012586000011
Here, r' is the position vector from the reference point in the inhomogeneous medium V to the point Q in the inhomogeneous medium V, and i is the imaginary unit.
F(r') in Equation (9) is the scattering potential in the inhomogeneous medium V and can be expressed as in Equation (10) below.
Figure 2023012586000012
Here, n1(r') is the variation of the propagation velocity.
If n1(r')<<1, Equation (10) can be approximated as Equation (11) below.
Figure 2023012586000013
When r is sufficiently larger than r', |rr'| in equation (9) can be approximated by the following equation (12).
Figure 2023012586000014
Here, o is a unit vector from the reference point O to the observation point P in the inhomogeneous medium V.

式(12)から、次の式(13)が得られる。

Figure 2023012586000015
式(13)を式(9)に代入すると、観測点Pにおいて観測される散乱場U(r)は、次の式(14)のように表現できる。
Figure 2023012586000016
ここで式(14)の右辺のf(o,s)は、不均質媒質Vに単位ベクトルsの向きに入射した平面波に対する単位ベクトルoの向きの散乱波の振幅を意味する。
式(14)のF(r´)に式(11)を代入すると、式(14)のf(o,s)は、次の式(15)のように表現できる。
Figure 2023012586000017
式(15)のU(r´)は、不均質媒質Vの伝播速度の変動が小さく、散乱が弱い場合、Born近似を適用し、次の式(16)のように表現できる。
Figure 2023012586000018
The following equation (13) is obtained from the equation (12).
Figure 2023012586000015
Substituting equation (13) into equation (9), the scattered field U s (r) observed at observation point P can be expressed as in equation (14) below.
Figure 2023012586000016
Here, f(o, s) on the right side of Equation (14) means the amplitude of the scattered wave in the direction of the unit vector o with respect to the plane wave incident on the inhomogeneous medium V in the direction of the unit vector s.
When formula (11) is substituted for F(r') in formula (14), f(o, s) in formula (14) can be expressed as in formula (15) below.
Figure 2023012586000017
U(r') in Equation (15) can be expressed as in Equation (16) below by applying the Born approximation when the inhomogeneous medium V has a small variation in propagation velocity and weak scattering.
Figure 2023012586000018

式(16)を式(15)に代入すると、次の式(17)が得られる。

Figure 2023012586000019
式(17)において、k=k(s-o)とした。またベクトルkの大きさは、図3に示すように、単位ベクトルsと単位ベクトルoのなす角をθとすると、次の式(18)のようになる。
Figure 2023012586000020
ここで、不均質媒質Vにおいて、単位立体角から散乱される波動場の強さを、微分散乱断面積dσ(o、s)とすると、dσ(o、s)は散乱振幅f(o、s)との間に、次の式(19)のような関係がある。
Figure 2023012586000021
ここで、f(o、s)は、f(o、s)の共役複素数を示す。また、右辺の<>は平均を示す。 Substituting equation (16) into equation (15) yields equation (17) below.
Figure 2023012586000019
In equation (17), k s =k(s−o). As shown in FIG. 3, the magnitude of the vector k s is given by the following equation (18), where θ is the angle formed by the unit vector s and the unit vector o.
Figure 2023012586000020
Here, in the inhomogeneous medium V, if the strength of the wave field scattered from a unit solid angle is the differential scattering cross section dσ(o, s), then dσ(o, s) is the scattering amplitude f(o, s ), there is a relationship such as the following equation (19).
Figure 2023012586000021
where f * (o,s) denotes the complex conjugate of f(o,s). Moreover, <> on the right side indicates the average.

式(19)のf(o、s)に式(17)を代入すると、次の式(20)のようになる。

Figure 2023012586000022
また、不均質媒質V内における基準点Oから位置ベクトルr´の地点およびr´の地点における伝播速度の変動分の相関関数をBn(r)とすると、Bn(r)は、次の式(21)のようになる。
Figure 2023012586000023
ここで、r=r´-r´である。
ベクトルrの大きさが、伝播速度の変動の相関距離よりも大きい範囲では、相関関数Bn(r)の値はほぼ無視できる。
(r´+r´)/2=rとし、式(21)を式(20)に代入すると、微分散乱断面積dσ(o、s)は、次の式(22)のように表現できる。
Figure 2023012586000024
ここで、dV、dVはそれぞれr、rによる微小体積である。 Substituting equation (17) for f(o, s) in equation (19) yields the following equation (20).
Figure 2023012586000022
Also, let Bn(r d ) be the correlation function of the variation of the propagation velocity at the points of the position vectors r 1 ' and r 2 ' from the reference point O in the inhomogeneous medium V, then Bn(r d ) is It becomes like the following formula (21).
Figure 2023012586000023
where r d =r 1 '-r 2 '.
The value of the correlation function Bn(r d ) is almost negligible in the range where the magnitude of the vector rd is larger than the correlation distance of the variation of the propagation velocity.
(r 1 '+r 2 ')/2=r c , and substituting the formula (21) into the formula (20), the differential scattering cross section dσ(o, s) is expressed as the following formula (22) can.
Figure 2023012586000024
where dV c and dV d are the microvolumes due to r c and r d respectively.

不均質媒質Vにおける伝播速度の変動のスペクトル密度をφ(k)とすると、φ(k)は、相関関数Bn(r)のフーリエ変換で表現できることから、次の式(23)のようになる。

Figure 2023012586000025
式(23)を式(22)に代入すると、dσ(o、s)は、次の式(24)のように表現できる。
Figure 2023012586000026
不均質媒質Vからの散乱断面積σ(o、s)は、次の式(25)のように、微分散乱断面積dσ(o、s)を全立体角で積分することにより得ることができる。
Figure 2023012586000027
Assuming that φ n (ks ) is the spectral density of the variation in propagation velocity in the inhomogeneous medium V, φ n ( ks ) can be expressed by the Fourier transform of the correlation function Bn( r d ). )become that way.
Figure 2023012586000025
Substituting equation (23) into equation (22), dσ(o, s) can be expressed as in equation (24) below.
Figure 2023012586000026
The scattering cross section σ(o, s) from the inhomogeneous medium V can be obtained by integrating the differential scattering cross section dσ(o, s) over all solid angles, as in the following equation (25). .
Figure 2023012586000027

式(25)に式(24)を代入し、dΩを極座標に変換すると、次の式(26)のように表現できる。

Figure 2023012586000028
ここで、φは平面波の入射方向(s)に対する偏角である。
なお、上記の式(6)~式(26)は、「光学の原理 第7版 III」(Born, M.,Wolf,E.著、草川徹訳)および「Wave propagation and scattering in random media」(Ishimaru,A著)を参考に導出している。 By substituting equation (24) into equation (25) and converting dΩ into polar coordinates, the following equation (26) can be obtained.
Figure 2023012586000028
Here, φ is the deflection angle with respect to the incident direction (s) of the plane wave.
It should be noted that the above formulas (6) to (26) are the same as those described in "Principles of Optics, 7th Edition III" (Born, M., Wolf, E., translated by Toru Kusakawa) and "Wave propagation and scattering in random media". (Ishimaru, A).

ばらつき波形成分uの大きさに影響を与える散乱角の閾値をψとすると、球全体の表面積に対する閾値ψの範囲内の表面積の割合γは、次の式(27)のようになる。

Figure 2023012586000029
式(27)のγを用いて、一次散乱の範囲における散乱断面積σ(o、s)と散乱係数α(o、s)の関係を、次の式(28)のようにする。
Figure 2023012586000030
式(28)のスペクトル密度φ(k)について、非等方的なガウス型として、次の式(29)を定義する。
Figure 2023012586000031
ここで、aは、不均質媒質における、水平方向に延在する一の軸線方向であるx軸方向の相関距離、aは、水平面内においてx軸方向に直交する方向であるy軸方向の相関距離、aは、水平面と直交する鉛直方向であるz軸方向の相関距離である。また、ks1(=ksinθcosφ)は、不均質媒質におけるx軸方向の波数、ks2(=ksinθsinφ)は、不均質性を定義するy軸方向の波数、ks3(=k(1-cosθ))は、不均質性を定義するz軸方向の波数である。 Assuming that the scattering angle threshold that affects the magnitude of the variation waveform component u f is ψ, the ratio γ of the surface area within the range of the threshold ψ to the surface area of the entire sphere is given by the following equation (27).
Figure 2023012586000029
Using γ in Equation (27), the relationship between the scattering cross section σ(o, s) and the scattering coefficient α(o, s) in the primary scattering range is given by Equation (28) below.
Figure 2023012586000030
For the spectral density φ n ( ks ) of Equation (28), the following Equation (29) is defined as an anisotropic Gaussian.
Figure 2023012586000031
Here, a1 is the correlation distance in the x-axis direction, which is one axial direction extending in the horizontal direction in the inhomogeneous medium, and a2 is the y-axis direction, which is the direction orthogonal to the x-axis direction in the horizontal plane. is the correlation distance in the z - axis direction, which is the vertical direction perpendicular to the horizontal plane. In addition, k s1 (=k s sin θ cos φ) is the wave number in the x-axis direction in the inhomogeneous medium, ks 2 (= k s sin θ sin φ) is the wave number in the y-axis direction that defines the inhomogeneity, ks 3 (= k s (1−cos θ)) is the wave number along the z-axis that defines the inhomogeneity.

水平方向の不均質性は等方的、すなわちa=aが成立するものとする。
式(29)を式(28)に代入すると、係数α(o、s)は、次の式(30)のようになる。

Figure 2023012586000032
ここで式(18)より、kをθで微分すると、次の式(31)が得られる。
Figure 2023012586000033
式(18)および式(31)を、式(30)のsinθおよびcosθに代入すると、α(o、s)は、次の式(32)のように、kで積分した形式で表現できる。
Figure 2023012586000034
式(8)のI/Iの関係を式(7)に代入すると、<ε>とαの関係は、次の式(33)のようになる。
Figure 2023012586000035
式(33)のαに式(32)を代入し、両辺に対数をとると、式(4)のように、ガウス型による地盤の不均質性および地盤深さと地震動のばらつきとの関係式が得られる。 The horizontal inhomogeneity is assumed to be isotropic, ie a 1 =a 2 holds.
Substituting equation (29) into equation (28), the coefficient α(o, s) is given by equation (30) below.
Figure 2023012586000032
By differentiating ks with respect to θ from equation (18), the following equation (31) is obtained.
Figure 2023012586000033
Substituting equations (18) and (31) for sin θ and cos θ in equation (30), α(o, s ) can be expressed in the form integrated by ks as in equation (32) below. .
Figure 2023012586000034
Substituting the relationship of I t /I c in Equation (8) into Equation (7), the relationship between <ε 2 > and α is given by Equation (33) below.
Figure 2023012586000035
Substituting equation (32) for α in equation (33) and taking the logarithm on both sides yields equation (4), the relational expression between ground heterogeneity and ground depth and seismic ground motion variation according to Gaussian type. can get.

上述したような地震動の評価方法は、建物へ入力される地震動の大きさを評価する方法であって、隣接する地点の各々において地震観測記録として得られた波形に対し、これら波形間での振幅の平均波形成分<u>と、各波形の振幅と平均波形成分<u>との間の残差を表すばらつき波形成分uを算出して、波形間のばらつき度合い指標εを式(3)として示した第1計算式によって計算し、ばらつき度合い指標ε、表層地盤におけるS波速度の不均質性の変動係数μ、不均質媒質Vの波数k、地震波の波数k、地震波の散乱角ψ、地震波の伝播距離hを、式(4)として示した第2計算式に適用して、3次元表層地盤モデルの不均質パラメータである、表層地盤中のS波速度における水平方向の相関距離aと鉛直方向の相関距離aとを算出し、水平方向の相関距離aと鉛直方向の相関距離aを基に、不均質性が反映された3次元表層地盤モデルを構築し、地震動の大きさを評価する。
このような構成によれば、3次元表層地盤モデルの不均質パラメータである、表層地盤中のS波速度における水平方向の相関距離aと鉛直方向の相関距離aとを基に、不均質性が反映された3次元表層地盤モデルを構築することができる。
ここで、実際の地盤においては、水平方向よりも鉛直方向が、短い間隔で、速度構造が変化する。これに対応して、特に、上記のような構成においては、水平方向の相関距離aと、鉛直方向の相関距離aとが、それぞれ別のパラメータとして式中にあらわれて、それぞれが別の値として求まっている。これにより、水平方向と鉛直方向で相関距離を同じ値として、等方的となるような場合に比べて、実際の地盤の特性を忠実かつ正確に、3次元表層地盤モデルに反映させることができる。
このようにして構築された3次元表層地盤モデルは、地盤の不均質性を、正確に評価したものとなる。このような地盤モデルを用いて地震動の大きさを評価することにより、建物への入力地震動を高い精度で評価することが可能となる。
The earthquake motion evaluation method described above is a method of evaluating the magnitude of the earthquake motion input to a building. and the variation waveform component u f representing the residual between the amplitude of each waveform and the average waveform component <u>, and the variation degree index ε between the waveforms is calculated by equation (3). is calculated by the first calculation formula shown as, the degree of dispersion index ε, the coefficient of variation μ of inhomogeneity of S-wave velocity in surface ground, the wave number k s of inhomogeneous medium V, the wave number k of seismic waves, the scattering angle of seismic waves ψ , the seismic wave propagation distance h is applied to the second calculation formula shown as Equation (4) to obtain the horizontal correlation distance a 1 and the vertical correlation distance a3 are calculated, and based on the horizontal correlation distance a1 and the vertical correlation distance a3 , a three -dimensional surface ground model that reflects the heterogeneity is constructed, and the seismic motion Evaluate the size of
According to such a configuration, based on the horizontal correlation distance a 1 and the vertical correlation distance a 3 in the S wave velocity in the surface ground, which are inhomogeneous parameters of the three-dimensional surface ground model, inhomogeneity It is possible to construct a three-dimensional surface ground model that reflects the nature of the soil.
Here, in the actual ground, the velocity structure changes at shorter intervals in the vertical direction than in the horizontal direction. Correspondingly, especially in the configuration as described above, the horizontal correlation distance a1 and the vertical correlation distance a3 appear in the equation as separate parameters , and each is a separate parameter. sought as a value. As a result, the characteristics of the actual ground can be faithfully and accurately reflected in the 3D surface ground model compared to isotropic cases where the correlation distance is set to the same value in the horizontal and vertical directions. .
The three-dimensional surface ground model constructed in this way is an accurate evaluation of the heterogeneity of the ground. By evaluating the magnitude of seismic motion using such a ground model, it becomes possible to evaluate the input seismic motion to a building with high accuracy.

また、上述したような地震動の評価システム10は、建物へ入力される地震動の大きさを評価する、地震動の評価システム10であって、隣接する地点の各々における地震観測記録として得られた波形に対し、これら波形間のばらつき度合い指標εを計算する、ばらつき度合い指標の計算部12と、表層地盤のボーリング調査記録を使用して、表層地盤のS波速度、及びS波速度の不均質性の変動係数μを推定する、S波速度の特性推定部13と、ばらつき度合い指標εと、S波速度の不均質性の変動係数μを基に、3次元表層地盤モデルの不均質パラメータである、表層地盤中のS波速度における水平方向の相関距離aと鉛直方向の相関距離aを推定する、表層地盤の不均質パラメータの推定部14と、水平方向の相関距離aと鉛直方向の相関距離aを基に、FEM解析のための3次元表層地盤モデルを構築する、3次元表層地盤モデル構築部15と、3次元表層地盤モデルの最下端に地震動を入射し、表層地盤中で伝播させて、表層地盤の最上端点に到達する入力地震動を推定することで、建物へ入力される地震動の大きさを評価する、入力地震動の評価部16と、を備える。
このような構成によれば、地震観測記録として得られた波形間のばらつき度合い指標εと、表層地盤のボーリング調査記録を使用して推定されるS波速度の不均質性の変動係数μを基に、3次元表層地盤モデルの不均質パラメータである、表層地盤中のS波速度における水平方向の相関距離aと鉛直方向の相関距離aを推定して、3次元表層地盤モデルを構築する。
ここで、実際の地盤においては、水平方向よりも鉛直方向が、短い間隔で、速度構造が変化する。これに対応して、特に、上記のような構成においては、水平方向の相関距離aと、鉛直方向の相関距離aとが、それぞれ別のパラメータとして式中にあらわれて、それぞれが別の値として求まっている。これにより、水平方向と鉛直方向で相関距離を同じ値として、等方的となるような場合に比べて、実際の地盤の特性を忠実かつ正確に、3次元表層地盤モデルに反映させることができる。
このようにして構築された3次元表層地盤モデルは、地盤の不均質性を、正確に評価したものとなる。このような地盤モデルを用いて地震動の大きさを評価することにより、建物への入力地震動を高い精度で評価することが可能となる。
The earthquake motion evaluation system 10 as described above evaluates the magnitude of the earthquake motion input to the building. On the other hand, using the variation degree index calculation unit 12 that calculates the variation degree index ε between these waveforms and the boring survey record of the surface layer, the S wave velocity of the surface layer and the heterogeneity of the S wave velocity Inhomogeneous parameters of the three-dimensional surface ground model based on the S-wave velocity characteristic estimation unit 13 that estimates the variation coefficient μ, the degree of variation index ε, and the variation coefficient μ of the inhomogeneity of the S-wave velocity, A surface ground inhomogeneous parameter estimator 14 for estimating the horizontal correlation distance a 1 and the vertical correlation distance a 3 in the S-wave velocity in the surface ground, and the horizontal correlation distance a 1 and the vertical correlation distance a 3 Based on the correlation distance a 3 , a three-dimensional surface ground model construction unit 15 constructs a three-dimensional surface ground model for FEM analysis, and a seismic motion is incident on the lowest end of the three-dimensional surface ground model, and an input seismic motion evaluation unit 16 that evaluates the magnitude of the seismic motion input to the building by estimating the input seismic motion that propagates and reaches the uppermost end point of the surface layer ground.
According to such a configuration, based on the degree of variation index ε between waveforms obtained as seismic observation records and the coefficient of variation μ of heterogeneity of S-wave velocity estimated using the boring survey records of the surface layer Next, the horizontal correlation distance a1 and the vertical correlation distance a3 in the S - wave velocity in the surface ground, which are inhomogeneous parameters of the 3D surface ground model, are estimated to construct a 3D surface ground model. .
Here, in the actual ground, the velocity structure changes at shorter intervals in the vertical direction than in the horizontal direction. Correspondingly, especially in the configuration as described above, the horizontal correlation distance a1 and the vertical correlation distance a3 appear in the equation as separate parameters , and each is a separate parameter. sought as a value. As a result, the characteristics of the actual ground can be faithfully and accurately reflected in the 3D surface ground model compared to isotropic cases where the correlation distance is set to the same value in the horizontal and vertical directions. .
The three-dimensional surface ground model constructed in this way is an accurate evaluation of the heterogeneity of the ground. By evaluating the magnitude of seismic motion using such a ground model, it becomes possible to evaluate the input seismic motion to a building with high accuracy.

(検証例)
ここで、上式(4)式の適用性を検証するため、3次元FEM不均質地盤モデルを用いた地震動シミュレーションにより計算した隣接地点間の応答波を対象に地震動のばらつきを計算し、式(4)を用いて地盤モデルの不均質パラメータを推定した。
検証に用いた3次元不均質地盤モデルの形状を図4に示す。モデルのサイズは水平2方向を300m、深さ方向を200mとした。またFEMモデルのメッシュサイズは1m×1mとした。
地盤の平均S波速度構造は300m/sとし、ばらつきのパターンがガウス型の自己相関関数に従うようにS波速度を変動させた。地盤の水平方向の相関距離aは30m、鉛直方向の相関距離aは3mとした。変動係数μは0.15とした。また初期乱数を変化させることにより、すべての検討ケースにおいて5種類の地盤モデルを作成した。
不均質地盤モデルの側面および地表面のS波速度の分布の例を図5に示す。
入力地震動はインパルス的な震動を与えることを目的に、y方向のみに振幅を持つ加振時間0.02秒の三角型関数の変位波形を地盤モデルの底面より鉛直方向に平面波入射した。また図4に太線Lで示すとおり、地盤モデル地表の中央部でx方向、y方向ともに長さ100mの線上に1.0m間隔で応答波形の抽出地点を設定し、変位応答の時刻歴波形を抽出した。応答波の抽出時間はモデル底面より入力を開始してから約2.5秒間とした。
(Verification example)
Here, in order to verify the applicability of the above formula (4), we calculated the variation of the seismic motion for the response wave between adjacent points calculated by the seismic motion simulation using the 3D FEM inhomogeneous ground model, and expressed the formula ( 4) was used to estimate the inhomogeneous parameters of the ground model.
Figure 4 shows the shape of the three-dimensional inhomogeneous ground model used for verification. The size of the model was 300m in two horizontal directions and 200m in the depth direction. Also, the mesh size of the FEM model was set to 1 m×1 m.
The average S-wave velocity structure of the ground was 300 m/s, and the S-wave velocity was varied so that the variation pattern followed a Gaussian autocorrelation function. The correlation distance a1 in the horizontal direction of the ground was 30 m, and the correlation distance a3 in the vertical direction was 3 m. The coefficient of variation μ was set to 0.15. Also, by changing the initial random numbers, five types of ground models were created in all cases studied.
FIG. 5 shows an example of the distribution of S-wave velocities on the side and surface of the inhomogeneous ground model.
For the input seismic motion, for the purpose of giving an impulse-like vibration, a displacement waveform of a triangular function with an excitation time of 0.02 seconds having an amplitude only in the y-direction was vertically incident from the bottom surface of the ground model. In addition, as indicated by the thick line L in FIG. 4, response waveform extraction points were set at intervals of 1.0 m on a line of 100 m in length in both the x and y directions at the center of the ground model ground surface, and the time history waveform of the displacement response was obtained. Extracted. The response wave extraction time was about 2.5 seconds from the start of the input from the bottom of the model.

応答波の時刻歴波形の例として、表層でx=100~200m、y=150mの線上に位置する応答波抽出地点より5m間隔で応答波の時刻歴波形を描いた結果を図6に示す。
図6において、初動の波形が地点間で異なっているのが確認できる。また図6に示す時刻歴波形のうち、x=100mに示す波形とx=105mおよびx=150mに示す波形より、離間距離が5mおよび50mの応答波形のコヒーレントな成分<u>およびばらつき波形成分uを計算した結果を図7に示す。離間距離が5mの波形に比べ離間距離が50mの波形では、ばらつき波形成分の初動振幅が大きくなっている。
図7に示す応答波形のコヒーレントな成分<u>およびばらつき波形成分uのパワースペクトルを図8に示す。離間距離が5mの場合は、パワースペクトル振幅が全周波数帯にわたり、ばらつき波形成分uよりもコヒーレントな波形成分<u>の方が大きいのに対し、離間距離が50mの場合は、5Hz付近より高周波数側でほぼ同レベルとなっている。つまり、離間距離が大きくなるほどばらつき波形成分uのパワースペクトルが低周波数側から相対的に大きくなるのが確認できる。
As an example of the time history waveform of the response wave, FIG. 6 shows the result of drawing the time history waveform of the response wave at intervals of 5 m from the response wave extraction points located on the line of x=100 to 200 m and y=150 m on the surface layer.
In FIG. 6, it can be confirmed that the waveforms of the initial motion are different between the points. Further, among the time history waveforms shown in FIG. The results of calculating u f are shown in FIG. The initial amplitude of the variation waveform component is larger in the waveform with the separation distance of 50 m than in the waveform with the separation distance of 5 m.
FIG. 8 shows power spectra of the coherent component <u> and the variation waveform component uf of the response waveform shown in FIG. When the separation distance is 5 m, the coherent waveform component <u> is larger than the variation waveform component u f over the entire frequency band in the power spectrum amplitude. They are almost at the same level on the high frequency side. That is, it can be confirmed that the power spectrum of the variation waveform component u f becomes relatively large from the low frequency side as the separation distance increases.

初期乱数が異なる5種類の不均質地盤モデルの地表において抽出したすべての応答波のうち、離間距離が5m、10m、15m、20m、25m、30mとなる観測点ペアより振幅の平均のパワースペクトルおよびばらつき波形成分のパワースペクトルの比の平均<ε>を計算し、周波数fとln(<ε>+1)との関係を整理した結果を図9に示す。離間距離が大きくなるほど、ln(<ε>+1)は大きな値となっている。周波数fが大きくなるほどln(<ε>+1)も大きくなる傾向が見られる。また観測点間の離間距離が小さいほど、ln(<ε>+1)も小さくなるのが確認できる。
図9の結果を式(4)に適用し、不均質地盤モデルの相関距離(a、a)を推定する。探索範囲はaが1~50mの範囲で1m単位、aがaの0.01、0.1、1.0、10、100倍の範囲で設定した。また式(4)において、hは、図10に示すように、地震計を設置した2点の観測点間の離間距離ξとの関係に基づき設定した。ψは、20°に設定した。
相関距離の推定結果を図11に示す。a、aともに、地震動シミュレーションにおいて設定した不均質地盤モデルの相関距離(a=30m、a=3m)をおおむね推定することができている。また、a、aの推定結果に基づき、式(4)で左辺のln(<ε>+1)を計算した結果を図9に破線で示す。式(4)によるln(<ε>+1)の評価(図9の破線)は、地震動シミュレーションの応答波形によるln(<ε>+1)の結果(図9の実線)をおおむね表現できている。
Among all the response waves extracted from the ground surface of five types of inhomogeneous ground models with different initial random numbers, the power spectrum of the average amplitude and the FIG. 9 shows the result of calculating the average <ε 2 > of the power spectrum ratios of the variation waveform components and sorting out the relationship between the frequency f and ln (<ε 2 >+1). The value of ln (<ε 2 >+1) increases as the separation distance increases. There is a tendency for ln (<ε 2 >+1) to increase as the frequency f increases. Also, it can be confirmed that ln (<ε 2 >+1) becomes smaller as the separation distance between the observation points becomes smaller.
The results of FIG. 9 are applied to Equation (4) to estimate the correlation distances (a 1 , a 3 ) of the heterogeneous ground model. The search range was set in the range of 1 m to 50 m for a 1 and in the range of 0.01, 0.1, 1.0, 10, and 100 times as large as a 3 for a 1 . Also, in Equation (4), h is set based on the relationship with the separation distance ξ between the two observation points where the seismometers are installed, as shown in FIG. ψ was set to 20°.
FIG. 11 shows the estimation result of the correlation distance. Both a 1 and a 3 can roughly estimate the correlation distance (a 1 =30 m, a 3 =3 m) of the heterogeneous ground model set in the seismic motion simulation. Also, the result of calculating ln (<ε 2 >+1) on the left side of Equation (4) based on the estimated results of a 1 and a 3 is shown by a dashed line in FIG. The evaluation of ln (<ε 2 >+1) by Equation (4) (broken line in Fig. 9) can roughly express the result of ln (<ε 2 >+1) by the response waveform of the seismic motion simulation (solid line in Fig. 9). there is

10 地震動の評価システム 15 3次元表層地盤モデル構築部
12 ばらつき度合い指標の計算部 16 入力地震動の評価部
13 S波速度の特性推定部 V 不均質媒質
14 表層地盤の不均質パラメータの推定部
10 Seismic motion evaluation system 15 3D surface ground model construction unit 12 Variation index calculation unit 16 Input seismic motion evaluation unit 13 S-wave velocity characteristic estimation unit V heterogeneous medium 14 Surface ground heterogeneous parameter estimation unit

Claims (2)

建物へ入力される地震動の大きさを評価する方法であって、
隣接する地点の各々において地震観測記録として得られた波形に対し、これら波形間での振幅の平均波形成分<u>と、各波形の振幅と前記平均波形成分との間の残差を表すばらつき波形成分uを算出して、前記波形間のばらつき度合い指標εを下記の第1計算式
Figure 2023012586000036
によって計算し、
前記ばらつき度合い指標ε、表層地盤におけるS波速度の不均質性の変動係数μ、不均質媒質の波数k、地震波の波数k、地震波の散乱角ψ、地震波の伝播距離hを、下記の第2計算式
Figure 2023012586000037
に適用して、3次元表層地盤モデルの不均質パラメータである、前記表層地盤中のS波速度における水平方向の相関距離aと鉛直方向の相関距離aとを算出し、
前記水平方向の相関距離aと前記鉛直方向の相関距離aを基に、不均質性が反映された前記3次元表層地盤モデルを構築し、前記地震動の大きさを評価することを特徴とする地震動の評価方法。
A method for evaluating the magnitude of seismic motion input to a building, comprising:
For the waveforms obtained as seismic observation records at each of the adjacent points, the average waveform component <u> of the amplitude between these waveforms, and the dispersion representing the residual between the amplitude of each waveform and the said average waveform component The waveform component u f is calculated, and the variation degree index ε between the waveforms is calculated by the following first calculation formula
Figure 2023012586000036
calculated by
The degree of dispersion index ε, coefficient of variation μ of inhomogeneity of S-wave velocity in surface ground, wave number k s of inhomogeneous medium, wave number k of seismic waves, scattering angle ψ of seismic waves, and propagation distance h of seismic waves are calculated as follows: 2 Formula
Figure 2023012586000037
is applied to calculate the horizontal correlation distance a 1 and the vertical correlation distance a 3 in the S wave velocity in the surface ground, which are inhomogeneous parameters of the three-dimensional surface ground model,
Based on the horizontal correlation distance a1 and the vertical correlation distance a3, the three -dimensional surface ground model reflecting heterogeneity is constructed, and the magnitude of the seismic motion is evaluated. evaluation method of seismic motion.
建物へ入力される地震動の大きさを評価する、地震動の評価システムであって、
隣接する地点の各々における地震観測記録として得られた波形に対し、これら波形間のばらつき度合い指標を計算する、ばらつき度合い指標の計算部と、
表層地盤のボーリング調査記録を使用して、前記表層地盤のS波速度、及び前記S波速度の不均質性の変動係数を推定する、S波速度の特性推定部と、
前記ばらつき度合い指標と、前記S波速度の不均質性の変動係数を基に、3次元表層地盤モデルの不均質パラメータである、前記表層地盤中のS波速度における水平方向の相関距離と鉛直方向の相関距離を推定する、表層地盤の不均質パラメータの推定部と、
前記水平方向の相関距離と前記鉛直方向の相関距離を基に、FEM解析のための前記3次元表層地盤モデルを構築する、3次元表層地盤モデル構築部と、
前記3次元表層地盤モデルの最下端に地震動を入射し、前記表層地盤中で伝播させて、前記表層地盤の最上端点に到達する入力地震動を推定することで、前記建物へ入力される地震動の大きさを評価する、入力地震動の評価部と、
を備えることを特徴とする地震動の評価システム。
A seismic motion evaluation system for evaluating the magnitude of seismic motion input to a building,
a variation degree index calculation unit that calculates a variation degree index between waveforms obtained as seismic observation records at each of adjacent points;
an S-wave velocity property estimator that estimates the S-wave velocity of the subsoil and the coefficient of variation of the inhomogeneity of the S-wave velocity using subsoil boring survey records;
Based on the degree of variation index and the coefficient of variation of the inhomogeneity of the S-wave velocity, the horizontal correlation distance and the vertical direction in the S-wave velocity in the surface layer, which are inhomogeneity parameters of the three-dimensional surface layer model an estimating unit for inhomogeneous surface ground parameters that estimates the correlation distance of
a three-dimensional surface ground model construction unit that constructs the three-dimensional surface ground model for FEM analysis based on the horizontal correlation distance and the vertical correlation distance;
By injecting seismic motion into the lowest end of the three-dimensional surface layer ground model, propagating it in the surface layer ground, and estimating the input seismic motion reaching the top end point of the surface layer ground, the magnitude of the seismic motion input to the building an input seismic motion evaluation unit that evaluates the
A seismic motion evaluation system comprising:
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