JP2023012586A - Method and system for estimating size of earthquake vibrations - Google Patents
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Abstract
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
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。
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.
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uf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
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a1と鉛直方向の相関距離a3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a1と、鉛直方向の相関距離a3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
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.
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
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
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
The S-wave
The
The three-dimensional surface ground
The input seismic
The analysis
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
In order to evaluate the seismic motion by the seismic
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u1、u2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
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u1、u2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)ufを算出する。
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a1と、鉛直方向の相関距離a3とを算出し、推定する。
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。
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.
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a1と鉛直方向の相関距離a3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a1と鉛直方向の相関距離a3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a1と鉛直方向の相関距離a3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
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Itは、コヒーレントな波形の振幅の大きさIcおよび散乱に伴う波形の振幅の大きさIfを用いて、次の式(6)のように表現できる。
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. .
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Us(r)とすると、Us(r)は、次の式(9)のように表現できる。
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。
n1(r´)≪1の場合、式(10)は、次の式(11)のように近似できる。
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).
F(r') in Equation (9) is the scattering potential in the inhomogeneous medium V and can be expressed as in Equation (10) below.
If n1(r')<<1, Equation (10) can be approximated as Equation (11) below.
式(12)から、次の式(13)が得られる。
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。
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.
式(16)を式(15)に代入すると、次の式(17)が得られる。
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。
ベクトルrd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(rd)の値はほぼ無視できる。
(r1´+r2´)/2=rc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。
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.
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φn(ks)とすると、φn(ks)は、相関関数Bn(rd)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。
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。
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.
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uf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。
水平方向の不均質性は等方的、すなわちa1=a2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。
Substituting equation (29) into equation (28), the coefficient α(o, s) is given by equation (30) below.
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uf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ks、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a1と鉛直方向の相関距離a3とを算出し、水平方向の相関距離a1と鉛直方向の相関距離a3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a1と鉛直方向の相関距離a3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a1と、鉛直方向の相関距離a3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a1と鉛直方向の相関距離a3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a1と鉛直方向の相関距離a3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a1と鉛直方向の相関距離a3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a1と、鉛直方向の相関距離a3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
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a1は30m、鉛直方向の相関距離a3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uf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uf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uf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uf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<ε2>を計算し、周波数fとln(<ε2>+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(<ε2>+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(<ε2>+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(<ε2>+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(a1、a3)を推定する。探索範囲はa1が1~50mの範囲で1m単位、a3がa1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。a1、a3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(a1=30m、a3=3m)をおおむね推定することができている。また、a1、a3の推定結果に基づき、式(4)で左辺のln(<ε2>+1)を計算した結果を図9に破線で示す。式(4)によるln(<ε2>+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(<ε2>+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
Claims (2)
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uf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
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ks、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
前記水平方向の相関距離a1と前記鉛直方向の相関距離a3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
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
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.
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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