JP6549877B2 - 建物被災推定システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、地震発生後の建物の被災度を推定する建物被災推定システムおよび方法に関するものである。

地震発生後の建物の損傷程度を推定するシステムとして、建物の各層の加速度を計測する加速度センサの計測データから各層の層間変位を求め、建物の最上層あるいは最上層近傍の層の微振動を計測する微振動センサから、建物の常時微動の固有周期を求め、各層の層間変位と建物の常時微動の固有周期とにより建物の健全性を評価するシステムが提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１４−１３４４３６号公報

特許文献１に開示された技術では、建物の全ての層に加速度センサが必要となり、コストがかかるという問題点があった。特に、建築構造設計時の評定用建物構造データが無い場合は全層に加速度センサを設置する必要があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、地震発生後の建物の被災度を従来よりも安価に推定することができる建物被災推定システムおよび方法を提供することを目的とする。

本発明の建物被災推定システムは、推定対象の建物の基礎地盤面に設置された第１の地震センサと、前記建物の既知の建物情報に基づいて、この建物の地震による動きを数式化した仮想建物モデルを導出する仮想建物モデル導出手段と、地震発生中に前記第１の地震センサで計測された地動加速度を前記仮想建物モデルに入力して、仮想建物モデルの地震応答解析を行う地震応答解析手段と、地震発生中に前記地震応答解析の結果を用いて、地震情報と、前記建物の地震による動きを示す動き情報とを算出する地震・動き情報算出手段と、地震終了後に、前記地震・動き情報算出手段が地震発生中に算出した地震情報と動き情報とを用いて、前記建物の被災度を推定する被災度推定手段とを備え、前記地震応答解析手段は、前記地震応答解析の結果として前記建物の各階の変位と各階の速度と各階の加速度とを算出し、前記地震・動き情報算出手段は、前記地震情報として各階の計測震度と各階の長周期地震動階級とを算出し、前記動き情報として各階の最大加速度と各階の最大速度と各階の最大変位と各階間の最大層間変形角とを算出することを特徴とするものである。

また、本発明の建物被災推定方法は、推定対象の建物の既知の建物情報に基づいて、この建物の地震による動きを数式化した仮想建物モデルを導出する仮想建物モデル導出ステップと、前記建物の基礎地盤面に設置された第１の地震センサで地震発生中に計測された地動加速度を前記仮想建物モデルに入力して、仮想建物モデルの地震応答解析を行う地震応答解析ステップと、地震発生中に前記地震応答解析の結果を用いて、地震情報と、前記建物の地震による動きを示す動き情報とを算出する地震・動き情報算出ステップと、地震終了後に、前記地震・動き情報算出ステップで地震発生中に算出した地震情報と動き情報とを用いて、前記建物の被災度を推定する被災度推定ステップとを含み、前記地震応答解析ステップは、前記地震応答解析の結果として前記建物の各階の変位と各階の速度と各階の加速度とを算出するステップを含み、前記地震・動き情報算出ステップは、前記地震情報として各階の計測震度と各階の長周期地震動階級とを算出し、前記動き情報として各階の最大加速度と各階の最大速度と各階の最大変位と各階間の最大層間変形角とを算出するステップを含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、建物の全ての層に加速度センサを設ける必要がなくなり、建物の基礎地盤面と建物内の代表ポイントに地震センサを設置すればよいので、地震発生後の建物の被災度を従来よりも安価に推定することができる。また、本発明では、地震発生中に、地震情報と、建物の地震による動きを示す動き情報とを算出することができるので、避難誘導に関わる情報を建物の管理者に提供することができる。

また、本発明では、地震が発生する度に建物の実態に合った仮想建物モデルになるようにモデルを更新するので、建物の被災度の推定精度を向上させることができ、建物の安全性を素早く且つ高い精度で確認することができる。その結果、本発明では、詳細な設計データが無い６０ｍ以下の建物の場合であっても、建物の被災度を精度よく推定することができる。

本発明の実施の形態に係る建物被災推定システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る建物被災推定システムの動作を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る建物被災推定システムの構成を示すブロック図である。本実施の形態の建物被災推定システムは、建物被災推定装置１と、推定対象の建物２の基礎地盤面に設置された地震センサ２０と、建物２内の代表ポイントに設置された地震センサ２１とから構成される。

建物被災推定装置１は、建物２の既知の建物情報に基づいて、建物２の地震による動きを数式化した仮想建物モデルを導出する仮想建物モデル導出部１０と、地震発生中に地震センサ２０で計測された地動加速度を仮想建物モデルに入力して、仮想建物モデルの地震応答解析を行う地震応答解析部１１と、地震発生中に地震応答解析の結果を用いて、地震情報と、建物の地震による動きを示す動き情報とを算出する地震・動き情報算出部１２と、地震終了後に、地震・動き情報算出部１２が地震発生中に算出した地震情報と動き情報とを用いて、建物の被災度を推定する被災度推定部１３と、情報表示のための表示部１４と、仮想建物モデルのパラメータの修正値を算出するパラメータ修正部１５と、パラメータの修正値を仮想建物モデル導出部１０で用いるパラメータとして設定することにより、仮想建物モデルを更新する仮想建物モデル更新部１６とを備えている。

以下、本実施の形態の建物被災推定システムの動作を図２のフローチャートを用いて説明する。
まず、仮想建物モデル導出部１０は、推定対象の建物２の地震による動きを数式化した仮想建物モデルを導出する（図２ステップＳ１）。本実施の形態では、時刻歴応答解析に用いられる建物構造設計データがない建物２でも地震応答解析ができるよう、階高などの建物情報と建築構造設計統計データベース３から仮想建物モデルを導出する。以下、この仮想建物モデルの導出方法について詳細に説明する。

本実施の形態では、超高層建物に該当しない高さ６０ｍ以下の建物２を想定し、一般に公開されている建築構造設計統計データベース３に基づいて、建物２の既知の建物情報（建築面積、構造種別（ＲＣ造、Ｓ造、ＳＲＣ造、木造）、階数、階高、および建物高さ）から以下の手順を経て、仮想建物モデルを決定する。なお、建築構造設計統計データベース３とは、特定のデータベースを指すのではなく、過去の建物構造設計および建物の実測データから得られた知識の集合を意味する。

耐震設計においては，建物の高さを基に次の略算式で建物の一次固有周期を求めてよいとされている（昭和５５年建設省告示第１７９３号）。
Ｔ＝０．０３Ｈ ・・・（１）
Ｔ＝０．０２Ｈ ・・・（２）

式（１）は建物がＳ造（鉄骨造）または木造である場合の式であり、式（２）は建物がＲＣ造（鉄筋コンクリート造）またはＳＲＣ造（鉄骨鉄筋コンクリート造）の場合の式である。Ｔは秒単位の一次固有周期で、Ｈはｍ単位の建物高さである。

また、日本建築学会（１９８１）では次のような直線近似式が示されている。
Ｔ＝０．０２１Ｈ ・・・（３）
Ｔ＝０．０１４Ｈ ・・・（４）
Ｔ＝０．０２１Ｈ ・・・（５）
Ｔ＝０．０１５Ｈ ・・・（６）

式（３）は建物がＳ造高層建物の場合の式であり、式（４）は建物がＳＲＣ造高層建物の場合の式であり、式（５）は建物がＳ造中低層建物の場合の式であり、式（６）は建物がＲＣ造中低層建物またはＳＲＣ造中低層建物である場合の式である。
仮想建物モデル導出部１０は、式（１）〜式（６）のうち、推定対象の建物２の構造種別（ＲＣ造、Ｓ造、ＳＲＣ造、木造）および建物高さＨに該当するいずれかの式により推定対象の建物２の一次固有周期Ｔを求める。

本実施の形態では、日本建築学会（２０００）のデータベースより、実在Ｓ造建物の剛性は建築基準法の式の約２倍であると推定して、この剛性の値を仮想建物モデル導出部１０に予め設定しておく。その他の構造種別、すなわちＲＣ造、ＳＲＣ造、木造の建物の剛性についても、過去の統計データベースのデータを基に予め設定しておけばよい。また、本実施の形態では、日本建築学会（２０００）のデータを参考に、減衰定数を２％として仮想建物モデル導出部１０に予め設定しておく。

仮想建物モデル導出部１０は、推定対象の建物２の各階を質点とみなし、各質点（各階）の質量を建物２の建築面積および構造種別から推定する。各階の質量を推定するためには、建物の建築面積および構造種別と各階の質量との関係を過去の統計データベースから求め、各階の質量の推定式を仮想建物モデル導出部１０に予め設定しておけばよい。

続いて、仮想建物モデル導出部１０は、建築基準法で規定される地震層せん断力の分布係数Ａｉによって定まる静的な地震力を評価し、この地震力によって建物２の各階が直線的に変形するような各階の剛性分布を求める。分布係数Ａｉについては、前記の一次固有周期Ｔと各階の質量とから求めることができる。次に、仮想建物モデル導出部１０は、この剛性分布と各階の質量とから固有値解析により求めた固有周期が建物２の構造種別および建物高さＨから求めた一次固有周期Ｔに合致するように、各階の剛性の比率を一定に保ったまま剛性分布を調整する。

次に、仮想建物モデル導出部１０は、建築基準法で規定される各層の必要保有水平耐力Ｑｕｎを求める。まず、地震地域係数Ｚとしては、国土交通省が地域別に定めた値を仮想建物モデル導出部１０に予め設定しておけばよい。また、標準せん断力係数Ｃ０についても一般的に知られている値を仮想建物モデル導出部１０に予め設定しておけばよい。仮想建物モデル導出部１０は、予め設定された周知の計算式により、Ｔ＝０．０２Ｈの一次固有周期Ｔから振動特性係数Ｒｔを算出する。

靭性による低減係数Ｄｓについては、Ｓ造、ＲＣ造、ＳＲＣ造の設計で用いられる平均的なＤｓを０．４とし、この耐力の２倍を見込み、ここではＤｓ＝０．８という値を仮想建物モデル導出部１０に予め設定しておく。形状特性係数Ｆｅｓについては、推定対象の建物２として平均的な建物を想定し、剛性のバランスがよいＦｅｓ＝１という値を仮想建物モデル導出部１０に予め設定しておく。仮想建物モデル導出部１０は、上記の各階の質量から、各階が支える上部の総重量Ｗｉを算出し、このＷｉと地震地域係数Ｚと標準せん断力係数Ｃ０と振動特性係数Ｒｔと低減係数Ｄｓと形状特性係数Ｆｅｓと分布係数Ａｉとから次式により必要保有水平耐力Ｑｕｎを求める。
Ｑｕｎ＝Ｄｓ×Ｆｅｓ×Ｚ×Ｒｔ×Ａｉ×Ｃ０×Ｗｉ ・・・（７）

最終的に、仮想建物モデル導出部１０は、減衰定数、各階の質量、各階の剛性分布、必要保有水平耐力から仮想建物モデルの状態方程式を得る。
ｄＸ／ｄｔ＝Ａ×Ｘ＋Ｂ×Ｕ＋Ｄ×ｚ ・・・（８）

ここで、Ｘは状態変数である。状態変数Ｘには、各階の変位、各階の速度、制振装置の変位（建物２に制振装置がある場合）などが含まれる。Ｕは制振装置を制御する制御器への制御入力（制振装置および制御器がない場合にはＵ＝０）、ｚは地動加速度を示す。以上で、仮想建物モデル導出部１０の処理が終了する。

次に、地震応答解析部１１は、推定対象の建物２の基礎地盤面に設置された地震センサ２０で計測された地動加速度ｚが所定の地震判定閾値以上の場合、地震発生と判定し（図２ステップＳ２においてＹＥＳ）、地震センサ２０で計測された地動加速度ｚと制振装置の制御システムで演算された制御入力Ｕ（制振装置および制御器がない場合にはＵ＝０）とを仮想建物モデルに入力し、数値シミュレーションにより仮想建物モデルの地震応答解析を行う（図２ステップＳ３）。この地震応答解析により、地震応答解析部１１は、各階の変位、各階の速度を得ることができる。また、各階の速度を微分することにより、各階の加速度を得ることができる。

数値シミュレーションは、以下の式（９）に示す４次のルンゲクッタ法を用いて行う。
Ｘ１＝Ｘ
ｂ１＝ｄｔ×（Ａ×Ｘ１＋Ｂ×Ｕ＋Ｄ×ｚ）
Ｘ２＝Ｘ＋ｂ１／２
ｂ２＝ｄｔ×（Ａ×Ｘ２＋Ｂ×Ｕ＋Ｄ×ｚ）
Ｘ３＝Ｘ＋ｂ２／２
ｂ３＝ｄｔ×（Ａ×Ｘ３＋Ｂ×Ｕ＋Ｄ×ｚ）
Ｘ４＝Ｘ＋ｂ３
ｂ４＝ｄｔ×（Ａ×Ｘ４＋Ｂ×Ｕ＋Ｄ×ｚ）
Ｙ＝Ｘ＋（ｂ１＋２×ｂ２＋２×ｂ３＋ｂ４）／６ ・・・（９）

ここで、ｄｔはサンプリング時間を表す。次に、地震・動き情報算出部１２は、地震の発生中は、現在時刻から一定時間ΔＴ１だけ遡った地震応答解析部１１の地震応答解析結果（各階の変位、各階の速度、各階の加速度）を用いて、地震情報と、推定対象の建物２の地震による動きを示す動き情報とを算出する（図２ステップＳ４）。

地震情報としては、各階の計測震度、各階の長周期地震動階級がある。動き情報としては、各階の最大加速度、各階の最大速度、各階の最大変位、各階間の最大層間変形角がある。各階の計測震度は、各階の加速度から算出することができる。各階の長周期地震動階級は、地動加速度ｚを積分して得た地動速度と各階の速度とから求めることができる絶対速度応答に基づいて算出することができる。各階間の最大層間変形角は、各階間の最大層間変位を階高で割ることで算出することができる。

表示部１４は、地震・動き情報算出部１２が算出した地震情報と動き情報とを一定時間ΔＴ２の間隔で表示する（図２ステップＳ５）。
次に、被災度推定部１３は、地震センサ２０で計測された地動加速度ｚが地震判定閾値未満になると、地震が止んだと判定し（図２ステップＳ６においてＹＥＳ）、地震発生中に地震・動き情報算出部１２が算出した全データを用いて建物２の被災度を推定する（図２ステップＳ７）。

各階の計測震度、各階の長周期地震動階級、各階の最大加速度、各階の最大速度、各階の最大変位、各階間の最大層間変形角のそれぞれには、建物の損傷無しと判定する無被害判定閾値や、建物の損傷有りと判定する被害判定閾値が予め設定されている。被災度推定部１３は、例えば建物２のある階の計測震度が計測震度判定用に予め設定された無被害判定閾値未満であれば、当該階に損傷無しと判定し、計測震度が計測震度判定用に予め設定された被害判定閾値以上であれば、当該階に損傷有りと判定する。

同様に、被災度推定部１３は、建物２のある階の最大加速度が最大加速度判定用に予め設定された無被害判定閾値未満であれば、当該階に損傷無しと判定し、最大加速度が最大加速度判定用に予め設定された被害判定閾値以上であれば、当該階に損傷有りと判定する。被災度推定部１３は、以上のような判定を、各階の計測震度、各階の長周期地震動階級、各階の最大加速度、各階の最大速度、各階の最大変位、各階間の最大層間変形角のそれぞれについて階毎に行えばよい。なお、被害判定閾値については複数のレベルを設定して損傷の程度（損傷大、損傷小など）を判定できるようにしてもよい。

表示部１４は、被災度推定部１３が推定した建物２の被災度を表示する（図２ステップＳ８）。
次に、パラメータ修正部１５は、建物２内の代表ポイント（特定の階）に設置された地震センサ２１が地震発生中の特定時刻において計測した加速度と、地震発生中に地震応答解析部１１が算出した地震応答解析結果のうち、前記代表ポイントに該当する階の前記特定時刻における加速度とを照合する（図２ステップＳ９）。パラメータ修正部１５は、このような照合を地震発生中の各時刻について行う。

パラメータ修正部１５は、地震センサ２１が計測した加速度と地震応答解析部１１が算出した加速度との誤差が一定値以内であれば（図２ステップＳ１０においてＮＯ）、処理を終える。また、パラメータ修正部１５は、地震センサ２１が計測した加速度と地震応答解析部１１が算出した加速度との誤差が一定値を超える場合（ステップＳ１０においてＹＥＳ）、誤差が一定値以内になるように仮想建物モデルの減衰定数、剛性分布に補正を加え、式（８）に示した仮想建物モデルの状態方程式のパラメータＡ，Ｂ，Ｄの修正値を算出する（図２ステップＳ１１）。

仮想建物モデル更新部１６は、パラメータ修正部１５が算出したパラメータの修正値を仮想建物モデル導出部１０に設定することにより、仮想建物モデルを更新する（図２ステップＳ１２）。

以上のように、本実施の形態では、建物の全ての層に加速度センサを設ける必要がなくなり、建物の基礎地盤面と代表ポイントに地震センサを設置すればよいので、地震発生後の建物の被災度を従来よりも安価に推定することができる。また、従来より、地震で被災した建物について、損傷度合の状況や継続使用の可否判断に関する情報提供の迅速化が求められているが、本実施の形態では、地震が発生する度に建物の実態に合った仮想建物モデルになるようにモデルを更新するので、建物の被災度の推定精度を向上させることができ、建物の安全性を素早く且つ高い精度で確認することができる。

また、本実施の形態では、地震発生中に地震・動き情報算出部１２が算出した地震情報と動き情報とを表示することにより、避難誘導に関わる情報を建物の管理者に提供することができる。
また、本実施の形態では、地震センサ２０が計測する地動加速度ｚの代わりに、過去の地震波形に基づく地動加速度ｚあるいは模擬地震動に基づく地動加速度ｚを仮想建物モデルに入力して、図２のステップＳ３〜Ｓ５，Ｓ７，Ｓ８の処理を行えば、被害想定シミュレーションを実現することができる。

本実施の形態で説明した建物被災推定装置１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、地震発生後の建物の被災度を推定する技術に適用することができる。

１…建物被災推定装置、２…建物、３…建築構造設計統計データベース、１０…仮想建物モデル導出部、１１…地震応答解析部、１２…地震・動き情報算出部、１３…被災度推定部、１４…表示部、１５…パラメータ修正部、１６…仮想建物モデル更新部、２０，２１…地震センサ。

Claims (2)

1. 推定対象の建物の基礎地盤面に設置された第１の地震センサと、
   前記建物の既知の建物情報に基づいて、この建物の地震による動きを数式化した仮想建物モデルを導出する仮想建物モデル導出手段と、
   地震発生中に前記第１の地震センサで計測された地動加速度を前記仮想建物モデルに入力して、仮想建物モデルの地震応答解析を行う地震応答解析手段と、
   地震発生中に前記地震応答解析の結果を用いて、地震情報と、前記建物の地震による動きを示す動き情報とを算出する地震・動き情報算出手段と、
   地震終了後に、前記地震・動き情報算出手段が地震発生中に算出した地震情報と動き情報とを用いて、前記建物の被災度を推定する被災度推定手段とを備え、
   前記地震応答解析手段は、前記地震応答解析の結果として前記建物の各階の変位と各階の速度と各階の加速度とを算出し、
   前記地震・動き情報算出手段は、前記地震情報として各階の計測震度と各階の長周期地震動階級とを算出し、前記動き情報として各階の最大加速度と各階の最大速度と各階の最大変位と各階間の最大層間変形角とを算出することを特徴とする建物被災推定システム。
2. 推定対象の建物の既知の建物情報に基づいて、この建物の地震による動きを数式化した仮想建物モデルを導出する仮想建物モデル導出ステップと、
   前記建物の基礎地盤面に設置された第１の地震センサで地震発生中に計測された地動加速度を前記仮想建物モデルに入力して、仮想建物モデルの地震応答解析を行う地震応答解析ステップと、
   地震発生中に前記地震応答解析の結果を用いて、地震情報と、前記建物の地震による動きを示す動き情報とを算出する地震・動き情報算出ステップと、
   地震終了後に、前記地震・動き情報算出ステップで地震発生中に算出した地震情報と動き情報とを用いて、前記建物の被災度を推定する被災度推定ステップとを含み、
   前記地震応答解析ステップは、前記地震応答解析の結果として前記建物の各階の変位と各階の速度と各階の加速度とを算出するステップを含み、
   前記地震・動き情報算出ステップは、前記地震情報として各階の計測震度と各階の長周期地震動階級とを算出し、前記動き情報として各階の最大加速度と各階の最大速度と各階の最大変位と各階間の最大層間変形角とを算出するステップを含むことを特徴とする建物被災推定方法。

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