長周期地震動と建物応答

構造研究グル プ構造研究グループ

大川 出

1

長周期地震動と建物応答

ここでは、周期2秒程度以上の繰り返しの多い地震動を指す。（内陸直下地震でよく見られるパルス的なものを除く）のを除く）

発表内容

• 超高層等における設計用地震動の現状と問題点

• 東日本大震災における長周期地震動

• 地域別（被災地、首都圏や大都市圏）に見た長周期地震動の特徴地震動の特徴

• 建築物の地震応答事例

• 長周期地震動の予測手法

• 今後への課題

2004年9月紀伊半島沖地震における大阪此花観測点記録の周期特性の時間変化

周期

時間

時間(秒)加速

度

マグニチュードとスペクトル特性の概略的関係

（Boore, 2003)

耐震解析における設計用地震動超高層、免震建築物における時刻歴を用いた応答解析・観測波形の利用（適切な観測記録が不足）と速度振幅に

よるスケーリング(25, 50cm/s)・長周期で振幅レベルを確保した2000年告示スペクトル長周期で振幅レベルを確保した2000年告示スペクトル

継続時間(60秒以上）・サイト波の作成（妥当性の評価方法が課題）内陸直下地

震記録は増加、長周期地震動サイト波が検討課題・層間変形角、塑性率など建物応答の制限

→サイトと震源に応じて長周期地震動時刻歴を評価・作成→サイトと震源に応じて長周期地震動時刻歴を評価・作成する手法の開発と提案（後述）

→「超高層建築物等における長周期地震動への対策試案」への適用とパブリックコメントの実施

→東北地方太平洋沖地震の発生

設計用地震動スペクトル

150

２種地盤

h=0.05八戸NS 50kine

100

50

擬似

速度

（cm/s）

１種地盤

地表面（太実線：工学的基盤入力）

工学的基盤（点線）

0

1086420

周期（s）

エルセントロNS 50kine

タフトEW　50kine

東北地方太平洋沖地震における現象の把握

１）地震動特性（東北～関西、周期２～１０秒））地震動特性（東北 関西、周期 秒）

２）地域の地震動レベル（被災地域、首都圏、その他大都市圏）

３）建物応答記録（超高層建築物）

４）長周期地震動に関する提案手法の検証

本震とM7以上の余震の震源位置

134˚ 135˚ 136˚ 137˚ 138˚ 139˚ 140˚ 141˚ 142˚ 143˚ 144˚ 145˚ 146˚

42˚ 42˚

43˚ 43˚

44˚ 44˚

234567

IJMA

37˚ 37˚

38˚ 38˚

39˚ 39˚

40˚ 40˚

41˚ 41˚1

2011/03/11 14:46(h=24km, M9.0)

134˚ 135˚ 136˚ 137˚ 138˚ 139˚ 140˚ 141˚ 142˚ 143˚ 144˚ 145˚ 146˚

34˚ 34˚

35˚ 35˚

36˚ 36˚

0 100 200

km

比較に用いた主要強震観測地点（K-NET）

400

300

s)

IWT010（一関） MYG010（石巻） MYG006（古川） MYG013（仙台） MYG015（岩沼） FKS017（須賀川） FKS018（郡山）IBR003（日立）

h=0.05

200

100

擬似

速度

応答

(cm

/s IBR003（日立）

告示(工学的基盤） 同(一種地盤） 同(二種地盤） 同(三種地盤）

0

1086420周期 (s)

被災地のK-NET観測点での擬似速度スペクトル（周期毎に大きい成分をとった）

八戸弘前

広尾

釧路札幌

函館

つくば

千葉

横浜

小平

上尾

川崎

八千代

宮代

三郷

野田戸田

筑波山

水海道

0 20 40

km 宮古

いわき

秋田

鶴岡

新潟

金沢

舞鶴米子

浜田

福岡

広島

高松

大阪

松阪

名古屋

木曽

長野

下田

甲府

関東地域

折立

小大

仙台

宮城

野小

小 野小

玉川

中

0 200 400

km

0 10 20

km

都城

宮崎

延岡

大分 高知

高松

新宮

松阪静岡

東北

大

鶴巻

小

中野

仙台地域

建築研究所の強震観測地点

200

150

(cm

/s)

秋田県庁 B1F 八戸市役所 GL いわき市役所 B1F 宮古市役所 GL 新潟市役所 B1F 仙台合同庁舎 B2F 告示基盤スペクトル

減衰5％

100

50

擬似

速度

応答

( 2003年十勝沖地震苫小牧(K-NET)EW

被災地の建築研究所観測地点での擬似速度応答スペクトル

0

1086420周期 (s)

400

300

(cm

/s)

秋田県庁 B1F 八戸市役所 GL いわき市役所 B1F 宮古市役所 GL 新潟市役所 B1F仙台合同庁舎　B2F

h=0.10

200

100

エネ

ルギ

ース

ペク

トル

仙台合同庁舎 基盤告示波（10波平均） 2003年十勝沖苫小牧観測点EW

被災地の建築研究所観測地点でのエネルギースペクトル

0

1086420周期 (s)

150

100

s)2003年十勝沖地震　K-NET苫小牧

50

0

速度

(cm

/s

1978年宮城県沖地震　東北大学

1995年兵庫県南部地震　神戸海洋気象台

300250200150100500時間 (s)

2011年東北地方太平洋沖地震　東北大学

主要観測記録の時刻歴の時間長さの比較

140

120

100

80

60

40

20擬似

速度

応答

(cm

/s)

足立地方合同庁舎_01F 日本工業大学_GL さいたま合同庁舎２号館_01F 三郷市庁舎_GL 東京理科大学７号館_01F 基盤告示スペクトル

減衰５％ 140

120

100

80

60

40

20擬似

速度

応答

(cm

/s)

船橋市総合教育センター GL 市川市行徳図書館 01F 中央合同庁舎6号館 01F 墨田区役所 B1F 中央区37階建超高層住宅 01F 東京海洋大学品川国際交流会館 GL 基盤告示スペクトル

減衰5％

0

1086420周期 (s)

0

1086420周期 (s)

350

300

250

200

150スペ

クト

ル (cm

/s) 足立地方合同庁舎 01F

日本工業大学 GL さいたま新都心合同庁舎2号館 01F 三郷市庁舎 GL 東京理科大7号館 01F 告示波エネルギースペクトル（10波平均） 2003十勝沖地震苫小牧(K-NET)EW

350

300

250

200

150スペ

クト

ル (cm

/s) 船橋市総合教育センター_GL

市川市行徳図書館_01F 中央合同庁舎6号館_01F 墨田区役所_B1F 江東区37階建超高層住宅01F 東京海洋大学品川国際交流会館_GL 告示波エネルギースペクトル（10波平均） 2003年十勝沖地震苫小牧(K-NET)EW

16

150

100

50

0エネ

ルギ

ース

1086420周期 (s)

150

100

50

0エネ

ルギ

ース

1086420周期 (s)

首都圏および東京・千葉湾岸の地震動特性

300

250

200

cm

/s）

減衰５％1995年兵庫県南部地震　神戸海洋気象台

K-NET築館（震度７） 栗原市

年十勝沖地震 苫小牧

東北大学人間環境系校舎（１F) 仙台市

K-NET古川（震度６強） 大崎市

150

100

50

速度

応答

（c 2003年十勝沖地震　K-NET苫小牧

仙台第２合同庁舎（B2F)工学的基盤（基準法）

東北地方太平洋沖地震での地震動特性

01086420

周期（秒）

比較に用いた主要強震観測地点（K-NET）

120

100

80(cm

/s)

HKD129（苫小牧） OSK005（大阪柴島） NIG010（新潟） TKY016（東京東雲） MIE003（四日市） OSKH02（大阪此花） KNG002（横浜）SIT003(埼玉久喜)

減衰５％, 水平最大

80

60

40

20擬似

速度

応答

SIT003(埼玉久喜)

被災地を除く全国的な地震動特性の比較

0

1086420周期(s)

建築研究所の強震観測点134˚ 135˚ 136˚ 137˚ 138˚ 139˚ 140˚ 141˚ 142˚ 143˚ 144˚ 145˚ 146˚

42˚ 42˚

43˚ 43˚

44˚ 44˚

HKD

HKUKGC

HRO

37˚ 37˚

38˚ 38˚

39˚ 39˚

40˚ 40˚

41˚ 41˚

2011/03/1114:46(JST)h=24 km, M9.0

THU,SND

HCN2, HCNHRH

AKT

TRO

NIG

HKD

IWK

MYK

SKS

20

134˚ 135˚ 136˚ 137˚ 138˚ 139˚ 140˚ 141˚ 142˚ 143˚ 144˚ 145˚ 146˚34˚ 34˚

35˚ 35˚

36˚ 36˚

0 100 200

km

NGN

YMNSMZ

SMS

NGY

MTS

OSK,SKS

KSOMIZ

IWKSKS

55 Story Office Building (SKS）in Osaka

38 fl.

52 fl.

Osaka Sakishima office building

18 fl.

Y

256m

1 fl.

accelerometerSensor locations on the plan

大阪湾岸（SKS)観測地点

-1000

100

AC

C(c

m/s

2)

10008006004002000

100

m/s

2)

52F

38F

（秒）

Max. 86 gal

Max.126 gal52F

38F

-1000

AC

C(c

m

10008006004002000

-1000

100

AC

C(c

m/s

2)

38F

18F

X （秒）

Max. 41 gal18F

A

10008006004002000

-1000

100

AC

C(c

m/s

2)

10008006004002000

（秒）

(秒)

Max. 34 gal1F

1F

地震計

SKS１階の記録の擬似速度応答スペクトル（左）と１階に対する５２階のスペクトル比

東北地方太平洋沖地震の本震（Mw9 0)と本震（Mw9.0)と最大余震（Mw7.7)

400

300

200

cm

)52F-Y

SKS

100

0

Dis

plac

em

ent

(c

Main shock(Mw=9.0)Aftershock (Mw=7.7)

52F-X

-100

3500300025002000150010005000time (s)

52F X

頂部変位(上：Y方向、下：X方向）

80

60

トル (cm/s)

SKS X 01F SKS Y 01F OSKH02 NS OSKH02 EW

h=0.05

40

20

擬似速

度応答スペクト

東北地方太平洋沖地震における大阪湾岸SKS観測地点１階とKiK-net此花（OSKH02)観測地点での地表記録の擬似速度応答スペクトルの比較

0

擬

1086420

周期 (s)

大阪湾岸の増幅特性の推定

大阪府震度計の本震記録

本震時の周期6.4秒擬似速度応答スペクトルの分布(単位：cm/s)OSKH02

SKS

此花地点（OSKH02）の地盤増幅

20

40

率

応答（減衰１％） 応答（減衰５％） 入力

-40

-20

0

振幅

倍率

T=5 sec

低減衰系構造物の共振における過渡応答

100806040200時間（秒）

観測地震動特性のまとめ

東北地方太平洋沖地震における強震観測データを用いて本地震が作用した各地域の長周期地震動特性について整理した。

１）大きなマグニチュードにもかかわらず被災地や首都１）大きなマグニチュ ドにもかかわらず被災地や首都圏での長周期地震動のスペクトルレベルは現行設計レベルを上回るものではなかった。

２）長周期地震動が卓越する地域がある。

３）震源から遠く離れた超高層建物で大きな頂部変形が観測された。長周期地震動レベルが大きく卓越した地点があった。

４）入力地震動と固有周期の長い建物との低減衰における共振現象が見られた。

５）震源破壊に要した長い時間を反映して、継続時間が長い記録が多数得られた。

長周期地震動の評価方法に関する検討

• 観測データに基づいて、長周期地震動のスペクトル特性と群遅延時間特性（位相特性）を求め、さらに時刻歴を作成する手法を提案 （建築研究資料時刻歴を作成する手法を提案 （建築研究資料，２０１０）

• 今回の地震の記録でその手法の適用性を検証している。太平洋プレートの地震への適用性

• Mw=9.0の超巨大地震へどのように適用することが可能か （連動型などへの活用）可能か。（連動型などへの活用）

• 地震動特性の予測誤差、作成波のばらつき

• 超高層建築物や免震建築物の応答特性

30

長周期地震動の評価

提案手法

10log ( ) ( ) ( )a wS T a T M b T R= +

加速度応答スペクトル（減衰定数5％）

・震源

・断層最短距離（R)・震源距離（X)・サイト係数

31

( )10

0.5( )10

g ( ) ( ) ( )

log ( )10 ( ) ( )w

a w

Mp TjR d T c T c T- + + +

1/31 0 1 1( ) ( ) ( ) ( )tgr jf A f M B f X C fm = + +

2 1/32 0 2 2( ) ( ) ( ) ( )tgr jf A f M B f X C fs = + +

群遅延時間の平均値と分散

経験式に基づく時刻歴波形作成方法

S (5%)の経験式 群遅延時間の平均値μ

予測地点M0（またはMw)、断層最短距離、震源距離（複数断層の場合は破壊伝播時間差）

入力パラメータ

周波数依存の経時特性

減衰定数5％の加速度応答スペクトル

SA(5%)の経験式 群遅延時間の平均値μtgr

と標準偏差σtgrの経験式フーリエ振幅スペクトルの仮定 フーリエ位相スペクトル

リ 振幅ス

加速度波形

フーリエ振幅スペクトルの修正

目 標 SA(5%)への適合性No

YesFin.

想定海溝型地震と予測地点

地震 Mw 大阪平野 濃尾平野 関東平野 その他南海地震 8.5 ○ ○南海・東南海地震 8 6 ○ ○

★各平野での主な予測地点は以下の通り

南海 東南海地震 8.6 ○ ○東南海地震 8.2及び8.1 ○ ○ ○ ○東南海・東海地震 8.3 ○ ○ ○宮城県沖地震 7.6 ○関東地震 7.9 ○

★各平野 な予測地点は以下 通り大阪平野：此花（OSKH02)、大阪(OSK005)濃尾平野：津島(AIC003)、名古屋(AIC004)関東平野：新宿・工学院大、JMA大手町、東雲(TKY016)、JMA横浜

★関東地震は参考波（震源距離が経験式の適用範囲外のため）

サイト係数

34

SA(5%)の地盤増幅率、 μtgr、σtgrのサイト係数(海溝型地震：水平成分)

35

単独、連動地震

南海地震 東南海・東海地震

３連動地震

地震モーメントdyne・cm（Mw) 参考文献 参考文献中での引用

東断層 2 91×1028(8 2) 鶴来・他(2005) 中央防災会議東断層 2.91×10 (8.2) 鶴来・他(2005) 中央防災会議

西断層 5.46×1028(8.4) 鶴来・他(2005) 中央防災会議

東断層 9.01×1027(7.9) 鶴来・他(2005) 中央防災会議

西断層 1.48×1028(8.0) 鶴来・他(2005) 中央防災会議

東海 1.12×1028(8.0) 地震本部(2009)

全体 1.187×1029(8.6)

東南海本検討(3連動)

南海

３連動地震の破壊ケースによる応答スペクトルの比較

東北地方太平洋沖地震における観測値（左）と予測値（右）の比較

IWTH20（花巻南）

40

MYG015（岩沼）

東北地方太平洋沖地震における観測値と予測値の比較

東北地方太平洋沖地震における観測値の提案予測式による検証

• 提案予測式はMw=9.0は適用範囲外となるので、広い震源域を適切に分離して連動型として、提案式を適用したした。

• 東北地方では、周期3秒程度以下の長周期地震動をほぼ再現できている。

• 関東平野では、やや過大評価となった。この原因は、関東平野の観測点では、サイト係数、地盤増幅率の計算に用いた記録として、長周期が卓越する2004年紀伊半島沖の地震や前震・余震の記録の重みが大き紀伊半島沖の地震や前震 余震の記録の重みが大きいためと考えられる。

• 周期5秒以上では、全体として予測式は観測値を上回った。これは、Mwを外挿して経験式を用いていることが一因と考えられる。

41

前記検証結果に基づき検討中の事項

• 太平洋プレートと南海トラフの地震による伝播経路による差について検討する。

本震を連動地震と考え そ 適切な構成震• 本震を連動地震と考えて、その適切な構成震源モデルを求め、予測式を無理なく適用させる。

• 予測式をMw=9.0まで適用できるように、Mwが大きくなると地震動が頭打ちする効果等を導入するなどして 予測式の改良を試みる導入するなどして、予測式の改良を試みる。

• 現在検討中であり、結果は別機会に紹介する。

42

南海トラフの巨大地震モデル検討会

昭和南海地震の長周期地震動予測地図(地震調査研究推進本部、2012.1)

南海 ラ 巨大 震 検討会(内閣府中間とりまとめ案、2011.12）

43

(地震調査研究推進本部、 )