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岩盤・地盤条件を考慮した設計用エネルギスペクトルの提案

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(1)

【論  文】     日本建 築 学 会 構 造 系 論 文 報告 集 第 450 号

1993 年 8 月

Journal of  Struct

 Constr

 Engng

 AIJ

 No

450

 Aug

lgg3

岩 盤

地 盤 条 件

考慮

ス ペ

APROPOSAL

 

OF

 

DESING

 

ENERGY

 

SPECTRA

 

ALLOWING

 

FOR

 

ROCK

     

AND

 

SOIL

 

CONDITIONS

     

秋 山

 

7

 

志 勇

* *

村 春 幸

* * *

  ffiroshi

IKIYAMA

 

Zhi

}「ong  

YANG

 and  

Haruyz

ki

 

KITA

fUR

4

 The

 

loading

 effec ヒof earthquakes  to structures  is eva 旦uated  

in

 terms of energy  spectra

 

The

energy  spectra  of seismic  motions  

in

 the 

deep

 rock 

is

 assumed  to be of the simplest  

form.

 The seismic  motions  

in

 the 

deep

 rock  are amplified  

due

 to the process of wave  propagation  through

base

 rocks  and  sedimentary  soils  upon  the rock

 The well

established  wave  prepagation theory is applied  to the seismic  motions  in the 

deep

 rock  and  the energy  spectra  

for

 the surface  seismic  mo

tions are estimated  for the praciical design purposes

 Keyωortts :energ ), inPut

 energ )s spectrum

 ground conditiOn

ωave 

ProPagation

 amPltfication  charac

         teristics

 spmthetic  seismic ωave

      

エ ネル ギ 入 力

エ ネル ギス ペ ク トル

地 盤 条 件

波 動 伝 達

増幅特性

人工 地 震波

1.

序   地 震 動の構 造 物へ の荷 重 効 果はエネルギ入 力に よっ て 最も端 的に と らえることがで きる

その理 由は下 記の と お りである])

1) 地 震 動の フ

リエ 加 速 度 振 幅ス ペク トルは

無 減 衰 弾 性 1質 点 系へ の総エ ルギ 入力 E の 次 式による速 度 換 算 値

VE

と固 有 周 期

T

との 関 係

一・

致 する。

 

 

 

v

…………・

………・

…・

…・

…・

(・) 2)

つ の 地 震 動に よ る

つ の構 造 物へ の総エ ルギ 入 力

E

(1 )式に よ る速 度 換 算 値

VE

と構 造 物の

1

次固 有 周 期 丁 との関係を地 震 動の

つ の構造物にお け るエ ネルギスペ ク トルと定 義す る。 減衰系ない し

弾 塑 性 系 の よ うな非 線 形 系におけるエ ル ギスペ ク トル は , 地 震 動の フ乙 リエ 加 速 度 振 幅ス ペク トルを周期に鬨して平 滑 化し たもの に対応 す る

平滑 化の 程度は, 構 造 物の非 線 形 性の程 度に比 例 する。 3) 弾 塑 性系にお け るエ ネル ギス ペ ク トル は

,h=

0

1 な る弾 性

1

質点系に お け るエ ネル ギスペ ク トル で代表さ れ る

ん は 減衰定数であ る

こ の意 味に お い て

,・

つ の 地 震 動に より構 造 物に投入さ れ るエ ル ギの総量 は

専 ら

構造 物の総 質 量, 1次 固 有 周 期に依 存し

構造 物の 強 度

強 度 分 布, 剛 性 分 布

質 量 分 布

復 元 力特性に影 響さ れ な い安 定し た量であ る と言え る

 地 震 動の発生の メ カニ ズム は現 在 次の よ うにえ ら れ ている

ユ) 震 源 域におい て

岩 盤に ひずみ エ ル ギが蓄 積し

岩 盤 内の断 層が破 断 限 界に達する と断 層が破 壊し

ひず みエ ギが 岩 盤 内に解 放さ れ, 振 動 とし て岩 盤 内 を伝 播す る

。.

2) 建 物 直下の岩 盤に到 達し た実 体 波と し て の地震動は 地 表 付 近で増 幅さ れ て地 表 面に到 達する

また

地 表 面 の地 震 動は

地 表 面 付 近を水 平に伝 播 する表 面 波 を 含 ん で い る。  岩盤 を伝 播す る 地 震動の フ

リエ 加速 度 振 幅ス ペ ク ト ルは

限界周期 τ。 よ り小さい周 期 範囲 で は ほ ぼ

一t

定の 振 幅 を示すこと, およ び

地 震のマ グニ チュ

ドが増 大 する と Tcも大き く な る こ と が 明ら か と な っ て い る2 )

S )

  岩 盤の地 震 動の地 表 面へ の増 幅 特 性は波 動の 1次 元 重 複 反 射 理 論に よっ てその大 要が把 握で きること が 明ら か に され てい る4 )

G )

 ま た, 地 表 面で得られ た地 震 動か ら地 盤の増 幅特 性を 消 去して得られ る基 盤に おける地 震 動の速 度 応 答ス ペ ク トル も 周期に鈍 感な平坦な形 状を有する こと も明ら かに さ れ てい る7)

 本 論 文で は

まず

地 震 基 盤にお ける地 震 動 を設 定し, こ れ に基づい て岩 盤

地 盤に お け る実 体 波の増 幅 特 性を 明 らかにする。 次い で

過 去に 記 録さ れ た強 震 記 録 を参  零 東 京 大 学 S* 東京

大 学 iu 建 設 計

Unive[sity of Tokyo

Unlversity of Tokyo

Nikken Sekkei

(2)

Tab「e l Referred Seismic Records Nam巳ofEa 曲q聰k

  (Da鵠) S正匸20fReco 旧 M 1耻de 即 i

nralDi5 齒mじδ   面 〕

Max  umV

且ueofVE

    (c 雌 eの Ho臧  阻1Vc 血calS ロbsロu  乢障   P翻 lVa【ley (Mayl8

19ぐqE 】Ccn  6

325162

528

8Soi 且 Kem (  呼

伽 1y21

19521 τaf【 7

443lOL543

7SoiI

τbkad瓸弔h

(May

 

16

1968〕 Hac血ohe7

9180222

678

0SDi 且 L

調

UniOn 35105

047

0Rodk  Micho

{Sepロ9

1985) Me

ico

 

Ci 8

135074

052

0Rodk 照して

設 計 用 地 震 動のエ ル ギスペ ク トル を求め る

 参 照し た強 地 震 動 記 録は Table 1に示す もの で ある

なお

本 論 文で は特に ことわ ら ない限り

,h =0.1

の エ ネルギス ペ ク トル をエ ルギス ペク トルと呼ぶ。 2

岩 盤

地 盤に お け る 地 震動の 増幅 2

1 地 震 基 盤におけ る地 震 動   観 測さ れた地 震 動は多 少とも岩 盤

地 盤に おける増 幅 の影 響 を受けて い るが そ の内で も増 幅の影 響がない と さ れ る Michoacan 地 震の La Union にお け る岩 盤 上 の記 録 波のエ ルギス ペ ク トル を

Fig.

1(a}に示す

VE

は減 衰 10%, 周 期 T な る弾 性 系へ のエ ネル ギ入力 の速 度 換 算 値である

水 平 動に対する

VE

は次 式によ る ものである

       2Esw 十

ENS

       

……・

…・

………・

………

(2)       VE

     

M

 こ こ で,

EE

”:

EW

方 向 水 平 動に よる総エ ネルギ入 力       

ENS

1VS

方向水平動に よ る総エ ル ギ 入カ  

般に

上 下 動は水 平 動に比べ 岩 盤

地 盤増 幅 受けに くい

図 中に示され るよ うに

上 下 動のエ ネル ギ スペ ク トル は T に関 する変 化がな く平 坦である

 

Fig.

1(

b

)に示 す もの は

地 震にお ける震 源か ら

350km

離れ た

Mexico

 city の岩 盤 上の 記 録 波の エ ル ギス ペ ク トルで あ る

上下動のエ ル ギスペ ク ト ル は短 VE(  /s) 150 100 50 o VE(em/s) 100 5  5 (a) La UniQn 10T (s)       0            5      10       T (s)       (b) Mexico City

Fig

1 

Energy

 

Spectra

 fo[Records in Michoacan Earthquake

周 期 領 域で は か な り の増 幅を受けている が

長 周 期領域 で は平 坦で ある

 

Fig,

2

には

土質 地 盤上の記 録 波のエ ス ペ ク ト ル を示す

土質地 盤上におい て も上下 動のエ ルギスペ ク トルは長周期領域で平填な形 状を持っ て いる。   震 源モデル に基づ く フ

リエ 加 速 度 振 幅ク ト その形 態は τ >

Tc

域で坦と さ れて お り

地 震 基 盤に お け るエ ルギスペ

ク トル の態 と して

Fig

3

に % (  /s) 200 100 0 5 (a ) El Centro10 VE(en/s) 1GO 0 5 10       (b) Taft

Fig

2 Energy Spedra on  Soil Surface

VE(cm/s> 200 100 0 5 (c > Hachinohe10

一 60 一

(3)

VE

oVEO

    0

     0

2      5      10 T〔s }

Fig

3 Energy Spectrum

for Ground Motions in Base Rock

oV 巳o

VE

   o

    D

2      5      10 T〔s }

Fig

4 Energy Spectrum of  A Synthetlc GrounCl Motion

           

α

          H V

T  

Ve(km/s) 【司 Bedrock Fig

5      

V

T   Vs (mf・) ・

1

    {b[Surface Soi1

Distribution of Vs in Subsしructure

示す もの を仮定す る

こ こ で

地震 基 盤と して

Vs

が3

km

/s程 度硬 岩 層を考えて い るSl

ま た

 Tcの下限値 と して

Tc;

O

2s を設 定し た。 2

2  人工地 震 波に よる地 震 動の増 幅 解 析   地 震 基 盤に お ける地 震 動を模 擬し た人工地 震 波を作 成 し

こ れ を岩盤

地 盤 か ら成る 地層 構 造 底 部に入力し

岩 盤 表 面お よ び地 表 面における地 震 動を1次 元 波 動 伝 播 理論に より求め る

得ら れ た地 震 動のエ ルギス ペ ク ト ル を比 較す ることにより岩 盤

地 盤の振 動 増 幅 特 性を求 める。 2

2

1  人工地 震 波  Fig

3に示さ れるエ ルギス ペ ク トルを有す る 人 工 地 震 波

2

(t)を作 成す る。 人工地 震 波は次 式で表現さ れ る。

   

2・(t)

・(・

C・S

2π 丁

iPit

・)  こ こ で

B

(t):振 幅の包 絡 関 数8)       A, :振 動 成分の振 幅           

T

, :振 動 成 分 の 周 期        φゼ 振 動 成 分の位 相 角       t:時 間 人 工 地 震波の継 続 時間は 50秒で あ り

角は

O− 2

π 問の

様 乱 数と し た。

T

,と して は

0.

05

 s ≦

Tksse

 sの 範 囲の 62個を採り

A,は試 行 錯誤法に より求め た。 得 られ た人工地 震 波のエ ル ギス ペ ク トル をFig

4に示 す。 人工地 震 波は

波を用い た が

岩 盤

地 盤 表 面で の エ ル ギス ペ ク トルは

地 震 波が 目標エ ネルギスペ ク ト h2   D0

1O

05 O

OtO

005       O

001       50   10D     500 1000    5000        Vs(m /s)

Fig

6 Damping  Constanhn Groundfrom Fig

4

35 in Ref

      (9))     

ル に適 合 するもの で ある限り

地 震 波の違い に よ る影 響 をほ とん ど受けな い こ と は確か めてあ る

2

2

2  岩 盤

地 盤の構 成  岩 盤

地 盤 として は

Fig.

5に示す成層構 造を設 定 す る

すな わ ち

岩 盤は深さ が H (

km

)で表面の

S

速 度が VST〔km/s)基 部の S波 速 度が

VSE

km

sであ る。

表 層 地 盤は深 さが AH (m )で

表 面の

S

波 速度が sVST (m s

基 部の S波 速 度 s VSH (m /s)である

  岩 盤

地 盤の物 性 値は次の ように設 定し た9)

    密 度 γ

=1.

5

十 〇

0004Vs

(t/m3 )

   

せ ん断弾 性 係 数

 

G − 1

 

(t

thz

       9      

P

波 速 度 

Vp

= 100D十1

4

 Vs  (m /s)      減 衰 定 数                       十 〇

llた だし h,≧O

Ol       ん1

=一

     の基 準値      

30000

 こ こで

Vs

の単 位は m/s 

g

:重 力 加 速 度

9

8

 m /s2 減衰定 数の 基 準 値

h

,は岩 盤

地 盤の減 衰 定 数の

ヒ限 値 に近い 値で あ る

。h1

を基 準と して

他の 3通 りの減 衰 定 数を次の よ う に設定し た

      ん1        

h,

         

hl

   

h

・ :

2L

・h

3

h

5

ん,

〜h

,は既往の調 査結果 91 と

較し て

Fig.

6

に示さ れて い る。 2

2

3

 増 幅率   人工地 震 波 を岩 盤 基 部に入力し

次の 2種 類の応 答 波 を求めた

1) 表 層 地 盤がな い場 合の盤表層の加 速 度 応 答 波 2) 岩 盤

地 盤 系の表 層 地 盤 表 面上の加 速 度 応 答 波 無 減 衰の均 質 岩 盤の基部に地 震動を 入力し た場 合

岩 盤 の表 面の地 震 動は 2倍に増 幅さ れ る。し た がっ て

岩盤

地 盤の応 答 増 幅は

基 盤 入 力 加 速 度 記 録の振 幅 を2倍し た地 震 波に対し て評 価 する。 す な わ ち

次式により応 答 増 幅を評

する

      sy ε          nV ε

   

fR

「 斎

fs

「 福

”『

… ”… …

(4)

61

(4)

 こ こ で

fR

:岩 盤に よ る増 幅 率       

fs

:地 盤に よ る増幅 率       RVE :岩盤 表面の波 形のエ ル ギスペ ク トル       sVE :地 盤 表 面の波 形のエ ネル ギス ペ ク トル      

VE

。:基盤 入力波の エ ネルギス ペ ク トルの平坦          部の。 

V

』。の

2

倍 水平地 震 動の増 幅 特 性 を求める際に は

次 元せ ん断 波 重 複反射理論を 用い 上下 地 震 動の増 幅 特 性を求め る際に は

P

重複反射理論を用い た。 fa    H

3km

 VSB

3k 皿/s 4 3 2 1 0 且 4 〜 3 2 1 0        5          10 TCsl         同 H

1km , V3日

3km /s 5 〔b[ 10 T 〔s

Fig

7 Energy Spectra of Horizontal Ground Motjon on Rock

R6 〜 5 4 3 2 1 Q Surface H

3km

 VSB

3km /s

62

−一

       5       10   T〔s }

Fig

8 Effect of  Damping

2

3 岩盤

地 盤の増 幅特 性  Fig

7に は種々 の 岩 盤 上の水 平 地 震 動の

T

との関 係

すな わち

Vm

で無 次 元 化さ れ たエ ル ギスペ ク トル を示す

岩 盤 構 成は

H

 VST

 Vseに よっ て示さ れて い る

H

 VST

 VSfiの単 位は 2

2

2に示さ れてい る。 岩 盤の増 幅 率 を 支 配 するもの は岩 盤表面と岩 盤基 部の Vsの比率 VST/VSBで あ る。 岩盤の卓越周期は

VST

VSE

お よ び岩 盤 深さ

H

支 配され る  

Fig.

8

に は減 衰 定 数の変 化に よ る増 幅 特 性の変 化 を示 す

減 衰 定 数の岩 盤の増 幅 特 性に及ぽす 影 響はそれ ほ ど 顕 著で は な い

 Fig

9は岩 盤 上の鉛 直 地 震 動の エ ルギス ペ ク トルを 示 す

。P

波 速 度が

S

波 速 度に比べ て大きい こと か ら

岩 盤の卓 越 周 期は水 平 地 震 動の場 合に比べ て短 く なっ てい る。  

Fig.

10に は地 盤 表 面 上の水 平 地 震 動の無 次 元 化さ れ たエ ネル ギスペ ク トル (エ ル ギスペ ク トル の増 幅 率 ) を 示す

地 盤構成は,

AH

, s 

VST

,  s 

VSB

に よっ て示され て い る

岩 盤 構 成は R

H

 Vs ,

 Vs”に よっ て示さ れて い る

R は岩 盤 構 成で ある こ と を示す

 AH

  s  VST

  s Vse の 単 位は2

2

2に示さ れてい る。 増 幅 率は地 盤表面と岩 盤表 面の

Vs

の比 sysTI  

ys7

に支配さ れ る

 

Fig.

11 に は地 盤 表 面 上の鉛 直 地 震 動の無 次 元 化 され ∫E2

5 2

0 1

5 1

0 0

5 o H

1km

 V

B

3km 〆s fa2

5 2

0 1

5 1

D O

5 o 5 〔a} H

3km

 VSE

3km/s le    T (s 5   [b) ユD

  T(s) Fig

 g 

Energy

 

Spectra

 of Vertical 

Ground

 MoIion on Rock      Surface

(5)

  sV8丁司 00m /s

sVss

100m/s fs  R

1

0

3

0

3

0 5 4 3 2 1      0      5      10   T [s       {a)H

h

hl       sVST

100mXs

eVs

100m /s ∫s     R

3

0

0

5

3

D 10 8 6

4 2 o     5           10    T (s

【b田

h

h2

Fig

10 Energy Spectra of Horizontal Ground Motion on  Soil

ゐ 肝 2 1 Surface sVsT

20em /s

sVsB

200m /s R

3

O

0

5

3

0

0  5 10T 〔s

  Fig

 11 Energy SpectTa of Vertical Ground Motlon on Soil          Surface たエ ネルギス ペ ク トル を示す

。P

波 速 度は表 層 地 盤にお い ても あ ま り変化 し ない こ とか ら

岩 盤に お い てあ る程 度の増 幅を受けるに は 表 層 地 盤における増幅 は相 対 的に小さ く な る

な お, 岩 盤 表 面のエ ネルギス ペ ク ト ル は

AH

50

 m の場 合とほ とんど等し い

2

4  増幅率の簡易評 価式  岩盤地 盤 の地震動の増 幅特性を把 握する ために

,一

連 VER/VEO

・・

五Rl

o 0 !      !   

7

 /

     tanφm

=Sm

     tanφ。

=S

。 / ! φm energy  spectrum

of input gromd  mqtion

φ。

TmR

2TmR

       T

Fig

12 Energy Spectrum on  Rock Surfaee の応 答 解 析 結 果づ き

岩盤表面お よび地盤表面の地 震 動の無 次元化さ れ たエ ネルギスペ 久 トの簡 易 評 価 式 を求め た

結 果は次の ように要 約 される

2

4

1 岩 盤表面 上の元化エ ル ギス ペ グ トル  岩盤表面の エ ネル ギス ペク トル (VEn

T 関 係 )は

Fig.

12に示す形 態 を持つ

すな わ ち

岩盤 の卓越周期

TmR

でエ ネル ギス ペ ク トル は極 値 VEmを採る。 

T

2

TmR

で は

エ ネルギスペ ル の応 答 倍 率は

定 値

A

, を採る

短周期 領域は点 を通る線 分で与え ら れ

その 勾 配

S

。は極 大点(

TmR

VEri

)の割 線 勾 配

Sm

と対 応づ け ら れ る。 短周期領域の 限 界 点の エ ネ ル ギスペ ク トル 値

VSRo

の値は

0.8VEm

で近 似で き る

ルギス ペ ク トル を規 定する諸 量を支 配パ ラ メ

タの単 純な結合 則 と して 求め た結 果

次の諸 式が得ら れ た。 1) 水 平 地 震 動の場 合

 

 

 

VSBVsr

°

s

2 ・

  

 

  

T・R

      

VST

O

5+0

3y 、tS

T・

 

 

 

T

VSBVST

          ’

 

 

 

1・

h

、 万

°

15

 

 

 

VεoYEnz

2) 鉛 直 地 震 動の場 合

 

 

 

VpsVPT

°

s

°

2

 

 

 

7

     

VPT

O.

5

十 〇

3

      VPB

T

・ 

 

 

 

T・

4Hv ,

E

 

 

 

iR

==

5,

5

VPT

1

°

15 臨  

4 怖

& で     己   VPE

h

, 万

 5

Vpe

:岩盤基部にお け る

P

波 速 度

……・

6

63

(6)

        

VPT

:岩盤表面における

P

波 速 度 2

4

2 地 盤 表面上の無 次元化エル ギス ペ ク トル  岩 盤 上のエ ネルギス ペ ク トル に基づ き

地 盤 表 面 上の 水 平 地 震 動の エ ク ト

VES−T

関 係 )

Fig.

13に示す よ う に作図す るこ と がで きる

ルギ ス ペ ク トル は地 盤卓 越 周 期

TmS

で極 値 ams 

VEm

を採 る

。T

3TmS

で は増 幅率は

定 値as!である。 Tms<

T

3TmS

にお け る増 幅率は TmS におけ る増 幅 率 αmS と αSt を線 形補し たと な る 。 エ ル ギスペ ク トルを規 定す る諸 量は次の よ うに与え ら れる

1) ams VEm> VEROの場 合  i)

T

≦TmSの場 合

  

く α

・駘       0

A

点を結ぶ分 を採る。

 

 

・)

≧ α

・・ 合

 

 

 

イ)

ktl

EiSmVsEm

・駘        0

A

A

点を結ぶ線 分 を採る

 

 

 

≧ α

の場 合         0

A

B

A

点 を結ぶ線分を採る

 

ii

Tms

く T〈3 Tmsの場 合      yゑs

α3匸

y

εR  

iii

)3Tms 〈

T

の場合      VES

as2 vεR

2 > amS 

VERi

VERO

場 合

 表層 地盤に よ る増幅は無 視で き る。  こ こで

,TmS

:表層地 盤の越 周期       

VER

、 :

T =TmS

に お け る岩盤表面 上のエ ネル            ギス ペ ク トル値          TRO:VEReに対 応す る周 期

  

 

崖 謂

… + ・

5

1

  

 

a・・S

1

sVsrVST

°

1

°5

  

 

但・

… 5の駘

… 5と す ・・

 

 

 

a・・

1+ ・

a8

L5

°

ls

 

 

 

・・−

3

α $2 +

αs:

amS    2

     

 

9・

 

tt・

tt・

(7)  

Fig.

7

11に は (5 )

(7 )式によ る予 測値が示さ れ て い る

鉛 直 地 震 動の エ ルギス ペ ク トル も同様で あっ て

(7)式 中の せん 断 波 速 度 を

P

波 速 度に置 き換え る ことによ り増 幅 率

卓 越 周 期が評 価で き る

一 64 一

VES

/VEO amsVERI

VERIVERO

’    l       I Ai(amsVERi

Tms)         ,へ

O  TRo 

Tms

      3Tms       T

Fig

13 Energy Spectrum on Soi且Surface

3.

設 計 用エネルギスペ ク ト

3.

1 基 盤にお け る 地震 動の強さ   表層地 盤の 増 幅を受け る前の 基 盤に お け る地 震 動の さ に関し て は, 基 礎の 深 さ が

3km

程度に達す ること か ら実 測 例 がほ とん どな く

その推 定 が難しい

ま た

設 計で対象と すべ マ グニ チュ

ド8級の地震 記 録も極め て少ない

過 去にお け る観測記録を統計処理 し て地震動 の強さを

般 的に表 現し よ う と す る場 合

記 録 数 を増せ ば 中小地震 記録を含めざる を得ず

地震動を規 定する 諸量の相 対 的を得ら れ る と して も

大地震の実 像を 的 確に とらえ ることは困難と な る

 本 論 文で は

Table

 1に示す強 地 震 記 録の み を 用い て

岩 盤

地 盤の増 幅 を 消去 して得ら れ る基 盤にお け る地 震 動強 さ を求め

そ れに基づ い て設 計 用エ ル ギス ペ ク ト ル を 提案す る

 基 盤に おけ る開放基盤上の地震 動のエ ル ギス ペ ク ト ル の 形 態 として

Fig.

ユ4に示す もの を 仮 定す る

し た がっ て

求めるべ き もの はエ ネルギス ペ ク トル の レ ベ ル VE。で ある

  VE。は開 放 基 盤 上に おける地 震 動の最 大 速 度 γ と対 応づけること ができる1°)

文 献

10

)に よ れば

地 震 動の スペ ク トル強 度と 地 震 勤の最 大速度 との 係 は 次の よ うにめ ら れてい る。      

S

=5.

921V

.                  

…一

 

 

 (

8

)      

Slv

= 5

821

 

Vv

 こ こ で S跏, Slv :水平動お よ び上下動の ス ペ ク トル       強 度

         

s

・一

s

dT

          

S 。

h

O :無 減 衰 系の速 度 応 答ス ペ ク トル       VH

 Vv:水 平 動および上 下 動の最 大 速 度 SV

h

0 は無 減 衰 系のエ ル ギスペ ク トル VE

h

0 と ほ ぼ

致する1 )。 VE

h

。を 平 滑 化 し たスペ ク トル が

Vza.

1 に対 応 する。ス ペ ク トル を平 滑 化し て も積 分 値は変わ ら ない 。 し たが っ て

h

o

1の エ ネル ギス ペ ク トル を

Fig.

14 の よ う に仮 定し た場合,

SI

VE

と は次 式で対応づ け ら れ る

(7)

     SI

2

375 

VEO・

一・

 

一・

 

tt・

 {9) (

8

9

)式 よ り, エ ネル ギス ペ ク トル の レベ ル を地 動の最 大 速 度は次 式の よ うに対 応づ け られる

     H

VEe=

2

5 VH                

………・

………・

…・

……・

(10 )      vVEO

2

5 

Vv

 こ こ で

HVE 。:水 平 地 震 動のエ ネルギスペ ク トル の レ       ベ ル          vVE 。:鉛 直地 震 動のエ ネルギス ペク トル の レ       ベ ル    

VE VEO 00

2      5         

       10T (s[

   Fig

14 

Energy

 Spectrum on Base Rock

 

Table

 1に示す

El

 

Centro

記 録, 

Taft

記録, 八 戸 記 録

に関して は表 層 地 盤の 特 性が 調 査され て い る]1)

N13

調 査 結 果の Vs分 布 と

Fig.

5に従っ て単 純 化し た

Vs

分 布 をFig

15に示す

い ずれ の地 点に お い て も

岩 盤 表 面 付 近の Vs値を除けば岩盤の特 性は明ら か で な い

  Vs が 3km /s程 度に達す る深さを基 盤 深さ と考え

ル ギス ペ ク トル の卓 越 周 期を参 考に して岩 盤 深さ H を設 定 し て得られた岩盤の Vs分布が Fig

15中に示されて いる。   Fig

15に示 さ れ る単純化され た Vs分布を用い

複 反 射 理 論に より求めた 地表 面上のエ ルギス ペ ク トル が

Fig.

ユ6に示さ れて い る。 Fig

2中に は

 Fig

16に示

すエ ル ギス ペ ク トル を最大 値を

Fig.

2 中の対応 する エ ル ギスペ ク トルの大値に

致 さ せて予測値と して 示 して あ る。 な お

解析に用いた減 衰定数は

he

であ る。 = ou り   り ε 」 p の 茜

8

」 署 q⇒

El

 

Centro

sVST = 150ms

 

n

gl

N

s VSB

580m/s 星 Qo

H

VST=O.

75km/s VSB 

3

s

Taft

5 Vsr

 300ms

副[:

lx

s  Vsn =

 760ms VST

lkm/S

{[

VSB

3km

/s Hachinohe

s・VST

100m/s s VSB

900m/s Vsr

2

8km/s V

2

8km/s

Fig

15 Assumed Vs

Profi]e  in Sites of 

Strong

 Recold

fs,

fR5

4 3 2 1 o 5 (a) El Centro10   T(s > ∫5論 5 4 3 2 1 0      5      10       T(s )       (b)Tafし

Fig

16 Calculated Energy Spectra

か 痼 6 54321 0 5 (c ) Hachinohe 10   T(s) 二

65

(8)

Fig

2にさ れ るよ うに

スペ クトル の形 状は 1次 元 波 動 伝 播理論に よ り予 測 可 能で あ る と言え る。  Fig

2

に 示 すエ ネル ギス ペク トル の最大値をFig

16 にす増幅率の大値で除せ ば

,Table

 2にす ように

基 盤に お け るエネルギスペ ク トル の レベ

VE

め る ことが で き る

さ らに (10)式 を用いれば 基 盤に お け る最 大 速 度 を求める こと ができる

 既に 地 動の 最 大 速 度に 関 し て は多くの 研究があ り14)

]6)

水 平 地 動の最 大 速 度に対す る 鉛直 地 動の 大 速度の比に関して おお むね 次のが成 立す る と言わ れ てい る

      Vv

   

O

3≦ マ

i

≦1

0’

… … ’

t’

… … ’

… ’

… ’

… ”

11

Table

 

2

に示す

Vv

と 怖 の比 率 を参 照して

次の 値を設 定す る

7

……・

………・

…一 …………・

…一

(・2)  

Fig.17

はマ グニ

8

級の 大 地 震の基 盤におけ る上 下動のを震 源 距離

X

との関 係で描い たもの であ る

い ずれのも基盤に お け るエ ネルギス ペ ク トル の レ ベ ル

Vm

よ り (10 )式を用い て得たもの であ る。 Vy (cm /s) 112 100 50 0 100 200 3GO 400 X(km )

Fig

17 Maximum  Vertical Velocity重n Base Rock

N IV 皿 Vs

84 NO

31  (Toriumi ) 1 皿

、欄

… 4       (OhsakD        500  Vs(m /s) Fig

18 ハr

Va且琶e  and  Vs

La

 

Union

の 記 録にっ い て は, 

Fig.1

(a)に見ら れ る よ うに地 盤増 幅の影 響は ない と考え ら れ

エ ネル ギス ペ ク トル から

VE

。は容 易に読み とれ る

 

Mexico

 cityの記 録 は

Fig.

1

b

)に示すエ ルギスペ ク トル におい て

岩 盤

地 盤の増 幅の影 響 がない と 考えられ る 6sec <

T

〈 10 sec の範囲の Vを Vε。と し て い る

 

Fig.

17の

Vv−

 

T

 

ma

は次式で近 似で き る。      

Vv

= 56

10

o

3s]ogx

 

−t・

 

t・

 (13)

Vv

代表値と して

X =

IOO km に おける Vvを ユ3)式 よ り求め る と,

Vv

 = 11

2cm /s を 得 る

こ の 値は,

Tab1e

 2に示す強 震 記 録の Vvの上 限に位 置 する

そ こ で

こ のを設 計用エ ネル ギスペ ク トルを求め る際の基 準値とす る

10

), (

11

) 式よ り, 設 計 用エ ネルギス ペ ク トル の レベ ル

Vm

は Table 3に示 す ように設 定さ れ る

Table 2 Level ef Seismic Motions in Base Rocks

   El〔  H面zoa血1Vcr巨  1       T皿 Ho顔zon 圃 Ve醐    Hach o 虹e 日br蛇σ随囲 Ve而C81 Max  umVaLu じofV日

   V

 

肉 ) 162

528

8101

543

7222

678 ρ S岬 lAmpU伍c臼ゴ     V剛V8D 4302

063

061

815

552

77 1創

1  V

  (α輝s) 37

814

O33

124

140

128

2 幽x 血皿 Vd iΨ   血Basc

 

RockV 厄(2V 晒oな5) 15

15

6 艮3

39

716

011

3

Table 3 Ground Motion in Base Rock

Ho6zon則 Vo市ca艮

Max  um Vcloci穿

  V

(  》s) 16

0112   gy Sp島C 副 恥v。L

   VBO(呱》s} 40

028

0 Table4 

Standardization

 of 

Substructure

Subso1且CDnd瓸  巴 5V訂 回s) sV肌 (m/s) ムH 〔m)  V6 呶 5 〕 V跚 伽15)  H 伽 } N

Value 【 400 姻 60≦N ∬ 30030030 め 1000

5to1

5 30≦N≦60 皿 200200 3

03

010 ≦N≦30 1V looloo N≦10 o o 5 km /sOkm /s5km /s 1   2  3  4   5  6  7  8  9  10TCs

   Fig

19 EneTgy Spectra on  the Ilnd 

Ground

66

(9)

3

2 設 計 用エ ネルギス ペ ク トル  地 震 動の増幅は 地 盤

岩盤の 構 成

す な わ ち せ ん断 波 速度の分布に よっ て異な る。 増 幅特性に おいて支 配 的な 量は

VSTI

 VSfi

 s V,,/ V, ,

 AH

 

H

で あ る

 

H

は岩 盤の 卓 越 周 期 を支 配する

H につ い ては

岩 盤 の増 幅が広 い周 期帯に及ぶ よ う に

H =3km

を設定値と す る

 

AH

は地 盤の卓 越 周 期 を支 配する

AH につ いても

地 盤 増 幅の影 響 範 囲を広く考 慮する た め に AH

30 m

100 m の 範 囲で設 定 する。 VST

  s VSTに関 して も

広い範 囲の 値の変化を考 慮して次の範 囲の値を設 定 する

   

、0.

5km ≦ VST≦L5km      

100m

≦s  

VST

≦400 m 以 上の設 定値に基づ き

Table

 

4

4

盤種 を設 定す る。 表 中の

Vs

の値は 地盤 種 別ご との最 低 値で あ る。  せん断 波 速 度と標準貫入試 験に よ る N 値との係は 多くの究 者に よ り提 案さ れてい るIT )

1s 〕 。 

Fig,18

に は

N

Vs

との関 係を示 す。 これ等の研 究 成 果を参 照し て

Table

 4中に は

Vs

の範囲 と対 応さ せ て お お よ その 理値の範囲 を示 してい る

な お

表 中

,.

、 

V

、 。/s  

V

』B は表 層 地 盤の幅に ほとんど影 響 を与え な い の で s VST

s VSB と して いる。 AH は地 盤の増 幅 率に ほと ん ど影 響 を与え ず

地盤の卓越周期を支 配する量であ り

,Table

 4の 両 端の

AH 耳30

 m

100 m につ い てエ ネルギス ペ ク ト ル を求め た。

VST

につ い て は代 表 値と し て

 

Vsr=O.

5

km

/s

1

okm /s

1

5km /s につ いて解析し たe  口種地 盤 につ い ての 解 析 結 果

Fig.

19 に示さ れて い る。 実 線は

Vsr=0.

5km

/sの場 合のエ ネルギス ペ ク ト ル であ り

破 線は

V

,,

1

okm /s の 場 合の エ ネルギス ペ ク トルで ある

細い実 線は VST

1

5km /s の場 合で あ る

T

>2

Os で は

V

,.

O

 s 

km

/s の場 合の エ ネル ギ ス ペ ク トル が卓 越する

。一

Vsr

 

1

0 

km

s

1

5 kms で は

周 期 領 域 (

T

く2

Os)で ス ペ ク トル の極 値 が現れ

スペ ク トル形 状は

VST

が大き く な る ほ ど急 峻に なる

す な わ ち

岩 盤によ る増 幅は減少し

地 盤の増 幅 が強調 さ れ る よ うに なる

図中の エ ネルギス ペ ク トルは い ずれ も

h=

O.

ユ に対す るもので あ る

こ の よ う な急 峻 なス ペ ク トル の 極 大 値は減 衰 量h に敏 感で ある

し た がっ て, こ の よ うな急 峻なエ ネルギスペ ク トルを 設 計用 エ ネ ル ギスペ ル に考 慮す る際に は 現実の構 造物の

h

の値 をよ り的 確に評 価 する必 要がある

現 在

τ≦ 2

0

sの構 造 物に対 して は 終 局 強 度 設 計 法 が 適用さ れて お り, 構 造特性 係数

Ds

値の範囲は次の ようなもの であ る19)

   

0

Z5

≦1)s≦O

5

 

(14)

Ds

値は

造 物の実 強 度の構 造 物が弾 性に と どま る場 合の所 要 強 度に対 する比 率と解 釈で き る。 構 造 物の塑 性 化に よ るエネルギ 吸収が所要強 度の 低 減に寄与す る。

弾塑性系を等価線形系に置換す ること がで き

系の 非 線 形 性は等 価 線 形 系にお け る減 衰 定 数に反 映さ れ る。 弾 性 系の応 答スペ ク ト 低 減 率と し次 式り 上 げ る】}

4J5432 o 5432          

VST

0

5 km /s 1   2   3  4   5   6   7  8   9  10T [s] 倒 Horizontal Ground Motions on the Ist Ground

     

VST

0

5km 〆ss

0  工 23456789

    Cb}Horizontal G

ound  Motions on  the 皿nd  Ground

f 丿 654321 10T (s[  

VST

0

5km/s  

− 一

  1

Okm /s 0  亅 23456789

    [c]Horizonta【Ground Motiong oロ the 田rd Ground

f876543210

3 2 10T 〔s)

i

  2 

3   4   5   6   7   8

 9  10T 〔s〕 [d}Horizontal Gro皿 d Motions  on

the IVGmund

Vsτ

0

5km /s

1  2  3  4

15

 6  7  8  9

[e)Horizontal Ground Motions on Specified Gr魄 nd

Fig

20 Energy Spectra on  Specified Grounds

10T [s〕

(10)

V

,(cm /s)

300

200005211

0 (0

6)(1

O)(1

5)              T〔s〕     【a}Horizontal Ground Motions

VE

(cm /s)

70

0  (0

55)       T〔s[  

Cb

}Vertical Ground 

Motions

Fig

21 Design Energy Spectra

§

1

1

+ ,

f

, 、

,、s

E

− …・

…・

…・

……−t

(15)  こ こ で

S

(O):

h =

0の の応 答スペ ク トル         

S

h

):減 衰定数が

h

な る系の応 答ス ペ ク ト       ル

S

(h}/

S

(0)は Ds 値と同 等の意 味を持つ  

h =

O

2の場 合 の

S

h

)/

S

0

)は

0.

47 と な る。この値を

Ds

値と見な せ ぱ

こ のは (14)式の ほ ぼ 上 限に位置す る

す な わ ち

現 実の 造物の非 線形性は減 衰 定 数に換 算す れ ば

h

≧0

2 に対 応す ると言え る。 以 上の考 察 を踏 まえて

長周期 領 域の エ ルギス ペ ク トル を支 配する VST

0

5km /s の 場 合は

h =

0

1に対するエ ネルギス ペ ク トル を, 短周期 領 域の エ ルギスペ ク ト 支 配す る

Vsr=

1

Okm s

1

5km /s の場 合は

h=

O

2にす るエ ルギスペ ク トル を求め

これ等を総 合して設 計 用エ ネルギス ペ ク トル を 導く。 Fig

20 には得ら れ た 地 盤表 面上のエ ネル ギスペ ク トル を示す

表記 法は

Fig.

19の場 合と同 様で ある

h

O

2 を導 入 する ことにより

短 周 期 領 域の スペ ク ト ル形 状は な だ らか に な る。

Fig,

20(e)に示す鉛直地 動 の エ ル ギスペ ク トル は

表 層 地 盤の影 響を あ ま り 受 け な い

図 中に は s Vs7

100 ms の場 合 し てあ る

Fig,

20

の各エ ル ギス ペ ク トル を お お む ね包 絡 する も の と し て

図中に示す

bi−linear

型の

V

−T

関 係が得ら れ, これ を 設計用エ ネル ギス ペ ク トル と す る

Table 3 に示す

VE

。 を乗 ずれば, 設 計 用エ ネルギスペ ク トル と し

68

て Fig

21

に示すもの が得ら れ る。 鉛直地震 動に対す る エ ル ギス ペ ク トル は地 盤種 別に よ らず単

の もの と な る

エ ネル ギス ペ ク トル は

2

線 分で表現で き

2線分の 交点の周期は図中の ( )内に示さ れ ている

  総エ ネル ギ入力

E

か ら減 衰に よ り消 費され るエ ル ギ入力 臥 を除いて得ら れ る損 傷に寄 与す るエ ル ギ 入 力

Ep

の速 度 換 算 値

Vb

》跚 ) と T との閧 係は 速 度 応 答ス ペ クトルと ほ ぼ

致す ること が明ら か に さ れ て い る1)

2°)。 現 行の建築 基準法 施行令 21) に示 さ れ る2 次設 計 用 加 速 度 応 答ス ペ ク トル を円 振 動 数で除して得ら れ る速度 応 答ス ペ ク トル は

お お む ね

,Fig.

21

(aに 示さ れ る

1

田種地 盤の エ ル ギス ペ ク トル と対応 してい る。 すな わ ち

こ の 速 度 応 答スペ ク トル を2線 分 で近 似 し た場 合の

2

線 分の 交点 (

TiS

 

Vmax

(cm /s))は

1

種地 盤で 0

64

100)且種 地 盤で O

 96

150)

種 地 盤で (1

28

,200

)で あ る。 し か し

こ こ に提 案し たエ ルギス ペク トル は水 平

2

方 向入 力の荷 重 効 果の和 を表 現して いるこ と

お よび 減 衰によ るエ ネルギ吸収 量 を も含ん だ総エ ネルギ 入力を表現してい る点で 上記速 度 応 答スペ ク トル に比べ て よ り明 確な意 味 を持っ て い る

4.

結  語   地 震 基 盤に お け る地震動の エ ネルギス ペ ク トルの形態 と して最も単 純な

bi−linear

型 を 仮定 し

こ れに適合し た人工地震波お よび

次元波動理論を用い て

地表 面の エ ネル ギス ペ ク トルを求め た。 本手 法に よ り

地表 面で 得ら れ た 強 震記録の エ ネル ギスペ ク トル の 形 態 を 予 測 し 得た。  

M8

級の地震 動の地震 基盤に お け るエ ル ギス ペク ト ル の レベ ル を 観 測 記 録 よ り推 定 し, 代表 的地 盤の深 さ 方 向の弾 性 波 速 度 分 布 を仮 定し て 代 表 的 地 盤の地 表 面の エ ルギスペク トルを求め設 計 用エ ルギスペ ル と して提 案し た。  ただし

提 案さ れ たエ ルギスペ ク ト ル は 数 少な い 強 震観測資料に基づ く もの であ り

定量化の精 度に関し ては

よ り多くの観 測 資 料を加えた今 後の検 討に俟つ 所 が 大 きい

謝   辞  地 震記 録 等の資 料 収 集に 関 し て

清 水 建 設 (株 )壇

男 氏

株 )井  超 氏に ご協 力い ただい た

参 考 文 献 1) 秋 山 宏 :建 築 物の 耐 震 極 限 設 計

東 京 大 学 出 版 会

  19802 ) 壇 

渡 辺 孝 英, 田 中 貞二 :遠 方 場S波の近似式に   基づ く 地 震 波 形の半 経 験 的 合 成 法

日本 建 築 学 会 論 文 報   告 集

第396号

pp

2

36

1989

2 3} 太田  裕

鏡 味洋 史;耐 震工学上考 慮すべ き地 震 波の周

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  期の限 と振 幅の下 限, 日本 建 築 学 会 論 文 報 告 集

第    249号

 pp

53

−−

60

 1976

11 4} 田 治 見 宏 :建 築 振動学

コ ロ ナ 社

1965 5)大 築 志 夫

金井 清:耐 震 設 計

コ ロ ナ社

1961 6)阿部 康 彦

小 林 喜 久二

大 島 豊

真 下 貢

小 林 啓 美     :地 震 動の上 下 動

水 平 動ス ペ ク トル振 幅 比の特 性と そ   の応 用に関す る研究 (その 3

建築学会大会 学術講    演梗概 集

pp

4 3

404

1991 7) 小 林 啓 美

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Table   2   Level   ef   Seismic   Motions   in   Base   Rocks

参照

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